基于多指标的致密油藏CO2吞吐影响因素及筛选方法

何应付 赵淑霞

(中石化石油勘探开发研究院， 北京 100083)

红河油田长8段储层位于鄂尔多斯盆地天环坳陷构造南部。主力油层长812小层砂体受水下分流河道控制，属于辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积。砂厚4.5～25.1 m，平均厚度15.0 m；储层孔隙度介于4.4%～14.0%，平均孔隙度为10.8%；渗透率介于(0.10～0.64)×10-3μm2，平均渗透率为0.40×10-3μm2。长8段储层裂缝发育，以垂直缝、高角度缝为主，裂缝长度集中分布在10～30 cm，裂缝宽度小于1 mm，以半充填和充填裂缝为主。总体上，长8段储层为超低渗透、裂缝性砂岩储层[1-2]。目前采用水平井多级压裂、衰竭式开采，产量递减快、地层能量下降快，急需采取有效措施补充地层能量。

CO2吞吐最初作为稠油蒸汽吞吐的替换方式而被提出，1984年被用于轻质油藏的开采。目前在稠油、复杂断块、低渗透等多类型油藏取得了成功应用[3-6]。但是由于CO2吞吐机理较为复杂[7-8]，评价参数多样[9]、影响因素众多，其适用油藏的筛选方法、注采参数优化方法等一直受到油藏工程师的广泛关注。Mohammed-Singh根据特立尼达与多巴哥的Forest 油田16个井区CO2吞吐实施情况，分析了CO2吞吐的影响因素，给出了CO2吞吐的筛选方法[10]，但该方法并不适合致密低渗储层。高慧梅等建立了致密油藏CO2吞吐潜力评价的响应面模型[11]，但该模型仅以换油率为评价指标，难以用于油藏筛选，且对裂缝性油藏并不适用。

本次研究以鄂尔多斯红河油田为对象，针对储层天然裂缝发育的特点和多级压裂水平井开发的实际情况，采用多指标正交试验设计方法分析CO2吞吐的影响因素，并将多指标体系与Box-Behnken试验设计相结合，建立了致密油藏多级压裂水平井CO2吞吐筛选方法。

1 多指标综合评价方法

多指标综合评价是针对研究对象，建立一个统计指标体系，并利用一定的方法和模型，对反映该现象不同侧面的指标进行综合分析，对被评价的事物从整体上做出定量的判断，从而揭示事物的本质及其发展规律[12]。

CO2吞吐是一种提高采收率的方法，目前一般采用换油率和增产油量，或阶段采出程度、采收率增幅等指标对其进行评价。但是这些指标仅反映CO2吞吐的一个方面，且各指标间的变化趋势可能相反。比如，对于周期增油量高的方案，其换油率可能较低；对于阶段采出程度高的方案，其换油率可能不高。因此，CO2吞吐属于多指标问题，不能用单一指标来评价CO2吞吐效果。因此，本次研究采用多指标综合评价方法对能否开展CO2吞吐的单井进行筛选并开展注采参数优化研究。为了简化问题，采用如下公式计算综合评价指标：

式中：Z—— 综合评价指标；

i—— 各影响因素分别是换油率、平均周期增油量、阶段采出程度、采收率增幅、含水率初值；

fi—— 第i指标归一化后的值；

ωi—— 第i因素的权重，本次研究采用层次分析法进行给定，结果见表1。

表1 综合评价指标权重分配

将各权重带入综合指标计算公式，可以获得：

Z=0.399C+0.369Qo+0.130ZR+0.073R-0.029fw

2 CO2吞吐影响因素分析

2.1 正交实验设计

由于红河油田长8储层裂缝发育，因此采用双重介质数值模拟组分模型。模型长500 m，宽 300 m，平面网格尺寸为10 m×5 m；纵向上共划分 5层，针对不同厚度采用不同的网格尺寸；采用不均匀加密方式模拟压裂裂缝，水力压裂有效导流能力为 5 μm2·cm；组分热力学参数由PVTi模块拟合得到。

根据红河油田长8储层的实际地质情况确定各影响因素的变化范围。按照13因素3水平，采用正交设计方法设计了27组试验。利用所建立的典型模型，模拟计算每组参数水平下的综合评价指标值。试验影响因素及水平见表2。

2.2 影响因素分析

正交试验结果分析见图1，可见各参数对CO2吞吐效果影响规律不同。多因素评价指标Z随着原油饱和度So、天然裂缝密度ρf、油层厚度h、天然裂缝密度纵向变异系数的增大而增大；随着原油黏度μo、穿透比v、垂向渗透率与水平渗透率的比值KvKh的增大而降低；Z与基质渗透率K、基质渗透率纵向变异系数、天然裂缝密度的平面非均质性、压裂裂缝间距L、地层压力pi等的关系不呈单调变化。

注：pi— 原油地层压力；pm— 最小混相压力[13]。

利用正交设计软件分析各影响因素对CO2吞吐综合评价指标的影响程度，结果见图2。从图中可看出：对综合评价指标的影响程度由强到弱的各因素依次为原油饱和度、天然裂缝密度、原油黏度、油藏厚度、裂缝纵向非均质性、裂缝平面非均质性、基质纵向非均质性、KvKh、基质平面非均质性、压裂裂缝间距、初始地层压力、基质渗透率、穿透比，且原油饱和度、天然裂缝密度、原油黏度和油藏厚度的极值远大于其他因素。

对比换油率和综合指标Z的极差(图2、图3)可以看出，由于使用了不同的目标函数，各影响因素重要性排序明显不同。比如，影响多指标目标函数的前6位因素为原油饱和度、天然裂缝密度、原油黏度、油藏厚度、裂缝纵向非均质性、裂缝平面非均质性，而影响CO2换油率的因素为原油饱和度、天然裂缝密度、原油黏度、压裂裂缝间距、裂缝发育非均质性、基质纵向非均质性。不过在建立Z函数时，换油率是最重要的目标，其权重较大，这也使得排在前3位的影响因素是相同的。

