油田水驱开发指标计算

第一章 油田开发设计基础 第一节 油田开发设计概论 油田开发就是对于具有工业开采价值的油田，依据详探成果和必要的生产性开发试验， 在综合研究的基础上，按照国民经济发展对原油生产的要求，从油田的实际情况和生产规律 出发，制订出合理的开发并对油田进行建设和投产，使油田按预定的生产能力和经济效 果长期生产，直至开发结束的全过程。 一个油田的正规开发一般要经历三个阶段：①开发前的准备阶段，包括详探和开发试验 等；②开发设计和投产，其中包括油层研究和评价，全面布置开发井，制订和实施完井方案、 注采方案；③开发方案的调整和完善。 油田开发方案的制订和实施是油田开发的中心环节，必须切实地、完整地对各种可行的方 案进行详细评价和全面对比，然后确定出符合实际情况，技术上先进、经济效益优越的方案 来。对于开发初期的油田，开发方案的设计主要基于有限的生产动态资料、岩心资料和 地层测试资料，因此，开发方案中可能存在一些不完善性因素；复杂的油田地质条件将不可 避免地在油田投产后出现原来估计不足的问，造成实际生产动态与原方案设计不相吻合， 同时国民经济的发展会对油田生产提出新的要求，所以油田开发过程中对原设计方案不断进 行调整。 一、油田开发准备 油田开发准备阶段的主要目的在于通过油田详探和开辟开发先导试验区全面认识油藏， 落实地质储量，掌握一定的油田生产规律，为编制正式开发方案提供切实可行的依据。这一 阶段包括地质研究、工程技术研究、室内试验研究和生产观察等多方面的综合研究工作。 1．油田详探 详探阶段主要通过地震细测、详探资料井、取芯资料井、测井、试油和试采、分析化验 及室内试验研究等手段来完成认识油藏的任务。地质研究工作主要包括以含油层系为基础的 地质研究、储油层的构造特征研究、油水分布关系、分区分层组的储量计算等；开发工程技 术研究主要包括油井生产能力和动态研究、油层边界的性质研究以及油层天然能量、驱动类 型和压力系统确定、合理工艺技术和油层改造措施等；室内试验研究主要包括含油层系岩石 和流体物性研究等。 其中试油是油田详探阶段不可缺少的重要一环，可判断油田有没有工业价值、储层面积 及生产能力大小。试油工作主要任务是：了解油层及其流体性质；确定该油田的工业价值； 为确定各个不同含油层面积、计算地质储量和确定油井合理工作提供必要的资料。试油 资料包括：油、气、水产量数据；压力数据——油层静压、流动压力、压力恢复数据、井口 的油管和套管压力；油气水的物性资料；温度数据——井下温度及地温梯度。在油井完成后， 把油、气、水从地层中诱到地面上来并经过专门测试取得各种资料的工作，就叫做试油。试 采也是油田开发前必不可少的一个步骤，它可以为开发方案中某些具体技术界限和技术指标 提出可行的确定办法，通常情况下试采是分单元按不同含油层系进行的。试采井的工作制度 已接近合理工作制度为宜，不应过大或过小，试采期限视油田大小有所不同，总的要求是通 过试采暴露出油田在生产过程中的矛盾，以便在开发方案中加以考虑和解决。它的主要任务 是：①认识油井生产能力；②认识油层天然能量的大小及驱动类型和驱动能量的转化；③认 识油层的连通情况和层间干扰情况；④认识生产井的合理工艺技术和油层改造措施。 2．油田开发先导试验 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 详探阶段获得的对油藏地质情况和生产动态的认识，是编制开发方案的必备基础，但为 了掌握正规井网正式开发过程中所采取的重大措施和决策是否正确和完善，需要开展相应的 开发试验，通过生产观察认识整个油田在正式投入开发后可能的生产规律。试验区内以正规 开发井网布井，井网密度较大，对砂体的控制程度大，更有利于通过综合研究充分认识油藏 地质情况，掌握其生产的动态规律。开发试验区的选择对全油田应具有代表性，使通过开发 试验取得的认识和经验具有普遍指导意义。 应该强调指出，先导性试验不可能对一个大油田开发过程中可能遇到的各种问题都一一 进行试验，更不可能进行对比性试验，因此，为了搞清油田开发过程中的各种问题，必须依 靠多种综合性和单项开发试验进行系统分析，为制订开发方案的各项技术方针和政策提供依 据。 二、油田开发方案设计 油田开发方案是根据油田地质、地理等客观条件以及国民经济发展的需要和技术及经济 可行性而编制的一整套开发油田的原则、办法和要求。它是对一个要进行开发的油田制订出 使油田投入长期和正式生产的一个总体部署和设计，是决定原油从油层流到生产井井底并采 出地面的各种条件的综合。虽然石油的开采有着久远的历史，但对石油进行工业性开采从 1860 年到目前只有 140 余年的历史，早期的石油开采技术比较落后，更谈不上有正式的开 发方案，开发的盲目性很大。随着长期油田开发经验的累积和大量的理论研究，人们逐渐认 识到要合理开发油田，必须制订油田开发方案。 1．开发方案内容 油田开发方案主要应包括以下内容：油田地质情况；储量计算；开发原则；开发程序； 开发层系、井网、开采方式和注采系统；钻井工程和完井；采油工艺技术；地面集输系 统；开发指标；经济评价；方案实施要求。 2．开发方针和原则 制订和选择合理的油田开发方案必须有一个正确的开发方针作指导，正确的油田开发方 针是根据国民经济发展对石油工业的要求和总结以往油田开发的经验制订出来的，我国油田 开发的基本方针是必须在一个较长的时期内实现稳产和高产。 