低滲透油藏CO2驅氣竄通道識別方法

張世明

（中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015）

CO2驅是一種能夠大幅提高原油采收率的三次采油方法，是中國低、特低滲透等致密油藏最具潛力的一種開發方式［1-3］。氣竄是CO2驅開發過程中面臨的最大問題［4-5］。目前，國內對氣竄識別和氣竄類型的認識相對統一，對氣竄通道體積計算方法的研究則方興未艾。常用的氣竄識別方法有4 種：PVT參數擬合圖版法、井間示蹤劑檢測法、生產氣油比經驗法和微地震動態監測法［6-8］。依據氣竄位置一般將氣竄類型劃分為垂向竄、側向竄和混向竄［9-10］。氣竄通道體積計算方法主要包括理論計算、數值模擬和生產動態3 種類型。其中，劉義剛等從不同思路提出的理論計算方法各具代表性［11-20］，但在實際應用過程中考察因素較多、計算量偏大。數值模擬方法受人為建模水平的影響較大，在實際研究過程中很少采用。生產動態方法是最簡單、快捷的方法，但現有方法的準確性相對較差。

筆者結合產出氣體中CO2含量動態變化特征，分析氣竄類型及成因，明確見氣時間初始點的確定方法，給出基于產出氣體中CO2含量的氣竄識別方法和氣竄類型劃分依據。在此基礎上，借鑒現有生產動態方法的研究思路，提出一種新的低滲透油藏CO2驅氣竄通道參數動態反演方法。該方法利用物質守恒原理計算注入端和產出端的氣竄通道體積，通過氣竄通道體積交會圖對氣竄通道體積進行校正，從而消除單井產液比例系數或井網形狀因子等不確定因素對氣竄通道體積計算結果的影響，以確保氣竄通道參數動態反演結果的準確性。

1 氣竄識別方法及判別標準

1.1 氣竄類型劃分

對于CO2驅開發油藏，當井組中有油井出現氣竄現象時，產出氣體中CO2的含量就會異常升高。因此，通過監測產出氣中CO2含量的動態變化特征，可以判斷被監測油井是否發生氣竄。

通過對大量實際井組CO2含量監測結果的分析和統計發現，產出氣體中CO2含量的動態變化曲線通常表現出2種特征：一種表現為短時間劇烈波動，一種表現為長時間內緩慢抬升。因此，根據產出氣體中CO2含量的高低，將CO2驅油井的氣竄類型劃分為2類：明顯氣竄（Ⅰ類氣竄）和微弱氣竄（Ⅱ類氣竄）。結合實際監測動態數據和現場經驗總結，以產出氣體中CO2的含量分別達到6%和0.5%，作為劃分明顯氣竄和微弱氣竄的判斷標準。

明顯氣竄通常由裂縫或連續網絡通道引起，因此，產出氣中CO2含量高，易于發覺和判別。微弱氣竄產出氣中初始CO2含量較低，通常不易發覺和判別，但在很長一段時間內，CO2含量都呈現出明顯上升的趨勢。這表明地層中雖然沒有裂縫或連續網絡通道，但開發井組間由于生產壓差的作用，導致注采井間產生了貫通效應。因此，對于微弱氣竄，雖然產出氣中的CO2含量不高，但是不能忽略。

1.2 見氣時間判斷

氣竄時間是指見氣時間點至氣竄結束時的整個時間段，是CO2驅氣竄通道幾何參數反演的一個關鍵因素，它將直接影響氣竄體積計算結果的準確性。根據大量實際井組產出氣體中CO2含量的動態監測結果分析發現，見氣時間點不能簡單地認為是CO2含量第一次達到6%或0.5%時所對應的時間點。由于氣竄速度快、產出氣體中CO2含量波動大等因素，需要選取一個合理的見氣時間點，作為判斷穩定氣竄特征及氣竄類型的依據。結合產出氣體中CO2含量動態曲線的變化特征，將見氣時間點的判斷方法分為2種：對于單調變化型曲線，見氣時間點選取為CO2含量第一次達到6%或0.5%時所對應的時間點，氣竄結束時間點選取為CO2含量的平均值所對應的時間點；對于非單調變化型曲線，見氣時間點選取為CO2含量第一次達到6%或0.5%時所對應的時間點，氣竄結束時間點選取為CO2含量的半坡值所對應的時間點。

