唐維宇，尚云志，James J.Sheng，3，王秀坤，鄒楓

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；3.得克薩斯理工大學(xué)Bob L.Herd石油工程系，美國(guó)得克薩斯州 拉伯克 43111；4.中國(guó)石化中原油田分公司工程技術(shù)管理部，河南 濮陽(yáng) 457001）

0 引言

常規(guī)油藏的儲(chǔ)層物性較好，儲(chǔ)量巨大且開(kāi)發(fā)難度較低，是油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。隨著油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)期，常規(guī)儲(chǔ)層中的可動(dòng)用原油儲(chǔ)量逐漸降低，穩(wěn)產(chǎn)難度越來(lái)越大。我國(guó)致密油資源豐富，分布范圍較廣，具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力[1]。大慶油田敖南區(qū)塊位于松遼盆地中央坳陷區(qū)長(zhǎng)垣、齊家-古龍凹陷和三肇凹陷交界處，扶余油層是典型的低孔—特低孔、特低滲儲(chǔ)層，為致密油藏勘探的重點(diǎn)目標(biāo)之一。

水平井多級(jí)壓裂技術(shù)可以達(dá)到初步開(kāi)發(fā)致密油藏的目的。盡管如此，在當(dāng)前油藏條件下，衰竭式開(kāi)發(fā)所能取得的經(jīng)濟(jì)效益也有限[2-3]。 謝斌等[4]分析了致密油藏水平井縫網(wǎng)壓裂后形成的復(fù)雜破碎改造體，并指出裂縫半長(zhǎng)和裂縫條數(shù)存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)值。孫立輝[5]經(jīng)對(duì)比后指出了長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層注水開(kāi)發(fā)的可行性。Sheng等[6]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層注氣與注水進(jìn)行了對(duì)比，與注氣相比，注水只能維持有限的地層壓力。2011年，Bakken油田進(jìn)行了水平井注氣驅(qū)替試驗(yàn)[7]，結(jié)果表明水平井氣驅(qū)可有效提高原油產(chǎn)量。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)注入氣體突破距其最近的裂縫時(shí)，通過(guò)特殊的井下工具將該裂縫封隔，以促使注入氣體向下一個(gè)裂縫流動(dòng)，從而大大延緩了氣體突破。2012年，North Dakota地區(qū)進(jìn)行了水平井注入試驗(yàn)[8]，初期的注入流體為水，未取得預(yù)期效果。2014年后，該注入井由注水轉(zhuǎn)注氣，隨后生產(chǎn)井的采油速度立刻上升，但后期隨著注入速度的提升，產(chǎn)量下降明顯。在2008—2014年，Bakken油田進(jìn)行了多次水平井注氣吞吐試驗(yàn)[8-9]。與氣驅(qū)相比，吞吐的效果較差，僅在幾次試驗(yàn)中出現(xiàn)了有效的增產(chǎn)現(xiàn)象，而注入時(shí)間不足則是增產(chǎn)效果不明顯的主要原因[10]。

賈瑞軒等[11]通過(guò)核磁共振手段，分析了CO2吞吐致密油藏的可動(dòng)用性。程杰成等[12]對(duì)大慶長(zhǎng)垣外圍特低滲透扶余油層CO2驅(qū)油試驗(yàn)進(jìn)行了研究，指出在當(dāng)前油藏條件下CO2難以與原油混相。Joslin等[13]在壓裂的基礎(chǔ)上，分析了致密油藏中采取多種提高采收率措施的經(jīng)濟(jì)可行性。他指出，與注入CO2相比，注入N2更經(jīng)濟(jì)且風(fēng)險(xiǎn)較小。本文結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件，采取適合研究區(qū)的布井方式及工作制度，以N2作為注入氣體，比較非混相注氣開(kāi)發(fā)與注水開(kāi)發(fā)在不同注入方式（驅(qū)替和吞吐）下的提高采收率潛力，為該區(qū)塊致密油藏的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了選擇和理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

