CN101737029B - 一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于特低渗透储层存在非达西流动特征，利用人工裂缝和面积井网协同作用，使特低渗透储层有效动用的开采原油方法。目前，开发特低渗透储层所设计采用的面积井网，基本上都是沿用传统的基于达西流动的情况，直井压裂目的也仅是改善井筒附近渗流能力和增产增注，开发过程中很难使特低渗透储层形成有效合理的动用开发系统，储层难以有效动用。本发明采用压裂直井组成面积井网，在人工裂缝和面积井网协同作用下，确定压裂直井单井动用半径、控制面积和面积井网的启动系数，形成有效合理的动用开发系统，开采特低渗透储层原油，大大提高油田开发的经济效益。

Description

一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法

技术领域

本发明属于油田开采方法设计技术领域，具体涉及一种基于特低渗透储层存在非达西流动特征，利用人工裂缝和面积井网协同作用，使特低渗透储层有效动用的开采原油方法。 

背景技术

对于特低渗透储层来说，由于油层多孔介质孔隙窄小，吼道半径几个微米，原油与岩石界面接触面积的比例明显增加，体相中原油的比例显著降低。流体流动的阻力除了黏滞力，还有固、液界面的分子作用力，使其与中高渗储层中流体流动的特点明显不同，即非达西渗流或具有启动压力梯度的流动。这就说明地层压力梯度若是小于储层自身的启动压力梯度，储层内一部分储量就难以得到有效动用。 

目前人工注水油田多是采用面积注水，也就是使注水井和生产井按一定的几何形状和密度均匀的布置在整个开发区上，如矩形井网、菱形反九点井网等。一般采油井都压裂，注水井视具体情况有的压裂有的未压裂，压裂目的也仅是改善井筒附近渗流能力和增产增注。但是这种开发方法在设计和评价过程中，仍然沿用传统的基于达西流动的情况，开发过程中很难使特低渗透储层形成有效合理的动用开发系统，储层难以有效动用。 

发明内容

本发明提供了一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法。该方法采用压裂直井组成面积井网，在人工裂缝和面积井网协同作用下，确定压裂直井单井控制面积和面积井网的启动系数，形成有效合理的动用开发系统，开采特低渗透储层原油。所述启动系数是单元面积井网内启动面积与单元井网面积的比值。启动面积是井网单元内各单井控制面积 之和。启动系数可以定量分析井网、井排距对特低渗透储层动用程度的影响，是衡量一定井网压差情况下储层动用程度的指标，为特低渗透储层的开发设计提供依据。 

采用如下步骤： 

(1)确定所开发特低渗透储层的启动压力梯度G，并选定一块试验区； 

(2)确定试验区面积井网的型式和试验区井距l_a，排距l_b； 

(3)对试验区每口直井的相应储层段进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和裂缝，其中测量压裂缝半长为x_f，压裂缝角度α； 

(4)测量地层压力p_e，控制注水井井底流压p_h和采油井井底流压p_w，对试验区进行原油开采； 

(5)确定试验区每口直井的动用半径r_m、控制面积S_f和面积井网的启动系数η，满足特低渗透储层有效动用； 

(6)根据试验区的启动系数η，确定全区的压裂缝角度α_q、压裂缝半长x_fq、注水井井底流压p_hq、采油井井底流压p_wq，井距l_aq和排距l_bq。 

其中，所述步骤(5)特低渗透储层直井动用半径r_m满足特低渗透储层有效动用时，r_m满足如下公式： 

$r_m\·e^{{\mathrm{Gr}}_m}=C_1/G,$

其中 $C_1=\frac{p_e-p_w}{\mathrm{Ei}\left(G{r}_w\right)-\mathrm{Ei}\left({\mathrm{Gr}}_e\right)},$ r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离。 

其中，所述步骤(5)确定试验区每口井的控制面积S_f满足特低渗透储层有效动用时，S_f满足如下公式： 

$S_f={\mathrm{\πr}}_m\sqrt{{r_m}^2+{x_f}^2,}$

使得压裂直井控制面积内地层内的压力梯度大于特低渗透储层启动压力梯度。 

所述步骤(5)确定面积井网启动系数η满足特低渗透储层有效动用时，启动系数η为单元面积井网内启动面积与单元井网面积的比值，所述启动面积是井网单元内各单井控制面积之和。 

