海上复杂断块油田合理注水压力研究

刘洪杰，陈鸿，王海更，王佩文，顾伟民

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）

在油田注水开发过程中，人们对油田的合理注水压力进行过很多有益的探索性研究，但是，这些研究的出发点多集中在油水井的套管安全方面［1-6］。然而，对于注水开发的复杂断块油田来说，除了考虑套管安全，还要考虑断层的稳定性［7-12］。在个别极端情况下，注水压力过高，致使断层失稳开启，原油沿断层面从地下溢至地表，给环境和作业者带来巨大危害，造成重大经济损失，渤海蓬莱19-3 油田和洛杉矶Wilmington 油田的溢油事故就是这样的例子［13］。因此，注水开发复杂断块油田，为避免断层失稳，有必要对考虑断层稳定性的注水压力进行研究。针对注水开发的复杂断块油田的特殊性，本文定义复杂断块油田的合理注水压力为，在断层稳定性以及油层不受伤害的情况下，注水井可以达到的最高井底注入压力。

1 蓬莱油田地质油藏特征

蓬莱油田位于渤海中南部海域，为发育在渤南低凸起带基底隆起上的大型复杂断块油田。该构造断层发育，主要受2 组近南北向走滑断层控制，主控走滑断裂带以及北东—南西向派生断层将蓬莱构造由北至南分割为十多个垒、堑相间的断块。油田共解释各类断层250 余条，在主要含油范围内180 多条。将切割至海床及海床以下100 m 的断层定义为“通海底”断层，此类断层共88 条。其中，主体区距离海床0 m 的断层共16条，延伸至海床以下50～100 m 的断层36 条，此类断层稳定性差，注水开发中需重点关注。油田主力含油层系为新近系明化镇组下段和馆陶组，储层为曲流河沉积，平均渗透率在1 500×10-3μm2以上。该油田于2002年12月投入开发，采用不规则及反九点面积井网相结合的方案注水开发，井距350 m，目前生产井210 口，注水井60 口。

2 合理注水压力计算

2.1 地层破裂压力法

地层破裂压力法确定注水井最大井口允许注入压力，主要考虑地层破裂压力，同时还考虑油管摩阻、配水嘴压力损失、液柱压力等因素，可由式（1）计算：

式中：pwh为注水井井口注入压力，MPa；α 为安全系数；pb为地层破裂压力，MPa；pfr为油管摩阻，MPa；por为配水嘴压力损失，MPa；phy为液柱压力，MPa。

为了使注水井在正常条件下注水，一般不允许井底注水压力超过地层破裂压力。这是因为井底注水压力超过地层破裂压力，易形成贯通注采井底的长裂缝，引起油田含水上升加快或出现暴性水淹。

张云春等研究认为，注水井井底注水压力上限，必须严格控制在垂向岩压或破裂压力以下［5］。《海上采油工程手册》建议，注水井井底注水压力取注水井段地层破裂压力的80%～90%作为注水井最大允许井底注水压力，本文α 取0.85。

2.1.1 地层破裂压力地层破裂压力可由式（2）计算：

式中：H 为注水井各注水段顶部砂体的垂深，m；G 为油层破裂压力梯度，MPa/m，由各区块典型井进行小型压裂测试确定。

2.1.2 油管摩阻

在注水过程中，由于流体与管壁之间的摩擦以及液体内部分子间的摩擦作用，注水井存在一定的沿程阻力损失。油管摩阻与油管长度、直径、粗糙度和注入量相关，可由式（3）计算：

