油田長期停產下的油水運聚平衡解析模型及剩余油分布

李偉，李威，閆正和，張琴，洪浩

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

油田長時間停產伴隨著油水重新分異及運聚，對剩余油分布和挖潛調整影響很大。目前針對停產，側重于開展停產原因、躺井修復及復產前后動態(tài)變化等方面的研究［1］，而油水分異及界面重新平衡時間的研究較少。本文以“勢控論”為基礎［2-4］，從油水運移動力學關系出發(fā)，開展底水油藏油水運聚平衡解析模型推導，利用機理數值模擬手段［5-6］進一步驗證解析模型的準確性，為油田長期關停下油水運聚的影響因素、運聚平衡所需時間、重啟后儲量及剩余油分布模式等提供快速判斷依據。

1 油田概況

陸豐A油田位于南海海域珠江口盆地，是在基底隆起上繼承發(fā)育的斷背斜低幅構造（見圖1）。油藏含油面積11.5km2，含油邊界至構造高部位距離約2.5 km，地層傾角小于3°，埋深在1 574.5～1 626.0 m，油藏類型為塊狀底水油藏，天然能量充足。儲層為濱岸相沉積，孔隙度 21.4%～26.2%， 滲透率 1 374×10-3～4 308×10-3μm2，屬于中高孔、特高滲儲層。

圖1 陸豐A油田原始含油面積

陸豐A油田于1997年完成高部位井網部署并投入開發(fā)，2009年因水下井口設備狀況等原因全面停產，停產時綜合含水率為94%，采出程度為35%，截止到2020年，該油田已關停長達11 a。

2 油水運聚平衡解析模型的建立

為重啟油田二次開發(fā)，需要進一步摸清關停11 a后油水界面是否重新平衡，快速獲得剩余油潛力定量、半定量認識，為此，開展了油水運聚解析模型的研究。

2.1 油水運聚理論基礎

“勢控論”是油氣勘探中的一項重要理論，在油氣成藏、有利區(qū)帶預測等方面都取得了很好的應用效果，目前也逐步拓展至開發(fā)領域的剩余油研究［3-7］。根據油水運移動力學關系［8-10］，底水油藏關停后，原油質點主要受3種力（凈浮力、水動力、毛細管力）的作用（見圖2）。其中：凈浮力為質點浮力與重力的差值，方向向上，為運移動力；水動力為天然能量水體帶來的驅動壓力差，方向向上，為運移動力；毛細管力與運移方向相反，為運移阻力。

圖2 底水油藏停產下原油質點受力示意

油水重新運聚是原油質點的運移動力和阻力相互作用，最終達到平衡的過程。沿運聚方向進行受力分析，可以得出單位高度油柱所受合力為

式中：FE，FM，Ff，Fc分別為單位高度油柱所受合力、水動力、凈浮力、毛細管力，N；α為油水運聚方向與水平方向夾角，（°）。

2.2 臨界運移油柱高度建立

當FE＞0時，油水運聚開始發(fā)生。臨界條件下，運移動力等于運移阻力，即FE=0，定義臨界油柱高度為h0，單位面積為1 m2時，臨界油柱所受凈浮力為

式中：ρw，ρo分別為水、油密度，g/cm3；g 為重力加速度，取值 9.8 m/s2。

毛細管力主要由孔喉半徑決定，油田長期水驅后，基本以水性潤濕為主。根據巖石孔喉半徑與孔隙度及滲透率經驗公式，將毛細管力簡化為

式中：r為孔喉半徑，μm；σ 為表面張力，mN/m；θ為潤濕角，（°）， 水性潤濕情況下，cos θ取值為 1；K 為儲層滲透率，10-3μm2；φ 為儲層孔隙度。

水動力主要由水動力梯度決定，為油田兩井測點壓力減去對應凈水柱壓力后的剩余水壓力［11-12］。假設油田范圍內具有相同的水動力勢或水動力梯度，臨界油柱高度下水動力為

