低渗透油藏精细注水产量劈分方法及应用——以安塞油田化108区块为例

田亚飞,乐 平,席家辉,刘万涛,王庆利,张 梨

(1．西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500;2．中国石油长庆油田分公司,陕西西安 710018 )

产量劈分是利用生产井或注水井的井口液量总值,按照一定分割方法,来确定井底处各个小层的对应生产井段中的分流量值。国内外的众多学者研究发现,影响产量劈分结果的因素较多,这些影响因素主要分为三类[1-4]:①地质因素:指与地质特征和油藏状况相关的影响因素,其中层段渗透率是主要地质因素之一;②人为因素:是指人为介入或干扰而产生的因素,如注采井距、注采井位等;③综合因素:是在注水井及其周围连通的生产井的特征因素综合作用条件下所产生的因素。本文主要考虑储量特征、开发特征和地质特征相关参数,即油层厚度、孔隙度、含油饱和度、渗透率、层间干扰系数、油层中深压力、沉积微相、砂层含量、储层密度和储层中深等参数对产量劈分系数的影响。

科学合理的油井产量劈分是各层动态分析、开发效果评价和剩余油研究的基础,有利于提高多层非均质油藏开发的生产效率。因此,为了确定安塞油田化108区块各小层的油气产出量、总储量的动用情况及井的主要产层,需运用产量劈分方法对该区块的产量进行合理劈分。

1 区块概况

安塞油田化108区块属于典型的三角洲平原沉积,以辫状河沉积为主,发育构造-岩性油藏。孔隙类型以粒间孔为主,次为长石溶孔、岩屑溶孔等,孔隙度主要为12%～14%,渗透率主要为1×10-3～5×10-3μm2,含水率85%以上,储层孔渗性能差、孔喉分选差、非均质性较强。

区内目标储层以长2油层组为主,自上而下划分为长21、长22、长23三个亚油层组,其中长21亚油层组可依据短期旋回性和地层厚度特征,自上而下进一步划分为长211、长212、长213三个小层。本文主要以长213小层为研究对象,又将长213小层细分为长213-1、长213-2、长213-3三个储层单元。其储层砂岩以细粒-中粒长石砂岩为主,最主要的填隙物为绿泥石。砂岩碎屑物主要为细砂级,细砂平均含量为66.26%,碎屑物粒度均值(Φ值)为2.32,中值粒径为0.208 mm,分选性较好,为正偏态。原始地层条件下原油黏度为6.63 mPa·s(58 ℃)。

研究区为高含水饱和度油藏,而且地层压力较低,由于油水黏度比大,使得油水两相在相同地层压力、同时渗流的过程中,油相流动阻力必然大于水相流动阻力,水相渗流相对油相渗流较易,可能是造成区内油井含水率高、产油量低的主要因素之一。为提高油藏采出程度,较好实施油藏增产措施,开展了储层产量劈分研究。

以化108区块内的化139-15井及化147-16井为研究对象,通过现场资料收集整理,获取单井的生产数据。化139-15井及化147-16井的综合层日产水量和日产油量如表1所示,小层厚度、含油饱和度和渗透率数据如表2所示。

表1 综合层日生产数据参数

表2 各储层单元厚度、含油饱和度与渗透率参数

2 产量劈分方法

2.1 KH劈分法

KH劈分法[5]认为产能与地层的有效渗透率(K)和有效厚度(H)的乘积(KH)密切相关,因此考虑地层系数对产量劈分系数的影响,对单井的日产液量进行劈分。

Qf=QCi

(1)

Yi=HiKi

(2)

(3)

式中:Qf为子层日产液量,m3;Q为混合层日产液量,m3;Ci为第i层的劈分系数,小数;Yi为子层i的劈分系数条件值,小数;Hi为子层i的有效厚度,m;Ki为子层i的有效渗透率,10-3μm2。

2.2 KHK劈分法

KHK劈分法是在考虑各油层不同含油饱和度下油或水流动能力的基础上,结合平面径向油水两相渗流公式,推导得出的一种油井各小层产量劈分的新方法[6-8]。

考虑油水相对渗透率随含水率变化的特性,依据达西定律以及油水两相渗流理论整理出各小层产油量劈分系数和产水量劈分系数:

(4)

(5)

式中:Mwi为i小层产水量劈分系数;Moi为i小层产油量劈分系数;qoi为i小层的日产油量,t;qwi为i小层的日产水量,t;Ki为i小层的绝对渗透率,10-3μm2;Kroi为i小层的油相相对渗透率;Krwi为i小层的水相相对渗透率;hi为i小层的射开厚度,m;Qo为日总产油量,t;Qw为日总产水量,t。

