李志鵬，林承焰，李潤澤，卜麗俠，楊喜彥

(1.中國石油大學(xué)，山東 東營 257061;2.中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061;3.中油青海油田分公司，甘肅 敦煌 816000)

利用油氣勢能預(yù)測油藏開發(fā)后期剩余油富集區(qū)

李志鵬1，林承焰1，李潤澤1，卜麗俠2，楊喜彥3

(1.中國石油大學(xué)，山東 東營 257061;2.中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061;3.中油青海油田分公司，甘肅 敦煌 816000)

流體勢是控制地下流體運(yùn)動(dòng)的直接因素。已開發(fā)油藏中油氣主要受到重力、浮力、毛細(xì)管力以及生產(chǎn)壓力4種應(yīng)力，形成了位能、壓力能、界面勢能以及動(dòng)能4類流體勢能。分析了每種流體勢能對已開發(fā)油藏流體運(yùn)動(dòng)的控制作用，明確了油氣勢能與剩余油富集區(qū)之間的關(guān)系：油藏開發(fā)中后期的油氣低勢區(qū)是剩余油富集的有利區(qū)域，而油氣高勢區(qū)則是易于水淹的區(qū)域。研究結(jié)果在高尚堡油田高淺南區(qū)油藏的剩余油預(yù)測中取得了很好的應(yīng)用效果。

流體勢;剩余油;開發(fā)后期;高尚堡油田高淺南區(qū)

引 言

對于剩余油的預(yù)測主要有地質(zhì)方法［1－2］、測井方法［3］以及油藏工程方法［4］，但這些方法往往只單一考慮地質(zhì)因素或開發(fā)因素，沒有同時(shí)考慮兩者對剩余油的影響。“勢控論”是油氣勘探中的一項(xiàng)重要理論，在油氣路徑研究、有利區(qū)帶預(yù)測以及圈閉評價(jià)中都取得了很好的應(yīng)用效果［5］，但卻很少應(yīng)用到已開發(fā)油藏的剩余油預(yù)測中。油藏注水開發(fā)就是一種人為改變流體勢能場，從而影響油氣運(yùn)動(dòng)的開發(fā)方式，即油藏開發(fā)過程就是油氣在新的油氣勢能場的作用下，不斷重新運(yùn)移聚集并被采出的過程。所以流體勢能不僅可以反映地質(zhì)因素對剩余油的控制，同時(shí)也可以反映開發(fā)因素對剩余油的影響。

1 流體勢的定義及基本原理

20 世紀(jì)40 至50 年代 M.K.Hubbert［6－7］把單位質(zhì)量流體所具有的機(jī)械能總和定義為流體勢，由位能、壓力能和動(dòng)能構(gòu)成。后來，W.A.England［8］考慮了儲層毛細(xì)管力，對前者的定義進(jìn)行了修改，認(rèn)為流體勢能是從基準(zhǔn)點(diǎn)(面)傳遞單位體積流體到研究點(diǎn)所做的功。

地層中的流體總是由流體高勢能區(qū)向低勢能區(qū)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向是沿著勢能減小最快的方向即勢梯度的負(fù)方向［9］。油氣藏形成之后，由于遮擋條件的外在附加力，使油氣藏形成了一個(gè)平衡勢能場(圖1a)，油氣也在油藏內(nèi)停止了運(yùn)動(dòng)。當(dāng)油藏被開發(fā)，采油井和注水井的存在打破了這種油氣勢能的平衡，形成了多個(gè)流體低勢能點(diǎn)和高勢能點(diǎn)，油氣在新的勢能場中，不斷由高勢能點(diǎn)流向低勢能點(diǎn)并被采出(圖1b)。

2 已開發(fā)油氣藏內(nèi)流體勢能及地質(zhì)意義

油氣藏注水開發(fā)過程中，油氣主要受到重力浮力、生產(chǎn)壓力以及毛細(xì)管力4種應(yīng)力的共同作用。其中浮力是靜水壓力作用到油氣上的合力;生產(chǎn)壓力是人為注水、采油對流體產(chǎn)生的附加流體壓力所形成的壓力差。靜水壓力和人為附加流體壓力共同構(gòu)成了油藏開發(fā)過程中的流體壓力。

以上4種應(yīng)力中，浮力和生產(chǎn)壓力不是基礎(chǔ)力，所以油氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)生流體勢能的主要是重力、毛細(xì)管力和流體壓力(包括靜水壓力和人為附加流體壓力)。其中重力產(chǎn)生位能、毛細(xì)管力產(chǎn)生界面勢能、流體壓力產(chǎn)生流體壓力能(包括靜水壓力產(chǎn)生的靜水壓力能和人為附加流體壓力產(chǎn)生的人為附加壓力能)，同時(shí)還有其合力造成油氣運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。

