油藏立体开发研究进展与现状

1油藏立体开发研究进展与现状摘要：油藏立体开发在辽河油田和胜利油田虽然已经有所应用，但是油藏立体开发的油藏类型、目的、内涵等都有很大不同。文章对各自的应用重点、研究程度等进行了介绍。同时介绍了国外在立体开发重要基础——重力驱开发方面的研究成果。最后介绍了油藏立体开发前景、将来可能的主要应用领域——变质岩基岩潜山油藏在全球的分布情况，以及未来主要研究方向。关键词：油藏立体开发重力驱变质岩潜山关键技术1油藏立体开发在中国方兴未艾立体开发，在城市规划等领域虽然早有提出和应用，但是在油气田开发中却少有研究。辽河油田第一次明确提出油气田立体开发的概念、内涵，并应用于兴隆台变质岩潜山油藏和巨厚层稠油油藏开发实践[1]。油藏立体开发通过设计有针对性的井网，合理选取开发方式和井型，利用重力势能，最大程度地提高油气采收率，经济、高效实现油气开采的新型开发模式。既适用于巨厚或者大倾角砂岩油藏，更适用于高角度裂缝发育的碳酸盐岩油藏、火山岩油藏和变质岩油藏。立体开发的渗流机理中既考虑水平方向上的注采压力差、粘滞力等水平作用力对流体渗流的影响，同时考虑重力、毛细管力等垂直作用力对流体渗流的影响。在中国，油藏立体开发作为关键词最早是在2007年提出的，但是其概念、内涵和所应用的油藏类型在2013年之前一直比较模糊，甚至存在较大差异。以立体开发应用的油藏类型，就有两种主要类型：一种是以王端平、关富佳、张金岗[2-4]研究、应用的复杂断块油藏。针对复杂断块油藏断裂系统复杂、断块小、油层多、非均质性强、油水关系复杂，造成开发单元分散，难以形成开发井网，布井难度大的特点，王端平提出通过层系、井网、钻采工艺的立体优化,对平面上大小不等的块和纵向上渗透率差异大的层,实现统筹兼顾,一次调整到位,从而达到经济有效开发的目的。同时总结了层系、井网、钻井、采油4方面优化方向的转变：层系的立体优化由原来的分段划分向相似划分转变,由逐步细分向一次细分到位转变井网的立体优化由断块内完善向跨断块完善转变；井网由仅考虑构造因素向考虑多因素各向异性影响转变,由多期井网向一期井网转变；钻采工艺的立体优化由原来的水平井单一井型为主,转变为多靶点定向井、跨块水平井、绕锥弧形井等复杂结构井，在采油工艺方面由原先的分层注水转为分采分注及同井采注,由原先的作业换层转为智能换层。根据这些认识，在永安镇油田永3试验区进行了实践也取得水驱控制程度从63%提到90.9%,采收率提高9.6%的好效果。关富佳、张金岗则提出利用水平井控制优势油砂体，使用定向井和直井完善注采关系，认为立体井网是一种适应复杂小断块油藏的定向井和水平井联合的井网。因此，复杂断块油藏的“立体开发”本质上是一种“联合优化、整体开发”。是一种超出于单个油藏之上，借助复杂结构井，通过多专业联合，将多个油藏作为一个整体设计井网系统，进行的整体开发。关富佳文中提出的“立体井网，是以断块平面几何形态、断块规模、油砂体空间分布特征为基础，同时考虑储层非均质性、渗透率方向性的一种适应复杂小断块油藏的水平井、定向井联合一次布井方式”、王端平文中总结的“I类和III类油层通过立体优化组合,针对剩余油不同组合方式,采用不同类型的复杂结构井设计,设计了平面绕水舌、纵向绕锥水平井、跨断块水平井和跨断块多靶点定向井的井型组合模式”都反映了这一认识。应用的另一种油藏类型是块状油藏。一些尚停留在概念设计和比较阶段，如范乐宾等人应用数模工具对两口异面水平注采井跟端异向情况等进行了开发指标对比。