空气泡沫驱油藏含水及产气特征规律研究

杨永超，吕昕倩，尚庆华，郭茂雷，白艳伟

（1.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西延安716002；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

空气泡沫驱集中了空气驱与泡沫驱的优点，成本低，适用油藏类型广泛[1-3]。既能大规模注入提高地层压力，又能有效地避免水窜和气窜，具有调剖和驱油的双重作用[4-6]，从而提高单井产油量、驱油效率以及采收率[2-3，7-13]。空气泡沫驱已经在百色油田、胡状集油田、长庆油田、五里湾油田、孤岛油田等油藏进行了现场先导性试验[2，9-10，14-16]，取得了显著效果。

本文研究区块选取甘谷驿油田唐80井区，主要含油层段为长6油层组，属于三角洲前缘沉积，局部过度为前三角洲沉积，砂体主要为水下分流河道、河口坝、远砂坝，属于典型的低孔、超低渗、低压油藏。研究区块自2002年开始采用不规则反九点法井网进行注水开采，在注水开发中后期，出现了水窜现象，含水上升较快，采油速度降低，地层能量低，注水能力提高困难的问题。为解决上述问题，研究区块自2007年起陆续开展了空气泡沫驱现场试验。到2011年，随着注空气泡沫试验规模的扩大，注入井不断增多，受益面积不断扩大，需要研究针对空气泡沫驱油藏的生产动态数据的分析方法。

对于常规水驱油藏，通常使用水驱特征曲线分析其生产动态。自1959年提出了水驱特征曲线法以来，国内外油藏工程工作者对水驱特征曲线法进行了深入的研究，提出了许多不同的水驱特征曲线表达式，并在水驱油田的开发指标预测、储量及可采储量计算应用中发挥了重要的作用，已经成为了一种传统的油藏工程方法[17]。

对于空气泡沫驱技术的研究内容包括空气泡沫驱理论研究[20]、效果影响因素研究[21-22]、室内实验研究[23]、数值模拟研究[24]及现场应用研究[25-32]。然而，针对空气泡沫驱油藏的含水和产气规律的研究，国内外文献涉及较少。为了对空气泡沫驱油藏生产规律进行研究，并预测该增产方式下油藏的生产特征，急需提出针对此类增产措施下的油藏含水产气特征的规律研究方法。本文提出在分析空气泡沫驱油藏的含水产气规律时，应先对水驱特征曲线做相应调整，再进行相关指标的预测。

1 水驱特征曲线的应用

研究表明，各类水驱特征曲线都难以描述油田开发的全过程，仅适用于生产过程的某个特定阶段[17]。对于水驱特征曲线，首先要明确适用的含水范围，其次根据原油黏度选择水驱特征曲线。原油黏度是影响含水上升规律的主要因素。原油黏度较低的油藏含水初期上升缓慢，后期上升变快。而原油黏度高的油藏则相反。这是由于原油黏度越低，水驱油的活塞性越强，而原油黏度越高，水驱油的非活塞性则越强[17-18]。选取的研究区块唐80井区位于甘谷驿油田西南部，根据原油黏度判断，该空气泡沫驱油藏的原油黏度在水驱特征曲线的应用范围之内。目前常用的水驱曲线有如下几种[18]：

（1）甲型水驱特征曲线（马克西莫夫-童宪章水驱曲线）

（2）乙型水驱特征曲线（沙卓洛夫水驱曲线）

其中，Wp为累计产水，104m3；Np为累计产油，104m3；WOR 为水油比；Lp为累计产液，104m3；a，b为回归系数。

研究和应用表明，根据水驱特征曲线的适用条件，要正确应用水驱曲线，必须遵守三条原则[19]：稳定水驱原则，即水驱特征曲线只适用于稳定水驱；直线段原则，即水驱特征曲线仅取半对数坐标上的直线段回归参数及外推；含水率界限原则，即水驱特征曲线只有在含水率达到某一值，才会出现直线段。而水驱特征曲线必须在该含水率出现之后才可以使用，直到直线段终止。水驱特征曲线分析储量是一种利用动态资料测算可采储量的方法，适用于油藏进入中、高含水阶段以后储量、可采储量的计算。因此，根据水驱曲线使用规则，在空气泡沫驱至高含水后期再使用水驱特征曲线分析油藏的含水特征。

