塔河碳酸盐岩缝洞型油藏注氮气效果评价

陈园园，刘学利，杨占红，郭 臣，邓 鹏

（1.中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011；2.西南石油大学，四川成都 610500）

塔河油田缝洞型油藏是以溶洞为主要储集体类型的油藏，由于溶洞内流体流动规律符合管流流动特征[1–2]，前期注水替油取得了较好的效果，后期随着油水界面的抬升，注水替油效果逐渐变差，高部位剩余油难以采出。为此，2012 年在TK404 井开展了注氮气先导试验，随后进行了大规模推广，截至2018 年底，塔河油田缝洞型油藏注氮气规模超过600 口井，注氮气年增油量达到了75×104t[3]。

单井注氮气替油过程中，替油效果主要结合地质特征，采用动态分析方法对油井响应时间及响应效果进行分析，重点对周期增油量、方气换油率等增油效果和效益评价指标进行评判[4–5]。随着注氮气规模的扩大和剩余油类型的增多，注气效果的差异化逐渐明显，有效评价单井注氮气效果，找出主要影响因素并制定出后期治理对策是注氮气规模开发过程中面临的重要课题。为此，本文通过建立评价指标体系、评价指标界限以及综合评价方法，形成了一套注气效果评价技术流程，为缝洞型油藏注氮气效果评价提供了理论依据。

1 注气效果评价指标体系

1.1 注气效果评价指标

缝洞型油藏注入氮气进行三次开发，通常有补充地层能量、控制油水界面以及重力分异形成人工气顶而置换顶部剩余油的功能[6–7]，各项功能之间具有一定的内部关联性，并非独立存在。注气状况、注采连通程度、注采平衡状况以及增油效果效益在不同的维度对注入氮气的各项功能进行表征。本文以注气效果评价四个维度为基础，依据不同维度的评价目标，将矿场常用的注气效果评价指标进行了分类归纳：①注气状况评价维度主要评价注入氮气利用、含水变化以及油井产能；②注采连通程度评价维度主要评价缝洞单元的井网完善程度以及注入氮气的波及状况；③注采平衡评价维度主要反映油藏注氮气开发过程中注采关系以及注采平衡状况；④效果效益评价维度主要评价油藏注入氮气的替油效果以及效益状况（表1）。

1.2 指标体系构建的科学性原则

指标体系构建的科学性原则为全面性、动态性、独立性以及实用性[8]，结合各个指标对其所属维度的表征准确度，筛选出表征意义准确且具有较强可操作性的效果评价指标。其中，全面性是指能够全面反映目前状况下注入氮气的波及状况、替油状况以及经济效益等多个方面的综合情况；动态性是指能够反映生产井在不同的注气开发阶段、不同注入轮次下的生产状况以及产能趋势；独立性是指各个指标之间需要有较强的独立性，确保相同的评价维度不会使用多个评价指标进行重复性评价；实用性是指所选指标统计较为方便、可靠性较强，结合现有矿场数据情况，选择能够通过数学或油藏工程方法精确计算的指标。

表1 注气效果评价常用指标

1.3 注气效果评价指标体系

在注气效果评价常用指标的基础上，结合指标体系构建的科学性原则，针对缝洞型油藏注气状况、注采连通状况、注采平衡状况以及效果效益四个维度的评价目标，分别予以分析：

（1）注气状况评价维度。该维度通过存气率和含水变化率来表征注入氮气的利用效率以及对生产井的影响。存气率是油藏储存氮气与注入氮气总量的比值，既反应了注入氮气的利用效率，也反应了缝洞体的封存能力[9]；含水变化率反映了油藏综合开发水平，同时也利于在不同的注气单井之间进行开发水平的横向比较[10–11]。

（2）注采连通状况评价维度。该维度通过气驱动用程度表征缝洞型油藏在复杂的储集空间下注气井和采油井之间的连通状况。气驱动用程度是通过计算注气见效井数与缝洞单元总井数之比来反应注入氮气的波及范围，进而表征注采单元内的注采连通状况。

（3）注采平衡评价维度。该维度通过累计注采比和能量保持程度表征注气过程中储集体内物质平衡状况。累计注采比是油田注气开发中最常用的评价注采平衡关系的指标之一，可以直接反映地下能量补充程度以及地下亏空情况[12]；能量保持程度是指注气开发后与油藏未开发时的地层能量之比，可以直接反映注气后储层压力保持情况。

（4）效果效益评价维度。该维度通过提高采出程度、平均日增油水平以及方气换油率表征油藏注气后的增油效果以及效益状况。提高采出程度、平均日增油水平以及方气换油率分别从整体开发水平、轮次注气增油效果以及轮次注气增油效益的角度，对注气后的效果效益进行全面评价。

2 指标体系界限划分方法

2.1 动态聚类分析方法

目前，划分指标界限常规方法有专家打分法、等分法等主观类方法，其中，专家打分法极大地依赖于个人经验，而等分法是按照指标最大值和最小值之间的距离进行等分，难以从数据自身结构关系进行科学地划分[13–14]。