而以辽河油田任芳祥为代表的块状油藏立体开发则在取得初步理论认识的基础上，进行了开发实践[1]。为有效开发潜山稀油油藏、隔夹层发育的中深层块状稠油油藏及特深层块状稠油油藏，2辽河油田任芳祥等建立了多段多层水平井叠置（见图1）、直井注汽平面驱替加水平井垂向重力泄油、上水平井注汽下水平井泄水加直井采油三种立体开发模型，采用现场测试、物理模拟、数值模拟等技术研究了3种立体开发方式的机理。认为潜山稀油油藏立体开发机理是分段均压作用、垂向重力作用及立体联供作用，隔夹层发育的中深层块状稠油油藏立体开发机理是重力泄油和蒸汽驱作用，特深层块状稠油油藏立体开发机理是重力泄水与蒸汽驱作用。他们在兴古潜山稀油油藏、杜84块兴Ⅵ组中深层块状超稠油油藏、洼59块特深层块状稠油油藏进行了现场试验。图12300米含油幅度的裂缝型潜山油藏4段7层水平井立体开发（剖面）示意图与“联合优化、整体开发”的复杂断块油藏立体开发不同，辽河油田指出，油藏立体开发是以流体三维运移和驱动规律为基础，既考虑水平作用力对流体渗流的影响，又考虑垂直作用力对流体渗流的影响而建立起来的一种开发模式。此种开发模式不局限于一套层系、一套井网，而是将垂直井网与水平井网相结合，采用立体井网对油藏进行开发。因此，这种油藏立体开发是作为一种新开发方式，而不是部署或者油藏管理原则，以传统径向流模型（线性、球形）为基础，在油层纵向上增加垂向驱动（重力排泄）的渗流模型。2重力驱成为立体开发基础研究的重要方面在国外，检索截止2012年底，油气藏（田）立体开发尚未形成概念。偶有多油藏整体规划、整体开发的研讨，与复杂断块油藏立体开发相近[6]。重力驱是蒸汽辅助重力泄油、多介质辅助重力泄油的主要采油机理，也是潜山稀油油藏、块状稠油油藏顶部注气开发研究的重要因素之一，国外早在上世纪九十年代就有这方面的许多研究，包括：注CO2气实现高渗透倾斜油藏稳定重力驱[7]、深层(埋深达5～7km)巨厚（油层厚度2km）强非均质性的碳酸盐岩凝析油气田（滨里海凹陷盐下层PD油气田）推荐注CO2开发的研究[8]、注气开发中开采方案-生产制度-生产装置等的优化[9]、水驱或者水气交替注入之后近混相气驱中三相流动-共存水-毛细管力-润湿性等对重力驱的影响[10-14]、考虑重力作用下气顶驱或底水驱锥进参数的预测[15]、气驱中受重力-粘度-非均质性影响而导致油的窜流[16]、注烃气驱油效率的计算[17]以及对于注气和循环注气过程中在裂缝介质中存在3的扩散现象的研究[18]等。除了以上研究，其他一些研究人员围绕重力作用开展研究，客观上奠定了油藏立体开发的一些基础。这些研究有：通过成像测井、生产测井、开采史的综合分析认识裂缝特征，研制简单的机械模型研究重力、毛细管力、扩散、裂缝参数、基岩渗透率的不确定性等对混相注气和一次采油的影响[19]；通过实验、统计和数值模拟，用X射线和CT手段观察裂缝岩心的重力驱，考虑裂缝表面的粗糙度和摩擦力因子，描述流体流过裂缝表面的特征[20]；根据室内试验，推导估测底水向水平井脊进时油水界面移动的方程式，其中考虑了在密闭赫尔-肖氏模型中研究重力影响下油-水界面的移动，并建立用来描述此过程的新的理论，并且对于Dupuit解建立一种包括储层高度/宽度比影响的关系式，可以用来计算垂直方向的流动阻力[21]。当然，也有通过解析解和数值解描述重力吸吮作用及重力排驱过程的研究[22]。3任重道远，立体开发渗流机理、油藏适用性、油藏工程设计等尚待研究初步分析表明，油层纵向连续、厚度大，内部没有较大面积连续分布夹层的砂岩和特殊岩性油藏都适用于立体开发。