2 产气特征曲线的应用

利用生产气油比可做出同含水特征相似的特征曲线[30]。根据定义，生产气油比可用式（5）描述：

油气两相相对渗透率可用式（6）描述，

其中，Rs为溶解气油比；μo为油相黏度，mPa·s；μg为气相黏度，mPa·s；Bo为原油体积系数；Bg为天然气体积系数；krg为气相相对渗透率；kro为油相相对渗透率；a为气油相对渗透率曲线回归参数；b为气油相对渗透率曲线回归参数；Np为累积产油量，104m3；Ev为波及系数；Vp为油藏孔隙体积。

H.R.Warner[30]根据式（7）提出，在气体突破稳定后，生产气油比与累计产油量在半对数坐标上成直线关系。使用此关系曲线，可以预测油藏生产气油比，进而计算出产气量。实践表明，该计算方法预测出的气驱油藏产气量具有较高精度，且使用范围广，限制条减少。使用此方法预测产气量时，不需要注入井数据，只需要生产井数据即可完成预测。此方法可以用于单井预测，井网预测及油田整体预测。本文根据H.R.Warner提出的产气规律特征曲线使用规则，在空气泡沫驱油藏气体突破稳定之后，使用该计算方法分析油藏的产气特征。

3 数值模拟研究

3.1 数值模型的建立

利用商业软件CMG，建立了反九点井网的数值模拟模型，网格数为10×10×3，网格步长为20 m×20 m×2 m。地层温度24.9℃，压力4.9 MPa，原始含水饱和度37.75%，平均渗透率4 mD，孔隙度10.14%。地层原油黏度4.29 mPa·s，驱替相黏度0.897 5 mPa·s，空气黏度 0.019 6 mPa·s。空气注入速度250 m3/d，泡沫注入速度2 m3/d，生产10 a。

模拟组成包括：地层水、泡沫液、死油、溶解气、低温氧化反应生成气体、氧气以及氮气。

空气段塞注入流体由0.21%（摩尔百分比，下同）的氧气和0.79%的氮气组成（25℃）。泡沫段塞注入流体由0.999 8%的地层水和0.000 2%的泡沫液组成（25℃）。可根据不同泡沫液强度调整注入泡沫液段塞中水和表面活性剂的比例，表面活性剂比例越高，泡沫越强。

在模拟过程中，油水和气液相对渗透率曲线如图1所示。

图1 相对渗透率曲线Fig.1 Relative permeability curves

由图1可知，在模拟空气泡沫驱过程中，改变气液相对渗透率的端点值，用于拟合不同的泡沫强度下的生产特征。泡沫最强时，气液相对渗透率端点最低；无泡沫时，为原始气液相对渗透率曲线。

3.2 数值模拟结果拟合

在研究空气泡沫驱的动态生产规律时，根据现场实际生产情况，首先进行两年的衰竭式开发，而后利用空气泡沫驱开发10 a，数模计算结果如图2所示。其中2010-2012年为衰竭式开发时间。累计产油量曲线显示，在注水开发阶段曲线上升率较低，采用注空气泡沫驱后效果明显，上升率升高，直到8 a后变为平缓。地面条件下日产油量曲线显示，在衰竭开发时期，随着油藏能量的下降，日产油量锐减，改注空气泡沫驱后日产油量陡增，并在相当长一段时间内维持稳产，直到水突破后，产量开始递减。生产井水油比曲线显示，在衰竭开发阶段，产水量为零，在开始注空气泡沫驱开发后的约两年时间内，水突破至生产井，随后生产井的累计产水量开始增加。

