边底水稠油油藏多元热流体吞吐水窜规律研究

袁玉凤，戎凯旋，高 杰，阮 迪，寇双燕，李 振，孟小芳

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津 300450；2.海洋高效开发国家重点实验室试验与分析室，天津 300450）

2008 年来，渤海地层原油黏度在350 mPa·s 以上的稠油经历了传统的天然能量和注水方式进行开发向多元热流体吞吐开采过渡和转变，很大程度上提高了采油速度，改善了经济效益[1-4]。同时对于大的边底水稠油油藏，大孔道的存在将会严重影响吞吐效率，造成被窜油井产量下降，使多元热流体吞吐开采达不到预期效果[5-7]。为了更好的预警水窜的问题，本文以渤海S 油田为例，利用数值模拟的方法，建立多元热流体吞吐开采井间窜流机理模型，利用水窜时机、周期末含水率、水窜系数三个指标来研究水窜规律，同时开展大孔道长度、大孔道渗透率倍数，大孔道位置及生产井距边底水距离对水窜规律的影响。

1 水窜评价指标

水窜定义：将注汽量与采水量的关系作为判断依据，当累计产水大于累计注蒸汽量时，则判断生产井见水；当累计产水小于累计注蒸汽量时，但计算前几个周期注入蒸汽在该期的存水量后，并发现该周期中的产水总量大于前期存水量与本期注入总量之和，且此后各周期的产水量和含水率进一步上升，则可判断边底水突破[8]。

（1）水窜时机：吞吐周期开始生产到含水率明显上升的时机，反映局部水窜速度，直接与大孔道的物性参数有关。

（2）周期末含水率：当水窜发生后，油井的含水率将大幅度上升，吞吐周期末含水率曲线将出现拐点，通常可认为油井见水。

（3）水窜系数：定义为单位压降、单位时间下，周期的水窜量。水窜系数小于10，为轻微水窜；水窜系数大于10 且小于20，为严重水窜；水窜系数大于20，为极强水窜[9]。

2 水窜模型建立

2.1 模型基本参数

以S 油田为例建立了五口水平井多元热流体吞吐的均质油藏概念模型，为了模拟多元热流体吞吐过程中的水窜现象，在概念模型基础上，添加解析水体，水体倍数30，并在边底水与生产井之间添加大孔道，得到水窜油藏模型（见图1），其中解析水体的相关参数取值（见表1）。网格系统划分：网格步长为20 m×20 m，将平面划分为2 745 个（61×45）网格，纵向上模拟4 个层，共10 980 个网格节点。

图1 解析水体水窜油藏二维模型

表1 解析水体参数取值

2.2 油藏参数

数值模型参数取值：油藏平均顶深为1 050 m；平均有效厚度为8.2 m；平均渗透率为4 000×10-3μm2；平均孔隙度为0.35；原始含油饱和度为0.63；原始地层压力10.4 MPa；油藏温度为54 ℃；地层条件下原油黏度为660 mPa·s，属于Ⅰ-2 类普通稠油[10-11]。

2.3 注采方式

对4 口生产井以120 m3/d 的采液速度进行天然能量生产，对中心注入井进行多元热流体多轮次吞吐开发。其相关注采参数为：注入热水速度为160 m3/d；注入空气速度为50 000 m3/d；注入温度为260 ℃；注入时间为20 d；焖井时间为4 d。按照定液和定井底流压方式进行开采，随着吞吐轮次增加，井底流压逐渐降低，7个周期的井底流压分别取8.0 MPa、7.2 MPa、6.8 MPa、6.5 MPa、6.1 MPa、5.8 MPa、5.5 MPa[12]。

3 大孔道对水窜的影响规律研究

3.1 大孔道长度对水窜的影响规律

分析大孔道的长度分别为80 m、120 m、160 m 的边底水窜流模型，当大孔道长度为160 m 时，生产井与边底水直接连通；大孔道的渗透率为基础渗透率的20倍。

3.1.1 水窜规律 水窜发生前，各长度的大孔道对应的周期末含水率无差异；水窜发生后，周期末的含水率急剧上升，周期末含水率曲线出现明显拐点；水窜发生后，周期末的含水率不断上升，水窜越来越严重（见图2）。大孔道越长，水窜发生的越早，大孔道长度为80 m、120 m、160 m 的水窜轮次对应在第6 周期、第5 周期及第3 周期；水窜发生后，随着吞吐的进行，之后每一周期的水窜时机均比前一轮要提前，如当大孔道长度为160 m 时，在第3 轮的第110 d 发生了明显的水窜，往后的4 个轮次中，发生水窜的时机分别为：第80 d、第70 d、第70 d、第64 d（见图3）。

图2 不同长度的大孔道模型对应的周期末含水率曲线

图3 不同长度的大孔道模型对应的周期水窜时机曲线

3.1.2 水窜评价 同一周期中，大孔道的长度越长、水窜系数越大，水窜越严重；随着吞吐的进行，水窜越来越严重，水窜系数呈不断增大的趋势；根据水窜系数的等级划分来分析，大孔道长度为160 m 的窜流模型在第3 周期发生了较为严重的水窜现象，第5 周期开始，发生了极强水窜（见图4）。

