带隔板的韵律性砂岩底水油藏油水流动规律研究

2019-02-04宋惠馨张茂林薛军王贺张艺钟彭军唐雯

当代化工 2019年11期

宋惠馨张茂林薛军王贺张艺钟彭军唐雯

摘要：在韻律性砂岩底水油藏的开发过程中，随着地下原油的不断采出，由于油水密度差异，底水会向上运动，形成底水锥进，而隔板的存在有效地抑制底水锥进，影响油藏水驱特征，改善开发效果。沉积韵律是厚层砂岩体内部水淹分布规律的主要控制因素。隔板的类型及展布特征均会影响韵律性砂岩底水油藏底水锥进速度的快慢和油藏开发效果的好坏。以某油田9区韵律性砂岩底水油藏为参照，运用数值模拟方法建立了三维二相的黑油模型，研究了不同隔板尺寸大小、隔板位置及隔板渗透率对某油田9区韵律性砂岩底水油藏的影响。结果表明：隔板尺寸、隔板位置、隔板渗透率是影响韵律性砂岩油藏底水锥进速度、底水锥进形态及油藏采出程度的重要因素。

关键词：底水油藏;沉积韵律;隔板;底水锥进;数值模拟;影响因素

中图分类号：TE327 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）11-2608-06

Study on Oil-water Flow Law of Rhythmic Sandstone

Bottom Water Reservoirs With Partition

SONG Hui-xin¹， ZHANG Mao-lin²， XUE Jun¹， WANG He¹， ZHANG Yi-zong²， PENG Jun³， TANG Wen⁴

（1. College of Petroleum Engineering， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China;

2. Collaborative Innovation Center for Unconventional Oil and Gas， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China;

3. Jianghan Oilfield Branch Exploration and Development Research Institute， Hubei Wuhan 430073， China;

4. Southwest Oil and Gas Field Chongqing Gas Field， Chongqing 400021， China）

Abstract： In the development of rhythmic sandstone bottom water reservoirs， with the continuous extraction of underground crude oil， due to the difference of oil-water density， the bottom water will move upwards， forming bottom water coning， but the existence of the partition effectively can suppress the bottom water cone， affecting the characteristics of reservoir water flooding and improving development result. Sedimentary rhythm is the main controlling factor for controlling the distribution law of water flooding inside thick sand bodies. The type and distribution characteristics of the partitions will affect the speed of the bottom water coning of the rhythmic sandstone bottom water reservoir and the development effect of the reservoir. Based on the rhythmic sandstone bottom water reservoir in the 9th district of an oilfield， a three-dimensional two-phase black oil model was established by numerical simulation method. The effect of the size of the partition， the position of the partition and the permeability of the partition on the reservoir was studied. The results showed that the size of the baffle， the position of the baffle and the permeability of the baffle were important factors affecting the bottom water coning rate， the bottom water coning pattern and the recovery degree of the reservoir in the rhythmic sandstone reservoir.

Key words： bottom-water reservoir; sedimentary rhythm; partition; water coning; numerical simulation;influencing factors

经过多年开发，韵律性砂岩底水油藏锥进引起的高含水、低采出程度问题日益严重，而关于韵律性砂岩底水油藏油水开发的理论方法仍不完善，多因素共同影响油水流动规律，各因素具体影响程度难以确定，常规油藏工程方法预测难度较大。在多因素共同作用下，油水流动规律更加复杂，严重制约塔河油田碎屑岩底水油藏油水的合理开发水平，建立底水锥进的油藏工程表征方法，为类似的韵律性砂岩底水油藏制定合理的开发技术政策提供理论依据，依据已有的实践经验和数据总结韵律性砂岩底水油藏油水流动的规律。笔者运用统计学中的随机变量与分布函数方法结合实际地层渗透率级差和平均渗透率等参数，建立了砂岩底水油藏的正韵律、反韵律模型。

隔板主要是指在油藏开采过程中，阻碍油气流通、运移和聚集的条状地层，其具有低渗透或不渗透的特性。针对韵律性砂岩底水油藏开采规律和挖潜措施的研究仍然存在诸多问题，国内外并未对带隔板的韵律性砂岩底水油藏影响底水锥进的因素做出详尽分析。因此，作者运用数值模拟的研究方法，将隔板展布的机理模型作为依据，针对隔板大小，隔板位置和隔板渗透率对韵律性砂岩底水油藏的采出程度及底水锥进的影响进行了详细的分析。该模型模拟结果表示，隔板尺寸愈发大、当隔板位于油水界面与油井射孔底端之间时，隔板愈发的临近油井射孔底端或者隔板渗透能力愈发差，则对底水锥进的封堵能力愈发好，因此延缓油井见水时间、延长无水采收期，提高采收率、加强油藏开发效果^[1-5]。

