何芬 (中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

李濤 (中石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

馬奎前,張建民,蔡暉 (中海石油(中國)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油田污水回注技術(shù)與應(yīng)用

何芬 (中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

李濤 (中石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

馬奎前,張建民,蔡暉 (中海石油(中國)有限公司天律分公司,天津 300452)

海上油氣隨著開采進(jìn)行,產(chǎn)出污水量會(huì)不斷增加,甚至可能超出平臺(tái)已有的污水處理能力,這就迫切需要增加污水回注井,將生產(chǎn)污水經(jīng)平臺(tái)簡單處理后,回注進(jìn)地層,以滿足環(huán)保的要求。以BZ26-2油田為例,提出了海上油田污水回注研究思路與方法:通過靜態(tài)、油藏工程、油藏?cái)?shù)值模擬方法,首先探討了通過庫倫-摩爾滑動(dòng)準(zhǔn)則精確計(jì)算出斷層活化的壓力的方法,然后針對(duì)油田斷層分布情況、儲(chǔ)層發(fā)育特點(diǎn)以及實(shí)際污水回注需求量,優(yōu)化設(shè)計(jì)污水回注井位,預(yù)測(cè)出地層壓力變化,確保安全生產(chǎn)。該方法為安全污水回注提供了理論依據(jù),目前在渤海油田已經(jīng)推廣和應(yīng)用。

污水回注;斷層;封閉性;活化;地層壓力

隨著油田開發(fā)進(jìn)行,在生產(chǎn)過程中油氣藏會(huì)伴隨大量的地層污水產(chǎn)出,隨著人類環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng),為了防止生產(chǎn)水污染和解決產(chǎn)出污水不斷增加的問題,產(chǎn)出污水回注到地層[1]已經(jīng)被越來越多的油氣田所采用。國內(nèi)外許多油田開發(fā)管理工作者曾進(jìn)行了污水回注研究,大多都是對(duì)已有的污水回注井進(jìn)行注入水配伍性、酸化解堵、管柱工藝等方面,針對(duì)如何提高回注井的運(yùn)行效果,降低注水井注入壓力進(jìn)行研究[2-3]。隨著注水時(shí)間、污水回注總量的不斷增加,地層壓力會(huì)隨之產(chǎn)生變化,必須嚴(yán)格控制地層壓力低于通天斷層活化的壓力,才能確保不出現(xiàn)注入水外溢[4],即因?yàn)閿鄬踊罨?引起的斷層封閉性變差,導(dǎo)致注入水先側(cè)向進(jìn)入斷層,然后沿?cái)嗝娲怪鄙仙?發(fā)生注入水外溢現(xiàn)象。通過研究,達(dá)到科學(xué)合理設(shè)計(jì)污水回注井井位,確保油田安全生產(chǎn)的目的。

為此,筆者以渤海BZ26-2油田為例,進(jìn)行了海上油田污水回注研究。BZ26-2油田位于渤海南部海域,是在潛山披覆構(gòu)造背景上形成的復(fù)合油氣藏,油田主力含油層段為館陶組(Ng)、東營組(Ed)及太古界潛山,開采層位主要是館陶組。館陶組為構(gòu)造層狀油藏,邊、底水發(fā)育,天然能量非常充足。油田于2004年投入開發(fā),館陶組地層壓力略有降低。

1 斷層封閉性

原始斷層的封閉性在空間上表現(xiàn)為2個(gè)方面:①斷層的側(cè)向封堵性,即斷層面在測(cè)向上阻止流體穿越斷層運(yùn)移的能力;②斷層的垂向封閉性,即斷裂物質(zhì)阻止流體沿?cái)嗔褞Эv向運(yùn)移的能力。而隨著污水回注的進(jìn)行,地層壓力會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)?shù)貙訅毫υ黾拥揭欢ǔ潭?通天斷層就會(huì)出現(xiàn)活化現(xiàn)象,斷層的封堵性變差,斷層附近的注水井注入的污水就側(cè)向進(jìn)入斷層,順著斷面垂向上升,發(fā)生外溢。如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí),繼續(xù)注水,就會(huì)發(fā)展成嚴(yán)重的海底溢出事件。

