斷塊油藏注N2 吞吐效果影響因素正交試驗研究＊

胡世勇，郭 平，趙春蘭，譚保國，徐冬梅

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都610500；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營257015）

SL 油田某實例井所在油藏屬于斷塊油藏，地層具有一定傾角，控制面積小、儲量低，開發過程中壓力下降快、產量遞減迅速，構造頂部剩余油波及較少。對于復雜斷塊構造、背斜和潛山構造形成的儲層，通過單井注氣吞吐可以免鉆新井，注入氣迅速補充地層能量，并發揮彈性膨脹、重力分異等作用，將地層高部位的殘余油向地層下部驅替，從生產井采出，提高波及程度和采收率[1-2]。

目前現場注氣吞吐實例中主要注入介質為CO2和N2。CO2的溶解降黏作用較好，易混相，但捕集成本高、具有腐蝕性[3-4]；而N2可壓縮性強，密度低，溶解性較差，其膨脹作用和重力分異作用更明顯[5-6]，兩種介質具有不同的作用條件和效果。現有的注氣吞吐效果影響因素的研究主要為優化注采參數，對油藏因素考慮較少[7-10]，本文以N2為注入介質，綜合考慮了多種油藏因素和注采參數來分析其對注氣吞吐效果的影響。

通過正交法選取有代表性的試驗點，科學合理地安排典型性試驗，可利用較少試驗數量得到最優的試驗結果[11-13]。本文選用正交法對影響注氣吞吐效果的部分油藏因素與注采參數進行研究，以換油率為評價指標，通過極差法和方差法獲得各因素的最優水平、最優組合、主次順序及影響顯著性，為注氣吞吐影響因素的優化提供一定的理論參考。

1 基礎模型建立

本文在實例油藏特征和研究目的的基礎上，建立單井概念模型，地層傾角涉及到5°、10°和15°三種，平面上網格劃分為X方向61 個網格，Y方向61 個網格，Z方向12 個網格，縱向上12 個層均為有效網格，在地層中央的生產井P 進行單井注氣吞吐，其他參數如表1 所示。

表1 模擬區地層及流體基本參數

為分析不同油樣類型對注氣吞吐效果的影響，本文選用三種不同的油樣，分別來自華北某油田和新疆某油田，三種油樣的性質如表2 所示，油樣1 較重，油樣2 較輕，油樣3最輕。

2 注N2吞吐影響參數正交試驗設計

2.1 正交試驗原理

在多因素優化試驗中，正交試驗法基于數理統計學與正交性原理，從大量的試驗點中挑選典型試驗點，通過正交表科學合理地安排試驗，選擇具有代表性的試驗得到最優試驗結果[14]。

正交試驗過程包括試驗安排和試驗結果分析，可得到各個因素的重要程度以及各個因素對試驗指標的影響程度[15]，分析出各因素在哪些水平的試驗效果最佳，得到試驗最優化方案，認清試驗效果隨各因素及其水平變化的規律和趨勢，為參數優化提供參考。

表2 模擬區油樣性質

在正交實驗安排中，每個因素及其水平組成優選區，各個因素與各個水平的組合形成試驗點，若所有試驗點都進行試驗則稱之為全面實驗。

以3 因素正交實驗為例，其優選區可通過圖1 中的立方體表示，3 個因素各選取3 個水平，因此在立方體中有27個點，對應正交實驗的27 個試驗點。若進行全面試驗，3因素3 水平正交試驗的試驗數為33即27 個。利用正交表L9（34）從全面試驗點中選取具有代表性的9 個試驗點，即圖1 中的空心點，這些試驗點均衡地分布于立方體（優選區）中，代表性強，比較全面地反映出整體試驗特征。

圖1 3 因素3 水平正交實驗均衡分散立體圖

當因素或水平較多時試驗數量龐大，不具備實際操作意義，因此依據上述方式，通過正交法設計正交實驗，在所有試驗點中選取有代表性的試驗點，具有均衡分散和整齊可比的特點，可以在較少試驗次數的條件下反映全面試驗情況。

2.2 正交試驗影響因素及其水平的確定

影響注氣吞吐效果的因素主要有油藏因素和注采參數。油藏因素包括含油面積、油層厚度、地層傾角和滲透率等，注采參數包括注氣速度和注入量、燜井時間、吞吐周期等。本文主要對含油面積、油層厚度、地層傾角、滲透率、油樣類型、射開位置、燜井時間和注氣速度這8 個因素進行注N2吞吐開發效果的敏感性分析。

本文僅考察上述8 個因素對注氣吞吐效果的影響效果，每個因素含有3 個水平，不考察因素間的交互作用。利用上述正交實驗設計原理，設計了L27（38）正交表，共包含27組正交試驗，通過油藏數值模擬方法對27 套方案進行模擬。注N2吞吐正交試驗的因素水平如表3 所示。

