一種動靜態結合的等時剩余油飽和度動態評價方法及應用

韓學輝， 杜陽陽， 姜濤， 張浩， 胡張明， 唐建紅，王鵬， 羅興平， 柴立學， 王洪亮， 戴詩華

1 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院， 青島 2665552 中國石油大學勝利學院， 東營 2570613 中國石油集團測井有限公司新疆油田分公司， 克拉瑪依 8340004 新疆油田公司勘探開發研究院， 克拉瑪依 8340005 西部鉆探工程有限公司地質研究院， 克拉瑪依 8340006 長江大學地球科學學院， 武漢 4301007 克拉瑪依市昂科能源科技有限公司， 克拉瑪依 834001

0 引言

隨著油氣藏注水開發的不斷深入，大部分儲層已發生不同程度的水淹，儲層的原始特性發生了巨大的變化.剩余油飽和度的空間分布以及隨時間的動態變化對于開發方案調整以及提高采收率變得尤為重要.因此，剩余油飽和度的評價方法一直受到油藏工程師的廣泛關注.

目前，剩余油飽和度的常規評價主要有兩個技術手段：測井和測試(洪有密，2008；雍世和和張超謨，2007；丁次乾，2008；孫建孟等，2008；韓學輝等，2012).測井資料常被用于水淹層剩余油飽和度評價，主要利用不同水淹程度的地層在測井曲線上的響應特征給出水淹層識別以及剩余油飽和度的定量評價方法.測井評價剩余油飽和度的難點是混合液的電阻率不容易確定，難以用電阻率識別水淹級別以及估算含油飽和度(剩余油).同時，有一個較大的局限性：完井后裸眼井測井數據是靜態的，其電阻率曲線等響應特征只表征測井時刻目標層飽和度狀態，固化后無法再對生產開發后其他時期的剩余油飽和度進行評價(方鵬，2011；丁一，2014；馬燕，2018；毛玉丹，2018；張海光，2018；賈國偉，2018；孫楊沙等，2019；趙國良等，2019；鄭利江等，2019；余鑒橋等，2020)，除非有過套管電阻率測井能夠得到評價時刻的地層電阻率(謝關寶等，2012；樂大發等，2013；王旻軻等，2013；路云峰等，2013).圖1是應用常規測井剩余油評價技術獲得的某斷塊油藏2017年度剩余油飽和度分布圖，可見依據1967—2014年的測井曲線計算的剩余油飽和度與實際生產時的產水率(一般已經95%以上)無法對應，這是由測井曲線的靜態屬性決定的.基于測試數據定量計算水淹層含油飽和度(剩余油)的原理主要利用相對滲透率數據，根據產水率與含水飽和度的模型由產水率來計算水淹層剩余油飽和度(張慶國等，2014；惠鋼等，2016；牟立偉等，2016).這種方法具有動態的特點，只要有單層開發的產水率就可以使用，不受混合液電阻率的干擾，但沒有投產后的產水率數據就無法使用.如果沒有生產動態數據，只能依據完井時的測井曲線評價剩余油飽和度，相當于假設完井時刻和評價時刻的剩余油飽和度相等，基本無法真實表征目標層在評價時刻的飽和度分布情況(徐錦繡等，2018；朱學娟等，2018).綜合以上，基于測井曲線、生產動態資料的常規剩余油飽和度評價存在不等時性，即測井、開發和評價時刻不等，在某一評價時刻繪制的剩余油飽和度等值線圖不能準確反映油水的空間分布特征，不同時刻的剩余油飽和度的對比也無法有效判斷當前時刻開發方案的效果，也無法指導之后開發方案的調整(黃玉珍等，2016；丁圣和周志峰，2016；李坤，2017；謝瑩峰，2017；黃洪奎，2017；白松濤等，2017；張海光，2018；張婷，2018).因此，急需開發一種等時的剩余油飽和度動態評價方法.

圖1 常規水淹層測井評價2017年剩余油飽和度等值線圖測井時刻分布在1967—2014年之間，明顯超前于評價時刻，依據測井曲線估算剩余油飽和度(井旁紅色標注)推算的產水率比目前的產水率低很多.Fig.1 Contours of remaining oil saturation in 2017 evaluated by logging in conventional water- flooding layersLogging moments are in 1967—2014, ahead of evaluation moment. Water-bearing rates calculated by remaining oil saturation estimated from logging curves (red marks beside wells) are much lower than those at present.

