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低渗透油田超前注水增产机理研究

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渗透 油田 超前 注水 增产 机理 研究
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收 稿 日 期 : 2008203215作 者 简 介 : 闫 健 (19812) ,男 ,博 士 ,主 要 从 事 油 气 田 开 发 技 术 方 面 的 研 究 编 号 :16732064X(2008) 0520043203低 渗 透 油 田 超 前 注 水 增 产 机 理 研 究on of in 1 ,2 ,张 宁 生 2 ,刘 晓 娟 2(1. 中 国 石 油 大 学 (北 京 ) 石 油 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ,北 京 102249 ; 2. 西 安 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院 ,陕 西 西 安 710065)摘 要 :超 前 注 水 在 低 渗 透 油 田 开 发 实 践 中 ,相 对 于 同 步 注 水 和 滞 后 注 水 ,已 显 示 出 其 优 越 性 ,但 目 前在 超 前 注 水 增 产 机 理 方 面 的 研 究 还 不 够 深 入 . 在 前 人 研 究 基 础 上 ,针 对 不 同 类 型 低 渗 透 储 层 特 性 ,推 导 出 超 前 注 水 相 关 的 一 些 经 验 公 式 和 理 论 模 型 . 从 推 导 出 的 理 论 模 型 可 以 看 出 ,超 前 注 水 可 以 增加 低 渗 透 储 层 驱 替 压 力 梯 度 ,降 低 初 期 含 水 ,提 高 单 井 产 量 和 降 低 油 田 产 量 递 减 率 . 研 究 结 果 可 为低 渗 透 油 田 超 前 注 水 技 术 提 供 理 论 指 导 词 :低 渗 透 油 田 ;超 前 注 水 ;增 产 机 理中 图 分 类 号 : 6     文 献 标 识 码 : 注 水 技 术 是 开 发 低 渗 透 及 特 低 渗 透 油 田 的一 种 行 之 有 效 的 方 法 ,能 合 理 地 补 充 地 层 能 量 ,提 高地 层 压 力 ,使 油 井 长 期 保 持 较 高 的 生 产 能 力 ,产 量 递减 明 显 减 小 [1 ] . 同 时 ,能 防 止 原 油 物 性 变 差 ,有 效 地保 证 原 油 渗 流 通 道 的 畅 通 ,提 高 注 入 水 波 及 体 积 在 超 前 注 水 研 究 方 面 形 成 了 一 些 初 步 的 认识 ,但 总 体 说 来 还 不 成 熟 ,仍 处 于 一 个 量 的 积 累 阶段 . 随 着 低 渗 、 特 低 渗 油 藏 勘 探 开 发 力 度 的 加 大 ,急需 要 在 综 合 前 人 研 究 的 基 础 上 ,对 超 前 注 水 作 深 入的 、 系 统 的 理 论 分 析 ,提 出 具 有 普 适 价 值 的 经 验 公 式和 理 论 模 型 ,以 指 导 实 践 超 前 注 水 增 产 机 理1. 1   增 加 驱 替 压 力 梯 度 ,减 少 启 动 压 力 影 响低 渗 透 油 藏 由 于 启 动 压 力 梯 度 的 存 在 ,出 现 了渗 流 能 力 随 压 力 梯 度 改 变 的 非 线 性 流 动 . 描 述 具 有启 动 压 力 梯 度 的 渗 流 规 律 [2 ]为V = 10 - λp p , (1)式 中 , V 为 渗 流 速 度 ,s; K 为 油 层 渗 透 率 ,μ μ 为 液 体 黏 度 , s;p 为 压 力 梯 度 , 为 油 层 启 动 压 力 梯 度 .当 p λ 时 才 能 流 动 . 由 式 (1) 可 看 出 , 随 着 压 力 梯 度p 的 增 大 ,λ 的 影 响 减 小 透 油 田 实 行 超 前 注 水 时 ,虽 然 启 动 压 力 不变 ,但 是 增 加 了 地 层 压 力 ,加 大 了 生 产 压 差 ,提 高 了驱 动 压 力 梯 度 ,当 地 层 中 任 意 一 点 的 压 力 高 于 启 动压 力 后 ,在 油 层 中 便 建 立 起 有 效 的 驱 替 压 力 系 统 ,可以 减 少 启 动 压 力 的 影 响 ,从 而 提 高 可 动 油 的 动 用 程度 ,提 高 原 油 的 最 终 采 收 率 2   有 效 防 止 原 油 性 质 的 改 变 ,保 证 渗 流 畅 通低 渗 透 油 藏 油 层 物 性 差 ,渗 流 阻 力 大 ,供 油 面 积小 ,压 力 消 耗 大 ,生 产 较 短 时 间 后 ,地 层 压 力 就 降 低到 饱 和 压 力 以 下 ,地 层 原 油 开 始 脱 气 ,脱 出 气 体 部 分随 原 油 流 入 井 底 ,部 分 滞 留 于 地 层 中 . 