均质底水油藏水平井水淹特征研究

余 华 杰

(中海油研究总院开发研究院, 北京 100028)



均质底水油藏水平井水淹特征研究

余 华 杰

(中海油研究总院开发研究院, 北京 100028)

摘要：利用三维可视化物理模拟装置模拟水平井在均质底水油藏中的水淹规律及水淹动态，并基于渗流力学理论推导了水平井开发见水模式。研究结果表明，在不考虑水平井井筒压降损失的情况下，裸眼或射孔完井水平井的临界见水点位置在水平段中间部位；水平井水淹动态模式为“均匀抬升 — 中部见水 — 两边扩展 — 全井水淹 — 两翼抬升”；在高含水时期水平井通过关井压水锥，可以提高产油速度，降低含水率；相同水平段长度条件下，随生产压差的增大，水平井见水时间提前，产油速度变大，无水期采油量减少，含水上升速度变快。因此，在单井经济极限产量许可下，水平井开发底水油藏应尽量采用较小的生产压差。

关键词：物理模拟； 理论推导； 水淹特征； 水平井； 均质底水油藏

底水油藏在国内外分布十分广泛，仅在我国西北某油区累计储量就高达2×108m3[1]，但是，在开发过程中存在的底水锥进现象，严重影响了该类油藏的开发效果[2-3]。水平井可以增加与油层的接触面积，提高波及面积和体积，改变底水锥进模式，变“锥进”为“脊进”从而减弱底水锥进的趋势[4]。因此，水平井被广泛应用于底水油藏的开发。然而，水平井在底水油藏的开采过程中一旦底水“脊进”突破，水平井含水率迅速上升，产油量急剧下降。水平井见水以后找水、堵水作业困难[5]。近年来，国内外学者对水平井开采底水油藏进行了广泛研究，大部分文献通过理论分析研究了底水油藏水平井产能、临界产量和见水时间[6-8]、水平井两相渗流机理[9-10]、底水油藏开采的数值模拟方法[11]等，但是较少通过物理模拟实验研究底水油藏水平井的开采规律。本次研究通过三维可视化物理模拟装置开展水平井开采均质底水油藏水淹规律及水淹模式研究，观察水平井开采时的“脊进”过程，研究相同水平段长度不同生产压差条件下底水上升规律、水脊形成与发展机理，分析生产压差对见水时间和采收率的影响，剖析水平井开采底水油藏的渗流机理，得到水平井开发的水淹规律和水淹模式，为高效开发底水油藏提供指导。

1实验系流与流程

本实验装置主要用于在恒定压力、底水供给条件下，对水平井水淹规律与水淹模式的研究。底水供给系统的双液桶设计可以保持稳定的底水恒压供给；三维可视化模型可以直观形象地观察底水上升的形态。实验开始时，首先打开底水入口，待2台压力传感器读数与进水桶到三维可视化模型的静水柱压力相等且保持稳定时，打开水平井进行生产。这样操作的目的是使三维模型内各点的折算压力相等，用以模拟原始地层压力；水平井段外接出液阀门，控制水平井产量，研究产液速度对水淹规律的影响(图1)。

图1　底水油藏水平井水淹模式三维物理模拟流程图

三维底水油藏水平井水淹模式物理模拟装置由底水供给系统、三维可视化模型、记录计量系统组成。底水供给系统用以保持底水恒定压力向模型注入；三维可视化模型用以模拟实际地层和观察实验现象；记录计量系统主要用于对底水层、水平井跟端的压力测量，实现实验现象的记录和时间、流量的计量。模拟流程图如图1所示。

主航道进出洋山港的大型和超大型船舶与其他通航船舶相比具有较高优先级。[9]当存在碰撞危险时，穿越洋山港主航道的船舶应当避让在航道中正常航行的船舶，金山航道南下北上过境船舶应主动避让洋山港进出口的大型船舶，并留足安全距离以保证进出口大型船舶的优先级。

由于矿区所处大地构造位置的特殊性，以及经历长期地质作用的改造[5-6]，该区构造演化十分复杂，构造类型多样，主要有褶皱、断裂和火山机构等三类主要构造类型。

1.2实验流程

实验方法及步骤主要有10步：(1)连接各部分管线；(2)校准压力表读数，调整其示数为零；(3)固定水平井位置、对模型填砂；(4)向模型中注入模拟地层水，将煤油和润滑油按一定比例配制成模拟油，并用密度计和黏度计分别测量模拟油和地层水的密度和黏度，并做好记录；(5)将模型上盖加密封胶皮，并用夹持器逐点加紧法兰盘以密封模型，保证在驱替过程中无模拟油从上盖边缘溢流；(6)待油水界面稳定后，启动水泵并打开三维模型底部底水入口，向模型中注入染色地层水，使水平井保持关井状态，待2个压力传感器读数稳定后，记录并作为原始地层压力；(7)打开水平井进行生产；(8)计量三维可视化模型的底水层压力和水平井跟趾端压力，计量出口端产液量，水平井见水后分别记录产油量和产水量；(9)在实验过程中拍摄水平井正面和侧面的水脊上升形态及发展变化过程，记录临界见水点、临界见水时间以及全井水淹时间；(10)关闭水泵，清洗实验装置，整理分析实验数据。

