油田长期停产下的油水运聚平衡解析模型及剩余油分布

李伟，李威，闫正和，张琴，洪浩

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

油田长时间停产伴随着油水重新分异及运聚，对剩余油分布和挖潜调整影响很大。目前针对停产，侧重于开展停产原因、躺井修复及复产前后动态变化等方面的研究［1］，而油水分异及界面重新平衡时间的研究较少。本文以“势控论”为基础［2-4］，从油水运移动力学关系出发，开展底水油藏油水运聚平衡解析模型推导，利用机理数值模拟手段［5-6］进一步验证解析模型的准确性，为油田长期关停下油水运聚的影响因素、运聚平衡所需时间、重启后储量及剩余油分布模式等提供快速判断依据。

1 油田概况

陆丰A油田位于南海海域珠江口盆地，是在基底隆起上继承发育的断背斜低幅构造（见图1）。油藏含油面积11.5km2，含油边界至构造高部位距离约2.5 km，地层倾角小于3°，埋深在1 574.5～1 626.0 m，油藏类型为块状底水油藏，天然能量充足。储层为滨岸相沉积，孔隙度 21.4%～26.2%， 渗透率 1 374×10-3～4 308×10-3μm2，属于中高孔、特高渗储层。

图1 陆丰A油田原始含油面积

陆丰A油田于1997年完成高部位井网部署并投入开发，2009年因水下井口设备状况等原因全面停产，停产时综合含水率为94%，采出程度为35%，截止到2020年，该油田已关停长达11 a。

2 油水运聚平衡解析模型的建立

为重启油田二次开发，需要进一步摸清关停11 a后油水界面是否重新平衡，快速获得剩余油潜力定量、半定量认识，为此，开展了油水运聚解析模型的研究。

2.1 油水运聚理论基础

“势控论”是油气勘探中的一项重要理论，在油气成藏、有利区带预测等方面都取得了很好的应用效果，目前也逐步拓展至开发领域的剩余油研究［3-7］。根据油水运移动力学关系［8-10］，底水油藏关停后，原油质点主要受3种力（净浮力、水动力、毛细管力）的作用（见图2）。其中：净浮力为质点浮力与重力的差值，方向向上，为运移动力；水动力为天然能量水体带来的驱动压力差，方向向上，为运移动力；毛细管力与运移方向相反，为运移阻力。

图2 底水油藏停产下原油质点受力示意

油水重新运聚是原油质点的运移动力和阻力相互作用，最终达到平衡的过程。沿运聚方向进行受力分析，可以得出单位高度油柱所受合力为

式中：FE，FM，Ff，Fc分别为单位高度油柱所受合力、水动力、净浮力、毛细管力，N；α为油水运聚方向与水平方向夹角，（°）。

2.2 临界运移油柱高度建立

当FE＞0时，油水运聚开始发生。临界条件下，运移动力等于运移阻力，即FE=0，定义临界油柱高度为h0，单位面积为1 m2时，临界油柱所受净浮力为

式中：ρw，ρo分别为水、油密度，g/cm3；g 为重力加速度，取值 9.8 m/s2。

毛细管力主要由孔喉半径决定，油田长期水驱后，基本以水性润湿为主。根据岩石孔喉半径与孔隙度及渗透率经验公式，将毛细管力简化为

式中：r为孔喉半径，μm；σ 为表面张力，mN/m；θ为润湿角，（°）， 水性润湿情况下，cos θ取值为 1；K 为储层渗透率，10-3μm2；φ 为储层孔隙度。

水动力主要由水动力梯度决定，为油田两井测点压力减去对应净水柱压力后的剩余水压力［11-12］。假设油田范围内具有相同的水动力势或水动力梯度，临界油柱高度下水动力为

式中：EM为水动力梯度，N/m。

考虑计算统一性，定义水动力倍比M为单位高度油柱所受水动力与同等静水柱压力的比值，公式为

联立式（1）—（5），得到临界油柱高度：

2.3 油水运聚平衡时间建立

当运移动力大于运移阻力时，原油在储层中进行运聚。定义油柱高度为h，原油发生运移的几何位移关系如图3所示。油柱从M点运移至N点的水平位移为L，实际位移为L′，运移角度为α，渗流速度为v。考虑目标低幅构造油藏倾角较小，认为L≈L′，陆丰A油田渗透率高，在h＞h0的情况下，Fc较小，这里进行忽略简化处理，由此得到单位面积油柱运动合势：

图3 原油运聚几何位移关系

其中

从M点运移至N点的过程，满足达西渗流公式，原油的渗流速度为

式中：μo为地层原油黏度，mPa·s。

将式（8）分解得到垂向上的速度，即界面的平衡速度（真实速度）［10］为

式中：vp为垂向真实速度，m/s。

式中：t为油水运聚平衡所需时间，s。

3 数值模拟法验证运聚解析模型

油水运聚平衡解析模型准确性如何，可借助油藏数值模拟方法开展验证。

建立小型低幅构造底水油藏机理模型，设定储层渗透率为2 000×10-3μm2，孔隙度为25%，构造倾角为3°，水动力倍比为35，油藏总长度为1 000 m，地层原油密度为0.82 g/cm2，地层原油黏度为2.8 mPa·s。为定量开展运聚平衡时间模拟，将初始油水界面设置为不平衡的阶梯状（各阶梯层距构造高点分别为100，250，450，650，900 m），通过设置数值模拟对应关键字，匹配解析模型中油水运移动力及阻力，开展关停条件下油水运聚自平衡模拟（见图4）。

