邊底水稠油油藏多元熱流體吞吐水竄規(guī)律研究

袁玉鳳，戎凱旋，高 杰，阮 迪，寇雙燕，李 振，孟小芳

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；2.海洋高效開發(fā)國家重點實驗室試驗與分析室，天津 300450）

2008 年來，渤海地層原油黏度在350 mPa·s 以上的稠油經(jīng)歷了傳統(tǒng)的天然能量和注水方式進(jìn)行開發(fā)向多元熱流體吞吐開采過渡和轉(zhuǎn)變，很大程度上提高了采油速度，改善了經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。同時對于大的邊底水稠油油藏，大孔道的存在將會嚴(yán)重影響吞吐效率，造成被竄油井產(chǎn)量下降，使多元熱流體吞吐開采達(dá)不到預(yù)期效果[5-7]。為了更好的預(yù)警水竄的問題，本文以渤海S 油田為例，利用數(shù)值模擬的方法，建立多元熱流體吞吐開采井間竄流機(jī)理模型，利用水竄時機(jī)、周期末含水率、水竄系數(shù)三個指標(biāo)來研究水竄規(guī)律，同時開展大孔道長度、大孔道滲透率倍數(shù)，大孔道位置及生產(chǎn)井距邊底水距離對水竄規(guī)律的影響。

1 水竄評價指標(biāo)

水竄定義：將注汽量與采水量的關(guān)系作為判斷依據(jù)，當(dāng)累計產(chǎn)水大于累計注蒸汽量時，則判斷生產(chǎn)井見水；當(dāng)累計產(chǎn)水小于累計注蒸汽量時，但計算前幾個周期注入蒸汽在該期的存水量后，并發(fā)現(xiàn)該周期中的產(chǎn)水總量大于前期存水量與本期注入總量之和，且此后各周期的產(chǎn)水量和含水率進(jìn)一步上升，則可判斷邊底水突破[8]。

（1）水竄時機(jī)：吞吐周期開始生產(chǎn)到含水率明顯上升的時機(jī)，反映局部水竄速度，直接與大孔道的物性參數(shù)有關(guān)。

（2）周期末含水率：當(dāng)水竄發(fā)生后，油井的含水率將大幅度上升，吞吐周期末含水率曲線將出現(xiàn)拐點，通常可認(rèn)為油井見水。

（3）水竄系數(shù)：定義為單位壓降、單位時間下，周期的水竄量。水竄系數(shù)小于10，為輕微水竄；水竄系數(shù)大于10 且小于20，為嚴(yán)重水竄；水竄系數(shù)大于20，為極強(qiáng)水竄[9]。

2 水竄模型建立

2.1 模型基本參數(shù)

以S 油田為例建立了五口水平井多元熱流體吞吐的均質(zhì)油藏概念模型，為了模擬多元熱流體吞吐過程中的水竄現(xiàn)象，在概念模型基礎(chǔ)上，添加解析水體，水體倍數(shù)30，并在邊底水與生產(chǎn)井之間添加大孔道，得到水竄油藏模型（見圖1），其中解析水體的相關(guān)參數(shù)取值（見表1）。網(wǎng)格系統(tǒng)劃分：網(wǎng)格步長為20 m×20 m，將平面劃分為2 745 個（61×45）網(wǎng)格，縱向上模擬4 個層，共10 980 個網(wǎng)格節(jié)點。

圖1 解析水體水竄油藏二維模型

表1 解析水體參數(shù)取值

2.2 油藏參數(shù)

數(shù)值模型參數(shù)取值：油藏平均頂深為1 050 m；平均有效厚度為8.2 m；平均滲透率為4 000×10-3μm2；平均孔隙度為0.35；原始含油飽和度為0.63；原始地層壓力10.4 MPa；油藏溫度為54 ℃；地層條件下原油黏度為660 mPa·s，屬于Ⅰ-2 類普通稠油[10-11]。

2.3 注采方式

對4 口生產(chǎn)井以120 m3/d 的采液速度進(jìn)行天然能量生產(chǎn)，對中心注入井進(jìn)行多元熱流體多輪次吞吐開發(fā)。其相關(guān)注采參數(shù)為：注入熱水速度為160 m3/d；注入空氣速度為50 000 m3/d；注入溫度為260 ℃；注入時間為20 d；燜井時間為4 d。按照定液和定井底流壓方式進(jìn)行開采，隨著吞吐輪次增加，井底流壓逐漸降低，7個周期的井底流壓分別取8.0 MPa、7.2 MPa、6.8 MPa、6.5 MPa、6.1 MPa、5.8 MPa、5.5 MPa[12]。

