石油大学-石油工程-油藏工程第四章--第一节-油藏动态分析方法-(开始).doc

.第四章 油藏动态分析方法油藏投入开采以后，其地下流体（油、气、水）的分布及状态将发生激烈的变化。这些变化是遵循一定的规律进行的，并且是受到某些因素的控制和约束的。油藏动态分析方法的主要任务就是：研究油藏投入开采以后的变化规律，寻找控制这些变化的因素，并且应用这些规律来调整和完善油藏的开发方案，使之取得最好的开发效果。油藏动态分析方法一般有如下三个阶段组成：历史拟合阶段、动态预测阶段、校正和完善阶段，这三个阶段有机结合，以完成油藏评价和方案制定工作。历史拟合阶段是充分利用油田已生产的开发资料，针对油田开发过程的特点和规律，选取反映其特点和规律的方法来再现油田已开发的历程。动态预测是将历史拟合阶段建立起来的描述油藏动态方法，用于规划和预测油藏今后的生产，并为对油藏进行必要的调整措施提供帮助。校正和完善阶段是根据预测期内理论方法提供的油藏动态指标的变化和实际油藏动态指标的对比，可以发现这二者往往是有差别的，有些差别的出现是由于偶然因素的影响，而相当多的情况下是由于历史拟合所确定的规律还不够完善，这就要求人们根据新的生产情况来校正和完善。所以从认识的角度上看，油田开发过程是一个不断认识并使之符合实际的过程。第一节 物质平衡方法自1953年R.J.Schithuis 利用物质平衡原理，首先建立了油藏的物质平衡方程式以来，它在油藏工程中得到了广泛的应用和发展。物质平衡方程式的主要功能在于：确定油藏的原始地质储量；判断油藏的驱动机理；预算油藏天然水侵量的大小；在给定的产量条件下，预测油藏未来压力动态。本章推导了零维物质平衡方程式，所谓零维是将我们所研究的对象油藏作为整体来处理，描述油藏动态的指标代表的是油藏的平均指标。虽然这种方法在很大程度上已经基本上是多维、多相、动态的物质平衡的数值模拟器所代替，但是这种方法仍然值得研究，因为它具有原理简单、运算容易等优点，并且利用它可以对油藏的动态作深入的了解。一、油藏饱和类型和驱动类型的划分对于一个新发现的油藏，可以通过探井的测压和高压物性的分析资料，确定出油藏的原始地层压力和饱和压力。根据两者数值的大小及其关系，可将原始条件的油藏划分为如下两大类：（1）当原始地层压力大于饱和压力（）时，叫做未饱和油藏或欠饱和油藏。（2）当原始地层压力等于或低于饱和压力（）时，叫做饱和油藏。在原始条件下的饱和油藏，可以具有气顶或没有气顶。无论是未饱和油藏还是饱和油藏的饱和压力，都有从构造顶部向翼部增加的趋势，这是由于油藏的饱和压力与其压力、温度和油气的组成有关。因此，在实际应用中，无论是原始地层压力还是饱和压力都需要考虑利用加权平均的数据。在确定油藏饱和类型的前提下，可以根据油藏的原始边外条件，即有无边、底水和气顶的存在，以及作用于油、气地层渗流的驱动力情况，将油藏的天然驱动类型划分如下：未饱和油藏：封闭型未饱和油藏封闭弹性驱动不封闭型未饱和油藏弹性水压驱动饱和油藏：无气顶，无边、底水活动的饱和油藏溶解气驱动无气顶，有边、底水活动的饱和油藏溶解气驱和天然水驱综合驱动有气顶，无边水活动的饱和油藏溶解气驱和气顶驱综合驱动有气顶，有边、底水活动的饱和油藏气顶驱、溶解气驱和天然水驱综合驱动对于油藏的不同驱动类型，需要建立与之相对应的物质平衡方程式。在矿场实际应用中，也需要根据油藏的驱动类型，选择不同驱动方式的物质平衡方程式。二、油藏物质平衡方程通式的建立物质平衡方程式是按体积平衡进行推导的，这就是说地下条件表示的地面累计产量应等于油藏中因压力下降引起的流体膨胀量。考虑一个实际断块的油气藏，其原始压力低于油藏的饱和压力，而且有气顶和边水的作用，其流体分布见图4-1所示。在开发过程中，随着油藏地层压力的下降，就要引起边水的入侵、气顶膨胀、溶解气的分离和膨胀，这些就是驱油过程中的各种能量。在这种综合驱动方式下所建立的物质平衡方程式，成为通式。为了便于通式的推导，我们把实际油藏模型（图4-1）进行简化。