而 地 层 原 油 脱气 产 生 了 两 种 影 响 :一 是 地 层 原 油 的 黏 度 、 密 度 都 将增 大 ,体 积 系 数 减 小 ,增 大 了 原 油 的 渗 流 阻 力 ;二 是因 低 渗 透 油 层 中 部 分 孔 喉 半 径 很 小 ,部 分 脱 出 气 体难 以 通 过 很 小 的 孔 道 而 滞 留 于 地 层 中 ,形 成 “ 气 锁 ”或 称 “ 贾 敏 效 应 ” ,这 就 减 少 了 有 效 的 油 流 通 道 [3 ] 田 采 用 超 前 注 水 方 式 时 ,只 要 能 保 持 注 采2008 年 9 月第 23 卷 第 5 期西 安 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )i′ 200823 5平 衡 ,地 层 压 力 就 基 本 保 持 高 于 原 始 地 层 压 力 ,这 可以 避 免 原 油 物 性 变 差 ,保 证 原 油 渗 流 通 道 畅 通 ,有 利于 提 高 油 井 单 井 产 量 3   提 高 注 入 水 波 及 体 积当 低 渗 透 油 藏 采 用 滞 后 注 水 开 发 方 式 时 ,主 要是 较 高 渗 透 层 段 供 液 ,使 得 较 高 渗 透 层 段 的 压 力 降落 较 大 . 当 注 水 井 投 注 之 后 ,注 入 水 将 优 先 沿 渗 流 阻力 小 的 较 高 渗 透 层 段 快 速 突 进 ,再 加 上 较 高 渗 透 层段 采 出 段 压 力 降 比 较 大 ,更 加 剧 了 注 入 水 沿 较 高 渗透 层 的 突 进 ,使 注 入 水 的 平 面 波 及 系 数 减 小 [4 ] 用 超 前 注 水 开 发 方 式 时 ,由 于 油 田 在 未 投入 开 发 前 地 层 处 于 原 始 压 力 平 衡 状 态 ,各 点 处 的 压力 基 本 保 持 一 致 . 注 入 水 在 井 底 周 围 地 层 中 向 外 推进 是 均 匀 的 ,首 先 沿 渗 流 阻 力 小 的 较 高 渗 透 段 推 进 ,当 较 高 渗 透 层 段 的 地 层 压 力 升 高 后 ,注 入 水 推 进 阻力 加 大 ,同 时 因 高 低 渗 透 层 段 之 间 的 压 力 差 ,迫 使 注入 水 进 入 较 低 渗 透 层 段 ,提 高 了 较 低 渗 透 层 段 的 地层 压 力 ,缩 小 了 两 者 之 间 的 压 力 差 ,从 而 有 效 地 提 高了 注 水 平 面 波 及 系 数 4   降 低 油 井 初 期 含 水根 据 实 验 研 究 结 果 [526 ] , 油 水 两 相 在 低 渗 透 地层 中 作 拟 稳 定 渗 流 时 ,油 层 含 水 率 与 启 动 压 力 梯 度的 关 系 为f w = 1 + [Φ / (2 K) ]1/ 2τ oΔ p/ , (2)式 中 , f w 为 含 水 率 ; 油 、 水 的 相 对 渗 透率 ; K 为 绝 对 渗 透 率 ; Ф 为 孔 隙 度 ;τ o 为 原 油 极 限 剪切 应 力 ;Δ p/ L 为 启 动 压 力 梯 度 渗 透 率 条 件 下 ,渗 流 的 过 程 存 在 启 动 压 力梯 度 ,地 层 的 渗 流 特 征 为 非 达 西 渗 流 . 影 响 含 水 率 的因 素 较 多 ,除 油 水 黏 度 比 外 ,渗 透 率 和 原 油 极 限 剪 切应 力 的 影 响 就 不 可 忽 视 . 在 其 他 条 件 相 同 的 情 况 下 ,启 动 压 力 梯 度 越 大 ,含 水 率 越 小 ;原 油 极 限 剪 切 应 力越 小 ,含 水 率 越 小 ;渗 透 率 越 低 ,含 水 率 越 高 ;而 超 前注 水 提 高 了 地 层 压 力 ,减 小 了 地 层 压 力 下 降 对 地 层孔 隙 度 、 渗 透 率 的 伤 害 ,因 此 降 低 了 含 水 5   降 低 油 田 产 量 递 减 率1. 5. 