針對常規剩余油飽和度評價存在的測井、開發和評價時刻的不等時問題，以地質和工程資料為約束，在定性判別水淹后，依據水淹和在產情況劃分了未投產未水淹、未投產水淹、在產水淹、在產未水淹4種情況，基于測井和生產動態資料建立了一種等時剩余油飽和度動態評價方法，并在某斷塊油藏的剩余油飽和度評價中考察了應用效果.

1 等時剩余油飽和度動態評價方法

方法原理就是在地質和工程約束下，立足評價時刻的測井、開發、測試以及巖心分析資料定性判別水淹，在產地層依據產水率基于相對滲透率數據計算剩余油飽和度，不在產而測井與評價時刻等時的井層應用常規水淹層剩余油評價技術計算剩余油飽和度，不在產而測井與評價時刻不等時的井層應用鄰井的剩余油飽和度插值確定剩余油飽和度，最終得到時間推移的等時剩余油飽和度動態分布.

圖2為等時剩余油飽和度動態評價方法的技術路線圖.首先，依據測井、試油試水、生產開發、注水開發等資料，基于地質和工程約束定性判別開發區塊中的單井、單層在評價時刻是否水淹.其次，按評價時刻在產、不在產以及水淹、未水淹分為4種情況評價剩余油飽和度：未水淹在產的井層，根據相對滲透率實驗數據得到的產水率和含水飽和度統計模型為基礎，依據產水率(評價時刻)得到剩余油飽和度；未水淹不在產的井層，使用電阻率曲線估算剩余油飽和度(原始含油飽和度)；水淹在產的井層，依據產水率計算剩余油飽和度；水淹不在產地層，有評價時刻的測井數據的，即測井時刻與評價時刻等時，則用水淹層的常規評價技術評價剩余油飽和度.若不等時，則根據油、水井分布關系、鄰井受效情況以及鄰井的剩余油飽和度插值估算剩余油飽和度.最后，依據單井單層計算剩余油飽和度繪制等時剩余油飽和度分布圖，不同時刻的等時剩余油飽和度對比可以描述剩余油動態分布特征.

圖2 等時剩余油飽和度動態評價方法技術路線圖Fig.2 Flow chart showing method for dynamic evaluation of isochronous remaining oil saturation

可見，方法實施時仍然需要使用水淹層定性識別技術、水淹層剩余油飽和度評價技術，但是強調了測井、開發和評價時刻的等時性.同時，考慮到了地質和工程約束，特別是會根據油井、水井的分布、生產措施的調整(如油層轉注)以及注水受效關系定性識別水淹情況.對于沒有與評價時刻等時的測井、生產動態資料的情況，應用鄰井剩余油飽和度插值的方式估算出剩余油飽和度.所有這些措施保證了剩余油飽和度評價的等時性.

2 水淹層定性識別方法

在地質和工程約束下，由測井響應特征、產水率以及注水受效情況分析綜合判斷水淹情況.其中：地質約束主要是通過連井剖面確立地層的格架，工程約束則是通過油井、水井的分布、注水后產油井的產液量等受效情況來判斷未在產井層的水淹情況.

2.1 測井識別方法

油層水淹后，由于注入水的注入會導致泥質含量、孔隙度、混合液礦化度、含油飽和度等地質參數的變化，自然會導致自然伽馬、聲波時差、電阻率等測井響應的變化.因此，可以利用測井響應特征來分析識別水淹層(張玎等，1996；宋子齊等，2003；李振英，2004；李楨等，2006；劉洋，2017；鄭利江等，2019).由于測井曲線是靜態的，只有測井時刻和評價時刻相同，才能用測井曲線識別水淹.

目前，通常的做法是通過“對子井”來認識水淹后不同水淹階段的測井響應特征.所謂的“對子井”由同一層處于未水淹、弱水淹、中等水淹、強水淹階段幾口井構成，可以通過對比自然伽馬、聲波時差、電阻率等測井響應來考察不同水淹階段測井響應的變化，最終可以基于交會圖法、主成分分析等模式判別方法建立水淹級別的測井判別方法(韓學輝等，2011；牟立偉等，2016；張姮妤等，2016；張俊等，2016).其中，最具決定性意義的主要是電阻率測井.當注水為咸污水，隨著注水的進行，水淹層電阻率會因為混合液電阻率以及含油飽和度減小而單調下降，比較容易根據電阻率判別水淹階段.當注入水為淡水時，隨著注水的進行，水淹層電阻率會因為混合液電阻率的上升(導致電阻率變大)以及含油飽和度減小(導致電阻率變小)而出現初期電阻率下降而后期電阻率上升的“U”型或者“S”型變化(楊景強等，2006)，容易將強水淹層誤判為未水淹或者弱水淹，比較困難(韓學輝等，2012).混合液電阻率不僅是應用測井識別水淹層的難點所在，也是應用測井定量評價飽和度的困難所在.圖3為某斷塊淡水水淹油藏沙二段6號層“對子井”測井響應特征對比,表1給出了不同水淹階段的電阻率等測井響應特征.對比發現，電阻率較其他測井響應特征的變化趨勢更加明顯：從未水淹到強水淹的過程中，電阻率先不斷減小，當到達強水淹時又出現增大的情況.圖4為基于巖心的相對滲透率以及電阻率聯測的水淹層電阻率機理實驗結果，顯示隨著淡水水淹的進行，混合液電阻率和含水飽和度不斷變大，導致電阻率出現了“S”型變化，與表1的電阻率隨水淹的變化情況一致.