图2 模拟衰竭开发后再空气泡沫驱10 a的相关生产数据Fig.2 Simulation results of first natural depletion and then air foam drives 10 years

在拟合油田实际生产数据和数模结果后，拟合结果如图3、4所示（2012年1月至2013年12月）。该模型对累计产油量以及累计产液量的拟合效果均很好，因此，使用该数值模拟模型进行预测具有较高的可靠性，可用于研究空气泡沫驱油藏含水产气特征规律。同时，可以用该数值模拟模型替代实际油藏进行分析、预测。根据上述结果，结合水驱特征曲线相关经验，利用空气泡沫驱的数值模拟结果，进行产水、产油、产液的相关特征曲线分析。并利用分析结果进行预测空气泡沫驱在产水产油稳定阶段的生产动态。

4 直接空气泡沫驱油藏含水特征

在本研究中，由于甲、乙、丙型特征曲线主要在油藏含水达到相对稳定的高含水期（一般为40%～50%左右）后使用，因而，在分析中截取生产曲线后期相对稳定的一段进行线性回归分析，结果如表1所示。

图3 空气泡沫驱油藏累计产油量数值模拟结果与油田生产数据对比Fig.3 Cumulative oil production comparison of simulation result and field data

对比四种水驱特征曲线可以看出，原始地质储量结果对比数值模拟结果(1.596 1×104m3)，拟合效果较好。但考虑到甲、乙、丙特征曲线有一定曲率，在分析中需要取曲线后期相对稳定的一段进行拟合，表明在该阶段，油藏仍处于含水上升期，以后曲线段会趋于平缓，因而利用甲、乙、丙型特征曲线预测结果存在较大误差。在使用丁型特征曲线进行分析时，可直接拟合且拟合效果很好，同时曲率变化特征并不明显，近似成直线，因而可以利用丁型特征曲线对油藏生产特征进行预测。

图4 累计产液量数值模拟结果与油田生产数据对比Fig.4 Cumulative liquid production comparison of simulation result and field data

通过对丁型特征曲线线性回归结果进行分析，得到油藏高含水时期产水量与产油量的关系，进而计算出相应的产液量以及产油量。为了验证该结论，用该回归结果计算生产10 a后，累计产液量与产油量关系，并与数模结果对比，结果如表2所示。表2的预测结果表现出误差上升的特点，且5 a之内的预测结果误差小于5%，因此其预测结果可以接受。

表1 四种水驱特征曲线分析结果参数表Table 1 Four water flooding characteristic curves analysis result

表2 丁型特征曲线预测产油量对比表Table 2 Predicting oil production applying Type-D water flooding characteristic curve

5 水驱后空气泡沫驱油藏含水特征

在油田实际生产过程中，空气泡沫驱多在水驱开发后期进行。为更贴合实际，在进行研究时，首先，对油藏进行常规水驱开采，待开采程度达到高含水期（含水率40%～50%）后，转向空气泡沫驱，对四种特征曲线进行分析，结果见表3。

综合分析四种水驱曲线结果，可以得出：与直接空气泡沫驱开发过程比较，水驱到高含水后转向空气泡沫驱的开发方式更符合现场实际情况。同时，四种特征曲线直线段拟合效果非常好，回归常数都近似于1。

四种曲线计算的油藏原始地质储量和经济极限储量结果接近，因此，用水驱后再转向空气泡沫驱的结果进行水驱特征曲线的预测应该能更好的模拟现场情况，结果见表4。由表4可以看出，预测得到的累计产油量基本一致，并且5 a内的预测结果误差均低于5%，与数模模拟结果相比误差很小。其中，丙型和丁型特征曲线比甲型和乙型特征曲线拟合效果更好，并且预测结果和数模模拟结果的误差也更小。因而可以利用丙型和丁型曲线对水驱后再转向空气泡沫驱油藏的生产动态进行预测。

