邊水油藏氣體輔助重力驅適應區塊篩選方法及應用

羅福全，耿文爽，高賀存，侯 健，顧 瀟，蓋長城

1中國石油大學(華東)石油工程學院 2中國石油冀東油田分公司勘探開發研究院

0 引言

近年來，國內外各大油田很多進入高含水、高采出程度的“雙高階段”[1]，僅依靠油藏自身彈性能量或者常規注水開發效果較差。常規氣驅、氣水交替受油氣相流度、密度差異影響，實施效果并不理想；而氣體輔助重力驅能夠利用密度差異維持穩定的氣驅油界面，理論波及效率可達100%，在West Hackberry油田、Weeks Island油田、Wizard Lake油田的實際應用中均能達到90%以上的采收率[2- 3]。目前氣體輔助重力驅相關研究多從量綱分析入手，通過建立無因次準數綜合量化分析各類油藏參數與開發效果的相互關系，其中又以重力數考慮參數最為全面、回歸相關性最高[4]。但適應性篩選方法對油藏參數類型考慮不夠全面，對參數表征缺少針對性的量化指標[5]，特別是強邊水油藏的相關研究較少。

本文主要通過數值模擬手段，考慮水體能量的影響，對邊水油藏天然水驅后氣體輔助重力驅機理及影響因素開展研究?；趩我蛩胤治龌貧w重力數與采收率的相互關系，建立邊水油藏水驅后氣體輔助重力驅適應區塊篩選方法及參數界限標準，并在冀東油田進行實際應用。研究成果可對于類似邊水油藏后期開發方式的選擇具有指導意義。

1 邊水油藏氣體輔助重力驅數值模擬模型

1.1 邊水油藏氣體輔助重力驅提高采收率機理

氣體輔助重力驅油主要原理是在儲層頂部注氣，利用油氣密度差引起的重力分異在頂部形成氣頂，隨著氣體不斷注入，氣驅油界面逐漸向下推移驅動原油。驅替過程中氣驅油界面受重力、黏滯力、毛管力共同作用，當各力達到平衡時，氣驅油界面保持穩定，可實現近似活塞式驅替，極大提高注入氣的體積波及系數[6- 7]。

目標油藏冀東油田高淺南油藏屬中孔高滲的邊水油藏，具有埋藏淺、傾角小、滲透率高的特點，歷經多年天然水驅開發后，層間矛盾突出，主力油層邊水突進，目前處于高含水階段，亟需改變開發方式控水增油穩產。通過頂部注氣可以利用重力形成氣體輔助重力驅油，注氣時邊水仍繼續補充能量，而較高的地層壓力水平能夠發揮氣驅油溶解降黏和注氣膨脹的機理。同時由于高滲正韻律儲層有利于油氣、油水相重力分異，有效抑制頂部氣體超覆，形成相對穩定的驅油界面(圖1)[8- 10]，從而在人工氣頂和邊水的同時作用下，達到提高采收率的目的。

圖1 邊水油藏氣體輔助重力驅機理

1.2 數值模擬模型建立

1.2.1 模型建立

采用CMG組分油藏數值模擬軟件建立邊水油藏數值模擬模型(圖2)，采用角點網格，在X、Y、Z方向上網格劃分為129×27×5，共17 415個網格；X、Y、Z方向網格尺寸分別為20 m、20 m、1 m；模型傾角5°，平均孔隙度0.3，平均滲透率1 400 mD，溫度80 ℃，壓力20.5 MPa。模型為正韻律儲層，考慮了實際儲層非均質性，并建立Fetkovitch解析水體，通過修改水體體積調整水體倍數為1 200倍。地層原油黏度4.8 mPa·s，地層原油密度858.8 kg/m3，溶解氣油比8 m3/m3，飽和壓力3 MPa。地層流體劃分為9個擬組分：CO2、N2、C1、C2、C3、C4-C6、C7-C14、C15-C35和C36+。室內實驗測試顯示，地層條件下注入天然氣為非混相驅。

模型設置4口水平井，水平井射孔均在第1層和第2層。天然水驅階段，低部位3口采油井生產，高部位注氣井關閉；氣驅階段1注3采，高部位1口水平井注氣，低部位3口采油井生產。

