塔里木油田改善注气开发效果的关键问题

杨胜来，陈　浩，冯积累，周代余，李芳芳，章　星

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

塔里木油田改善注气开发效果的关键问题

杨胜来1，陈浩1，冯积累2，周代余2，李芳芳1，章星1

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

针对塔里木油田的油藏地质特征及开发现状，面对部分油藏已进入高含水、高采出程度阶段的形势，为了控制产量递减速度、实现原油稳产增产，提出了注气提高油田采收率的技术思路。分析了目前注气驱油技术及应用中可能遇到的问题，从改善注气开发效果的角度出发，探讨了气体类型及试验区选区、驱替类型及注入方式、气窜控制、注气配套技术、利用储气库理念开发油藏等问题。建议选择烃气作为塔里木油田的注气气源、选择条件适中的轻质油油藏进行试验，获得技术突破后，再逐步向低渗透油藏推广。根据具体区块具体分析原则，分别开展垂向驱、水平驱（面积驱）试验和气窜控制技术研究，在气水交替注入方面应进行注入能力分析及室内效果评价；在注气试验实施过程中，开展注气、采气平面和垂向监测工作，掌握注气过程中的气体运移规律。从注气技术的经济性方面考虑，建议引入储气库理念开发油藏，把注气采油作为临时储气阶段，待采油完成后，再将天然气产出到输气管网。

注气驱驱替类型气窜控制注入能力储气库塔里木油田

塔里木油田规划到“十二五”末建成高质量、高水平、高效益的“新疆大庆”，实现油气当量产量3 000×104t的目标［1］。塔里木油田大部分油藏具有井深、井距大、高温、高压、高盐、地质条件复杂等特点，个别油藏进入中高含水期，原油产量递减加大，应积极开展提高采收率方法研究及先导性试验。由于特殊的油藏、地质条件，现有基于化学驱的三次采油技术的应用，面临诸多问题和技术挑战，无法有效解决中高含水期油藏面临的问题［2-5］。前期研究表明，注气提高采收率技术在塔里木油田具有较好的适应性，然而由于该技术的复杂性，在论证气驱有效性的同时，还需要慎重、充分研究制约注气开发和提高注气开发效果的影响因素。为此，笔者结合塔里木油田的地质条件和开发现状，分析了注气开发过程中可能遇到的问题，并提出相关对策与建议。

1　水驱油藏开发现状及技术需求

塔里木油田碎屑岩油藏具有构造相对简单且完整、油藏类型多、含油层系多的地质特征。储层物性及原油物性好，油水粘度比低，有利于水驱开发，如轮南2TII油组水驱采出程度达到54%，塔中402CIII油藏均质段水驱采出程度接近60%［2］。目前，塔中4、塔中16、桑塔木、轮南、东河塘和解放渠东等区块的主要砂岩油藏均已进入高含水、高采出程度阶段，综合含水率持续升高［6］。全油田碎屑岩油藏综合含水率为75.86%，含水上升率为3.8%；尽管目前原油产量递减得到一定控制，但递减率仍然较高。其中，2大主力油田塔中4和轮南油田尤其严重，产量递减也最快。

塔里木油田碎屑岩油藏储层纵向上非均质性相对严重，很多油藏水驱后残余油饱和度约为40%。残余油主要集中在物性较差的储层顶部及夹层附近，呈现总体分散、局部富集的特点，稀井网条件下有效动用难度较大。

塔里木油田地面环境苛刻，埋深在4 000 m以上的油藏占83%以上，地层温度达110～140℃，原始地层压力高达42.55～62.38 MPa。另外，由于塔里木油田是海相沉积油田，地层水矿化度普遍高于10× 104mg/L，最高达到27×104mg/L，水型多为氯化钙型，钙镁离子含量普遍高于4 000 mg/L［2，7］。

