第一章油田注水工程基礎第一節注水油藏工程

一、非混相驅下式所示的達西定律是描述流經孔隙介質的流體的基本公式：

式中A——流體流動方向上巖石及其中孔隙的截面面積，cm2；dp/ds——流體流動方向的壓力梯度，atm/cm；dz/ds——垂直方向的壓力梯度，atm/cm；g——重力加速度，cm/s2；K——滲透率，D；μ——流動流體的粘度，cP；ρ——流動流體的密度，g/cm3；q——流體的流速，cm3/s。第一節注水油藏工程

當達西定律單獨應用于油、水流體、且考慮了流體粘度、重力和毛細管效應時，則水驅油分相流動方程是：

第一節注水油藏工程

式中A——面積，ft2；fw——水流分量；K——絕對滲透率，mD；Kro——油的相對滲透率；Krw——水的相對滲透率；μo——油的粘度，cP；μw——水的粘度，cP；L——沿流體流動方向移動的距離，ft；pc——毛細管壓力，等于po－pw，psi；qt——總流量，等于qo+qw，bbl/d；△ρ——水、油密度差，等于ρw－ρo，g/mL；αd——相對于水平線的地層傾角，(°)。

第一節注水油藏工程

對于指定巖石和流體特性的水的分相流動而言，注水狀態僅是含水飽和度的函數，因為相對滲透率和毛細管壓力也是飽和度的函數。如果忽略重力和毛細管效應，則上述分相流動公式可化簡為：第一節注水油藏工程圖1-1油水相對滲透率

第一節注水油藏工程圖1-2分相水流

第一節注水油藏工程

根據質量守恒原則，同時假設地層流體為非壓縮流體，則水的線性前緣推進公式由下式求得：

第一節注水油藏工程

二、注采井網通常采用的注采井網，即注采井布置如圖1-4、圖1-5所示。在實際的注采井布置中，也經常采用油藏邊緣注水和油藏構造頂部注水的方法。第一節注水油藏工程圖1-4注采井網(I)

圖1-5注采井網(Ⅱ)第一節注水油藏工程三、油藏非均質性油藏的特性，諸如滲透率、孔隙度、孔隙大小分布、濕潤性、束縛水飽和度和流體性質等，并非完全一致。其變化常表現在垂向和橫向上。人們常將油藏的非均質性認為是沉積環境和隨后發生的相關事件的表現，即沉積物顆粒構成的本質表現。無論是油氣的初次運移階段或是注采開發階段，油藏很大程度地受到其自身非均質性的影響。第一節注水油藏工程

通常描述油藏垂直方向上滲透率成層向非均質性的方法有以下幾種：(1)產能系數分布的評價(滲透率油藏厚度)。該方法可由累積產能與累積厚度對應的圖表及儲集層中層狀滲透率的分布情況來確定。對于均質性油藏而言，其產能分布可繪制成直線，由于油藏滲透率的變化，該直線的斜度即是該油藏非均質性的尺度。第一節注水油藏工程(2)由產能系數分布而獲得洛倫茲系數是對比均質油藏滲透率的尺度。該系數的范圍為0(均質)到19極其非均質)。鑒于油層中各種不同的滲透率分布均能產生相同的洛倫茲系數值，因此洛倫茲系數并非是確定油藏非均質性的唯一尺度。第一節注水油藏工程

(3)戴克斯特拉—帕森斯滲透率變異系數是基于常規滲透率分布確定的，通常它可由下式求得：式中——平均滲透率，即50％概率的滲透率；——累積樣品達84.1時的滲透率。滲透率的變異范圍為0（均質）到1（極其非均質），它可廣泛地用于描述儲集層的非均質性。第一節注水油藏工程四、采收率總的注水采收率由下式計算：式中ERWF——總的注水采收率，％；ED——水波及體積以內的驅替效率，％；EV——體積波及系數，實際被水波及的油藏體積的百分數。第一節注水油藏工程

1.驅替效率：驅替效率受巖石和流體性質與流通能力(注入水的孔隙體積)的影響。它可以通過實驗室驅替試驗、前緣推進理論和經驗相關法確定。第一節注水油藏工程影響注水效率的因素驅替效率：油與水的粘度注水開始與結束時的油層體積系數注水開始與結束時的含油飽和度相對滲透率特性波及系數：油藏非均質性(孔隙度、滲透率和流體性質在平面和垂直方向上的變化)定向滲透性地層不連續性(斷層)水平與垂直裂縫地層深度注水井網類型改變注水方向流通能力油與水流度(有效滲透率與粘度)比