不同生产压差下实验结果统计见表2。

2实验模型设计

实验模型参数见表1。

从图4可以看出，随生产压差增大，相同水平段长度的水平井见水时间提前。水平井见水后，含水率上升速度加快，几乎呈直线上升，在达到一定程度后，含水率上升速度减缓，含水率曲线存在一个明显的拐点；水平段长度相同的水平井在不同的生产压差下，含水率曲线出现拐点的时间不同，拐点处的含水率也不相同。相同水平段长度时，生产压差增大使含水率上升速度加快，出现拐点的时间提前，含水率达到90%所需时间短。生产压差变大时，油水界面推进速度加快，容易形成水脊，底水很快脊进到水平井筒，导致油井见水。在相同的含水率下其水脊形态大体相近，生产前期生产压差越大水脊形态越陡，水脊的脊进现象也越明显。在生产压差为0.55 kPa，含水率上升到85%时，对水平井实施关井，一段时间后重新开井生产。从图4可以发现，采取措施后产液产油速度均得到提升，含水率有所下降，说明水平井开采底水油藏时在高含水期实施关井压水锥具有一定的效果。

表1　实验模型参数

3实验结果与分析

为了求证均质底水油藏水平井开发见水模式，假设水平井为无限导流能力，各射孔点处流量相等，忽略水平井井筒中的压力降，即将各射孔点分别简化为互不相关的独立直井。

3.1水脊的形成与发展过程

(2)较小生产压差下的无水采油量为较大生产压差下的1.64倍，此时的水脊体积是较大生产压差下的1.64倍，说明较小的生产压差可以大大提高油井无水期采油量(表2)。

3.2生产动态规律

“南海核心利益说”提出后，美国南海政策调整速度加快，针对中国的一面越来越突出。2010年2月4日副助理国务卿施大伟(David B. Shear)、副助理国防部长谢尔在国会听证会上对南海局势发言谨慎。施大伟系统地提出了美国在南海的重要利益，谢尔则突出了美国要用实力维护地区和平稳定的决心。[21]2个月后，“南海核心利益说”被抛出。6月以来美太平洋部队司令罗伯特·威拉德上将(Robert Willard)多次声称美国在南海的诸项重要利益。7月23日希拉里国务卿在ARF发表“美国在南海有重要利益”的讲话，由此美国南海政策的新近转型基本告一段落。

在正式下发城市总体规划水资源论证工作要求文件之前，建议通过经费补助、制度宣传等方式，大力推进城市总体规划水资源论证试点工作，提高各地对城市总体规划开展水资源论证工作的重视，并对城市总体规划水资源论证的关键问题进行研究和探索。通过召开试点工作座谈会等形式，扩大工作交流，不断总结论证工作经验，逐步促进城市总体规划水资源论证工作全面开展。抓好规划水资源论证审查专家、编制单位、审查机关的人员培训，提高规划水资源论证的工作水平。

图2　不同生产压差下见水时刻的水脊形态图

图3　含水率为60%时不同生产压差下的水脊形态图

生产压差∕kPa无水采油期∕min无水采油量∕mL含水率为90%时累计产油量∕mL累计产水量∕mL0.551022299437423781.1029139843014134

(1)生产压差提高2倍时，其无水采油期由102.47 min降低为29.05 min，见水时间大大提前；

由图2、图3可知，在相同水平段长度、不同生产压差下水脊形成过程及其形状不同。在含水率相同、生产压差较大时，水脊的两翼较陡峭，油水边界变形较大，在两翼边缘处出现较大的死油区(图2a)。随着生产压差的减小，水脊两翼逐渐变缓且对称分布，两翼边缘处形成的死油区较小(图2b)。当生产压差进一步减小时，水脊现象变得不明显，在水驱初始阶段油水界面呈线状均匀推进；水线接近水平井井筒时才逐渐出现微微凸起的油水界面，然后变形为两翼较平缓的水脊形态。油水界面与水平井筒接触处为水脊顶点，水脊长度与水平段长度几乎相等。根据实验观察可将水淹动态过程描述为：油水界面首先缓慢均匀抬升至一定高度时，水脊向水平段中间部位突进，油井见水；然后水脊沿井向水平段两端扩展，含水率持续稳定上升，直到整个水平段完全水淹为止；水平段完全水淹后，水脊左右两翼逐渐抬升，直到与水平段所在水平面位置平齐。即可归纳为“均匀抬升 — 中部见水 — 两边扩展 — 全井水淹 — 翼部抬升”的水淹模式。

图4　生产动态曲线

4底水油藏水平井开发见水模式论证

在生产压差为0.55、1.10 kPa的条件下，分别进行物理模拟实验。

本文课题组前期分别利用阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、酸溶液及其复合溶液浸泡煤样，结果表明阴离子表面活性剂和酸的复合溶液对煤样的破坏效果优于其他溶液，因此，本文以阜新长焰煤作为研究对象，采用有机/酸(SDS/HCl)复合溶液对煤样进行浸泡，研究煤样表观形貌、矿物质成分、微观孔隙结构随浸泡时间的变化规律，分析煤样在有机/酸复合溶液化学作用下破坏的微观机制，并通过单轴压缩实验测定煤样力学特性，以验证煤样微观破坏机理。

vy= vy0+vy1+vy1′+…+vyn+vyn′

(1)