圖2 邊水油藏數值模擬模型

1.2.2 方案設置

重點考察油藏水平滲透率、地層傾角、邊水水體強度和原油黏度對該類油藏氣體輔助重力驅的影響，基于目標油藏實際地層參數值劃定各因素參數水平，見表1。

表1 數值模擬模型參數設計表

低部位3口采油井先進行天然水驅開發，含水率達到98%后開始注氣。設定注氣速度為0.1 HCPV/a，單井注氣量為10 487 m3/d，注氣介質為天然氣，注采平衡開發預測6年。模型主要評價天然水驅階段采出程度、氣驅末采出程度、油氣界面和油水界面的變化及剩余油分布情況。

2 單因素模擬結果分析

2.1 水平滲透率

模擬計算的天然水驅階段采出程度、氣驅末采出程度與水平滲透率關系如圖3所示。由圖可見，水平滲透率越大，天然水驅階段和氣驅末采出程度越高，當滲透率大于400 mD后，水驅、氣驅采收率增幅逐漸降低。在天然水驅模擬過程中，儲層水平滲透率越小含水上升越快，含水率達到98%時間越早；水平滲透率為140 mD時，僅半年時間油井便見水，滲透率為1 400 mD時，將近1年時間油井見水。這說明儲層滲透率越大，越有利于水相的重力分異，水驅過程中更容易形成穩定的水驅油界面，含水上升越慢，水驅油效果越好。

圖3 不同水平滲透率采出程度變化

水驅后剩余油主要集中在油藏高部位，使得構造高部位形成剩余油富集區。對比不同滲透率模型在氣驅末含氣飽和度場(圖4)，頂部注氣可形成一定程度的氣頂，隨儲層滲透率增大，氣驅波及范圍越廣，含氣飽和度越高，氣驅油界面逐漸越穩定。因此，高滲儲層更有利于形成氣體輔助重力驅。

圖4 不同水平滲透率氣驅末含氣飽和度

2.2 地層傾角

油藏地層傾角是氣體輔助重力驅開發中的重要影響因素。不同傾角模型采出程度變化如圖5所示。由圖可見，天然水驅階段采出程度隨地層傾角增大而增加，但增加幅度較??；氣驅末采出程度隨地層傾角增大而增加，地層傾角由5°增加到10°后，氣驅采收率小幅提升。

地層傾角較小時，由于儲層呈正韻律分布，水相更容易沿低部位高滲層水平方向流動，開發效果稍差。對比不同地層傾角氣驅末含氣飽和度場可知：地層傾角越大，越容易形成氣體輔助重力驅，氣驅油界面越穩定。實際目標油藏物性參數較好，對氣體輔助重力驅具有較好的適應性，在2°傾角下便能維持平穩的油氣界面。

圖5 不同地層傾角采出程度變化

2.3 水體倍數

不同水體大小模擬計算的天然氣水驅和氣驅末采出程度如圖6所示。由圖可見，氣驅末采收率隨著水體倍數增加而逐漸增加，當水體倍數達到400倍后，氣驅末采收率增加幅度變平緩，該階段采收率增幅達到15%，注氣可有效抑制邊水，進一步提高采收率。

圖6 不同水體倍數采出程度變化

2.4 原油黏度

不同黏度計算結果如圖7所示。由圖7可見，原油黏度越小，天然水驅開發階段采出程度和氣驅末采出程度越高，開發效果越好。對于天然水驅階段，原油黏度為1 mPa·s時，油水兩相黏度差最小，更有利于水相流動；氣驅階段，原油黏度越大，氣油流度比越大，越容易發生氣竄，不利于次生氣頂的形成，氣驅開發效果差。

圖7 不同原油黏度采出程度變化

3 重力驅適應區塊篩選標準建立及應用

國內外學者結合重力、黏滯力和毛管力定義了重力驅無因次準數群[11- 12]，研究表明重力數能較好的刻畫氣體輔助重力驅特征[13- 15]。因此，本文針對目標油藏，建立了基于重力數的適應性油藏篩選標準。

3.1 重力數與采收率的關系

重力數代表的物理意義是重力和黏滯力之間的平衡，重力數NG表達式為：

(1)

