近井改造对低渗透稠油油藏有效动用半径的影响

陈民锋， 陈 璐， 王兆琪， 张琪琛

(中国石油大学 (北京) 石油工程学院， 北京 102249)



近井改造对低渗透稠油油藏有效动用半径的影响

陈民锋， 陈 璐， 王兆琪， 张琪琛

(中国石油大学 (北京) 石油工程学院， 北京 102249)

低渗透稠油油藏具有原油粘度高和启动压力梯度的双重特性，油藏储量的有效动用受到很多因素的影响，而储层近井改造是提高产量和储量动用程度的有效措施.基于低渗储层基本渗流特征，分析了油藏弹性能量开发中的不稳定渗流过程，并采用稳定逐次逼近法求解包含启动压力梯度项的渗流方程；考虑启动压力梯度和改造措施对近井储层物性的影响，建立低渗透油藏衰竭开发过程中，满足油井开井日产油量要求的储量有效动用半径的求解方法.结合实际油田情况，分析了油井产量变化及其影响因素，研究了不同储层近井改造规模条件下，油藏储量极限动用、有效动用半径的变化规律.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的要求，确定储量有效动用的范围，才能合理部署油藏开发井网.

低渗透稠油油藏； 启动压力梯度； 储层改造； 极限动用半径； 有效动用半径

0 引言

随着常规油气资源的不断减少，低渗透稠油油藏已经逐渐成为国内外油田开发的一个重要发展方向.然而此类油藏兼具稠油和低渗透的特性，原油粘度高且具有明显的启动压力梯度，油藏储量的有效动用受到很多条件的限制.

由于低渗透稠油油藏原油粘度高、渗流阻力大，注水开发时水驱油效率低，开发效果差；若采取蒸汽驱等常规热采方式开发，配套措施与设备等投资过大，难以满足经济开发的需求.当油藏的储层厚度较大、原始地层压力较高时，通常利用天然能量，采取衰竭开发，并辅助其他增产措施(如压裂、酸化、井筒降粘等)的方式，以保证油藏的开发效益.而在开采方式和开发井型一定的情况下，如何考虑油藏渗流特点和增产措施的影响，充分动用油藏储量，确定合理的开发井距，是提高衰竭式开发效果的关键问题[1-7].

一般来讲，在给定压差条件下，储层中渗流速度为零处所对应的储量动用半径即低渗透油藏的极限井距；根据极限井距可以确定低渗透油藏的开发井距[8-10].但这种确定开发井距的方法存在明显的弊端：一方面，当压力波传播到边界以前，油井日产油量已低于经济界限水平，不满足开井条件，无法有效动用边界附近区域的储量；另一方面，储层近井改造措施的实施改变了地下流场的分布，需要考虑储层物性的变化，来确定油井的储量动用范围.

油藏的有效动用半径是指一定开发条件下，油藏能够在经济上获得收益的最大开发井距；对于衰竭开发而言，储量的有效动用半径就是油井的有效泄油半径[11-14].本文首先分析低渗透稠油油藏弹性能量开发下的不稳定渗流过程，建立考虑储层近井改造影响下，满足油井开井日产油量要求的储量有效动用半径的求解方法；结合实际油田情况，在认识油井产量变化及其影响因素的基础上，研究了低渗透稠油储量极限动用半径、有效动用半径的变化规律.

1 开发过程及其渗流方程基本解

1.1 储量动用过程分析

由于存在启动压力梯度，在压力传播规律等方面低速非达西渗流与达西渗流明显不同.随着衰竭开发的进行，压力波从生产井点A处不断向外传播，储层动用范围逐渐增大，而驱替压力梯度逐渐减小.假设储层外边界足够大，当驱替压力梯度小于储层启动压力梯度后，渗流速度为零，在储层平面方向上达到“流动界限”[15-18]，油井压力波传播过程如图1所示.

图1 压力波在低渗透储层中的传播过程

在衰竭开发方式下，随着生产时间的增加，压降漏斗的范围不断扩大和加深，油井井底流压从原始地层压力Pe不断下降，直至最后达到Pwf.在油井持续生产过程中，储层中半径为rc处(图1中C)即为低渗透油藏的极限动用半径，在极限动用半径以外，驱替压力梯度小于启动压力梯度，储量无法动用.然而，油田实际开发时，要求在整个开采过程中，油井日产油量要始终大于油田规定的开井产量界限，即存在一个有效动用半径.在有效动用半径rb(图1中B)处，油井产量等于经济极限日产油量时的动用半径，而油藏开发井距应小于或等于2rb.

低渗透稠油油藏开采过程中，常采用酸化、酸压等储层近井改造的措施，来提高油井产量.储层改造措施的实施改变了地下渗流场，使得储量极限动用半径、有效动用半径都产生了不同的变化，进而对油藏开发井距的确定产生影响.

设油井实施近井改造措施的有效作用半径为rm(图1中M)，近井改造后储层流动能力的变化及影响如图2所示.