则点(x=0，y=a),(x=ja，y=a)处的速度为：

(2)

(3)

图5　2n+1个射孔点水平井示意图

经整理得到：

假设水平井投产段有2n+1个射孔点，各射孔点坐标为(0,0)，(±a，0)，(±2a，0)，…，(±na，0)如图5所示，则空间任意一点的速度为：

“你的身体还是少女的身体，这里面没有性、没有肉欲，有的只是青涩和感性。你单薄的脸和纯净的眼神，正是我所寻找的。”

(4)

则

(5)

从式(5)知中间射孔点处纵向速度最大。当n→+∞且a→0时，相当于水平井裸眼完井时，在低流速不考虑井筒内压降损失的情况下其临界见水点在水平段中间部位。该结论与三维物理模拟实验结果一致。

5结语

(1)均质底水油藏，不考虑井筒压降损失，裸眼或射孔完井的水平井的临界见水点位置在水平段中间部位。

(2)水淹模式为“均匀抬升 — 中部见水 — 两边扩展 — 全井水淹 — 两翼抬升”。

(3)水平井开采底水油藏在高含水时期实施关井压水锥具有一定的效果，可以提高产油速度，降低含水率。

(4)水平段长度相同的水平井随生产压差增大，其见水时间提前，产油速度变大，无水期采油量减少，含水率上升速度变快。因此利用水平井开发底水油藏应采用较小的生产压差。

参考文献

[1] 喻高明,凌建军.砂岩底水油藏开采机理及开发策略[J].石油学报,1997,18(2):61-65.

[2] 曹建坤,杨生柱,张宏强,等.底水油藏堵水技术研究[J].石油勘探与开发,2002,29(5):80-81．

[3] 朱怀江,刘先灵,刘玉章,等.石西油田深井高温底水封堵试验研究[J].石油学报,2003,24(1):63-67.

[4] 王新东,蒋海军,凌明友,等.水平井技术在临盘油田开发后期的配套应用[J]．中国海上油气(工程)，2003,15(5):33-36．

[5] 李宜坤,胡频,冯积累,等.水平井堵水的背景、现状及发展趋势[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2005,27(5):757-760．

[6] GUO B Y, MOLIHARD J E, LEE R L. A General Solution of GasWater Coning Problem for Horizontal Well[G]. SPE25050, 1992.

[7] CHAPERON I. Theoretical Study of Coning toward Horizontal Wells and Vertical Wells in Anisotropic Formation Subcritical and Critical Rates[G]. SPE15377,1986.

[8] GIGER E M. Analytic 2D Models of Water Cresting before Breakthrough for Horizontal Wells [J]. SPE Reservoir Engineering, 1989(11): 409-416.

[9] 郭大立,刘慈群.裂缝性底水油藏中水平井两相渗流模型[J].石油勘探与开发,1995,22(6):44-46.

[10] 刘慈群.水平井两相渗流[J].力学与实践,1993,15(2):23-24.

[11] 程林松,李春兰,郎兆新.裂缝性底水油藏水平井三维油水两相有限元数值模拟方法[J].石油勘探与开发,1998,25(2):41-45.

Study on Water Flooding Feature in Horizontal Well with Homogeneous Bottom Water Reservoir

YUHuajie

(Development Research Dept., CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Abstract:By using the 3D visible physical simulation model, in-house physical simulation experiments of the water flooding rule and the water flooding pattern of the bottom water drive reservoir exploited by horizontal well was completed, as well as the breakthrough place of the horizontal well during development was deduced by percolation mechanics theory. Research indicates that in homogeneous bottom water reservoir, without consideration of the pressure drop in horizontal well bore, the critical breakthrough point is in the middle part of the horizontal well under the condition of open hole completion or perforation completion; the dynamic modeling of horizontal well water flooding in bottom water drive reservoir is “uniform rising — breakthrough in the middle — extention to both sides — full hole water flooding — double wing rising”; when the well is high water cut, carrying out shutting the well to control the water coining can increase oil productivity and reduce water cut; under the same length of horizontal parts and accreting producing pressure drop, the breakthrough time is advanced, and the oil-producing velocity increases while the oil production decreases, the ascending velocity of water content is faster as well. In a conclusion, within the single well economic limit production, there should be as little producing pressure drop as possible.

Key words:physical simulating; theory derivation; water flooding feature; horizontal well; homogeneous bottom water reservoir

收稿日期：2015-09-16

基金项目：国家科技重大专项“西非、亚太及南美典型油气田开发关键技术研究”(2011ZX05030-005)

作者简介：余华杰(1983 — )，男，硕士，工程师，研究方向为油气藏工程及数值模拟技术。

中图分类号：TE312

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0026-04