高含水油田“二三结合”转换时机优化.pdf

第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER高含水油田“二三结合”转换时机优化蔡明俊1，何书梅1，刘同敬2，李晓良1，魏朋朋1，李健1，冯国君1（1.中国石油大港油田公司，天津 300280；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆克拉玛依 834000）摘 要：针对现有转换时机研究方法无法满足高含水期老油田“二三结合”转换时机优化设计需要的问题，在综合分析三次采油转换时机和技术经济评价方法的基础上，考虑工程技术可行性和经济效益可行性，提出综合考虑技术、经济、社会价值的“二三结合”全生命周期开发价值链理念，建立高含水期老油田“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链模型，并实例分析“二三结合”转换时机对油藏最终采收率和生命周期的敏感性。结果表明，稳产、效益、生命周期是“二三结合”全生命周期效益稳产开发的主要考虑因素，转换时机对效益和稳产的影响是相对立的。关键词：二三结合；转换时机；优化理论；全生命周期；开发价值链模型中图分类号：TE357 文献标志码：A文章编号：2095-2783（2024）01-0057-06开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Conversion time optimization of“secondary-tertiary combination”in high water-cut oilfieldCAI Mingjun1，HE Shumei1，LIU Tongjing2，LI Xiaoliang1，WEI Pengpeng1，LI Jian1，FENG Guojun1（1.PetroChina Dagang Oilfield Company，Tianjin 300280，China；2.Petroleum Institute，China University of Petroleum-Beijing at Karamay，Karamay，Xinjiang 834000，China）Abstract：Facing the problem related to the inadequacy of existing conversion time research methods towards the optimization design needs of the“secondary-tertiary combination”conversion time of old oilfields with high water cut，a research method of optimal design on“secondary-tertiary combination”was established based on the comprehensive analysis of enhanced oil recovevy（EOR）conversion time researches and economic evaluation methods，in which the feasibilities of engineering technology and economic benefits were considered.The full life cycle development value chain concept of“secondary-tertiary combination”for old oilfields with high water-cut was proposed，which taking comprehensive consideration values of technology，economy and society.The development value chain model of“secondary-tertiary combination”with full life cycle benefits and stable production was established for the first time.And the conversion time sensitivities of“secondary-tertiary combination”to the final oil recovery and full life cycle of the reservoir were analyzed by an application example.The results show that the stable production，benefit and life cycle are the main considerations for the full life cycle benefit and