Ceragioli[14]為模擬注氣過(guò)程中黑油模型或組分模型的選擇提供了參考。他指出，組分模型的可靠性比較依賴(lài)于合適的時(shí)空離散以及足夠詳細(xì)準(zhǔn)確的儲(chǔ)層流體擬組分狀態(tài)方程，這通常意味著極大的計(jì)算時(shí)間消耗。普通的黑油模型由油、氣、水三相組成，為了更加有效地模擬油相與注入氣體在油藏條件下相互作用的過(guò)程，本文使用了由油、氣、水、溶劑組成的“四組分”黑油模型。此模型修正了三相黑油模型中的物理性質(zhì)和流動(dòng)特性，假定烴類(lèi)流體在模擬期間組分保持恒定，且所有流體的性質(zhì)都與壓力（泡點(diǎn)壓力）相關(guān)。

“四組分”黑油模型是基于Todd等[15]的一種模擬注氣混相（非混相）驅(qū)替的方法。通過(guò)引入2個(gè)決定溶劑和油混相程度以及溶劑和氣體混合程度的參數(shù)（ωo，ωg），來(lái)修正氣相和油相在不同壓力下的黏度、密度，以及溶劑的相滲等參數(shù)。其中，ωo，ωg是壓力的函數(shù)，ωo=0意味著非混相，ωo=1意味著完全混相。通常情況下，當(dāng)壓力遠(yuǎn)低于最小混相壓力時(shí)，ωo=0，意味著溶劑以非混相的形式置換原油；隨著壓力逐漸上升，達(dá)到最小混相壓力后，ωo達(dá)到了最大值ωo，max，溶劑與原油達(dá)到了完全混相狀態(tài)。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 數(shù)值模型

應(yīng)用數(shù)值模擬軟件CMG-IMEX，參考實(shí)際水平井的油藏基本參數(shù)以及動(dòng)態(tài)生產(chǎn)資料，建立了水平井多級(jí)壓裂數(shù)值模型（見(jiàn)圖1）。模型的基本參數(shù)為：平均孔隙度0.114，水平段長(zhǎng)度1 420 m，平均滲透率0.1×10-3μm2，注采間距 40 m，裂縫導(dǎo)流能力 100×10-3μm2·m。

圖1 敖南區(qū)塊扶余油層水平井?dāng)?shù)值模型

與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確地模擬油藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)（見(jiàn)圖2）。

圖2 敖平3井累計(jì)產(chǎn)油量擬合

2.2 注采單元模型

合理的布井方式是獲得更高采收率的關(guān)鍵。在注入過(guò)程中，合理的布井方式不僅能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，還能有效延緩注入流體的突破。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，模仿Bakken油田的裂縫封隔法是不經(jīng)濟(jì)的，其特殊的井下工具需追加大量的資金投入，因而注入井與生產(chǎn)井垂直分布的布井方式并不適用于所有致密油儲(chǔ)層。本文在現(xiàn)有水平井的基礎(chǔ)上，考慮注入井與生產(chǎn)井平行分布的布井方式，建立了如圖3所示的注采單元。假設(shè)該水平井在原水平井東330 m，且同樣為南北走向。由于模型的對(duì)稱(chēng)性，現(xiàn)將2口井的2條半縫作為研究對(duì)象，以減少模擬過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間。從儲(chǔ)層物性的分布角度來(lái)看，不同程度、不同類(lèi)型的非均質(zhì)性均會(huì)導(dǎo)致不同結(jié)果的出現(xiàn)，因此在本模型中，基質(zhì)的孔滲均為均勻分布。其基本參數(shù)見(jiàn)表1（注入流體為N2/水）。