3 大孔道對水竄的影響規(guī)律研究

3.1 大孔道長度對水竄的影響規(guī)律

分析大孔道的長度分別為80 m、120 m、160 m 的邊底水竄流模型，當(dāng)大孔道長度為160 m 時，生產(chǎn)井與邊底水直接連通；大孔道的滲透率為基礎(chǔ)滲透率的20倍。

3.1.1 水竄規(guī)律 水竄發(fā)生前，各長度的大孔道對應(yīng)的周期末含水率無差異；水竄發(fā)生后，周期末的含水率急劇上升，周期末含水率曲線出現(xiàn)明顯拐點；水竄發(fā)生后，周期末的含水率不斷上升，水竄越來越嚴(yán)重（見圖2）。大孔道越長，水竄發(fā)生的越早，大孔道長度為80 m、120 m、160 m 的水竄輪次對應(yīng)在第6 周期、第5 周期及第3 周期；水竄發(fā)生后，隨著吞吐的進(jìn)行，之后每一周期的水竄時機(jī)均比前一輪要提前，如當(dāng)大孔道長度為160 m 時，在第3 輪的第110 d 發(fā)生了明顯的水竄，往后的4 個輪次中，發(fā)生水竄的時機(jī)分別為：第80 d、第70 d、第70 d、第64 d（見圖3）。

圖2 不同長度的大孔道模型對應(yīng)的周期末含水率曲線

圖3 不同長度的大孔道模型對應(yīng)的周期水竄時機(jī)曲線

3.1.2 水竄評價 同一周期中，大孔道的長度越長、水竄系數(shù)越大，水竄越嚴(yán)重；隨著吞吐的進(jìn)行，水竄越來越嚴(yán)重，水竄系數(shù)呈不斷增大的趨勢；根據(jù)水竄系數(shù)的等級劃分來分析，大孔道長度為160 m 的竄流模型在第3 周期發(fā)生了較為嚴(yán)重的水竄現(xiàn)象，第5 周期開始，發(fā)生了極強(qiáng)水竄（見圖4）。

圖4 不同長度的大孔道模型對應(yīng)的水竄系數(shù)

3.2 大孔道滲透率倍數(shù)對水竄的影響規(guī)律

為了研究大孔道滲透率倍數(shù)對水竄規(guī)律的影響，在邊底水與生產(chǎn)井之間添加了一條垂直于生產(chǎn)井的高滲透通道，大孔道的滲透率倍數(shù)分別為4 倍、8 倍、12倍、16 倍及20 倍；大孔道的長度為160 m，生產(chǎn)井與邊底水直接連通。

3.2.1 水竄規(guī)律 大孔道的滲透率倍數(shù)越大、水竄發(fā)生的越早；當(dāng)大孔道的滲透率倍數(shù)不變時，水竄一旦發(fā)生，往后每一周期的水竄時機(jī)不斷“靠前”（見圖5）。水竄發(fā)生前，大孔道的滲透率不同，對應(yīng)周期末的含水率無差異；水竄發(fā)生后，周期末的含水率急劇上升，出現(xiàn)明顯拐點；隨著吞吐的進(jìn)行，周期末的含水率不斷上升，水竄越來越嚴(yán)重（見圖6）。

圖5 不同滲透率倍數(shù)的大孔道模型對應(yīng)的水竄時機(jī)曲線

圖6 不同滲透率倍數(shù)的大孔道模型對應(yīng)的周期末含水率曲線

3.2.2 水竄評價 同一周期中，大孔道的滲透率倍數(shù)越長、水竄系數(shù)越大，水竄越嚴(yán)重；隨著吞吐的進(jìn)行，油層壓力的不斷下降，水竄越來越嚴(yán)重，對應(yīng)的水竄系數(shù)也是呈不斷增大的趨勢；根據(jù)水竄系數(shù)的等級劃分來分析，當(dāng)滲透率倍數(shù)為20 倍時，在前2 個周期中只發(fā)生了輕微水竄；從第3 周期開始往后，均發(fā)生了較為嚴(yán)重的水竄現(xiàn)象（見圖7）。

圖7 不同滲透率倍數(shù)的大孔道模型對應(yīng)的水竄系數(shù)曲線

3.3 大孔道位置對水竄的影響規(guī)律

為了研究大孔道的位置對水竄規(guī)律的影響，在邊底水與生產(chǎn)井之間添加了一條大孔道，大孔道的位置分別為：與生產(chǎn)井平行、與生產(chǎn)井垂直、與生產(chǎn)井相交；大孔道長度為160 m，滲透率倍數(shù)為基礎(chǔ)滲透率的20倍，生產(chǎn)井距邊水的距離為160 m，生產(chǎn)井與邊底水直接連通。