第一節注水油藏工程

2.波及系數體積波及系數定義為：式中EA——平面波及系數；EI——垂向波及系數。波及系數與滲透率的變化、流體性質、流體分布、流體飽和度和裂縫體系有關。有害的滲透率變化會導致波及系數低、見水快和高含水。

第一節注水油藏工程圖1-6所示是頂部為高滲透層的地層。沿最小阻力路徑流動的水優先進入這一層，其結果是很快見水，而且，由于垂向波及效率低，造成大量的油遺留于地層。圖1-6在可變滲透率系統中的驅替實驗

第一節注水油藏工程

鑒于滲透率的變化因素是通過巖心分析計算得出的，故在開始注水之前采集巖心數據極其重要。巖心數據還可用于解釋高滲透層和高含水的主要原因。注水采收率還可以按照以下公式計算：注水采收率＝(原始石油地質儲量-一次采油采收率-可波及面積內的殘余油-不可波及面積內的剩余油)/原始石油地質儲量。

第一節注水油藏工程五、注入速度注水開采期和采油速度取決于注入速度。整個注采項目開采期間注入速度的變化受許多因素的影響，影響注水率的可變因素有儲集層巖石和流體的性質。波及區和非波及區的面積及流體流度，以及井網結構(如井網、井距和井徑)等。在對原來用溶解氣驅開采已枯竭的油層進行注水開發的早期，注水速率會由初始值迅速地下降。第一節注水油藏工程吸水能力定義為注水井和生產井間每單位壓差下的注水量。溶解氣驅已衰竭的油藏進行注水的早期，油層的吸水能力會急劇的下降（圖1-7）。孔隙充滿之后，吸水能力的變化取決于流度比。M=l，吸水能力不變，M>1，吸水能力增大；M<1，吸水能力減小。

第一節注水油藏工程圖1-7徑向系統注水指數變化圖

第二節注水評價

一、注水或注水保持壓力中的重要因素在確定某一個油藏是否適合注水或注水保持壓力時必須考慮以下這些因素：1）油藏的幾何形狀；2）油藏巖性；3）油藏深度；4）孔隙度；5）滲透率（大小及變異程度）；6）油藏性質的連續性；7）流體飽和度高低及其分布；8）流體性質和相對滲透率關系；9）實施注水的最佳時機。第二節注水評價在評價一個具體油藏實施注水和（或）注水保持壓力作業的經濟可行性時，通常必須整體上考慮上述諸因素對最終采收率、收益率和最終經濟效益的影響。除油藏特性以外，其它因素也有很大的影響。這些因素有原油價格、市場狀況、作業費用和水源情況。

第二節注水評價1.油藏的幾何形狀整理油藏資料，確定注水是否合適的首要步驟之一是確定油藏的幾何形狀。油藏的構造形態和地層特征決定著井位，并且在很大程度上決定著油藏可以通過注水作業開采的方式。構造是控制重力分異作用的一項主要因素。在高滲透率油藏中，特別是在老油田中，靠重力分異開采會將原油飽和度降低到再進行注水作業可能毫無經濟價值的地步。如果構造形態合適，并且殘余油飽和度足以供實施二次采油作業，那么應用一種邊外注水方式可能會比常規井網或行列注水獲得更高的面積驅掃系數。對高閉合度的油藏還需要研究配套的注氣方案。油田的形狀和有無氣頂存在也會影響這個決策。第二節注水評價到目前為止，大部分注水作業都是在構造閉合度中等的油田上實施的。許多注水工程分布在地層圈閉型油藏上。因為這類油藏一般都是靠溶解氣驅開采，沒有天然水驅作用或其它驅油能量，在一次采油之后仍保持很高的含油飽和度，因而使這類油藏成為實施二次采油最富有吸引力的對象。在這類油藏中，地層傾角相當小，對二次采油沒有明顯的影響。這樣，注水井和生產井可以按油藏產權界限和所了解的油層狀況布置。但油氣分布受高閉合度構造控制的油藏實施注水能否獲得成功，人們尚有疑問。第二節注水評價

