烟道气稳定重力驱油藏筛选评价方法及应用

施小荣，蒋雪峰，陈 凤，吕世瑶，何乃祥，刘灵灵

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000；2.克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834000；3.中国石化胜利油田分公司技术检测中心，山东东营257000）

新疆油田稠油资源丰富，但稠油油藏在热采过程中产生了大量的烟道气，如果不处理产生的烟道气，将严重影响当地的生态环境。根据新疆油田的资源现状，在这些烟道气源附近，存在大量的高倾角、厚层块状油藏，这类油藏采用常规水驱开发方式，面临低产、低效、难动用等困境，迫切需要找到大幅度提高油田采收率的新途径，实现开发方式的更新换代。如果稠油热采产生的烟道气可以用于附近的低渗透油藏开发，不但可以大幅度提高原油采收率，还可以降低温室气体排放，保护生态环境。因此，研究新疆油田烟道气驱油的可行性具有重要的经济意义和社会意义。

由于烟道气的成分以氮气为主，含有部分二氧化碳和其他气体，其驱油机理主要与氮气的驱油机理相似，同时也兼有二氧化碳驱油的部分机理，包括增溶作用、降黏作用、重力分异作用、混相抽提效应、增强岩石渗透作用以及强化蒸馏作用等［1-3］。美国从20世纪60年代开始到90年代初的近30 a内，陆续在10余个油藏中开展了烟道气驱的矿场试验［4-6］，这些油藏涵盖高倾角油藏、“阁楼”油藏、稠油-超稠油油藏、低渗透油藏、轻质高含水油藏和水敏性油藏等类型，主要采用的注入方式包括稳定重力驱、烟道气推动易混相气体（烃气、二氧化碳等）段塞驱、水+烟道气交替注入、蒸汽转连续（或段塞）烟道气驱、注水转烟道气吞吐等，直接连续注烟道气的方式很少采用。从实施效果来看，高倾角油藏或者“阁楼”油藏进行稳定重力驱是烟道气驱应用最多且最易成功的驱油方式，如伊莱茵油田、伊比利亚油田、东哈克伯里油田、西哈克伯里油田、豪金斯油田和ELK油田等都取得了较好的烟道气稳定重力驱油效果。浅层油藏进行烟道气驱（吞吐）也具有明显优势。另外，稠油油藏实施烟道气辅助蒸汽驱技术、烟道气-蒸汽混注吞吐技术等也取得了较好的现场效果，中国辽河油田锦州采油厂在欢17区块、锦45断块和锦7断块等均取得不同程度的应用效果。但对于其他类型油藏，现场应用效果不佳。

根据中外烟道气驱现场试验的经验和教训，将烟道气稳定重力驱（FGAGD）作为主要的开发方式进行目标油藏筛选。首先，基于国外气体辅助稳定重力驱（GAGD）油藏实例分析，确定油藏筛选评价指标，并建立油藏筛选评价方法，通过已实施的现场实例验证所建方法的可靠性；然后，利用提出的评价指标和方法，对新疆油田红153井区油藏烟道气稳定重力驱的可行性进行论证，评价结果表明该区块具备技术实施潜力。新疆油田分公司于2017年12月在该区块开展了烟道气稳定重力驱矿场试验，取得了较好的应用效果。

1 油藏筛选评价方法

1.1 国外气体辅助稳定重力驱现场实施经验

气体辅助稳定重力驱技术主要是利用油气重力分异性质，在油藏顶部注气，形成人工气顶，向下驱替原油流入生产井（图1）。GAGD技术相比传统高角度重力驱，优点在于顶部垂直井稳定注气，底部水平井稳定采油。

图1 GAGD概念模型（据RAO等［7］修改）Fig.1 Schematic of GAGD（revised according to RAO et al［7］）