根据油田开发的基本方针，对具体油田的实际情况和现有的工艺技术手段和建设能力， 制订出具体的开发原则，这些原则是：①在油田客观条件允许的条件下，满足国民经济对原 油生产的要求；②充分利用油田天然能量资源，保证获得原油采收率；③油田要长期稳产、 高产；④经济效益好。 3．设计步骤 1)研究油层的地质情况，确定油层物性和地质参数，并掌握它们的变化规律。通过地质 研究搞清楚以下问题： ⑴油层的构造形态；构造圈闭条件；断层及其密封情况等； ⑵油层的岩性-地层剖面图，含油气水层在剖面上的位置及埋藏条件； ⑶岩石的储集性能，油层厚度，岩性变化规律及含油饱和度； ⑷油层原始压力及天然驱动类型； ⑸油井产能评价； ⑹油气水在地面和地层条件下的物理、化学性质； ⑺产层的水文地质和地热条件； 2)制订油田开发的初步规划 以地质研究为基础，制订出具体的开发技术界限，组合出多种可行的计算方案，主要 考虑： ⑴对多油层油田需要是否划分开发层系，是否需要分层开采； PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn ⑵确定是否需要注水，在此基础上考虑各种注水方式和注水井网，并进行水动力学计 算，从而提出一批计算方案。 ⑶确定相应油藏地质方案的采油工艺技术、地面工程设计方案及其技术指标，确定出 每个方案的地质-工程技术综合指标。 3)分析计算各种方案的经济指标并进行区域配产。 4)综合对比分析各种方案的地质-工程技术-经济指标，从中选择出一个合理方案作为油 田的正式方案。 三、油田开发程序 油田的开发实践表明，没有任何一个油田的开发部署是一次完成的。充分认识油田是合 理开发油田的前提，认识程度取决于钻井的数量、井点分布、测试周期等，但从合理开发油 田的角度来看，显然钻井越少，开发方案越具合理性。因此，油田开发程序就是把油田勘探 和开发紧密结合起来，根据油田的具体情况，把油田从勘探到开发划分为若干阶段，合理安 排钻井程序，尽可能用较少的井，取得对油田的基本认识，正确处理好认识油田与开发油田 之间的矛盾。 1．大型油气田合理开发程序 根据油田开发准备阶段所要做的工作结合大庆油田的开发经验，提出了一套适应多油层 大油田的合理开发程序，把油田从初探到全面开发划分为开辟生产试验区、加密钻探、布置 基础井网和先钻井后定注采井别等四个步骤，把油田的逐步投入开发和对油层地质特征的了 解紧密结合起来，以较少的井取得较好的开发效果。 1)开辟生产试验区，认识油田的基本特点 开辟生产试验区，就是用“解剖麻雀”的方法，在油田上选择一块具有代表性的地区， 进行开发试验，取得经验，指导全油田的开发。具体来说，利用生产试验区的密井网，可以 详细解剖油层情况，按油砂体认识油层。确定各类油砂体的大小、延伸方向，储油物性变化 等基本情况，并结合全油田面积上的探井、资料井所了解的油层变化规律，就基本上可以掌 握全油田油层的油砂体特征。利用生产试验区的密井网还可以详细解剖断层的分布规律，检 验地震勘探确定的断层存在的状况。这些都为正确地确定油田切割注水线的方向、切割区的 大小、开发层系的划分与组合、各类油层井网密度的适应范围和注采系统，以及全油田的详 探部署提供了可靠的地质依据。 2)加密钻探，重点掌握主力油层的地质规律 为了给油田全面投入开发作好准备，还必须以生产试验区所得到的对油田基本特点的认 识为指导，进一步掌握生产试验区以外新开发区的地质规律，以便更全面、更符合客观实际 地认识油田。因此，除了开辟生产试验区外，还必须有目的地加密钻探，分区钻探开发资料 井。 开发资料井的部署应主要针对那些组成比较单一、分布比较稳定的主力油层组。通过加 密钻探，首先把这些主力油层组基本探明。同时考虑到油层性质区域性变化的特点和邻区对 比的原则，开发资料井的钻探部署，应以试验区为中心，由近而远，逐步扩大。 通过分区开发资料井的钻探，将取得的成果与通过试验区对油层的典型解剖的结果结合 起来，由特殊到一般，又由一般到特殊的综合研究，就可以掌握新区内稳定分布的主力油层 的变化趋势，核实油层参数，计算油田储量，为新区投入开发作准备。 3)部署基础井网、开发主力油层，认识其它油层 通过生产试验区的解剖和分区开发资料井的加密钻探，还不能比较清楚地掌握那些分 布比较零散，形状很不规则，油层性质变化较大的油层，只有用更密的井网才能基本认识它 们。同时，一个油田一般也不可能等到所有的油层都认识清楚了再投入开发。认识和开发油 田要逐步进行。在开发多油层时，必须合理地划分组合开发层系，针对不同开发层系的油层 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 特点，在开辟试验区和加密钻探的基础上，选择一组具备独立开发条件的渗透率高、分布稳 定的油层为对象，首先将它们投入开发，针对这些油层的特点布置一套排拒、井距相对较大 的稀井网，这套井网称为基础井网。基础井网是开发区的第一套井网，它的主要任务是解决 在探井、资料井密度下所未完成的工作，进一步探明构造情况，掌握各类油层的性质及其油 气水的分布规律，了解油井产能。为全面开发取全取准各种参数，作好全面开发的准备工作。 4)先钻井后定注采井别，合理有效地开发稳定油层 基础井网完钻后，一般开发区的井网密度比较大，所以对开发区的认识可具体到油水 运动的基本单元——油砂体，为全面研究其它油层的合理开发问题创造了良好的条件。但是， 实践表明，基础井网对一些分布面积不大，油砂体形状很不规则的差油层的认识还有一定的 局限性。