2.3 注N2吞吐正交試驗方案及模擬結果

首先設置生產井定井底流壓生產，當壓力降到10 MPa時進行單井注氣吞吐。各方案模擬期間注氣量一致，注氣吞吐1 個周期，以換油率為指標進行優選，其中各方案的總注氣量均為8×104m3，換油率（t·t-1）為注氣吞吐生產180 d時的增油量與注氣量之比。正交實驗設計方案和模擬結果如表4 所示。

表3 正交試驗8因素3 水平表

表4 正交試驗方案及模擬結果

2.4 試驗結果分析

正交試驗法的數據分析方法主要有兩種，即極差分析法和方差分析法[16]，通過極差法可獲得各因素的最優水平、最優組合及主次順序，方差分析法是利用F檢驗來分析各因素對正交試驗指標影響的顯著性，并與極差法分析結果對比論證。

2.4.1 極差法結果分析

極差分析法中Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標之和，kjm為Kjm的平均值，由kjm的大小可以判斷j因素的最優水平和各因素的最優組合，kjm最大的水平為該因素的最優水平。Rj為第j列因素的極差，即第j列因素各水平平均指標的最大值與最小值之差：

Rj反映了第j列因素的試驗指標隨水平變化而變動的幅度，Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，因此依據Rj的大小即可判斷各因素影響程度的主次順序。

方案包括8 個因素（分別編號A～H），每個因素3 個水平，共設計27 組正交試驗。首先得到各因素各水平對應的試驗指標平均值，再求得其極差值，通過極差分析法計算各因素的最優水平、最優組合及主次順序，結果如表5 所示。

表5 正交試驗結果極差法分析

由表5 中的極差值可知，各因素影響注氣吞吐效果的主次順序為：油樣類型＞滲透率＞含油面積＞油層厚度＞地層傾角＞射開層位＞燜井時間＞注入速度。

最終確定注N2吞吐正交試驗的最優水平和最優組合為：含油面積500 m×500 m，地層厚度18 m，地層傾角15°，滲透率300～3 000 mD，油樣類型為最輕的油樣3，射開層位為下部（9～12 層），注入速度1×104m3/d 和燜井時間15 d。

2.4.2 方差法結果分析

根據正交試驗方案的數值模擬結果進行方差法分析，顯著水平α定為0.10，查表可得F0.10（2，2）=9.0，將各因素的F值與F0.10（2，2）對比，分析結果如表6 所示。

結果顯示，油樣類型對于注N2吞吐效果的影響顯著，滲透率、含油面積、油層厚度和地層傾角這些油藏因素影響不顯著，相比之下，射開層位、注入速度和燜井時間這些注采參數的影響較小。油樣類型和其他油藏參數對吞吐效果的影響程度比注采參數更顯著，表明現場注氮氣吞吐前要著重進行適用性評價。與極差法分析結果對比，兩種方法的計算結果表明各因素對方案指標影響的主次順序一致，證明了兩種分析結果的合理性。

表6 正交試驗結果方差法分析

3 正交試驗結果驗證

為驗證正交試驗設計結果的合理性，通過單因素法設計試驗方案進行數值模擬。利用單因素法研究吞吐效果主要是采用控制變量的原理，先在現有8 因素的基礎上只改變其中一個因素的三個水平，通過換油率優選最優水平，再依次篩選每一個因素的最優水平，得到最優組合。

單因素試驗方案中各因素不同水平的換油率如表7 所示。單因素法和正交法最優組合對比如表8 所示。模擬結果顯示，單因素試驗優選出的最優組合換油率為1.151 t/t，與正交法換油率相差5.14%；燜井時間的最優水平優選略有差異，其余因素的最優水平一致，證明正交試驗對注N2吞吐各參數的優選結果是合理的。

表7 各因素不同水平下的換油率（單因素法）

表8 單因素法和正交法最優組合對比

4 結論

本文以N2為注入介質，通過正交試驗對影響注N2吞吐效果的部分參數進行優化，通過極差分析法得到了各個因素對指標影響程度的主次順序，以及各因素的最優水平與最優組合。

通過對正交試驗結果的方差分析發現，油樣類型對于注N2吞吐效果的影響顯著，其余油藏因素的影響不顯著，相比之下注采參數的影響較小。油藏參數對吞吐效果的影響程度比注采參數更顯著，表明現場前要著重進行注氮氣吞吐適應性評價。極差法和方差法的計算結果中，各因素對方案指標影響的主次順序一致。

單因素法驗證結果與正交法最優組合差別較小，證明了正交試驗對注N2吞吐效果影響參數優選的合理性，對于現場注氮氣吞吐的油藏條件和工藝參數優化提供了一定的理論參考。