美国开展了大量的GAGD现场试验，所注入气体介质包括空气、氮气、烃类气体和二氧化碳气等，这些应用实例的参数如表1所示［8］。表1中的矿场实例应用效果表明，GAGD技术的应用效果优于现场常用的气驱开采技术，如连续注气（CGI）技术、水气交替驱（WAG）技术及二者混合驱技术，并且GAGD技术所需驱替气量最小，驱替体积几乎为100%，矿场采收率可达到64.1%～95.5%。

从这些实例可以总结出GAGD技术的5个重要应用条件包括：①实例中包含碎屑岩油藏和碳酸盐岩油藏，说明碎屑岩油藏和碳酸盐岩油藏均适合，且构造起伏越大，应用效果越好。②实例油藏地层原油黏度为0.43～370 mPa·s，说明适合凝析、轻质、中质甚至部分重质油藏［9］，但要求地层原油黏度小于370 mPa·s。③采油方式上，实例证明二次采油和三次采油均可，但前者应用效果更明显，提高采收率幅度更大。④如果采油速度控制适当，对油藏非均质性（甚至油藏内部存在高角度裂缝）不敏感，甚至还会对开发效果产生积极影响［10］，这一点特别适合中国陆相油藏强非均质性的特点。⑤渗透率为10～6 000 mD的油藏均有成功案例。因此该技术对油藏的渗透率没有过高要求，能够适用于特低渗透油藏。

表1 美国实施GAGD开发油藏特征参数Table1 A brief list of characteristic parameters of GAGD reservoirs in the United States

1.2 筛选评价指标及标准

烟道气稳定重力驱技术原理与其他气体辅助稳定重力驱原理相似，由于其烟道气的主要成分是氮气和二氧化碳，所以FGAGD的技术原理基本等同于氮气、二氧化碳或空气辅助稳定重力驱的技术原理。因此，可借鉴上述GAGD技术的应用条件，结合新疆油田的实际来确定烟道气稳定重力驱的油藏筛选评价指标。

将筛选评价指标按重要性分为必要指标和重要指标2级。必要指标是烟道气稳定重力驱油藏必须满足的条件，有一条不满足，该油藏就不具备实施FGAGD技术的条件，如断裂封闭性［11-12］和井况［13］等。重要指标主要代表烟道气稳定重力驱油藏筛选的重要条件，会较大程度地影响烟道气驱的开发效果，当然，如果某一条件不具备，但其他条件较好时，也可能会取得较好的开发效果，即这些条件虽重要但可替代。必要指标包括油藏封闭性、经济可行性、井况及注采系统。具体参数为：盖层泥岩厚度大于20 m，控藏断裂封闭性较好；与气源距离小于50 km，石油地质储量规模大于1 000×104t；井网较为完善，井况良好［6］。重要指标包括油藏埋深、含油饱和度、地面原油密度、油藏跨度与倾角及地层原油黏度。具体参数为：油层埋深大于1 372 m（Hawkins油田现场经验［8］），含油饱和度大于40%［6］，地面原油密度小于0.91 g/cm3（Hawkins油田现场经验［8］），当地层倾角大于20°，无其他要求（美国路易斯安那州West Hackberry油藏现场经验［8］），当地层倾角小于20°，油藏跨度应大于69 m（美国得克萨斯州Hawks Dexter油藏现场经验［8］），地层原油黏度应小于370 mPa·s（Hawkins油田现场经验［8］）。

1.3 筛选评价方法

在评价某一特定油藏开展烟道气稳定重力驱的可行性时，若仅具备以上指标中的部分指标，其他指标不能满足要求，就难以给出最终的可行性论证结论。为解决这一困难，将待评价油藏进行客观的综合定量评价，需要将表1中的条件做定量化处理。提出烟道气稳定重力驱油藏筛选指数，其计算公式为：