stable production development of“secondary-tertiary combination”，and the influence of conversion time on the benefit and stable production is opposite.Keywords：secondary-tertiary combination；conversion time；optimization theory；full life cycle；development value chain model“二三结合”是近二十年来国内首创的一种开发模式，是指将二次开发与三次采油的层系井网整体优化部署，前期立足精细注水开发，进一步提高水驱采收率，优选时机转入三次采油，发挥二次开发井网完整性优势和三次采油提高驱油效率技术优势的协同融合效应1。2004年，王德民院士2最早提出了关于大庆油田“二三结合”试验情况及扩大实施建议，奠定了“二三结合”的研究方向。从2005年开始，大庆油田分别在喇嘛甸和萨中地区开辟试验区，进行二类油层三次采油现场试验3-4，奠定了“二三结合”的技术内涵。2012年，中国石油勘探开发研究院首次提出将“二三结合”作为国内老油田开发对策接替升级的技术路线之一，2014年进一步明确了将“二三结合”作为国内老油田可持续发展的战略选择5。在中石油总体战略方针的指引下，2013年，大港油田在港西三区开展“二三结合”开发试验获得成功。在此基础上，大港油田创新性地提出了“二三结合”全生命周期开发管理理念，并推广应用于整个大港复杂断块油田1。“二三结合”全生命周期开发管理理念，是指同收稿日期：2023-05-09基金项目：国家科技重大专项“渤海双高油田堵/调/驱一体化方案设计技术研究及示范”（2016ZX05058-003-011）第一作者：蔡明俊（1965），男，高级工程师，主要研究方向为油田开发地质与油藏工程通信作者：刘同敬，副研究员，主要研究方向为油气田开发，第 19 卷 中 国 科 技 论 文时实施全生命周期的效益评价与项目管理，实现油田开发水平和总体效益最优1。全生命周期包括二次开发阶段、三次采油阶段，直至油藏“二三结合”开发废弃为止，需要油藏部门、钻采部门、地面部门、经济部门、建设部门、生产部门、信息部门等各组织机构的协同配合。因此，“二三结合”转换时机的确定，并不是一个纯粹的技术问题，而是集技术、经济、社会价值等多目标约束下的技术经济问题。但目前关于“二三结合”转换时机的相关研究起步较晚，且研究成果尚停留在以提高采收率为主要目标的技术开发层面，未上升到多目标约束下的技术经济层面。针对技术、经济、社会价值多目标约束下的高含水老油田“二三结合”开发管理模式，本文在分析现有三次采油转换时机和经济评价方法的基础上，开展高含水老油田“二三结合”转换时机优化理论方法研究；提出“二三结合”全生命周期开发价值链理念，构建“二三结合”采收率模型、产量模型、净现值最大化模型和效益模型，建立“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链模型；分析“二三结合”转换时机对油藏最终采收率和生命周期的敏感性，明确实施“二三结合”项目的期望值和切入点，为老油田“二三结合”全生命周期开发优化设计提供科学依据和技术支持。1“二三结合”转换时机认识与优化方法1.1“二三结合”转换时机认识“二三结合”转换时机需要系统全面地研究“二三结合”的优化途径及方案，在最大限度地发挥二次采油开发潜力的基础上，最大化地提高三次采油的开发能效，达到“二三结合”全生命周期开发管理阶段二次采油与三次采油的最优过渡和无缝衔接，实现技术（增加可采储量）、经济（净现值）、社会价值（稳产时间）等多目标约束下的效益共赢。近二十年来，众多学者分别从技术角度或经济角度研究了三次采油的时机确定问题。文华6、魏长清7、牛佳8通过油藏数值模拟和室内物理实验，得出转换时机越早、驱油效果越好的结论；何江川等9通过系统归纳分析法，提出不同类型油藏具有不同的“二三结合”模式和不同的最佳转换时机；Sayavedra等10通过决策分析法，提出原油价格和三次采油转换时机是影响油田最终开发效益的最大不确定性因素；朱旭等11依据大港油田“二三结合”先导试验，得出二次开发转三次采油的最佳时机为二次开发开始后第3年。综上所述，现有研究成果普遍认为“二三结合”转换时机越早越好，有利于提高油藏采出程度和油田开发效益，但忽略了投资风险增大、开发周期缩短的弊端，不利于油田长期、稳定地产出经济效益。因此，高含水油田“二三结合”转换时机优化方法，是目前老油田“二三结合”全生命周期开发优化设计的难点之一。解决这一难题，需要从油藏开发和经营管理的角度出发，明确技术-经济-周期的基本矛盾，开展“二三结合”转换时机优化理论方法研究。1.2“二三结合”转换时机优化方法在“二三结合”全生命周期开发优化设计思想的指导下，老油田“二三结合”项目经济评价指标的计算，不是二次开发和三次采油经济评价指标的简单叠加。这需要在明确老油田“二三结合”全生命周期开发优化设计各环节的基础上，开展“二三结合”一体化经济评价方法研究。