海上油田污水回注技术与应用

何芬 (中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300452)

李涛 (中石油大港油田分公司勘探开发研究院,天津 300280)

马奎前,张建民,蔡晖 (中海石油(中国)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油田污水回注技术与应用

何芬 (中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300452)

李涛 (中石油大港油田分公司勘探开发研究院,天津 300280)

马奎前,张建民,蔡晖 (中海石油(中国)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油气随着开采进行,产出污水量会不断增加,甚至可能超出平台已有的污水处理能力,这就迫切需要增加污水回注井,将生产污水经平台简单处理后,回注进地层,以满足环保的要求。以BZ26-2油田为例,提出了海上油田污水回注研究思路与方法:通过静态、油藏工程、油藏数值模拟方法,首先探讨了通过库伦-摩尔滑动准则精确计算出断层活化的压力的方法,然后针对油田断层分布情况、储层发育特点以及实际污水回注需求量,优化设计污水回注井位,预测出地层压力变化,确保安全生产。该方法为安全污水回注提供了理论依据,目前在渤海油田已经推广和应用。

污水回注;断层;封闭性;活化;地层压力

随着油田开发进行,在生产过程中油气藏会伴随大量的地层污水产出,随着人类环保意识的不断加强,为了防止生产水污染和解决产出污水不断增加的问题,产出污水回注到地层[1]已经被越来越多的油气田所采用。国内外许多油田开发管理工作者曾进行了污水回注研究,大多都是对已有的污水回注井进行注入水配伍性、酸化解堵、管柱工艺等方面,针对如何提高回注井的运行效果,降低注水井注入压力进行研究[2-3]。随着注水时间、污水回注总量的不断增加,地层压力会随之产生变化,必须严格控制地层压力低于通天断层活化的压力,才能确保不出现注入水外溢[4],即因为断层活化,引起的断层封闭性变差,导致注入水先侧向进入断层,然后沿断面垂直上升,发生注入水外溢现象。通过研究,达到科学合理设计污水回注井井位,确保油田安全生产的目的。

为此,笔者以渤海BZ26-2油田为例,进行了海上油田污水回注研究。BZ26-2油田位于渤海南部海域,是在潜山披覆构造背景上形成的复合油气藏,油田主力含油层段为馆陶组(Ng)、东营组(Ed)及太古界潜山,开采层位主要是馆陶组。馆陶组为构造层状油藏,边、底水发育,天然能量非常充足。油田于2004年投入开发,馆陶组地层压力略有降低。

1 断层封闭性

原始断层的封闭性在空间上表现为2个方面:①断层的侧向封堵性,即断层面在测向上阻止流体穿越断层运移的能力;②断层的垂向封闭性,即断裂物质阻止流体沿断裂带纵向运移的能力。而随着污水回注的进行,地层压力会发生变化,当地层压力增加到一定程度,通天断层就会出现活化现象,断层的封堵性变差,断层附近的注水井注入的污水就侧向进入断层,顺着断面垂向上升,发生外溢。如果发现不及时,继续注水,就会发展成严重的海底溢出事件。

因此,断层封堵性研究[5-6],主要是对油田内部是否存在大的通天断层进行摸排,然后针对通天断层计算出对应的断层失稳压力,也就是活化需要达到的压力。“通天”断层,即断至平原组的断层。通过三维地震资料解释、相干分析及地层对比,落实油田内部通天断层及与通天断层搭界的断层分布范围,是污水回注研究的关键。

通过馆陶组构造图可知,在BZ26-2油田周边断裂系统比较发育,共解释出5条断层。从过南北向地震剖面(见图1),可以看出其中F1、F5为通天断层,F3、F4为与通天断层搭接的大断层,F2为次生小断层。

图1 断层分布示意图

图2 库伦-摩尔滑动准则示意图

2 断层失稳压力计算

2.1 库伦-摩尔滑动准则

目前业界已经开始将岩土力学基本的库伦-摩尔屈服准则理论应用到断层稳定性研究中。笔者就如何计算断层活化的临界压力作为研究重点。

对于巨型岩体,当断层断至海底时(内聚力为0),库伦滑动准则可以用于工区断层稳定性分析(见图2)。

断层在形成过程中,一般受到正应力和剪应力2种作用[7],计算公式如下:

式中,σn为正应力,MPa;τ为剪应力,MPa;σ1为最大水平主应力,MPa;σ3为最小水平主应力, MPa;α为断面倾角。

根据库伦滑动准则,断层沿着断面开始滑动应满足下式:

当断层断至海底时,内聚力τ0视为0,即τ0=0,依据库伦滑动准则:

式中,μ为摩擦系数;P0为临界地层压力,MPa。

则临界失稳压力ΔP:

式中,Pp为地层压力,MPa。

2.2 计算参数的选取

要通过库仑-莫尔滑动准则计算断层失稳压力,需确定其他几项参数。

1)断层倾角、摩擦系数 通过地震资料解释,很容易得到断层倾角[8]、摩擦系数。根据渤海油田实际情况选取经验值0.6。

2)断层最大、最小水平主应力 首先通过对整个渤海湾盆地选取具有代表性的蓬莱19-3油田的岩样做构造地层应力分析实验,从而得到构造应力系数[9-10]。然后通过BZ26-2油田探井的横、纵声波测井[11](见图3),分别计算出BZ26-2油田不同深度对应的最大水平主应力和最小水平主应力。计算出油田馆陶组地层深度2435m,对应最大水平主应力为50MPa,最小水平主应力为39MPa。

2.3 计算结果

图3 BZ26-2-1井声波测井曲线

表1 馆陶组断层失稳压力计算表

分别将确定的上述计算参数,代入式(1)、(2)、(4),通过计算得到4条断层在馆陶组的临界地层压力最小39.1MPa,最大39.7MPa(见表1),馆陶组原始地层压力为23.6MPa,通过式(5)计算出,馆陶组地层F1、F3和F4这3条断层的失稳压力为15.5MPa,F5断层的失稳压力为16.0MPa。结果表明,一旦地层压力比原始地层压力高15.5MPa,F1、F3、F4这3条断层就可能活化,断层附近污水回注井的注入水外溢,注入污水侧向进入断层,然后沿着断面垂向上升,达到一定量后就从海底溢出。

因此,设计污水回注井时,必须遵循的原则就是设计井位必须远离F1、F3、F4、F5断层,同时污水注入地层后,地层压力要严格控制,绝对不能达到使断层活化的失稳压力值,以确保安全生产。

3 应用效果

BZ26-2油田馆陶组天然能量非常充足,目前地层压降0.7 MPa,通过物资平衡法计算水体倍数为320。目前已有1口污水回注井A7井,回注层位为馆陶组地层,该井距离F3断层只有150m,日注污水量750m3。A7井日注水量已经接近饱和,井口压力高达到11.5MPa,通过酸化解堵[7]后仍不能解决井口压力高的问题。并且随着相邻4个油田日产水量不断增加,该井设计最大回注量远不能满足油田群长期安全生产需求,预计油田群日产水量高峰值将达到1278m3。通过污水回注研究发现,A7井距离F3断层较近,如果再继续加大注水,存在风险。综合地质油藏研究,A7井停止污水回注,考虑在油田内部新增加1口污水回注井A1S1。

图4 馆陶组地层压力预测

馆陶组储层稳定发育,为油田主要生产层位,设计A1S1井回注层位仍然为馆陶组,实现有采有注,尽量降低风险;设计井位远离F1、F3、F4、F5这4条断层。通过论证,采用A7井实际米吸水指数0.92m3/(MPa·d·m),A1S1井最大日注污水能力达3500m3,完全能满足油田群未来20a生产需求量。通过油藏数值模拟方法,预测出随着油田开发进行,馆陶组地层压力的变化情况。

研究表明,馆陶组生产层位原始地层压力为21.6MPa,2013年测地层压力为20.9MPa,目前地层压降为0.7MPa。污水回注井A1S1井生产至2031年,地层压力达到23.02MPa,与原始静压相比上升1.42MPa(见图4),远小于通天断层失稳压力15.5MPa。该井投产后,能确保安全生产,同时能满足油田群生产需要。目前A1S1井已经顺利实施。

4 结论

1)污水回注研究的关键是随着注入时间、注入总量的增加,地层压力会发生变化,要避免断层活化,注入水外溢发生。

2)对油田内部断层封堵性的研究是至关重要的,利用库伦-摩尔滑动准则计算断层活化的失稳压力是科学合理的。

3)污水回注井应远离通天断层和与通天断层搭接的断层,尽量实现储层内有注有采,避免出现注入水外溢。必须对污水回注井井口压力以及地层压力做好动态监测工作,地层压力要严格控制,绝对不能达到使断层活化的失稳压力值,以确保安全生产。

4)目前该研究方法,在渤海油田已经被推广应用,效果显著。

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[4]窦松江,赵平起.断层封闭性在油田开发中的应用[J].断块油气田,2010,17(1):28-30.

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[编辑]辛长静

X730.1;TE992.2

A

1673-1409(2014)26-0118-04

2014-03-10

何芬(1980-),女,工程师,现主要从事油气田开发管理方面的研究工作。