低渗透稠油油藏储量有效动用界限研究

陈民锋，赵 晶，赵梦盼，李晓风

中国石油大学 (北京)石油工程学院，北京 102249

低渗透稠油油藏储量有效动用界限研究

陈民锋，赵 晶，赵梦盼，李晓风

中国石油大学 (北京)石油工程学院，北京 102249

指出低渗透稠油油藏具有明显的启动压力梯度，稠油在多孔介质中的渗流偏离达西定律，开发过程中储量的有效动用受到诸多条件的限制.基于低渗透稠油油藏基本渗流特征，利用弹性不稳定渗流和非线性渗流理论，分析低渗透油藏弹性能量开发中的不稳定渗流过程.考虑技术和经济因素，提出低渗透稠油油藏衰竭开发下储量有效动用界限，包括满足日产要求的有效动用半径，以及满足累计产油量要求的储量动用规模和动用半径.运用所建方法，对油田开发实例进行计算分析.研究表明，对于低渗透稠油油藏，要综合考虑技术和经济条件来确定油藏储量有效动用的界限，才能合理部署油藏开发井网.该研究为启动压力梯度油藏的有效开发提供了技术支持.

油田开发;低渗透油藏;启动压力梯度;不稳定流动;衰竭开发;储量动用界限

1 工程背景

随着油田开采技术的发展和对石油能源持续增加的需求，常规技术难以开采的低渗透稠油油藏也逐渐成为油田开发的一个重要方向.

与常规油藏相比，低渗透稠油油藏具有更为明显的启动压力梯度，稠油在多孔介质中的渗流偏离达西定律，只有当驱动压力梯度超过启动压力梯度时稠油才开始流动［1-5］;此外，低渗透稠油油藏的相对渗透率曲线兼具低渗和稠油两方面的特点，水驱油驱替效果较差.

对于低渗透稠油油藏，在储量丰度满足生产要求的前提下，如采取注水开发，由于油藏水驱油效率低，开发效果很难达到预期目标;而采取注蒸汽热采，在钻井、完井和注入和采出设备等方面要求较高，经济风险较大.对于一些油层较厚、原始地层压力较高的低渗透稠油油藏，为保证油藏的开发效益，在开发初期或较长的一段时间内，都采取衰竭开发的方式，并辅助实施大量的措施 (压裂、酸化和井筒降黏等)，来维持油井的正常生产和油藏有效开发［4］.而在开发井型一定的情况下，提高衰竭式开发效果的关键在于如何优化部署开采井网，充分利用天然能量、最大限度地动用油藏储量，兼顾油井钻井投入、生产成本和和油井产油收益，确定合理的开发井距.

通常低渗透油藏的开发井距是基于极限井距确定的，而极限井距的计算方法，是考虑启动压力梯度的影响，计算在给定压差下，使得泄油边界处渗流速度为零时所对应的泄油半径［6-9］.但这样确定的开发井距在实际生产中具有明显的缺陷:一方面，当压力波传播到边界以前，油井产量已低于经济日产界限，早已需要关井，实际上造成了边界附近区域的一部分储量不可能动用;另一方面，即使关井界限产量很低，可以满足压力波传播到极限泄油半径，此时边界附近区域的整体压力降也较小，这一部分的储量动用程度也很低.这就造成了油藏储量不能最大范围、最大限度地动用，直接影响了低渗透稠油油藏衰竭开发的效果［10-11］.

本研究以室内物理实验所得的低渗透稠油油藏启动压力梯度与流度关系为基础，利用弹性不稳定渗流理论以及非线性渗流理论，分析低渗透油藏弹性能量开发中的不稳定渗流过程;在此基础上，考虑技术和经济两方面因素，提出了低渗透稠油油藏储量有效动用的界限，并建立了相应的计算方法.

