低渗透高饱和油藏能量合理补充时机研究

陈民锋，赵梦盼，王敏，盖建，时建虎

（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

由于储层具有启动压力梯度，流体地层饱和压差小，低渗透高饱和油藏开发受到更多条件的限制。此类油藏在初期采取衰竭开发后，地层压力下降较快，如果注水不及时，造成油藏地层压力低于饱和压力，容易使地层脱气，导致油藏产量低或停采［1］。如何最大程度地利用天然能量，并在合理的开采制度下适时进行地层能量补充，是提高此类油藏开发效果的一个关键问题。

1 开发过程中的渗流问题及基本解

1.1 低渗透高饱和油藏开发要求

根据流体高压物性分析，高饱和油藏地层饱和压差一般小于6.0 MPa，且饱和压力为原始地层压力的0.7倍以上。在天然能量衰竭开发条件下，油井附近地层压力不断下降，当压力降低到泡点压力以下时，油层内含气饱和度会很快达到并超过临界含气饱和度，从而形成油、气两相流动，气油比持续升高。开发实践表明，高饱和油藏采取早期注水，合理控制采油速度，可以得到较高的采收率［2-5］。

与常规油藏相比，低渗透储层具有启动压力梯度［6-10］。随生产时间增加，动用范围逐渐增大，但驱替压力梯度逐渐减小［11-21］。当储层延展范围足够大时，在平面上将存在一个“流动界限”，“界限”以外区域的压力梯度小于启动压力梯度，使得渗流速度为0，储层中压力传播过程见图1。

图1 储层中压力波传播过程示意

如图1所示，储层中半径rc处，该半径以外的压力梯度小于启动压力梯度，rc即为极限动用半径，油藏开发井距一般应小于2rc。油井以定产的方式生产，生产一段时间tb后，压力波传播到rb处。假定在此处油井的生产压差为地层饱和压差，此半径rb可称为有效泄油半径。为满足油井定产开发要求，此时可继续降低井底流压pwf，也可开始补充能量来提高原始地层压力pe。

对于高饱和油藏，一般要求油井井底流压大于等于原油饱和压力，而由于其地层饱和压差一般较小，因此需要及时注水补充能量。在一定生产条件下，当油井井底流压pwf降低到饱和压力pb时，对应的开采时间tb就是油藏的合理注水时机。

1.2 渗流方程及基本解

1.2.1 压力与产能公式

对于上述不稳定生产过程，可采用稳定逐次逼近的方法求解。存在启动压力梯度时，在油井极限泄油范围内，流体的渗流方程为

求解式（1），得到压力分布为

式（2）对r求导，可得到压力梯度为

则考虑启动压力梯度影响时油井产量为

式中：pe为原始地层压力，MPa；pwf为油井井底流压，MPa；rw为井半径，m；re为极限动用边界半径，m；K 为储层渗透率，10－3μm2；μ 为流体黏度，mPa·s；G 为启动压力梯度，MPa/m；v为渗流量，m3/d。

1.2.2 油井泄油区弹性产出量

由物质平衡原理，泄油区内的弹性产出量为

式中：Cf为综合压缩系数，MPa-1；Vf为泄油区体积，m3；为平均地层压力，MPa。

根据面积加权平均法，地层中的平均压力为

将式（3）代入式（6），得出稳态条件、考虑启动压力梯度时，单井控制范围内的平均地层压力为

1.2.3 给定采油速度下的开采时间

设油井以定产量q生产，经过时间t后压力波传播至泄油半径rb处。此时，油井若保持定产q不变，则需进行能量补充。若油藏开发井距为d，单井控制面积为A，则单井控制的流体储量为

式中：φ为孔隙度；Soi为原始含油饱和度；Boi为原油体积系数；ρ为原油密度，g/cm3。

设年采油速度为a，则油井折算产量为

式中：Te为一年中折算的生产时间，取330 d。

确定合理能量补充时机的具体步骤为：1）根据油田条件和对采油速度的要求，利用式（8），（9），确定油井产量 q；2）利用式（4），根据计算的 q，反求出相应条件下的有效泄油半径 rb；3）通过式（5）、（7），计算出 rb下油井的弹性产出量Vo；4）油井在饱和压力以上定产量q，累计产量等于弹性产出量Vo生产，则合理能量补充时机为tb。

