利用油气势能预测油藏开发后期剩余油富集区

李志鹏，林承焰，李润泽，卜丽侠，杨喜彦

(1.中国石油大学，山东 东营 257061;2.中石化胜利油田分公司，山东 东营 257061;3.中油青海油田分公司，甘肃 敦煌 816000)

利用油气势能预测油藏开发后期剩余油富集区

李志鹏1，林承焰1，李润泽1，卜丽侠2，杨喜彦3

(1.中国石油大学，山东 东营 257061;2.中石化胜利油田分公司，山东 东营 257061;3.中油青海油田分公司，甘肃 敦煌 816000)

流体势是控制地下流体运动的直接因素。已开发油藏中油气主要受到重力、浮力、毛细管力以及生产压力4种应力，形成了位能、压力能、界面势能以及动能4类流体势能。分析了每种流体势能对已开发油藏流体运动的控制作用，明确了油气势能与剩余油富集区之间的关系：油藏开发中后期的油气低势区是剩余油富集的有利区域，而油气高势区则是易于水淹的区域。研究结果在高尚堡油田高浅南区油藏的剩余油预测中取得了很好的应用效果。

流体势;剩余油;开发后期;高尚堡油田高浅南区

引 言

对于剩余油的预测主要有地质方法［1－2］、测井方法［3］以及油藏工程方法［4］，但这些方法往往只单一考虑地质因素或开发因素，没有同时考虑两者对剩余油的影响。“势控论”是油气勘探中的一项重要理论，在油气路径研究、有利区带预测以及圈闭评价中都取得了很好的应用效果［5］，但却很少应用到已开发油藏的剩余油预测中。油藏注水开发就是一种人为改变流体势能场，从而影响油气运动的开发方式，即油藏开发过程就是油气在新的油气势能场的作用下，不断重新运移聚集并被采出的过程。所以流体势能不仅可以反映地质因素对剩余油的控制，同时也可以反映开发因素对剩余油的影响。

1 流体势的定义及基本原理

20 世纪40 至50 年代 M.K.Hubbert［6－7］把单位质量流体所具有的机械能总和定义为流体势，由位能、压力能和动能构成。后来，W.A.England［8］考虑了储层毛细管力，对前者的定义进行了修改，认为流体势能是从基准点(面)传递单位体积流体到研究点所做的功。

地层中的流体总是由流体高势能区向低势能区运动，且运动方向是沿着势能减小最快的方向即势梯度的负方向［9］。油气藏形成之后，由于遮挡条件的外在附加力，使油气藏形成了一个平衡势能场(图1a)，油气也在油藏内停止了运动。当油藏被开发，采油井和注水井的存在打破了这种油气势能的平衡，形成了多个流体低势能点和高势能点，油气在新的势能场中，不断由高势能点流向低势能点并被采出(图1b)。

2 已开发油气藏内流体势能及地质意义

油气藏注水开发过程中，油气主要受到重力浮力、生产压力以及毛细管力4种应力的共同作用。其中浮力是静水压力作用到油气上的合力;生产压力是人为注水、采油对流体产生的附加流体压力所形成的压力差。静水压力和人为附加流体压力共同构成了油藏开发过程中的流体压力。

以上4种应力中，浮力和生产压力不是基础力，所以油气藏开发过程中产生流体势能的主要是重力、毛细管力和流体压力(包括静水压力和人为附加流体压力)。其中重力产生位能、毛细管力产生界面势能、流体压力产生流体压力能(包括静水压力产生的静水压力能和人为附加流体压力产生的人为附加压力能)，同时还有其合力造成油气运动所产生的动能。

位能负梯度方向垂直向下，随着埋深的增加而降低，具有使油气向构造低部位运移的趋势。静水压力能负梯度方向向上，随埋深的增加而增加，具有使油气向构造高部位运移的趋势。其与位能的综合结果是：构造部位越高，两者的合势能越低，使油气向构造高部位运移。两者之差正好为净浮力所做的功，净浮力方向为竖直向上。

人为附加压力能的负梯度方向是由注水井指向采油井，使油气由注水井流向采油井，人为附加压力能的存在使得已开发油藏中压力能变得非常复杂。

图1 油藏未开发和开发时油气受力(忽略毛细管力)

界面势能是由毛细管力引起的，受储层孔喉半径等的影响较大。一般储层孔喉半径越大界面势能越小。如果物性较差的储层中充满油气，储层润湿性将由亲水向亲油转变，油气界面势能的负梯度由毛细管的宽粗端指向窄细端，造成物性差的边缘相带的储层油气难以被采出，形成油气高势区。

从以上分析可知，已开发油藏中的油气势能是一个受储层物性条件(界面势能)、油层构造特征(位能与静水压力能)等地质因素，以及开发措施(人为附加压力能)等开发因素综合影响的参数。所以油气势能可以同时反映多种因素对剩余油分布的控制作用。

在注水开发过程中，通过增加注水井周围的压力能，释放油井周围的压力能，可使油气由注水井的高势能区不断向各采油井的低势能区流动(图2a)。当注水井的注水前缘推进到采油井时，采油井的产水率不断上升。同时随着注入水的不断冲刷，注水井与某些油井之间将慢慢形成相对的优势通道或者是大孔道，造成该油井处的压力能快速上升，形成高势能区，所以油气势能有随产水率上升而上升的特点(图3a)。此时油气将不在该油井处聚集，而是由该油井流向其他势能更低的油井(图2b)。低势能油井由于流体压力低，又得不到较好的能量补充，油气不能被大量采出，造成低势能油井产水率低(图3a)、累计油水比高(图3b)，富集大量剩余油。