3 CO2吞吐单井筛选方法分析

3.1 Box-Behnken实验设计

根据影响因素分析结果，考虑最重要的4个因素，按照4因素3水平，采用响应面软件Design Expert 8.0的BBD方法设计29组试验，利用Eclipse软件建立典型的组分模型，模拟计算每组参数水平下的多因素指标Z。表3为试验影响因素及水平。

图1 正交试验结果效应曲线图

图2 正交设计综合指标函数极差分析结果

3.2 筛选方法建立

表4和表5分别为Design Expert 8.0 给出的多指标函数值与各影响因素相关关系拟合模型的方差分析比较和相关系数。

从表4可以看出，线性模型的F(F检验的统计量)最大，拟合效果最好，其次为二次方模型。在表5对能够拟合数据的各种多项式模型的复相关系数及均方差和偏差平方和的结果进行了比较。三次多项式的标准偏差最小，但是其总的预测残差平方和最大，所以不予选择。线性模型的预测残差平方和以及标准偏差大于二次方模型，其R2预测值低于二次方模型。综合分析，二次方模型预测的残差平方和最小，标准偏差较小，R2值较大，拟合精度较高，因此本次研究选择二次方模型作为拟合致密油藏多级压裂水平井CO2吞吐多指标函数筛选的响应面模型。

图3 正交设计换油率极差分析结果

影响因素因素水平-101SoA0．300．400．50ρf∕(条·m-1)B0．050．250．45μo∕(mPa·s)C159h∕mD51525

根据选用的二次方模型回归致密油藏多级压裂水平井CO2吞吐筛选函数为:

Z=-0.386 40+1.751 10So-0.231 39ρf-

0.017 84μo-0.015 43h+4.147 46Soρf-

0.174 12Soμo+0.038 61Soh-0.020 40ρfμo+

0.027 54ρfh+2.451 89E-04μoh+

0.139 45ρfhSo2-1.415 00ρf2

因此，可根据单井地质参数计算函数值，然后根据函数值的大小对候选井进行排序。函数值大于平均值的井作为可实施井，按函数值大小顺序实施CO2吞吐。

4 矿场应用效果分析

统计红河油田主体区域291口井，压裂施工导致的缝窜井52口，不适合单井吞吐；低产低效井以高含水为主，物质基础差的井84口，不适合单井吞吐。对正常生产的155口井进行CO2吞吐适宜性评价，结果表明红河油田适宜CO2吞吐的井共有51口，仅占正常生产井的13，因此红河油田吞吐潜力不大。

表4 多种模型方差分析比较

表5 R2综合分析

5 结 语

(1) 建立了CO2吞吐多指标综合分析函数，该函数反映了换油率、平均周期增油量、阶段采出程度、采收率增幅、含水率初值等5个指标的综合作用。

(2) 基于多指标综合分析函数，采用数值模拟技术和正交设计方法，分析认为影响致密油藏多级压裂水平井的主控因素为原油饱和度、天然裂缝密度、原油黏度和油藏厚度。

(3) 基于多指标综合分析函数，采用数值模拟技术与Box-Behnken实验设计相结合，建立了致密油藏多级压裂水平井CO2吞吐筛选排序模型，且运用该模型对鄂尔多斯红河油田的单井进行了筛选。

[1] 胡作维,李云,王海红,等.鄂尔多斯盆地镇原地区长8油层组超低渗储层孔隙结构特征[J].岩性油气藏,2014,26(2):15-20.

[2] 雷启鸿,高琼瑶,成良丙,等.鄂尔多斯盆地马岭地区长8油层组物源及沉积展布特征[J].岩性油气藏,2015,27(2):70-76.

[3] 何应付,梅士盛,杨正明，等.苏丹Palogue油田稠油CO2吞吐开发影响因素数值模拟分析[J].特种油气藏,2006,13(1):64-67.

[4] OLENICK S. SCHROEDER F A, HAINES H K，et al. CO2injection for heavy oil recovery in Halfmoon field: laboratory evaluation and pilot performance[G]. SPE 24645, 1992.

[5] 陈民锋,姜汉桥,吴应川,等.复杂断块油藏单井CO2吞吐注采参数优化研究[J].油气田地面工程,2008,27(11):1-3.

[6] 吴文有,张丽华,陈文彬.CO2吞吐改善低渗透油田开发效果可行性研究[J].大庆石油地质与开发,2001,20(6):51-53.

[7] 杨胜来,王亮,何建军，等.CO2吞吐增油机理及矿场应用效果[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2004,19(4):23-25.

[8] CHENG C, MATTHEW B. Effect of reservoir heterogeneity on improved shale oil recovery by CO2Huff & Puff[G]. SPE 164553, 2013.

[9] TADAO U, YUSUKE F. Evaluation of a vietnam offshore CO2Huff & Puff Test[G]. SPE 154128, 2012.

[10] MOHAMMED-SINGH J L, SINGHAL K A,SIM S. Screening criteria for Carbon Dioxide Huff & Puff operations[G]. SPE 100044, 2006.

[11] 高慧梅,谭学群,何应付.致密油藏多级压裂水平井CO2吞吐潜力评价模型[J].科学技术与工程，2014，14(27)：207-230.

[12] 金贞珍.关于多指标综合评价方法及其权数问题的讨论[D].延吉：延边大学，2007:1-2.

[13] 黄春霞,汤瑞佳,余华贵,等.高压悬滴法测定CO2— 原油最小混相压力[J].岩性油气藏, 2015,27(1):127-130.