所以，应采取先钻井，暂不确定注采井别，通过油层对比，加深油砂体和落实断层 分布后，再确定注水井和采油的相对位置，组成合理的注采系统，这样就能做到具体情况具 体对待，进一步提高井网对油砂体的适应性，改善开发效果。 2．断块油气田合理开发程序 对于一般隆起圈闭为主的构造油气田，油气藏受构造控制，虽然构造也受一些断层分 割，但断层对全油田的油气水分布及原油物性影响不大，油层含油连片性分布，在油田范围 内一般具有统一的含油层系和油水界面。而断块油气田主要是指油田内断块平均面积小于五 平方千米的油田，若断块平均面积小于一平方千米，称为小断块油田。 1)断块油气田的特点 ⑴油气藏主要受断层控制。 ⑵断层多、断块多。 ⑶断块之间油藏特征差异大：①油层岩石物性、厚度差异大；②流体物性一般存在差异； ③油气藏类型可能不同，驱动能量也有差异。 ⑷油层受断层分割，含油连片性差。 ⑸断块之间，以及同一断块不同层位的油层通常没有统一的油水界面。 2)断块油气田合理开发程序 断块油气田的地质特点表明，仅仅依靠少数探井难以准确搞清地下状况，因此，对于断 块油田来说，勘探和开发不能截然分开，只能采取逐步认识，分步实施，勘探和开发交叉并 举、滚动前进的办法。 ⑴精细地震详查 以较大的测网密度进行地震详查。在条件具备的构造带上及早开展三维地震工作，最大 限度地查明构造、断层，然后进行整体解剖。 ⑵评价性详探 探明主力油气层系，计算基本探明储量，估计全区块的控制储量。详探工作主要包括： 沿构造高点布井，寻找高产井区，控制富集含油面积。重点取芯，中途测试，分组试油，查 明主力油层产能，取芯进尺占探井总进尺的 2％以上。 ⑶详探与开发相结合，开发主力含油层系 编制出主力含油层系的一次开发方案，详探其它区块，实现储量升级，主要工作主要包 括：①对基本探明储量的断块，部署开发基础井网；②在开发井网中选择部分井对主力油层 连续取芯，要求收获率在 90％以上；③密闭取芯，单层试油，确定储量与开发参数；④进 行油层层组划分和小层对比，核实断块油藏储量；根据探明储量和控制储量，进行总体地面 工程设计。 ⑷持续滚动勘探开发 分步编制开发方案，分期实施，并做到方案不断调整和完善，具体步骤为：①先编制布 井方案，对已探明储量的区块确定井网密度，编制一次开发方案，继续详探其它层系；②编 制注水方案，开发井网完钻后，根据小层对比、断块划分和油田地质研究成果，确定注采井 别，提出射孔方案和注水方案；③调整完善方案，根据生产动态分析，部署调整井，完善注 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 采系统。 需要强调指出，小断块油田由于被断层切割，油层变化、油水关系都很复杂，同时每个 断块的面积很小，不可能钻很多井，因此探井和详探井具有工业油流后，就是开发井，开发 井钻进时也具有探井的性质。为了适应地下情况复杂的特点，在部署探井或开发井时，都要 考虑油田开发后期对其的综合利用，使油井的规划具有较大的灵活性。断块油田往往又是多 油层油田，断块形态又极不规则，开发初期确定的开发层系、井网和注水方式很难完全适应 地下油层变化情况，因此在开发过程中，要不断加深对油藏的认识，对油田进行井网、层系 的调整和完善。 第二节 油藏驱动方式及其开采特征 油田在开发以前，整个油藏处于相对平衡状态，储油层中油、气、水的分布与油层的岩 石性质、流体性质有关。在一个油藏内，油、气、水是按密度大小分布的，气体最轻，将占 据圈闭构造顶部的孔隙，称为气顶；原油则聚集在气顶以下或构造翼部，水的密度最大，位 于原油的下部，占据构造的端部，称为边水；当油层平缓时，地层水位于原油的正下方，把 原油承托起来，称为底水；气顶与含油区之间、含油区与边底水之间都存在过渡带，分别称 为油－气过渡带和油－水过渡带，如图 2—1所示。 图 2—1 背斜油气藏中油气水分布示意图 图 2—2 水压驱动油藏开采特征曲线 一、油藏驱油能量 当油井投入生产后，石油就会从油层中流到井底，并在井筒中上升到一定高度，甚至可 以沿井筒上升到地面；原因是处于原始状态下的油藏，其内部具有潜在的能量，这些能量在 开采时成为驱动油层中的流体流动的动力来源。在天然条件下，油藏的驱油能量主要有以下 几种：①边水压头所具有的驱油能量；②原油中的溶解气析出并发生膨胀所产生的驱油能量； ③气顶中压缩气体膨胀所产生的驱油能量；④当压力下降时，油层中的流体和岩石发生膨胀 而产生的驱油能量；⑤原油在油层内由于位差而具有的重力驱油能量，使得石油从高处流向 低处。 当油田天然能量不足时，依靠人工向油层注水、注气来增加油层驱油能量，驱动石油流 动的能量可以是几种能量的综合作用。 二、驱动类型 油田开发过程中主要依靠哪一种能量来驱油，称为油藏的驱动类型(或驱动方式)。由于 油层的地质条件和油气性质上的差异，不同油田之间，甚至同一油田的不同油藏之间，驱动 方式是不相同的。驱动方式不同，开发过程中油田的产量、压力、气油比等有着不同的变化 特征，因此油田开发初期就需要根据地质勘探成果和高压物性资料，以及开发之后所表现出 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 来的开采特点来确定油藏属于何种驱动方式；另一方面，一个油田投入开发之后，其原来的 驱动方式会因开发条件的改变而改变，掌握不同类型的驱动方式及其动态变化规律，对于制 订合理的油田开发方案具有重要意义。 1．水压驱动 水压驱动是依靠边底水、注入水为主要驱油动力的驱动方式。 