[科普中国]-剩余油

研究背景

我国是世界上注水开发油田比例最高的国家,大多数油田都已经进入开发中后期高含水采油阶段,东部油田更为甚之,而且我国油田地质情况复杂,原油性质差异大,储层非均质性严重,注水开发以后地下仍然有60%～70%的油未采出,成为剩余油。目前,勘探程度高,新增储量少,且新增储量中低渗透和稠油储量所占比例大,同时,随着国民经济的发展,对石油和天然气的需求逐年增大,供求矛盾日益突出。因此,加强剩余油分布研究,对提高采收率具有重要的现实意义。我国东部注水开发的许多主力油田已进入中、高含水期。一方面新增储量日益困难, 勘探程度高,新发现油田规模总体呈变小趋势, 而且新增探明储量中的低渗透与稠油储量所占比例逐年加大, 储量品质变差, 新增及剩余储量可动用性较差; 另一方面, 我国注水开发油田“三高二低”的开发矛盾突出, 即综合含水率高、采出程度高、采油速度高、储采比低、采收率低, 还有大量石油不能采出。这种开采程度高采收率低的严峻局面对石油开发领域的研究提出了更高要求。

我国油田地质情况复杂, 原油性质差异大, 水驱油过程不均匀, 到了勘探开发的后期, 尤其是在那些勘探程度较高的老油田, 经过一次、二次采油后, 仅能采出地下总储量的30% 左右, 这意味着有60%～ 70% 的剩余石油仍然残留在地下成为剩余油, 这些残留在地下的剩余石油储量对于增加可采储量和提高采收率是一个巨大的潜力。估计, 如果世界上所有油田的采收率提高1% , 就相当于增加全世界2 至3 年的石油消费量。因此, 加强剩余油分布规律研究、提高石油采收率一直是油田开发地质工作者和油藏工程师研究的主题。我国油田多为陆相沉积多油层储层, 层间、层内和平面上渗透率变化大, 而我国近90% 油田均采用注水开发方式,由于非均质性严重, 各层吸水量差异大, 注入水往往沿高渗透带推进, 使纵向上和平面上水推进不均匀, 造成水驱波及体积小, 注入水过早向油井突进,油水分布犬牙交错, 剩余油分布既零散又有相对富集部位。因此, 在开发后期我们的主要任务就是要以剩余油饱和度为主要内容, 进行精细化、定量化、动态化和预测化的油藏描述。同时, 要把工作重点逐渐转向井间和整个油藏的剩余油分布研究上。1

剩余油概念在油田开发界，有学者将剩余油定义为“残留在地下的可采储量，在数值上等于可采储量与累积采油量之差”。这一定义显然不当。

我们认为，剩余油研究的目的，在于搞清剩余资源的数量及分布，以便尽技术经济之所能予以最大限度地采出，以获取尽可能高的油气采收率。因此，剩余油应该取其本义，定义为：已开发油藏(或油层)中尚未采出的油气。

它既包括此前认为的剩余可采储量，也包括此前认为的不可采出的油气储量(这部分储量中的相当部分将成为提高采收率阶段剩余油研究的主要目标)。

事实上，在我国油田开发界，大多数同志长时期以来都在采用剩余油的这一定义。

剩余油分类一些学者主张：“注水后地下的残余油应该包括两部分——剩留油与残余油，所谓剩留油(或称剩余油)是指由于波及系数低，注入水尚未波及的区域内所剩下的原油…，而残余油是指注入水在波及区内或孔道内已扫过区域仍然残留、未能被驱走的原油”。

显然，他们所说的“剩留油”应是剩余油的一种存在形式(一般多称为“死油区”)；他们所说的“残余油”应属广义的残余油范围，并非室内水驱油结束时的残余油，仍然应该归入剩余油范畴。

