论提高原油采收率通用措施的依据

论提高原油采收率通用措施的理论依据李斌1郑家朋2张波3潘欢4(1中国石油冀东油田公司,;2冀东油田钻采工艺研究院;4冀东油田勘探开发研究院,河北唐山,063004.)（3西安石油大学经济管理学院,陕西西安,710065）摘要一般按地质、油藏工程、工程技术、管理、经济等方面采取提高原油采收率的通用措施，这已是业内的共识，但基本都是定性分析。文中从采收率的基本定义出发,推导出提高采收率通用措施的数学解析模型即定量模型,并依此提出提高采收率的途径，及用该模型计算采收率，同时给出简便地计算采收率图解法。简要论证了采收率与采油速度、采收率经验公式等与数学解析模型的关系。通过计算实例，说明该方法是实用的、可行的。关键词油田采收率数学模型影响因素定量据世界范围内620个油田和油藏的统计资料[1]，砂岩油田弹性驱动采收率一般小于l5％，溶解气驱的采收率一般为l5％～31％，水压驱动采收率一般为36％～60％，碳酸盐岩油田溶解气驱采收率为18％，水压驱动采收率可达44％。而全世界已开发油田的采收率平均在33％～35％，即有近三分之二的原油留在地下，这是一笔相当大的财富。如果人们努力把采收率提高到70％以上，也就是说使地下三分之二以上的原油采出来，使有限的油气资源更好地发挥效用，对人类将是一个伟大的贡献。长期以来，人们在提高采收率方面花了很大功夫，而且也卓有成效。但是，人们在研究影响采收率的因素主要是定性的，在提高采收率方面更看重三次采油，未从系统科学角度在油田开发整个生命周期系统地提出提高采收率问题，也未见有提高采收率通用措施理论公式类似报道。因此,本文试图对此作一探讨。1.影响采收率的因素一般认为，对注入流体开发油田而言，采收率为zapaDVDREEEEEE（1）该公式基本反映出提高采收率机理，即要提高采收率就要增大波及体积和提高驱油效率。但影响体积波及系数(VE)或为平面波及系数(paE)与垂向波及系数(zaE)及驱油效率(DE)的因素，有宏观因素也有微观因素。影响采收率的因素可分地质因素、油藏工程因素、工程技术因素、管理因素与经济因素等。地质因素诸如油气藏地质构造形态、天然驱动能量的大小、储层物性、岩性与孔隙结构特征、储层分布特征和非均质性、地下流体特性与分布、岩石润湿性及水油粘度比等。油藏工程因素如油气藏开发层系的划分、开发方式与注采系统、井网密度、布井方式、采油速度大小、地层压力保持程度等。工程技术因素为油水井类别（直井、定向井、水平井）、完井方法、油层钻开程序与油井投产顺序、采油方式、有利于提高采收率的主体作业措施与措施效果等。管理因素如开井数或油井利用率、综合时率、油藏管理方式等。经济因素如含水率、极限含水率的确定、采油生产成本等。这些因素均不同程度的影响着采收率，这已基本上在业内形成共识。2.公式推导对采收率与各因素的数学关系，作如下推导：由采收率的定义知opoNNE（2）又知dtdNQpo（3）由文献[2]知oweorwRrowwfeooNsrRenkkfpptkhafQ)())(1)((（4）将(4)代入(3)式,得dtNsrRenkkfpptkhafdNoweorwRrowwfeop)())(1)((（5）在油田开发的全过程中，有效厚度(ho)、油相渗透率(k。)、水相渗透率(kw)、地质综合系数()、生产压差(p)、综合含水率(wf)、井网密度(f)、油水粘度比(R)与地层油粘度(o)、供给半径(eR)等均可能随时间t变化，尤其是综合含水率(wf)更是如此。为了使问题简化，令)())(1)((srRenkkfpphkafAweorwRrowwfeoo且取各参数在油田开发全过程预测的平均数，则A可视为常数，tdtANdNop（6）对（6）式积分，并代入（2）式，得221AtEo（7）即2)(2))(1)((tsrRenkkfpphkafEweorwRrowwfeooo（8）或2)1(21tfpafJEwLo（9）（8）、（9）式中参数的平均值可采用等值图法或加权法求之。