参数T的具体计算方法为：若地层倾角大于20°，则 T=(α -20)/100；若地层倾角小于 20°，则T=(Ho-69)/100。

将待评价油藏的基础参数代入（1）式，计算YQZS值。若YQZS＞0，说明该油藏具备实施烟道气稳定重力驱的技术条件，并且YQZS值越大，烟道气稳定重力驱的开发效果越好；若YQZS≤0，则说明该油藏在技术上不适合开展烟道气稳定重力驱。方法适用条件为：Hm＞20 m，Z＞1（至少有一套完整注采系统），G＞1×107t，L＜50 km。

YQZS评价方法的建立采取各参数重要程度不同则权重方法不同的原则，必要参数设定边界值，不满足必要边界值时则整个YQZS评价参数分子或分母会表现为负数，在具体定量化方面，盖层泥岩厚度、井网完善程度、油藏规模、油藏剩余油饱和度、油层埋深和油藏倾角为正相关参数，气源距离和地层原油黏度为负相关参数；在方法构建上，正相关参数作为分子，负相关参数作为分母，由于各个参数数量级不同，故取值时以统一到线性的个位为原则。

1.4 评价方法可靠性验证

利用表1中油藏对该方法进行评价，具体计算结果和单井日增油量数据见表2。表2中YQZS值与单井日增油量之间呈正相关关系，烟道气稳定重力气驱油藏筛选指数越大，单井日增油量越高，油藏开发效果越好；相反，稳定重力气驱油藏筛选指数越小，单井日增油量越低，油藏开发效果越差。如烟道气稳定重力驱现场试验不成功的Weir和Bay t.Elaine油藏，YQZS值小于0，为-3.43和-1.45，生产井几乎没有增产迹象。这些实例说明，采用所建烟道气重力气驱油藏筛选评价方法，能够较好地评价油藏是否具备实施烟道气稳定重力驱的可行性。

表2 烟道气稳定重力驱油藏筛选指数与开发效果对比结果Table2 Comparison between selection index and development results of different oil reservoirs with FGAGD

2 红153油藏烟道气重力驱可行性评价及效果

从2012年开始，在准噶尔盆地西北缘地区发现了大量厚层、低孔低渗透油藏，其中，红153井区二叠系夏子街组油藏（简称红153油藏）是这类油藏的典型代表。笔者以该油藏为例，分析厚层低渗透油藏是否具备烟道气稳定重力驱的可行性。

2.1 可行性评价

必要指标 新疆油田正在推广稠油油藏的火驱采油技术，预计2018年因采用火驱产生的烟道气日产量将达210×104m3/d。火驱过程中所产生的烟道气主要成分为76%左右的氮气、15%左右的二氧化碳气和5%左右烃类气体。因此，气源条件充足、气体组分适宜。红153油藏地处火驱气源地东南部，直线距离仅为20 km，符合气源距离小于50 km的要求。近距离的烟道气源条件，将大大降低烟道气驱的采油成本。红153油藏于2016年投入开发，注采井网完善，井况好，耐腐蚀性强，符合烟道气驱的工程条件。

重要指标 红153油藏顶界构造形态为一东南倾的鼻状构造，中、东部构造平缓，西部红157井附近构造变陡，断块内部小断裂发育（图2），地层倾角为3°～7°。尽管地层倾角不大，但油藏纵向跨度大，平均跨度为373 m，为特低渗透巨厚块状油藏，且油藏内部发育大量裂缝，具有较好的纵向连通性，有利于实现稳定重力驱。

红153油藏为典型的“剥蚀残凹”所形成的断层-地层油藏，剖面上呈残余的、不连续的“楔型”展布（图3）。红153控藏断裂属挤压闭合断裂，封闭性好，盖层泥岩厚度为75 m，油藏原始地层压力系数超过1.2，良好的封闭条件有利于次生气顶的形成，较适合开展烟道气稳定重力驱。