鉴于“剩留油”一词在油田开发界很少使用；而剩余油一词已广为使用，为免混乱，我们认为以搁置“剩留油”一词为好。

剩余油研究方法俞启泰把剩余油研究分为4个级别:微规模、小规模、大规模和宏观规模。冉启佑将剩余油的研究方法总结为:取心方法、开发地质学方法、测井解释、地震、油藏工程、数值模拟、流线模型、生产测井、测试分析和检查井资料分析等9种。微观规模研究微规模油藏描述包括颗粒的研究、孔隙尺寸的分布、孔壁的粗糙度、充填的结构、孔喉的粘土衬、孔隙类型、矿物学、胶结影响以及在扫描电镜和薄片中可以识别的其它特点。目的主要是研究剩余油在孔隙内部的分布、数量和性质。研究的主要方法是扫描电镜、薄片、光刻微物理模型、原油性质分析。微观规模分布研究就是从微观、小尺度或小到微米甚至纳米级别研究剩余油的分布。谢俊等的研究认为,目前研究剩余油微观分布主要采用微观物理模拟、物理化学性质及组分分析、孔隙结构及微观驱替机理分析和计算机模拟技术。高博禹等人的研究给出微观剩余油形成与分布的研究技术主要有含油薄片技术、岩心仿真模型驱替法、理想仿真模型驱替试验方法和随机网络模拟法。常用的方法主要有微观物理模拟和计算机数值模拟2种。微观物理模拟就是借助显微镜的放大、录像以及图像处理技术研究储层流体的微观渗流过程,从而揭示储层流体的微观渗流特征和剩余油的微观分布特征。物理模拟的实验条件与实际油藏的地质条件不能完全吻合,达不到真实的油藏条件,加之受到实验人员的技术和经验的限制,得出的实验结果与真实情况存在误差。油藏数值模拟是通过建立数学模型来研究油藏的物理性质及流体的流动规律。该方法虽然得到广泛的应用,但仍存在明显的不确定性,如储层参数、动态数据的求取以及模拟人员的经验,因此,在应用过程中应注意提高参数提取的精度,力求将误差降为最小。

这一部分研究是在宏、大、小规模上研究剩余油的分布。具体研究内容及方法如下。

(1)驱油效率与波及系数计算

一般在油藏、油田、油区甚至在全国的范围内进行研究,求出驱油效率与波及系数的平均值,以提供剩余油的宏观分布特征,为挖潜方向的决策提供依据。

(2)三维地震方法

在油田开发中主要有两方面的作用:一是在高含水期油田或老油区中寻找有利的原油富集地区。利用三维地震等综合解释技术进行精细油藏描述,改善了开发效果的例子不胜枚举。二是监测油田开发过程。

(3)油藏数值模拟方法

利用油藏数值模拟研究油层饱和度,可以计算整个油层中饱和度在空间上和随时间的变化,并可预测未来饱和度的变化,因此有很大的实用价值。这一方法主要用于两方面:①利用动态拟合的方法确定实际油藏中的含油饱和度分布,直接指导生产,这已在国内外油田开发中普遍使用;②进行不同地质条件、不同驱动方式油层内饱和度分布的机理研究,我国早在1980年就应用这种技术,揭示了微旋回性对水驱油层饱和度分布的定量影响。

(4)动态分析方法

动态分析是利用油田生产的各种数据和测试资料来研究剩余油分布,是一种直接而方便的方法。根据研究结果采取的调整措施,特别是单井调整措施,往往迅速见效,因而在我国应用十分普遍。早在1965年,由玉门石油管理局采油科学研究所和中国科学院兰州地质研究所合作研制了一套小层动态分析方法,对我国第一个注水油藏—老君庙油田L层的剩余油分布进行了研究,取得很大成功。国外研究者对动态分析方法也十分重视,例如前苏联就提出了称之为水动力学的方法,用于确定剩余油饱和度;文献介绍了用不稳定试井资料制作油层饱和度图的方法。

(5)沉积相方法

油层的沉积相类型以至层理等微沉积相类型不同,在注水开发后都会形成特定的剩余油分布特点。河道沉积是我国陆相沉积油田中最普遍的一种沉积类型,又可分为河床相、过渡相、河漫相。油层注水后,注入水首先沿河床相主流线底部高渗透部位急剧突进,使剩余油分布在河床相上部中低渗透部位和河漫相中。因此河床相的生产井水淹后,封堵出水层或转注,将有利于剩余油的开采,改善开发效果。我国许多油田都采用了这套方法并见到成效。