3.3.1 水竄規(guī)律 當(dāng)大孔道與生產(chǎn)井平行或相交時，周期末含水率曲線未出現(xiàn)明顯的拐點，判斷均未發(fā)生明顯水竄現(xiàn)象；當(dāng)大孔道與生產(chǎn)井垂直（生產(chǎn)井與邊底水直接連通）時，在第3 周期含水率明顯上升，判斷在該周期發(fā)生了水竄現(xiàn)象，水竄發(fā)生后，后周期的含水率總是高于前周期，同時也表明水竄程度不斷加劇（見圖8）。

圖8 不同位置的大孔道模型對應(yīng)的周期末含水率曲線

3.3.2 水竄評價 同一周期中，當(dāng)大孔道與生產(chǎn)井垂直時，水竄系數(shù)最大，水竄最嚴(yán)重，且越來越嚴(yán)重，對應(yīng)的水竄系數(shù)也是呈不斷增大的趨勢；當(dāng)大孔道與生產(chǎn)井平行或相交時，水竄系數(shù)均小于10，且二者相差不大，判定二者在整個吞吐周期中均未發(fā)生明顯的水竄現(xiàn)象（見圖9），因此在實際布井生產(chǎn)中，應(yīng)盡量避免生產(chǎn)井與大孔道直接垂直連通，降低水竄風(fēng)險。

圖9 不同位置的大孔道模型對應(yīng)的水竄系數(shù)曲線

3.4 生產(chǎn)井距邊水距離的水竄規(guī)律的影響

為了研究生產(chǎn)井距邊水的距離對水竄規(guī)律的影響，在邊底水與生產(chǎn)井之間添加了一條垂直于生產(chǎn)井且直接連通的高滲透通道，滲透率為基礎(chǔ)滲透率的20倍，生產(chǎn)井距邊水的距離分別為：50 m、130 m、160 m、200 m 及300 m。

3.4.1 水竄規(guī)律 距邊水距離越近水竄發(fā)生的越早，且同周期的周期末含水率越高，如距離邊底水距離分別為50 m、130 m、160 m、200 m 及300 m 時，水竄輪次分別為：第1 輪，第2 輪，第3 輪，第4 輪及未水竄，對應(yīng)的第五周期末的含水率分別為：93.6%、80.4%、77.8%、64.8%、28%；同一邊水距離，水竄發(fā)生后，每輪的水竄時機(jī)不斷靠前，后周期末的含水率總是高于前周期末，水竄越嚴(yán)重；同一周期中，距邊底水距離越近，水竄時機(jī)越靠前，如：距離邊底水距離分別為50 m、130 m、160 m、200 m，第五輪的水竄時機(jī)分別為：第50 d、第60 d、第70 d、第90 d（見表2、圖10）。

圖10 不同邊水距離的大孔道模型對應(yīng)的周期末含水率

表2 不同邊水距離的大孔道模型對應(yīng)的周期水竄時機(jī) 單位：d

3.4.2 水竄評價 同一周期中，距離邊底水越近、水竄系數(shù)越大，水竄越嚴(yán)重，且隨著吞吐的進(jìn)行水竄越來越嚴(yán)重，對應(yīng)的水竄系數(shù)也是呈不斷增大的趨勢；當(dāng)距離邊底水50 m 時，在第一周期就發(fā)生了極強(qiáng)水竄；當(dāng)距離為200 m 時，在第四周期發(fā)生了水竄，且往后3 個輪次均只發(fā)生了輕微水竄，因此200 m 被視為安全距離，（見圖11）。

圖11 不同邊水距離的大孔道模型對應(yīng)的水竄系數(shù)

4 結(jié)語

本文提出了水竄的評價方法，并分別研究了大孔道長度、滲透率倍數(shù)、相對位置及生產(chǎn)井與邊底水距離對水竄規(guī)律的影響。通過分析，得到以下幾點認(rèn)識：（1）大孔道長度、滲透率倍數(shù)與水竄時機(jī)、周期末含水率及水竄系數(shù)呈正相關(guān)；（2）水竄一旦發(fā)生，每周期的水竄時機(jī)不斷靠前、周期末含水率不斷攀升、水竄系數(shù)不斷增大；（3）大孔道相對位置不同，水竄規(guī)律差異較大，實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)井與邊底水應(yīng)保持一定的角度，避免直接垂直連通，降低水竄風(fēng)險；（4）水竄程度與生產(chǎn)井距邊水的距離呈正比關(guān)系，經(jīng)分析，200 m 被視為安全距離。本次研究結(jié)果對油藏特點及開發(fā)方式相近的熱采油田具有一定的指導(dǎo)意義，對類似的油田開發(fā)布井、水竄預(yù)警工作起到重要的指導(dǎo)作用。