1   不 同 类 型 地 层 单 井 产 量 理 论 模 型(1) 岩 石 发 生 非 线 性 弹 性 、 塑 性 形 变 时在 地 层 压 力 下 降 的 情 况 下 孔 隙 度 Ф 与 平 均 法向 应 力 σ 的 关 系 可 表 示 为 [7 ]Ф = Ф 0c (σ ) , (3)式 中 ,β c 为 岩 石 储 集 层 在 考 虑 压 缩 性 时 孔 隙 度 变 化系 数 油 量 t) 可 表 示 为 t) = - d t = - d t V H +ρ o d V Hd t (1 - S ,(4)式 中 , 地 层 中 所 含 的 原 油 质 量 ;ρ o 为 原 油 密度 ; V H 为 地 层 孔 隙 体 积 ; S 地 层 束 缚 水 饱 和 度 密 度 与 压 力 有 关 系ρ o = ρ 1 + p - ] , (5)式 中 ,ρ 参 考 压 力 的 原 油 密 度 ; 原 油 的压 缩 系 数 σ 与 p 之 间 关 系 式 σ + p ,由 式 (3) 得到Φ = Φ 0eβ c ( p - . (6)由 于 V H = Φ V V 层 总 体 积 ) ,根 据 式(4) — 式 (6) ,在 p = p 条 件 下 得 到 t) =∫ t) d t = ρ V 1 - S [1 c ( p) + p) c ( p) ]. (7)因 此 , 在 知 道 t) 以 及 原 始 参 数 值 后 , 就 可以 用 式 (7) 计 算 出 平 均 地 层 压 力 随 时 间 的 变 化 .(2) 岩 石 储 集 层 和 原 油 储 层 具 有 强 烈 变 形 性 质 时该 条 件 下 油 井 的 产 量 变 化 必 须 同 时 考 虑 岩 石 储集 层 渗 透 率 与 平 均 法 向 应 力 之 间 的 关 系 . 对 于 陆 相岩 石 这 个 关 系 式 一 般 写 成 [4 ]k = k (σ ) , (8)式 中 ,β k 为 岩 石 储 集 层 在 考 虑 压 缩 性 时 渗 透 率 变 化系 数 = σ 0 时 , k = 当 岩 石 渗 透 率 变 化 遵 循 式 (8) 所 示 的 规 律 时 ,原 油 向 生 产 井 径 向 流 动 条 件 下 ,有 表 达 式 2π k0 k ( p - r d pd r , (9)式 中 , 油 井 的 产 量 (9) 积 分 , 得 出 强 烈 变 形 地 层 采 油 井 产 量公 式 2π k0 h k ( - k ( oβ (10)如 果 给 出 全 油 井 目 前 采 油 量 随 时 间 的 变 化 t) ,则 在 求 出 每 一 时 刻 的 累 计 产 油 量 t)之 后 按 照 公 式 (7) 算 出 平 均 地 层 压 力 p 随 时 间 的 变化 ,然 后 用 公 式 (10) 求 出 各 井 的 产 量 .(3) 带 裂 缝 和 孔 隙 的 封 闭 地 层 中 岩 石 有 强 烈 变形 时带 裂 缝 、 孔 隙 的 封 闭 地 层 的 开 发 中 ,当 地 层 压 力—44— 西 安 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )显 著 变 化 ,岩 石 有 强 烈 变 形 时 ,由 于 裂 缝 闭 合 使 井 的产 能 发 生 剧 烈 变 化 ,其 变 化 要 比 陆 相 沉 积 岩 强 烈 变形 地 层 开 发 时 剧 烈 得 多 的 裂 缝 孔 隙 度 随 着 平 均 地 层 压 力 变 化 有 表达 式Φ T = Φ 0 T[1 - β T ( p) ]. (11)具 有 裂 缝 孔 隙 度 的 岩 石 渗 透 率 k T 随 地 层 压 力变 化 有 形 式k T = [1 - β T ( p) ]3 . (12)在 上 述 公 式 中 ,β T 为 岩 石 裂 缝 空 间 随 着 孔 隙 内压 力 p 变 化 而 发 生 变 化 的 系 数 ; Ф 0 T , 分 别 为 裂缝 孔 隙 度 原 始 值 和 原 始 渗 透 率 值 有 裂 缝 孔 隙 度 的 地 层 开 发 ,即 有 t) = ∫ t) d t = ρ T V (β T +( p) + ( p) 2 ] , (13)相 应 地 ,在 裂 缝 孔 隙 度 强 烈 变 形 地 层 中 ,对 于 油 井 的径 向 流 ,有 π h [1 +β T( p K - ]4 - [1 +β T ( ]42β Tμ 14)从 公 式 (10) 和 (14) 都 可 以 看 出 :其 他 条 件 不 变的 情 况 下 ,低 渗 透 油 田 由 于 实 施 超 前 注 水 ,其 开 采 时边 界 压 力 增 加 了 ,从 而 导 致 其 产 量 也 得 到 提 高 ,即 低渗 透 油 田 实 施 超 前 注 水 可 以 提 高 单 井 产 量 5. 