1.3 氣竄識別判斷標準

依據氣竄類型劃分標準和見氣時間判斷方法，提出氣竄識別判斷標準（表1）。

表1 氣竄識別判斷標準Table1 Gas channeling identification and evaluation criteria

2 氣竄通道參數反演方法

根據物質守恒原理，利用開發過程中的實際生產動態數據，即可反演出氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積等氣竄通道幾何參數，其中氣竄通道體積是研究氣竄程度的重要參數，也是確定氣竄通道橫截面積的依據。

2.1 氣竄通道體積

利用生產動態數據反演氣竄通道體積時，存在2 個方面的物質守恒：一是氣竄通道體積與注入體積相當，二是氣竄通道體積與產出體積相當。氣竄通道體積物質守恒原理如圖1所示。

圖1 氣竄通道體積物質守恒原理示意Fig.1 Schematic diagram of mass conservation of gas channeling volume

注入端計算方法 依據注入端內注入氣體體積與氣竄通道體積相當的物質守恒原理，氣竄通道體積的表達式可以寫為：

產出端計算方法 依據產出端的物質守恒，氣竄通道體積的表達式為：

當注采井均為直井時，a為0.25；當注采井為一個直井一個水平井時，a為0.5；當注采井均為水平井時，a為0.5（圖2）。

圖2 注采井間流體波及范圍形狀因子示意Fig.2 Shape factor of fluid swept volume between injection wells and production wells

體積校正方法 實際計算過程中，無論是利用注入端物質守恒計算得到的氣竄通道體積，還是利用產出端物質守恒計算得到的氣竄通道體積，都存在一定程度的計算誤差。這是由于C和a是理想狀態下的計算結果，沒有考慮由于儲層平面以及縱向非均質性導致的流體波及形狀和范圍的不規則性。因此，需要對注入端和產出端計算得到的氣竄通道體積進行校正。

從圖3 可見：①落在紅線下的點，V竄inj＞V竄pro，表明單井依據注入端物質守恒計算得到的氣竄通道體積，大于依據產出端物質守恒計算得到的氣竄通道體積。說明該井計算過程中，C取值偏大，或者a取值偏小。②落在紅線以上的點，V竄inj＜V竄pro，表明單井依據注入端物質守恒計算得到的氣竄通道體積，小于依據產出端物質守恒計算得到的氣竄通道體積。說明該井計算過程中，C取值偏小，或者a取值偏大。由此可見，需要對V竄inj和V竄pro進行校正，消除C或者a對氣竄通道體積計算結果的影響。

圖3 氣竄通道體積校正方法示意Fig.3 Schematic diagram of correction method of gas channeling volume

以圖3 中任意實際點N為例，說明氣竄通道體積的校正思路及計算方法，具體為：①以（0，0）點為起點，做一個以（0，0）點和N點為斜邊的直角三角形，則V竄inj和V竄pro分別為該直角三角形的兩條直角邊對應的數值。②根據勾股定理，得到該直角三角形斜邊的數值。③以該直角三角形斜邊的數值為依據，在紅線上找到斜邊數值相等的點N'。

由于N'點所對應V竄inj和V竄pro在數值上是相等的，消除了C或者a對氣竄通道體積計算結果的影響。因此，將N'點作為N點的校正點，N'點所在直角三角形的2 條直角邊所對應的數值，即為校正后的氣竄通道體積。氣竄通道體積的最終表達式為：

2.2 氣竄通道橫截面積

在氣竄通道幾何參數中，常用的氣竄通道橫截面積參數包括氣竄通道孔隙橫截面積和氣竄通道巖石橫截面積。

氣竄通道孔隙橫截面積 根據氣竄通道體積，得到氣竄通道孔隙橫截面積的表達式為：

氣竄通道巖石橫截面積 根據氣竄通道體積，得到氣竄通道巖石橫截面積的表達式為：

3 應用實例

3.1 單井氣竄特征判斷

依據氣竄識別判斷標準，根據產出氣中CO2含量變化特征（圖4），某油田1口實際氣竄單井M井截至目前共發生2 次氣竄：1 次微弱氣竄和1 次明顯氣竄。具體氣竄特征判斷依據見表2。