1 韵律性油藏划分与描述

油藏渗透率的差异性体现出油藏地层的韵律性，沉积韵律是控制厚层砂体内部水淹分布规律的主要影响因素^[6]。根据沉积时的水体能量的条件和沉积环境的差异将其划分为以下4种基本类型：均质韵律厚层砂、正韵律厚层砂、反韵律厚层砂、复合韵律厚层砂。

比较各地层的物性和岩性可知，均质韵律层各性质不随深度变化，为均匀地层，水线均匀或略偏下推进，主要以中水淹和高水淹为主。在均质韵律中，普遍水淹厚度大，水驱效果良好，低水淹或未水淹较为罕见。正韵律层随深度增加，岩石粒度逐渐加粗，物性逐渐变好，水线偏下推进。推进效果主要表现为韵律底部高水淹，水驱效果较高;在中部和顶部，其岩性和物性较差，水淹多表现为中水淹和低水淹。反韵律层随深度增加，物性逐渐变差，砂体粒度变细，在重力和水驱的耦合作用下，水线略偏上推进。与正韵律相反，反韵律层多于渗透率较高的顶部形成高水淹，水驱效果高于中部和底部。正韵律与反韵律的联合作用地层称为复合韵律砂体，在不同韵律类型控制下，其内部的各种性质产生不连续变化，致使水线推进不规律。在复合地层中部，韵律多表现出均匀性，一般为中、高水淹，在地层底部和顶部多为低、未水淹^[7，8]。

2 夹层类型及展布特性

研究區目的层辫状河三角洲相沉积储层中以泥质夹层和钙质夹层为主。泥质夹层以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和含砂砾泥岩等作为主要岩石类型^[9]。钙质夹层以细砂岩为主要岩石类型，填隙物中几乎没有黏土杂质，钙质胶结物质量超过总质量的十分之一，胶结方式主要为两种，分别是孔隙式胶结和孔隙接触式胶结。

该研究区井数共有34口，其中都存在夹层。1号砂层组内部韵律段间夹层以钙质夹层为主要夹层，泥质夹层不发育;2号砂层组顶部以泥质夹层为主要夹层，钙质夹层不发育。根据夹层成因分析，得出泥质夹层主要发育两种夹层，分别为废弃河道泥岩夹层和心滩内夹层。河道改道后废弃形成的泥岩称为废弃河道泥岩，该泥岩水体能量减弱，由充填悬浮细粒沉积物构成，其展布与废弃河道的展布范围相关，在平面上大致呈现条带状。在形成洪水期洪峰波动的休水期，心滩顶部、顶部、背水面尾部垂向加积的细粒沉积物为落淤夹层，钙质夹层为落淤夹层发生的溶解于交代作用，黏土杂基向自生高岭石转变^[10-12]。

3 模型的建立

根据某油田9区韵律性砂岩底水油藏的实际地层提供的资料，将数值模拟的网格划分为56×35×25，共49 000个网格。水平x方向为56个网格，每个网格的取值10 m，水平y方向为35个网格，每个网格方向为10 m;垂向上共有25层，其中上面24层为油层，每层厚度0.5 m，最下面一层是底水层，厚度为5 m。

固定参数：只考虑一口水平井的情况，水平井位于油层顶部，水平井段长度为300 m;水平井地面产量50 m³/d的速度定量生产，水平渗透率与垂直渗透率比值为1.3，孔隙度为0.21。根据某油田9区三叠系下油组层内层间非均质参数统计数据（如表1所示）。

考虑实际情况将地层分为三个韵律层，对各韵律层的渗透率数据进行非均质参数计算，1号韵律层平均渗透率130×10^-3?m²，渗透率级差33;2号韵律层平均渗透率500×10^-3?m²，渗透率级差56;3号韵律层平均渗透率1 000×10^-3?m²，渗透率级差256。