式中：λ 为水力摩阻系数；ρ 为水密度，g/cm3；L 为油管长度，m；D 为油管内径，m；V 为流速，m/s。

λ 为雷诺数（Re）的函数，计算方法见表1（其中，Δ为油管粗糙度，mm；ε=2Δ/D）。

表1 水力摩阻系数计算公式

雷诺数可由式（4）计算：

式中：μ 为流体黏度，Pa·s。

2.1.3 配水嘴压力损失

配水嘴的压力损失与水嘴的内径、 个数及注入水量有关，可由式（5）计算：

式中：Q 为流量，m3/s；β 为流量系数（实际流量与理想流量之比），取值为0.344 5；A 为水嘴等效面积，m2；g为重力加速度，9.8 m/s2。

从式（5）可以看出，单位时间注水量相同的情况下，水嘴直径越大，水嘴个数越多，压力损失越小。

2.1.4 液柱压力

液柱压力可由式（6）计算：

利用地层破裂压力法计算了蓬莱油田P1 井的井口最大注水压力。P1 井为分层配注注水井，共分为4段注水，第1 个配水器以上采用15.00 mm 油管，以下采用11.67 mm 油管，其分层情况见表2。利用式（2）计算各分注段地层破裂压力，进而得到各分注段最大允许井底注水压力（见表2）。

表2 P1 井最大允许井底注水压力计算结果

注水井的最高井口注入压力，应按照满足最高注水压力段注入的要求进行计算，其他层段可通过井下水嘴节流得到满足该层注入要求的注入压力。在计算过程中，需要考虑各层深度不同带来的静液柱压力差。根据最大允许地层注入压力、液柱压力及油管摩阻，计算得出各层的最大井口允许注水压力，选取最大值8.44 MPa 作为该井的最大井口注入压力，该压力与其余分注层最大允许地层注入压力的差值即为水嘴需要节流的压力（见表3）。

表3 P1 井最大允许井口注水压力计算结果

2.2 断层临界失稳压力法

蓬莱构造处在郯庐断裂带上，其构造和断层的形成主要受到晚期构造活动影响，断层封堵及开启性易受到构造活动和地层压力变化影响。当作用于断层面的孔隙压力超过断层临界失稳压力时，会导致断层处于一种不稳定状态，因此断层附近注水井的最大允许注水压力不仅要考虑地层破裂压力的限制，还要考虑断层的临界失稳压力。

前人选用库仑-摩尔滑动准则对蓬莱油田 “通海底”断层进行了断层开启性研究。研究认为，蓬莱油田“通海底”断层的临界失稳压差为3 MPa，按油田中深地层压力12.9 MPa，则“通海底” 断层的开启压力为15.9 MPa，即当断层面受到的压力为原始地层压力的123%时，断层就有可能失稳。注水开发过程中，为了保持油田“通海底”断层处于封堵状态，对注水井与断层之间压力分布规律进行研究是非常必要的。本文主要通过渗流理论的镜像反映、势的叠加原理计算，以及数值模拟进行研究。

统计蓬莱油田断层附近注采关系主要有4 种模式： 第1 种模式是注水井与断层之间有2 口生产井泄压，第2 种模式是注水井与断层之间没有生产井泄压，第3 种模式是2 条断层中间布置一口生产井一口注水井，第4 种模式为2 个断层之间布置1 口注水井与2口生产井（见图1）。

2.2.1 渗流理论计算

模式1 及模式2 中，按照汇点反映法，对生产井A，C 进行对称、等强度、同号反映为A′，C′2 口生产井；同样，注水井B 井反映为对称、等强度的注水井B′。这样，6 口井均在断层的位置形成分流线，将问题转换为无限大地层中存在四汇两源（见图2）。根据势的叠加原理，当地层中同时存在若干口井时，地层中任意一点的势差应为各井单独工作时该点产生的势差的代数和［14］，即

式中：Φe为供给边界处的势；Φo为若干口井同时工作时o 点的势；Φoi为第i 井单独工作时o 点的势。

图1 蓬莱油田生产井注水井与断层配置方式

图2 直线断层一侧2 口生产井1 口注水井镜像反映

对地层中任意一点o 而言，当第i 井单独工作时存在：

则当第i 井单独工作时，在o 点产生的势差为

式中：ri为第i 井到o 点的距离，m；rei为第i 井到供给边界的距离，m；qi为采油强度或注水强度m3/（d·m）；Ci为第i 井单独工作时由边界条件确定的常数。