总体而言，塔里木油田的开发环境日益复杂，表现出层内和层间矛盾突出、剩余油分散、水平井高含水等诸多问题。然而，在目前科技水平下，超深井精细分层注水、高温高盐油藏堵水调剖和深部调驱、水平井堵水调剖、化学驱等高温高盐油藏提高采收率的主体技术还不配套［8］。从提高采收率的角度分析，采用聚合物驱难度较大，表面活性剂驱对温度、压力及矿化度又比较敏感［2，9］。由于塔里木油田具有天然气资源丰富的优势，注气或注气泡沫驱技术具有较大的提高原油采收率潜力。

2　注气提高采收率的优势

气体具有渗流阻力低，注入能力强，易于驱替低渗透层剩余油的特点［10］。随着注气机理和应用研究的不断深入，注入气体的类型也在不断丰富，如二氧化碳、氮气、天然气、空气和烟道气等。根据具体油藏条件的不同，开发方式也不尽相同，有混相驱、非混相驱、近混相驱和注气维持地层压力驱油等［11］。气驱采油包括多项复杂的机理，例如抽提、溶解、蒸发、凝析和增溶等多种改变原油相态特征的作用机理。对于常规水驱后的油藏，注气提高采收率幅度可达10%～15%［12-13］。

国外注气提高采收率技术已较为成熟，形成了从注气理论研究、数值模拟计算、工业设计应用、效果预测评价等一整套理论体系，以及从室内物理模拟到油田先导性试验、再到工业化推广应用的一整套实践模式。在常规水驱效果不理想的低渗透油藏、高含水油藏、裂缝性油藏等多类油藏已经或正在实施上千个注气采油项目。实践证明：注气是目前最有发展潜力的提高采收率方法之一［14］。

从注气适应性的角度出发，除二氧化碳和空气存在易腐蚀、结垢等问题外，天然气和氮气对高含Ca2+，Mg2+等油藏有着很好的适应性。气体作为驱油介质比其他驱油剂、调剖剂具有更好的耐温性，尤其是天然气和氮气在特高温度条件下仍具有良好的驱油性质，对油藏温度适应范围非常宽。因此，气驱是在高温高盐的塔里木油田具有很好应用前景的提高采收率技术。

然而，任何技术在发挥其优势的同时，都不能否定和忽视其局限性和不利因素。注气开发的不利因素主要体现在：①易发生指进，非均质性油藏的气窜严重，波及效率低；②注二氧化碳和空气存在腐蚀问题；③沥青质沉积问题等［15］。此外，与水驱相比，注气作业操作复杂，投资较大；由于具体油藏条件不同，技术稳定性也较差。

3　关键问题及对策

3.1气体类型及试验区选区

气源是气驱能否进行的基础及成功的关键问题之一［16］。考虑注气成本，因地制宜地选择气源非常重要。塔里木油田具有丰富的天然气资源，而且烃类气体具有易混相、腐蚀小、无产出气的分离问题等优点［17］。室内实验研究表明：塔里木油田注烃气基本能实现混相驱，预计比水驱提高采收率14%～16%。加拿大、美国以及中国的吐哈葡北油田都有注烃气成功的经验可供借鉴，烃气混相驱在吐哈葡北油田和温五油田取得了较好效果。因此，建议选择烃气作为塔里木油田注气的气源。

注气试验区选择是另一个关键问题。目前全球注烃气提高采收率的项目主要有36个，其中混相驱35个，非混相驱1个［18］，90%以上集中在美国和加拿大，注烃气试验区的规模不一，油藏深度跨度也很大。国外油藏多以海相沉积为主，在地质条件、连通性、均质性方面较好，且多为大型整装油藏，故试验区油藏规模大多都比较大。此外，国外注气多选择渗透率大于10×10-3μm2的储层，此时有多种注入方式可供选择（气水交替注入等）。中国油田多以陆相沉积为主，注气主要选择特低渗透砂岩油藏。由于渗透率太低，气水交替注入困难，只能采用直接气驱，注气方式单一，易气窜，影响注气开发效果。因此，对于塔里木油田来说，建议选择条件适中的轻质油油藏进行试验，获得技术突破后，再逐步向低渗透油藏推广。综合考虑塔里木油田各区块的油藏条件和原油物性，筛选出27个适合注气开发单元，预计可增加可采储量2 035×104t，比水驱提高采收率12%。