储量有效动用的界限实际上是在开发条件一定的情况下，低渗透稠油油藏能够在经济上获得收益的有效开发井距.这个有效开发井距包括两方面的含义，一是在生产过程中，油井产量始终大于等于经济极限日产油量;二是在评价期内，油井累计产油量大于经济极限累计产油量，即油井的储量动用规模要满足要求.

2 衰竭开发储量动用及渗流方程解

2.1 油藏衰竭开发储量动用过程

由于启动压力梯度的存在，低速非达西渗流与达西渗流在压力传播规律等方面存在差异.在衰竭开发方式下，油井压力传播和储量动用过程示意图见图1.

图1 储层中压力波传播过程示意图Fig.1 Schematic diagram of pressure-wave propagation process in reservoir

由图1可见，随生产时间t的延长，压力波从井点A处不断向外传播，储层动用范围逐渐增大，但压力梯度逐渐减小.在储层中，半径为rc处(图1中C，称为极限泄油半径或极限动用半径)的压力梯度小于等于启动压力梯度，使得该处渗流速度vc=0;但在实际开发中，要使边界附近的流体也有一定的渗流速度 (保证一定产量要求)，因此，其动用半径要小于极限泄油半径rc，如图1的C'处，称为有效动用半径rm.

综合考虑技术和经济条件要求，低渗透稠油油藏储层压力变化过程和有效开发要求如下:①为保证油井稳定、持续生产，油井井底流压是从初始地层压力pi，逐步降低为流压pw1、pw2、…，直至最后阶段的pwf;②随着油井的生产，压力波逐渐向外传播，当压力传播到边界后，为保证产量稳定，边界压力和井底流压基本处于同步变化的状态，即油藏处于拟稳定状态下生产;③油井产量整体上是一个逐渐递减的过程，在确定的开发井距内以及整个生产过程中，油井产量要始终大于或等于经济极限日产油量Qom;在整个开发评价期内，油井累计产量要大于相应开发条件下的经济极限累计产油量Nom.

基于上述储量动用过程的分析，低渗透稠油油藏的井网有效开发部署程序如下:① 在给定的油藏物性条件和确定的驱替压差下，计算产量等于经济极限日产油量Qom时相应的动用半径rm，而油藏部署油井的开发井距应小于或等于2rm;② 在油井控制的泄油区内 (泄油体积内的动用储量)，累计弹性产出量应大于或等于经济极限累计产油量Nom;对于不同的油层厚度和弹性能量，可以计算出相应的动用半径rb(如图1的B处)，而油藏部署的开发井距应大于或等于2rb;③低渗透稠油油藏储量有效动用的技术界限，为rb≤油井开发井距/2≤rm，其中rm为有效动用半径，rb为满足储量动用规模要求的最小动用半径.

2.2 考虑启动压力梯度影响的渗流方程解

2.2.1 泄油区弹性产出量

衰竭开发方式下油藏中一口油井的生产过程和压力变化规律，相当于圆形封闭地层中心存在一口油井的情形.假设油藏均质、等厚，油井定产;经过一段时间的生产，压力波传至边界后，渗流达到拟稳定状态，即单位时间内的压力降为常数.

储层依靠弹性能量可产出油量为

其中，Ct=Cf+φCL，为综合压缩系数;，为泄油体积;pi为原始地层压力;re为给定的边界半径;rw为井半径为平均地层压力.

式(2)两端同时对时间t求导，可得

由于拟稳定状态下，地层中各处压力降落速度相等，故式(3)可写为

若油井以产量Q定产，由式(4)可得

进而可推出

2.2.2 渗流方程的建立

考虑启动压力梯度，渗流速度应满足:

其中，G为启动压力梯度.