在確定天然水驅的存在和強度，以及確定是否需要進行人工補充注水這些問題時，對油藏的幾何形狀和過去的油藏動態進行分析常是很重要的。如果肯定天然水驅很強，可能就無需注水了。構造特征，如斷層、或地層特征，如砂巖尖滅，以及其它非滲透性遮擋層，通常都會影響這些決策。一個本來在其它方面都適合注水的油藏，可能因斷層高度發育而使任何一項注水方案在經濟上都無吸引力。

第二節注水評價2.巖性巖性對一具體油藏的注水效率具有很大的影響。影響注水可行性的巖性因素是孔隙度、滲透率和粘土含量。在某些復雜巖性油藏系統中，總孔隙度中僅具有足夠滲透率的很少一部分（如裂縫的孔隙度）在注水作業中起作用。在這種情況下，注水作業只對基質孔隙度有很小的影響，這種基質孔隙很可能是結晶孔隙、粒間孔隙或是原生孔穴。評價這種影響需要廣泛的實驗研究和某些綜合性油藏研究。評價工作可能還需要輔以注水作業的先導性試驗。第二節注水評價實驗室實驗表明，不同產油層中砂巖顆粒與膠結物質礦物組成間的差異，可能是導致注水之后觀察到的殘余油飽和度產生差異的原因。含油飽和度的這種差異證明，它不僅取決于油藏巖石的礦物組成，而且還取決于巖石內所含烴類的組成。Benner和Bartell證明，在一定條件下，某種類型石油的基本組成會被吸附在砂巖表面上使石英變成親油的。同樣，另一類型石油的酸性組分會使方解石變成親油的。目前，尚沒有足夠的數據可以用來可靠預測孔隙壁受水和石油濕潤程度不同對采收率的影響，但看來可能是存在某種影響。第二節注水評價

雖然有跡象表明某些含油砂層中的粘土礦物在水驅時可能因膨脹和反凝絮作用而堵塞孔隙，但尚沒有精確的數據說明這種損害可能發展到什么程度。這種損害的影響取決于粘土礦物的性質；然而通過實驗室研究只能確定堵塞孔隙影響的近似情況。蒙脫石類粘土很可能是發生膨脹而使滲透率降低；而高嶺石引起反應的可能性最小。由此而引起的滲透率降低的程度還取決于注入水的礦化度。通常，鹽水比淡水更適合用于注水。

第二節注水評價

3.油藏深度油藏深度是注水應考慮的另一個因素。如果油藏深度很大，在經濟上不允許再鉆井，或者如果必須用老井作注水井和生產井，那么與能鉆新井的情況相比預計采收率會低些。特別是在井網不規則和加密鉆井比租借地還便宜的老油田上更是如此。另外，在一次采油之后，深油藏中的殘余油飽和度可能低于淺油藏，因為深油藏一般有大量的溶解氣可用于驅替原油，而且原油的收縮率高，因此，剩余的原油就少些。但另一方面，如果油藏的橫向均質性比較好，深度越大，就可以用較高的壓力和更寬的井距。