常用的经济评价方法有财务分析法、风险分析法、技术经济分析法、层次分析方法、模糊综合评价法和BP神经网络法等12。其中，财务分析法主要包括有无项目对比法、贴现现金流量法、内部收益率法。此类方法的特点是便于进行常规基础分析，但是难以进行现金流预测和折现率预测，无法评估项目的不确定性和风险性。风险分析法主要包括盈亏平衡分析法、敏感性分析决策树法、蒙特卡罗模拟法。此类方法评价精度较差，难以准确确定各变量之间的相互关系，不适宜进行全生命周期的评价。技术经济分析法、层次分析方法、模糊综合评价法和BP神经网络法在运用过程中需要对线性目标进行求解，因此不适用于非线性目标求解问题。综上所述，鉴于“二三结合”全生命周期开发优化设计各个环节的复杂性和关联性，现行的经济评价方法不适合解决老油田“二三结合”一体化经济评价问题。因此，需要将开发周期、采收率提高幅度、净现值共同作为“二三结合”转换时机优化理论模型的基础，建立“二三结合”全生命周期价值链模型。在此基础上，评价“二三结合”转换时机的敏感性，才能有效指导高含水期老油田“二三结合”开发设计方案的科学研究和合理编制。2“二三结合”全生命周期价值链模型以年产液速度和开发时间为自变量，固定油田生命周期和“二三结合”转换时机，综合考虑技术、经济、社会价值，以稳产、效益、开发周期最大化为目标，通过研究“二三结合”采收率模型、产量模型、净现值最大化模型、效益模型，构建“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链数学模型。2.1采收率模型以采收率评价理论模型为动态预测手段，在油58蔡明俊，等：高含水油田“二三结合”转换时机优化第 1 期田开发生命周期内，确保在产液稳定及配套合理情况下实现经济效益的最大化。“二三结合”提高采收率的作用机理主要包括3个方面：控制流度、改善微观渗流、降低界面张力。流度比、相对渗透率、微观驱油效率、井网密度体现了二次开发和三次采油的作用机理和过程13-15。在明确作用机理、表征机制的基础上，借鉴波及参数计算模型、胡斯努林模型、井间水驱油模型、井网影响模型，从渗流力学和油藏工程的角度，构建“二三结合”采收率理论模型。“二三结合”采收率理论模型的数学函数为16ER=AB1+M2M+Cfw()Swe1+Dfw()Swe()1-B1+M2M()1+ElgKMSwe+1-fw()Swef w()Swe-Swc1-Swc-Sor()1-VFke-Gn()KM-H。（1）式中：ER为采收率，小数；A、B、C、D、E、F、G、H 为“二三结合”采收率评价理论模型公式系数，小数；M为油水流度比，小数；fw为含水率，小数；Swe为出口端含水饱和度，小数；K为储层平均渗透率，mD；Swc为束缚水饱和度，小数；Sor为残余油饱和度，小数；Vk为垂向非均质系数，小数；n为井网密度，小数。2.2产量模型按照油藏工程理论模型，预测采收率-年产液量-年平均含水曲线，并将其作为“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链的产量模型。“二三结合”全生命周期产量模型的数学函数为 ER=AB1+M2M+Cfw()Swe1+Dfw()Swe()1-B1+M2M()1+ElgKMSwe+1-fw()Swef w()Swe-Swc1-Swc-Sor()1-VFke-Gn()KM-H，QL()t=or j=1m1QLj()t，j=1m1+m2QLj()t，Qo()t=QL()t1-fw()t。（2）式中：QL为年产液速度，104 m3/a；Qo为年产油速度，104 m3/a；t为开发时间，a；j为开发井数编号，小数；m1为二次开发前油井数，小数；m2为二次开发加密井数，小数。2.3净现值最大化模型在明确“二三结合”全生命周期开发优化设计各个环节的基础上，根据技术经济模型，测算钻井采油投资、集输建设投资、水处理费用、注剂费用、集输装置维护费用，计算净现值。当“二三结合”项目的生命周期固定时，求导确定最优转换时机，将其作为“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链的净现值最大化模型。“二三结合”全生命周期净现值最大化模型的数学函数为：Id()t=or0，m2Cd+QLmaxCb，CP()t=CLQL+CoQo+and()CwiQwi，CaiQai+QLmaxCQL max，NPVt=Qo()t P-Id()t-CP()t()1+i-t，NPV=t=1T-1NPVt+t=TNNPVt，NPVt=0。（3）式中：Id为每年的地面建设投资，万元；Cd为钻井成本，万元；QLmax为最大年产液速度，104 m3/a；Cb为按照最大产液速度折算的建设费用，万元；Cp为每年的运行成本，万元；CL为单位产出液处理费用，万元；Co为单位产出油处理费用，万元；i为年份，a；Cw为水处理费用，万元；Qw为年产水速度，104 m3/a；Ca为化学剂费用，万元；Qa为化学剂年注入速度，104 m3/a；CQL max为按照最大产液速度折算的单位附加费，万元；NPVt为第t年的净现值，万元；P为油价，元；NPV为累积净现值，万元；T为“二三结合”转换时机，a；N为59第 19 卷 中 国 科 技 论 文“二三结合”生命周期，a。