表1 不同水淹階段測井響應對比Table 1 Comparison of logging response in different watered-out stages

圖3 某斷塊水淹層“對子井”測井響應特征(a) 未水淹層測井響應； (b) 弱水淹層測井響應； (c) 中水淹層測井響應； (d) 強水淹層測井響應.Fig.3 Logging response features of well pairs in a water-flooding fault block(a) Logging responses of originanl layer; (b) Logging responses of weak water flooded layer; (c) Logging responses of medium water flooded layer; (d) Logging responses of strong water flooded layer.

(續)

圖4 某斷塊砂巖儲層電阻率水淹測井響應機理實驗結果(a) 飽和度與混合液礦化度交會圖； (b) 飽和度與產水率交會圖； (c) 飽和度與巖心電阻率交會圖.Fig.4 Experiment results of resistivity watered-flooding logging response mechanism in sandstone of a fault block(a) Cross plot of saturation with salinity of mixed formation water; (b) Cross plot of saturation with water cut; (c) Cross plot of saturation with resistivity of core.

2.2 生產動態識別方法

注水開發過程中，產水率會隨著水淹而不斷的升高，可以根據產水率的變化趨勢來判斷發生水淹的時間.圖5顯示，A井油層的測井時間為1979年6月，投產初期不產水.1982年6月，產油量開始下降，顯示地層能量不足.臨近的注水井于1983年3月開始注水，1983年12月，產液量開始上升，顯示已經注水受效，進入水淹階段.1984年10月，產水率已經達到60%以上，進入中等水淹階段.1985年6月，產水率已經達到90%，已經進入強水淹階段.這種依據生產動態的產水率識別水淹的方法是比較可靠的，也能夠依據生產動態曲線了解油井剩余油飽和度和產水率的動態變化.

圖5 A井1979年6月—1992年3月生產動態圖Fig.5 Production performance of well A in June 1979 to March 1992

2.3 地質和工程約束的水淹識別

測井和生產動態識別方法使用的前提是測井、開發和評價時刻等時，對于某些在評價時刻既沒有測井曲線也沒有生產動態資料的井層，通過地質和工程約束來獲得水淹的判斷.具體做法如下：研究整體構造和沉積特征，分析油、水井分布關系，針對研究層位建立待評價井、已經投產或試油試采的老井、注水井的連井剖面，結合鄰井同層的水淹情況判斷是否水淹.圖6是X斷塊油藏的實例，可見：油井B位于斷塊油藏邊緣，附近沒有注水井，應未發生水淹；油井C臨近的油井D已經水淹，并且C油井位于注水井E和油井D之間，判定C井已經水淹.

圖6 基于地質和工程約束的水淹識別方法Fig.6 Identification method of water flooding based on geology and engineering constraints

3 飽和度評價方法

在上述水淹定性識別后，根據開發及水淹情況將井層分為4種情況：未水淹在產井層、未水淹不在產井層、水淹在產井層、水淹不在產井層.每種情況采用對應的方法做飽和度的評價.其中，在產的井層，無論水淹與否，都依據相對滲透率數據得到的產水率和含水飽和度統計模型為基礎，利用評價時刻的產水率得到剩余油飽和度(未水淹實際上為原始含油飽和度).因此，飽和度的評價實際上是3種情況.