因此,斷層封堵性研究[5-6],主要是對(duì)油田內(nèi)部是否存在大的通天斷層進(jìn)行摸排,然后針對(duì)通天斷層計(jì)算出對(duì)應(yīng)的斷層失穩(wěn)壓力,也就是活化需要達(dá)到的壓力?！巴ㄌ臁睌鄬?即斷至平原組的斷層。通過三維地震資料解釋、相干分析及地層對(duì)比,落實(shí)油田內(nèi)部通天斷層及與通天斷層搭界的斷層分布范圍,是污水回注研究的關(guān)鍵。

通過館陶組構(gòu)造圖可知,在BZ26-2油田周邊斷裂系統(tǒng)比較發(fā)育,共解釋出5條斷層。從過南北向地震剖面(見圖1),可以看出其中F1、F5為通天斷層,F3、F4為與通天斷層搭接的大斷層,F2為次生小斷層。

圖1 斷層分布示意圖

圖2 庫倫-摩爾滑動(dòng)準(zhǔn)則示意圖

2 斷層失穩(wěn)壓力計(jì)算

2.1 庫倫-摩爾滑動(dòng)準(zhǔn)則

目前業(yè)界已經(jīng)開始將巖土力學(xué)基本的庫倫-摩爾屈服準(zhǔn)則理論應(yīng)用到斷層穩(wěn)定性研究中。筆者就如何計(jì)算斷層活化的臨界壓力作為研究重點(diǎn)。

對(duì)于巨型巖體,當(dāng)斷層斷至海底時(shí)(內(nèi)聚力為0),庫倫滑動(dòng)準(zhǔn)則可以用于工區(qū)斷層穩(wěn)定性分析(見圖2)。

斷層在形成過程中,一般受到正應(yīng)力和剪應(yīng)力2種作用[7],計(jì)算公式如下:

式中,σn為正應(yīng)力,MPa;τ為剪應(yīng)力,MPa;σ1為最大水平主應(yīng)力,MPa;σ3為最小水平主應(yīng)力, MPa;α為斷面傾角。

根據(jù)庫倫滑動(dòng)準(zhǔn)則,斷層沿著斷面開始滑動(dòng)應(yīng)滿足下式:

當(dāng)斷層斷至海底時(shí),內(nèi)聚力τ0視為0,即τ0=0,依據(jù)庫倫滑動(dòng)準(zhǔn)則:

式中,μ為摩擦系數(shù);P0為臨界地層壓力,MPa。

則臨界失穩(wěn)壓力ΔP:

式中,Pp為地層壓力,MPa。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

要通過庫侖-莫爾滑動(dòng)準(zhǔn)則計(jì)算斷層失穩(wěn)壓力,需確定其他幾項(xiàng)參數(shù)。

1)斷層傾角、摩擦系數(shù) 通過地震資料解釋,很容易得到斷層傾角[8]、摩擦系數(shù)。根據(jù)渤海油田實(shí)際情況選取經(jīng)驗(yàn)值0.6。

2)斷層最大、最小水平主應(yīng)力 首先通過對(duì)整個(gè)渤海灣盆地選取具有代表性的蓬萊19-3油田的巖樣做構(gòu)造地層應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn),從而得到構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)[9-10]。然后通過BZ26-2油田探井的橫、縱聲波測(cè)井[11](見圖3),分別計(jì)算出BZ26-2油田不同深度對(duì)應(yīng)的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。計(jì)算出油田館陶組地層深度2435m,對(duì)應(yīng)最大水平主應(yīng)力為50MPa,最小水平主應(yīng)力為39MPa。

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖3 BZ26-2-1井聲波測(cè)井曲線

表1 館陶組斷層失穩(wěn)壓力計(jì)算表

分別將確定的上述計(jì)算參數(shù),代入式(1)、(2)、(4),通過計(jì)算得到4條斷層在館陶組的臨界地層壓力最小39.1MPa,最大39.7MPa(見表1),館陶組原始地層壓力為23.6MPa,通過式(5)計(jì)算出,館陶組地層F1、F3和F4這3條斷層的失穩(wěn)壓力為15.5MPa,F5斷層的失穩(wěn)壓力為16.0MPa。結(jié)果表明,一旦地層壓力比原始地層壓力高15.5MPa,F1、F3、F4這3條斷層就可能活化,斷層附近污水回注井的注入水外溢,注入污水側(cè)向進(jìn)入斷層,然后沿著斷面垂向上升,達(dá)到一定量后就從海底溢出。