设想一个储罐，在原始地层压力下（），实际油藏中的油、气将全部充满这个储罐，如图4-2所示，其中图（a）表示原始压力 下具有一有限气顶的油藏中流体的体积，在此图中，总的流体体积是油藏中含烃孔隙体积。图4-2（b）表示因压力降低时，不考虑生产二引起油藏中流体体积膨胀的情况。在该图中仍用实线画上原来的含烃孔隙体积。A是油加上原来的溶解气因膨胀而增加的体积，B是原始气顶膨胀增加的体积，C是地层中束缚水的膨胀和油藏孔隙体积减小的综合作用引起的含烃孔隙体积减少的体积，D是由于边水侵入的量。地层压力的下降实际上是由于油藏生产造成的。如果地面的油、气和水总产量按目前地层压力下的产量来表示（就是说把产出地面的全部油、气和水拿回到油藏中去且此时油藏压力降低到），那么那些油、气和水应充满体积ABCD。另一方面，体积ABCD是人为让油藏发生膨胀的结果，当然，这些体积变化实际上相当于作为产量从油藏排出的流体体积。因此体积平衡可按地下体积计算。在目前压力下：式中 A油加上原始溶解气的膨胀量，地下； B气顶气的膨胀量，地下； C束缚水膨胀及孔隙体积减少引起的含烃孔隙体积的减少量，地下； D边水和底水的侵入量，地下。在计算上式中的各分量之前需定义如下参数：油的原始储量，地面；系数，一般可由测井资料提供；累计原油产量，地面；累计产水量，地面；累计气油比；油藏体积，；油藏孔隙度，小数；束缚水饱和度，小数；原油体积系数，（地下）/（地面）。这样，在物质平衡方程式中的膨胀量即可计算出来。1、油加上原始溶解气的膨胀量在这一项中有两个分量。1）液体的膨胀量在原始压力下，的原油在油藏中占据的体积为，而压力降到时，的原油在油藏中占据的体积为，其中是压力降到时的原油在地层中的体积系数。上面所说的两个体积之差即为液体油的膨胀量： （4-1） 2）逸出气的膨胀量 由于在原始条件时，油与气顶是平衡的，因此油必然处于饱和或泡点压力上。压力降到以下，引起溶解气逸出，油中溶解气总量是，压力降低至后仍然溶于油中的气体数量为，其中，分别为对应于原始压力下和目前压力下的溶解气油比，因此，在压力降低的过程中从油中逸出的气体体积转化为压力时的体积量为： （4-2） 2、气顶气的膨胀量 气顶气的总体积可用地面条件表示为： 在压力降到时，这个数量的气体在油藏中占据的体积是： 其中，分别为对应于压力和压力下的气体体积系数，因此，气顶气的膨胀量是： （4-3） 3、束缚水膨胀及孔隙体积减少引起的含烃孔隙体积的变化量 这些效应的综合作用引起的总体积变化可以从数学上表示为： （4-4）或表示为含烃孔隙体积的减少量： 式中 含烃孔隙体积； 孔隙体积； 束缚水体积； 由于包括气顶在内的总含烃孔隙体积是： 因此，的减少量可表示为： （4-6） 其中、分别为地层水和孔隙的压缩系数。 这个可容纳烃类的体积在压力降至时的减少量必然对应于从油藏采出的与之等量的流体，因此应把它加到流体膨胀项中。 4、天然水侵量及人工注水量 油藏生产过程是一个消耗能量的过程，而表征驱动能量变化的平均压力是逐渐下降的。当压力降落的漏斗传播至供水区后，会引起供水区中流体和岩石的弹性膨胀，使得供水区中的水侵入到油藏，其侵入油藏的水量相当于排出油藏中等量的流体。考虑水的压缩系数，则其在压力下所占据的体积为： 若油藏中有一定量注水井进行人工注水保持地层能量的开发，则在压力时，地面上累积注水量为，则其在地下所占据的体积为： 5、地下产量 压力下降的过程中，在地面测得的累积产油量为，累积产气量为。把这些油和气拿回到压力时的油藏中，油加上溶解气的体积是。当产出地面总气量拿回至压力的油藏中时，将有溶于的油中；其余的气量是在压力下降的过程中从油藏采出的逸出气和气顶之和，把它拿回到已降至的油藏中时占据的体积为。考虑到地面可能有一定的产水量并将其放入到水侵量中扣除，因此，总的地下产量为： （4-9）这样，令这个地下产量等于油藏中体积变化之和即得出物质平衡的通式为： （4-10）若地层原油的两相体积系数表示为： 则通式可简化为： （4-11）式中 关于上述物质平衡方程式应指出如下特点：（1）它是零维的，就是说它是按油藏中一点来计算的，而这一点代表油藏的平均性质。