(6)检查井、观察井研究方法利用油基泥浆取心、密闭取心和大直径取心方法,在水淹油层取心,研究剩余油的分布,这种常用的方法在我国已大量使用。利用取心资料的试验果,可以用于多方面的研究,例如提高采收率方法的油层饱和度评价,为水淹层饱和度的测井解释提供基础资料,为研究注水后油层参数的变化提供基础数据,以及为剩余油的微观研究提供实物等。这种岩心的剩余油研究虽属于“小规模”范畴,但由于它的价值巨大而倍受重视。通过观察井研究油层含油饱和度的变化和底水油藏油水界面的变化,是一种直接而又准确的方法,在油田开发特别是底水驱油藏的开发中起着重要的作用。例如我国底水驱的碳酸盐岩油田—任丘油田共设油水界面观察井8口,在研究水淹区采出程度、岩块渗吸作用、水驱波及体积等方面提供了许多重要的数据,使任丘油田的数模生产动态拟合达到了很高的水平和准确度。1

剩余油分布影响因素剩余油分布主要受静态储层(地质的)和动态注采状况(开发的)双重因素影响。储层因素是根本的、内在的因素,注采状况是影响剩余油分布的外部因素。地质因素主要由储层的非均质性决定,如储层砂体的孔隙结构、渗流系数、存储系数、矿物成分、韵律类型、润湿性、沉积相,等等。注采状况指层系的组合与划分、井网布置、射孔方案、注采强度以及开发方式、开采时间等 剩余油分布影响因素。1

地质因素（1）断层控制剩余油的分布。

a、断层边角部位剩余油富集。苏北盆地多为小断块油藏，断层发育，且多为多油水系统，靠近断层的构造高部位控制井少，注水波及小，因此为剩余油分布的重要场所。

b、小断层遮挡作用形成剩余油富集。对于复杂断块油田开发后期，低级序小断层对剩余油的分布具有重要的控制作用。由于小断层的遮挡，在其两盘可能有剩余油富集。我们可通过三维地震精细解释、精细地层对比、微构造以及动态矛盾来识别低级序小断层。

（2）微构造控制剩余油的分布。

微型构造是在圈闭构造背景上油层顶面（底面）细微的起伏变化，主要为正向构造、负向构造及斜面构造。微型构造影响剩余油分布的理论依据是油层倾角及油水重力分异对注水开发的影响，使水线推进的速度趋于在平面上均匀分布，油水按重力分异，在构造高部位就留存较多的剩余油。如果微型构造的高部位没有井控制，就会形成剩余油富集区。微型构造的局部起伏形态及幅度大小直接影响剩余油的分布。

（3）储层非均质控制剩余油分布。

从宏观的角度分析，剩余油的形成是储层非均质性对水驱油过程控制作用的综合体现。研究表明，决定石油采收率的基本地质因素是储层的非均质性。非均质性可以分为平面、层间和层内非均质性。

a、平面非均质影响，储层边缘相带物性差，水驱效果较差，剩余油富集。不同的沉积微相形成的沉积砂体具有不同的渗流物性，因此可以说沉积微相控制着注入水在油层中的运动，它是影响剩余油平面分布的主要因素，如主河道等高渗流区，受注水波及程度高，采出程度也高，次河道及河道间等相对低渗流区剩余油富集。

b、层内非均质性影响，正韵律油层顶部剩余油富集。地层沉积韵律控制着储层垂向渗透率的变化。油层一般是由几个沉积单元叠加而成的多段、多韵律沉积，受油水重力分异作用的影响，当高渗部位位于砂体下部时，注入水沿少量高渗层突进，水驱纵向波及系数小，在油层顶部存在大量的剩余油。岩心分析资料表明：在正韵律油层水驱过程中，底部高渗透部位水淹严重，向上水淹程度逐渐减轻，从而在多个沉积单元叠加的油层剖面上表现出多段水淹的特征。

c、层间非均质性影响，开发层系内相对低渗透层剩余油富集。层间非均质性形成剩余油的机理与层内非均质性形成剩余油的机理相似。由于层间渗透率的差异，开发层系内物性好的油层多采多注，注入水沿着高渗透层推进，低渗透层水驱效果差，从而造成低渗透层储量动用差，剩余油富集。