2.4效益模型在明确“二三结合”全生命周期开发优化设计各个环节的基础上，根据技术经济模型，测算水处理费用、注剂费用、集输装置维护费用，计算净现值。当“二三结合”项目的生命周期固定时，确定最后一年的收益不能为负，作为“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链的效益模型。“二三结合”全生命周期效益模型的数学函数为 CP()t=CLQL+CoQo+and()CwiQwi，CaiQai+QLmaxCQLmax，NPVt=Qo()t P-Id()t-CP()t()1+i-t，NPVN0。（4）式中，NPVN为“二三结合”生命周期内的净现值，万元。2.5全生命周期价值链模型综合考虑技术、经济、社会价值，以稳产、效益、开发周期最大化为目标，结合前面建立的“二三结合”采收率模型、产量模型、净现值最大化模型、效益模型，构建“二三结合”全生命周期效益稳产开发价值链数学模型。“二三结合”全生命周期价值链模型的数学函数为ER=AB1+M2M+Cfw()Swe1+Dfw()Swe()1-B1+M2M()1+ElgKMSwe+1-fw()Swef w()Swe-Swc1-Swc-Sor()1-VFke-Gn()KM-H，QL()t=or j=1m1QLj()t，j=1m1+m2QLj()t，Qo()t=QL()t1-fw()t，Id()t=or0，m2Cd+QLmaxCb，CP()t=CLQL+CoQo+and()CwiQwi，CaiQai+QLmaxCQLmax，NPVt=Qo()t P-Id()t-CP()t()1+i-t，NPV=t=1T-1NPVt+t=TNNPVt，NPVt=0，NPVN0。（5）3“二三结合”转换时机敏感性分析3.1转换时机对采收率的影响以大港油田某油藏五点井网实际油藏参数为例，研究“二三结合”转换时机对油藏最终采收率的影响。其中，油藏有效厚度为 10 m，孔隙度为 0.3，储层平均渗透率为 988 mD，地下原油黏度约为30 mPa s；原始井距为250 m，井网密度为16 口/km2，年产液速度为 0.025 PV；二次开发后井距调整为177 m，井网密度为32 口/km2，年产液速度为0.050 PV。为明确大港油田适宜选用何种方式进行三次采油，首先设计了4种对比开发方案：常规水驱、二次开发（常规水驱开发阶段含水率至90%后开始实施）、二次开发+聚合物驱（二次开发阶段含水率重新上升至90%后开始实施）、二次开发+三元复合驱（二次开发阶段含水率重新上升至90%后开始实施），预测结果如图1所示。由图1可看出：当三次采油转换时机相同时，三元复合驱在二次开发后的开发效果明显优于聚合物图1不同开发方式采收率预测Fig.1Recovery prediction results of different development methods60蔡明俊，等：高含水油田“二三结合”转换时机优化第 1 期驱在二次开发后的开发效果，含水率下降更明显，含水率小于90%时的采出程度更高。由此可见，大港油田适宜选用三元复合驱进行三次采油。选用三元复合驱作为大港油田“二三结合”项目二次开发后的三次采油方式，设计了3种不同“二三结合”转换时机对比方案：二次开发后立即三次采油，二次开发含水率回升至93.5%进行三次采油，二次开发含水率回升至98.0%进行三次采油。以常规水驱开发方案和二次开发方案的模拟结果为基准，对比不同“二三结合”转换时机方案的采收率预测结果，如图2所示。由图2可看出：对于高含水期老油田，转换时机对“二三结合”采收率，即技术累积产油量影响很小，转换时机越晚，采收率仅稍有下降。但转换时机越早，越有利于延缓中后期含水上升。因此，稳产、效益、生命周期、风险是高含水期老油田“二三结合”要考虑的主要问题，对于老油田，前3个因素是“二三结合”全生命周期效益稳产开发要考虑的主要因素。3.2转换时机对生命周期的影响以大港油田实际油藏参数为例，研究“二三结合”转换时机对生命周期的影响。以单位面积上经济指标计算延续注水开发和二次开发生命周期的净现值，对比结果如图3所示。在不同“二三结合”转换时机采收率对比方案的基础上，分别计算不同转换时机方案对应的累积净现值和年均净现值，对比结果如图4所示。由图 3 和图 4 可以看出：二次开发能够改善水驱开发效果，稳产、效益、生命周期均能体现。对比二次开发、“二三结合”开发生命周期显示，“二三结合”能够改善水驱开发效果，稳产、效益、生命周期延长均能体现，但转换时机对效益和稳产的影响是相互对立的。因此，如果单纯追求效益，则转换时机早一点，如果需要考虑油田稳产，则转换时机晚一点。4结论1）稳产、效益、生命周期是高含水期老油田“二三结合”全生命周期效益稳产开发要考虑的主要因素。基于工程技术可行性和经济效益可行性，探讨“二三结合”转换时机优化设计研究方法，提出综合考虑技术（增加可采储量）、经济（净现值）、社会价值（稳产时间）的高含水期老油田“二三结合”全生命周期开发价值链理念。