气顶油藏屏障注水数值模拟

刘 佳,程林松,范子菲,黄世军,宋 珩,赵 伦

(1．中海油研究总院，北京 100028；2.中国石油大学 石油工程学院,北京 102249；3.中国石油勘探开发研究院,北京 100083)

气顶和油区是一个统一的水动力系统，投入开发前，它们处在一种压力平衡状态，开发后，任何一方压力变化都将影响到另一方[1]。天然气窜入油区后，对天然气自身的采收率没有太大影响，而油井产量将下降，严重时只出气不出油，影响油井稳产。原油侵入气顶后会造成巨大的浪费，原油的采收率要受到影响[2-3]。所以开采气顶油藏最核心的问题是采用最经济有效的方法获得最大的气顶和油环的采出程度[4-5]。其中向油藏中注水保持能量开采是一种较为传统的方法；但当注水井位于油环内时，注入水推动原油向气顶方向运移，导致油气界面上升,使原油进入含气层,大量原油被吸附在孔隙表面而滞留在油层内,造成大量损失[6]。在此方法上，将注水井钻于油水界面附近，此时水和气混合驱替油环，具有较好的驱替效果；同时注入水可以保持油气界面相对平衡[7-8]，并将油环和气顶分隔，提高油藏开发效果[9-10]。此开发方式称为屏障注水，该方法适用于地层倾角较小的油藏[11]，并已被证实是一种提高气顶油藏开发效果的有效方法。W.Deboni和M.B.Field[12]通过数值模拟手段研究了加拿大Kaybob South油田屏障注水开发方式，研究结果表明，该方式可以在气顶和油区之间建立一道合适的水墙，并提高采油率达10%以上。哈萨克斯坦让纳若尔气顶油藏采用在油气界面附近屏障注水，封隔油气区，先开发油环，后期开发气顶或在水障形成后油气同采的方式进行开发[13]，生产实践证明，实施屏障注水后，气顶气扩散有所控制。T.C.Billiter等[14]系统地介绍了屏障注水开采方式，并通过数值模拟对比了不同开发方案(衰竭开采、面积注水开采、屏障注水开采、气顶油环同时开采并屏障注水开发)的开发效果，证明了在油气界面处注水可以取得较好的开发效果。但屏障注水形成过程，及屏障注水在地层中的运移规律目前研究较少。本文通过油藏数值模拟方法，对屏障注水运移规律、屏障注水作用机理进行深入分析，并优化屏障注水井位置、屏障注采比等重要参数。

1 实验模型建立

根据国外某典型气顶油藏储层特征,建立理想地质模型(图1)，其中红色代表气顶，绿色代表油环。地质模型中储层和流体的特性参数取自该油藏的实际数据。地层原油和地层水的黏度分别为0.6 mPa·s和0.6 mPa·s,原始地层压力为20 MPa,地层有效厚度为80 m,孔隙度为13%，渗透率为54.5×10-3μm2。采用网格为35×250×8,网格步长dx、dy、dz均为10 m。气顶孔隙体积为油环孔隙体积的3.13倍。

图1 油藏数值模型示意图Fig.1 Schematic diagram demonstrating the numerical model of oil reservoir

2 屏障注水提高油藏开发效果机理

分别从屏障注水运移规律、运移形态以及油井生产效果进行深入分析，明确屏障注水提高油藏开发效果的机理。

2.1 屏障注水运移规律

屏障水注入地层后，需要一定的时间形成隔障。通过油藏数值模拟方法，研究采油速度为0.7%、采气速度为4%、屏障注采比为0.5时屏障注水形成过程，分析屏障形成前和屏障形成后屏障注水运移规律。

2.1.1 屏障形成前

如图2所示，屏障水注入地层后，由于油区与气区互相连通，屏障水以径向流的运移规律向气顶和油环流动，分别补充油区与气区地层能量，延长油藏开发时间，提高油藏开发效果。当注入水将气顶与油环完全隔离后，屏障形成。图中红色代表气顶，绿色代表油环，蓝色代表屏障水。

2.1.2 屏障形成后

当屏障形成后，屏障切断油区与气区的连通通道(油气界面)，将气顶油环分为一个大气顶小油环油藏与小气顶大油环油藏。其中屏障注水则相当于2个“油藏”的能量供给源，并根据采油速度与采气速度的大小向2个“油藏”以不同速度运移(图3)。由于气顶采气速度大，压力下降速度快，注入水向气区运移速度快。

2.2 屏障注水补充地层能量

采油速度为0.7%、采气速度为4%时，对比屏障注水与衰竭开采2种开发方式下地层压力变化规律以及气顶油藏开发效果，其中屏障注水注采比为0.5。实施屏障注水后，地层压力下降变缓，整个气顶和油环获得更长的开发时间(图4)。

故随着生产年限的适当延长， 气顶采出程度大幅度提高，油环采出程度也有适当提升，从而使得整个油气当量大范围提高，有效提高了气顶油环的开发效果(图5)。

图2 屏障形成前屏障注水运移过程Fig.2 Migration process of barrier waterflooding before the formation of barrier

图3 屏障形成后屏障注水运移过程Fig.3 Migration process of barrier waterflooding after the formation of barrier

图4 屏障注水与衰竭开采时压力曲线对比Fig.4 Diagram showing relation of pressure curve between barrier waterflooding and depletion development

