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        六西格瑪技術(shù)在氮氣吞吐措施優(yōu)選中的應(yīng)用

        2022-08-18 03:28:30鐘張起
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)油偏度六西格瑪

        鐘張起

        中國石化中原油田分公司 濮東采油廠(河南 濮陽 457001)

        六西格瑪技術(shù)是利用數(shù)理統(tǒng)計工具對數(shù)據(jù)進行分析,優(yōu)化改進方案的一門綜合技術(shù),是衡量方案優(yōu)劣的一種客觀尺度[1-2]。其本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)和現(xiàn)場應(yīng)用的技術(shù),尤其重視原始數(shù)據(jù),它為解決實際問題提供技術(shù)支撐[3-4]。近年來,勝利油田、中原油田等正逐步把六西格瑪技術(shù)引入到油田企業(yè)發(fā)展中,已成為企業(yè)打破制約發(fā)展瓶頸、攻克技術(shù)難關(guān)的重要方法[5-6]。胡慶油田位于東濮凹陷西斜坡帶的中部,屬于復(fù)雜斷塊油藏,經(jīng)過30年的開發(fā),目前已進入高含水開發(fā)階段。雖然油井綜合含水很高,但還有不少注水未動用的低效儲層,原油采收率低,開發(fā)難度大[7-8]。為了提高低效儲層的開發(fā)效果,氮氣吞吐是比較適用的新技術(shù)。氮氣吞吐在塔河油田、勝利油田等得到廣泛應(yīng)用,增油效果顯著[9-12]。把六西格瑪技術(shù)與氮氣吞吐措施優(yōu)選相結(jié)合,是一種新的研究方向。

        1 低效井的篩選

        在油田開發(fā)中,低效井是一個常用術(shù)語。其主要特征是供液能力嚴重不足,泵效是衡量一口油井供液能力的定量化參數(shù)。但由于油井工作制度不同,僅用泵效不能判斷是否為低效井。在一定開發(fā)階段和經(jīng)濟技術(shù)條件下,油井的日產(chǎn)液量低于油田所能提供的采油設(shè)備正常生產(chǎn)的最低液量,這類井定義為低效井[8]??紤]中原油田的實際情況,設(shè)定油井日產(chǎn)液量低于10 t為低效井。根據(jù)低效井的篩選標準,對胡狀采油區(qū)的307口油井進行篩選,初步選出64口井作為進行氮氣吞吐措施優(yōu)選的遴選井。

        2 累產(chǎn)油影響因素分析

        2.1 不同油層厚度的影響

        在現(xiàn)場生產(chǎn)中,由于要求精度不同,常用的油層厚度有射孔厚度、主產(chǎn)層厚度、有效厚度(井斜)、有效厚度(井斜、傾角)。在單一油層條件下,繪制不同油層厚度模型(圖1)。

        圖1 單一油層條件下不同油層厚度模型

        主產(chǎn)層厚度是一個常用術(shù)語,但沒有嚴格的定義。為研究方便,把六西格瑪技術(shù)中帕累托圖的二八原則[13],引入主產(chǎn)層定義。根據(jù)滲透率和射孔厚度的乘積繪制帕累托圖,累計分布大于80%的射孔厚度為主產(chǎn)層厚度。

        六西格瑪技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析常用的軟件為Minitab,把統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸入到軟件中,通過分析得到相關(guān)系數(shù)和假設(shè)概率等參數(shù),用于數(shù)據(jù)分析,并得到合理的結(jié)論[13]。對不同油層厚度與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,射孔厚度和主產(chǎn)層厚度的相關(guān)系數(shù)分別為0.389、0.443。分析表明,兩者都與累產(chǎn)油存在正相關(guān),而主產(chǎn)層厚度的相關(guān)性更強,選擇后者可以消除差油層的異常低值對數(shù)據(jù)統(tǒng)計的不利影響。有效厚度(α)為主產(chǎn)層厚度與cosα的乘積,有效厚度(αβ)為主產(chǎn)層厚與cos(α+β)的乘積。有效厚度與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,有效厚度(α)和有效厚度(αβ)的相關(guān)系數(shù)分別為0.464、0.331。分析表明,考慮傾角后的有效厚度反而與累產(chǎn)油的相關(guān)性減弱了,可能是傾角數(shù)據(jù)的計算精度偏低導(dǎo)致。因此后面的研究中,有效厚度就是指只考慮井斜角的主產(chǎn)層厚度。

