基于儲層物性的分段方法在控水完井中的應用

李海濤 ， 董婉琪* ， 王楠 ， 張楠 ， 崔小江

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610500; 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300459; 3.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 撫順 113001)

水平井水平方向跨度大，跟趾效應和儲層非均質性是影響油井均衡生產的主要因素，常規完井方式很難實現均衡生產[1-4]。非均衡條件下，油井開采易產生底水或注水脊進問題，嚴重影響油藏采收率，甚至被迫關井。流入控制裝置[5](inflow control device，ICD)是20世紀90年代提出的一種底水延緩工具，隨著技術的發展相繼出現了流入控制閥[6](inflow control valve，ICV)和自動流入控制裝置[7](autonomous inflow control device， AICD)等控水工具。此類控水工具與完井管柱組合能夠有效延緩底水脊進現象[8-10]，該技術已在中外得到廣泛應用[11-14]。完井工藝設計中，合理的分段是實現油井有效控水的前提，因此，針對完井分段這一核心技術展開了大量研究。郭松毅等[15]以流入量為主控因素，在有序聚類的基礎上提出了AICD控水完井分段方法；張林等[16]基于打開段數、無因次油藏厚度和打開程度3個因素，建立了完井分段的基本思路；趙麟[17]以均衡流入剖面和提高采收率為函數目標，利用遺傳算法實現控水完井優化設計；王艷麗[18]以油藏描述和地質認識綜合評判為依據確定控水完井卡封井段。綜合以上文獻調研可知，基于優化算法和物性的分段方法都有較多研究，優化算法依賴更多的是產液剖面的均衡性，基于物性的研究更符合現場產液需求。大多數學者對物性參數的利用較為單一，主要通過對預分段進行多次組合調整來達到最佳分段的目的。因此，在儲層物性綜合評價的基礎上進行控水完井分段方法研究具有重要意義。

基于油藏描述成果和地質認識進行控水完井分段是大多數研究人員最認可的方式。但目前完井分段一直依賴于現場經驗，基于物性分段并沒有形成系統的算法，缺少對應的理論計算方法。為此，以油藏物性和地質資料為基礎，現提出一種控水完井分段計算新方法。該方法一方面考慮了現場實際情況，另一方面考慮了油藏物性參數。利用該方法協助完成BH油田控水方案設計，現場施工效果證明，該分段方法實施簡單，控水效果明顯，對現場智能控水完井分段設計具有重要的指導作用。

1 智能控水完井分段設計方法及理論

孔隙度和滲透率是了解儲層流動能力的主要參數，巖性和含油飽和度是體現產油能力的主要參數。穩油控水是智能控水完井解決的關鍵技術問題。因此，該方法將儲層巖性、儲層滲透率、孔隙度和含油飽和度作為依據進行分段，物性的好壞直接關系到產液量，含油飽和度情況直接關系到產油量，基于物性和含油飽和度可以對水平井完井段進行初步的分類；同時，對物性的分析和認識也可對水平井的出水位置進行初步預判。

1.1 基于物性參數綜合評價

1.1.1 基于儲層物性的分段評價

水平井分段設計所涉及參數分別為：滲透率、孔隙度、含油飽和度。但不同儲層參數之間存在量綱、數量級不一致問題，所以需要對各參數的指標值進行標準化處理，常見的指標標準化方法有向量歸一化、線性比例變換、極差變換等，采用極差正規化對儲層參數進行處理和變換來消除各變量原始數據單位和數量級不一致的影響。根據儲層測井解釋參數(孔隙度、滲透率、含油飽和度)來計算水平段物性指數Pindex、含油飽和度指數Findex，分別如式(1)和式(2)所示，并分析水平井內各層段出水可能性。通過研究提出基于儲層參數的水平段內分段設計方法，利用孔隙度、滲透率、含油飽和度無因次化建立評價水平段內分段位置優劣的綜合指標，進行分段位置優選。

(1)

(2)

式中：Pindex為物性指數；Findex為含油飽和度指數；Ki、Kmax、Kmin為滲透率及最大、最小值，mD；Φi、Φmax、Φmin為孔隙度及最大、最小值，%；Si、Smax、Smin為含油和度及最大、最小值，%。

以施工井為例對其物性指數和含油指數進行計算，施工井水平段滲透率及孔隙度分布如圖1所示；孔隙度和滲透率關系如圖2所示，根據擬合方程可知兩者存在指數關系；含油飽和度如圖3所示。

