特低渗透油藏水驱规律及最佳驱替模式

王文环,彭缓缓,李光泉,蔚 涛,魏晨吉

(1.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083； 2. 中国石化 石油工程技术服务股份公司,北京 100020)

特低渗透油藏在注水开发过程中,普遍存在含水上升快、产量递减大,水驱采收率低(仅为20%左右)等问题。为掌握特低渗透油藏开采规律,进一步改善水驱开发效果,前人在天然裂缝、人工裂缝与现今地应力,以及合理井网优化调整方面开展了大量研究工作[1-12],主要是从天然裂缝成因、分布规律预测,人工裂缝与现今地应力的关系,以及井网与油井人工压裂裂缝适配性等方面开展了研究,以避免天然裂缝及人工压裂裂缝见水问题；提出了大井距、小排距的菱形反九点、五点矩形等井网方式,增大驱替压力梯度,改善水驱状况。但在注水开发过程中,油井仍出现方向性水淹,导致油藏含水快速上升,产量低,水驱开发效果极差[13-19]。揭示特低渗透油藏水驱规律,研究其最佳驱替渗流模式对提高特低渗透油藏水驱采收率具有重要意义。

为此,笔者通过对大量已开发特低渗透油藏开采特征研究,在揭示了特低渗透油藏水驱开发规律的基础上,提出了特低渗透油藏应遵循“沿现今最大水平主应力方向注水动态裂缝线性注水、侧向基质驱替模式”的新理念,给出了不同类型井网转“裂缝线性注水、侧向基质驱替”模式。应用数值模拟研究表明,井网模式转换不仅避免了注水动态裂缝导致的注入水无效循环,也消除了注水动态裂缝对储层非均质性的影响,扩大了水驱波及程度,是特低渗透油藏水驱开发的最佳驱替模式。同时通过理论计算进一步证明“平面径向渗流转平面平行渗流”能够大大降低油藏驱替渗流阻力,并相应地提高注、采驱替压力梯度,有利于实现基质的有效驱替,增加油井产量,提高驱油效率。由井网模式的转换实现了渗流方式的转换,形成了不同类型油藏最佳的驱替渗流模式。

1 特低渗透油藏开采特征及水驱规律

1.1 特低渗透油藏开采特征

现场大量特低渗透油藏开采特征研究表明,无论井网注水主流线方向与现今最大水平主应力方向是否一致,在注水开发过程中,首先沿现今最大水平主应力方向开启注水动态裂缝,导致主、侧向油井具有不同的开采特征：裂缝主向油井暴性水淹,侧向油井产量递减；转注或关闭水淹油井后,侧向油井产量、含水长期稳定(图1)。

如WY油藏采用注水主流线与现今最大水平主应力方向呈22.5°，300 m×300 m不规则正方形反九点井网,在投产1～2 a内,沿现今最大水平主应力方向的油井陆续发生暴性水淹,而侧向油井初期产量递减,关闭或转注主向水淹油井后,产量和含水稳定均10 a以上。

PQ油藏采用注水主流线与现今最大水平主应力方向呈0°,300 m×300 m正方形反九点井网,同样,也在投产1～2 a内,沿现今最大水平主应力方向的油井全部发生暴性水淹,关闭主向水淹油井后,侧向油井产量和含水到目前一直保持稳定。

CYG油藏采用注水主流线与现今最大水平主应力方向呈22.5°,300 m×300 m正方形反九点井网,在投产4～5 a内,沿现今最大水平主应力和与之呈较小角度的注水井排方向的油井陆续发生暴性水淹；而4个角井保持低产、原始低含水状态。

1.2 特低渗透油藏水驱规律

基于以上多个特低渗透油藏开发特征认识不难发现,当注水压力达到现今水平最小应力时,首先沿现今最大水平主应力方向开启注水动态裂缝,随着注水压力的升高,会依次开启与之成较小角度的注采井连线方向裂缝[17-19]。

特低渗透油藏水驱规律受控于注水动态裂缝的开启规律,如果油藏只开启了单方向裂缝,主向油井水淹,转注水淹油井后,侧向油井产量、含水保持长期稳定的开采特征具有普遍性。即特低渗透油藏水驱开发遵循“沿现今最大水平主应力方向注水动态裂缝线性注水、侧向基质驱替”的水驱规律。水驱过程可划分为主向造缝窜流和侧向基质驱替阶段。

