2015, Vol. 37
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2. 中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 昌平 102249;
3. 中国石油勘探开发研究院, 北京 海淀 100083;
4. 中国石化国际石油勘探开发有限公司澳大利亚公司技术支持组, 北京 海淀 100083
2. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Changping, Beijing 102249, China;
3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Haidian, Beijing 100083, China;
4. Australia Project Technical Group, International Exploration and Production Corporation, SINOPEC, Haidian, Beijing 100083, China
气顶和油区是一个统一的水动力系统，投入开发前，它们处在一种压力平衡状态，开发后，任何一方压力变化都将影响到另一方，无论是在气顶采气或是在油区采油，都会引起油区和气顶之间的油气界面变化[1-3]，造成气顶侵入油井，根据气窜发生的时间可以归纳为3种气窜类型，即速窜井、缓窜井以及不窜井，根据气窜层位可以分为垂向气窜型和侧向气窜型[4]。天然气窜入油区后，对天然气自身的采收率没有太大影响，但油井产量将下降，严重时只出气不出油，影响油井稳产。原油侵入气顶后会造成巨大的浪费，原油的采收率要受到影响[5, 6]。所以开采气顶油环油藏最核心的问题即是采用最经济有效的方法获得最大的气顶和油环的采出程度[7-9]。气顶油环协同开采方式则成为一种理想的气顶油藏开采方式[10, 11]，姚约东等通过数值模拟方法，对气顶油田进行不同开发方案的虚拟开发，模拟结果表明，油和气同时开采是最为可行的选择方案[12, 13]。Moham N[14]和Fayzullin M F[15]介绍了使用智能完井同时开采气顶油环，增加气顶油环采出程度，有效提高了油藏开发效果。Billiter T C等[16]介绍了在油气界面处注水并同时开采气顶和油环，该方法也应用在很多油田中，并取得了较好的开发效果。但由于气顶油环在室内实验中难于模拟，目前针对气顶油环协同开采方式下的实验研究较少，油气界面运移规律认识不清[17-19]。本文以国外某典型气顶油环油藏为例，建立三维可视化物理模型，通过室内实验、数值实验以及油藏工程方法分析气顶油环油气界面运移规律。
1 油气界面运移规律室内实验研究 1.1 实验条件采用三维可视化装置进行物理模拟实验，实验装置尺寸1 000 mm×300 mm×300 mm，模型厚度和倾角可以调节，用于模拟地层倾角，以满足实验几何相似条件，如图 1所示。实验装置可以外接充满适当气体的中间容器，模拟不同气顶指数的气顶油藏。
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| 图1 三维可视化物理模拟装置实物图 Fig. 1 Three-dimensional visualized physical simulation device |
实验模拟的是一个位于中国的大气顶小油环油藏，气顶指数为3.13，地层倾角9°。根据几何相似，实验中所使用的模型厚度为72 mm，实验用油为煤油，其密度为800 kg/m3，黏度1.25 mPa·s，实验用气为氮气。
实验中布置有3口模拟井，分别为两口油井和一口气井，井位布置如图 2所示，为保证一定的气顶指数，装置与一定容积的中间容器通过管线连接。实验准备阶段，为保证实验尽量少受非均质性的影响，向装置内均匀填入120目玻璃珠，并通过顶盖将模型密封。通过两口油井以低流速向模型中注入染过色的煤油，低流速可保证油气有足够的时间进行重力分异。饱和一定量的油后，通过气井向装置内注入氮气，满足压力要求后停止。
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| 图2 室内实验井位布置图 Fig. 2 Well geometric arrangement |