2   油 田 递 减 率 计 算 式 推 导   油 、 气 田 产 量 递减 阶 段 ,产 量 递 减 的 大 小 通 常 用 递 减 率 表 示 ,即 单 位时 间 内 的 产 量 递 减 分 数 ,其 表 达 式 [8 ] 为D = - 1q d qd t , (15)式 中 , D 为 瞬 时 递 减 率 , ; q 为 递 减 阶 段 t 时 间 的产 量 ,油 田 为 104 t/ a ,气 田 为 108 a ; d qd t 为 单 位 时间 内 的 产 量 变 化 率 (13) 、 (15) 可 得 π μ β T β - t)ρ T V + β 2 4- [1 +β T ( ]4 . (16)对 上 式 求 导 代 入 递 减 率 公 式 ,可 得D = π μ +β T β - t)ρ T V + β 2 3× β o ( t)ρ T V + β 2 .(17)从 而 可 知 :实 施 超 前 注 水 提 高 边 界 压 力 在相 同 时 间 内 ,累 积 产 量 t) 增 加 ,导 致 递 减 率 ,可 以 降 低 油 田 产 量 的 递 减 速 度 结   论从 推 导 出 的 理 论 模 型 可 以 看 出 ,低 渗 透 油 田 实施 超 前 注 水 可 以 取 得 以 下 效 果 :(1)提 高 驱 动 压 力 梯 度 ,减 少 低 渗 透 储 层 启 动 压力 影 响 ,提 高 最 终 采 收 率 ;(2)降 低 油 井 初 期 含 水 ,提 高 油 相 产 量 ;(3)增 加 开 采 时 地 层 边 界 压 力 ,提 高 油 井 单 井 产量 ;(4)相 同 时 间 累 计 产 量 增 加 ,降 低 油 田 产 量 递 减率 文 献 :[1 ]   李 亮 ,胡 建 国 ,阎 纪 辉 . 超 前 注 水 是 低 渗 透 油 田 开 发 的重 要 途 径 [J ]. 新 疆 石 油 地 质 ,2001 ,22 (3) :2322234.[2 ]   孙 黎 娟 ,吴 凡 ,赵 卫 华 . 油 藏 启 动 压 力 的 规 律 研 究 与 应用 [J ]. 断 块 油 气 田 ,1998 ,5 (5) :30233.[3 ]   刘 正 云 ,张 伟 ,李 战 杰 . 古 云 集 油 田 超 前 注 水 技 术 研 究及 应 用 [J ]. 内 蒙 古 石 油 化 工 ,2007 (5) :2292231.[4 ]   车 起 君 ,雷 均 安 ,冉 玉 霞 . 超 前 注 水 提 高 特 低 渗 透 油 田开 发 效 果 [J ]. 大 庆 石 油 地 质 与 开 发 ,2003 ,22 (1) :122.[5 ]   钟 显 彪 . 对 低 渗 透 油 藏 提 高 单 井 产 能 与 渗 透 率 表 征 等技 术 的 新 思 维 [J ]. 大 庆 石 油 地 质 与 开 发 ,2004 ,23 (6) :86286.[6 ]   王 建 华 . 低 渗 透 油 田 超 前 注 水 研 究 [J ]. 断 块 油 气 田 ,2005 ,12 (3) :53254.[7 ]   [苏 ]ю . п . 日 尔 托 夫 . 油 田 开 发 [ M ]. 北 京 :石 油 工 业 出版 社 ,1992.[8 ]   姜 汉 桥 ,姚 军 ,姜 瑞 忠 . 油 藏 工 程 原 理 与 方 法 [ M ]. 东营 :石 油 大 学 出 版 社 , :贺 元 旦—54—闫 健 等 :低 渗 透 油 田 超 前 注 水 增 产 机 理 研 究of of of as an of in of of is It is of in of in 2 , G 3 , 1. 00452 , 2. 34023 , 3. 57000 , 008 V. 23 N. 5 p. 32236of by 2wu as an as is is is it is of of is in is by is as of D of of of S W A N G L I 1. ,02249 , 2. 00027 , 3. 6 63114 , 008 V. 23 N. 5 p. 37239 ,42of a at is an of on of of 2in of of in A of at is by of is of it N G B G W A N G 1. 10065 , 2. 008 V. 23 N. 5 p. 40242on of in In of on of is of of on of it be of of of of 2 , G L 1. ,02249 , 2. 10065 , 008 V. 23 N. 5 p. 43245on la ws of in of of is of in of is to of be if is of on of is ° ,it is 0° . to of it is 2D is of of fo
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