同井注采井区隔层窜流界限研究

张继成， 郑灵芸

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

同井注采井区隔层窜流界限研究

张继成， 郑灵芸

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

井下油水分离技术可使产出液在地下实现油水分离，达到减少地面水处理量，提高驱油效率的目的。但实施此项技术之后，同井注采井区回注层与产出层之间的压差增大，当二者之间压差大于隔层启动压力梯度时，隔层流体发生窜流。为防止隔层流体发生窜流，根据A油田实际地层参数，建立同井注采模型，研究实施同井注采技术之后隔层发生窜流的范围及单井日产液量的上限值，得到隔层渗透率-厚度-单井日产液量界限图版。分析图版可知，当前A油田同井注采井单井日产液量为70 m3条件下，隔层渗透率为1×10-3μm2时，隔层厚度下限值为2.3 m；隔层厚度为3 m时，隔层渗透率上限值为1.25×10-3μm2。在隔层物性参数变化时，可根据图版确定同井注采井合理的单井日产液量，对油田开发方案的制定具有一定的指导意义。

同井注采； 隔层窜流； 启动压力梯度； 数值模拟

A油田为背斜构造砂岩油藏，自20世纪60年代开发以来，依次进行了一次加密、二次加密、聚驱调整。为实现采出井聚驱后含水率达98%以上时进行四次采油，进一步提高采收率，延长经济开发期限的目的，自2015年8月起，选定该区块18口采油井开展聚驱后交互注采现场试验，同井注采试验井平均单井日产液67.1 m3。本文主要基于A油田油藏实际参数建立同井注采数值模型[12-14]，对隔层厚度、渗透率及单井日产液量等参数进行分析。

1 同井注采井区层间窜流机理

根据低渗透储层启动压力梯度理论，当低渗透储层渗透率降低到一定程度后，其渗流特征已不符合达西定律，这种渗流被称之为非达西渗流，即在驱动压力梯度较小时，流体不能流动，只有当驱动压力梯度达到一定值后，流体才开始流动，此时的驱动压力梯度称为启动压力梯度[15-19]。

根据A油田低渗透储层岩心的启动压力测试数据，得到启动压力梯度和渗透率之间的关系如式(1)所示。

启动压力梯度的计算公式为：

式中，G为启动压力梯度，MPa/m；k为储层渗透率，10-3μm2。

在实施同井注采技术的过程中，产出层压力降低，回注层压力上升，因此，产出层与回注层之间会产生压差，当此压差大于隔层的启动压力梯度时，隔层流体会在压差的作用下发生流动，引起窜流(见图1)，影响同井注采技术的实施效果。

图1 隔层窜流示意图

Fig.1Interlayerchannelingschematicdiagram

同井注采技术回注层与产出层之间隔夹层能承受的压差界限值的计算公式为：

式中，h为隔层厚度，m。

2 物理模型

A油田回注层厚度为8.7 m，产出层厚度为15.3 m，同井注采井区的物理模型如图2所示。

图2 物理模型

Fig.2Physicalmodeldiagram

为模拟A油田实际的物性参数，物理模型与实际模型的物性参数一致。设置回注层厚度为9 m，分为2层，每层厚度为4.5 m，渗透率为500×10-3μm2，孔隙度28.6%；产出层的厚度为15 m，分为3层，每层厚度为5 m，渗透率为150×10-3μm2，孔隙度为27.0%。模型平面为正方形，面积为810×810 m2。

3 数值模拟

3.1数学模型

数学模型的假设条件：(1)油藏中存在油水两相流体渗流；(2)油藏中的岩石和流体均可压缩；(3)油藏流体渗流符合达西定律；(4)油藏岩石具有各向异性和非均质性；(5)考虑毛管力的影响；(6)不考虑重力的影响。

同井注采井区数学模型的表达式为：

式中，ρo为油相密度，g/cm3；ρw为水相密度, g/cm3；vo为油相速度，m/s；vw为水相速度，m/s；So为含油饱和度；Sw为含水饱和度；φ为孔隙度。

辅助方程：

初始条件：

边界条件：

3.2同井注采模型

利用Eclipse数值模拟软件，建立同井注采基础模型，模型平面步长为10 m×10 m，中心目标井区域网格加密为2 m×2 m，纵向上共分为6层，其中1—2层纵向步长为4.5 m，3层纵向步长为3.0 m，4—6层纵向步长为5.0 m，因此总的网格数为103×103×6=63 654个，油井定液量、水井定注水量进行生产，模型如图3所示。