图1 不同类型油井生产特征曲线Fig.1 Production characteristics of different types of oil wellsa. 典型主向井生产特征曲线;b. 典型侧向井生产特征曲线

主向造缝窜流阶段：注入水憋压并沿现今最大水平主应力方向造缝,导致该方向油井发生暴性水淹,产量迅速递减、含水快速上升,该阶段以主向裂缝窜流为主(图2aⅠ段)。

侧向基质驱替阶段：关井或转注现今最大水平主应力方向水淹油井后,沿注水动态裂缝形成高压条带,注入水开始沿裂缝侧向基质驱替,侧向油井及油藏产量、含水稳定,该阶段以裂缝侧向基质驱替为主(图2aⅡ段)。

如果油藏开启了双向裂缝,最大主应力方向和与之呈较小角度的注采井排方向油井依次暴性水淹,导致油藏含水上升、油量递减。关闭或转注主向水淹油井后,由于仍存在其他井排方向注入水的无效循环,导致油藏含水依然快速上升,产量持续下降,油藏难以稳产(图2b)。特低渗透油藏的开发必须控制非主向开启裂缝,只主向开启裂缝,遵循“主向裂缝线性注水、侧向基质驱替”的规律,才能实现油藏有效水驱开发。

WY油藏和PQ油藏的数值模拟研究亦表明[19]低渗透油藏水驱遵循“裂缝线性侧向基质驱替”规律。虽然WY油藏和PQ油藏注水井排与现今最大水平主应力方向呈不同角度,但剩余油均沿现今最大水平主应力方向裂缝侧向呈条带状分布,且离裂缝侧向距离越远,含油饱和度越高。

另外,WY油藏加密调整试验进一步验证了模拟结果,部署在最大水平主应力方向注采井连线上的8口井含水率均为100%,距离裂缝垂向80 m左右的井含水率为30%～40%,距离大于100 m井含水率在10%以内,为油藏原始含水。

综合以上研究表明,特低渗透油藏在注水开发过程中,不可避免的导致现今最大水平主应力方向注水动态裂缝的开启和延伸。注入水首先沿该方向裂缝窜流,导致注入水无效循环,油藏基质得不到有效驱替,水驱效果很差。但当关闭或转注该方向水淹油井后,沿注水动态裂缝形成高压条带,高压条带与侧向低压生产井排之间形成一定的注、采压差,注入水便从高压条带向侧向低压生产井排驱替,侧向油井产量、含水可保持长期稳定,油藏便进入了沿该方向动态裂缝线性注水、侧向基质有效驱替的状态,实现特低渗透油藏注水动态裂缝侧向基质的有效驱替。因此,注水动态裂缝是影响特低渗透油藏水驱开发效果的主控因素,特低渗透油藏水驱开发必须控制非主向开启裂缝,同时遵循“沿现今最大水平主应力方向注水动态裂缝线性注水、侧向基质驱替”的水驱规律。

2 特低渗透油藏不同类型井网转换模式

遵循“主向注水动态裂缝线性注水、侧向基质驱替”的水驱规律,是实现油藏的有效驱替的关键。在对特低渗透油藏水驱规律认识的基础上,形成了6种不同类型井网的最佳转换模式。

2.1 注水主流线与现今最大水平主应力方向一致的井网转化模式

1) 0°正方形反九点井网加密调整转化模式

注水主流线与现今最大水平主应力呈0°，300 m×300 m反九点井网,当注水压力达到现今最小水平主应力时,沿现今最大主应力方向开启裂缝,并逐渐延伸。当注水动态裂缝贯穿主向油井,主向油井水淹,注入水在注、采井之间无效循环,无法形成有效驱替。为形成有效驱替,转注主向水淹油井,形成裂缝线性侧向驱替。由于转注后每个井组会有两口主向油井的产量损失,且侧向油水井排距为300 m,难以建立有效驱替,因此为弥补油井产量损失并保持合理油水井数比3,每个井组内建议加密四口油井。基于上文特低渗透油藏水驱及剩余油分布规律认识,提出沿主向裂缝两侧平行于水线加密；同时为建立有效侧向驱替,排距缩小为150 m。最终300 m×300 m，0°正方形反九点井网加密转化为300 m×150 m两排注水井加三排油井的线性注水、侧向驱替排状井网(图3a)。