（2）虽然它一般表现出与时间无关，但是天然水侵量的大小是与时间有关的，这可由后续知识来证实。（3）虽然压力只在水和孔隙压缩系数项中明显出现，其形式为，但它也隐含在所有其他项中，因为PVT参数，和都是压力的函数，水侵量也与压力有关。（4）物质平衡方程通式总是按推导它时使用的方法计算的，也就是说把压力降至时的当时体积拿来同原始压力下的体积进行比较，它不是使用逐段方法来计算的。三、物质平衡方程通式的简化形式 虽然物质平衡方程通式初看起来有点复杂，但它无非是如下压缩率定义的复杂形式： （4-12）即： 并且，在某些情况下，实际上可能变为这种简单形式。根据油藏不同驱动类型，可对上述物质平衡方程通式进行简化，而得到其对应的特定条件下的物质平衡方程式。1、未饱和油藏的物质平衡方程式 1）未饱和油藏的封闭型弹性驱动该油藏的条件为：；故由式（4-11）得： （4-13）若设： （4-14）则得： （4-15）2）未饱和油藏的天然弹性水压驱动该油藏的条件为：；故由式（4-11）得： （4-16）或写为： （4-17）3）未饱和油藏的天然水驱和人工注水的弹性水压驱动该油藏的开发除有天然弹性水压驱动之外，还进行人工注水，因此得： （4-18）或写为： （4-19） 2、饱和油藏的物质平衡方程式 对于饱和油藏（），可以根据不同驱动能量的组合，得到如下不同驱动类型油藏的物质平衡方程式。1）溶解气驱动油藏这种油藏的开发主要靠溶解气的分离膨胀所产生的驱动作用，当同时考虑由于地层压降所引起的地层束缚水和地层岩石的弹性膨胀作用时，因为，故由式（4-11）得： （4-20）当忽略地层束缚水和地层岩石的弹性膨胀作用时，由式（4-20）可以得到纯溶解气驱动的物质平衡方程式： （4-21）2）气顶驱、溶解气驱和弹性驱动油藏 （4-22）3）气顶、溶解气、天然水驱和弹性驱动油藏 （4-23）四、物质平衡方程式的应用物质平衡方程式可用于天然能量分析、水侵量计算、储量计算以及动态预测。 1、天然能量分析由物质平衡法可知封闭型弹性驱动产量的理论值为，所以采出油量与封闭型弹性驱动产量的比值可用来衡量弹性驱动能量在总采油能量中的比例。如为纯弹性驱动，则。每采出1地质储量的压降值也可用来衡量天然能量的大小。如果天然能量很充足，则值很小。表41是天然能量驱动能量的分级。判别各种天然能量在驱动中所起的作用，需计算驱动指数。一个油藏的全部驱动指数之后等于1.0。某一驱动指数越大，说明该驱动能量所起的作用越大。可以这样改造物质平衡方程式，以使其能衡量油藏开采过程中的各种能量，为此使方程式（4-11）右端等于1，即： （4-24）式中溶解气驱动指数；气顶气驱动指数；弹性驱动指数；天然水侵驱动指数；人工注水驱动指数。当油藏中没有哪一项驱动作用，或不考虑哪一项驱动影响时，则这一项的驱动指数就等于零。 2、水侵量的计算油藏的实际开发经验表明，很多油藏都与外部的天然水域相连通，而且，外部的天然水域既可能是具有外缘供给的敞开水域，也可能是封闭性的有限边、底水。另外，某些油藏的外部天然水域可能很大，具有充分的能量，会对油藏的开发动态产生显著影响，因而必须加以考虑。而对于断块型和受岩性圈闭的油藏，外部水域往往很小，其能量很弱；还有一些油藏，在油水接触面处存在一个稠油段，阻挡了外部水域的作用。在这些情况下，天然水域对于油藏开发动态的影响可以忽略不计。在油藏开发过程中，随着原油和天然气的采出，油藏内部的地层压力下降，必将逐步向外部天然水域以弹性方式传播，并引起天然水域内的地层水和储层岩石的弹性膨胀作用。在天然水域于油藏部分的地层压差作用下，即会造成天然水域对油藏的水侵。随着油藏的开发，地层压降波及的范围会不断扩大，直至达到天然水域定压边界（或相当于无限大天然水域）的稳态供水条件，或有限封闭水域的拟稳态供水条件。因此，对于那些外部天然水域很大的油藏，随着油藏的开发和地层压力的下降，天然水侵的补给量也将不断增加，油藏的地层压力将趋于稳定。