2）综合考虑技术、经济、社会价值，以稳产、效益、开发周期最大化为目标，构建“二三结合”采收率模型、产量模型、净现值最大化模型和效益模型，首次建立老油田全生命周期效益稳产开发价值链模型，形成“二三结合”转换时机优化油藏工程方法。3）以大港油田实际油藏参数为例，分析“二三结合”转换时机对采收率和生命周期的敏感性，结果表明，“二三结合”能改善水驱开发效果，延长可采储量开发生命周期。但转换时机对效益和稳产的影响是相对立的，若单纯追求效益，则转换时机早些更好，若需考虑油田稳产，则转换时机晚些更好。图2“二三结合”不同转换时机采收率预测Fig.2Recovery prediction results of“secondary-tertiary combination”developments at different conversion times图3延续注水开发和二次开发净现值对比Fig.3NPV comparison between continuous waterflooding development and secondary development图4“二三结合”不同转换时机净现值对比Fig.4NPV comparisons of“secondary-tertiary combination”developments at different conversion times61第 19 卷 中 国 科 技 论 文（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：http: 赵平起，蔡明俊，武玺，等.复杂断块油田二次开发三次采油结合管理模式的创新实践 J.国际石油经济，2019，27（5）：79-84.ZHAO P Q，CAI M J，WU X，et al.The“2+3 combination”oil extraction mode in complex fault block oil reservoirsJ.International Petroleum Economics，2019，27（5）：79-84.（in Chinese）2 王德民.大庆油田“两三结合”的试验情况及扩大实施建议J.大庆石油地质与开发，2004，23（1）：18-23，75.WANG D M.Two tertiary combined test in Daqing oilfield and recommendations to enlarge its scale of implementationJ.Petroleum Geology&Oilfield Development in Daqing，2004，23（1）：18-23，75.（in Chinese）3 安伟煜.大庆油田“二三结合”挖潜技术的实践与认识 J .中国石油和化工标准与质量，2012，32（5）：179-180.AN W Y.Practice and understanding of“two-three combination”potential tapping technology in Daqing oilfield J .China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2012，32（5）：179-180.（in Chinese）4 赵云飞，王朋，邓彩凤.喇嘛甸油田“二三结合”试验开发评价 J.长江大学学报（自科版），2014，11（16）：103-106.ZHAO Y F，WANG P，DENG C F.Evaluation of“two-three combination”test development in Lamadian oilfield J.Journal of Yangtze University（Natural Science Edition），2014，11（16）：103-106.（in Chinese）5 吕恒宇，胡永乐，邹存友.高含水油藏“二三结合”优化技术研究进展 J.科学技术与工程，2018，18（4）：210-220.L H Y，HU Y L，ZOU C Y.Research progress on optimization technologies of secondary-tertiary combination in high water cut reservoir J.Science Technology and Engineering，2018，18（4）：210-220.（in Chinese）6 文华.萨中二三类油层开发效果及二三结合开发调整研究 D.大庆：大庆石油学院，2008：1-4.WEN H.The study on exploitation effect and second tertiary combined development adjustment of sub-mainlayers and tertiary mainlayers in sazhong area D.Daqing：Daqing Petroleum Institute，2008：1-4.（in Chinese）7 魏长清.