依據氣竄識別判斷標準給出的見氣時間點確定方法，找出見氣時間點對應的日期，具體確定方法及確定結果詳見表3。

3.2 氣竄通道幾何參數計算

利用（1）—（6）式，依次求解出氣竄通道幾何參數。從表4 可以看出：M 井微弱氣竄階段雖然產出CO2含量較低，但是由于產出時間長，氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積的反演結果均顯著高于明顯氣竄的反演結果，前者約為后者的兩倍。

圖4 M井產出氣體中CO2含量變化曲線Fig.4 Variation curve of CO2content in produced gas in Well M

表2 M井氣竄特征判斷結果Table2 Evaluation results of gas channeling characteristics in Well M

表3 M井各氣竄階段見氣時間Table3 Gas breakthrough time at each gas channeling stage in Well M

表4 M井氣竄通道幾何參數計算結果Table4 Inversion results of gas channeling geometric parameters in Well M

由此可見，雖然微弱氣竄的氣竄特征不明顯，但是由于已經存在了井間貫通效應，且生產時間較長，導致最終產生的氣竄量很大，因此微弱氣竄階段不能忽略。鑒于在微弱氣竄階段的產出氣體中，CO2的含量在很長時間內都處于相對較低的狀態，不易察覺已經發生了氣竄。所以，借助筆者所建立的氣竄識別判別標準來進行氣竄識別，一方面實現了對氣竄類型和氣竄程度的定性評價，另一方面實現了對氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積的定量計算。

4 結論

根據產出氣體中CO2含量的高低，將CO2驅發生氣竄油井的氣竄類型劃分為明顯氣竄（Ⅰ類氣竄）和微弱氣竄（Ⅱ類氣竄）兩類。以產出氣體中CO2的含量分別達到6%和0.5%，作為劃分明顯氣竄和微弱氣竄的判斷標準。

明確了見氣時間的定義，給出了見氣時間點的判斷方法。對于單調變化型曲線，見氣時間點為氣竄期間內CO2含量的平均值所對應的時間點；對于非單調變化型曲線，見氣時間點為氣竄期間內CO2含量的半坡值所對應的時間點。

利用物質守恒原理得到注入端和采出端的氣竄通道體積，借助氣竄通道體積交會圖，消除單井產液比例系數或井網形狀因子對氣竄通道體積計算結果的影響，實現對氣竄通道體積的校正，得到合理的氣竄通道體積表達式。

通過對實際氣竄單井M 井的分析和計算表明，該方法具有較強的操作性和實用性，為后期合理設計封堵措施和堵劑用量提供理論依據。

符號解釋

V竄inj——根據注入端計算得到的氣竄通道體積，m3；V竄pro——依據產出端計算得到的氣竄通道體積，m3；L——氣竄井與注氣井之間的井距，m；Vg注——從開始注氣至氣竄見氣時間點前注入的CO2體積，m3；Vw注——從開始注氣至氣竄見氣時間點前注入的起泡液體積，m3；C——單井產液比例系數，為從開始注氣至氣竄見氣時間點前單井平均產液速度qi占注氣井組總產液速度的比例，f；Qg累注——從開始注氣至氣竄見氣時間點前的CO2累積注入量，t；ρg——注入的CO2氣體地下密度，g/cm3；Qw累注——從開始注氣至氣竄見氣時間點前的起泡液累積注入量，t；ρw——注入的起泡液或產出水的地下密度，g/cm3；Vo產——從開始注氣至氣竄見氣時間點前產出的原油體積，m3；Vw產——從開始注氣至氣竄見氣時間點前的產出水體積，m3；a——井間平面波及形狀因子，為油水井間波及面積與平面徑向流波及面積的比值，f；Qo累產——從開始注氣至氣竄見氣時間點前產出的原油累積產量，t；Qw累產——從開始注氣至氣竄見氣時間點前的累積產水量，t；ρo——地層原油密度，g/cm3；V竄——氣竄通道體積，m3；A孔隙——氣竄通道孔隙橫截面積，m2；A巖石——氣竄通道巖石橫截面積，m2；?——儲層平均孔隙度，f；Swc——束縛水飽和度，f；Sor——殘余油飽和度，f；Sgc——殘余氣飽和度，f。