（4）厚油层夹层对剩余油分布的影响。

厚油层中由于夹层的阻隔作用，形成夹层顶部遮挡型和上下隔层夹持型剩余油类型。在层内发育有连续稳定的岩性或物性夹层的情况下，在紧靠夹层的下部或夹层之间物性相对较差的区域形成一定剩余油分布，由于隔夹层的存在造成油井多段水淹核。

开发因素1）断层控制剩余油的分布。

a、断层边角部位剩余油富集。苏北盆地多为小断块油藏，断层发育，且多为多油水系统，靠近断层的构造高部位控制井少，注水波及小，因此为剩余油分布的重要场所。

b、小断层遮挡作用形成剩余油富集。对于复杂断块油田开发后期，低级序小断层对剩余油的分布具有重要的控制作用。由于小断层的遮挡，在其两盘可能有剩余油富集。我们可通过三维地震精细解释、精细地层对比、微构造以及动态矛盾来识别低级序小断层

（2）微构造控制剩余油的分布。

微型构造是在圈闭构造背景上油层顶面（底面）细微的起伏变化，主要为正向构造、负向构造及斜面构造。微型构造影响剩余油分布的理论依据是油层倾角影响剩余油分布的开发因素主要包括注采井网、生产压差等。

（1）注采井网不完善。井网因素主要表现为井网及注采系统对储量的控制程度以及对油层非均质性的适应程度，最重要的是注采系统的完善程度及其与地质因素的配置关系。对于砂体分布不稳定的油层，由于砂体发育不稳定，或规模小现有井网对油层控制程度低，造成注采不完善，或是有注无采，或是有采无注，从而形成剩余油。另外，宽度小于目前的注采井距的砂体形成的“漏网”部分非主力层、井网控制差、储量未很好动用以及被井钻遇而未采或无井控制的油层，都成为油田开发后期剩余油富集的重要部位。

（2）生产压差不合理。生产压差过小满足不了补充地层能量及产能的需求，生产压差过大导致注入水平面上沿主流线突进，纵向上单层突进，结果油井暴性水淹，水驱动用程度不高、驱油效率低，剩余油富集。1

剩余油分布规律及分布模式（1）分布规律

一般来说剩余油主要存在于3个部位:构造高部位、砂岩边部和断层附近。但剩余油的形成和分布受各种因素的影响,因此,其分布模式存在多样化,不同的油田区块、不同的地质环境和开发方式,其剩余油的分布模式不同。剩余油的纵向分布与砂体的韵律、开采方式、井网布置和层系划分有关。如果是正韵律注水开采,剩余油一般分布在油层的中上部,且易出现水淹,如果是利用底水能量开采,同样剩余油也会分布在上部,这种方式易出现底水锥进。剩余油横向分布特征主要受沉积岩相、构造部位、开采时间和开采方式的影响。构造高部位易形成剩余油富集区的主要因素是重力作用。

（2）分布模式

研究剩余油的分布模式可以更好地确定剩余油的富集部位,有的放矢地采取挖潜措施。不同的研究单位和个人划分的模式不尽相同,总结归纳如下。前苏联从宏观和微观综合划分为滞留带中的剩余油、毛管力束缚的残余油、岩石表面的残余油、低渗层和绕流带的剩余油、未钻透镜体剩余油和断层遮挡形成的剩余油。胜利油田根据河流相分为6种模式:水洗区剩余油、弱水洗区剩余油、未动用的薄油层、开发造成的剩余油、微型圈闭内的剩余油和断块外延棱形剩余油。韩大匡院士根据剩余油富集区的形成条件将其分为8种类型。俞启泰教授根据剩余油存在的地区将其分为断层附近、构造高部位等6种,同时确定出了注水油藏未波及剩余油的3大富集区:

①注水高粘正韵律油层顶部未波及剩余油;

②边角影响未波及剩余油;