在水压驱动条件下，边底水、注入水推动石油前进，把石油从油层驱入油井中，边底水 或注入水逐渐替代石油，占据含油部分的孔隙空间。形成水压驱动方式的条件是油层渗透性 好，油藏含油部分距近，而且连通好，油层原始压力高，饱和压力低，边底水或注入水的供 给量与采油量大致保持平衡。这就要求边底水的地面供给充分，或保持适量的注入水量。 水压驱动油藏的开发特点是：油井的产量、压力、气油比基本上保持稳定(如图 2—2所 示)。若采出量超过供水量时，油层产生亏空，油层压力将下降或出现局部低压区，气油比 就会迅速上升，水压驱动方式将转变成其它驱动方式。 2．弹性驱动 弹性驱动方式是依靠液体和油层的弹性能量为主要驱油能量来源的驱动方式。 当油藏形成时，岩层中所含的液体在运移过程中受到压缩，液体压缩性的大小，反映出 液体内部存在反抗压缩的弹性力，具有做功的能力；同样埋藏在地下深处的岩层本身由于受 到上覆巨厚岩层的压力，也具有反抗压缩的弹性力。当油藏投入开发时，油层压力开始下降， 这时处于压缩状态的液体体积发生膨胀，同时岩石体积也发生膨胀，使储油层的孔隙体积缩 小，这样就把油层中的石油排挤到生产井中，当油藏没有天然供水区，而油藏外围的含水区 又很大时，往往表现为弹性水压驱动方式，其生产特点是当采液量保持不变时，油层压力逐 渐下降，气油比不变，如图 2—3所示。 当油藏边缘封闭，含水区很小时，在地层压力高于饱和压力时，主要靠油层岩石和原油 本身的弹性能量将原油挤向井底，表现为纯弹性驱方式。若维持产量稳定，则井底压力和地 层压力将迅速下降，如不及时进行人工注水补充油层能量，当地层压力低于饱和压力时，油 藏将转入溶解气驱开发，油田产量也将会逐渐下降。因此这种驱动类型油藏是一种能量纯消 耗方式的油藏。 3．溶解气驱 如果油藏封闭，又没有外来能量补充。油田开采过程中，开始消耗弹性能量，当油层压 力低于饱和压力后，原来溶解在原油中的天然气将从原油中分离出来，形成气泡，整个油层 将出现油气两相渗流。随着压力的下降，天然气体积发生膨胀，这时油流入井主要是依靠分 离出天然气的弹性膨胀能量，称为溶解气驱方式。在溶解气驱方式下采油，只有使地层压力 不断下降，才能使地层内的原油维持其连续的流动。 图 2—3 弹性水压驱动油藏开采特征曲线 图 2—4 溶解气驱油藏开采特征曲线 溶解气驱方式的生产特点：油层压力不断下降，油层中气体饱和度不断增加，气相渗透 率不断增加，这样产气量也急剧增高，所以气油比上升，产油量不断下降，当气体耗尽时， 气油比又急剧下降，如图 2—4所示。油层中将剩余下大量不含溶解气的原油，这些油的流 动性很差，甚至不能采出，称为死油。这种驱动方式是一种纯消耗式开采方式，采收率较低， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 一般只有 5%~20%。 4．气顶驱动 当油藏中存在有较大的气顶时，开发时主要靠气顶中压缩气体的膨胀能把原油驱向井 底，这种油藏称为气压驱动油藏。 当油藏中存在气顶时，说明在该油层压力下原油所能溶解的天然气已达到饱和程度，不 能再溶解更多的天然气了，所以此时油层压力就等于饱和压力。在油井生产时，井底压力必 然低于饱和压力，而近井地带的压力也必然低于饱和压力，所以溶解气驱的作用是不可避免 的。只有在因采油而形成的压力降传到油气边界后，气顶才开始膨胀，压缩气的能量才能显 示出来，这时油藏才真正处于气压驱动条件下。在随后的生产中，为了保持油井生产，井底 压力还必须低于饱和压力，所以溶解气驱作用依然存在。 气顶中压缩气的能量储存是在油藏形成过程中完成的，没有后期的能量补充。随着开采 过程，气顶的能量不断消耗，整个油层的压力不断下降。 气顶驱动方式的生产特点：生产比较稳定，压力逐渐下降，但下降的速度要比溶解气驱 缓慢得多；气油比上升比溶解气驱缓慢得多，但当气顶气突入生产井后，气油比急剧上升， 如图 2—5所示。 5．重力驱动 当一个油藏接近开发末期，推动油层中的石油流向井底的能量都已耗尽时，油层中的原 油只能依靠本身的重力流向井底，这种驱动称为重力驱动。显然当一个油藏的油层倾角比较 大或油层厚度大时，重力驱动才能发挥作用。在重力驱动下，油井产量很低，油田已失去了 大规模工业开采的价值。根据油层的自然条件，重力驱动可表示为两种：①压头重力驱：在 这种驱动方式下，石油将沿油层倾斜方向向下移动，并在油层较低的部位聚集起来。②具有 自由液面的重力驱：在这种驱动方式下，油井周围附近的液面低于油层顶部，同时气体分离 量很小，油井产量也很低，这种情况通常出现在能量枯竭的油层中。重力驱动油藏的开采特 征如图 2—6所示。 由于各种驱动方式的驱油能量来源不同，因而最终采收率也不同。一般情况下，水压驱 动方式的驱油效率最高，采收率最大，而溶解气驱采收率最低。油藏的驱动方式并不是一成 不变的，在同一时间内，同一油藏的不同部位可以表现为不同的驱动方式，而同一油藏在不 同时间也可以表现为不同的驱动方式。如果开采方式不合理，例如油藏内部大量采油，地层 局部压力迅速下降，而边水能量供给不上，驱动方式由水压驱动转化为溶解气驱。若采取适 当措施，充分利用天然能量或人工注水补充能量，也可以将低效率的驱动方式转化为高效率 的驱动方式。由于水压驱动驱油效率高，开发效果好，所以国内外许多油田都采用人工注水 保持压力的开发方式。 