图3 同井注采基础模型Fig.3 Basic model diagram of injection-production well

生产30年后，生产区采出程度达到34.87%，全区含水率达到97.34%，符合同井注采技术前期对区块的要求。在此基础上进行同井注采数值模拟，对原模型O7井(同井注采井)进行补孔(封堵所有层位)，同时在O7井相同位置增加一口注水井WW1和生产井OO1，水井WW1井射开1—2层，模拟同井注采井区回注层；OO1井射开4—6层，模拟同井注采井区的产出层，其中新打的水井WW1与油井OO1遵循“同井场，异井别”的原则，同井注采模型示意图如图4所示。

图4 同井注采示意图

Fig.4Injection-productionwelldiagram

4 窜流主控因素界限研究

4.1窜流范围的确定

实施同井注采技术之后，在隔层渗透率和厚度一定的情况下，当隔层上下层的地层压力差值大于隔层的启动压力时，隔层内的流体开始流动，发生窜流。为研究窜流的范围界限，制定了6种数值模拟方案，每种方案中，隔层厚度均为3 m，隔层渗透率为1×10-3μm2，分区范围依次扩大，方案1—6研究近井地带范围分别为6 m×6 m、14 m×14 m、26 m×26 m、34 m×34 m、50 m×50 m、90 m×90 m。图5为实施同井注采技术的井的近井地带不同方案分区示意图。

图5 各方案中心分区示意图

Fig.5Centerpartitiondiagramofeveryoption

利用Eclipse数值模拟软件进行模拟计算，将每种方案的结果数据进行导出、整理，得到不同分区方案隔层上下层压差随时间变化的图版，如图6所示。

图6 不同方案隔层上下层压差随时间变化图

Fig.6Pressuredifferencevariationwithtimebetweenupperandlowerlayersofdifferentoptions

比较分析方案1—6的隔层上下层压差数据可知，在生产初期，隔层上层地层的压力略小于隔层下层地层的压力，故二者差值为负值。在实施同井注采技术之后，回注层压力迅速上升，产出层压力下降，因此隔层承受的压差增大。

(1) 比较同一时间点，方案1—6的隔层上下层压差数据可知，在实施同井注采技术之后，实施同井注采技术的井的近井地带隔层上下层的压力差值较大，随着渗流范围不断扩大，隔层上下层的压差随之减小，说明实施同井注采技术井的近井地带是最容易引起隔层的流体窜流。

(2) 比较同一方案隔层上下层压差随时间变化的曲线可知，实施同井注采技术之后，随着时间的推移，隔层上下层的压差不断减小，如果实施同井注采技术之后较近的一个时间点测得的隔层上下层的压差没有达到引起隔层流体窜流的最高压差，那么实施同井注采技术将不会引起隔层流体窜流。

4.2产液量对窜流的影响

单井日产液量影响地层压力的变化，制约着同井注采技术的实施，因此制定17种不同的产液量方案，研究同井注采井近井地带6 m×6 m范围内隔层上下层压力变化，在每种方案中，隔层渗透率为1×10-3μm2，隔层厚度为3 m，具体如表1所示。

表1 单井生产制度方案表Table 1 Production system of different options

利用Eclipse数值模拟软件进行模拟计算，得到这17种方案近井地带隔层上下层压力变化曲线，将每种方案中隔层上下层压差数据进行整理，得到每种产液量方案下实施同井注采技术前后隔层上下层压差，如图7所示。

图7 每种方案隔层上下层压差示意图

Fig.7Pressuredifferencevariationbetweenupperandlowerlayersofeveryoption

由图7可知，随着单井日产液量的增多，在实施同井注采技术之后，近井地带6 m×6 m范围内隔层上下层平均地层压力差值随之增大，说明单井日产液量越大，隔层流体发生窜流的可能性越大。

4.3窜流影响因素图版

根据近井地带6 m×6 m，不同产液量隔层上下层压差随时间变化的数据，得到不同产液量方案同井注采井区隔层上下层最大的压差数据，如表2所示。

表2 不同方案隔层上下层最大压差数据Table 2 Maximum different pressures betweenupper and lower layers of every option

利用上述压差数据和启动压力梯度的计算公式(2)反推不同隔层渗透率条件下的隔层厚度下限值，得到隔层厚度-渗透率-产液量图版(近井地带6 m×6 m)，如图8所示。

图8 隔层厚度-渗透率-产液量图版

Fig.8Interlayerthickness-permeability-productionrateplate

由图8可知，随着同井注采井单井日产液量的上升，实施同井注采技术后隔层上下层压差逐渐增大，在隔层启动压力梯度一定的条件下，隔层渗透率越大，不会引起隔层流体窜流的所需隔层厚度越大；A油田同井注采井平均单井日产液量为67.1 m3，如果隔层渗透率为1×10-3μm2，为保证隔层流体不会发生窜流，隔层厚度下限值为2.3 m；如果隔层厚度为3 m，为保证隔层流体不会发生窜流，隔层渗透率上限值为1.25×10-3μm2；在同井注采井单井日产液量为10 m3/d时，即单井日产液量较小的情况下，隔层物性参数中，隔层厚度的变化对隔层是否发生窜流影响较大；在单井日产液量为400 m3/d时，即在单井日产液量较大的情况下，隔层渗透率对隔层流体是否发生窜流影响较大。