3.1 在產井層剩余油飽和度評價方法

對于在產的井層，無論水淹與否，均有生產動態提供的產油量、產水量以及產水率資料.生產動態數據是動態資料，它能夠實時、直觀地反映地層中的流體飽和度.對于正在開發的水淹地層，生產動態資料與實驗數據較為充足，使用產水率直接估算含水飽和度有其獨有的優勢，不像應用測井資料評價剩余油飽和度需要面對混合液電阻率無法精確計算的難題(李振英，2004；陳四平等，2004；張斌成等，2005；楊景強等，2009；張占松和張超謨，2011；韓學輝等，2014；張慶國等，2006；李闖等，2018；趙軍等，2019).圖7為根據生產動態的產水率數據評價含水飽和度方法的工作流程圖.具體做法是根據相對滲透率實驗，繪制產水率與含水飽和度的交會圖(圖4b)并統計得到由產水率計算含水飽和度的實驗統計模型，然后可以根據生產動態的產水率估算得到含水飽和度，最終算出剩余油飽和度(圖8).需要說明：該井于2000年測井，而開發時間是2009年，不能夠用靜態的測井曲線評價2000年后的剩余油飽和度，依據生產動態則可以很方便地得到2009年后任意在產時刻的剩余油飽和度.

圖7 利用生產測試資料定量估算水淹層剩余油飽和度的工作流程圖Fig.7 Flow chart of estimating residual oil saturation in water-flooding layer using production test data

圖8 某井由生產動態月報產水率估算得到的含油飽和度及其動態變化Fig.8 Dynamic change of oil saturation estimated by monthly production report of water-bearing rates in a well

3.2 未水淹不在產井層剩余油飽和度評價方法

對于未水淹不在產的井層，油層的含水飽和度保持了原始狀態，可以使用完井測井資料依據Archie公式直接計算原始含油飽和度作為剩余油飽和度.根據Archie公式估算原始含水飽和度的公式，有：

(1)

式中，Sw為含水飽和度，小數；RI為電阻率增大系數，單位為Ωm；Rw為地層水電阻率，單位為Ωm；Rt為地層電阻率，單位為Ωm；φ為孔隙度,小數；F為地層因素,無量綱數；m為膠結指數，無量綱數；n為飽和度指數，無量綱數.

3.3 水淹未在產井層剩余油飽和度評價方法

水淹不在產，有評價時刻的測井曲線的，即測井時刻與評價時刻等時，則用常規水淹層評價技術評價剩余油飽和度.若不等時，則根據油、水井分布關系、鄰井受效情況以及鄰井的剩余油飽和度插值計算剩余油飽和度(郭元嶺和魯國明，1996；郭元嶺和蘇國英，1998).

測井評價水淹層剩余油飽和度的主要依據仍然以Archie等電阻率方程為主.具體到水淹層，最大的問題就是混合液的電阻率的確定.有關混合液電阻率的確定方法可以使用一種混合液電阻率、飽和度、產水率三參數迭代方法(圖9).該方法可以同時輸出最后的混合液電阻率、含水飽和度以及產水率(賀順義等，2010；張鐵軒，2010；劉江等，2013；高華美，2013；韓學輝等，2014).其中，有關混合液電阻率的確定是基于實驗確定的產水率和混合液礦化度的統計關系得到的(圖10).

圖9 開發未水淹層剩余油飽和度評價流程圖Fig.9 Flow chart of evaluating residual oil saturation in development of non-water-flooding layer

圖10 產水率與混合液礦化度交會圖Fig.10 Cross plot of water production rate and mineralization degree of mixed liquid

實驗以外，也可以應用理論計算混合液電阻率.吳長虹、王美珍等介紹了應用自然電位曲線計算混合液電阻率的方法(吳長虹等，2000；王美珍和俞軍，2007).鄒長春等提出了一種并聯模型(鄒長春等，1999)，將電解質溶液混合后電阻率寫為：

(2)

式中，Rw1、Rw2、Rz分別是第一、二種溶液和混合液的電阻率，單位為Ωm;V1、V2、V分別是第一、二種溶液和混合液的體積，單位為m3.

鄒長春、楊景強、張超謨等將該并聯模型做了改進(楊景強等，2006；張超謨等，2008)，將混合溶液電阻率寫為：

(3)

式中,T是一個經驗常數,根據實驗數據的計算結果,T近似為0.2.

秦菲莉等(2002)、方鵬(2011)基于物質平衡法給出了混合液電阻率確定方法.其中，確定混合液電阻率的方法如下：

(1)設驅替一段時間后，含水飽和度達到了Sw，設原始束縛水飽和度為Swi，則此過程中注入的水量為：

Q=φ(Sw-Swi).

(4)

(2)混合液的礦化度Pz可通過式(5)得到：

(5)

式中，Pj為注入水的礦化度，單位為mg·L-1;Pi為注入水的礦化度，單位為mg·L-1.