已经取得较好效果的变质岩基岩潜山油藏在全球有广泛分布。现今发现的含烃基岩潜山，除了前苏联，在欧洲、亚洲、非洲、南北美洲和澳洲各种类型的沉积盆地中都有存在[23]。在欧洲，潘农盆地发现有大量不同年代的基岩油田，科尔巴仟盆地逆掩断层之下的前寒武纪之结晶基底中发现了隆布纳油田，维也纳盆地中生代碳酸盐基底中也发现了油气藏(马岑、阿吉尔卡拉、什基尔罕-基弗、什基尔罕-乌别尔基弗等油田)。在奥林匹斯—科尔巴仟高地，有北施特兰盆地的克莱尔油田，存在于裂缝片麻岩和古泥盆纪-红色石炭纪灰岩基底岩石中。在亚洲，中国发现了一系列基岩油气田，主要分布在两个盆地内——祁连山山前的鸭儿峡及渤海湾的兴隆台。其中，兴隆台变质岩潜山油田是具有里程碑意义的潜山内幕油藏，含油幅度高达2335m，2011年底探明上亿吨石油地质储量。在印度，1989年在孟买盆地发现了坎贝油田和锡兰油田两个含油气基岩油田，油气总量合计达2900万吨。早期，在阿萨姆-阿拉堪盆地，也发现有规模较小的博尔勒拉基岩油田。在印度尼西亚的苏马特里盆地，基岩油藏主要分布在诺尔-伊斯特-比卢克油田。在非洲，利比亚的希里特盆地发育有世界上最大的基岩油田：阿乌日拉—纳弗拉油田。该油田与花岗岩丘陵潜山阿玛尔相接，它们之间（更准确地说靠近阿乌日拉）还应该存在着一个完整的大油田。非洲的摩洛哥，具有工业价值的基岩油田主要存在于里夫盆地，是一些小油田，如西奇—费里、伯列德—艾德—杜姆，乌艾德—梅拉等。其中一些油田具备双层结构特点：下部是古生代潜山残丘（石英岩、花岗岩风化壳），占大约40%的油气储量；上部是侏罗纪石灰岩。埃及的伊士湾盆地前寒武纪裂缝潜山油藏也采出过少量原油。在美国，基岩油藏也有分布。包括中西部盆地十余个小油气田、安玛里奥潜山的休格通—潘汉德尔油田，以及宾夕法尼亚二叠系花岗砾岩潜山油藏。加利福尼亚州也有3个较著名的基岩油田：珊-哈尔金，劳斯-安杰列斯和桑塔—马利亚油田。在南美洲，委内瑞拉基岩油田有拉帕斯油田和马拉开波盆地的马拉油田，巴西有希尔日比-阿拉高斯盆地的卡尔莫巴利斯、西里金尼亚、利阿金艾木油田，秘鲁有拉波利亚-巴利亚斯油田，但是规模较小。澳大利亚在博乌恩苏拉特盆地罗姆高地附近发现了含油气古生代基岩潜山，在普林可达乌恩斯油气田基岩气藏。基岩潜山由于普遍分布有裂缝，且常以中高角度裂缝为主，成为油藏立体开发潜在对象，油层巨厚的碳酸盐岩油藏、砂岩油藏也同样适合于立体开发，因此油藏立体开发前景广4阔。但是，油藏立体开发的一些关键技术还处于空白。第一，立体开发渗流机理，亦即与重力势能密切相关的三维渗流场的数学描述尚待建立。包括：1）立体开发的压力和饱和度场。建立正确的渗流场是建立数学模型和计算方法前提，是所有研究的基础。因此需要表征渗流场形态，探究在平面直线流、平面径向流的基础上叠加重力势能建立立体渗流场的可行性。2）三维立体渗流计算方法的研究，提出复杂井网采收率的快速评价方法。一是要建立三维的达西公式。常规的开发方式都是在二维的基础上建立的，要立体开发就必须建立起三维的达西公式。二是建立考虑重力作用的水平井单井计算模型。第二，立体开发油藏适应性，亦即筛选、确定能够显著体现重力效应、适应立体开发的油藏地质条件。第三，立体开发油藏工程设计，形成立体开发模式。包括：1）准确划分开发阶段与开发技术指标的界定，完善试井分析理论。2）合理开发方式的选择，立体开发不可能至始至终完全依靠天然能量来开采。3）立体开发动态分析方法。