为保证整个井控范围内的渗流速度大于零，油井外边界处的压力梯度须大于G.若内边界条件井底压力pw(t)已知，则地层中存在启动压力梯度G时，流体渗流方程为

2.2.3 渗流方程的解

求解方程组(8)，可得压力分布表达式为

上式(9)对r求导，可得压力梯度表达式为

根据面积加权平均法，地层中的平均压力为

将式(9)代入，利用分部积分进行求解，可得拟稳态下考虑启动压力梯度影响时，单井控制范围内的平均地层压力表达式为

3 油藏储量有效动用界限的确定

3.1 基本计算参数的确定

XU-OH油田为外包开发区块，属于低渗普通稠油油藏，油藏储层厚度大，天然能量较充足.综合技术和经济因素，论证得出在合同期内采取衰竭开发是较好的开发方式.应用上述建立的方法，确定油藏储量有效动用界限.基本计算参数为:油藏原始地层压力为15.0 MPa;最大驱替压差10.0 MPa;综合压缩系数为5.0×10-4MPa-1;储层渗透率为30×10-3μm2;储层有效厚度为60 m;原油黏度为100 MPa·s.油藏启动压力梯度与流度关系见图2.

图2 启动压力梯度与流度关系曲线Fig.2 Relationship between threshold pressure gradient and fluidity

由于目标研究油藏平面差异较大，主体区域流度在0.1 ×10-3～1.0 ×10-3μm2·MPa-1·s-1，对应的启动压力梯度为0.01～0.1 MPa·m-1.在实际计算过程中，主要考虑在此区间取值进行分析.

根据油田投入和生产成本等具体情况，经过实际测算，进行如下设定:① 油田经济极限日产油量Qom=1.0 m3;关井产量界限为每天油井的日产收益 (日产油销售收入)，与每天油井生产支出相等时的产量;② 油田经济极限累计产油量Nom=0.5×104m3;经济极限累计产油量为开发评价期内，油井的累计收益 (产油销售收入)，与油井所有支出 (钻井、作业、生产成本等)相等时的累计产油量.

3.2 衰竭开发储量有效动用半径

考虑技术和经济因素，在整个生产过程中，油井产量要始终大于或等于经济极限日产油量Qom.

应用式(9)和式(10)，分别计算衰竭开发方式下储量极限动用半径 (对应产量为0)和有效动用半径 (对应产量为Qom)，结果见图3.

图3 不同条件下储层动用半径变化曲线Fig.3 Drainage radius of reservoir XU-OH corresponding to different conditions

由图3可见，①随着启动压力梯度的增大，油藏储量的极限动用半径、有效动用半径均逐渐减小;而随着驱替压差的增大，储量极限动用半径、有效动用半径均逐渐增大;② 在不同条件下，为满足日产油量经济界限的要求，油藏储量有效动用半径均小于同一条件下的极限动用半径.

有效动用半径与极限动用半径的比值，称为储量动用半径变化程度.在不同极限日产油量 (Qom1=1.0 m3，Qom2=2.0 m3)和生产压差条件下，动用半径变化程度的变化曲线见图4.

由图4可见:①在相同极限产量条件下，随着启动压力梯度、生产压差的增大，动用半径变化程度逐渐增大;②在相同启动压力梯度和生产压差条件下，随着极限产量的增大，动用半径变化程度逐渐减小;③在常规油藏条件下，动用半径变化程度一般在 0.85 ～0.95.

图4 不同条件下储层动用半径变化程度曲线Fig.4 Variation degree of drainage radius of reservoir XU-OH corresponding to different conditions

3.3 衰竭开发储量有效动用规模

在开发评价期内，油井累计产出量应大于相应开发条件下的经济极限累产油量Nom.

应用式(2)和式(12)，计算不同衰竭开发条件下油井动用范围内的弹性产出量，结果见图5.

图5 不同条件下储量动用规模变化曲线Fig.5 Effective drainage volume of reservoir XU-OH corresponding to different conditions

由图5可见，①驱替压差越小、启动压力梯度越高，油井的极限动用半径就越小，能够实际动用并对产量有贡献的区域也就越小，而为满足日产要求，油井实际生产时的动用半径只能在小于极限泄油半径的范围内取值;②随着储量动用半径的增大，弹性产量初期增加较快，后期增加趋势逐渐变缓;③当油藏弹性产量达到评价期内经济极限累计产油界限时，即可得到满足衰竭开发储量动用规模要求的最小动用半径.