红153油藏物性较差，平均孔隙度为6.1%，成像测井显示为高导缝特征，张开缝发育良好［14］。常规水驱无法实现经济有效开发，油藏平均埋深为3 000 m，剩余油饱和度为51%，平均地面原油密度为 0.833 g/cm3，地层原油黏度为 6.12 mPa·s。油藏的规模和基础性质均符合烟道气驱条件。采用FGAGD技术可提高这类低渗透油藏采收率。该油藏属于开发初期，探明石油地质储量为2 300×104t，截至2017年6月，累积产油量为27.05×104t，采出程度仅为1.2%，有较大开发潜力。

油藏筛选指数 将红153油藏实际参数代入（1）式，计算得到YQZS值为9.39，说明该油藏开展烟道气稳定重力驱在技术上是可行的。

2.2 现场应用效果

根据烟道气稳定重力驱油藏可行性论证结果，新疆油田分公司于2017年12月，在红153井区开展了FGAGD技术现场试验。

现场试验方案 优选位于油藏高部位的红153井作为注气井，红153井距油藏顶部75 m，距周围生产井的生产层段存在75～150 m的避射高度，且该井与高部位主体张裂缝发育区的连通情况较好。根据国外现场开采试验，同时考虑生产需求和油藏高吸气特性，设计试验区单井注气速度为0.6×104～4.8×104m3/d。油藏原始地层压力为36 MPa，试验前地层压力为27 MPa，油层的破裂压力为54.6 MPa。根据经验公式对井底压力进行预测，按最大注气量为12 000 Nm3/d计算，注气压力约为24.8 MPa，预计实际注气压力为24.8～35 MPa，最大注气压力为46.1 MPa。

试验效果 采用变流量注气，实施烟道气驱后，平均日注气量由6 000 m3/d逐渐提高到48 000 m3/d，实验井组套压由0.6 MPa逐渐升高到1.7 MPa，油压由0.7 MPa逐渐升高到0.9 MPa，实验井组单井日产油量由9.5 t/d提高到20.3 t/d（图4），增油效果十分显著。

现场试验效果表明，利用所建立的烟道气稳定重力驱油藏筛选评价方法，对红153井区二叠系夏子街组油藏开展的可行性论证结果符合客观实际，是科学有效的。现场实验证实，该方法在新疆油田厚层低渗透砂砾岩储层烟道气重力驱油藏筛选中具有很好的应用前景，可以在后期烟道气驱油藏筛选和评价过程中广泛应用。

图2 红153油藏二叠系夏子街组顶部构造Fig.2 Top structural map of P2x in Well Hong153 area

图3 红153油藏地层分布特征示意Fig.3 Characteristic Diagram of Stratum Distribution in Hong153 Reservoir

图4 红153井注气量及烟道气驱实验井组压力和产油量变化关系Fig.4 Relationship between gas injection rate of Well Hong153 and pressure and oil production in experimental well group of flue gas drive

3 结论

利用烟道气进行稳定重力驱是较为成功的一种油田开发方式。新疆油田在稠油热采过程中产生了大量烟道气，气源附近存在大量高倾角、厚层块状油藏，这类油藏实施烟道气稳定重力驱对大幅度提高原油采收率和温室气体减排均具有重要意义。

基于国外稳定重力驱的现场试验经验，结合新疆油田的资源现状，按重要性分级提出烟道气稳定重力驱油藏筛选评价指标及标准，建立油藏筛选评价方法，并通过现场实例验证了方法的可靠性。

利用所建方法，对新疆油田红153油藏开展烟道气稳定重力驱进行了可行性论证，结果表明该区块实施烟道气稳定重力驱在技术上是可行的。目前现场已开展顶部注气实验，实验井组见到了显著的增油效果，证实所论证结果是正确的。

符号解释

YQZS——烟道气稳定重力驱油藏筛选指数；Hm——盖层泥岩厚度，m；Z——完善注采井网单元因子，f；G——油藏规模（地质储量），107t；So——油藏剩余油饱和度，f；H——油层埋深，km；T——地层倾角可行性参数，f；L——气源距离，km；μo——地层原油黏度，mPa·s；α——地层倾角，（°）；Ho——油层厚度，m。