附图说明

图1为矩形井网单元示意图； 

图2为葡333试验区井网示意图； 

图3为葡333试验区启动压力与渗透率关系曲线； 

图4为葡173-422井组直井非达西与达西流动压力分布比较图； 

图5为葡173-422井组地层压力梯度分布图； 

图6为葡173-422井组裂缝半长不同时单元井网启动分布图； 

图7为葡175-422井组裂缝半长及生产压差不同时单元井网启动分布图。 

具体实施方式

利用本发明在大庆油田、胜利油田等多个特低渗透试验区进行试验，均收到显著的开发效果。下面以大庆油田葡南地区扶余油层葡333试验区为例，结合附图进一步说明本发明。 

扶余油层有效孔隙度一般分布在9～15％之间，平均为12％；空气渗透率一般分布在0.1～2.5mD，平均为1.35mD，属于特低渗透油层。葡333试验区采取井排方向NE74.5°、240×100m的矩形井网(如图2)。平均压裂缝半长为84m，压裂缝角度为北东79度。葡333试验区采用面积井网方式是矩形井网，井距240m，排距100m。葡173-422井组是油井压裂井组平均地层压力为15.28MPa，水井井底流压为28.12MPa，平均油井井底流压为2.23MPa；葡175-422井组是整体压裂井组(即注水井和采油井都压裂)，平均地层压力为15.04MPa，水井井底流压为28.68MPa，平均油井井底流压为3.97MPa。虽然本实施例中采用矩形井网，但是本领域公知采用其它类型的井网型式如菱形反九点井网、正方形反九点井网等也是该领域常采取的布井型式，本发明所基于非达西渗 流理所得到的有效动用相关结果也适用于上述井网型式。 

图3是利用扶余油层葡333试验区岩心，进行启动压力梯度室内驱替实验，对试验区启动压力梯度进行测定，再根据扶余油层葡333试验区生产数据(地层渗透率、地层有效厚度、地层流体黏度、生产压差、已开发区块的井网参数：井网形式及井距、该区块的产量等)，对启动压力梯度进行修正，得到扶余油层葡333启动压力梯度与渗透率的关系曲线。葡333试验区平均的启动压力梯度为0.023MPa/m。 

对于低渗透油层特别是特低渗透油层来说，由于油层多孔介质孔隙窄小，吼道半径几个微米，原油与岩石界面接触面积的比例明显增加，体相中原油的比例显著降低。流体流动的阻力除了黏滞力，还有固液界面的分子作用力，使其与中高渗储层中流体流动的特点明显不同，即非达西渗流或具有启动压力梯度的流动。这就决定了一部分储量难以得到有效动用，以往的基于达西渗流理论和条件下的油藏工程计算公式已满足不了特低渗透油藏研究的需要。考虑低渗透储层液体流动为克服启动压力梯度的非达西渗流，再结合单相液体流理论公式，描述液体真实的低速非达西流动全过程的数学模型如下： 

质量守恒方程： 

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\φ}\right)+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{v}\right)=0---\left(1\right)$

运动方程： 

$v=\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\▿p-G)---\left(2\right)$

状态方程： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0{e}^{C_{\mathrm{\ρ}}(p-p_0)}={\mathrm{\ρ}}_0[1+C_{\mathrm{\ρ}}(p-p_0)]\\ \mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0+C_{\mathrm{\φ}}(p-p_0)\\ C={\mathrm{\φ}}_0{C}_{\mathrm{\ρ}}+C_{\mathrm{\φ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：ρ为任一压力p时流体的密度，kg/m3；φ为压力p时的孔隙度；k为绝对渗透率，mD；μ为流体黏度，mPa.s；G为启动压力梯度，MPa/m；ρ₀为大气压力下流体的密度，kg/m³；C_ρ为液体的弹性压缩系数，1/MPa；p₀为大气压力；φ₀为大气压力下岩石的孔隙度；C_φ为岩石的弹性压缩系数，1/MPa；C为总压缩系数。 

将式(2)、(3)代入式(1)得到总的控制方程为 

$-(\frac{{\∂}^{2}p}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}p}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}p}{\∂z^2})+C_{\mathrm{\ρ}}G(\frac{\∂p}{\∂x}+\frac{\∂p}{\∂y}+\frac{\∂p}{\∂z})=\frac{\mathrm{\μC}}{k}\frac{\∂p}{\∂t}---\left(4\right)$

假设为稳态且C_ρ＝1，转化为柱坐标系下平面径向流常微分方程为 

$\frac{d^{2}p}{{\mathrm{dr}}^2}+\frac{1}{r}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}+G\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}=0---\left(5\right)$