第二節注水評價4.孔隙度

一個油藏的原油總產量直接取決于該油藏的孔隙度，因為孔隙度乘以含油飽和度（用百分比表示）決定油藏的總含油量。一個孔隙度分別為10％和20％的油藏，其油藏巖石中的流體含量分別為775.8和1551.6桶/（英畝·英尺），因此采集可靠的孔隙度數據是非常重要的。一個單一油層的孔隙度有時可以從10％變到35％。在石灰巖和白云巖中，孔隙度變化的幅度可從2％到11％；多孔的和裂縫的孔隙度可以變化于15％～35％之間。第二節注水評價到目前為止，測定這一重要特性最可靠的方法還是實驗室巖心分析。在很多情況下，各種測井方法也十分可靠。這些測井方法包括“微電極測井”或“接觸測井”、中子測井、密度測井或聲波測井。第二節注水評價5.滲透率（大小和變化程度）油藏巖石滲透率的大小在很大程度上決定著注水井在一定的砂層面壓力下能夠保持的注水量。因此，在確定一個油藏是否適合注水時必須確定：1）根據深度考慮確定最大的允許注水壓力；2）根據壓力/滲透率數據確定注水量與井距的關系。這樣就能夠粗略地證明在適當長的時期內完成所提出的注水方案是否需要進行補充鉆井。然后把預測的采收率的近似值同這一開發方案的貨幣支出額相比較，就可以很快證明這個油藏是否適合注水。如果該項工程的收益是有利的，就可以做更細致的工作了。第二節注水評價近幾年來，關于滲透率的變化程度無可非議地受到了人們極大的關注。相當均質的滲透率是注水成功必不可少的條件，因為這決定著必須處理的注入水的水量。如果發現油藏范圍內各油層的滲透率差別很大，并且這些油藏都保持大面積連片分布，那么在低滲透層尚未得到有效驅掃之前，注入水就會早已在高滲透層中突破引起大量水竄。當然，這將會影響工程的經濟價值，并由此影響油藏注水的可行性。這些油層的連續性分布和滲透率的變化一樣重要，是不可忽略的。如果各井的滲透率剖面無法對比，高滲透率層是連續分布的，那么情況就會有所不同，注入水竄流現象將不會象動態計算結果所示的那樣嚴重。第二節注水評價6.油藏性質的連續性前面已經提到，在確定油藏是否適合注水時油藏巖石在滲透率和垂向均質性兩方面的連續性所起的重要作用。因為在一個油藏中流體實際上是順著層理面方向流動的，所以水平方向的（沿層理面）連續性更具有重要意義。如果油藏本體被頁巖和致密巖石夾層分隔成小層，那么，應當通過生產層橫剖面研究說明，各砂層在延伸比較短的一段橫向距離后是否有尖滅趨勢，或者說各砂巖是否均勻發育。另外，應從巖心分析數據收集有關交錯層理和斷裂的證據。第二節注水評價7.流體飽和度及其分布在確定一個油藏是否適合注水時肯定認為高含油飽和度比低含油飽和度更適合注水。通常，注水開始時的含油飽和度越高，原油采收率也將越高。同時，最終采收率越高，水竄現象將越小，風險投資的收益將越大。在確定是否適合注水中還包括考慮水前緣過后的殘余油飽和度。飽和度減少越多，最終采收率和獲得的經濟利益就越大。目前正在研究和試驗的更新更專門化的驅替技術，唯一瞄準的目標就是降低驅替介質后面的殘余油飽和度。第二節注水評價在美國中大陸地區，注水方案正在從砂巖油藏中獲得可觀的采收率，這些砂巖油藏含水飽和度的變化范圍為22％～40％。俄克拉何馬州Barttesville砂巖油田的平均含水飽和度約為30％。Bradford油田的開發實踐證明，在含油飽和度為40％和含水飽和度為30％的條件下注氣是徒勞無益的，而注水卻很成功。賓夕法尼亞州Venango油田的實踐表明，由于隙間水飽和度高，注水比注氣更有利。巖心的含油飽和度變化幅度從20％到35％，而隙間水飽和度為40％～60％。在這些油田中，注水采油是沒有經濟效益的，而注氣卻可以達到增產100桶/（英畝·英尺）。第二節注水評價在得克薩斯州Throckmorton縣WoodsenShallow油田進行的注水，是“高含水砂巖油藏進行注水無經濟效益”這一說法的一個例外，該油田在平均含水飽和度為54％的砂巖油藏進行的注水是成功的。隙間水含量可以通過以下方法進行估算：油基泥漿取心的巖心分析、電測井資料解釋、實驗室恢復原態巖心的水驅實驗、或毛細管壓力試驗。在確定油藏是否適合注水作業中起作用的另一個因素是自由氣飽和度。如果無邊水侵入，油藏中自由氣所占據的孔隙空間取決于產出到地面的油和氣所空出的孔隙空間。如果已知準確的生產數據，就可以確定出產出的油和氣所空出的孔隙空間。第二節注水評價對溶解氣驅油藏來說，氣所占地那部分孔隙空間可由下式確定：式中Sg——含氣飽和度，％；