圖3 注采單元示意

表1 注采單元模型基本參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 水平井注氣提高采收率

注氣吞吐的開(kāi)發(fā)效果受工作制度的影響較為明顯，不同的注入時(shí)間、燜井時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間對(duì)最終采收率的影響較大。Sheng[16]應(yīng)用數(shù)值模擬方法，針對(duì)注氣吞吐的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)比不同注入時(shí)間與生產(chǎn)時(shí)間條件下靠近井底網(wǎng)格的壓力與最終采收率的關(guān)系，將靠近井底網(wǎng)格的壓力作為衡量注入（生產(chǎn)）時(shí)間是否充足的標(biāo)準(zhǔn)。他指出，當(dāng)注入井附近的網(wǎng)格壓力達(dá)到了設(shè)定的最大注入壓力（最小生產(chǎn)壓力）時(shí)，吞吐所能獲得的采收率最高。因此，以井底壓力為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)循環(huán)設(shè)置了不同的注入時(shí)間，而生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)循環(huán)的壓降速度幾乎是相同的，所以每個(gè)循環(huán)的生產(chǎn)時(shí)間都是200 d。

注氣前，衰竭式開(kāi)發(fā)5 000 d可達(dá)到8.8%的采收率。經(jīng)過(guò)注氣吞吐作業(yè)8個(gè)循環(huán)（注入260～410 d，生產(chǎn)410～490 d，共 6 150 d）后，采收率可提高至 17.2%；相同條件下，氣驅(qū)可將采收率提高至12.8%（見(jiàn)圖4a）。而在生產(chǎn)期間，注氣吞吐的采油速度也遠(yuǎn)高于氣驅(qū)。

圖4 注氣提高采收率

如圖4b所示，氣驅(qū)的總注氣量上升較為緩慢，且時(shí)斷時(shí)續(xù)。其根本原因在于，在不超過(guò)最大注氣量的條件下，實(shí)際的注入速度是由井底注入壓力和井周?chē)鷧^(qū)域的壓差決定的。隨著氣驅(qū)的進(jìn)行，注入井不斷注入氣體，導(dǎo)致井周?chē)膲毫χ饾u升高。此時(shí)，如果生產(chǎn)井所產(chǎn)生的壓力降不能傳播到注入井附近，或者注入井所注入的壓力可以彌補(bǔ)傳來(lái)的壓力降，將導(dǎo)致注入井附近壓力不斷上升，最終達(dá)到最大注入壓力，在模型中表現(xiàn)為井底壓力與該井射孔處的網(wǎng)格壓力相等，注入速度降為0。隨著生產(chǎn)井所產(chǎn)生的壓力降傳播到注入井附近，注入井井底與其周?chē)鷧^(qū)域再次出現(xiàn)壓差，注入速度逐漸上升，隨后隨著周?chē)鷫毫Φ纳?，注入速度再次降?。如此往復(fù)，這就是在低滲油藏中出現(xiàn)的“注不進(jìn)”現(xiàn)象。而對(duì)于吞吐過(guò)程，在每個(gè)循環(huán)中注入井關(guān)井之前，注入井附近壓力與井底壓力間的壓差所能達(dá)到的注入速度都高于最大注入速度，所以在最大注入速度的限制下可以以一個(gè)恒定的速度注入；隨著注入階段結(jié)束，生產(chǎn)階段開(kāi)始，由于注入井即生產(chǎn)井，此時(shí)相當(dāng)于壓力降由注入井井底向外傳播，最終近井區(qū)域壓力接近井底壓力，這時(shí)關(guān)閉生產(chǎn)井，再次打開(kāi)注入井開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。因此，吞吐的總注氣量遠(yuǎn)高于氣驅(qū)。

在不考慮回注的情況下，采出1 t原油，注氣吞吐和氣驅(qū)所消耗的氣量相近，注氣吞吐的耗氣量略高于氣驅(qū)。在每個(gè)循環(huán)的生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)出油的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)出大量的注入氣體，可以在分離后作為氣源再次注入。因此在考慮回注的情況下，產(chǎn)出等量的原油，注氣吞吐和氣驅(qū)所消耗的氣量差距明顯，注氣吞吐的耗氣量低于氣驅(qū)（見(jiàn)圖5）。