3 已开发油藏原油势能的计算

已开发油藏中的油气主要存在位能、压力能界面势能以及动能4种势能，根据W.A.Englan的定义，如果将基准面取在海平面，单位体积原油的势能表示为：

式中：Jo为原油势能，J;ρo为海拔深度z处的原油密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;z为海拔深度m;p为地层流体压力，Pa;ρ(p)为原油密度，是压力的函数，kg/m3;σw/o为油水界面张力，N/m;θw/为油水润湿角，(°);r为海拔z处岩石孔隙毛管半径，m;qo为原油的流动速度，m/s。

图2 开发过程中的油气运动

图3 产水率大于50%的油井油气势能与产水率和累计油水比的关系

油藏开发过程中，原油在高孔高渗带(大孔道)的运动速度最大，可以超过300 m/d，但其动能的数量级仅为10－4，故动能可以忽略不计(表1)。

表1 优势通道内原油流速

在油柱高度不高、原油压缩系数很小的情况下，油藏范围内原油的密度随压力变化不大，即ρ(p)=ρo。同时考虑到开发后期油层含水饱和度较高，岩石具有较强的亲水性，此时油水的润湿角较小，即 cosθw/o≈1。

庞雄奇根据伯格和霍喀特列举的各种原油和地层水之间的密度差异，利用最小二乘法回归得到了油水密度差与油水界面张力之间的关系式［9］：

式中：Δρ为地层水密度与地层原油密度之差，kg/m3

洪世峰对毛细管半径与孔隙度、渗透率之间的关系研究发现［10］：

式中：K为渗透率，μm2;φ为岩石孔隙度，%。

将式(2)、(3)代入式(1)，并忽略动能，将式(1)积分进一步变换为：

式(4)中地层流体压力的选取要遵守1个基本原则：开井生产的油井选用油井流压，已关井或已改层的油井选用油井静压;注水井选用注水压力。

4 利用油气势能等值线预测剩余油

高浅南区位于高尚堡油田高柳断层的下降盘，是1个受高柳断层控制的被断层复杂化的逆牵引背斜构造。油藏为典型的复杂小断块油藏，边、底水能量充足。目前高浅南油藏已经进入高含水期，综合含水为96.1%，但采出程度只有13.3%，储层内存在大量剩余油。

图4 原油势能等值线与数模剩余地质储量丰度叠合图(a：NgⅠ1;b：NgⅣ2)

依照式(4)及其计算原则，利用流压、静压资料、孔隙度与渗透率资料以及海拔深度计算了高尚堡油田高浅南区馆陶组的NgⅠ1和NgⅣ2油藏中油、水井的原油势能。根据单井原油势能绘制了原油势能等值线图(图4)。从图4中可知：原油势能的低势区(原油势能小于400 kJ)都是数值模拟结果中剩余地质储量较高的区域，两者之间具有很好的对应关系。而原油势能较高的区域(原油势能大于600 kJ)都是数值模拟结果中剩余地质储量丰度很低的区域，两者之间同样具有很好的对应关系。说明原油势能越低，剩余油越富集，而原油势能越高，水淹越严重，剩余油越少。

5 结论

(1)已开发油藏中流体具有4种势能：重力产生的位能、流体压力产生的压力能、毛细管力产生的界面势能以及其合力产生的动能。其中动能与其他3种势能相比很小，可以忽略。

(2)流体势能是一个能够同时反映油藏的构造特征、储层特征以及开发措施特征的综合型参数，可以同时反映多种因素对剩余油的影响。

(3)在开发中后期，油井的油气势能与产水率呈正相关性，而与累计油水比呈负相关性，说明在开发中后期油气势能越低，剩余油越富集。

(4)利用原油势能的等值线图可以很好的预测开发后期油藏中的剩余油分布情况，原油势能的低势区是剩余油富集区，高势区是强水淹区。

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［10］洪世铎.油层物理基础［M］.北京：石油工业出版社，1985：99－115.

Predict residual oil zones in the late life of oilfield development by hydrocarbon potential

LI Zhi－peng1，LIN Cheng－yan1，LI Run－ze1，BU Li－xia2，YANG Xi－yan3
(1．China University of Petroleum，Dongying，Shandong 257061，China;2．Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying，Shandong 257061，China;3．Qinghai Oilfield Company，PetroChina，Dunhuang，Gansu 816000，China)

Fluid potential is a direct factor controlling formation fluid movement．In developed reservoirs，hydrocarbon mainly subjects to 4 types of forces including gravity，buoyancy，capillary force and producing pressure，thus formed 4 types of fluid potentials such as potential energy，pressure energy，interfacial potential and kinetic energy．This paper analyzes the control action of each type of fluid potential on reservoir fluid motion，and describes the relationship between hydrocarbon potential and residual oil enriched zones．In the late life of oilfield development，the low potential zones are favorable zones of residual oil，while the high potential zones are likely to be watered out．The study result has been applied in prediction of residual oil enriched zone in the Gaoqiannan reservoir in the Gaoshangpu oilfield and has achieved satisfactory effect．

fluid potential;residual oil;the late life of development;the Gaoqiannan area in the Gaoshangpu oilfield

TE32

A

1006－6535(2012)02－0069－04

20110612;改回日期：20110630

国家科技重大专项“复杂油气藏精细表征与剩余油分布预测”(2009ZX05009－003)

李志鹏(1983－)，男，2009年毕业于长江大学矿产普查与勘探专业，现为中国石油大学(华东)地质资源与地质工程专业在读博士研究生，主要从事油气成藏规律及油气田开发相关的研究工作。

编辑孟凡勤