式中：EM為水動力梯度，N/m。

考慮計算統(tǒng)一性，定義水動力倍比M為單位高度油柱所受水動力與同等靜水柱壓力的比值，公式為

聯立式（1）—（5），得到臨界油柱高度：

2.3 油水運聚平衡時間建立

當運移動力大于運移阻力時，原油在儲層中進行運聚。定義油柱高度為h，原油發(fā)生運移的幾何位移關系如圖3所示。油柱從M點運移至N點的水平位移為L，實際位移為L′，運移角度為α，滲流速度為v。考慮目標低幅構造油藏傾角較小，認為L≈L′，陸豐A油田滲透率高，在h＞h0的情況下，Fc較小，這里進行忽略簡化處理，由此得到單位面積油柱運動合勢：

圖3 原油運聚幾何位移關系

其中

從M點運移至N點的過程，滿足達西滲流公式，原油的滲流速度為

式中：μo為地層原油黏度，mPa·s。

將式（8）分解得到垂向上的速度，即界面的平衡速度（真實速度）［10］為

式中：vp為垂向真實速度，m/s。

式中：t為油水運聚平衡所需時間，s。

3 數值模擬法驗證運聚解析模型

油水運聚平衡解析模型準確性如何，可借助油藏數值模擬方法開展驗證。

建立小型低幅構造底水油藏機理模型，設定儲層滲透率為2 000×10-3μm2，孔隙度為25%，構造傾角為3°，水動力倍比為35，油藏總長度為1 000 m，地層原油密度為0.82 g/cm2，地層原油黏度為2.8 mPa·s。為定量開展運聚平衡時間模擬，將初始油水界面設置為不平衡的階梯狀（各階梯層距構造高點分別為100，250，450，650，900 m），通過設置數值模擬對應關鍵字，匹配解析模型中油水運移動力及阻力，開展關停條件下油水運聚自平衡模擬（見圖4）。

圖4 油藏數值模擬不同關停時間下油水運聚平衡過程

從油藏數值模擬結果可以看出，油藏關停后，隨時間延長，原油由近及遠逐漸向構造高點運聚，35 a后油藏范圍內油水界面基本達到平衡，各階梯節(jié)點對應界面平衡時間分別為 3，8，17，25，35 a。

解析模型計算結果顯示，隨運移距離增加，油水界面運聚平衡所需時間逐漸增大，對應機理模型階梯位置節(jié)點至高點（距離分別為 100，250，450，650，900 m）的油水界面平衡時間依次為 4，9，17，24，34 a，2 種方法得到的油水平衡時間接近，驗證了建立的運聚解析模型的相對準確。

4 油水重新分異下剩余油分布

4.1 油水運聚特征規(guī)律

利用運聚解析模型，開展快速定量、半定量剩余油分布模式規(guī)律研究，對摸清油水運聚規(guī)律及潛力具有指導意義。從式（6）及式（11）可以看出，影響油水運聚的參數［13］包括地層滲透率、水動力倍比、運移距離、運聚角度、原油黏度等。通過開展相關參數的單因素分析，認識臨界油柱高度和運聚平衡時間的變化規(guī)律及特征（見圖5）。

圖5 不同參數下油水運聚特征曲線

由圖5可以看出：儲層滲透率對油水運聚影響明顯，隨著物性變差，臨界油柱高度及運聚平衡時間呈指數式增大，當滲透率低于100×10-3μm2時，臨界油柱高度達13 m，運移平衡所需時間超1 600 a，即海相低幅構造油藏低滲儲層中更容易出現較高的滯留油柱區(qū)，油田復產后可作為潛力挖潛區(qū)；油田關停情況下，水動力倍比對油水運聚快慢的影響相比其他參數要小，自平衡狀態(tài)下水動力對運移速率影響不明顯；運聚平衡時間與運移距離呈線性關系，油藏10 km范圍內的油水運聚平衡時間需上百年，運移距離10～100 km，需要上千年，運移距離大于100 km需要上萬年，也界定了勘探油氣運移與開發(fā)油水運聚時間尺度差異［14］；運聚角度與運聚平衡時間同樣呈指數關系，高陡地層油氣運聚明顯加快。