图2 不同裂缝开启特征油藏产量、含水变化模式Fig.2 Production and water cut of reservoirs with different crack characteristicsa.开启单方向裂缝油藏;b.开启双方向裂缝油藏 Ⅰ.沿裂缝驱替阶段;Ⅱ.沿侧向基质驱替阶段

2) 0°反七点井网加密调整转化模式

对于420 m×210 m的反七点井网,当最大主应力方向油井水淹后转注,形成排距为210 m的线性交错井网,但侧向难以建立有效驱替系统,可加密调整为210 m×105 m线性注水、侧向驱替井网(图3b)。

3) 0°菱形反九点井网加密调整转化模式

同0°正方形反九点井网,当主向油井水淹后即转注,以减少注入水无效循环。开发实践表明,排距为150,160和180 m的菱形反九点井网转注水淹油井后,都能够形成有效驱替,但为保持合理油水井数比3,提出一个井组内沿注水动态裂缝侧向加密4口新油井,形成沿注水动态裂缝线性注水,侧向基质驱替的交错排状井网(图3c1)；对于排距为220 m菱形反九点井网,由于排距大,难以形成有效驱替,侧向缩小排距加密,同时主向水线上加密两口水井,变成井距为180 m,排距为150 m,两排水井夹三排油井线性井网(图3c2)。

2.2 注水主流线与现今最大水平主应力方向呈一定角度的井网转化模式

1) 22.5°正方形反九点、单向缝开启井网调整转化模式

注水主流线与现今最大水平主应力呈22.5°的300 m×300 m反九点井网,当注水压力达到现今最小水平主应力时,最大水平主应力方向开启裂缝[17],跨井组油井水淹。转注该方向水淹油井,同时侧向加密两口油井成为223 m×134 m线性侧向驱替注采井网(图4a)。

2) 22.5°正方形反九点、双向缝开启井网调整转化模式

注水主流线与现今最大水平主应力呈22.5°,300 m×300 m反九点井网,当注水压力达到最小水平主应力时,最大水平主应力方向开启裂缝[17]；当注水压力继续增大时,与最大水平主应力方向呈最小角度的注采井排方向又开启裂缝。该类井网的调整转化模式为：首先转注最大水平主应力方向的水淹油井,同时关闭注水井排方向水淹油井,形成沿现今最大主应力方向线性注水井网；沿现今最大主应力水线侧向均匀加密,形成223 m×134 m线性侧向驱替注采井网(图4b)。

图3 0°井网加密调整转化模式Fig.3 Infilling adjustment transformation mode of 0°well patterna. 0°正方形反九点井网;b.0°反七点井网;c.0°菱形反九点井网

3 特低渗透油藏不同渗流方式阻力对比

井网转换带来了渗流方式的转换,渗流方式由平面径向流变为平面平行流[20-25]。渗流方式的转换可以大大减小渗流阻力,增加有效驱替压力,有利于实现低渗透油藏的侧向有效驱替,提高油井产量,增加驱油效率,是最佳的渗流方式。

3.1 不同驱替方式渗流阻力计算公式推导

应用等渗流阻力法[26],计算平面径向流和平行流渗流阻力,如图5所示。

在面积注水系统的“单元”内(图5a),从注水井到生产井底的水驱油过程,可以划分为两个连续的渗流阻力区：一是从注水井供给前缘到生产坑道的均质渗流区,简称为外部阻力区。在该区内,流动系数保持不变,渗流阻力大小用R1表示；二是从生产坑道到生产井底的径向渗流区,简称为内部阻力区。该区作用范围的大小,取决于面积注水系统生产井距的大小。在该区渗流系数保持不变,渗流阻力的大小R2表示。因此,面积径向驱替渗流阻力表示为：

(1)

由公式(1)可知,当rei与rep相等时,渗流阻力可表示为：

(2)

(3)

由特低渗透油藏水驱规律研究可知,特低渗透油藏在注水开发过程中,不可避免的导致现今最大水平主应力方向注水动态裂缝的开启和延伸,主向油井水淹。转注水淹油井,可沿现今最大水平主应力方向注水动态裂缝形成高压条带。另外,侧向油井间由于压裂也形成了沿现今最大水平主应力方向的压裂裂缝。

图5 不同渗流方式渗流阻力区及流线示意图Fig.5 Schematic diagram showing the seepage resistance zones and their flow lines in different seepage waysa.平面径向流;b.平面平行流 pwi,pwp.注、采井井底流压，MPa;d.井距，m;m.注采井数比；L.井排距