2.3 突变理论劈分法

突变理论是一门综合运用拓扑学、奇点理论和结构稳定性研究内部作用不确定系统突变现象的数学学科,可以进行具有相同影响因素的不同物质的排序优选,其主要包括尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变、折叠突变、椭圆脐突变、双曲突变、抛物突变等7种突变理论模型[9-11]。其中,应用最广泛的模型为尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变[11-15],它们的势函数和方程如表3所示:

表3 三种常用突变类型势函数及分歧点集方程表

通过方程能够整理出归一化公式,从而能够得到突变系统的各项指标值,因此公式中的所有变量都必须归一到0～1之间。上面3种常用的突变理论模型的归一化公式如下:

尖点突变:

(6)

燕尾突变:

(7)

蝴蝶突变:

(8)

式中:xu、xv、xw、xt分别为u、v、w、t等控制变量相应的归一化函数。

根据公式,首先应当确定与突变理论模型有关的变量,并分析其影响程度,建立一个从下往上,也就是从指标层到准则层然后再到目标层的突变理论模型结构;进而对各变量实行归一化整理(数值要求在0～1内,并且数值越大越有利);根据结构内各小层适用的突变理论模型,分别计算突变指标值,最后求出各个系统对象的目标值。

依据层次分析法的基本理论,综合考虑与多层合采井各小层产量有关的因素[16-21],其中,储层厚度、含油饱和度、渗透率、孔隙度、油层中深压力、沉积微相、砂岩含量、层间干扰系数、储层密度和油层中深等10个因素构成指标层,并将其分为储量特征、地质特征和开发特征三类,从而构成准则层,最终构成产量劈分突变指标体系(图1);根据控制变量的个数来确定相应突变模型,并建立突变模型架构(图2)。

图1 产量劈分突变指标体系示意图

图2 突变模型架构

系统突变需要计算函数值,要将所有的指标变量进行无量纲化,公式为:

x=xi/ci

(9)

如果指标值对系统有利,则xi为指标值,ci为系统中该指标所有样本的最大值;反之如果指标值对系统不利,那么xi为指标值的倒数,ci为系统中该指标所有样本倒数的最大值。选取该系统各指标所有样本中对系统最不利的值组成突变面,来计算产量劈分系数。

3 劈分方法在化108区块的应用

3.1 KH劈分法的应用

基于化139-15井及化147-16井综合层日产水量、综合层日产油量、小层厚度、含油饱和度和渗透率数据,利用KH劈分法得到两口井各小层的劈分系数以及日产水量和日产油量(表4)。

3.2 KHK劈分法的应用

选取化139-15井和化147-16井两口井作为研究对象,结合综合层日产水量、综合层日产油量、小层厚度、含油饱和度、渗透率数据以及油水两相相渗曲线(图3),利用KHK劈分法得到两口井各小层的劈分系数(表5)。

图3 油水两相相渗关系曲线

表5 KHK产量劈分结果

由于一口井所在区域储层的含水饱和度不是一个定值,是随油田的开发进程而不断变化的,前文只是截取了油田开发过程中某一个时间点的参数,用KHK法对两口井进行了产量劈分。因此,对于开发过程中的井,需要做单井一个小层的日产油量劈分系数随含水饱和度不断变化的预测曲线。以化147-16井为例进行相关计算,结果如图4所示。

图4 化147-16井长213-1储层单元劈分系数波动曲线

从图4可以看到,随着长213-1储层单元含水饱和度升高,长213-1储层单元劈分系数在不断降低;当长213-2储层单元含水饱和度不相同时,长213-1储层单元劈分系数下降趋势也有所不同;当其他条件相同时,长213-2储层单元含水饱和度越低,长213-1储层单元的劈分系数也越低。

3.3 突变理论的应用

以化147-16井为研究对象,选取某一开发阶段进行突变理论劈分研究。化147-16井对应的储量特征参数、开发特征参数和地质特征参数如表6所示。

表6 化147-16井控制变量指标值统计

以相对突变面为例(图1),指标值油层厚度(A1)、孔隙度(A2)、含油饱和度(A3)构成燕尾突变模型,根据式(7)进行计算:

所以,A=(xA1+xA2+xA3)/3=0.848 8

同理,渗透率(B1)、层间干扰系数(B2)、油层中深压力(B3)也形成燕尾突变;沉积微相(C1)、砂岩含量(C2)、油层密度(C3)、油层中深(C4)构成蝴蝶突变,用上面的算法可得到B为0.978 0,C为 0.991 8。准则层则构成了燕尾突变,所以突变面小层系统的目标值M为0.939 5。从而可以得到化147-16井各小层的系统目标值(表7)。

表7 化147-16井各储层单元系统目标值

以化147-16井长213-1储层单元为例,产量劈分计算结果如下:

(10)