准备工作结束后，进行气顶油环开采模拟时，则分别从油井以一定的速度采油，从气井以一定的速度采气。
通过室内实验对气顶油环协同开发方式进行模拟，分别进行室内物理模拟实验：(1)采油速度0.7%，采气速度0；(2)采油速度0.7%，采气速度2.0%；(3)采油速度0.7%，采气速度4.0%。
1.2 油气界面运移速度通过物理模型可视化窗口，观察不同生产时刻下油气界面运移情况，计算油气界面运移速度。以采气速度0和2%为例，分析采气速度对油气界面运移速度的影响。
如图 3所示，分别为相同生产时间下(200 min)，气顶油环油藏开采前后油气界面的位置关系，白色区域为气顶，深黄色区域为油环，淡黄色区域为气顶驱替过后的残余油。其中实线表示油气界面初始位置，虚线表示油藏开采后油气界面位置。
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| 图3 不同采气速度下油气界面运移规律 Fig. 3 Migration law of oil-gas interface at different gas producing rates |
室内实验可视化结果显示，相同生产时刻下，气顶不动用时，油气界面运移距离大，运移速度快，而采气速度为2%时，油气界面运移速度则相对较慢。这是由于气顶动用后，一部分气顶膨胀能量用于补充被采出的体积，用于补充油环亏空体积的膨胀能减小。同时，采气速度越大，相同生产时间下地层压力下降程度越大，油环膨胀体积越多，故油环亏空体积减小，油气界面运移速度越慢。
1.3 油气界面运移形态通过可视化窗口对油气界面运移形态进行研究，为方便对油气界面运移形态进行清晰描述，将气顶油环油藏靠近油环一侧的界面定义为外油气界面，将靠近气顶一侧的界面定义为内油气界面。
当采气速度为0时，油环单独衰竭开采，气顶膨胀驱替油环，由于气体黏度较小，驱替原油时指进现象严重，同时外油气界面靠近油井，造成外油气界面运移速度快于内油气界面，运移形态如图 4a所示。
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| 图4 不同采气速度下油气界面运移形态 Fig. 4 Migration form of oil-gas interface at different oil producing rate |
当采气速度为4%时，由于气顶油环协同开采，此时油气界面运移速度变慢，油气指进现象减弱，油气界面近似平行于初始界面下移，内外油气界面运移速度近似相等，其运移形态如图 4b所示。
从图中可以看到，当内外油气界面运移速度基本相等时，油气界面保持与初始界面平行下移，此时波及体积最大，油井见气时刻油环采出程度最高，开发效果最好，称此时油气界面运移为稳定运移。
2 油气界面运移规律数值实验研究建立与室内实验尺寸及流体性质等价的数值模型，如图 5所示，地质模型厚度72 mm，模型宽300 mm，为了保证与室内实验相同的气顶指数，及相同的气顶膨胀能量，模型长度2 190 mm。数值模型中所使用的流体PVT性质均与室内实验相同。
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| 图5 与室内实验等尺寸的数值实验模型 Fig. 5 The structure of the numerical model which equivalent to indoor experiment size and fluid features |
进行了气顶油环协同开采的数值实验，以采油速度0.7%为基础，分别进行采气速度为0，1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%的实验。室内实验与数值实验结果互相补充、互相验证，深入分析气顶油环协同开发机理。
当采油速度一定时(以采油速度0.7%为例)，研究不同采气速度下油气界面的运移规律。图 6为室内实验与数值实验对不同采气速度下油气界面运移速度计算结果。结果表明，数值实验与物理实验结果吻合较好，所得结论一致，即采油速度0.7%时，随着采气速度增加，气顶膨胀能被抑制，油气界面运移速度逐渐变缓，且采气速度小于2%时，外油气界面运移速度始终比内油气界面运移要快，当采气速度大于2%以后，内外油气界面运移速度基本一致，油气界面平稳向油区方向移动(图 6)，该结论与三维室内实验结果相同。