位能負(fù)梯度方向垂直向下，隨著埋深的增加而降低，具有使油氣向構(gòu)造低部位運(yùn)移的趨勢。靜水壓力能負(fù)梯度方向向上，隨埋深的增加而增加，具有使油氣向構(gòu)造高部位運(yùn)移的趨勢。其與位能的綜合結(jié)果是：構(gòu)造部位越高，兩者的合勢能越低，使油氣向構(gòu)造高部位運(yùn)移。兩者之差正好為凈浮力所做的功，凈浮力方向?yàn)樨Q直向上。

人為附加壓力能的負(fù)梯度方向是由注水井指向采油井，使油氣由注水井流向采油井，人為附加壓力能的存在使得已開發(fā)油藏中壓力能變得非常復(fù)雜。

圖1 油藏未開發(fā)和開發(fā)時(shí)油氣受力(忽略毛細(xì)管力)

界面勢能是由毛細(xì)管力引起的，受儲層孔喉半徑等的影響較大。一般儲層孔喉半徑越大界面勢能越小。如果物性較差的儲層中充滿油氣，儲層潤濕性將由親水向親油轉(zhuǎn)變，油氣界面勢能的負(fù)梯度由毛細(xì)管的寬粗端指向窄細(xì)端，造成物性差的邊緣相帶的儲層油氣難以被采出，形成油氣高勢區(qū)。

從以上分析可知，已開發(fā)油藏中的油氣勢能是一個(gè)受儲層物性條件(界面勢能)、油層構(gòu)造特征(位能與靜水壓力能)等地質(zhì)因素，以及開發(fā)措施(人為附加壓力能)等開發(fā)因素綜合影響的參數(shù)。所以油氣勢能可以同時(shí)反映多種因素對剩余油分布的控制作用。

在注水開發(fā)過程中，通過增加注水井周圍的壓力能，釋放油井周圍的壓力能，可使油氣由注水井的高勢能區(qū)不斷向各采油井的低勢能區(qū)流動(dòng)(圖2a)。當(dāng)注水井的注水前緣推進(jìn)到采油井時(shí)，采油井的產(chǎn)水率不斷上升。同時(shí)隨著注入水的不斷沖刷，注水井與某些油井之間將慢慢形成相對的優(yōu)勢通道或者是大孔道，造成該油井處的壓力能快速上升，形成高勢能區(qū)，所以油氣勢能有隨產(chǎn)水率上升而上升的特點(diǎn)(圖3a)。此時(shí)油氣將不在該油井處聚集，而是由該油井流向其他勢能更低的油井(圖2b)。低勢能油井由于流體壓力低，又得不到較好的能量補(bǔ)充，油氣不能被大量采出，造成低勢能油井產(chǎn)水率低(圖3a)、累計(jì)油水比高(圖3b)，富集大量剩余油。

3 已開發(fā)油藏原油勢能的計(jì)算

已開發(fā)油藏中的油氣主要存在位能、壓力能界面勢能以及動(dòng)能4種勢能，根據(jù)W.A.Englan的定義，如果將基準(zhǔn)面取在海平面，單位體積原油的勢能表示為：

式中：Jo為原油勢能，J;ρo為海拔深度z處的原油密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;z為海拔深度m;p為地層流體壓力，Pa;ρ(p)為原油密度，是壓力的函數(shù)，kg/m3;σw/o為油水界面張力，N/m;θw/為油水潤濕角，(°);r為海拔z處巖石孔隙毛管半徑，m;qo為原油的流動(dòng)速度，m/s。

圖2 開發(fā)過程中的油氣運(yùn)動(dòng)

圖3 產(chǎn)水率大于50%的油井油氣勢能與產(chǎn)水率和累計(jì)油水比的關(guān)系

油藏開發(fā)過程中，原油在高孔高滲帶(大孔道)的運(yùn)動(dòng)速度最大，可以超過300 m/d，但其動(dòng)能的數(shù)量級僅為10－4，故動(dòng)能可以忽略不計(jì)(表1)。

表1 優(yōu)勢通道內(nèi)原油流速

在油柱高度不高、原油壓縮系數(shù)很小的情況下，油藏范圍內(nèi)原油的密度隨壓力變化不大，即ρ(p)=ρo。同時(shí)考慮到開發(fā)后期油層含水飽和度較高，巖石具有較強(qiáng)的親水性，此時(shí)油水的潤濕角較小，即 cosθw/o≈1。

龐雄奇根據(jù)伯格和霍喀特列舉的各種原油和地層水之間的密度差異，利用最小二乘法回歸得到了油水密度差與油水界面張力之間的關(guān)系式［9］：

式中：Δρ為地層水密度與地層原油密度之差，kg/m3

洪世峰對毛細(xì)管半徑與孔隙度、滲透率之間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)［10］：