式中:i是小层;n为合采层数;M为小层目标值;Pi为劈分系数。

由此可以计算出化147-16井长213-2储层单元产量劈分系数为0.066 0。

图5为化147-16井不同劈分法劈分结果,由图可以看出,不同的劈分方法,在不同影响因素条件下,产量劈分结果有很大的不同。因此本文以层间干扰系数和沉积微相两个因素作对照进行劈分研究,观察各因素对劈分结果的影响。

图5 化147-16井不同劈分法劈分结果

3.3.1 层间干扰系数因素

设计化147-16井层间干扰系数对照组,其中设置原始值中的长213-1储层单元、长213-2储层单元、突变面的层间干扰系数分别为1,2,2,得到无量纲化中的层间干扰系数分别为1,0.5,0.5。对照组中的其余参数与表6中一致。

根据式(7)、式(9)先计算出化147-16井长213-1储层单元层间干扰系数对照组小层系统指标值,再根据式(10),求得化147-16井长213-1储层单元层间干扰系数对照组的产量劈分系数(Pi)为0.953 2。

3.3.2 沉积微相因素

设计化147-16井沉积微相对照组,其中设置原始值中的长213-1储层单元、长213-2储层单元、突变面的沉积微相值分别为1,2,1,无量纲化之后的沉积微相值分别为0.5,1,0.5。对照组中的其余参数与表6中一致。

其计算过程同上,最终求得化147-16井长213-1储层单元沉积微相对照组的产量劈分系数(Pi)为0.665 5。

对比发现,化147-16井长213小层的产量劈分结果主要受层间干扰系数和沉积微相影响,且影响程度不同。当油层厚度、孔隙度、含水饱和度及砂岩含量等参数一致时,沉积微相对化147-16井产量劈分结果的影响程度高于层间干扰系数。

3.4 产量劈分影响因素分析

3.4.1 含水饱和度

储层的含水饱和度是随着开发生产进程而不断变化的,当长213-1储层单元含水饱和度增加时,长213-1储层单元油相产量劈分系数会降低(不利);当别的层位如长213-2储层单元含水饱和度增加时,长213-1储层单元油相产量劈分系数会增加(有利)(图4)。

3.4.2 层间干扰系数

层间干扰系数是多层合采井产能的损失比例;层间干扰系数对劈分系数而言是不利因素。结合多井之间的对比结果(图6),可发现层间干扰系数越大,小层的产量劈分系数就越小。

图6 层间干扰系数-单井劈分系数变化柱状图

3.4.3 沉积微相

沉积微相数值2代表河道相,为有利相,设定的沉积微相值越大,沉积微相越有利于本层产量贡献,即小层的劈分系数就大(图7)。

因此,通过对KH法、KHK法和突变法的产量劈分结果综合分析可得以下认识:

1)储量特征:含油饱和度越高,孔隙度和储层厚度越大,小层劈分系数越大。

2)开发特征:层间干扰系数越大,小层劈分系数越小;中深压力和有效渗透率越大,小层劈分系数越大。

3)地质特征:小层砂岩含量越高、沉积微相越好,劈分系数越大;小层油层中深和密度越大,劈分系数越小。

3.5 三种劈分方法的单井产量劈分结果对比

在对比KH法、KHK法和突变法三种方法产量劈分结果(图5)的基础上,加入了精细化数值模拟方法,通过验证对比更能体现出突变法的优越性。

一方面,KH法、KHK法和突变法的劈分结果在高含水非均质油藏中均能反映不同层位的劈分系数大小与高低趋势,且整体形态保持一致(高/低劈分系数层一致),但突变法的劈分结果显示各小层的差异性更加明显,如物性较差的长213-2储层单元中劈分系数更小。另一方面,精细化数值模拟方法能够考虑低渗油藏的渗流特征(如考虑启动压力梯度),以及由于非均质性引起的更为复杂的渗流问题,其劈分结果与突变法的劈分结果相差较小,结果基本一致。由此可见,突变理论劈分方法更能体现层间非均质性影响,劈分结果更加符合实际。

4 结论

1)影响产量劈分系数的因素及规律包括:①储量特征:含油饱和度越高,孔隙度和储层厚度越大,小层劈分系数越大;同一口井中,当另一小层含油饱和度不一致时,小层劈分系数的变化趋势也存在差异。②开发特征:层间干扰系数越大,小层劈分系数越小;中深压力和有效渗透率越大,小层劈分系数越大。③地质特征:小层砂岩含量、沉积微相越好,劈分系数越大;小层油层中深和密度越大,劈分系数越小。

2)KH法、KHK法和突变法三种方法的劈分结果在高含水非均质油藏中均能反映不同层位的劈分系数大小与高低趋势,但也存在较明显差异。针对化108区块含水饱和度较大区域的油井,可在不同阶段采用不同的产量劈分方法,其中突变理论劈分方法更能体现层间非均质性的影响,劈分精度高且考虑因素全面。