海上油田污水回注技術與應用

何芬 (中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

李濤 (中石油大港油田分公司勘探開發研究院,天津 300280)

馬奎前,張建民,蔡暉 (中海石油(中國)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油田污水回注技術與應用

何芬 (中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

李濤 (中石油大港油田分公司勘探開發研究院,天津 300280)

馬奎前,張建民,蔡暉 (中海石油(中國)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油氣隨著開采進行,產出污水量會不斷增加,甚至可能超出平臺已有的污水處理能力,這就迫切需要增加污水回注井,將生產污水經平臺簡單處理后,回注進地層,以滿足環保的要求。以BZ26-2油田為例,提出了海上油田污水回注研究思路與方法:通過靜態、油藏工程、油藏數值模擬方法,首先探討了通過庫倫-摩爾滑動準則精確計算出斷層活化的壓力的方法,然后針對油田斷層分布情況、儲層發育特點以及實際污水回注需求量,優化設計污水回注井位,預測出地層壓力變化,確保安全生產。該方法為安全污水回注提供了理論依據,目前在渤海油田已經推廣和應用。

污水回注;斷層;封閉性;活化;地層壓力

隨著油田開發進行,在生產過程中油氣藏會伴隨大量的地層污水產出,隨著人類環保意識的不斷加強,為了防止生產水污染和解決產出污水不斷增加的問題,產出污水回注到地層[1]已經被越來越多的油氣田所采用。國內外許多油田開發管理工作者曾進行了污水回注研究,大多都是對已有的污水回注井進行注入水配伍性、酸化解堵、管柱工藝等方面,針對如何提高回注井的運行效果,降低注水井注入壓力進行研究[2-3]。隨著注水時間、污水回注總量的不斷增加,地層壓力會隨之產生變化,必須嚴格控制地層壓力低于通天斷層活化的壓力,才能確保不出現注入水外溢[4],即因為斷層活化,引起的斷層封閉性變差,導致注入水先側向進入斷層,然后沿斷面垂直上升,發生注入水外溢現象。通過研究,達到科學合理設計污水回注井井位,確保油田安全生產的目的。

為此,筆者以渤海BZ26-2油田為例,進行了海上油田污水回注研究。BZ26-2油田位于渤海南部海域,是在潛山披覆構造背景上形成的復合油氣藏,油田主力含油層段為館陶組(Ng)、東營組(Ed)及太古界潛山,開采層位主要是館陶組。館陶組為構造層狀油藏,邊、底水發育,天然能量非常充足。油田于2004年投入開發,館陶組地層壓力略有降低。

1 斷層封閉性

原始斷層的封閉性在空間上表現為2個方面:①斷層的側向封堵性,即斷層面在測向上阻止流體穿越斷層運移的能力;②斷層的垂向封閉性,即斷裂物質阻止流體沿斷裂帶縱向運移的能力。而隨著污水回注的進行,地層壓力會發生變化,當地層壓力增加到一定程度,通天斷層就會出現活化現象,斷層的封堵性變差,斷層附近的注水井注入的污水就側向進入斷層,順著斷面垂向上升,發生外溢。如果發現不及時,繼續注水,就會發展成嚴重的海底溢出事件。

因此,斷層封堵性研究[5-6],主要是對油田內部是否存在大的通天斷層進行摸排,然后針對通天斷層計算出對應的斷層失穩壓力,也就是活化需要達到的壓力。“通天”斷層,即斷至平原組的斷層。通過三維地震資料解釋、相干分析及地層對比,落實油田內部通天斷層及與通天斷層搭界的斷層分布范圍,是污水回注研究的關鍵。

通過館陶組構造圖可知,在BZ26-2油田周邊斷裂系統比較發育,共解釋出5條斷層。從過南北向地震剖面(見圖1),可以看出其中F1、F5為通天斷層,F3、F4為與通天斷層搭接的大斷層,F2為次生小斷層。

圖1 斷層分布示意圖

圖2 庫倫-摩爾滑動準則示意圖

2 斷層失穩壓力計算

2.1 庫倫-摩爾滑動準則

目前業界已經開始將巖土力學基本的庫倫-摩爾屈服準則理論應用到斷層穩定性研究中。筆者就如何計算斷層活化的臨界壓力作為研究重點。

對于巨型巖體,當斷層斷至海底時(內聚力為0),庫倫滑動準則可以用于工區斷層穩定性分析(見圖2)。

斷層在形成過程中,一般受到正應力和剪應力2種作用[7],計算公式如下:

式中,σn為正應力,MPa;τ為剪應力,MPa;σ1為最大水平主應力,MPa;σ3為最小水平主應力, MPa;α為斷面傾角。

根據庫倫滑動準則,斷層沿著斷面開始滑動應滿足下式:

當斷層斷至海底時,內聚力τ0視為0,即τ0=0,依據庫倫滑動準則:

式中,μ為摩擦系數;P0為臨界地層壓力,MPa。

則臨界失穩壓力ΔP:

式中,Pp為地層壓力,MPa。

2.2 計算參數的選取

要通過庫侖-莫爾滑動準則計算斷層失穩壓力,需確定其他幾項參數。

1)斷層傾角、摩擦系數 通過地震資料解釋,很容易得到斷層傾角[8]、摩擦系數。根據渤海油田實際情況選取經驗值0.6。

2)斷層最大、最小水平主應力 首先通過對整個渤海灣盆地選取具有代表性的蓬萊19-3油田的巖樣做構造地層應力分析實驗,從而得到構造應力系數[9-10]。然后通過BZ26-2油田探井的橫、縱聲波測井[11](見圖3),分別計算出BZ26-2油田不同深度對應的最大水平主應力和最小水平主應力。計算出油田館陶組地層深度2435m,對應最大水平主應力為50MPa,最小水平主應力為39MPa。

2.3 計算結果

圖3 BZ26-2-1井聲波測井曲線

表1 館陶組斷層失穩壓力計算表

分別將確定的上述計算參數,代入式(1)、(2)、(4),通過計算得到4條斷層在館陶組的臨界地層壓力最小39.1MPa,最大39.7MPa(見表1),館陶組原始地層壓力為23.6MPa,通過式(5)計算出,館陶組地層F1、F3和F4這3條斷層的失穩壓力為15.5MPa,F5斷層的失穩壓力為16.0MPa。結果表明,一旦地層壓力比原始地層壓力高15.5MPa,F1、F3、F4這3條斷層就可能活化,斷層附近污水回注井的注入水外溢,注入污水側向進入斷層,然后沿著斷面垂向上升,達到一定量后就從海底溢出。

因此,設計污水回注井時,必須遵循的原則就是設計井位必須遠離F1、F3、F4、F5斷層,同時污水注入地層后,地層壓力要嚴格控制,絕對不能達到使斷層活化的失穩壓力值,以確保安全生產。

3 應用效果

BZ26-2油田館陶組天然能量非常充足,目前地層壓降0.7 MPa,通過物資平衡法計算水體倍數為320。目前已有1口污水回注井A7井,回注層位為館陶組地層,該井距離F3斷層只有150m,日注污水量750m3。A7井日注水量已經接近飽和,井口壓力高達到11.5MPa,通過酸化解堵[7]后仍不能解決井口壓力高的問題。并且隨著相鄰4個油田日產水量不斷增加,該井設計最大回注量遠不能滿足油田群長期安全生產需求,預計油田群日產水量高峰值將達到1278m3。通過污水回注研究發現,A7井距離F3斷層較近,如果再繼續加大注水,存在風險。綜合地質油藏研究,A7井停止污水回注,考慮在油田內部新增加1口污水回注井A1S1。

圖4 館陶組地層壓力預測

館陶組儲層穩定發育,為油田主要生產層位,設計A1S1井回注層位仍然為館陶組,實現有采有注,盡量降低風險;設計井位遠離F1、F3、F4、F5這4條斷層。通過論證,采用A7井實際米吸水指數0.92m3/(MPa·d·m),A1S1井最大日注污水能力達3500m3,完全能滿足油田群未來20a生產需求量。通過油藏數值模擬方法,預測出隨著油田開發進行,館陶組地層壓力的變化情況。

研究表明,館陶組生產層位原始地層壓力為21.6MPa,2013年測地層壓力為20.9MPa,目前地層壓降為0.7MPa。污水回注井A1S1井生產至2031年,地層壓力達到23.02MPa,與原始靜壓相比上升1.42MPa(見圖4),遠小于通天斷層失穩壓力15.5MPa。該井投產后,能確保安全生產,同時能滿足油田群生產需要。目前A1S1井已經順利實施。

4 結論

1)污水回注研究的關鍵是隨著注入時間、注入總量的增加,地層壓力會發生變化,要避免斷層活化,注入水外溢發生。

2)對油田內部斷層封堵性的研究是至關重要的,利用庫倫-摩爾滑動準則計算斷層活化的失穩壓力是科學合理的。

3)污水回注井應遠離通天斷層和與通天斷層搭接的斷層,盡量實現儲層內有注有采,避免出現注入水外溢。必須對污水回注井井口壓力以及地層壓力做好動態監測工作,地層壓力要嚴格控制,絕對不能達到使斷層活化的失穩壓力值,以確保安全生產。

4)目前該研究方法,在渤海油田已經被推廣應用,效果顯著。

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[編輯]辛長靜

X730.1;TE992.2

A

1673-1409(2014)26-0118-04

2014-03-10

何芬(1980-),女,工程師,現主要從事油氣田開發管理方面的研究工作。