图 2—5 气顶驱油藏开采特征曲线 图 2—6 重力驱动油藏开采特征曲线 第三节 开发层系与注水开发方式 一个油田往往是由几个油藏组成，而组成油田的各个油藏在油层性质、圈闭条件、驱动 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 类型、油水分布、压力系统、埋藏深度等方面都不同，有时差别很大。不同油藏的驱油机理、 开采特点有很大区别，它们对油田开发的部署、开采条件的控制、采油工艺技术和开采方式 的选择、甚至对地面油气集输流程等都有不同的要求。如果我们把高渗透层和低渗透层放在 一起合采，则由于低渗透层的原油流动能力小，生产能力受到限制；若把高压层和低压层合 采，则低压层可能不出油，甚至产生倒灌现象。对于水驱开发油田，高渗透层通常很快水窜， 在合采情况下，使得层间差别越来越大，同时出现油水层相互干扰，严重影响油田的采收率。 因此，在制订开发方案时，需要将油田的各层进行划分和组合，缓解层间差异。 一、开发层系划分 根据国内外油田开发的经验，在开发非均质多油层油田时，由于各油层的特征往往差异 很大，不能把它们放在同一口井中合采，而是把特征相近的油层合理组合在一起，用一套生 产井网单独进行开采。 1．划分开发层系的重要意义 1)合理划分开发层系，有利于充分发挥各类油层的作用，从而缓和层间矛盾改善油田开 发效果。 2)划分开发层系后，可以针对不同层系的特殊要求设计井网和进行地面生产设施规划和 建设。 3)划分开发层系，可以提高采油速度，加速油田生产，缩短开发时间，并提高投资回收 期。 4)划分开发层系，能更好地发挥采油工艺手段的作用，进行分层注水、分层采油和分层 控制的措施。 2．划分开发层系的原则 1)多油层油田，如具有以下地质特征时，原则上不能合并到同一开发层系中： ⑴储油层岩石和物性差异较大； ⑵油气水的物理化学性质不同； ⑶油层压力系统和驱动类型不同； ⑷油层层数太多，含油井段的深度差别过大； 2)每套层系应具有一定的厚度和储量保证每口井都具有一定的生产能力，并达到较好的 经济指标。 3)一个开发层系上下必须具有良好的隔层，在注水开发过程中层系间能严格分开，上下 层系不会串通和干扰。 4)同一开发层系内各油层的构造形态应基本一致，不应把大面积分布和少量分布的油砂 体组合在同一开发层系，否则将有一部分储量不能充分发挥作用。 在开发非均质多油层油田时，划分开发层系后，一套开发层系中仍然包括几个到十几个 油层。虽然划分开发层系是按性质相近原则进行，但在同一开发层系中，层间差异仍是不可 避免的。为进一步改善油田开发效果，对它们实施分层注水和分层采油工艺，缓解层间矛盾。 二、注水方式 在进行油田开发方案设计时，首先要确定油田开发方式。如一个油田采用人工注水进行 开发时，则称为注水开发方式。当确定了开发方式后，进一步确定油田上注水井和生产井的 部署，包括井数、井距、油水井的分布形式等，通常称为注采系统。在确定油田开发方式时， 应当尽可能充分利用油藏本身的天然能量来开发油田。一般来说，对下面的油田可以利用天 然能量进行开发：①油层分布均匀，连通性好，具有广大的含水区，边水活跃；②油层有很 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 大气顶，油层垂向渗透率很高；③油田面积较小，依靠天然能量开发，可以满足国民经济发 展的要求。 从我国现有油田的开发情况来看，绝大多数油田不具备充足的天然能量补给条件，而且 世界油田开发的历史也表明，若只依靠油田本身的能量开发，采油速度低，采收率小，原油 产量不能满足国民经济发展的要求。因此，国内油田开发中广泛采用人工注水保持或补充地 层能量，使油田处于水压驱动方式开发。 1．注水时间 人工注水是保持和控制油田平均压力的主要手段，压力的控制界限与油田能量的合理利 用关系密切。美国学者在六十年代即发现注水时机不是早期，而是相对早期，注水后的油层 平均压力可以保持在饱和压力附近，有利于使原油粘度保持在原始值附近。由于地层中原油 的少量脱气会减少水相的相对渗透率，使得水油比降低，从而减少高渗透层的产水量；显然 地层中强烈脱气是有害的，因为它可使原油粘度上升二到三倍，导致最终采收率下降，因此 选择合适的注水时机对于充分利用天然能量，提高注水开发效果具有重要意义。 2．注水方式 注水方式是指注水井在油藏上所处的部位和注水井与生产井之间的相互排列关系。 注水方式的选择，要根据国内外油田开发的经验和本油田的具体特点来确定，油田的油 层性质和构造条件是确定注水方式的主要依据。目前国内外油田所采用的注水方式主要有边 缘注水、边内切割注水、面积注水和不规则点状注水。 1)边缘注水 凡是把注水井部署在含水区内或油水过渡带上，以及含油边界以内不远的地方的注水方 式统称为边缘注水。若注水井分布在含水区上称为边外注水(图 3—1)；若注水井分布在油水 过渡带上称为缘上注水(图 3—2)；若注水井分布在含油区上称为边内注水(图 3—3)。 边缘注水的适用条件是：油藏构造比较完整，油层分布稳定，边部和内部连通性好，油 层流动系数较高，边水比较活跃的中小油田。特别是边缘地区吸水能力要好，以保证压力有 效传播，使油田内部受到良好的注水效果。 边缘注水的优点是：油水界面比较完整，能够逐步向油藏内部推进，易于控制，无水采 收率和低含水采收率比较高，最终采收率也比较高。缺点是：位于油藏构造顶部的生产井往 往得不到注入水能量的补充，在顶部易形成低压区，使油藏的驱动方式由水驱方式转变为弹 性驱或溶解气驱等消耗开发方式。 