混相驱具有驱油效率高、提高采收率幅度大的优势，因此试验区应优先选择可以混相的、封闭构造的轻质油油藏。特别应注意沥青质含量要低，因为烃类气体，特别是富气（C2—C6）的注入会破坏油藏流体体系平衡，降低沥青质的溶解度，引发沥青质沉淀的产生，引起地层伤害，导致地层、井眼和生产设备被堵塞［19］。

注气项目实施前，应进行油藏精细描述研究，如剩余油在平面和纵向上的分布。此外，对注气目标区块的几何形态、储层物性参数、盖层、隔夹层、断层及边界情况、裂缝发育及延伸分布情况等均须进行研究。一般来说，影响注气采收率的客观因素主要有：①油层渗透率、孔隙度、含油饱和度、地层温度和压力等油藏物理特性；②气油比、原油体积系数、油气水粘度关系等储层流体特性；③储层平均厚度、单储系数、储量丰度等地质储量品质特性；④渗透率变异系数、油层连通性、平面非均质性等储层非均质程度及构造复杂程度。

最后，须针对目标区块的注气方案及气驱效果影响因素进行详细研究，以确定合理的注入方式、制定合理的开发方案。

3.2驱替类型及注入方式

采用何种驱替类型（垂向驱还是面积驱）进行注气开发至关重要。对于倾斜油层，注气到构造上倾部位，并以低速驱替，利用重力维持气体与原油混合（垂向驱），抑制指进，可以提高波及效率。对于水平层状油藏，水平驱（面积驱）可波及整个油层，采用面积布井方式，可减少油气的重力分离，并易于对开发方式进行适当的调整。对塔里木油田来说，既有符合垂向驱条件的油藏，也有符合水平驱条件的油藏，建议具体区块具体分析，发挥优势，分别开展垂向驱及水平驱试验。

由于纯气驱易发生粘性指进，特别是在塔里木油田部分区块的强非均质性油藏，容易发生气窜等问题，导致波及效率降低。气水同注能极大缓解这一难题，但考虑到流度的稳定性、完井费用、重力分异和操作的复杂性，目前80%以上的注气项目采用的是气水交替注入，既能降低单纯注气的成本，又便于操作。其中，注入气可以驱替构造顶部“阁楼油”，注入水可以驱替油藏底部的“地窖油”，气水的交替能较好地控制流度，与单纯水驱相比，可提高采收率5%～20%［20］。然而，气水交替注入技术存在注入能力下降的问题［21-22］，这是由于注入过程中气水饱和度交替上升和下降，饱和度变化幅度大。因此，对油气水三相相对渗透率的研究非常必要。

3.3气窜控制技术

由于气体粘度小，流度比高，极易发生气窜现象，导致体积波及系数偏低，整体采收率提高不明显。粘性指进、重力分异和储层非均质性等是加剧气窜发生的重要因素［23-24］。在现场注气过程中，由于对油藏了解不够或油藏描述不确切，面对普遍发生的超覆现象，经常无法制定有效的应对措施，导致很多油井被迫提前关井，影响生产。一般来说，储层越厚，重力分异引发气窜越严重。因此，如何实现流度控制、减缓气窜是油田实施注气采油亟待解决的关键问题之一。建议在合适地区使用水平井、近井距单井组注入，可显著提高波及效率，进而提高采收率［25］。