遵循单一变量原则，控制唯一变量，排除其他因素的干扰和影响，从而验证唯一变量的作用。变量参数取值：隔板大小分别为200 m×100 m、300 m×200 m、400 m×300 m;隔板位置分别为水平井下部、避水高度中部、油水界面上部;隔板渗透率分别为0、0.1、1、10、50 md。机理模型储层及流体参数如表2所示。

运用数值模拟方法建立油藏模型时，各韵律层油藏中各层的渗透率情况，前人依据实际地层的渗透率级差、平均渗透率和渗透率突进系数等参数，采取固定范围手动取值的方法，虽然具有合理性，但具有主观因素，为了尊重实际地层的客观随机性，服从正态分布，笔者在取值时引用随机变量与分布函数的算法。利用了C语言中的Rand随机函数算法，根据实际地层的渗透率级差和平均渗透率参数，随机出3段合理可靠的韵律性砂岩底水油藏的正韵律，反韵律的数值，笔者认为此方法更加具有客观性和合理性。得出数据如表3、4所示。

下面通过Eclipse数值模拟软件方法分析隔板尺寸，隔板位置，隔板渗透率等不同因素对采出程度，含水率和时间的关系及对底水锥进水锥水脊形态的变化的影响规律进行分析。

4 不同因素影响因素分析

4.1 隔板大小影响因素分析

运用数值模拟方法，研究隔板尺寸对正、反韵律砂岩底水油藏水椎水脊形态，采出程度及含水率等开发动态指标的影响。

A.正韻律

模拟计算了正韵律砂岩底水油藏中隔板大小分别为200 m×100 m、300 m×200 m、400 m×300 m。得出正韵律情况下，不同隔板大小与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图1、2所示）。

B. 反韵律

模拟计算了反韵律油藏中人工隔板大小分别为200 m×100 m、300 m×200 m、400 m×300 m。根据数模结果，做出反韵律情况下不同隔板大小与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图3、4所示）。

隔板尺寸大小对正、反韵律性砂岩底水油藏油水流动影响显著。在正韵律砂岩底水油藏中，采出程度随着隔板尺寸的增大呈现增加趋势。在反韵律性砂岩底水油藏中，采出程度随着隔板尺寸的增大呈现增加趋势，并且趋势比正韵律砂岩底水油藏较为明显。

但并不是隔板越大，无水采出程度越高，见水越晚。分析认为，隔板尺寸较小时，水驱油波及面积小，隔板上部水锥形成较快，随着隔板尺寸增大，水体首先向上脊进并在隔板末端形成水脊，然后水脊向上突破油区，致使油井见水。这时，水会绕过隔板后继续脊进，但如果隔板太大，就会在隔板下面圈闭更多的原油，从而导致无水采出程度偏低。随着隔层尺寸的大小越来越大，隔层对底水的封堵作用也会越来越强，当隔板尺寸增加到一定程度时，底水对地层亏空体积和能量能力的填补将受到阻碍，因此降低了采收率的增加幅度;如果隔板尺寸持续增加，隔板将会彻底封堵住底水，底水会彻底丧失向上流动的能力，油藏的驱动方式也会从底水驱动转变为弹性驱动，由于驱替能量不足，将导致采收率的降低和无水采出程度的降低^[¹³^，^14]。

4.2 隔板位置影响因素分析

运用数值模拟方法，研究隔板位置对正、反韵律砂岩底水油藏水椎形态，采出程度及含水率等开发动态指标的影响。

A.正韵律

模拟计算了正韵律油藏中人工隔板位置分别为水平井下部，避水高度中部，油水界面上部。根据数模结果，做出正韵律情况下不同隔板位置与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图5、6所示）。

B.反韵律

模拟计算了反韵律油藏中隔板位置分别为水平井下部，避水高度中部，油水界面上部。根据数模结果，做出反韵律情况下不同隔板位置与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图7、8所示）。

隔板位置对于正、反韵律性砂岩底水油藏油水流动影响显著。在正、反韵律性砂岩底水油藏中，当且仅当隔板位于油水界面与油井射孔底端之间时，隔板才会对底水锥进起到抑制作用，进而提高底水油藏的开发效果。当隔板位于避水高度中部时，无水采油期最长，隔板在油水界面越近，无水采油期越短。因为当隔板距油水界面越近时，此时底水驱替将类似边水驱替，水很容易绕过隔板并由于重力分异作用在隔板上方形成新的底水层。这样，当水在井底突破时，油层中还有大量油区没有被波及，无水采出程度不高^[^15]。