定压边界条件为 

$\left\{\begin{array}{cc}r=r_w& p=p_w\\ r=r_e& p=p_e\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：r_w为井筒半径，m；p_w为井筒压力，MPa；r_e为泄压半径，m；p_e为边界压力，MPa。 

由式(5)、(6)得出解为 

$p\left(r\right)=C_1(\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-\mathrm{Gr})}^i}{i\·i!}+\ln |r\left|\right)+C_2=-C_1\mathrm{Ei}\left(\mathrm{Gr}\right)+C_2---\left(7\right)$

其中 $C_1=\frac{p_e-p_w}{\mathrm{Ei}\left(G{r}_w\right)-\mathrm{Ei}\left({\mathrm{Gr}}_e\right)},$ C₂＝p_w+C₁Ei(Gr_w)，E_i为数学领域公知的函数算法即幂积分函数表达式 $\mathrm{Ei}(-x)=-{\∫}_x^{\∞}\frac{e^{-u}}{u}\mathrm{du}.$

对式(7)两边进行求导，就得出了地层中任意点的驱动压力梯度  $\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}\left(r\right)=C_1/r\·e^{\mathrm{Gr}},$ 当 $\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}\left(r\right)=G$ 时，所对应的泄油半径的距离即为单井动用半径的值r_m，即r_m满足 $r_m\·e^{{\mathrm{Gr}}_m}=C_1/G.$

对于特低渗透油层油井压裂后，裂缝周围渗流区域形状近似为椭圆，裂缝方向与油水井连线角度为α，即主流线角度；裂缝半长即椭圆的焦半径，记为x_f；椭圆短轴的距离等于特低渗透基质动用半径r_m；椭圆长轴的距离 $a=\sqrt{{x_f}^2+{r_m}^2}.$ 则一口压裂直井的控制面积为 

$S_f=\mathrm{\π}{r}_m\sqrt{{r_m}^2+{x_f}^2}.$

矩形井网一个单元内各井控制面积分析，可分右上角井、左上角井两种情况，如图1所示。对于裂缝与矩形井网的一个单元中，裂缝方向与井网油水连线所成角度α，井距为l_a，排距为l_b，则对角线与油井连线的夹角 $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{l_b}{l_a-\sqrt{{l_a}^2-l_b^2}}\right).$

则右上角井的裂缝椭圆在单元中的启动面积为 

$S_{\mathrm{ur}}=\frac{1}{2}{r}_m\·a(\arccos \left(\frac{r_m\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}{\sqrt{a^2-x_f^2\·\cos {(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}^2}}\right)+\arccos \left(\frac{r_m\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}))}{\sqrt{a^2-x_f^2\·\cos {(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}))}^2}}\right))$

同理可得左上角井的裂缝椭圆在单元中的启动面积为 

$S_{\mathrm{ul}}=\frac{1}{2}{r}_m\·a[\mathrm{\π}-\left(\arccos (-\frac{r_m\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{\sqrt{a^2-x_f^2\·\cos {(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}^2}})\arccos \left(\frac{r_m\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2})}{\sqrt{a^2-x_f^2\·\cos {(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2})}^2}}\right)\right)]$

那么矩形井网启动面积为 

S_qd＝S_f+2S_ur+2S_ul

矩形井网单元面积为 

S＝2·l_a·l_b

启动系数为 

η＝S_qd/S 

图4是以葡173-422井组中一口油井为例，在生产压差约为13MPa时，井底附近实际非达西流动和传统达西流动地层压力分布比较图。由图4所示，非达西流动情况下，压力沿泄压半径到一定位置就不在变化，说明井筒外围有很大一部分面积的油藏没有动用，这与常规达西流动压降情况明显不同，达西流动情况下全部动用。 

图5是以葡173-422井组中一口油井为例，在生产压差约为13MPa、启动压力梯度为0.023MPa/m时，井底附近实际非达西流动情况下地层压力梯度分布图。由图5所示，在非达西流动情况下，随着距井筒距离的增大地层的压力梯度逐渐减小，与启动压力梯度基准线交界处即为未压裂单井动用半径的位置，大约在50m左右。可见存在启动压力梯度时的非达西流动情况下，单井控制的范围很有限，严重影响了特低渗透储层的开发，井控范围以外很大一部分没能有效动用。 

依据葡333试验区压裂井控制面积满足特低渗透储层有效动用，根 据压裂缝参数，进而确定压裂井直井控制面积和面积井网的启动系数，进而优化井网设计，给出合理的裂缝参数和动态开发调整参数。 