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| 图6 采气速度与内外油气界面运移速度曲线 Fig. 6 Relationship between gas production rate and migration speed of internal and external oil-gas interfaces |
根据物质平衡原理可知，地下条件表示的地面累计产量应等于油藏中因压力下降所引起的流体的膨胀量与侵入的流体量之和。为了便于公式推导，将实际油藏模型进行简化设想一个储罐，在原始地层压力pi下，实际油藏中的油气将全部充满这个储罐，不考虑边底水侵入的影响。
由于油藏的生产导致地层亏空，造成地层的压力下降∆p时，此时油藏流体膨胀的体积为A+B+C，其中A是原油因膨胀而增加的体积，为了与室内实验结合，这里考虑的原油为死油，不考虑溶解气的影响，B是原始气顶膨胀增加的体积，C是地层中束缚水的膨胀和油藏孔隙体积减少的综合作用所引起的含烃孔隙体积减少量。根据物质平衡方程，在目前地层压力下：地下产量=A+B+C。
| $ \begin{array}{*{20}{l}} {{N_{\rm{p}}}{B_{\rm{o}}} + ({N_{\rm{g}}} + {N_{\rm{p}}}({R_{\rm{p}}} - {R_{\rm{s}}}){B_{\rm{g}}}) = }\\ {N{B_{{\rm{oi}}}}\left[{\frac{{{B_{\rm{o}}}-{B_{{\rm{oi}}}} + ({R_{{\rm{si}}}}-{R_{\rm{s}}}){B_{\rm{g}}}}}{{{B_{{\rm{oi}}}}}} + m\left( {\frac{{{B_{\rm{g}}}}}{{{B_{{\rm{gi}}}}}}-1} \right) + (1 + m)\left( {\frac{{{C_{\rm{w}}}{S_{{\rm{wc}}}} + {C_{\rm{f}}}}}{{1 - {S_{{\rm{wc}}}}}}} \right)\Delta p} \right]} \end{array} $ | (1) |
式中：
Np标准状态下累积产油量，m3；
Bo原油在压力p下的体积系数，m3/m3；
Ng标准状态下累积产气量，m3；
Rp油井生产油气比，即从油井产出的油与产出气之比，m3/m3；
Rs单位体积地面原油在地层条件(压力p)下所溶解的天然气在标准状态下的体积，m3/m3；
Rsi-Rs在压力为原始地层压力下的值，m3/m3；
Bg气体在压力p下的体积系数，m3/m3；
N-油环在标准条件下的原始储量，m3；
Boi-原油在原始地层压力pi下的体积系数，m3/m3；
m-气顶指数，即原始状态气顶占的孔隙体积与原始状态油环占的孔隙体积之比；
Bgi-气体在原始地层压力pi下的体积系数，m3/m3；
Cw地层水的压缩系数，MPa-1；
Swc-束缚水饱和度，无因次；
Cf孔隙的压缩系数，MPa-1。
其中等号左边为油藏产出量在目前地层压力下的体积，等号右边为地层流体膨胀体积，将等号右边式子重组，可得到油环体积改变量和气顶体积改变量。
油环体积改变量
| $ {V_{{\rm{oilal}}}} = N{B_{{\rm{oi}}}}\left[{\frac{{{B_{\rm{o}}}-{B_{{\rm{oi}}}} + ({R_{{\rm{si}}}}-{R_{\rm{s}}}){B_{\rm{g}}}}}{{{B_{{\rm{oi}}}}}} + \left( {\frac{{{C_{\rm{w}}}{S_{{\rm{wc}}}} + {C_{\rm{f}}}}}{{1-{S_{{\rm{wc}}}}}}} \right)\Delta p} \right] $ | (2) |
气顶体积改变量