Sw——含水飽和度，％；

N——原油地質儲量，地面桶；

Np——原油產量，地面桶；

Boi——原始的原油地層體積系數，地下桶/地面桶；

Bo——原油地層體積系數，地下桶/地面桶。第二節注水評價某些作者通過實驗證明，在含油飽和度一定的條件下，注水采收率隨含氣飽和度的增加（在達到大約30％以前）而提高，但在含氣飽和度超過30％以后，注水效益將隨含氣飽和度的增加而下降。自由氣的作用是可以使水前緣后面的殘余油飽和度低于同樣系統在無自由氣狀態下注水可能達到的殘余油飽和度。在注水期間因為存在自由氣而使采收率提高，認為是下列因素起了不同作用，即：原油物質性質的變化；自由氣的選擇性封堵作用；自由氣相中含有油霧；殘余氣取代殘余油。第二節注水評價自由氣飽和度對注水采收率的影響仍然是一個學術研究的課題。在驅替水前面注氣（或和水一起注）的好處，在尚未經過實驗室和礦場驗證之前，如要把這種方法用于大型礦場作業，應謹慎從事。第二節注水評價8.流體性質和相對滲透率關系油藏流體的物理性質對確定一個具體油藏是否適合注水也有明顯的影響。在這些性質中最重要的是原油的粘度。原油的粘度影響流度比。油藏巖石對驅替流體和被驅替流體的相對滲透率也是流度比中的一個因子，在這種情況下驅替流體的粘度是指水的粘度。任何一個單相的（如原油）流度是該相的滲透率與其粘度之比Ko/μo。流度比（M）是驅替流體的流度與被驅替流體的流度之比。流度比越大，油井見水時的采收率越低；因而，采出一定量原油所必須采出的水也越多。這是因為：1)油井見水時的驅掃面積較小；2)分層效應增強。

第二節注水評價9.注水最佳時機一個具體油藏實施注水的最佳時機取決于作業者實施注水的主要目的。在這些目的中可能有：1)原油采收率最高；2)未來的純收益最高（美元）；3)每投入1美元的未來的純收益最多（美元）；4)貨幣收益的穩定率或5)貼現值最大。當然，希望能達到所有這些目的，并且看來應在早期開始注水作業,然而情況并非總是這樣。確定開始注水最佳時機最常用的方法是先假設幾個開始注水的時間，計算可望達到的原油采收率、產量、貨幣投入和收益，然后研究這些因素對最希望達到的目的的影響。第二節注水評價在均質油藏中，如果能恰好在達到泡點壓力時開始注水，就可望達到最高的采收率。這是因為水驅后殘余油的溶解氣含量最大，并且在泡點壓力下原油的粘度最有利的。如果忽視自由氣飽和度對殘余油飽和度的影響，則非均質性會使達到最高采收率的最佳壓力低于泡點壓力。如果泡點壓力很低，則產量會大幅度下降，因而作業者寧愿早些注水。在非均質油藏中，在泡點壓力以上開始注水，最終采收率會比較低，但在經濟利益上還是劃算的。第二節注水評價二、注水效果評價1.影響注水采收率的因素溶解氣驅一次采油采收率受孔隙度、原始含水飽和度、原始或泡點壓力下的油層體積系數、絕對滲透率、原始或泡點壓力下的原有粘度、泡點或枯竭壓力的影響。在計算最近已投入開發且有足夠的油藏和生產數據的油田的一次采油采收率時，通常沒有大的問題。然而，對于生產數據不可靠或采用不合理測井方法的老油田，要估計一次采油采收率很困難。第二節注水評價主要變量其他變量原始含水飽和度殘余油飽和度(驅替效率)油層體積系數(原有收縮率)一次采油采收率體積波及系數平面波及垂向波及孔隙度絕對和相對滲透率特性油與水粘度原始壓力一次開采后的枯竭壓力構造特性油藏非均質性注水井網注水時間經濟因素井距油藏深度油價水可獲得性作業費用表1-3影響注水采收率的因素

第二節注水評價2.注水效果評價方法(1）流體飽和度的分布和性質注水能否獲得成功的一個最重要的因素就是開始注水時的流體飽和度。在含水飽和度為50％或大于50％時，要獲得經濟的注水效果很難。在這種高含水飽和度條件下，水的相對滲透率具有不利影響，很難形成一個集油帶。然而，當束縛水飽和度達到50％或更高時，還是可以進行成功注水，唯一條件是要結合其他一些有利因素。一般來說，較高的束縛水飽和度會增加注水的風險性。

第二節注水評價油藏巖石的相對滲透率是指地層存在一種或一種以上流體時，巖石允許一種流體通過的能力。這些流動性質都是建立在孔隙幾何形狀、潤濕性、流體分布和飽和度歷史基礎上的。圖1-8和圖1-9分別給出了親水和親油地層典型的水/油相對滲透率特性。圖