图6为葡173-422井组裂缝半长不同时单元井网启动分布图，(a)裂缝半长为75m时，启动系数为0.385；(b)裂缝半长为85m时，启动系数为0.41；(c)裂缝半长为95m时，启动系数为0.436；(d)裂缝半长为105m时，启动系数为0.462(图中白色区域为启动区，黑色为未启动区)。由图6所示，当葡173-422井组裂缝半长分别为75m、85m、95m和105m时，对应的矩形井网启动系数分别为0.385、0.41、0.436、0.462。 

图7表示葡175-422井组裂缝半长不同时单元井网启动分布，(a)裂缝半长为74m时，启动系数为0.481；(b)裂缝半长为84m时，启动系数为0.500；(c)裂缝半长为94m时，启动系数为0.514；(d)裂缝半长为104m时，启动系数为0.525(图中白色区域为启动区，黑色为未启动区)。由图7所示，当葡175-422井组裂缝半长分别为74m、84m、94m和104m时，对应的矩形井网启动系数分别为0.481、0.5、0.514、0.525。随着裂缝半长的等值增加，启动系数递增的速度越来越慢，裂缝半长越长，储层的动用增幅较小，存在一个合理的裂缝半长。 

图8为葡175-422井组生产压差不同时单元井网启动分布图，(a)生产压差为13MPa时，启动系数为0.50；(b)生产压差为13MPa时，启动系数为0.518；(c)生产压差为13MPa时，启动系数为0.543；(d)生产压差为13MPa时，启动系数为0.562；(图中白色区域为启动区，黑色为未启动区)。由图8所示，当葡175-422井组生产压差分别为13MPa、15MPa、17MPa和19MPa时，对应的矩形井网启动系数分别为0.50、0.518、0.543、0.562。随着生产压差的等值增加，启动系数递增的速度 越来越慢，也就是说在地层承受压力允许的情况下，放大生产压差到一定大小后，储层的动用增幅较小，存在一个合理的生产压差。实际葡175-422井组生产压差为13MPa，储层动用50％左右。 

综合葡173-422和葡175-422两个井组对比，基本上两个井组注采方式和裂缝情况基本相同，只是葡173-422井组是油井压裂井组，启动系数为0.41最合理，葡175-422井组是整体压裂井组，启动系数为0.50最合理，整体压裂井组比油井压裂井组多动用10％的储层。葡333试验区平均合理裂缝半长为84m，裂缝角度为北东78度，合理生产压差为17MPa，将此参数应用到全区进行布井开发。 

Claims (4)

1.一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法，其特征在于采用如下步骤：

(1)确定所开发特低渗透储层的启动压力梯度G，并选定一块试验区；

(2)确定试验区面积井网的型式和试验区井距l_a，排距l_b；

(3)对试验区每口直井的相应储层段进行射孔和压裂，使其生成垂直井筒的孔眼和裂缝，其中测量压裂缝半长为x_f，压裂缝角度α；

(4)测量地层压力p_e，控制注水井井底流压p_h和采油井井底流压p_w，对试验区进行原油开采；

(5)确定试验区每口直井的动用半径r_m、控制面积S_f和面积井网的启动系数η，满足特低渗透储层有效动用；

(6)根据试验区的启动系数η，确定全区的压裂缝角度α_q、压裂缝半长x_fq、注水井井底流压p_hq、采油井井底流压p_wq，井距l_aq和排距l_bq。

2.根据权利要求1所述的使特低渗透储层有效动用的开采原油方法，其特征在于：所述步骤(5)中，特低渗透储层直井动用半径r_m按照如下公式确定：

$r_m\·e^{{\mathrm{Gr}}_m}=C_1/G,$

其中

r_w为井筒半径，r_e为井筒距边界距离。

3.根据权利要求1所述的一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法，其特征在于：所述步骤(5)中，试验区每口直井的控制面积S_f按照如下公式确定：

$S_f=\mathrm{\π}{r}_m\sqrt{{r_m}^2+{x_f}^2},$

使得压裂直井控制面积内地层内的压力梯度大于特低渗透储层启动压力梯度。

4.根据权利要求1所述的一种使特低渗透储层有效动用的开采原油方法，其特征在于：所述步骤(5)确定面积井网启动系数η满足特低渗透储层有效动用时，启动系数η为单元面积井网内启动面积与单元井网面积的比值，所述启动面积是井网单元内各单井控制面积之和。

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