图4 不同长度的大孔道模型对应的水窜系数

3.2 大孔道渗透率倍数对水窜的影响规律

为了研究大孔道渗透率倍数对水窜规律的影响，在边底水与生产井之间添加了一条垂直于生产井的高渗透通道，大孔道的渗透率倍数分别为4 倍、8 倍、12倍、16 倍及20 倍；大孔道的长度为160 m，生产井与边底水直接连通。

3.2.1 水窜规律 大孔道的渗透率倍数越大、水窜发生的越早；当大孔道的渗透率倍数不变时，水窜一旦发生，往后每一周期的水窜时机不断“靠前”（见图5）。水窜发生前，大孔道的渗透率不同，对应周期末的含水率无差异；水窜发生后，周期末的含水率急剧上升，出现明显拐点；随着吞吐的进行，周期末的含水率不断上升，水窜越来越严重（见图6）。

图5 不同渗透率倍数的大孔道模型对应的水窜时机曲线

图6 不同渗透率倍数的大孔道模型对应的周期末含水率曲线

3.2.2 水窜评价 同一周期中，大孔道的渗透率倍数越长、水窜系数越大，水窜越严重；随着吞吐的进行，油层压力的不断下降，水窜越来越严重，对应的水窜系数也是呈不断增大的趋势；根据水窜系数的等级划分来分析，当渗透率倍数为20 倍时，在前2 个周期中只发生了轻微水窜；从第3 周期开始往后，均发生了较为严重的水窜现象（见图7）。

图7 不同渗透率倍数的大孔道模型对应的水窜系数曲线

3.3 大孔道位置对水窜的影响规律

为了研究大孔道的位置对水窜规律的影响，在边底水与生产井之间添加了一条大孔道，大孔道的位置分别为：与生产井平行、与生产井垂直、与生产井相交；大孔道长度为160 m，渗透率倍数为基础渗透率的20倍，生产井距边水的距离为160 m，生产井与边底水直接连通。

3.3.1 水窜规律 当大孔道与生产井平行或相交时，周期末含水率曲线未出现明显的拐点，判断均未发生明显水窜现象；当大孔道与生产井垂直（生产井与边底水直接连通）时，在第3 周期含水率明显上升，判断在该周期发生了水窜现象，水窜发生后，后周期的含水率总是高于前周期，同时也表明水窜程度不断加剧（见图8）。

图8 不同位置的大孔道模型对应的周期末含水率曲线

3.3.2 水窜评价 同一周期中，当大孔道与生产井垂直时，水窜系数最大，水窜最严重，且越来越严重，对应的水窜系数也是呈不断增大的趋势；当大孔道与生产井平行或相交时，水窜系数均小于10，且二者相差不大，判定二者在整个吞吐周期中均未发生明显的水窜现象（见图9），因此在实际布井生产中，应尽量避免生产井与大孔道直接垂直连通，降低水窜风险。

图9 不同位置的大孔道模型对应的水窜系数曲线

3.4 生产井距边水距离的水窜规律的影响

为了研究生产井距边水的距离对水窜规律的影响，在边底水与生产井之间添加了一条垂直于生产井且直接连通的高渗透通道，渗透率为基础渗透率的20倍，生产井距边水的距离分别为：50 m、130 m、160 m、200 m 及300 m。

3.4.1 水窜规律 距边水距离越近水窜发生的越早，且同周期的周期末含水率越高，如距离边底水距离分别为50 m、130 m、160 m、200 m 及300 m 时，水窜轮次分别为：第1 轮，第2 轮，第3 轮，第4 轮及未水窜，对应的第五周期末的含水率分别为：93.6%、80.4%、77.8%、64.8%、28%；同一边水距离，水窜发生后，每轮的水窜时机不断靠前，后周期末的含水率总是高于前周期末，水窜越严重；同一周期中，距边底水距离越近，水窜时机越靠前，如：距离边底水距离分别为50 m、130 m、160 m、200 m，第五轮的水窜时机分别为：第50 d、第60 d、第70 d、第90 d（见表2、图10）。

图10 不同边水距离的大孔道模型对应的周期末含水率

表2 不同边水距离的大孔道模型对应的周期水窜时机 单位：d

3.4.2 水窜评价 同一周期中，距离边底水越近、水窜系数越大，水窜越严重，且随着吞吐的进行水窜越来越严重，对应的水窜系数也是呈不断增大的趋势；当距离边底水50 m 时，在第一周期就发生了极强水窜；当距离为200 m 时，在第四周期发生了水窜，且往后3 个轮次均只发生了轻微水窜，因此200 m 被视为安全距离，（见图11）。

图11 不同边水距离的大孔道模型对应的水窜系数

4 结语

本文提出了水窜的评价方法，并分别研究了大孔道长度、渗透率倍数、相对位置及生产井与边底水距离对水窜规律的影响。通过分析，得到以下几点认识：（1）大孔道长度、渗透率倍数与水窜时机、周期末含水率及水窜系数呈正相关；（2）水窜一旦发生，每周期的水窜时机不断靠前、周期末含水率不断攀升、水窜系数不断增大；（3）大孔道相对位置不同，水窜规律差异较大，实际生产中，生产井与边底水应保持一定的角度，避免直接垂直连通，降低水窜风险；（4）水窜程度与生产井距边水的距离呈正比关系，经分析，200 m 被视为安全距离。本次研究结果对油藏特点及开发方式相近的热采油田具有一定的指导意义，对类似的油田开发布井、水窜预警工作起到重要的指导作用。