气水交替注入技术和烃气泡沫驱技术是控制气窜的主要方法。但由于注入流体不断变化，气水交替注入技术比单纯注水注气更易发生现场操作的问题。另外，塔里木油田存在高温、高盐、高矿化度现象，使得泡沫的稳定性成为必须解决的难题。因此，建议对气窜的特征、机理及影响因素进行分析，并深入研究抑制、治理气窜的方法。

泡沫驱也是注气过程中防止气窜、提高波及效率的一项极具发展潜力的提高采收率技术。泡沫在油层中的封堵强度远远大于聚合物溶液，虽然泡沫为不稳定体系（有一定的半衰期），但是对油层无永久性堵塞或伤害。随着高温高盐发泡剂研制取得进展，泡沫驱技术在驱油和调驱等领域均具有较大应用潜力。将气驱与泡沫驱相结合，既可以发挥传统注气驱的优势，又可以封堵高渗透层气窜、降低含水率、提高波及系数与驱油效率。在大庆、胜利、中原、长庆、延长等油区，空气泡沫驱技术均取得了良好的效果［26-27］。一般来说，泡沫性能主要体现在发泡能力和稳定性方面。影响因素主要包括温度、压力、矿化度及含油饱和度和驱替速度等［28］。泡沫在油藏孔隙中的性质与其在连续空间中差异巨大，常规评价方法对于油藏孔隙中的泡沫体系来说并不合适。因此，建议在塔里木油田开展烃类气体泡沫驱技术研究，筛选耐高温、高盐发泡剂，并且针对目标区块，进行油藏深部泡沫体系性能评价、注入能力分析及室内效果评价。

气水交替注入和注气泡沫驱技术各具优势，但同时也存在着一个共性的问题：易发生注气能力下降现象，具体表现为注水转注气时地层不吸气，导致油藏压力迅速降低，影响驱替效果和产量，或气水交替注入时注入压力上升，油藏压力下降，导致混相程度及提高原油采收率效果降低［29-30］。注入能力的下降，到底是在近井地带引起，还是在油藏内部引起，对于制定相关对策非常重要。John等认为，地层条件、润湿性、相对渗透率和化学作用是影响注入能力的主要因素［20］。因油藏条件或注入工艺等不同，在近井地带和油藏内部均可能出现注入能力下降。一般来说，可通过减少气水交替注入比、提高注入压力、增加注入井等方式减缓注入能力的下降程度。然而，减少水段塞、增大气段塞的同时，发生气窜的可能性也在增加；提高注入压力可能导致地层破裂，产生裂缝，降低驱替效率；增加注入井会增加成本。因此，应对可能出现的注入能力的下降问题进行分析，对其影响程度进行评价。

3.4注气配套技术

注气是一个涉及面广的系统工程，须在多方面配合才能做好评价和实施工作，因此，应加大注气配套技术研究。配套技术主要包括注入工艺、动态监测、防气窜和注采调控技术等［31］。

塔里木油田的地质条件对现场压缩机及出口压力选择、注气管柱设计提出了更高的要求。由于注入压力和排量的相关性，压缩机选择应在油藏工程方案确定后再进行。建议在塔里木油田注气目标区块开展注气、采气平面和垂向监测工作，通过2个剖面的监测对塔里木油田注气过程中的气体运移规律进行研究，为应对气窜过早发生、制定合理的注气方案、调整设计方案和寻找应对措施等提供第一手详细资料。

开展注气防窜和改善波及效率的措施或注入方式时，常引起注入能力异常现象，致使现场试验无法按设计方案顺利进行，因此应注意气水交替注入过程中，三相流动、井筒温度场变化等因素能使相对渗透率改变，从而使注气过程中易在近井层产生沉淀物（水合物或沥青），降低注入能力，产生结垢或压迫损坏管线，破坏套管内防腐层，导致产量降低甚至停产等问题，针对上述问题，开展注水注气温度差、气水切换、腐蚀、结垢、沥青质水合物沉积等诸多问题研究，并制定针对性的措施。