式中：K為滲透率，μm2;φ為巖石孔隙度，%。

將式(2)、(3)代入式(1)，并忽略動(dòng)能，將式(1)積分進(jìn)一步變換為：

式(4)中地層流體壓力的選取要遵守1個(gè)基本原則：開井生產(chǎn)的油井選用油井流壓，已關(guān)井或已改層的油井選用油井靜壓;注水井選用注水壓力。

4 利用油氣勢能等值線預(yù)測剩余油

高淺南區(qū)位于高尚堡油田高柳斷層的下降盤，是1個(gè)受高柳斷層控制的被斷層復(fù)雜化的逆牽引背斜構(gòu)造。油藏為典型的復(fù)雜小斷塊油藏，邊、底水能量充足。目前高淺南油藏已經(jīng)進(jìn)入高含水期，綜合含水為96.1%，但采出程度只有13.3%，儲層內(nèi)存在大量剩余油。

圖4 原油勢能等值線與數(shù)模剩余地質(zhì)儲量豐度疊合圖(a：NgⅠ1;b：NgⅣ2)

依照式(4)及其計(jì)算原則，利用流壓、靜壓資料、孔隙度與滲透率資料以及海拔深度計(jì)算了高尚堡油田高淺南區(qū)館陶組的NgⅠ1和NgⅣ2油藏中油、水井的原油勢能。根據(jù)單井原油勢能繪制了原油勢能等值線圖(圖4)。從圖4中可知：原油勢能的低勢區(qū)(原油勢能小于400 kJ)都是數(shù)值模擬結(jié)果中剩余地質(zhì)儲量較高的區(qū)域，兩者之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系。而原油勢能較高的區(qū)域(原油勢能大于600 kJ)都是數(shù)值模擬結(jié)果中剩余地質(zhì)儲量豐度很低的區(qū)域，兩者之間同樣具有很好的對應(yīng)關(guān)系。說明原油勢能越低，剩余油越富集，而原油勢能越高，水淹越嚴(yán)重，剩余油越少。

5 結(jié)論

(1)已開發(fā)油藏中流體具有4種勢能：重力產(chǎn)生的位能、流體壓力產(chǎn)生的壓力能、毛細(xì)管力產(chǎn)生的界面勢能以及其合力產(chǎn)生的動(dòng)能。其中動(dòng)能與其他3種勢能相比很小，可以忽略。

(2)流體勢能是一個(gè)能夠同時(shí)反映油藏的構(gòu)造特征、儲層特征以及開發(fā)措施特征的綜合型參數(shù)，可以同時(shí)反映多種因素對剩余油的影響。

(3)在開發(fā)中后期，油井的油氣勢能與產(chǎn)水率呈正相關(guān)性，而與累計(jì)油水比呈負(fù)相關(guān)性，說明在開發(fā)中后期油氣勢能越低，剩余油越富集。

(4)利用原油勢能的等值線圖可以很好的預(yù)測開發(fā)后期油藏中的剩余油分布情況，原油勢能的低勢區(qū)是剩余油富集區(qū)，高勢區(qū)是強(qiáng)水淹區(qū)。

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Predict residual oil zones in the late life of oilfield development by hydrocarbon potential

LI Zhi－peng1，LIN Cheng－yan1，LI Run－ze1，BU Li－xia2，YANG Xi－yan3
(1．China University of Petroleum，Dongying，Shandong 257061，China;2．Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying，Shandong 257061，China;3．Qinghai Oilfield Company，PetroChina，Dunhuang，Gansu 816000，China)

Fluid potential is a direct factor controlling formation fluid movement．In developed reservoirs，hydrocarbon mainly subjects to 4 types of forces including gravity，buoyancy，capillary force and producing pressure，thus formed 4 types of fluid potentials such as potential energy，pressure energy，interfacial potential and kinetic energy．This paper analyzes the control action of each type of fluid potential on reservoir fluid motion，and describes the relationship between hydrocarbon potential and residual oil enriched zones．In the late life of oilfield development，the low potential zones are favorable zones of residual oil，while the high potential zones are likely to be watered out．The study result has been applied in prediction of residual oil enriched zone in the Gaoqiannan reservoir in the Gaoshangpu oilfield and has achieved satisfactory effect．

fluid potential;residual oil;the late life of development;the Gaoqiannan area in the Gaoshangpu oilfield

TE32

A

1006－6535(2012)02－0069－04

20110612;改回日期：20110630

國家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜油氣藏精細(xì)表征與剩余油分布預(yù)測”(2009ZX05009－003)

李志鵬(1983－)，男，2009年畢業(yè)于長江大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(xué)(華東)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事油氣成藏規(guī)律及油氣田開發(fā)相關(guān)的研究工作。

編輯孟凡勤