图2 近井改造后储层渗透率分布示意图

(1)油井实施近井改造措施后，近井储层渗透率增加；而随距井距离增加，储层渗透率逐渐减小到初始储层渗透率；

(2)油井实施近井改造措施后，近井储层启动压力梯度大幅度降低，甚至趋于零；而随距井距离增加，则逐渐增加到初始启动压力梯度；

(3)由于近井改造措施的有效作用半径rm一般较小，在这一范围内的渗透率、启动压力梯度大小，可以用有效作用半径内渗透率、启动压力梯度的平均值(面积加权平均)来等效；

(4)在有效作用半径rm内，储层渗透率为k1，启动压力梯度为G1，近井改造有效半径处压力为Pm；在有效作用半径rm外，储层渗透率为k2，启动压力梯度为G2；

(5)不同的近井改造措施，其作用半径和储层改造程度不同，使得油井在开采过程中，压力传播规律和储量动用半径都有不同的变化.

1.2 渗流方程及其基本解

对于上述衰竭开发的不稳定渗流过程，采用稳定逐次逼近的方法进行求解，即对于某一时刻，压力分布特征用稳态的方法来描述，非稳态过程用一系列不同的稳态过程来逼近.

1.2.1 渗流方程的建立

考虑近井改造、启动压力梯度影响时，在油井极限动用半径内，即驱替压力梯度始终大于启动压力梯度，流体的渗流方程组如下[10-13]：

第一部分，在近井改造有效半径以内.

(1)

第二部分，在近井改造有效半径以外.

(2)

考虑启动压力梯度的影响，渗流速度应满足：

(3)

其中:Pe为原始地层压力，MPa；Pwf为油井井底流压，MPa；Pm为近井改造作用半径处的压力，MPa；rw为井半径，m；re为给定的边界半径，m；rm为近井改造有效作用半径，m；k1为近井改造范围内渗透率，10-3μm2；k2为近井改造范围外渗透率，10-3μm2；h为有效厚度，m；μ为流体粘度，mPa·s.

在不同位置处，启动压力梯度表达式为：

(4)

其中:G1、G2为近井改造有效作用半径内、外的平均启动压力梯度，MPa/m.

1.2.2 压力分布及产量表达式

在近井改造范围的内、外边界处，压力、渗流速度相等，可得到考虑储层改造、启动压力梯度影响时，方程组(1)、(2)的解.

在近井改造有效半径以内，rw

(5)

(6)

在近井改造有效半径以外，rm≤r

(7)

(8)

则油井的产量公式为：

(9)

其中：k1、k2为近井改造有效作用半径内、外的平均渗透率，10-3μm2.

2 近井改造下油井的有效动用半径

2.1 油藏基本参数

LH油田属低渗透稠油油藏，油藏储层厚度较大、天然能量充足，在开发初期满足衰竭开发的条件.油藏基本参数如下：油藏原始地层压力为15.0 MPa；生产压差为10.0 MPa；储层原始渗透率为30×10-3μm2；储层有效厚度为60 m；原油粘度为100 mPa·s；由油井的日产收益等于油井日生产支出计算得到单井经济极限日产油量Qom为1.0 m3.

根据油藏实际特征和实验所测结果，在实例分析中，主要取值情况如下：主体区域流度为0.1～1.0(10-3μm2/mPa·s)，启动压力梯度为0.01～0.1 MPa/m.

基于公式(5)、(7)、(9)，研究储层改造措施实施前后，油井产量、动用半径变化规律，并确定不同条件下油藏有效开发井距.

2.2 措施实施前后产量变化分析

存在启动压力梯度条件下，考虑近井改造措施的影响，油井产量随动用半径的变化如图3所示.

储层改造后油井产量与改造前油井产量之比，称为产量增大倍数.在不同条件下，产量增大倍数随动用半径的变化如图4所示.

其中，储层改造有效作用半径rm=10 m；k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2；措施实施后，近井等效启动压力梯度降低到初始值0.01倍.

图3 油井产量与动用半径关系曲线

图4 改造后油井产量增大倍数 与动用半径关系

由图3、图4可以看出：

(1)在油藏衰竭开发过程中，随着压力波的不断传播，储量动用半径不断增大，而油井产量逐渐降低；在生产压差一定时，启动压力梯度越大，油井产量递减得越快，储量极限动用半径越小.

(2)储层改造措施实施后，油井产量有较大程度的提高；启动压力梯度越大，改造后的油井产量增大倍数越大.随着动用半径逐渐扩大，油井产量增大倍数是呈先增大后逐渐降低，在改造半径处(本图曲线的改造半径为10 m)达最大，之后油井产量增大倍数逐渐降低，但在接近极限动用半径附近时，曲线出现拐点.

(3)不同生产压差和启动压力梯度条件下，油井极限动用半径均有所不同；近井储层改造后，油井有效动用半径有较大幅度的提高，单井产量也在一定程度上增大.

2.3 油井储量动用半径变化分析

存在启动压力梯度条件下，油井储量动用半径与启动压力梯度变化关系如图5所示.

其中，储层改造有效作用半径rm=10 m，k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2；措施实施后，近井等效启动压力梯度降低到初始值0.01倍.