2 高饱和油藏能量合理补充时机

2.1 油藏基本参数

JS-LMZ油田属低渗高饱和油藏，经过论证，宜采取早期天然能量开发、适时转入注水补充能量的开发方式。

油藏基本参数：油井半径为0.1 m；储层渗透率为30×10－3μm2； 储层有效厚度为 20.0 m； 储层孔隙度为0.2；储层原始含油饱和度为0.65；地层原油黏度为5.0 mPa·s；原始地层压力为20.0 MPa；原油饱和压力为15.0 MPa；综合压缩系数为 5.0×10－4MPa-1；启动压力梯度为 0.02～0.03 MPa/m。

油藏开发井距为400 m，则单井控制单元半径为200 m。为保证整个开发过程中地层始终不脱气，限定油井最小井底流压等于原油饱和压力。

2.2 油井泄油范围内的压力分布规律

应用式（2），考虑启动压力梯度影响，不同条件下储层中压力分布规律见图2。

图2 考虑启动压力梯度影响时压力分布规律

由图2可看出：启动压力梯度的存在增加了渗流阻力，主要体现在储层能够泄油的范围明显缩小；在不同驱动压差（△p）和启动压力梯度条件下，极限泄油半径明显不同；启动压力梯度较小、驱动压差较大时，油井的极限泄油半径较大。

应用式（4），考虑启动压力梯度影响，不同条件下油井产量随泄油半径的变化见图3。

图3 油井产量与泄油半径变化关系

由图3可看出：随着衰竭开发的进行，压力波向外传播，泄油半径增大，油井产量逐渐递减；生产压差越小，启动压力梯度越大，极限泄油半径越小。在不同生产压差及启动压力梯度条件下，其有效泄油半径明显小于对应条件下的极限泄油半径；当油井产量为0时，储层极限泄油半径为rc；如取采油速度为1%时折算日产量，对应的油井有效泄油半径为rb，一般rb/rc约为0.65。

2.3 满足开发要求的能量合理补充时机

应用式（5），（7），计算不同条件下，油井泄油范围内的弹性产出量（见图4）。

图4 不同条件下累计弹性产量变化曲线

由图4可看出：驱替压差越小、启动压力梯度越高，油井的极限动用半径就越小；当储层厚度一定时，随着油井在平面上的泄油半径增大，弹性产量初期增加较快；距离油井越远，该处储层中产生的压力降越小、储量动用程度越低，导致后期弹性产量增加趋势逐渐变缓。

应用式（8）—（10），计算不同采油速度下的油藏能量合理补充时机，结果见图5。

由图5可看出，在衰竭开发阶段，可利用的驱动压差越大（△p），相同条件下可以采取相对较高的采油速度生产，其能量开始的补充时机也可以相对延迟一些。

综上分析认为：低渗透高饱和油藏，储层具有启动压力梯度，油井泄油半径小；流体饱和压力高，地层饱和压差小，储量动用强度低，弹性采收率较小。整体来看，在衰竭开发阶段，采油速度应控制在2%以内，而能量补充时机也应较早，一般控制在投入开发后的1 a以内。

图5 不同条件下能量补充时机变化曲线

3 结论

1）低渗透高饱和油藏，储层具有启动压力梯度，流体饱和压力高，油田开发中要综合考虑2方面的影响，确定合理开发对策。

2）低渗透高饱和油藏在给定产量条件下，储层有效泄油半径小，储量动用强度低，在开发初期阶段宜采取限制井底流压、低采油速度开采的方式，并应尽早开始补充能量开发。

3）基于低渗透高饱和油藏基本渗流规律，建立了确定油藏合理能量补充时机的方法。实例应用表明，该方法具有很好的操作性。

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