式中：NG—重力數，無因次；

Δρ—油氣密度差，g/cm3；

α—地層傾角，(°)；

g—重力加速度，m/s2；

k—滲透率，mD；

μo—原油黏度，mPa·s；

ug—氣體黏度，mPa·s；

v—重力穩定注氣通量，m/d；

C—單位換算常數，取值為8.64×10-5。

基于數值模擬結果計算得到對應方案的重力數。不同條件下的重力數與采收率間關系曲線如圖8所示?？傮w上，重力數與采收率間呈正相關關系，重力數越大，采收率越高。重力數在0.015到0.1之間出現拐點，此時水平滲透率為700 mD(圖8a)、地層傾角為10°(圖8b)、水體倍數為400倍(圖8c)、原油黏度為3 mPa·s(圖8d)。到達拐點后，采收率隨重力數增幅變小，因此認為重力數大于0.1時，氣體輔助重力驅達到穩定，能夠實現較好的驅替效果。

圖8 各影響因素重力數與采收率相關關系

3.2 篩選標準建立

3.2.1 標準的建立

通過各參數與采收率關系曲線的拐點來確定參數的篩選標準。由圖8中關系曲線可見：水平滲透率大于700 mD時，采收率增加變平緩，認為滲透率大于700 mD的油藏更適合水驅后氣體輔助重力驅開發；地層傾角小于10°后水驅后進行氣體輔助重力驅采收率效果較差；水體倍數大于400倍，地層原油黏度低于3 mPa·s的情況下，在水驅后進行氣體輔助重力驅能取得較好的效果。因此綜合得到4個參數的篩選標準及范圍見表2。

表2 水驅后油藏氣體輔助重力驅各因素篩選標準

3.2.2 多區塊對比篩選方法

當多個區塊需要運用上述篩選標準進行評價并排序時，采用以下規則進行評分：

(2)

式中：Si—第i個油藏的參數綜合評價得分；

j—參數序號，1為水平滲透率，2為地層傾角，3為水體倍數，4為原油黏度；

Rij—第i個油藏第j個參數的單一影響采收率；

Rjmin—一組油藏中第j個參數的單一影響采收率最小值；

Rjmax—一組油藏中第j個參數的單一影響采收率最大值；

ωj—第j個參數的權重系數。

基于各參數與采收率關系曲線，對前后兩階段的采收率—參數關系進行線性回歸，各參數主導下的關系表達式如圖9所示。應用回歸的關系式來計算不同條件下的采收率大小，作為篩選的基本參數。 將第i個油藏的第j個參數代入圖9的相應關系式中即可得到Rij，其中最小值為Rjmin，最大值為Rjmax；ωj由圖9中散點對應的采收率極差(采收率最大值與最小值的差值)確定，即用某個影響因素的采收率極差除以各影響因素的采收率極差之和得到該影響因素的權重系數ωj(表3)。

圖9 各影響因素與采收率的關系

表3 權重系數ωj取值表

3.3 現場應用

基于建立的氣體輔助重力驅適應區塊篩選標準，開展冀東油田12個開發單元進行適應性評價。通過式(2)計算得到各個開發單元的綜合評價得分見表4，其中C區塊綜合評價得分最高，說明C區塊最適合水驅后氣體輔助重力驅開發，其次為H區塊和K區塊。

表4 冀東油田12個開發單元油藏參數及綜合評價得分表

4 結論

(1)對于邊水油藏，儲層滲透率越高、地層傾角越大、原油黏度越小時，更適合水驅后氣體輔助重力驅開發；水體倍數達400倍后，可實現水驅氣驅雙重驅替增效，從而提高整體采收率，最高達到15%。

(2)通過量綱分析及單因素模擬結果可知重力數與采收率呈正相關關系，當重力數在0.015～0.1之間時出現拐點，重力數大于0.1時，氣體輔助重力驅達到穩定。

(3)高含水邊水油藏氣體輔助重力驅篩選標準為：油藏滲透率大于700 mD，地層傾角大于10°，水體倍數大于400倍，地層原油黏度低于3 mPa·s。冀東油田實例應用表明，C區塊最適合水驅后氣體輔助重力驅開發，其次為H區塊和K區塊。