        2.2 儲層及原油物性的影響

        儲層及原油物性,主要包括儲層孔隙度、滲透率、含油飽和度、原油黏度。對4個因素與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.269、0.185、0.240、0.307,四者與累產(chǎn)油都存在正相關(guān)。理論上,原油黏度與累產(chǎn)油存在負相關(guān),而數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果卻是正相關(guān)。進一步對滲透率、含油飽和度和原油黏度與孔隙度進行相關(guān)性分析,它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.414、0.247,三者與孔隙度都存在正相關(guān)。分析表明,孔隙度高的儲層,滲透率和含油飽和度較高,原油黏度也較高。因此后面的研究中,選擇孔隙度作為更重要的因子。

        2.3 泄油面積及構(gòu)造的影響

        泄油面積及構(gòu)造主要包括泄油面積、偏度、地層傾角。由于構(gòu)造形態(tài)的復(fù)雜多樣,泄油面積的計算是一個難點,建立理想模型是常用的方法。結(jié)合胡慶油田的實際情況,選取長方形作為泄油面積模型(圖2)。圖2 中:井位坐標為(l1,d1),中心坐標為(l,d),等高線平行于y軸,儲層上傾方向為x軸負方向。根據(jù)模型,縱偏度SL=(l1-l)/l,橫偏度SH=(d1-d)/d,徑偏度

        圖2 油井泄油面積及偏度計算模型

        對泄油面積、縱偏度、橫偏度、徑偏度、地層傾角與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,它們的相關(guān)系數(shù)分別為-0.269、0.213、-0.108、0.039、-0.159。對地層傾角與泄油面積進行相關(guān)性分析,它們相關(guān)系數(shù)為0.224。分析表明,泄油面積與累產(chǎn)油存在負相關(guān)。理論上,它們應(yīng)該存在正相關(guān)。進一步分析發(fā)現(xiàn),泄油面積與井網(wǎng)密度有關(guān),累產(chǎn)油高的井,井網(wǎng)密度大,泄油面積小,反之亦然。傾角與累產(chǎn)油存在負相關(guān),與泄油面積存在正相關(guān),說明傾角大的井在構(gòu)造翼部,儲層含油性差,井網(wǎng)密度小。對比3種偏度,縱偏度與累產(chǎn)油正相關(guān),相關(guān)性最強,分析原因可能是上傾方向的原油運移對累產(chǎn)油的影響更大??v偏度與地質(zhì)儲量的乘積等于閣樓油儲量,它對氮氣吞吐的評價至關(guān)重要。因此后面的研究中,選擇縱偏度作為氮氣吞吐的評價因子。

        2.4 時間及地質(zhì)儲量的影響

        時間可分為開發(fā)時間和有效時間。開發(fā)時間是指鉆井投產(chǎn)至目前的時間,有效時間是指開發(fā)時間內(nèi)累計的生產(chǎn)時間。對開發(fā)時間和有效時間與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,它們的相關(guān)系數(shù)為分別為0.341、0.729。分析表明,兩者與累產(chǎn)油都存在正相關(guān),有效時間的相關(guān)性更強。對地質(zhì)儲量與累產(chǎn)油進行相關(guān)性分析,它們的相關(guān)系數(shù)為0.268,兩者存在正相關(guān)。

        2.5 措施和自噴及水驅(qū)度的影響

        增產(chǎn)措施、自噴情況及水驅(qū)度屬于非連續(xù)數(shù)據(jù),分析它們與累產(chǎn)油的關(guān)系采用六西格瑪技術(shù)中的卡方檢驗[13]。胡狀管理區(qū)低效井,按是否采取增產(chǎn)措施及其種類分三類:無、酸化、壓裂。統(tǒng)計三類的井數(shù)和累產(chǎn)油均值,卡方檢驗通過假設(shè)概率P值的大小判斷三者是否有顯著差異。分析表明,無、酸化和壓裂的累產(chǎn)油均值分別為2 014、2 455、2 904 t。假設(shè)概率P=0,小于0.05[13],說明三者的累產(chǎn)油有顯著差異。采取酸化壓裂措施后的累產(chǎn)油顯著增加,酸化后平均增加441 t,壓裂后平均增加890 t。

        胡狀采油區(qū)低效井,按自噴情況分兩類:機采、自噴。統(tǒng)計兩類的井數(shù)和累產(chǎn)油均值。分析表明,機采和自噴的累產(chǎn)油均值分別為2 347、2 217 t。自噴的均值小于前者,這與通常的認知有矛盾。進一步對低效自噴井統(tǒng)計(表1),7口自噴井中6口屬于低滲透儲層,并進行過壓裂措施,累產(chǎn)油偏低。只有X2-62井屬于中滲透儲層,累產(chǎn)油為7 010 t,遠大于均值2 333 t,說明自噴井與累產(chǎn)油存在正相關(guān)。