表3 油藏水驱特征曲线分析结果参数表（水驱后空气泡沫驱）Table 3 Four water flooding characteristic curves analysis result(air foam flooding after water flooding)

表4 特征曲线预测产油量对比结果（水驱后空气泡沫驱）Table 4 Predicting oil production applying different flooding characteristic curve(air foam flooding after water flooding)

6 产气特征规律研究

生产气油比与累积产油量在半对数坐标上成线性关系。因此，在已知生产气油比和溶解气油比的情况下，可由曲线的斜率求得累积产油量。同样，可以通过累积产油量和溶解气油比，求解该时刻的生产气油比。根据数值模拟结果，模拟出十年空气泡沫驱开采的气油比和累计产油量，做出气油比的特征曲线的结果，如图5所示。

由图5可以看出，在空气泡沫驱过程中，当气体突破稳定之后，气油比与累计产油量在半对数坐标上近似成直线关系，回归相关系数R2近似为1。

对式（6）进行变形后，可得

根据空气泡沫驱模拟调整流度比后的相对渗透率曲线，可以回归出公式中的a、b值。其中，a为5.46×10-5，b为2.044 1。该回归值符合公式理论值，因此可以利用该回归曲线预测产气稳定时的产油量与产气量之间的对应关系，利用该回归值和曲线达到稳定时的参数，对系数和截距进行计算。而后，预测第11年到第15年气油比，并将结果与模拟值进行对比，计算误差，其结果如表5所示。

图5 生产气油比与累积产油量的关系曲线Fig.5 Relationship between production gas oil ratio and cumulative oil production

从表5可以看出，利用气油比特征曲线以及累计产油量来预测生产气油比，在前3 a有一定的准确性，误差小于8%；而从第14年开始，计算值与实际模拟值出现一定程度的偏差，误差大于10%。因此，在实际应用时，当空气泡沫驱达到气体突破稳定之后，可以利用气油比与累计产油量的特征关系预测3 a之内的生产气油比，进而计算出产气量。

表5 气油比特征曲线预测产油量对比结果Table 5 Comparison of predicting oil production applying gas oil ratio characteristic curve

7 结 论

本文利用空气泡沫驱的数值模拟结果，对油藏进行了数值模拟研究，拟合了油藏的累计产油量及累计产液量，拟合效果较好。

根据甲、乙、丙、丁四种含水特征曲线，对直接进行空气泡沫驱油藏的产水、产油、产液的相关特征进行了分析，并预测了空气泡沫驱油藏在产量稳定阶段的生产动态。对比四种含水特征曲线，甲、乙、丙三种含水特征曲线需要截取生产曲线后期相对稳定的一段进行线性回归分析，而丁型含水特征曲线可以直接进行分析，且曲线曲率变化并不明显，近似成直线，拟合效果好。将丁型特征曲线的预测结果与数模模拟结果进行对比，误差很小，因而可以利用丁型特征曲线对直接空气泡沫驱油藏的生产动态进行预测。

为更加符合现场实际，在研究中先对油藏进行常规水驱开采，待开采程度达到高含水期后（含水率40%～50%），再转向空气泡沫驱，并对四种特征曲线进行了分析，以及将四种特征曲线的预测结果和数模模拟结果进行了对比。分析发现，四种曲线的计算结果互相吻合，且5 a之内的预测结果误差都在5%以内。其中，丙型和丁型特征曲线比甲型和乙型特征曲线拟合效果更好，并且预测结果和数模模拟结果的误差也更小。因而可以利用丙型和丁型曲线对水驱后再转向空气泡沫驱油藏的生产动态进行预测。

利用H.R.Warner提出的生产气油比计算方法，对空气泡沫驱油藏的产气特征进行了研究。用该方法计算出的产气特征曲线，拟合了3 a内的生产气油比，误差在8%以内。预测结果显示，在实际应用时，当空气泡沫驱达到气体突破稳定之后，可以利用气油比与累计产油量的特征关系预测3 a之内的生产气油比，进而计算出产气量。