水驱开发油田合理注聚时机研究 J.中外能源，2015，20（11）：70-73.WEI C Q.Research on reasonable polymer injection time for water flooding oilfields J.Sino-Global Energy，2015，20（11）：70-73.（in Chinese）8 牛佳.X区块二三结合开发方案调整技术研究 D.大庆：东北石油大学，2022：52-53.NIU J.Study on the adjustment technology of the development scheme of combination of two and three in block X D.Daqing：Northeast Petroleum University，2022：52-53.（in Chinese）9 何江川，廖广志，王正茂.关于二次开发与三次采油关系的探讨J.西南石油大学学报（自然科学版），2011，33（3）：96-100，196.HE J C，LIAO G Z，WANG Z M.Study on the relationship between secondary development and tertiary recovery technologyJ.Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2011，33（3）：96-100，196.（in Chinese）10SAYAVEDRA L，MOGOLLN J L，BOOTHE M，et al.A discussion of different approaches for managing the timing of EOR projects C SPE Enhanced Oil Recovery Conference.Kuala Lumpur：Society of Petroleum Engineers，2013：SPE-165304-MS.11朱旭，翟泽宇.大港油田“二三结合”提高采收率研究与试验J.石油工业技术监督，2020，36（4）：8-11，20.ZHU X，ZHAI Z Y.Research and test of EOR by“two three combination”in dagang oilfieldJ.Technology Supervision in Petroleum Industry，2020，36（4）：8-11，20.（in Chinese）12王宁.大庆油田三次采油项目经济评价研究 D.大庆：大庆石油学院，2010：15-22.WANG N.Research on economic evaluation of the tertiary oil recovery project in Daqing oilfield D.Daqing：Daqing Petroleum Institute，2010：15-22.（in Chinese）13刘义坤，文华，隋新光.萨中开发区“二三结合”开发实验数值模拟 J.大庆石油学院学报，2007，31（6）：36-39.LIU Y K，WEN H，SUI X G.Numerical simulation of second tertiary combined development test in Sazhong development area J.Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（6）：36-39.14PANDA M，AMBROSE J，BEUHLER G，et al.Optimized EOR design for the eileen west end area，greater Prudhoe Bay J.SPE Reservoir Evaluation&Engineering，2009，12（1）：25-32.15赵欢，尹洪军，李国庆，等.“二三结合”开发模式渗流特征研究J.河北科技大学学报，2015，36（4）：437-444.ZHAO H，YIN H J，LI G Q，et al.Seepage characteristics of the second tertiary combined model J.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：437-444.（in Chinese）16赵平起，蔡明俊，张家良.复杂断块油田高含水期“二三结合”开发模式 M.北京：石油工业出版社，2021：25-33.ZHAO P Q，CAI M J，ZHANG J L.“Two-three combination”development model in high water cut stage of complex fault block oilfieldM.Beijing：Petroleum Industry Press，2021：25-33.（in Chinese）（责任编辑：李敏）62