图4 油藏数值模拟不同关停时间下油水运聚平衡过程

从油藏数值模拟结果可以看出，油藏关停后，随时间延长，原油由近及远逐渐向构造高点运聚，35 a后油藏范围内油水界面基本达到平衡，各阶梯节点对应界面平衡时间分别为 3，8，17，25，35 a。

解析模型计算结果显示，随运移距离增加，油水界面运聚平衡所需时间逐渐增大，对应机理模型阶梯位置节点至高点（距离分别为 100，250，450，650，900 m）的油水界面平衡时间依次为 4，9，17，24，34 a，2 种方法得到的油水平衡时间接近，验证了建立的运聚解析模型的相对准确。

4 油水重新分异下剩余油分布

4.1 油水运聚特征规律

利用运聚解析模型，开展快速定量、半定量剩余油分布模式规律研究，对摸清油水运聚规律及潜力具有指导意义。从式（6）及式（11）可以看出，影响油水运聚的参数［13］包括地层渗透率、水动力倍比、运移距离、运聚角度、原油黏度等。通过开展相关参数的单因素分析，认识临界油柱高度和运聚平衡时间的变化规律及特征（见图5）。

图5 不同参数下油水运聚特征曲线

由图5可以看出：储层渗透率对油水运聚影响明显，随着物性变差，临界油柱高度及运聚平衡时间呈指数式增大，当渗透率低于100×10-3μm2时，临界油柱高度达13 m，运移平衡所需时间超1 600 a，即海相低幅构造油藏低渗储层中更容易出现较高的滞留油柱区，油田复产后可作为潜力挖潜区；油田关停情况下，水动力倍比对油水运聚快慢的影响相比其他参数要小，自平衡状态下水动力对运移速率影响不明显；运聚平衡时间与运移距离呈线性关系，油藏10 km范围内的油水运聚平衡时间需上百年，运移距离10～100 km，需要上千年，运移距离大于100 km需要上万年，也界定了勘探油气运移与开发油水运聚时间尺度差异［14］；运聚角度与运聚平衡时间同样呈指数关系，高陡地层油气运聚明显加快。

4.2 长期停产后剩余油分布模式

陆丰A油田为低幅构造底水油藏，自2009年关停后，2018年因周边油田设施区域联合，经济成本大幅降低，计划重启二次开发研究。此类油藏关停如此长时间后，储量及剩余油分布模式如何，存在2种认识：第1种观点认为，如此优质储层及流体经过长达10 a左右运移，油水界面已重新分异平衡，剩余油分布模式如图6a所示；第2种观点认为，油水二次运移属于勘探地质年代概念，可能至少需要上百万年，运聚程度很小，剩余油分布模式如图6b所示。

图6 陆丰A油田停产11 a后剩余油分布模式

利用建立的解析模型，快速开展油水运聚平衡定量分析。A油田地层倾角平均2.2°，渗透率1374×10-3～4 308×10-3μm2，平均 2 031×10-3μm2，通过计算得出油水运聚临界油柱高度为0.2 m，即只要动油水界面高度差大于0.2m，油水就开始分异运聚直至平衡。基于此，得到平衡状态下油水界面倾角α0小于0.1°，鉴于低幅油藏运移平面距离远大于垂向距离，将初始运移角度α取平均地层倾角2.2°。依据A油田水动力势、流体性质等计算得出运聚平衡时间图版（见图7）。 由图7可见，储层渗透率不同，运聚平衡时间长短有所差异，油田2.5 km范围内油水界面完全平衡所需时间约为78～234 a，平均渗透率对应的平衡时间为170 a。目前油田停产11 a情况下，油水界面达到平衡的范围为从构造高点向外延伸200 m。

图7 陆丰A油田油水运聚平衡时间图版

为落实关停后该油田油水分异平衡程度，依据上述2种分布模式及本文对油水运聚时间的认识，开展评价井位LFA-1的设计（见图6），选取了2种模式下油柱高度存在明显差异的位置。油水界面完全平衡模式下目标井位对应油柱高度为6 m；而未完全平衡模式下，因关停时间（11 a）相比本文计算的完全平衡所需时间（170 a）小很多，依据关停前剩余油分布计算出对应油柱高度为14 m。

LFA-1井于2018年9月完成钻探，钻后测井曲线显示剩余油柱高度约15.8 m，与未完全平衡模式预测油柱高度基本一致，也验证了油水运聚解析模型的可靠性，表明关停11 a后油水运聚并未最终完成，油藏范围内油水界面仍处于动态变化过程。通过超大计算量（146万个网格模型）及超长时间步（500 a以上）油藏数值模拟并行计算，油田范围内界面完全平衡所需时间约为190 a，与解析模型计算基本一致。该解析模型保障了后续油田按未平衡模式下完成储量核算及开发方案研究，防范了二次开发中因模式差异造成的高部位井位部署水淹风险。

5 结论

1）从油水运移动力学及渗流力学关系出发，建立了一种低幅构造底水油藏油水运聚平衡解析模型，避免了实际模型超长时间步、超大数据量的数值模拟运算过程，对快速评估油田长时间关停后剩余油分布模式具有指导意义。

2）油水运聚平衡时间与储层渗透率及运聚角度呈指数式变化，低渗、低幅地层油气运移速度明显减慢，更容易形成滞留剩余油；运聚平衡时间与运移距离呈线性关系，油藏10 km范围内的油水界面重新平衡需上百年。

3）陆丰A油田实践表明，经过长达11 a的关停后，距高部位200 m的油藏范围内剩余油相对平衡，而全油藏范围内油水界面仍处于未完全平衡状态，剩余油整体分布模式较油田停产前变化不大，评价井的预测剩余油柱高度与实钻结果较为吻合。