渤海油田水平井出水特征及控水效果评价方法

龚 宁，李 进，陈 娜，张启龙，徐 涛

(1.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300459； 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459； 3.中国石油渤海钻探工程公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

水平井在渤海油田的应用规模不断扩大，但含水率上升问题日益严重，部分油田含水率高达90%[1-5]。高含水问题已成为渤海油田低产低效井和长停井的首要成因，稳油控水迫在眉睫[6-9]。随着技术的发展，渤海油田先后采用了变密度筛管、中心管、流量控制阀(ICD)等控水技术，但整体呈现控水成本高、有效期短、成功率低的特点[10-12]。主要原因在于现有控水技术缺乏对水平井出水规律、特征和影响因素的认识与研究，同时，缺乏对注水效果的后续评估的手段和技术，控水效果难以保证。目前，关于水平井出水规律的研究主要是依据含水率随时间变化的曲线形态判断出水类型及特征[4，8，13-16]。在控水效果评价方面，前期控水措施的评价以与邻井对比为主，后期控水措施的评价主要以措施前后的产液量和含水率对比为主，缺少综合量化评价手段[17-21]。为此，针对渤海油田水平井出水规律特征和控水效果评价开展了技术攻关，以期为实现渤海油田3 000×104t稳产目标提供技术支持。

1 水平井出水规律及特征分析

以渤海某高含水油田(CD1、CD6)为例，统计121口水平井生产数据。以单井为研究对象，采用含水率曲线法，统计分析水平井出水规律。由于各井的投产时间不同，需将累计产油量做归一化处理，以无因次累计产油量为横坐标、含水率为纵坐标绘图[13]。从分析结果来看，渤海油田水平井出水规律主要归纳为4种类型：凸型、直线型、S型、和凹型。

(1) 凸型(图1)。井数为63口，占总井数的52.0%，为最主要的出水规律。由图1可知：该类型水平井基本不存在无水产油期，投产后立即见水，且中、低含水期含水率上升较快，含水率和累计产油量满足对数函数关系。当含水率达到70%时，可采出油井总产量的30%左右；主要产油期为中、高含水阶段(含水率为70%～90%)，可采出近70%的产量。

(2) 直线型(图2)。井数为24口，占总井数的19.8%。由图2可知：该类型水平井投产即高含水，没有无水采油期，投产初期含水率均在75%以上，平均在2～5个月左右含水率快速上升至90%；含水率与累计产油量满足线性关系，主要采油阶段为高含水阶段。

图1 凸型水平井出水规律曲线

图2 直线型水平井出水规律曲线

(3) S型(图3)。井数为21口，占总井数的17.4%。由图3可知：该类型水平井具有较长的无水采油期，无水采油期为3～17个月；含水率5%以内，采出总产量的30%～50%；见水后含水迅速上升，含水率70%为曲线拐点，此后含水上升速度变缓，含水率与累计产油量满足六次多项式关系。

(4) 凹型(图4)。井数为13口，占总井数的10.7%。由图4可知：该类型水平井具有一定的无水采油期，无水采油期为4～16个月，平均为9个月；在中、低含水期采出大部分原油，当含水率达到60%时，可采出油井总产量的60%～90%，含水率与累计产油量满足三次多项式关系。

图3 S型水平井出水规律曲线

图4 凹型水平井出水规律曲线

2 出水影响因素及关联度研究

2.1 出水影响因素分析

研究表明[1，5，8，13-16]，影响水平井出水的因素主要包括三大类：地质因素、工程因素和开采因素。地质因素是导致水平井出水的先天因素，主要包括水平段渗透率级差、油水黏度比、隔夹层情况等因素；工程因素主要指水平井轨迹指标，主要包括水平井避水高度，水平段长度等，属于后天可控因素；开采因素指投产后的生产因素，主要包括产液量、生产压差、钻完井污染等，也属于后天可控因素。在进行水平井出水影响因素分析时，可将上述多种开采因素指标归结为一个综合性的开采指标，即采液强度[21-22]。

2.2 影响因素灰色关联度分析

采用灰色关联度理论[8，23-28]，分析水平井出水类型和各影响因素的关系。将描述含水率上升速率的水油比导数作为参考序列，将渗透率级差、采液强度、避水高度、油水黏度比及水平段长度作为比较序列。按照式(1)计算比较序列和参考序列之间的关联度。

(1)

式中：ξi(k)为参考序列与比较序列的关联度；xi(k)为比较序列；y(k)为参考序列；ξ为分辨系数，一般取0.5；i为所分析的影响因素个数；k为分析统计样本量。

以最为主要的凸型出水类型为例进行关联度分析，确定渤海油田水平井出水影响因素指标分析序列(表1)。

首先，对表1中的数据进行无量纲化处理，计算出两级最小差和两级最大差分别为0.01和3.20，然后应用式(1)计算灰色关联度(表2)。

表1 渤海油田水平井出水影响因素指标分析序列

表2 灰色关联度计算结果与评价

由表2可知，对于凸型水平井，避水高度和水平段长度是影响出水的主因，其次为采液强度、渗透率级差和油水黏度比。

2.3 关联度分析结论及控水措施建议

采用上述分析方法，对直线型、凹型和S型水平井进行影响因素关联度分析，并分析了其出水的主要原因和措施建议(表3)。

表3 影响因素关联度分析结果

由表3可知，采液强度对4种类型水平井的影响都比较大。海上油田生产以强注强采为主，高采液强度表示生产压差较大，容易导致含水率快速上升，因此，制订合理的生产制度和生产压差对水平井有效控水尤为关键。此外，水平井轨迹对于凸型、凹型、S型井来说影响也比较大，主要体现在避水高度和水平段长度2个因素。对于直线型水平井而言，除采液强度影响外，油水黏度比和渗透率级差的影响也较大，水平井轨迹的影响相对较小。