4.2 長期停產后剩余油分布模式

陸豐A油田為低幅構造底水油藏，自2009年關停后，2018年因周邊油田設施區(qū)域聯合，經濟成本大幅降低，計劃重啟二次開發(fā)研究。此類油藏關停如此長時間后，儲量及剩余油分布模式如何，存在2種認識：第1種觀點認為，如此優(yōu)質儲層及流體經過長達10 a左右運移，油水界面已重新分異平衡，剩余油分布模式如圖6a所示；第2種觀點認為，油水二次運移屬于勘探地質年代概念，可能至少需要上百萬年，運聚程度很小，剩余油分布模式如圖6b所示。

圖6 陸豐A油田停產11 a后剩余油分布模式

利用建立的解析模型，快速開展油水運聚平衡定量分析。A油田地層傾角平均2.2°，滲透率1374×10-3～4 308×10-3μm2，平均 2 031×10-3μm2，通過計算得出油水運聚臨界油柱高度為0.2 m，即只要動油水界面高度差大于0.2m，油水就開始分異運聚直至平衡?；诖?，得到平衡狀態(tài)下油水界面傾角α0小于0.1°，鑒于低幅油藏運移平面距離遠大于垂向距離，將初始運移角度α取平均地層傾角2.2°。依據A油田水動力勢、流體性質等計算得出運聚平衡時間圖版（見圖7）。 由圖7可見，儲層滲透率不同，運聚平衡時間長短有所差異，油田2.5 km范圍內油水界面完全平衡所需時間約為78～234 a，平均滲透率對應的平衡時間為170 a。目前油田停產11 a情況下，油水界面達到平衡的范圍為從構造高點向外延伸200 m。

圖7 陸豐A油田油水運聚平衡時間圖版

為落實關停后該油田油水分異平衡程度，依據上述2種分布模式及本文對油水運聚時間的認識，開展評價井位LFA-1的設計（見圖6），選取了2種模式下油柱高度存在明顯差異的位置。油水界面完全平衡模式下目標井位對應油柱高度為6 m；而未完全平衡模式下，因關停時間（11 a）相比本文計算的完全平衡所需時間（170 a）小很多，依據關停前剩余油分布計算出對應油柱高度為14 m。

LFA-1井于2018年9月完成鉆探，鉆后測井曲線顯示剩余油柱高度約15.8 m，與未完全平衡模式預測油柱高度基本一致，也驗證了油水運聚解析模型的可靠性，表明關停11 a后油水運聚并未最終完成，油藏范圍內油水界面仍處于動態(tài)變化過程。通過超大計算量（146萬個網格模型）及超長時間步（500 a以上）油藏數值模擬并行計算，油田范圍內界面完全平衡所需時間約為190 a，與解析模型計算基本一致。該解析模型保障了后續(xù)油田按未平衡模式下完成儲量核算及開發(fā)方案研究，防范了二次開發(fā)中因模式差異造成的高部位井位部署水淹風險。

5 結論

1）從油水運移動力學及滲流力學關系出發(fā)，建立了一種低幅構造底水油藏油水運聚平衡解析模型，避免了實際模型超長時間步、超大數據量的數值模擬運算過程，對快速評估油田長時間關停后剩余油分布模式具有指導意義。

2）油水運聚平衡時間與儲層滲透率及運聚角度呈指數式變化，低滲、低幅地層油氣運移速度明顯減慢，更容易形成滯留剩余油；運聚平衡時間與運移距離呈線性關系，油藏10 km范圍內的油水界面重新平衡需上百年。

3）陸豐A油田實踐表明，經過長達11 a的關停后，距高部位200 m的油藏范圍內剩余油相對平衡，而全油藏范圍內油水界面仍處于未完全平衡狀態(tài)，剩余油整體分布模式較油田停產前變化不大，評價井的預測剩余油柱高度與實鉆結果較為吻合。