2)边内切割注水 边内切割注水是利用注水井排人为地将含油面积切割成许多块，每一区块叫一个切割 区，一个切割区可以作为一个独立的开发单元。 为了把含油面积切开，通常把注水井布置成排状，有时候也可布成环状。两排注水井排 之间一般部署三到五排生产井，如图 3—4 所示。切割距(两注水井排之间的距离)的大小和 生产井排之间的排距，井排上井与井之间的距离，要根据油层的构造特征和储油层物性来确 图 5-3-1 边外注水 图 5-3-2 边上注水 图 5-3-3 边内注水 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 定。 图 3—4 切割注水示意图 图 3—5线性注水井网示意图 采用切割注水时，首先在注水井排拉水线（注入水推进的前缘线），即对切割线上的注 水井进行强烈采油，以便在井底周围地层中造成一个低压带，使注水井易于注水。当注水井 注水后沿注水井排成一个压力较高的水线，此水线由注水井排向生产井排推进，并可阻止石 油由一个切割区流向另一个切割区。水线推进速度的快慢可通过调节注水井的注水量进行控 制。 切割注水的适用条件：油层要大面积分布，并具有一定的延伸长度，在在注水井排上可 以形成比较完整的切割线；保证在一个切割区内部署的生产井与注水井之间都有较好的连通 性；油层具有一定的流动系数，保证在一定的切割区和一定的井排内生产井能见到较好的注 水效果。 切割注水的优点：可根据油田的地质特征来选择切割井排的最佳方向及切割距；可优先 开发储量最丰富，油井产量高的区块，使油田很快具有一定的生产能力。局限性：不能很好 地适应非均质油层；注水井间干扰大；注水井排两边地质条件不同时，容易出现区间不平衡 现象。 3)面积注水 面积注水方式是将注水井和生产井按一定的几何形状和一定的密度均匀地布置在整个 含油面积上。 ⑴ 性注水系统 注水井和生产井都等距地沿着直线分布，一排注水井对应一排生产井，注水井与生产井 既可以正对也可以交错，如图 3—5所示，显然这种注水方式为更强化的切割注水方式。 ⑵强化面积注水系统 根据油水井相互位置和所构成的井网形状不同，强化面积注水系统可分为：四点法、五 点法、七点法、九点法、反九点法，如图 3—6所示。 对于一个有限伸展、均匀和对称布井的任何面积注水系统，都可以以注水井为中心，划 分成有限既相互独立又相互依存的基本单元，在油层物性和流体物性相同的条件下，对于面 积注水井网的开发指标可以通过研究基本单元来确定整个油藏生产过程的动态变化。 图 3—6中标明了不同面积注水系统的基本单元，例如五点井网和九点井网的基本单元 是正方形；四点井网的基本单元是等边三角形；七点井网的基本单元是等边正六边形等。 对于面积注水井网，系统的采油井与注水井数之比 m 和基本单元中涉及的采油井数 n 由下式确定： 3 2 － ＝ 注水井 采油井 N m = (3—1) ( )12 += mn (3—2) PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 图 3—6 强化面积注水井网示意图 式中， -N 基本单元的所有井数。各注水系统的 m、n值见表 3—1。 表 3—1 不同注水系统的m和 n值及井网形式 注水系统 正四点 正五点 正七点 正九点 m 值 0.5 1 2 3 n 值 3 4 6 8 井网形式 三角形 正方形 三角形 正方形 可以看出，五点井网是线性交错注水系统的特殊情况，采油井与注水井井数比为 1：1， 是一种强注强采注水方式；七点井网是将四点井网的注水井和生产井位置互换得到；九点井 网可以看作初期井距较大的五点井网通过加密得到。 ⑶采用面积注水方式的条件 由于面积注水井网的灵活性较大，因此具有较强的适应性，面积注水井网主要适用于： ①油层分布不规则，延伸性差，多呈透镜状分布，用切割注水不能控制多数油层，注入水不 能逐排影响生产井；②油层渗透性差，流动系数低，切割式注水阻力大，采油速度低；③油 田面积大，构造不完整，断层分布复杂；④油田后期的强化开采，以提高采收率；⑤油层适 用于切割注水或其它注水方式，但采油速度不能满足需要。 面积井网的选择目前多以五点井网为主，主要由于这种井网的水驱控制程度较大，中后 期井网调整的灵活性强。 4)井网部署 井网部署包括井网排列形式和井网密度。 ⑴切割注水方式的井网部署主要考虑切割方向、切割距、排数、排距、油水井各自井距。 切割方向的选择主要考虑油层分布形态、断层走向和构造形态，切割方向要垂直于油砂 体的延伸方向，生产井能充分受到注水效果；切割方向垂直于断层走向有利于增加油水井之 间的连通关系，减少断层位移影响；切割方向应垂直于构造长轴，有利于集中基本建设。 切割距的大小主要考虑油砂体的延伸长度和采油速度，切割应保证水驱储量达到 80% 以上，以减少储量损失，并使采油速度达到设计要求；排数和排距的选择主要考虑中间井排 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 的受效条件和切割区内产量递减；生产井和采油井的井距选择应保证有效控制油砂体的面积 和储量，能够达到一定的采油速度和稳产年限。 ⑵面积注水方式的井网部署主要考虑井网方式和平均井距。 井网方式的选择应最大限度地适应油砂体的形态，并能最大限度地控制水驱储量，油水 井的比例关系适当，使生产井充分受到注水效果。 