        表1 胡狀采油區(qū)低效自噴井統(tǒng)計

        水驅(qū)度是指油井是否屬于彈性開采或水驅(qū)開發(fā)以及水驅(qū)的程度,引入水驅(qū)度可以降低氮氣吞吐的風(fēng)險。有些井容易判斷水驅(qū)度,有些井則很難判斷。低效井的水驅(qū)度分兩類:嚴格彈性開采、非嚴格彈性開采。統(tǒng)計兩類的井數(shù)和累產(chǎn)油均值,分析表明,它們的累產(chǎn)油均值分別為1 807、5 551 t。假設(shè)概率P=0,小于0.05[13],說明兩者的累產(chǎn)油有顯著差異,非嚴格彈性開采的累產(chǎn)油遠大于前者。若不進行水驅(qū)度分類,部分可能水驅(qū)的井,原油采收率高,地層中剩余油相對較少,增加了氮氣吞吐的風(fēng)險。

        3 氮氣吞吐效果影響因素分析

        3.1 氮氣吞吐的特殊性

        對低效井實施氮氣吞吐,由于氮氣吞吐的特殊性,使它與彈性開采存在很大差異。注入時,高壓氮氣在密度差異作用下,沿上傾方向運移,形成氣頂。燜井時,壓力和流體在地層中重新分布達到均衡狀態(tài)。驅(qū)替時,儲層壓力下降,氮氣體積膨脹,驅(qū)替上傾方向的剩余油(也叫閣樓油),進入井筒(圖3)。氮氣吞吐的增產(chǎn)機理主要包括三點[9-12]:①補充地層能量,起到彈性氣驅(qū)作用;②進入小孔道,擴大原油波及體積;③與地層流體形成泡沫,起到調(diào)剖封堵作用。實際生產(chǎn)中,氮氣泡沫具有雙重作用。一方面,氮氣與地層流體形成泡沫,減緩氮氣突進速度,為有利因素。另一方面,泡沫使混合物流動狀態(tài)更加復(fù)雜,易產(chǎn)生異常壓力導(dǎo)致事故,為不利因素。

        圖3 氮氣吞吐提高采收率示意圖

        3.2 氮氣吞吐措施優(yōu)選的主要因子

        在對累產(chǎn)油相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,綜合氮氣吞吐的特殊性,包括累產(chǎn)油,篩選出14 個因素作為氮氣吞吐的評價因子。評價因子的一條數(shù)據(jù),稱為該因子的樣本。若隨著樣本值的增大,氮氣吞吐效果越好,定為正相關(guān);反之,為負相關(guān)。評價因子與氮氣吞吐的相關(guān)性(表2),其中水驅(qū)度、增產(chǎn)措施與吞吐效果負相關(guān),是考慮剩余油的原因;開發(fā)時間與吞吐效果負相關(guān),考慮雖然有效時間與累產(chǎn)油相關(guān)性很強,但它是其他地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果,選擇開發(fā)時間是考慮它對井筒狀況的影響,開發(fā)時間越長,井筒狀況可能越差,風(fēng)險就越高。

        表2 評價因子與氮氣吞吐的相關(guān)性統(tǒng)計

        4 因子水平法進行氮氣吞吐措施優(yōu)選

        4.1 因子水平法的定義

        專家打分法是指在對多因子綜合評價中,主要通過專家根據(jù)經(jīng)驗確定評價因子指標權(quán)重的方法[14]。其優(yōu)點是充分考慮了專家的經(jīng)驗,使指標權(quán)重更具有信服力和權(quán)威性。專家打分的缺點:首先,多個專家由于經(jīng)驗不同,權(quán)重設(shè)置受主觀因素影響較大;其次,由于權(quán)重系數(shù)的不確定性,專家打分很難進行重復(fù)性和再現(xiàn)性研究。

        因子水平法是指在多因子綜合評價中,先對評價因子分級,后對樣本水平定值的一種評價方法。因子的分級值和樣本的水平值確定后,兩者的乘積即為該樣本的的評分。其理論依據(jù)是,來自六西格瑪技術(shù)中的因子分析以及正態(tài)概率[13]。因子水平法是一個開放的評價系統(tǒng),可以使數(shù)值模擬及其他技術(shù)的成果得到合理定位。