4.3 隔板渗透率影响因素分析

运用数值模拟方法，研究隔板位置对正、反韵律砂岩底水油藏水椎形态，采出程度及含水率等开发动态指标的影响。

A.正韵律

模拟计算了正韵律油藏中隔板渗透率分别为0、0.1、1、10、50 md。根据数模结果，得到正韵律情况下不同隔板渗透率与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图9、10所示）。

B.反韵律

模拟计算了反韵律油藏中采油速度分别为0、0.1、1、10、50 md。根据数模结果，得到反韵律情况下不同隔板渗透率与采出程度、含水率和时间的关系曲线和底水锥进水锥水脊动态图（如图11、12所示）。

不同隔板渗透力对正、反韵律砂岩底水油藏的采出程度和油水流动影响显著。

针对不同的隔板渗透率对底水锥进抑制程度有显著的不同，当隔板渗透率为0时，因为底水绕流，所以无法驱替隔层下伏、上覆原油，因此形成“屋檐油”和“屋顶油”;然而在弱渗透隔板中，底水可缓慢浸透隔板，可以有效驱替隔板周围附近区域的原油，促进采收率的提高。因此，具有弱渗透能力的隔板在一定程度上可以减轻底水锥进速度，与此同时，也可以有效运用底水驱替出原油，增加无水采油期。当隔板渗透率达到50 md时，无水采油期明显缩短。因此随着隔板渗透能力的增加，无水采油期越来越短^[16]。

5 结束语

隔板因素影响了正、反韵律砂岩底水油藏油水流动规律，控制了采出程度的高低和底水锥进的流动形态。隔板大小、位置及渗透率在正、反两种韵律情况下，采出程度随着隔板尺寸的增大呈现增加趋势，并且趋势比正韵律砂岩底水油藏较为明显。但并不是隔板越大，无水采出程度越高，见水越晚。如隔板尺寸过大，隔板将会彻底封堵住底水，底水彻底丧失向上流动的能力，油藏的驱动方式从底水驱动变为弹性驱动，从而导致驱替能量将不足，采收率将降低，无水采收期缩短。射孔段底部与油水界面之间的隔板对底水有明显的阻隔作用，油水界面处的次之，油水界面下的隔板基本不起阻隔作用。因此在设计射孔段时，尽量在射孔段底部到油水界面之间的位置至少要留一个隔板，以利于抑制底水锥进。隔板的渗透性越差，其对底水锥进的抑制作用越好。当隔板具有弱渗透能力时，在一定程度上能减轻底水锥进的速度，与此同时，也可以有效运用底水驱替出原油，增加无水采油期。

参考文献：

[1]喻高明，凌建军，蒋明煊. 砂岩底水油藏锥进影响因素研究[J]. 石油天然气学报，1996， 18 （3）：59-62.

[2]喻高明，凌建军，蒋明煊，等. 砂岩底水油藏开采机理及开法策略[J]. 石油学报，1997， 18 （2）：61-65.

[3]高长旺，李春娟，王玉龙，等. 底水油藏水平井见水规律研究[J].化学工程与装备，2016 （8）：163-166.

[4]宋辉辉. 底水油藏开采规律及挖潜措施研究[D]. 北京：中國石油大学，2007.

[5]Ozkan E， Raghavan R. Performance of horizontal wells subject to bottom water drive[R]. SPE18559，1990.

[6]包然. 非均质油藏开发规律研究[J]. 化工管理，2017 （19）：212.

[7]李雪英，王凤来，文慧俭，等. 不同沉积韵律的厚层砂体水淹级别精细划分[J]. 东北石油大学学报，2013， 37 （4）：110-116.

[8]文慧俭，李雪英，王盛强，等. 基于解释单元划分的多曲线联合确定地层原始沉积韵律[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2013， 43 （1）：299-305.

[9]贺婷婷，段太忠，赵磊，等. 塔河油田九区三叠纪下油组夹层识别及分布规律[J]. 东北石油大学学报，2017， 41 （6）.

[10]郭越，唐海，舒杰，等. 夹层对底层油藏采收率影响定量研究[J].油气藏评价与开发，2017， 7 （3）：23-49.

[11]傅宣豪，喻高明，葛婧楠. 塔河底水砂岩油藏夹层对剩余油的影响分析[J]. 能源与环保，2017， 39 （10）：199-203.