井距或井网密度的确定：由试油试采资料确定相应开发层系的平均单井产油量，然后根 据本层系的地质储量和设定的采油速度计算出生产井的数目，对于选用的注水方式的注采井 数比例确定相应注水井数，最后计算出平均井距。 第四节 水驱开发指标概算 无论是具有一定开发历史的油田实际开采过程，还是新油田的模拟开采过程，油藏内部 的很多因素会发生变化，例如油藏内部的油气储量；油、气、水分布；油层压力变化等等， 这些变化除了取决于油藏本身的客观状况外，还与人工注水补充能量有关。无论如何，油藏 动态的变化将体现为油井生产能力的变化，并最终反映在油田的累积采油量上；实际开采过 程或模拟开采过程不同，油藏动态变化不同，最终累积采油量不同。在油田开发过程中，通 常采用开发指标来评价油藏动态变化的程度，开发指标的变化对于分析油田开发的潜力、评 价和筛选开发方案具有重要作用。 一、开发指标 在油田开发过程中，能够表征油田开发状况的数据，统称为开发指标。所有指标中，产 量是核心指标。 1．日产水平 油田实际日产量的大小。 2．油田生产能力 油田内所有油井(除去报废井和暂闭井)能够生产油量的总和。生产能力和生产水平的差 别在于生产能力表明一个油田最大可能的采油量，但由于生产事故、停工、操作不当、计划 不周、设计不合理、供应不足等原因，而实际上没有发挥最大生产能力。 3．采油指数 单位生产压差下的日产油量， /t d MPa× 。它表示油井的生产能力。 当油层中为油单相流动时： = - 日产油量 采油指数 静压 流压 (4—1) 当油井含水时，则为采液指数： 流压静压 日产液量 采液指数 - = (4—2) 当油层压力低于饱和压力时，油层内呈现多相流动，采油指数为： ( )n = - 日产油量 采油指数 静压 流压 (4—3) 式中，n——渗滤特性指数或采油指示曲线指数。 4．采油速度 年采油量占地质储量的百分比，它是衡量油田开采速度快慢的指标。 5．采出程度 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 油田累积产油量占地质储量的百分比。油田停止开采时的采出程度就是油田的最终采收 率。 6．注采比 注入水在地下的体积与采出的油气水的地下体积之比称为注采比。 ( ) ( ) ( ) ( )3 33 mt mm 产水量 原油相对密度 原油体积系数 采油量 注水井溢流量注水量 注采比 + - = (4—4) 7．采油压差 采油压差又称生产压差或工作压差。油井关井时，油层压力处于平衡状态，当油井开井 生产后，井底压力下降，油层与井底之间形成压力差。 流压目前地层压力采油压差 -= (4—5) 8．注水压差 注水井注水时井底压力与地层压力之差称为注水压差。 地层压力静水柱压力井口压力注水压差 -+= )( (4—6) 如果注水井采用油管注水时，井口压力为油管压力；采用套管注水时，井口压力为套管 压力。 9．注水强度 单位有效油层厚度的日注水量称为注水强度，单位为m3/(d·m)。 10．含水率 油井日产水量与日产液量之比称为含水率。 ( ) ( ) ％井口液样中的总重量 井口液样中水的重量 单井含水率 100´= Kg Kg (4—7a) ( ) ( ) ％量总和不含水井及含水井产液 各含水油井产水量总和 油田综合含水 100´= t t (4—7b) 11．含水上升率 含水上升率或含水上升速度表示某一阶段含水率上升了多少，它是衡量油田含水上升快 慢的指标。 矿场上对含水上升率有两种表示方法： 1)月(或年)含水上升率-月(或年)末含水率减去月(或年)初含水率。 2)每采出 1%地质储量含水上升率 ％ 地质储量 阶段初累积采油量阶段末累积采油量 阶段初含水率阶段末含水率 含水上升率 100´ - - = (4—8) 或 阶段初采出程度阶段末采出程度 阶段初含水率阶段末含水率 含水上升率 - - = (4—9) 12．生产气油比 油田在开采过程中，每采出一吨油所伴随着采出的天然气量，m3/t。生产气油比的大小 反映了地层原油的脱气程度。 13．注水利用率 注入水存留于地下的百分数，它是用来衡量油田注水效果的指标。 ( ) ( ) ( ) ％注水量 产水量注水量 注水利用率 1003 33 ´ - = m mm (4—10) 显然，油田在注水初期不产水，注水利用率为 100％。当油田产水后，注入水中的一部 分随着原油一起采出来，注水利用率逐渐降低。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 二、水驱开发指标概算 早在 20世纪 40年代，前苏联和美国的学者就建立了不同驱动方式和注水方式下开发指 标的计算模型，这些模型至今还具有重要的参考价值。由于开发指标计算是以地质研究为基 础，但在开发初期，所有资料主要来源于详探井，这些资料很难准确而全面地反映油层内部 真实状况，因此，需要对油藏进行简化，例如对切割注水和线性注水井网，可以把油井和注 水井排简化成排油坑道和注水水线，通过地下流体渗流规律，概算出主要开发指标。 1．排状注水开发指标计算 1)一维两相油井见水前开发指标 设有一个均质等厚的单一油层，初始含水饱和度为束缚水饱和度，注水线与生产井排的 距离为 L，注采井排保持定压差ΔP。根据非活塞式水驱油理论，注采井排间油水混合带随 着油水前缘的推进而延伸，渗流阻力将逐渐发生变化，因此，只要求出渗流阻力，则可得到 相应的油井产量的变化。 ⑴油井见水前产量 假设油井在见水之前，油水前缘到达 fL 处， 一维水驱油油水混合带中任意位置为： ( ) ( ) ( ) ( )tV A Sf dttq A Sf x t ww ò == 0 '' ff (4—11) 油水混合带中的压力降为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ò ò + = + =D wf f Sf w wrwo wro wo L w wrwo wro o SKSK Sdf A tV KA tq SKSK dx KA tqP ' 0 ' 01 m mf m m m m (4—12) 上式中积分的下限对应注水水线处(含水饱和度为 orwm SS -= 1 )含水率的导数，积分上 限对应油水前缘处含水率的导数。 纯油带中压力降为： ( ) ( ) ( )fwcro o LL SKAK tqP -=D m2 (4—13) 式中， A——油层横截面积； f——岩石孔隙度； K——岩石渗透率； ( )tq ——为液流瞬时总流量； ( )tV ——为累积注水量； ( )wSf ' ——为含水率的导数。 注采井排总压降为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é -+ + = D+D=D ò wfSf wf w wrwo wro wwcro wcro o AL SftV SKSK Sdf AL SKtV ASKK Ltq PPP ' 0 '' 21 1 f m mf m (4—14) PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 油井初始产量为： ( ) L PASKK q o wcro i m D = (4—15) 定义无因次累积注入量 DV 、无因次瞬时产量 Dq 和无因次时间 Dt ( ) AL tVVD f = ； ( ) i D q tqq = ； AL tq t iD f = 且有 D D D dt dVq = 压力降方程变化为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) 11 ' 0 ' ' = ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é -+ + ò wfSf wfD w wrwo wro w wcroD D D SfV SKSK SdfSKV dt dV m m (4—16) 令 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ò + = wf Sf w wrwo wro w wf SKSK SdfSI ' 0 ' m m (4—17) 定义非活塞水驱油影响系数 E，其表达式为： ( ) ( ) ( )wfwfwcro SfSISKE '-= (4—18) 式(4—16)可以表示为： ( ) 11 =+EV dt dV D D D (4—19) 无因次累积注入量为： E Et V DD 121 -+ = (4—20) 无因次瞬时产量为： D D Et q 21 1 + = (4—21) 由公式(4—11)可知，油井井排见水时的无因次注水量为： ( )wfDf Sf V ' 1 = (4—22) 式中， wfS 为水驱前缘饱和度。 ⑵油井见水时间 由公式(4—20)可求得无因次无水采油期： ( ) ( )[ ] ( ) ÷ø ö ç è æ += -+ = 2 1 2 11 ' 2' 2 ESf SfE EV t wf wf Df Df (4—23) 2)一维两相油井见水后开发指标 当油井井排见水后，生产井排处的含水饱和度 ( )we wf we wmS S S S£ £ 不断上升，在整个水 淹区内，含水饱和度由注水线上的 wmS 逐渐减小到 weS 。 ⑴油井见水后产量 注采井排总压降为： PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ò ò + ×= + =D weSf w wrwo wro wo L w wrwo wro o SKSK Sdf A tV KA tq SKSK dx KA tq P ' 0 ' 0 m mf m m m m (4—24) 上式中积分的下限对应注水水线处(含水饱和度为 orwm SS -= 1 )含水率的导数，积分上 限对应油井井排处所对应的含水率的导数。 方程(4—24)的无因次形式为： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ò = + weSf w wrwo wro w wcroDD SK SK Sdf SKVq ' 0 ' 1 m m (4—25) 或 ( ) ( ) 1=wewcroDD SISKVq (4—26) 油井井排见水后无因次注水量为： ( )weD Sf V ' 1 = (4—27) 由式(4—26)和(4—27)可得： ( ) ( ) ( )wewero we D SISK Sfq × = ' (4—28) 油井见水后，注采井排间油水混合带内的平均含水饱和度减去束缚水饱和度即为无因次 累积产油量： ( ) ( ) wcwe we weOD SSf Sf SV - - += ' 1 (4—29) ⑵油井见水后的开发时间 由式(4—27)可得： ( )[ ] ( ) D we weD D D dt Sdf Sfdt dV q ' 2' 1 -==