        4.2 因子分級

        因子水平法的第一步就是對因子分級,為了保證分級的合理性和客觀性,主要遵循三條原則:①實用性,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,確定因子分級;②可靠性,根據(jù)數(shù)據(jù)的準確性、精確性和穩(wěn)定性,確定因子分級;③相關(guān)性,根據(jù)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,確定因子分級。當三條原則相矛盾時,后者服從前者,實用性是最重要的原則。

        根據(jù)因子分級原則,對14 個因子進行合理分級。為了更客觀地分配因子的權(quán)重,設(shè)定最低級別的因子值為1,其他按幾何級數(shù)依次增加。一級因子1 個(16 分):累產(chǎn)油;二級因子3 個(8 分):水驅(qū)度、地質(zhì)儲量、縱偏度;三級因子4 個(4 分):有效厚度、孔隙度、增產(chǎn)措施、自噴情況;四級因子3 個(2分):滲透率、含油飽和度、原油黏度;五級因子3 個(1 分):泄油面積、傾角、開發(fā)時間。因子分級不是固定不變的,可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化如氮氣吞吐后的效果進行調(diào)整。

        4.3 水平定值

        樣本水平值的確定,與數(shù)據(jù)類型有關(guān)。對于連續(xù)數(shù)據(jù),首先把樣本數(shù)據(jù)進行正態(tài)轉(zhuǎn)換,利用正態(tài)函數(shù)的累計概率得到概率值P。若評價因子與氮氣吞吐正相關(guān),則水平值為Ps;若兩者存在負相關(guān),則水平值為1-Ps。對于非連續(xù)數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場實際情況,合理設(shè)定水平值。例如對增產(chǎn)措施設(shè)定水平值,無、酸化、壓裂的水平值分別設(shè)為1、0.5、0。

        4.4 礦場應(yīng)用

        對胡狀采油區(qū)初步選出64口低效井,利用因子水平法進行氮氣吞吐措施優(yōu)選,得到每口井的評分。為了方便不同數(shù)量因子的對比,對評分進行百分制處理,然后對它們進行排序。為了降低氮氣吞吐的風(fēng)險,避免因子水平法選井時可能存在的問題,對最終優(yōu)選設(shè)置門限條件:①累產(chǎn)油大于2 000 t,剔除某些數(shù)據(jù)很好而難采的油井;②井筒狀況,剔除井筒存在套管變形,錯斷等問題的油井;③地面條件,剔除地面不具備吞吐條件的油井。

        根據(jù)各井排序及門限條件,最終篩選出5 口最適合氮氣吞吐的井(表3)。2020年對X2-62井進行氮氣吞吐先導(dǎo)試驗,實際日注2×104m3(標準條件下),25 d累計注入42×104m3,燜井30 d后開井生產(chǎn),生產(chǎn)初期日產(chǎn)油5 t,2020 年底日產(chǎn)油3 t,累積增油723 t,取得了較好的增產(chǎn)效果。下步研究的重點是跟蹤氮氣吞吐的實施效果,及時調(diào)整因子分級,更好地指導(dǎo)低效儲層的開發(fā)生產(chǎn)。

        表3 胡狀采油區(qū)低效井氮氣吞吐優(yōu)選井統(tǒng)計

        5 結(jié)論

        1)首次把六西格瑪技術(shù)引入到氮氣吞吐措施優(yōu)選中,利用相關(guān)性分析對影響因素進行篩選,使評價結(jié)果更加具有客觀性。

        2)根據(jù)低效井篩選標準,在胡狀采油區(qū)初步篩選出64口井,選取影響累產(chǎn)油的13個地質(zhì)因素,利用相關(guān)性分析,得到各因素對累產(chǎn)油的影響程度,為因子分級提供數(shù)據(jù)支撐。

        3)進行氮氣吞吐措施優(yōu)選時,對影響增產(chǎn)效果14 個因子進行合理分級。利用因子水平法得到每口井的評分,并進行排序。根據(jù)排序結(jié)果,綜合井筒狀況和地面條件,優(yōu)選出首批適合氮氣吞吐的5口井。

        4)2020 年對X2-62井進行氮氣吞吐先導(dǎo)試驗,累計注入氮氣42×104m3,燜井30 d 后開井生產(chǎn),生產(chǎn)初期日產(chǎn)油5 t,2020 年底日產(chǎn)油3 t,年累積增油723 t,取得了較好的增產(chǎn)效果。下步研究的重點是跟蹤氮氣吞吐的實施效果,更好地指導(dǎo)低效儲層的開發(fā)生產(chǎn)。

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