將測井解釋所得滲透率、孔隙度、含水飽和度代入物性指數計算公式[式(1)]、含油飽和度指數計算公式[式(2)]可獲得目標井水平井段的物性指數剖面(圖4)和含油飽和度指數剖面(圖5)。物性指數越大說明該位置物性越好，同理含油飽和度指數越大說明含油飽和度越大。

圖1 滲透率及孔隙度分布Fig.1 The distribution of permeability and porosity

圖2 孔隙度和滲透率關系曲線Fig.2 The relationship between porosity and permeability

圖3 含油飽和度分布Fig.3 The distribution of oil saturation

圖4 物性指數剖面Fig.4 The section of physical property index

圖5 含油飽和度指數剖面Fig.5 The section of oil saturation index

1.1.2 物性、含油飽和度評級和評分

針對水平井的物性和含油飽和度的評價，目前國內外還沒有統一標準。不同的井物性和含水飽和度的好、中、差情況對應的物性指數和含油飽和度指標值的范圍也并不相同。因此，此處引入概率統計的方法，進行物性指數和含油飽和度指數的評價。確定將水平段含油飽和度和物性評級均分為好、中、差三個級別，分別以G、M、B表示，如圖6所示。

首先，做出物性指標值Pindex的頻率直方圖和累積分布圖，統計分析沿水平段內的物性指標值在各個范圍內出現的頻數，及其出現的累計百分數I1，累計百分數總數為100%，將其平均分為3段，以累積頻率I1為33.3%及66.7%所對應的物性指數值為分界點，其值分別記為C1和C2。

然后，確定以累積分布率I1>67%(即Pindex>C2)時對應的Pindex值范圍評級為G，以累積分布率33%

圖6 綜合評分方法Fig.6 Comprehensive scoring method

同理，作出含油飽和度指標Findex的頻率直方圖和累積分布圖，統計分析沿水平段內的含油飽和度指標在各個范圍內出現的頻數，及其出現的累計百分數I2。確定以累積頻率I2為33.3%和66.7%所對應的物性指數和含水飽和度指數的值為分界點，分別記為C3和C4。

然后，確定以累積分布率I2>66.7%時對應的Findex范圍評級為G，即(Findex>C4)。以累積分布率33%

在此，采取5分制，對物性指標和含水飽和度指標進行評分，各級別所對應的評分標準為：G=5分，M=3分，B=1分。具體如表1所示，其中I代表I1或I2。

由上所述評級和評分標準的方法，不同的水平井均可以采取以上累積分布率的范圍確定物性指標和含水飽和度指標的評價指標范圍，以及單因素評分。綜合指標的評級以BB、BM、MB、MM、BG、GB、MG、GM、GG表示，綜合指標的評分可由二者對應分數相加表示。

表1 單因素評分標準Table 1 Single factor scoring criteria

1.1.3 水平段綜合評分

根據施工井物性指數和含油飽和度指數統計可以得到其頻率直方圖，如圖7所示，按照33.3%和66.7%原則進行計算，物性指數33.3%取值點位于0.5處，66.7%取值點位于0.6處，選取0.5和0.6做為物性指數的評分分界點，即目標井水平井段中，物性指數大于0.6的井段被評為5分，介于0.5～0.6的井段被評為3分，小于0.5的井段被評為1分。同理，選取0.525、0.6作為含油飽和度指數的評分分界點，并評出相應的分數。

最終將兩種指數的相應井段分數相加，得到一個水平井段的綜合評價分值，如圖8所示。綜合評價分數越高，表明該位置物性越好，產液量越大。結合綜合評分選取≤4分的小值點(與相鄰位置對比)作為分段點。由于小值可能存在多個，需對其有效性進行判定，根據水平段長度設定值最小有效段長。如施工井水平段長度為326.4 m，設定其最小有效長度為水平段長度的5%，則最小有效長度為16.32 m。結合綜合評分可以看出，在1 799.3 m處雖然出現小值點，但其有效長度很短，只有0.1 m。因此將其歸為第一段。第二段開始位置位于第一個極小值點1 949 m處，極小值點結束位置為1 971.8 m處，段長22.8 m。1 971.8～1 972.4 m分值僅等于4，且該段有效長度只有0.6 m，因此將其歸為第二段。同理由于1 981～1 991 m僅有10 m同樣將其歸為第二段，結束點2 000 m后綜合評分較高，至此第二段結束。最后一段為第三段。因此根據其評分可以將整個水平段分為3段。初步分段位置確定為1 949 m和2 000 m兩個點。

圖7 物性指數、含油飽和度指數頻率分布直方圖Fig.7 Frequency distribution histogram of physical property index and oil saturation index