3.2 水平井注水提高采收率

不同于注氣吞吐，注水吞吐時(shí)由于水的注入性遠(yuǎn)低于氣體的注入性，所以井底壓力可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到既定的最大注入壓力，因此不對(duì)井的注采時(shí)間作過(guò)多的優(yōu)化。

注水前，衰竭式開(kāi)發(fā)5 000 d可達(dá)到8.8%的采收率。經(jīng)過(guò)注水吞吐作業(yè)15個(gè)循環(huán)（注入200 d，生產(chǎn)200 d，共6 000 d）后，采收率可提高至12.1%；相同條件下，水驅(qū)可將采收率提高至10.7%（見(jiàn)圖6a）。從采油速度的角度看，注水吞吐的采油速度高于水驅(qū)（見(jiàn)圖6b）。結(jié)合采收率來(lái)看，注水吞吐在生產(chǎn)階段帶來(lái)高的采油速度，完全可以彌補(bǔ)關(guān)井期間產(chǎn)量的損失，甚至最終采收率還要高于水驅(qū)。

圖5 氣驅(qū)和注氣吞吐的耗氣量

圖6 注水提高采收率

注水吞吐的耗水量要遠(yuǎn)高于水驅(qū)，且每個(gè)循環(huán)注入的水量較為均勻（見(jiàn)圖7）。在不考慮回注的情況下，水驅(qū)每采出1 t原油所消耗的水量遠(yuǎn)小于注水吞吐；在考慮回注的情況下，注水吞吐每采出1 t原油所消耗的水量略低于水驅(qū)。

圖7 水驅(qū)和注水吞吐的耗水量

4 影響因素分析

在注入過(guò)程中，基質(zhì)滲透率和注采間距對(duì)壓力的傳播效率有很大的影響，而壓力的傳播效率是影響氣水在不同注入方式下開(kāi)發(fā)效果的重要因素。因此在注采井工作制度不變的基礎(chǔ)上，針對(duì)上述2種影響因素進(jìn)行了敏感性分析。

4.1 基質(zhì)滲透率

如圖8所示，當(dāng)基質(zhì)滲透率為1.00×10-3μm2時(shí)，氣驅(qū)的采收率最高（20.1%），注氣吞吐次之（18.6%），水驅(qū)（16.8%）次于注氣吞吐，注水吞吐最低（15.9%）?？梢钥闯?，基質(zhì)滲透率為1.00×10-3μm2時(shí)，注氣的效果好于注水，而驅(qū)替的效果好于吞吐。

圖8 基質(zhì)滲透率為1.00×10-3μm2時(shí)不同開(kāi)采方式的采收率

圖9為經(jīng)過(guò)衰竭式開(kāi)發(fā)后氣驅(qū)的壓力傳播。從壓力的時(shí)間軸來(lái)看，在4 800 d的注入時(shí)間內(nèi)，注入井所注入的壓力（25 MPa）可以很好地傳播到生產(chǎn)井，從而驅(qū)動(dòng)更多的原油到達(dá)生產(chǎn)井；而吞吐在注入階段所能帶來(lái)的收益不能彌補(bǔ)關(guān)井注入所帶來(lái)的損失，從而導(dǎo)致驅(qū)替的效果稍強(qiáng)于吞吐。

圖9 基質(zhì)滲透率為1.00×10-3μm2時(shí)的氣驅(qū)壓力傳播

當(dāng)基質(zhì)滲透率為0.01×10-3μm2時(shí)，注氣吞吐的效果最好，達(dá)到的采收率最高（9.8%），注水吞吐次之（8.0%），水驅(qū)和氣驅(qū)的采收率相似（6.6%，6.7%）（見(jiàn)圖10）。