3.4 油藏衰竭开发储量有效动用界限

综上分析，XU-OH低渗透稠油油藏储量有效动用的技术界限见表1.

表1 不同条件下油藏储量有效动用界限Table 1 Limits of effective drive of reservoir XU-OH

当油藏启动压力梯度、最大驱动压差一定时，储层极限动用半径也随之限定，储层中的流体只能在极限半径范围内流动.因此，当油藏地层厚度较小、天然能量较低时，如果在储量有效动用半径rm变化范围之内，计算得到的储量动用规模始终不能超过经济极限累计产油量Nom，那么在此条件下(如启动压力梯度为0.08 MPa/m，驱动压差为5.0 MPa)，就不能进行有效的开发.

对于低渗透稠油油藏的开发，需要同时满足有效动用半径、储量动用规模要求，可以根据上述方法，确定油藏开发井距的取值范围为rb≤开发井距/2≤rm，来指导开发过程中油井的部署.

结 语

综上研究可知:① 低渗透稠油油藏的合理开发，要综合考虑储量动用半径和储量动用规模的限制，才能获得比较好的开发效果;② 在分析低渗透油藏弹性能量开发下不稳定渗流过程的基础之上，考虑技术和经济因素，提出低渗透稠油油藏储量有效动用的界限，包括满足日产油量要求的有效动用半径，以及满足累计产油量要求的储量动用规模和动用半径，研究表明本方法具有很好的操作性;③对于此类具有启动压力梯度的油藏，可依据上述计算方法，得到不同油藏条件下的有效动用半径和储量动用规模界限，这对油藏的有效开发具有实际的指导意义.

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2012-12-06;

2013-03-06

Study on limits of effective drive in low-permeability heavy-oil reservoirs

Chen Minfeng†，Zhao Jing，Zhao Mengpan，and Li Xiaofeng

College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，P.R.China

Porous flow mechanics of heavy oil in low permeability and heavy oil reservoirs is not in line with Darcy flow because of the threshold pressure gradient，and the effective drive of these reservoirs is restricted by more conditions.Based on characteristics of porous flow in low permeability and heavy oil reservoirs，analysis of unsteady flow drives by natural elastic energy in low permeability and heavy oil reservoirs was studied according to elastic unsteady flow theory and non-linear flow theory.Considering engineering and economic factors，the limits of effective drive for low permeability and heavy oil reservoirs was proposed.Based on the effective drainage radius for daily oil production and the effective drainage volume for cumulative production，the calculation methods used for practical examples of oil field development were given.The analysis shows that the deployment of well pattern for low permeability and heavy oil reservoirs depends on limits of effective drive considering both engineering and economic factors.The results could provide technical assistances for effective development of reservoir with threshold pressure gradient.

oil field development;low permeability reservoirs;threshold pressure gradient;unsteady flow;natural depletion development;limits of effective reservoir drive

TE 348

A

10.3724/SP.J.1249.2013.02210

Foundation:National Science and Technology Major Project of China(2011ZX05031-002-007HZ)

†

Associate professor Chen Minfeng.E-mail:cmfllp96@126.com

:Chen Minfeng，Zhao Jing，Zhao Mengpan，et al.Study on limits of effective drive in low-permeability heavy-oil reservoirs［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):210-215.(in Chinese)

国家科技重大专项基金资助项目 (2011ZX05031-002-007HZ)

陈民锋 (1971-)，男 (汉族)，河南省清丰县人，中国石油大学 (北京)副研究员、博士.E-mail:cmfllp96@126.com

引 文:陈民锋，赵 晶，赵梦盼，等.低渗透稠油油藏储量有效动用界限研究［J］.深圳大学学报理工版，2013，30(2):210-215.

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