（8）、（9）式就是提高原油采收率通用措施的理论依据。3.参数分析及提高采收率的途径按照（8）、（9）式可提出提高采收率的途径。⑴井网密度(f)当井网密度增加时，可提高油井对储量的控制程度，使采收率提高。但是井网密度受砂体、油砂体的平面展布、储量规模、储层物性与非均质性、储层中流体性质与储层的流动特性、油层的多层性及埋深、开发需要及经济上的合理性等因素的制约，并不是井网密度愈密愈好。当井网密度达某一数值，再增加井网密度则失去现实意义，也是经济上不可许的，如图l所示。从图l中的曲线中可看出，在井网指数为2.0，驱油效率为0.6的条件下，根据谢尔卡乔夫的经验公式)/exp(fbEEDR（10）当井网密度从2口／km2增加到10口／km2，原油采收率从22.07％提高到49.12％，增长率为每口3.38％，当从10口／km2增至20口／km2时，采收率从49.12％提高到54.29％，增长率为每口0.517％；当从20口／km2增到50口/km2时，测算的采收率只能由54.29％提高到57.65％，增长率为每口0.112％。很显然井网密度大于20口／km2是不可取的，不仅提高采收率的幅度小，而且开发投资与采油成本也会急剧升高，若井距按九点法井网换算为井网密度，从图2、图3[3]可看出，井距小于300m左右，其单位产能投资或采油成本就会大幅度上升。一般的说井网密度在10～20口/km2或井距在315～225m为宜。当然，若油价较高，井网密度也可在20口/k㎡以上。⑵地质综合系数(ooosB＝)地质综合系数反映出地下单位重量储量所占储集层的体积，它与地下有效孔隙的多少及储层中流体性质有关。当有效孔隙愈多，含油饱和度愈大，油品性质愈好，其采收率就会愈高。储层结构与储层内原油性质在短期不会有显著变化，但周期注水,改变液流方向;注采井网调整使某些低产井和高含水井转注;水平井与老井侧钻等都会波及地下排油差的地带即“死油区”。这些地带初期含油饱和度较高，随着措施的实施，该地带的平均含油饱和度不断下降，采收率也就不断提高。⑶原油流动系数（ooohk）提高有效渗透率，增加有效出油厚度和降低地下原油粘度，可提高原油采收图1最终采收率与井网密度关系曲线010203040506070020406080100120井网密度（口/平方公里）最终采收率（％）率。水力压裂、高能气体压裂、酸化及化学法、物理法解堵都可使有效渗透率提高。补孔、重射、物理法、化学法解堵、细分层减少层间干扰等都可使有效渗透率和动用厚度提高。调剖降低高渗透层渗透率，增加了低渗透层的流量也能达到同样目的。注热水、热驱、化学降粘、微生物分解，可促使地下粘度降低等。这些就是我们通常采取一些工艺措施。原油流动系数变化是综合措施的结果，是单井措施叠加效果。⑷生产压差(△p)不同的时间可能会存在不同的地层压力，但压力与时间不一定存在一一对应关系，也就是说压力不一定随时间而变，尤其供给压力PR或Pe与驱动类型有关，当活跃的边底水驱动或称之刚性水压驱动时，Pe不会随时间而变。因此不同的驱动类型(含人工水驱与气驱)决定于相应的供给压力。油井流动压力可能会随开采时间而变化。对于油田或油藏来说，压差应是一个油田或油藏在全部开发生命周期的平均值。对于人工水驱或气驱，可通过改变注入点及注水结构，或实行周期注水，一方面可调整平面压力分布状态，另一方面亦可提高波及体积。对于天然能量开发的油田或油藏亦可通过调整出油点及强度达到上述目的。放大生产压差的措施很多，大到大泵排液、电潜泵、水力泵排液、小泵深抽等，小到放套管气、调整工作制度等。⑸综合含水率(wf)按照(9)式，当wf=0时，oE应为最大，也就是说无水采油期的采收率应是最大，这显然与开发实践有相悖之处。