综上分析，在隔层厚度-渗透率-产液量图版上，当油井产出层产液量为某一定值时，隔层物性参数在该图版上这一产液量曲线左上方的区域内,隔层流体不会发生窜流，在产液量曲线上隔层流体刚好发生窜流，在产液量曲线右下方隔层流体发生窜流，同井注采技术受到干扰。

5 结论

(1) 根据低渗透油田启动压力梯度理论，当低渗透储层渗透率降低到一定程度后，其渗流特征已不符合达西定律，只有当驱动压力梯度达到一定值后，流体才开始流动。根据A油田实际数据，得出该油田渗透率为1×10-3μm2时，启动压力梯度为0.618 MPa/m。

(2)分析同井注采数值模拟模型，得出同井注采井区是最容易发生窜流的区域；越靠近实施同井注采技术的时间点，越容易发生窜流；同井注采井单井日产液量越大，越容易发生窜流。

(3) 根据A油田启动压力梯度和数值模拟方案的结果数据，绘制隔层厚度-渗透率-产液量图版，在同井注采井单井日产液量为70 m3，隔层渗透率为1×10-3μm2时，隔层厚度下限值为2.3 m；如果隔层厚度为3 m时，隔层渗透率上限值为1.25×10-3μm2。

(4) 在隔层物性(渗透率、厚度)确定的情况下，可根据隔层厚度-渗透率-产液量界限图版，判定同井注采井合理的单井日产液量范围，指导油田的实际开发方案的制定，具有较强的现实意义。

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The Study on Technical Limits for Interlayer Channeling of Injection-Production Well Area

Zhang Jicheng, Zheng Lingyun

(CollegeofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity，DaqingHeilongjiang163318，China)

Downhole oil-water separation technology can make production liquid divide into water and oil, reduce the surface water treatment and improve oil displacement efficiency. However, pressure difference between output layer and injection layer increases after implementation of this technology. When pressure difference is greater than threshold pressure gradient of interlayer, the interlayer fluid flows. In order to prevent the occurrence of interlayer channeling, numerical model of injection-production well is established according to actual formation parameters. After studying the injection and production technology of the same well, the range of cross flow and the upper limit of daily production of single well are obtained, and the limit chart of permeability, thickness and single well production is obtained. When daily production volume of single well is 70 m3and interlayer permeability is 1×10-3μm2, the lower limit of interlayer thickness is 2.3 m; When daily production volume of single well is 70 m3and interlayer thickness is 3 m, the upper limit of interlayer permeability is 1.25×10-3μm2. When the physical parameters of interlayer are changed, daily production volume of single well can be determined according to the plate, which can be used to guide the development of oilfield development plan.

Injection-production well; Interlayer channeling; Threshold pressure gradient; Numerical simulation

1006-396X(2017)05-0060-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE312

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.012

2017-03-10

2017-03-27

“十三五”国家科技重大专项课题“海上稠油油田开发模式研究”(2016ZX05025-001)。

张继成(1972-)，男，博士，教授，博士生导师，从事石油与天然气工程方面的研究;E-mail:zhangjc777@163.com。

郑灵芸(1993-)，女，硕士研究生，从事石油与天然气工程方面的研究;E-mail:zhengly1993@163.com。

(编辑 王亚新)

目前很多陆上油田开发进入中后期，油井含水率越来越高，因此产出水如何处理是很多油田不得不面临的棘手问题[1-3]。同井注采技术是指在油井含水较高的情况下下入井下油水分离设备，使得产出液在地下实现油水分离，分离出的水回注到地层，富含油的采出液采出到地面，从而大幅度减少注入水的无效循环，达到减少采出水量、井口回注水量和地面水处理量的目的[4-8]。在实施同井注采技术过程中，产出层和回注层之间的压差增大，当二者之间差值超过一定界限时，回注层的流体会沿着回注层与产出层之间的隔层发生窜流[9-11]，因此需要对回注层与产出层之间的隔层的物性参数进行研究，确保同井注采技术能够得到较好的开发效果。