| $ {V_{{\rm{gasal}}}} = N{B_{{\rm{oi}}}}m\left[{\left( {\frac{{{B_{\rm{g}}}}}{{{B_{{\rm{gi}}}}}}-1} \right) + \left( {\frac{{{C_{\rm{w}}}{S_{{\rm{wc}}}} + {C_{\rm{f}}}}}{{1-{S_{{\rm{wc}}}}}}} \right)\Delta p} \right] $ | (3) |
已知气顶原始地层压力pi，产油量Np，产气量Ng，假设油藏压力下降$∆p，根据压力(pi-∆p)时流体的参数(Bg，Bo，Rs等)大小，计算地层压力下降∆p时油藏流体膨胀的体积，根据物质平衡原理则应满足式(1)，如果不满足则重新假设一个地层压力的变化量∆p，直到满足精度要求为止。这样便可以准确地求出不同开采方式下气顶和油环体积的膨胀量。
若将气顶和油环分为两个区域，当一个区域中流体体积发生改变时，体积改变量大于零时，则流体侵入另一个区域，体积改变量小于零时，则该区域亏空的体积量由另一个区域的流体进行补充。则根据气顶(油环)区域的体积改变量，可以得到屏障形成前气顶侵入油环量或油环侵入气顶量，根据物质平衡原理，气顶侵入油环量和油环侵入气顶量的绝对值是相等的。
| $ {V_{{\rm{侵入量}}}} = \left| {{V_{{\rm{oilal}}}}} \right| = \left| {{V_{{\rm{gasal}}}}} \right| $ | (4) |
根据气顶侵入量计算油气界面运移速度，虽然由本文实验可知油气界面运移形态与采气速度有关，但目前手段无法将这种关系量化处理，故在计算油气界面运移速度时，假设内、外油气界面运移速度相等，即油气界面平行下移，此时根据容积法可以得到油气界面运移速度为
| $ v = \frac{{{V_{{\rm{aaa}}}}}}{{t \cdot H \cdot W \cdot \phi \cdot (1 - {S_{{\rm{wc}}}}{S_{{\rm{or}}}})}} $ | (5) |
式中：t-生产时间，a；
v-油气界面运移速度，m/a；
H-油藏厚度，m；
W-井距，m；
ϕ-孔隙度，无因次；
Sor-残余油饱和度，无因次。
通过该油藏工程方法可以模拟不同气顶指数的气顶油藏，并且可以计算出该气顶油藏在不同采油速度和采气速度下对应的油藏压力的变化规律以及开采过程中不同阶段时气顶侵入油环的体积或油环侵入气顶的体积量。
3.2 采气速度针对气顶指数为3.13的气顶油环油藏，通过油藏工程方法模拟气顶油环油藏分别以不同采油速度(0，0.3%，0.7%，1.1%，1.5%)和不同采气速度(0，1%，2%，4%，8%)进行衰竭开采，计算得到不同开采条件下油气界面变化规律，如图 7所示。
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| 图7 不同采气速度下油气界面运移速度(不同采油速度) Fig. 7 Relationship between gas production rate and migration speed of oil-gas interfaces(different oil producing rate) |
在相同气顶指数下，采油速度越大，相同生产时间内油藏体积亏空越大，地层压力下降越快，导致气顶膨胀体积越大，侵入油环量越多，油气界面运移速度越快。气顶侵入油环，可能会导致生产过程中发生气窜现象，影响正常的生产。
当采油速度相同时，随着采气速度的增加，地层压力下降速度加快，同时，由于气顶得到动用，气顶膨胀体积一部分用于侵入油环，另一部分则被采出，气顶膨胀能得到有效抑制，导致油气界面运移速度减慢，甚至采气速度过大，会出现油气界面向气顶方向运移的现象。对于某一个采油速度，都存在一个合理的采气速度，使得油气界面运移速度为0，有效防止油侵或气侵现象。
4 结论(1)气顶油环同时开采有利于抑制气顶膨胀能，减缓油气界面运移速度，稳定油气界面运移形态，即保持内、外油气界面运移速度相等，延迟油井见气时刻，提高油井开发效果。
(2)随着采油速度减小，采气速度增加，油气界面运移速度减慢，且采气速度大于2%以后，内外油气界面运移速度基本一致。
(3)当采油速度越小，采气速度越大时，油气界面向油环侵入的速度越小，并且合适的采油速度和采气速度可以保持油气界面平衡。
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