如果综合含水率是从0至经济极限综合含水率（wjf）的经济开发周期内的平均值，这也存在着问题，即含水率上升愈快，经济开发周期愈短，采收率愈高。这显然也不符合油田开发规律。因此，这里的wf不是瞬时综合含水率的概念，而是累积综合含水率，即ppwLWf，则ppppwLNLWf11(11)从(11)式看出若pL愈小，则(1-wf)愈大且最大值为1。实际上当油田或油藏含水后，pLpN，也就是说(1-wf)1。因此控制油田的综合含水，可使最终采收率提高。若考虑经济极限含水，则需计算出达到经济极限含水时相应的pL与pN。图图4大庆油田某开发区产液指数与含水率关系地层压力＝10.94MPa;饱和压力＝9.48MPa调整注水结构或产液结构、控水稳油措施等都可控制产水量，使综合含水率降低。⑹相对流动系数(rwRrokk)与米采液指数（LJ)众所周知)(rwRroooweLkkksrRenaJ（12）米采液指数主要取决于流度与相对流动系数。rworooLkkJJJ（13）则LooweLJksrRenaJ（14）LJ称为相对采液指数。LJ与含水率有密切关系(图4)[4]。在按(9)计算采收率时，要确定合理的采液指数，而不能采用油田高含水以后的采液指数。⑺油田开发时间(t)油田开发时间指从油田投入开发起至油田废弃(技术废弃或经济废弃)止的整个时间。tnisimiskitnt1241(15)fjZskyksknnnnnnn(16)yksttt(17)无论油田处于何种开发阶段，提高开井数和增加生产时间，都有利于提高采收率。因此，加强油水井的日常管理，管理方式由粗放型向集约化精细管理型转变，提高油井利用率和时率不仅增加某一时段的产油量，而且也有利于提高油田的采收率。通过上述分析，明确了采收率与各参数的关系。目前在编制油田开发方案或调整方案的技术要求中，对采收率的关注不够，仅是利用部分参数对采收率进行预测，我们应该在整个油田开发周期各个开发阶段，对那些影响采收率的诸参数进行精心优化，严格实施相应措施，以获得最大最佳的最终采收率。5、讨论⑴关于公式的使用与适应性（8）、（9）式是在单井平面径向流的前提下推导的。因此，对于油藏、区块、油田要使用该式，除井网密度(f)、累积综合含水（wf）外，其他参数（含时间参数）均应使用单井平均值。这样，相当于模拟一口等效井进行计算。（8）、（9）式不仅适用水驱及注入流体油田，而且适用于各类油田。⑵采收率与经验公式法经验公式法是统计学中的概算法。各油藏工程专家从不同角度对一些参数，结合油田特征进行统计与数学处理，得出对参数有不同侧重的经验公式。由于这种经验公式存在着方法的适用性、资料的可靠性以及专家的经验，因此在使用这些经验公式预测采收率时，要进行类比和加以合理的调整。这些经验公式的特征可对(5)式全微分后再积分的数学处理后体现出来。在推导(8)式时，曾作了一个假设，即取得各参数在油田开发全过程中预测的平均数，视A为常数。实际上各参数随时间而变化，是时间(t)的函数，设各参数的时间函数如下表示。井网密度)(tf、地质综合系数)(t、流动系数ooohk，)(t、生产压差)(tp、综合含水率)(tfw、相对流动系数)(tR。因eR变化在对数内，且s一般取油田的平均值，则视srRenwe1＝常数，则（5）式可表示为dtsrRentttftptttfaNdNweRwop)())(1)()()()(（（18）将（18）式以全微分表示，并被oN相除，得7654321)()()()()()(AtAtfAtpAtAtAtfAaERwR（19）各油藏工程专家的经验公式可视为(19)式的特例。换句话况，各经验公式尽管由数理统计而来，但它们是有数学理论依据的，而A1至A7代表着不同的地质、油藏工程、采油工程、油田管理与经济的意义。⑶采收率与物理现象按照辨证唯物论的观点，任何事物都处于不停的运动变化中。油田开发在整个生命周期即投入开发至油田废弃，是处于不断的运动与变化之中，且它应遵循