實驗設計法在凝析氣藏后期注水開發方案設計中的應用

摘 要

摘要：凝析氣藏衰竭開發當地層壓力低于露點時，一部分凝析油將析出而損失到地下，同時還會對地層滲流能力和氣井產能造成傷害，在條件允許時可以對凝析氣藏實施注水開發；受地質和工程
摘要：凝析氣藏衰竭開發當地層壓力低于露點時，一部分凝析油將析出而損失到地下，同時還會對地層滲流能力和氣井產能造成傷害，在條件允許時可以對凝析氣藏實施注水開發；受地質和工程等多種因素影響，凝析氣藏注水開發方案設計十分復雜，常規的單因素分析方法低效而且片面，不能滿足研究的要求。為此，借助實驗設計方法，綜合考慮底水規模、地層傾角、垂向滲透率、凝析油含量、注水時機、注水量等參數，對凝析氣藏注水開發進行了科學且高效的設計；確定了該過程中不同因素的敏感性程度和它們之間的交互作用；最后基于不同凝析氣藏條件和設計目標給出了最優水驅方案和預測指標。在大港油田BG5氣藏和塔里木牙哈凝析氣藏的應用結果表明，該方法提高了開發方案設計的效率，減少了設計工作量。
關鍵詞：凝析油氣田；注水；衰竭開發；數值模擬；實驗設計法；應用
    凝析氣藏衰竭開發過程中氣藏壓力遞減快，地層中反凝析現象嚴重，從而影響凝析氣藏的開發效果。特別是在近井地帶，由于油氣滲流速度高，壓降大，凝析油飽和度比較高，其受到的反凝析污染比地層中部更嚴重，對氣井的產能影響更大[1]。通過注氣可以保持氣藏的壓力，顯著提高凝析油的采收率，但是這種方法的應用受到壓縮機成本較高和氣體銷售延遲的制約[2]。條件允許的情況下，可以通過注水保持氣藏壓力開采，減少反凝析的影響，提高凝析油氣采收率[3～7]。開發方案設計及優化中常需要考慮地質、工程、經濟等因素的影響。如果存在的影響因素太多，則這些研究將耗時耗力，除非對各種模擬方案進行有效的設計、篩選、分析[8～9]。筆者就如何利用實驗設計法合理、科學地協助優化凝析氣藏注水開發設計進行了探討。
1 凝析氣藏注水開發機理及影響因素
1.1 開發機理
    凝析氣藏實施注水開發的機理主要有：①保壓作用；②對凝析油氣的驅替作用；③油氣界面注水分隔油氣作用[4～5]。
1.2 注水量的影響
    通過注水能夠保持氣藏壓力，防止或減少反凝析油析出損失。但是，注入水會束縛一定的氣，束縛的氣量主要受氣藏壓力和殘余氣飽和度影響。因此，必須在注入水運移到生產井井底前停注再衰竭開采，使束縛氣降壓膨脹繼續產出，否則可能比衰竭開發的效果還要差。同時，要防止注入水過早侵入到生產井井底，造成氣井早期水淹停產[6]。
1.3 凝析油含量的影響
    對于凝析油含油比較高的凝析氣藏需要的注水量相對較大，而對于凝析油含量較小的凝析氣藏，存在一個最優的注水量使得凝析油氣總的采收率最大。
1.4 注水時機的影響
    初期注水的作用主要是保持氣藏壓力，防止凝析油析出損失。后期注水對凝析油、氣有驅替作用，同時注水后氣藏壓力上升對析出的凝析油有反蒸發作用。
2 實驗設計法在注水開發設計中的應用
2.1 凝析氣藏注水開發的復雜性和科學設計的必要性
    如前面所述，凝析氣藏的注水開發效果不但受儲層傾角、垂向滲透率、底水規模等地質因素影響，同時還取決于凝析油含量、注水量、注水時機等油藏工程參數的設計和組合。這些因素的單獨作用以及它們之間的交互作用造成凝析氣藏注水開發的設計工作十分復雜。應用實驗設計方法能夠用較少次數的運算擴展設計的空間，可以大大提高工程設計的效率，已經被廣泛的應用于各種工程領域。該方法是以概率論、數理統計和線性代數等理論為基礎，科學地安排實驗方案，正確地分析實驗結果，確定參數對指標的影響趨勢、主次順序及顯著程度。其突出特點是可以從較少數量典型的代表性方案中得出需要大量方案才能獲取的內在的本質規律和矛盾主次[8]。
2.2 凝析氣藏水驅開發模型
    本次研究中首先分析了大港板橋凝析氣藏和塔里木亞哈凝析氣藏的特點，對它們的地質、氣藏、流體特征進行歸納總結，建立了典型的凝析氣藏水驅數值模擬模型。具體參數為：儲層深度300m，含氣面積0.6km2，儲層厚度5m，平均孔隙度0.18，平均滲透率150mD(圖1)。
 

在本次研究中，分別采用了大港油田BG5氣藏和塔里木牙哈凝析氣藏的兩種代表性流體樣品。兩種凝析氣樣品的露點和凝析油含量差別比較大，具體組成和性質參數見表1。
 

研究中對該氣藏模型分別設置了不同的邊底水體積、地層傾角和垂向滲透率，并賦予不同的凝析油含量的凝析氣流體。首先利用該氣藏中的注入井以2%開采速度進行為期2a的衰竭開發，之后在氣藏的氣水界面偏上的部位設計了注水井以每年2%孔隙體積的注入量注水。通過調整氣藏模型的地質參數和注采井的控制參數就能夠模擬不同氣藏儲層條件、不同水驅方案下的開發動態，研究各種因素對于凝析氣藏注水開發效果的影響。
2.3 凝析氣藏水驅方案高效設計方法
針對以上問題，本次研究借助Design Eas軟件利用實驗設計方法研究了凝析氣藏注水開發過程中包括地質、氣藏、工程等不同因素對于開發效果的影響，具體因素及水平見表2。借助該方法合理設計，確定可以滿足研究需要的少量的、典型的、代表性的凝析氣藏水驅方案(表3)。表3中：Kv/Kh代表垂向與水平滲透率之比；注水時機用注入壓力占露點壓力的百分數來表示；注入量用注入流體占地層孔隙體積的百分數來表示。下同。
 