因此,設(shè)計(jì)污水回注井時(shí),必須遵循的原則就是設(shè)計(jì)井位必須遠(yuǎn)離F1、F3、F4、F5斷層,同時(shí)污水注入地層后,地層壓力要嚴(yán)格控制,絕對(duì)不能達(dá)到使斷層活化的失穩(wěn)壓力值,以確保安全生產(chǎn)。

3 應(yīng)用效果

BZ26-2油田館陶組天然能量非常充足,目前地層壓降0.7 MPa,通過物資平衡法計(jì)算水體倍數(shù)為320。目前已有1口污水回注井A7井,回注層位為館陶組地層,該井距離F3斷層只有150m,日注污水量750m3。A7井日注水量已經(jīng)接近飽和,井口壓力高達(dá)到11.5MPa,通過酸化解堵[7]后仍不能解決井口壓力高的問題。并且隨著相鄰4個(gè)油田日產(chǎn)水量不斷增加,該井設(shè)計(jì)最大回注量遠(yuǎn)不能滿足油田群長期安全生產(chǎn)需求,預(yù)計(jì)油田群日產(chǎn)水量高峰值將達(dá)到1278m3。通過污水回注研究發(fā)現(xiàn),A7井距離F3斷層較近,如果再繼續(xù)加大注水,存在風(fēng)險(xiǎn)。綜合地質(zhì)油藏研究,A7井停止污水回注,考慮在油田內(nèi)部新增加1口污水回注井A1S1。

圖4 館陶組地層壓力預(yù)測(cè)

館陶組儲(chǔ)層穩(wěn)定發(fā)育,為油田主要生產(chǎn)層位,設(shè)計(jì)A1S1井回注層位仍然為館陶組,實(shí)現(xiàn)有采有注,盡量降低風(fēng)險(xiǎn);設(shè)計(jì)井位遠(yuǎn)離F1、F3、F4、F5這4條斷層。通過論證,采用A7井實(shí)際米吸水指數(shù)0.92m3/(MPa·d·m),A1S1井最大日注污水能力達(dá)3500m3,完全能滿足油田群未來20a生產(chǎn)需求量。通過油藏?cái)?shù)值模擬方法,預(yù)測(cè)出隨著油田開發(fā)進(jìn)行,館陶組地層壓力的變化情況。

研究表明,館陶組生產(chǎn)層位原始地層壓力為21.6MPa,2013年測(cè)地層壓力為20.9MPa,目前地層壓降為0.7MPa。污水回注井A1S1井生產(chǎn)至2031年,地層壓力達(dá)到23.02MPa,與原始靜壓相比上升1.42MPa(見圖4),遠(yuǎn)小于通天斷層失穩(wěn)壓力15.5MPa。該井投產(chǎn)后,能確保安全生產(chǎn),同時(shí)能滿足油田群生產(chǎn)需要。目前A1S1井已經(jīng)順利實(shí)施。

4 結(jié)論

1)污水回注研究的關(guān)鍵是隨著注入時(shí)間、注入總量的增加,地層壓力會(huì)發(fā)生變化,要避免斷層活化,注入水外溢發(fā)生。

2)對(duì)油田內(nèi)部斷層封堵性的研究是至關(guān)重要的,利用庫倫-摩爾滑動(dòng)準(zhǔn)則計(jì)算斷層活化的失穩(wěn)壓力是科學(xué)合理的。

3)污水回注井應(yīng)遠(yuǎn)離通天斷層和與通天斷層搭接的斷層,盡量實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層內(nèi)有注有采,避免出現(xiàn)注入水外溢。必須對(duì)污水回注井井口壓力以及地層壓力做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作,地層壓力要嚴(yán)格控制,絕對(duì)不能達(dá)到使斷層活化的失穩(wěn)壓力值,以確保安全生產(chǎn)。

4)目前該研究方法,在渤海油田已經(jīng)被推廣應(yīng)用,效果顯著。

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[編輯]辛長靜

X730.1;TE992.2

A

1673-1409(2014)26-0118-04

2014-03-10

何芬(1980-),女,工程師,現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)管理方面的研究工作。