(3)根據Pz可以求得地層混合液電阻率Rwz：

(6)

式中求得的電阻率Rwz為標準溫度(24 ℃)下的電阻率.

同時，以此為基礎還衍生出了多倍注入水的物質平衡法、變倍數多倍注入水的物質平衡法等(方鵬，2011)，這些理論方法都可以取得一定的成效.其中，變倍數多倍注入水的物質平衡法等實際應用效果更好一些，本文在沒有實驗刻度的水淹層采用該方法計算混合液的電阻率.

4 等時剩余油飽和度評價方法在某斷塊油藏的應用

應用上述方法，對某斷塊油藏開展了水淹層定性識別、剩余油飽和度的估算，最終繪制了該斷塊油藏開發以來6個典型時刻的等時剩余油飽和度等值線圖(圖11).

開發資料顯示，涉及目的層段注水的井共有13口(圖中藍色標識的井，同時標明注水時間).注水時間最早為1983年，因此可以判斷1983年以前該斷塊油藏均未發生水淹，圖11a顯示了1980年原始含油飽和度分布圖，可見從東南向西北方向含油飽和度逐漸增高，與實際的油藏的東南低和西北高的地勢相對應.圖11b—f顯示了1983年注水以后5個典型時刻的不同水淹階段的等時剩余油飽和度分布特征，顯示從西南角向東北角呈現一個“舌進”形態的水淹，與注水從西南到東北方向逐漸開始的情況相符合.斷塊中，最先發生水淹的油井是X48-X28井，在最早的注水井Y72-44井附近.隨著不同年代的注水井的依次增加，注水作業使得水淹范圍不斷增大，受效程度不斷加深，剩余油飽和度分布與注水井在時間(注水起始時間和截止時間)和空間上的對應關系比較明晰，最終呈現出向東北角突進的“舌進”趨勢(圖11b—f).從注水有效性看，位于東北角的注水井X48X27于2000年開始啟用，但是對X48X43井影響不大，X48X43井并未水淹.從目前情況看，該斷塊油藏的西部以及東北角處仍然有剩余油未動用，有待開發.

圖11 某斷塊油藏等時剩余油飽和度評價方法效果圖(a) 某層1980年剩余油飽和度分布等值線圖； (b) 某層1990年剩余油飽和度分布等值線圖； (c) 某層2000年剩余油飽和度分布等值線圖； (d) 某層2005年剩余油飽和度分布等值線圖； (e) 某層2010年剩余油飽和度分布等值線圖； (f) 某層2018年剩余油飽和度分布等值線圖.Fig.11 Evaluation results of isochronous residual oil saturation in reservoirs of a fault block(a) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 1980; (b) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 1990; (c) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 2000; (d) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 2005; (e) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 2010; (f) Contour map of remaining oil saturation of some layer in 2018.

5 結論與認識

研究開發了一種動靜態結合的等時剩余油飽和度動態評價方法，并在某斷塊油藏開展了應用.有以下結論和認識：

(1)基于測井曲線、測試資料的常規剩余油飽和度評價存在不等時性，即測井、開發和評價時刻不等，導致在某一評價時刻繪制的剩余油飽和度等值線圖不能準確反映油水的空間分布特征，不同評價時刻的等值線圖對比也不能反映油水的動態變化以及開發效果.

(2)結合測井剩余油評價以及測試資料的產水率計算剩余油飽和度的技術特點，可將研究目的層劃分為未投產未水淹井層、未投產水淹井層、在產水淹井層、在產未水淹井層4種情況，立足評價時刻的測井、開發、測試、以及巖心分析資料，在地質和工程約束下分別應用測井資料、生產動態資料開展水淹層識別和剩余油飽和度的評價.

(3)為了保證測井、開發和評價時刻的等時性，在產的井層依據產水率基于相對滲透率實驗數據計算剩余油飽和度，不在產而測井與評價時刻等時的井層應用常規水淹層剩余油評價技術計算剩余油飽和度，不在產而測井與評價時刻不等時的井層應用鄰井的剩余油飽和度插值確定剩余油飽和度.

(4)這種由測井、生產動態實測資料計算得到時間推移的剩余油飽和度分布的方法，可以動態反映油藏注入開發后的飽和度變化，評價開發的效果和指導后續開發方案調整.方法上，與以往數值模擬的做法有很大的不同，更便于沒有石油工程背景的開發地質人員依據測井曲線和生產動態開展剩余油飽和度分布以及動態演化研究.

致謝感謝審稿專家提出的建設性修改意見.