断块油藏注N2 吞吐效果影响因素正交试验研究＊

2021-03-24胡世勇赵春兰谭保国徐冬梅

科技与创新 2021年4期

胡世勇，郭平，赵春兰，谭保国，徐冬梅

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都610500；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015）

SL 油田某实例井所在油藏属于断块油藏，地层具有一定倾角，控制面积小、储量低，开发过程中压力下降快、产量递减迅速，构造顶部剩余油波及较少。对于复杂断块构造、背斜和潜山构造形成的储层，通过单井注气吞吐可以免钻新井，注入气迅速补充地层能量，并发挥弹性膨胀、重力分异等作用，将地层高部位的残余油向地层下部驱替，从生产井采出，提高波及程度和采收率[1-2]。

目前现场注气吞吐实例中主要注入介质为CO2和N2。CO2的溶解降黏作用较好，易混相，但捕集成本高、具有腐蚀性[3-4]；而N2可压缩性强，密度低，溶解性较差，其膨胀作用和重力分异作用更明显[5-6]，两种介质具有不同的作用条件和效果。现有的注气吞吐效果影响因素的研究主要为优化注采参数，对油藏因素考虑较少[7-10]，本文以N2为注入介质，综合考虑了多种油藏因素和注采参数来分析其对注气吞吐效果的影响。

通过正交法选取有代表性的试验点，科学合理地安排典型性试验，可利用较少试验数量得到最优的试验结果[11-13]。本文选用正交法对影响注气吞吐效果的部分油藏因素与注采参数进行研究，以换油率为评价指标，通过极差法和方差法获得各因素的最优水平、最优组合、主次顺序及影响显著性，为注气吞吐影响因素的优化提供一定的理论参考。

1 基础模型建立

本文在实例油藏特征和研究目的的基础上，建立单井概念模型，地层倾角涉及到5°、10°和15°三种，平面上网格划分为X方向61 个网格，Y方向61 个网格，Z方向12 个网格，纵向上12 个层均为有效网格，在地层中央的生产井P 进行单井注气吞吐，其他参数如表1 所示。

表1 模拟区地层及流体基本参数

为分析不同油样类型对注气吞吐效果的影响，本文选用三种不同的油样，分别来自华北某油田和新疆某油田，三种油样的性质如表2 所示，油样1 较重，油样2 较轻，油样3最轻。

2 注N2吞吐影响参数正交试验设计

2.1 正交试验原理

在多因素优化试验中，正交试验法基于数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选典型试验点，通过正交表科学合理地安排试验，选择具有代表性的试验得到最优试验结果[14]。

正交试验过程包括试验安排和试验结果分析，可得到各个因素的重要程度以及各个因素对试验指标的影响程度[15]，分析出各因素在哪些水平的试验效果最佳，得到试验最优化方案，认清试验效果随各因素及其水平变化的规律和趋势，为参数优化提供参考。

表2 模拟区油样性质

在正交实验安排中，每个因素及其水平组成优选区，各个因素与各个水平的组合形成试验点，若所有试验点都进行试验则称之为全面实验。

以3 因素正交实验为例，其优选区可通过图1 中的立方体表示，3 个因素各选取3 个水平，因此在立方体中有27个点，对应正交实验的27 个试验点。若进行全面试验，3因素3 水平正交试验的试验数为33即27 个。利用正交表L9（34）从全面试验点中选取具有代表性的9 个试验点，即图1 中的空心点，这些试验点均衡地分布于立方体（优选区）中，代表性强，比较全面地反映出整体试验特征。

图1 3 因素3 水平正交实验均衡分散立体图

当因素或水平较多时试验数量庞大，不具备实际操作意义，因此依据上述方式，通过正交法设计正交实验，在所有试验点中选取有代表性的试验点，具有均衡分散和整齐可比的特点，可以在较少试验次数的条件下反映全面试验情况。

2.2 正交试验影响因素及其水平的确定

影响注气吞吐效果的因素主要有油藏因素和注采参数。油藏因素包括含油面积、油层厚度、地层倾角和渗透率等，注采参数包括注气速度和注入量、焖井时间、吞吐周期等。本文主要对含油面积、油层厚度、地层倾角、渗透率、油样类型、射开位置、焖井时间和注气速度这8 个因素进行注N2吞吐开发效果的敏感性分析。

本文仅考察上述8 个因素对注气吞吐效果的影响效果，每个因素含有3 个水平，不考察因素间的交互作用。利用上述正交实验设计原理，设计了L27（38）正交表，共包含27组正交试验，通过油藏数值模拟方法对27 套方案进行模拟。注N2吞吐正交试验的因素水平如表3 所示。

2.3 注N2吞吐正交试验方案及模拟结果

首先设置生产井定井底流压生产，当压力降到10 MPa时进行单井注气吞吐。各方案模拟期间注气量一致，注气吞吐1 个周期，以换油率为指标进行优选，其中各方案的总注气量均为8×104m3，换油率（t·t-1）为注气吞吐生产180 d时的增油量与注气量之比。正交实验设计方案和模拟结果如表4 所示。

表3 正交试验8因素3 水平表

表4 正交试验方案及模拟结果

2.4 试验结果分析

正交试验法的数据分析方法主要有两种，即极差分析法和方差分析法[16]，通过极差法可获得各因素的最优水平、最优组合及主次顺序，方差分析法是利用F检验来分析各因素对正交试验指标影响的显著性，并与极差法分析结果对比论证。

2.4.1 极差法结果分析

极差分析法中Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标之和，kjm为Kjm的平均值，由kjm的大小可以判断j因素的最优水平和各因素的最优组合，kjm最大的水平为该因素的最优水平。Rj为第j列因素的极差，即第j列因素各水平平均指标的最大值与最小值之差：

Rj反映了第j列因素的试验指标随水平变化而变动的幅度，Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此依据Rj的大小即可判断各因素影响程度的主次顺序。

方案包括8 个因素（分别编号A～H），每个因素3 个水平，共设计27 组正交试验。首先得到各因素各水平对应的试验指标平均值，再求得其极差值，通过极差分析法计算各因素的最优水平、最优组合及主次顺序，结果如表5 所示。

表5 正交试验结果极差法分析

由表5 中的极差值可知，各因素影响注气吞吐效果的主次顺序为：油样类型＞渗透率＞含油面积＞油层厚度＞地层倾角＞射开层位＞焖井时间＞注入速度。

最终确定注N2吞吐正交试验的最优水平和最优组合为：含油面积500 m×500 m，地层厚度18 m，地层倾角15°，渗透率300～3 000 mD，油样类型为最轻的油样3，射开层位为下部（9～12 层），注入速度1×104m3/d 和焖井时间15 d。

2.4.2 方差法结果分析

根据正交试验方案的数值模拟结果进行方差法分析，显著水平α定为0.10，查表可得F0.10（2，2）=9.0，将各因素的F值与F0.10（2，2）对比，分析结果如表6 所示。

结果显示，油样类型对于注N2吞吐效果的影响显著，渗透率、含油面积、油层厚度和地层倾角这些油藏因素影响不显著，相比之下，射开层位、注入速度和焖井时间这些注采参数的影响较小。油样类型和其他油藏参数对吞吐效果的影响程度比注采参数更显著，表明现场注氮气吞吐前要着重进行适用性评价。与极差法分析结果对比，两种方法的计算结果表明各因素对方案指标影响的主次顺序一致，证明了两种分析结果的合理性。