如果提高油藏的采储量，而天然水侵量又小于采储量时，油藏地层压力的下降率将随之增加，并将调整到新的可能供采平衡条件。油藏天然水侵的强弱，主要取决于天然水域的大小、几何形状、地层岩石物性和流体物性的好坏，以及天然水域与油藏部分的地层压差等因素。当油藏的天然水域比较小时，油藏开采所引起的地层压力下降，可以很快地波及到整个天然水域的范围。此时，天然水域对油藏的累积水侵量，可视为与时间无关，并表示为： （4-25）式中 累积水侵量，； 天然水域的地层孔隙体积，； 天然水域的地层水压缩系数，； 天然水域的地层岩石有效压缩系数，； 油藏的地层压降（），。 然而，对于天然水域比较大的油藏，油藏开采的地层压降，不可能很快地波及到整个天然水域。在某些情况下，甚至在整个开采阶段中，人有一部分天然水域保持原始地层压力。这就存在着油藏含油部分的地层压力向天然水域传播时存在着一个明显的时间滞后现象。这样，天然水侵量的大小，除与地层压降有关外，还应当与开发时间有关。这时，应用式（4-25）就不能描述天然水侵量，而所需要的天然水侵量的表达式必须考虑时间因素的影响。对于具有边水或底水的油藏，在物质平衡方程中有两个未知数：储量与水侵量。天然水侵量的大小主要取决于供水区域的几何形状与大小、油层渗透率和孔隙度、油水粘度比以及地层和岩石的弹性膨胀系数等。当油藏有充足的边水连续补给，或者因采油速度不高而使油区压降能够保持相对稳定时，此时水侵速度与采出速度相等，水侵是定态水侵。其公式为： （4-26）式中 含油区平均压力降，即原始地层压力与目前地层压力之差，； 水侵速度，； 水侵系数，。研究边水活动规律，主要是求出水侵系数，因为水侵系数的大小表示了边水的活跃程度。对于弹性水压驱动油藏，在地层压力相对稳定时，水侵量的表达式（因，为简化推导，有些公式已略去）： 由于这里所用的除与外都是生产数据，所以，各时刻的水侵量是不难算出的。封闭型弹性驱动油藏的开采特征可用下列关系确定： 而弹性水压驱动用下列关系式： （4-29）式中 油藏弹性产量，； 综合压缩系数； 折算到标准状况下侵入并滞留在油藏中的水量，； 油藏的孔隙体积，。式（4-28）在坐标系统中为通过原点的一条直线，其斜率相应地为。该直线可以对与或对与值绘制。式（4-29）为较复杂的曲线。这是由于，从时起（即从边水开始向油藏侵入时的压力值算起），油藏体积、侵入水量和油藏总弹性压缩系数均为变量。该曲线可绘制在同样的坐标系中，其中所有变化都取决于值，并反映任意时刻（与某个值对应）的累积产油值量。将式（4-28）和式（4-29）进行对比，就可以看出当时，它们为同一表达式。这表明，在边水开始侵入油藏以前，两条直线是重合的。当值不等于零时，相应于式（4-29）的曲线开始偏离直线。在相应图上标上该线，就可以用图解法对任一值确定值，并求出开始有水侵入油藏时的值（见图4-3）。绘制类似图幅时最好是用和坐标系统，这样不仅可以更紧凑地处理数据，而且能更精确地确定开发早期的与值。该方法只能成功地应用于地层压力高于饱和压力且无气顶的情况。此外，正如对具体油藏的计算所表明的那样，在开始向地层注水和注气以后，曲线开始成为折线。薛尔绍斯法在文献中有时被成为准定态水侵法。其使用条件为：有充足的边水供给，即供水区的压力比较稳定，但油藏压力还未达到稳定状态。我们把这个压力变化阶段看作是无数稳定状态的连续变化。这时水侵速度为： （4-30）将上式积分后，得水侵量与时间的关系： 积分式是表示压力降与关系曲线下面的面积，或是压力与关系曲线上面的面积。这些面积可以用图形积分近似法求出。 以为纵坐标，以为横坐标作图，便可以得到一条累积水侵量变化曲线。这是一条直线，直线的斜率就是水侵系数，即： （4-31）在计算水侵系数以前，应先计算边水的水侵量。由弹性水压驱动物质平衡方程： 可得： （4-32）式（4-32）右端括号项为采出液体和注入水的体积之差，即地下亏空量。其与油藏弹性体积之间的差值就