圖10 基質(zhì)滲透率為0.01×10-3μm2時(shí)不同開(kāi)采方式的采收率

吞吐的效果明顯好于驅(qū)替。對(duì)于驅(qū)替而言，無(wú)論是注氣還是注水，與1.00×10-3μm2情況相比，同樣以25 MPa的注入壓力注入4 800 d，在當(dāng)前基質(zhì)滲透率下僅有有限的壓力能傳播到生產(chǎn)井（見(jiàn)圖11）；而吞吐在注入井注入過(guò)程中對(duì)地層所能補(bǔ)充的能量，可以較為明顯地在生產(chǎn)過(guò)程中提高采油速度，其最終采收率遠(yuǎn)高于驅(qū)替。

圖11 基質(zhì)滲透率為0.01×10-3μm2時(shí)的氣驅(qū)壓力傳播

4.2 注采間距

注采間距，即壓裂過(guò)程中注入井的裂縫和生產(chǎn)井的裂縫在橫向上的距離，是影響開(kāi)發(fā)效果的重要因素。

4.2.1 注采間距對(duì)注水采收率的影響

注采間距對(duì)衰竭式開(kāi)發(fā)初期的影響較大，初期的采油速度隨注采間距的增大而減小，而最終采收率受注采間距的影響較小，3種注采間距的最終采收率相似，因此注采間距的改變對(duì)衰竭式開(kāi)發(fā)的影響較小。

注采間距對(duì)注水吞吐的影響較大，當(dāng)注采間距為40，30，20 m 時(shí)， 采收率分別為 12.1%，13.1%，15.2%（見(jiàn)圖12a）。 相比而言，注采間距對(duì)水驅(qū)的影響較小，當(dāng)注采間距為40，30，20 m時(shí)，采收率分別為11.0%，11.2%，11.3%（見(jiàn)圖 12b）。

4.2.2 注采間距對(duì)注氣采收率的影響

對(duì)于注氣吞吐而言，注采間距對(duì)采收率的影響同樣較大，當(dāng)注采間距為40，30，20 m時(shí)，采收率分別為17.1%，18.5%，19.5%（見(jiàn)圖 13a）。 對(duì)于氣驅(qū)而言，注采間距對(duì)采收率的影響較小，當(dāng)注采間距為40，30，20 m時(shí)，采收率分別為 12.8%，13.4%，13.7%（見(jiàn)圖 13b）。

圖12 注采間距對(duì)注水采收率的影響

圖13 注采間距對(duì)注氣采收率的影響

5 結(jié)論

1）對(duì)于致密儲(chǔ)層而言，注氣或注水均可有效提高油藏采收率。對(duì)于基質(zhì)滲透率為0.01×10-3～1.00×10-3μm2的儲(chǔ)層，注氣的采收率高于注水。但無(wú)論是否考慮注入流體回注的情況，注氣的成本都高于注水，因此從經(jīng)濟(jì)角度上講，對(duì)于不同滲透率的儲(chǔ)層，還需進(jìn)行更加深入的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，以確定最佳的注入方案。

2）對(duì)于基質(zhì)滲透率為1.00×10-3μm2的儲(chǔ)層，注入壓力可以很好地傳播到生產(chǎn)井，因而驅(qū)替可以達(dá)到更高的采收率；當(dāng)基質(zhì)滲透率為0.01×10-3μm2時(shí)，僅有部分注入壓力能夠傳播到生產(chǎn)井，此時(shí)吞吐的提高采收率能力更強(qiáng)。因此制定開(kāi)發(fā)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同基質(zhì)滲透率下2種開(kāi)發(fā)方式的壓力傳播效率，合理地選擇開(kāi)發(fā)方式。

3）在衰竭式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注采間距的減小會(huì)導(dǎo)致初期的采油速度升高，但其最終采收率受注采間距影響較小。在注入階段，注采間距對(duì)驅(qū)替的影響較小，而對(duì)吞吐的影響則較為明顯。因此在致密油藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若選擇吞吐作為主要開(kāi)發(fā)方式，應(yīng)注意布井和壓裂施工設(shè)計(jì)，以達(dá)到高的采收率。