2.4 凝析氣藏水驅方案模擬結果分析
在前面凝析氣藏水驅方案確定之后，利用Eclipse數值模擬軟件的組分模擬器E300對其進行了模擬運算，其結果見表3。
2.4.1敏感因素分析
通過對以上實驗設計得到的不同水驅方案的凝析油、氣采收率指標進行統計分析，可以繪出它們相應的Half-normal圖(圖2、圖3)。
 

    Half-normal圖的橫坐標代表各因素在兩水平之間變化時引起的相應凝析油氣指標平均值的變化，縱坐標代表累計概率。如果某因素從低到高變化時引起評價指標的減少，那么其影響是負面的；反之如果引起評價指標增大則說明其作用是正面的。該圖主要由代表不同因素和不同因素交互作用的點與一條通過大多數點的直線構成。由代表不同因素的點偏離直線的程度可以看出其所對應的指標影響的重要性程度，由左到右偏離的越多影響越重要。
    圖2為本次研究給定的氣藏條件和流體性質情況下6個因素中對于凝析油的采收率指標的Half-normal圖件，由它可以看出對于凝析油采收率不同因素影響的重要性程度由高到低依次為：凝析油含量、底水的體積、底水體積與地層傾角的交互作用、注水量、注入時機等。
而由圖3可以看出各因素對于凝析氣的采收率影響的重要程度由高到低依次為：底水體積和凝析油含量的交互作用、垂向滲透率和注入時間及注水量的交互作用、注水體積、垂向滲透率和注入時機的交互作用等。
2.4.2不同因素交互作用分析
    目前在油氣藏數值模擬中常常使用的是單因素多水平分析，即將其他各因素水平先固定，然后改變某一因素的水平分析其變化對于響應指標的影響。這種方法比較簡單，但是它不能確定前面得出的結果在其他因素變化的時候是否仍然適用[8]。而利用本研究中采用的實驗設計方法則可以研究不同因素的交互作用，得到傳統的單因素分析方法所不能實現的對各因素的影響的綜合認識。
2.4.2.1 對于凝析油采收率
    從圖4看出，在本文研究的情況下注水量較大時(30%孔隙體積)能夠較好地補充地層能量，減少凝析油的析出，提高氣采收率。但是由圖4也可以看出注水量對于凝析油采收率的影響程度在不同凝析油含量的氣藏中不一樣，凝析油含量較高的氣藏在高注水量(30%孔隙體積)情況下比低注水量(20%孔隙體積)時效果明顯，提高達4%；而在低凝析油含量的凝析氣藏中將注水量從20%提高到30%孔隙體積，凝析油采收率僅僅提高了1.5%。

    從圖5看出，早期注水都可以獲得相對高的凝析油采收率，但其作用效果受地層傾角的影響。地層傾角低時，早注水(地層壓力降到露點時)能夠比晚注水(地層壓力降到90%露點壓力時)可以較早地驅向生產井，減少反凝析的發生并提高其產能，可以明顯增加凝析油最終的采收率；而在地層傾角比較大的時候，重力作用對注入的影響較大，減緩其向生產井推進的速度，影響其保壓反凝析的效果，此時在地層壓力降到露點時和降到90%露點時注水的效果差別比較小。
 

2.4.2.2 對于凝析氣采收率
    由圖6可看出，在筆者所給條件下底水規模對于不同凝析油含量的氣藏凝析氣采收率的影響為：在凝析油含量較低的氣藏中不同底水規模(1.5～6倍)對于凝析氣的水驅開發中凝析氣采收率影響較小，而在凝析油含量較高時底水的規模影響對凝析氣采收率影響較大，最高差3%。

    由圖7可以看出：在垂向滲透率低的情況下，注入水層間干擾比較小，適合早期注水，而在垂向滲透率較高情況應該適當延緩注水時間，避免造成氣井水淹停產。
2.4.3最優方案預測
通過上述對凝析氣藏不同的注水方案結果進行的統計分析，明確了不同參數和因素對于凝析氣藏注水開發效果的影響。之后可以得出不同條件下的凝析氣藏注水開發的最優方案，并對其凝析油氣的采收率進行預測。筆者以兩種不同條件下的凝析氣藏為例，給出了最優注水開發方案的設計參數及預測指標(表4)。
 

    這樣就大大降低了其他類似凝析氣藏注水開發設計的工作量，提高了研究的效率。
3 結論
    1) 借助實驗設計方法綜合考慮底水規模、儲層傾角、垂向滲透率、凝析油含量等地質、油藏因素和注水時機、注水量等工程因素，對凝析氣藏注水開發進行了科學、高效的分析設計，確定了可以滿足設計需要的少量的、典型的、代表性的水驅方案。大大提高了開發方案設計的效率，減少了設計工作的工作量。
    2) 通過對本文設計的凝析氣藏水驅數值模擬方案的結果進行統計分析，確定了不同因素在開發過程中對于凝析油、氣采收率的敏感程度和不同因素之間的交互作用。最后得出不同條件和目標下的最優注水開發方案，提高了設計工作的合理性、科學性。
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(本文作者：周宗明1 張賢松2 李保振2 王繼美2 唐恩高2 1.地質過程與礦產資源國家重點實驗室·中國地質大學(北京)；2.中海油研究總院)