圖8 水平井段綜合評分Fig.8 Comprehensive score of horizontal well completion section

1.2 基于錄井和測井數據的分段

根據測錄井結果可以得到井段位置及解釋結果，其解釋結果主要可分為水層、油層(砂巖)和泥巖三類。一般情況下，完井段基本主要存在油層和泥巖兩種類型，其中油層為主力產液區，泥巖為無效產出段。因此在對油井進行分段時可將分段位置選在泥巖位置。

首先針對油層和泥巖位置進行編號。通過編號記錄位置信息，S和N分別代表油層的起始位置和結束位置，同樣也是泥巖的結束位置和開始位置(首尾兩段除外)。其中N數組下標為偶數和相鄰S數組下標為奇數位置信息即為泥巖所在的位置，該位置記錄的位置信息即為分段參考點。其具體編號形式如圖9所示。

施工井儲層段巖性分布如圖10所示，施工井儲層段解釋結果如表2所示。

圖9 水平段完井段巖性編號示意圖Fig.9 Diagram of lithologic numbering in the horizontal well completion section

圖10 水平段完井段砂巖和泥巖分布圖Fig.10 The distribution of sandstone and mudstone in the horizontal well completion section

表2 測井解釋結果Table 2 The results of log interpretation

2 綜合評價與分段設計方法

分段設計實現思路及程序界面如圖11和圖12所示，首先，由錄井解釋資料對層段位置進行編號，并計算得到各層段綜合評分；其次，由綜合評分的極值點初步確定可分段位置點；然后，將可分段位置點帶入井段位置編號信息表中，判斷可分段位置點是否為泥巖，若為泥巖，則確定為正式分段位置點；若為砂巖則尋找離該分段位置點最近的泥巖，確定為正式分段位置點。最終確定分段位置如圖13中藍色虛線所示，位置點為1 947 m和2 015 m。

3 分段方法應用

為驗證該分段方法的快速性和有效性，針對A井進行產液剖面預測，并開展了現場應用。A井為水平井，位于邊底水油藏區域，采油方式為電潛泵采油，控水完井前完井段為裸眼防砂完井。A井水淹模式為點狀水淹，關井前平均產液量150 m3/d，含水率94.33%，產油量僅8.5 m3/d。圖14為不同完井方案下產液剖面對比圖，除裸眼完井外，其他三種方案均采用分段控水完井，調控強度一致，僅分段位置存在差異。對比幾種分段方案，新分段方法所得產液剖面與方案一對比均衡程度較好。由于方案二增加了一組分段其均衡效果為最佳，但改善效果不太明顯。由此可見，所提出的新分段方法能夠很好地判定分段位置。利用前文提到的分段方法，確定A井最終分段位置，如圖15所示。

圖11 分段方法流程圖Fig.11 The flow chart of segmentation method

圖12 分段設計程序界面圖Fig.12 The interface diagram of segmentation design program

圖13 分段位置示意圖Fig.13 The diagram of section position

圖14 不同完井方案產液剖面Fig.14 The production profile of different completion schemes

A井施工后生產數據如圖17所示，依據施工后產液油數據，可將A井分為4個生產階段，依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ階段。Ⅰ階段：開井生產后平均產液量264 m3/d，含水率介于89.17%～93%，平均含水率91.92%，較關井前下降了2.41%，該階段日產油21.33 m3/d；Ⅱ階段：為提高產油量，現場人員通過電泵調頻操作進行提液生產，提產后產液量372.17 m3/d，平均含水率93.15%，含水率有所上升，但增油效果明顯，平均日產油25.49 m3/d，較第一階段增加了19.5%；Ⅲ階段：再次提產后產液量增至463.46 m3/d，平均含水率上升至96.23%，產油量下降；Ⅳ階段：由于上一階段A井隨著提液生產含水率有所上升，因此，該階段采取限液生產措施，含水率下降至92.49%，近期平均產液量為434.48 m3/d，平均含水率95.23%，平均日產油20.72 m3/d。通過以上數據分析可知，控水完井后油井含水得到有效控制，說明該分段方法能夠很好地指導智能控水完井設計。

圖15 方案設計圖Fig.15 The schematic design drawing

圖17 油井控水施工后生產數據Fig.17 Production data after oil well water control

4 結論

(1)利用數據歸一化方法處理儲層物性和流體數據后，建立了一套含油飽和度和物性評級制度及水平段綜合評分方法。

(2)提出了基于儲層物性的水平井控水完井分段方法，利用該方法所設計的封隔器位置綜合考慮流體流動性能和油井產油能力，實現均衡生產和穩油控水的目標。

(3)設計了一款水平井控水完井分段程序，實現了水平井完井分段智能化，現場應用效果較好，能夠達到穩油控水的目的。