2.3 实现气区油区独立开发

无屏障注水时，气顶与油环通过油气界面连通，气区与油区任何一方的压力变化都将导致油气界面运移，从而造成气侵或油侵，均对油藏的开发效果造成巨大影响。采取屏障注水方式后，屏障将气区与油区隔离，从图6中所述的流线场中可以看到，气顶与油环之间无流线连通，均通过屏障井向气区和油区补充能量， 实现了气区与油区的独立开发，油气界面转变为油水界面和气水界面，有效防止油气互窜现象。

图5 屏障注水与衰竭开采采出程度对比Fig.5 Correlation of recovery reserves for barrier waterflooding and depletion development

但由于油水具有一定的密度差，当地层倾角较大时，水在重力分异的作用下将快速运移至油环底部，则无法实现屏障的目的，故该方法仅适用于倾角较小的地层。

2.4 降低油井生产油气比

屏障注水注入地层后，补充地层能量，压力下降速度减慢，气顶膨胀能被有效抑制，油气界面运移速度减慢，油井见气时间延缓。图7为采气速度为2%时，屏障注水与衰竭开采时的油井生产油气比曲线。从图中可以看到，具有屏障注水的油井见气时间晚；同时，油井见气后，具有屏障注水的油井生产油气比小，提高油井开发效果。由于采气速度大，屏障注水量多，屏障易形成，且屏障形成后，油井则相当于开发一个小气顶油藏，气顶指数小，气顶膨胀能大幅度减弱，油井见气后油井生产油气下降，进一步提高油井开发效果。

图6 不同开采方式下流体流线分布图Fig.6 Diagram showing the distribution of fluid flow line under different development methods

图7 采气速度2%时油井生产油气比曲线Fig.7 Curve of gas-oil ratio for well production at different gas recovery rates

3 屏障注水开发方式优化

气顶油环在进行屏障注水时，屏障注水井位置和注采比大小会对油气界面运移规律和油井见水/气时间有一定影响，为了达到最佳的开发效果，有必要对影响屏障注水的屏障注水井的位置进行分析和优化。为了方便分析和绘图，定义了R值作为屏障井相对位置的衡量指标。其中R值等于屏障井距离原始外油气界面的距离与原始内外油气界面距离之比。

首先从油侵损失角度对屏障井的合理位置进行探讨。注采比一定的情况下，当屏障井位于油区附近或者油气过渡带上时，屏障注水除补充油环亏空体积外，还会将部分原油推向气区，侵入气顶的原油部分以残余油的形式存在于地层中，无法采出。当屏障井位置位于内油气边界附近时，油侵损失最少(图8)。从油侵损失量的角度考虑，屏障井位于内油气界面附近效果最佳。

图8 屏障井不同位置时油侵损失示意图Fig.8 Schematic diagram showing oil immersion loss for barrier well in different positions

以采油速度0.7%、采气速度1.0%为例，分别模拟屏障井不同位置、不同注采比下气顶油环开发效果，从累产油气当量角度分析屏障井的最优位置，图9为屏障井位置与油气当量采出程度的关系曲线。

图9 屏障井位置与油气当量采出程度的关系曲线Fig.9 Diagram showing the relation between positions of barrier well and recovery percent of reserves for oil-gas equivalent

从图9可以看出，同一注采比进行屏障注水时，总存在一个最优的屏障注水位置，使得油气当量的开发效果达到最好；且当注采比在一定范围内增加时，最优屏障井位置逐渐向里移动，并最终稳定在R=2/3的位置上。

当注采比较小时，注入水形成屏障需要较长时间，很难短时间内形成有效屏障。此时屏障井应打在靠近外油气界面的位置，主要用于补充油环地层能量，抑制气顶膨胀能，减缓油气界面运移速度。随着注采比增加，屏障注水形成的能力不断加强，屏障形成时间早于油井见气时间；同时，注水量过大会导致油井过快见水，开发效果受限，故此时屏障井位置应适当向气顶方向移动。如图9所示，注采比为0.2、0.3、0.4时，屏障井最优位置R分别等于1/5、2/5、2/3；但为了避免屏障形成后油环区域再次形成一个大气顶，造成油井再次发生气窜，减弱屏障井作用，故屏障井不宜离油环太远，当注采比为0.6和0.8时，屏障井最优位置R=2/3。

4 结 论

a.分别从屏障形成前和屏障形成后探讨屏障注入水运移规律，当屏障形成前，屏障注入水以径向流的运移规律向气顶和油环流动，分别补充油区与气区地层能量。当屏障形成后，屏障切断油区与气区的连通通道，将气顶油环分为一个大气顶小油环油藏与小气顶大油环油藏，屏障为2个“油藏”提供能量，并根据采油速度与采气速度的大小向2个“油藏”以不同速度运移。

b.形成了气顶油环屏障注水开发机理：屏障注水可以及时补充地层能量，地层压力下降变缓，延长开发年限；屏障注水可以隔离气顶和油环，实现气顶油环单独开采，防止油气互窜；屏障注水有效抑制了气顶膨胀能，使得油井见气后生产油气比处于较低的水平，提高油井开发效果。

c.随着屏障注水注采比的增加，屏障井最优位置逐渐向气顶方向移动，并最终稳定在外油气界面以内整个油气过渡带2/3长度的位置。