根据各类型水平井出水主控因素的分析结果，并结合原因分析，给出对应的控水措施建议。凸型水平井：合理设计和控制水平井轨迹，避水高度尽可能大，合理设计水平段长度。凹型水平井：合理制订生产制度，控制生产压差，避免高采液强度引起油井含水率快速上升；合理设计水平井轨迹。S型水平井：重点在于水平井轨迹和生产制度的合理制订，避水高度应尽可能大，同时避免过大的生产压差，延长无水采油期。直线型水平井：宜选用自动流量控制阀(AICD)进行控水。

3 水平井控水效果量化评价方法研究

基于控水效果分析以及邻井资料、配产数据对比分析，提出等效增油量和平均增油速率2个控水效果量化评价指标：

ΔQo=∑QΔCt

(2)

(3)

式中：ΔQo为等效增油量，m3；Q为实际日产液，m3/d；ΔC为控水前后含水率变化差值，%；t为控水有效期，d；qo为平均增油速率，m3/a；T为累计生产年限，a。

以等效增油量和平均增油速率作为效果评价指标，建立水平井控水效果量化评价方法，具体步骤如下。

(1) 调研搜集目标井的地质油藏资料、钻完井资料、配产数据、生产数据等基础资料，以及用于分析对比的同层位邻井资料。

(2) 采用3种方法求解式(2)中控水前后含水率变化差值 ：①软件模拟对比法。采用NETool软件建模，计算目标井不采用控水措施时的含水率，与该井的实际含水率对比，计算含水率差值 。②邻井对比法。选择与目标井同层位且未采取控水措施的生产井作为对比井，将目标井和对比井的含水率进行对比，计算含水率差值 。③配产含水率对比法。将目标井的实际生产含水率和该井原始配产方案的含水率进行对比，计算含水率差值 。

(3) 将含水率差值ΔC1、ΔC2和ΔC3带入式(2)，计算3种对比方法对应的等效增油量ΔQo1、ΔQo2和ΔQo3，然后带入式(3)计算对应的平均增油速率qo1、qo2和qo3。

(4) 计算等效增油量、平均增油速率的算术平均值，通过对比数值大小评价水平井控水效果。

4 实例应用

研究成果在渤海CD-X油田23口水平井开发全过程中进行了应用。首先根据原开发方案油藏配产数据，基于含水率曲线法判断油井出水类型(CD-X油田23口水平井中，凸型水平井为10口、S型水平井为8口、凹型水平井为5口，如图5所示)，结合各类型水平井出水主控因素分析结论，对油藏开发方案进行优化：凸型和S型水平井的主控因素为避水高度和水平段长度，将避水高度由8 m增至10 m，同时在保证穿过靶点的条件下，优化水平井轨迹和水平段长度，平均水平段长度由420 m降至380 m；凹型水平井的主控因素为采液强度，将单井最大产液量控制在224 m3/d，避免因采液强度过大而造成油井水淹。从该油田投产后前2 a生产情况来看，综合含水率较周边同层位水平井含水率降低3.5个百分点，目前含水率均在10%以内，有效指导了该油田的控水方案优化工作。

同时，选取CD-X油田的2口水平井X2H井和X5H井，应用水平井控水效果量化评价方法评价控水效果。2口井生产层位均为馆陶组，分别于2017年4月4日和4月6日投产，水平段为Φ215.9 mm裸眼，分别采用Φ177.8 mm变密度筛管和Φ177.8 mm ICD均衡筛管控水。按照上述水平井控水效果量化评价方法，计算3种对比方法(软件模拟对比法、邻井对比法和配产含水率对比法)的等效增油量和平均增油速率(表4)。

图5 CD-X油田单井配产含水率

表4 X2H和X5H井控水效果量化评价结果

由表4可知，X2H井等效增油量为4 789.5 m3，平均增油速率为2 128.7 m3/a，X5H井等效增油量为16 131.3 m3，平均增油速率为6 043.3 m3/a，2口井所采用的控水措施都起到了一定的稳油控水效果。其中，X5H井控水效果更显著。就这2口井而言，采用ICD均衡筛管控水的X5H井较采用变密度筛管控水的X2H井控水效果更优，主要原因在于ICD均衡筛管能够在含水率较高的油层产生较大的压降[29]，从而抑制高含水段的产量，延长无水采油期。

5 结论与建议

(1) 采用单井含水率曲线法分析认为，渤海油田水平井出水规律主要包括凸型、直线型、S型、凹型4种类型，以凸型为主，其中，S型和凹型具有较长的无水采油期。

(2) 基于出水影响因素及机理分析，采用灰色关联度分析法，研究了各影响因素重要性等级，研究结论可指导新井控水设计，从根源有效解决控水难题。

(3) 采用软件模拟对比法、邻井对比法、配产含水率对比法等3种含水率对比方法，建立了以等效增油量和平均增油速率为指标的水平井控水效果量化评价方法。应用表明，该方法可有效评价控水效果，为控水提供指导。