K–means 聚类分析方法是依据数据之间的相似性进行分类组织的过程[15]。该方法是通过将多个注气单井的效果评价指标组成数据集合，而后根据集合中相似的对象进行分类的过程（图1）。同一类对象中彼此具有相似性，而与其他类中的对象彼此又具有相异性。因此，该方法在一定程度上表征了不同单井的注气效果评价指标之间的油藏工程关系。

图1 K–means 聚类分析原理

则判

计算重新分类后的各类心：

如果

则转至上个判定式。

如果

则结束计算。

2.2 评价指标体系分析界限

同一评价维度内的评价指标由于其表征目标相同，可以在其指标间进行相互聚类分析。注气开发是油、气、水三相渗流的综合过程，各个评价指标反应的工程意义不同，但指标之间具有一定程度的油藏内部关联性。例如，在注采平衡维度中，若缝洞单元注采比偏低，说明其储层物质亏空较大，其能量保持程度也可能会相对处于较低水平。因此，针对同一维度内的评价指标，可以采用相互聚类的分析方法，通过相似对象与相异对象间的距离确定指标界限。根据注气效果评价指标体系，可以将同一评价维度内的两个指标进行聚类分析，如存气率与含水变化率、累计注采比与能量保持程度等。

对于评价维度内只有单一指标的情况，则应将评价指标与提高采出程度指标进行关联分析。注气开发的最终目的是提高剩余油的采出程度，因此，该分类方法利于聚类分析过程中找到相似对象，进而划定指标界限，如气驱动用程度与提高采出程度。通过上述分析方法，最终形成了塔河缝洞型油藏注气效果评价指标体系界限（表2）。

表2 聚类分析方法指标界限划分成果

3 注气效果综合评价

3.1 BP 神经网络评价方法

BP 神经网络模型是一种按照误差逆向传播训练的前馈型神经网络算法。数学理论研究证明，三层神经网络能够以较高的精度逼近任何非线性连续函数[16–17]。通过前文注气效果综合评价指标体系，建立了注气效果综合评价的BP 神经网络模型（图2），利用其非线性映射能力，实现了缝洞型油藏的注气效果综合评价。

3.2 注气效果综合评价成果

以塔河缝洞型油藏203 个注气单井为研究对象，采用上述注气效果评价指标体系（表2）、评价指标界限（表3）以及神经网络评价方法进行分析，得到各单井注气效果综合评分。第一轮次注气开始时，注气单井平均得分为64 分，大于80 分的高分井占32%；所有轮次注气结束后，注气单井平均得分为43 分，大于80 分的高分井占14%，参与评价井最终评分状况与现场认识吻合率达到了83%。

图2 神经网络模型

第一轮次注气结束后，研究区内高分井相对较多，且高分井与低分井呈现交替分布的状态，说明注气后大部分井开始见效，但注入氮气波及范围有限，未能形成连片波及；当第四轮次注气结束后，低分井分布范围明显增大，而高分井分布范围不断减小，这说明注气开发后期，现有注气方案对剩余油的动用能力已明显不足。

3.3 效果评价低分井

为进一步明确注气效果未能达到理想状态的原因，本文从203 个注气单井中选取了综合评分最低的10 口注气单井进行分析（表3）。

表3 注气井综合效果评价

将10 口低分井效果评价指标与203 口注气单井平均水平进行对比分析发现，两者在存气率以及累计注采比两个指标上具有较大差距：70%的单井存气率大于75.0%，累计注采比为0.22～0.55，注气效果最好的单井存气率达到93.0%，累计注采比达到0.12，说明多数井注入的氮气存留在缝洞体内，对剩余油形成有效地驱替。但注气效果较差的井，存气率普遍小于60.0%（图3a），累计注采比普遍大于0.56（图3b），说明该区域内溶洞和裂缝构成的复杂 连通状况造成了注入氮气难以在替油部位聚集，注入氮气通过内部渗流通道运移到注入井周围的溶洞内。因此，注入氮气的有效性已经成为了制约注气开发综合效果的关键因素，后续注气方案设计时，应更多地考虑缝洞体对注入气体的储集能力，而非单一的增大注气量或调整注入速度等参数。

4 结论

图3 综合评价效果较差井评价指标

（1）随着油藏注气规模的扩大和剩余油类型的增多，单一的评价指标并不能全面反映缝洞型油藏的开发效果，注气效果评价需要从注气状况、注采连通状况、注采平衡以及效果效益4 个维度进行全面的表征。

（2）第一轮次注气开始后大部分井开始见效，但注入氮气的波及范围有限，未能形成连片波及。注气效果随注入轮次的增加而明显变差，第四轮次注气结束后，现有注气方案对剩余油的动用能力已明显不足。

（3）缝洞型油藏复杂的介质连通状况造成了注入氮气难以在替油部位聚集，已成为制约注气开发效果的关键因素，注气开发方案设计中应将缝洞体对注入气体的储集能力作为重要的考量因素。