图5 储量动用半径与启动压力梯度关系

以储层改造前的极限动用半径为基准值，储层改造后极限、有效动用半径与这个基准值之比，称为动用半径的变化倍数.

不同条件下，动用半径变化倍数随启动压力梯度的变化如图6所示.

由图5、图6可以看出：

(1)低渗透稠油油藏中启动压力梯度的存在，大大增加了渗流阻力，缩小了储量能够有效动用的范围；启动压力梯度越大，油井极限动用半径、有效动用半径就越小.

(2)为保证油藏的经济极限开发效益，油藏储量有效动用半径rb要小于相同条件下的极限动用半径rc，未采取储层改造措施时，比值rb/rc一般在0.8左右；且随着启动压力梯度的增加rb/rc越来越大；

(3)在储层采取改造措施后，油井极限动用半径、有效动用半径都增大；而改造后的有效动用半径增大幅度更为明显，其动用半径变化倍数在0.9～1.0.

图6 不同启动压力梯度对动用 半径变化倍数的影响

由于极限动用半径的计算相对简单，实际油田开发中，为确定油藏的合理开发井距，可首先由驱替压力梯度和启动压力梯度求得储层的极限动用半径，再乘以系数0.9得到有效动用半径.

2.4 改造程度对动用范围的影响

设储层实施改造措施后，k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2，近井等效启动压力梯度降低到初始值0.01倍.则油井有效动用半径变化倍数，随储层改造有效作用半径的变化如图7所示.

图7 不同改造半径下油井有效动用半径变化

设储层实施改造措施后，有效作用半径rm=10 m，k1为初始渗透率的倍数，k2=30×10-3μm2，近井等效启动压力梯度降低到初始值0.01倍.则油井有效动用半径变化倍数，随近井渗透率增大倍数的变化如图8所示.

对比图7、图8可以看出：

(1)当确定近井渗透率的大小时，随着储层改造有效作用半径的增大，油井有效动用半径倍数初期呈快速增大的态势；而当储层改造有效作用半径超过5 m后，逐渐呈线性增大趋势.

(2)当确定储层改造有效作用半径时，随着储层改造近井渗透率、渗透率增大倍数的增大，油井有效动用半径初期呈快速增大的态势；而当近井渗透率增大倍数超过5时，油井有效动用半径增幅逐渐减缓，并趋于一定值.

(3)综合对比，在进行储层近井改造措施时，在保证近井储层渗透率有一定程度提高的前提下，应尽量提高储层改造的作用半径，这样就可以最大限度地提高油井的有效动用半径.

图8 不同改造程度下油井有效动用半径变化

3 结论

通过以上研究，可以得出以下结论：

(1)为确定低渗透稠油油藏的衰竭开发阶段和合理注采井距，要综合考虑油井储量的极限动用半径和有效动用半径的差别和变化特点.

(2)低渗透稠油油藏启动压力梯度的存在，主要影响了渗流阻力和压力波传播规律，使得单井能够有效动用的储量范围明显缩小；为保证油藏的经济极限开发效益，储量有效动用半径要小于相同条件下的极限动用半径，且储层未采取改造措施时，比值rb/rc一般在0.8左右.

(3)采取储层近井改造措施，可以改变储层地下渗流场分布，提高油井产量，在实际油藏开发中，应尽量增大储层改造的有效作用半径，来大幅度提高油井的有效动用半径.

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【责任编辑：陈 佳】

The effect of near wellbore stimulation on effective drainage radius in low-permeable heavy-oil reservoirs

CHEN Min-feng, CHEN Lu, WANG Zhao-qi, ZHANG Qi-chen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249， China)

High viscosity of crude oil and threshold pressure gradient are two major features of low-permeable heavy-oil reservoirs. Porous flow mechanism in low-permeable heavy-oil reservoirs is not in line with darcy flow because of the existence of threshold pressure gradient,and the effective drive of these reservoirs is constrained by a number of conditions.The near wellbore reservoir stimulation are effective measures to improve production and effective drainage volume. Based on characteristics of porous flow in low-permeable heavy-oil reservoirs,the unsteady flow drived by natural elastic energy was studied and the method of steady-state successive approach to unsteady-state solution was adopted to solve the flow equations which take into account the influence of threshold pressure gradient.Considering the effect of threshold pressure gradient and stimulation measures on near wellbore reservoir properties,a calculation method for drainage radius of low permeability reservoirs with threshold pressure gradient was presented,which satisfies daily oil production for well startup.Combining with the practical oil field,the change of production in oil well and its influencing factors were analyzed and the variations of limit drainage radius and effective drainage radius was studied under the condition of different near wellbore stimulation scale.The results indicate that the proper deployment of well pattern for low-permeable heavy-oil reservoirs depends on the determination of effective drive volume with considering engineering and economic factors.

low-permeable heavy-oil reservoirs； threshold pressure gradient； reservoir stimulation； limit drainage radius； effective drainage radius

2016-05-06

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB250905)

陈民锋(1971-)，男，河南清丰人，副研究员，博士，研究方向：油气田开发

1000-5811(2016)05-0103-06

TE348

A