在气驱开始时，注气井附近大部分地区压力均高于最小混相压力，为混相驱，而生产井附近大部分区域为非混相驱。随着气体注入，地层能量得到补充，混相驱范围不断扩大；而一旦注入能力下降，地层压力得不到有效补充，将会导致混相驱范围缩小，提高采收率效果下降。因此，建议进行注入井、生产井井筒温度和压力剖面预测，分析其对混相程度的影响；优化生产井工作制度，进行井底流压控制。

3.5引入储气库理念开发油藏

注气开发的经济性是现场关心的问题，现场试验需要耗费大量的天然气，涉及到投入产出是否合理，为此提出了“利用储气库理念开发油藏”的设想，即利用塔里木油田丰富的天然气资源，将天然气注入到油藏，把原油驱替出来，然后把产出的气体及油藏内的气体再开采出来、输入到外输管网。把油藏看作是一个临时储气库，把注气采油看作天然气临时储存的过程，主要目的是为了采油，这个过程中的主要成本是管线、注气设备、地面油气分离、注气的操作费用等。总之，引入储气库理念，对于高效开发塔里木油田，特别是高含水后期油藏具有重要意义。

3.6室内实验、数值模拟及试验方案优化

室内实验是油田实施注气驱油的基础。目标区块注气适应性、混相压力、注气参数、影响因素和注入能力评价等均须通过高温高压可视PVT实验装置、长岩心混相驱实验、细管实验等进行评价和分析。同时应进行目标油藏注入能力室内评价，分析可能出现的注入能力异常现象及影响程度，研究驱替过程中岩心的压力场分布情况、压力上升位置。此外，气驱相渗曲线、气驱特征曲线、非线性气驱油机理、水驱油藏转注气的注气时机、湿润性、岩心干化和盐堵等基础问题，也需要物理模拟实验研究。由于气体本身界面张力较低、流度比不利，导致注气前缘不稳定，易气窜，所以，克服注气过程的粘性指进、防治气窜的措施也需要进行实验研究。

为获得最佳的注气开发效果，须针对注气目标区块采用数值模拟方法进行方案设计，对注入压力、注采井网、布井方式、注气量、注入速度、水气段塞大小及比例等注气参数进行优化，以便制定合理的注气工程方案。由于注气涉及油气之间传质、相态变化等现象，必须考虑组分变化，因此在油藏数值模拟中选用组分模型，并在模拟前进行各种实验拟合，以准确预测气水交替注入中的粘性指进和驱替效率。此外，利用流线模型可模拟由于压降或混相带的超覆而使气油运动带消失的过程，也能精确地处理各种流体间的流动关系以及烃气注入后注入能力的变化情况。

4　结束语

注气开发是有潜力的提高采收率技术，应尽快开展塔里木油田注气驱可行性研究，适时筹备、开展先导试验，组建队伍、完善技术、配套装备、积累经验。开展水驱油藏后期的气驱研究，形成提高注气开发效果的配套技术。

应开展目标油藏的筛选，建议首先选择条件适中的轻质油油藏进行试验，获得技术突破后，逐步推广。同时，针对目标油藏开展室内实验评价、气驱方案设计，选择合理注入方式和注入类型，制定全面、合理的注入方案。另外，研究提高注气开发效果配套技术，通过小规模现场试验，由点及面、逐渐扩大实验区规模，不断完善注气配套技术，促进相关领域的技术创新，实现塔里木油田的稳产增产。

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编辑经雅丽

TE34

A

：1009-9603（2014）01-0040-05

2013-11-08。

杨胜来，男，教授，博士，从事油气田开发工程方面的教学和研究。联系电话：（010）89732268，E-mail：yangsl@cup.edu.cn。

国家自然科学基金项目“超深层油气藏岩石物性垂向分布规律及渗流特征研究”（50874114），国家重点基础研究发展“973”计划“二氧化碳减排、储存和资源化利用的基础研究”（2011CB707300）。