当n 口井同时工作时，o 点的势差为

实际计算时，取油井所在区域中心到供给边界的半径，作为各井共同的供给边界半径。利用式（11）可求解注水井与断层之间任意一点的压力。

以注采平衡为条件进行计算，并且模式1、模式2注水井注水强度为每口生产井采油强度的2 倍。模式1、模式2 注水井与断层连线上压力的数学表达式为

模式3、 模式4 为了在2 条断层位置都形成分流线，必须以断层面为镜面反映出无限多平衡井，将问题转变为无限大地层中，存在无限长井排的求解。同样以注采平衡为条件进行计算，模式3 注水强度为每口生产井采油强度的2 倍，模式4 注采强度相同。应用势的叠加原理进行求解，注水井与断层连线上压力的数学表达式分别为

模式3：

模式4：

式中：p（y）为断面所承受压力，MPa；a 为生产井距断层距离，m；b 为生产井一半井距，m；L 为注水井距断层距离，m；po为原始地层压力，MPa。

理论计算表明：模式1 和模式2 中，在注采平衡条件下，随着注水井离断层距离越来越大，断层面所承受的最大压力越来越小。当注水井距离断层超过200 m后，在注采平衡条件下，模式1 断层面的压力是不断亏空的；当注水井离断层距离大于100 m，且注水井最大允许注入压力不超过地层破裂压力时，注水是安全的（见图3）。

图3 不同断层距离注采井距时断层o 点受力与注水强度关系

模式3 和模式4 中，同样在注采平衡条件下，当生产井和注水井距离断层200 m 时，随着注水井与生产井距离越近，断层面所承受压力就越小。当注采井距在175～700 m 时，断层承受压力与原始地层压力相比变化不大（见图3）。

2.2.2 数值模拟研究

数值模拟研究是以P2 井实际地质模型作为地质模型，纵向上模拟一个注入层，厚度按1 m 模拟，网格步长为Dx=Dy=5 m，网格节点总数为142×142×1=20022个。模拟条件以注水井定井底流压进行控制，注水井井底流压分别按16 ，18 ，20 ，22 MPa 进行模拟，结果如图4所示。

数值模拟研究表明： 在注水井确定注入流压情况下，模式1 中当注水井距断层距离分别为100，175，275 m时，注水井的最大井底流压不能超过18.9，19.9，20.5 MPa，即可保证注水安全。模式2 中注水井距断层距离分别为100，200，300 m 时，注水井的最大井底注入压力分别不能超过18.0，18.8，20.0 MPa，能保证注水安全。模式3 中注水井距生产井的距离分别为175，350，700 m时，注水井的最大井底注入压力分别不能超过17.5，17.2，17.0 MPa，才能保证注水是安全的。模式4中注水井距生产井的距离分别为175，275，350 m时，注水井的最大井底注入压力分别不超过20.1，18.6，18.0 MPa，可保证注水安全（见图4）。

图4 不同注水井井底流压时断层o 点的受力情况

3 注水井最大允许注入压力确定

依据地层破裂压力法及断层临界失稳压力法计算结果，与断层不同配置关系的注水井最大允许井底流压计算方法为：

1）当注水井与“通海底”断层之间距离大于100 m时，注水井最大允许井底流压，按照不超过地层破裂压力85%确定。

2）当注水井与“通海底”断层之间距离小于100 m时，注水井最大允许井底流压，按照不超过地层破裂压力85%，以及注水井井底流压作用于断层面的压力不超过断层临界失稳压力85%共同确定，取二者低值。

根据以上原则，当注水井与“通海底”断层之间距离大于100 m 时，蓬莱油田注水井最大允许井底流压为17.8～22.4 MPa；当注水井与“通海底”断层之间距离小于100 m 时，注水井最大允许井底流压为15.9 MPa。

4 结论

1）海上复杂断块油田合理注水压力的确定，与生产井、 注水井和断层的配置方式，注水井到断层的距离，以及断层的性质有关，应综合考虑地层破裂压力和断层临界失稳压力，做到既不压裂地层又不破坏断层稳定性。

2）海上复杂断块油田注水井布井，应与“通海底”断层保持一定距离，建议大于100 m，同时考虑在注水井与断层间布生产井作为泄压点，降低断层失稳风险。

3）在注水过程中，应加强断层附近注水井及生产井的压力监测，同时通过注示踪剂加强断层封堵、储层连通监测，根据监测结果及时调整注入压力，保障注水安全。

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