特低渗透油藏转入裂缝线性侧向驱替时,就相当于注水裂缝与压裂裂缝两平行坑道间的平面平行流。其渗流阻力就只有外阻力,排状注水驱替渗流总阻力公式(3)可变为：

(4)

当井距与排距相等时,线性井网油水井数比为1,则线性侧向驱替渗流阻力即为：

(5)

式中：μ为流体粘度,mPa·s；K为储层渗透率,10-3μm2；h为油层厚度,m；d为井距,m；L为注、采井排距,m；rwi为生产井半径,m；rei为注水井折算半径,m；rep为生产井折算半径,m；n为井数,口；m为注采井数比。

3.2 裂缝线性平行流与面积径向流渗流阻力对比

由径向渗流阻力公式(2)和平行渗流公式(5)可计算不同井网形式、不同井排距条件下平面径向流和平面平行流驱替渗流阻力,计算结果详见如下所示(表1)。

由计算结果可见,任何面积注水井网的驱替渗流阻力都大于相应注、采井排距的裂缝线性井网的渗流阻力。如300 m×300 m正方形反九点井网渗流阻力是300 m排距裂缝线性驱替井网的2.08倍,也就是说,转裂缝线性侧向驱替后渗流阻力可减小一半、产量可提高一倍。因此,对于沿现今最大水平主应力方向开启注水动态裂缝的特低渗透油藏,转面积注水井网为裂缝线性注水、侧向基质驱替的线性井网,可大大降低油藏驱替渗流阻力,增加侧向驱替压力梯度,有利于实现侧向基质有效驱替,增加驱油效率,提高单井产量,平面平行流是特低渗透油藏的最佳渗流方式。

表1 面积径向渗流阻力/裂缝线性侧向平行流渗流阻力倍数Table 1 Table showing multiple of area radial seepage resistance/crack linear lateral parallel flow resistance

4 现场应用效果

WY油藏采用22.5°正方形反九点注采井网,最大主应力方向油井水淹后没有及时关闭或转注,导致油井含水一直上升,注入水无效循环,产量递减到1.0 t/d,水驱采收率也不足16%。

转注裂缝水淹油井,井网转换为裂缝线性注水、侧向驱替后,实现了井网与注水动态裂缝匹配一致,不仅避免了动态裂缝导致的注入水无效循环,也消除了动态裂缝对储层非均质性的影响,扩大了水驱波及程度。数值模拟研究表明,由于原井网注入水沿注水动态裂缝从油井产出,形成无效循环,水驱波及范围小,平面波及系数只有44.8%；当转注水淹油井,转裂缝线性注水侧向驱替后,水驱波及范围大大提高,平面波及系数为88%,提高了43.2%。

现场生产实践也证明井网转换为裂缝线性注水后,更有利于侧向油井建立有效驱替。油藏平均单井产量由井网调整前的不足1.0 t/d上升为2.0 t/d左右,为井网转换前的2倍以上(图6a)。水驱采收率预计可由井网调整前的15.7%提高到35%(图6b)。因此,“沿现今最大主应力方向裂缝线性注水侧向驱替”是特低渗透油藏水驱开发的最佳驱替模式。

图6 WY油藏开采特征和采收率预测曲线Fig.6 Curves showing production characteristics and recovery efficiency prediction for oil reservoir WYa. WY油藏开采特征曲线;b. WY油藏含水与采出程度关系曲线

5 结论

1) 在注水开发过程中,特低渗透油藏会首先沿现今最大水平主应力方向注、采井间开启注水动态裂缝,随着注水压力的升高,或将开启与之成最小角度的注采井连线方向裂缝,导致注入水沿裂缝方向注采井无效循环,造成油藏水驱开发效果很差。

2) 通过井网模式转化,实现井网与注水动态裂缝匹配,利用现今最大水平主应力方向注水动态裂缝建立侧向基质驱替,从而实现了渗流方式的转化。这种转化不仅能够避免注水动态裂缝导致的注入水无效循环,消除裂缝对储层的非均质性影响,扩大波及,又能大大降低驱替渗流阻力,增加有效驱替压力梯度,提高驱油效率和单井产量。

3) 坚持“造主向缝、避侧向缝”的原则,建立沿现今最大水平主应力方向注水动态裂缝线性注水、侧向基质驱替模式,对发展特低渗透油藏裂缝线性侧向驱替理论具有非常重要的意义。