③层系内由于各小层物性差异开采不均衡形成的未波及剩余油。由于剩余油的分布规律受地质和开发等诸多因素的影响,不同的油田或区块、不同的开发方式就会有不同的剩余油分布模式,各油田应根据自己的实际情况划分剩余油的分布模式,采取相应的挖潜措施。1

剩余油主要研究技术(1)油藏精细描述技术

油藏描述就是对油藏进行综合研究和评价。它是以沉积学、构造地质学、储层地质学和石油地质学的理论为知道，综合运用地质、地震、测井和试油试采等信息, 最大限度地应用计算机手段, 对油藏进行定性、定量描述和评价的一项综合研究方法和技术。其任务在于阐明油藏的构造面貌、沉积相和微相的类型和展布, 储集体的几何形态和大小、储层参数分布和非均质性及其微观待征、油藏流体性质和分布, 乃至建立油藏地质模型、计算石油储量和进行油藏综合评价。

油藏描述技术的综合性、定量化和广泛使用计算机手段是该项技术最突出的特色, 它涉及多种学科的专业知识。从科研和生产实践来看, 油藏描述是以多学科的理论为指导, 综合应用多种信息, 最大限度地应用计算机手段, 对油气藏进行综合研究和描述。它是综合应用地质、地震、测井和油藏工程等资料, 研究全油田的构造面貌、储集层的几何形态和岩性岩相、储层微观特征、流体性质和分布规律, 定量描述储层参数的空间分布规律、储层非均质性, 计算油气地质储量, 建立油藏地质模型, 进行油藏评价, 研究油田开发过程中油藏基本参数的变化, 从而实现对全油田油气藏进行静态和动态的详细描述。

从长期的科研实践来看, 特别是对那些复杂的油气藏, 要正确揭示地下油藏的规律, 必须利用多种手段和多种信息, 以多学科的理论为指导, 才能做好油藏的综合研究和描述, 达到预期的目的。故油藏描述的方法和技术涉及的内容很广, 概括起来说, 可分为油藏描述的地质技术、油藏描述的地震技术、油藏描述的测井技术和油藏描述的计算机技术等4 个方面。上述4 个方面的技术目的是相同的，即对油藏进行整体或局部、宏观或微观、静态或动态的研究, 去揭示复杂油藏的地质问题。由于各个技术属于不同的学科, 所应用的原理、方法、手段和信息各不相同, 所以, 它们揭示油藏问题的侧面也是不同的。

油藏描述技术发展至今已日趋完善, 实现了从宏观到微观、从定性到定量、从二维到三维、从静态到动态的油藏描述, 标志着油藏研究进入了一个新阶段——精细油藏描述。精细油藏描述技术现已得到我国东西部油田的广泛应用。其中, 储层描述技术、储层岩石物理相技术、河流相砂岩储层建模及测井约束反演储层预测技术、微构造研究技术、沉积微相定量描述技术、水淹层测井精细解释技术、剩余油描述及潜力评价技术等已迅速得到发展, 并在高含水、特高含水期整装、断块和低渗透等油藏进行调整挖潜中发挥越来越重要的作用。2

(2)油藏精细数值模拟技术

油藏数值模拟技术从20 世纪50 年代开始研究至今, 已发展成为一项较为成熟的技术。在油田开发方案的编制和确定、油田开采中生产措施的调整和优化以及提高油藏采收率方面, 已逐渐成为一种不可欠缺的主要研究手段。油藏数值模拟技术经过几十年的研究, 有了很大的改进, 越来越接近油田开发和生产的实际情况, 油藏数值模拟技术随着在油田开发和生产中的不断应用, 并根据油藏工程研究和油藏工程师的需求, 不断向高层次和多学科结合发展。

近年来, 油藏数值模拟技术在各个方面得到了不断完善, 数值模型的自动化建模技术、精细建模与模拟计算中时间步精确控制技术、模拟参数场的交互更新技术以及工艺措施拟合的数字化技术也逐渐应用于油藏数值模拟研究。3

(3)动、静态描述相结合技术

国内过去开展的油藏描述侧重于静态描述。它主要利用原状地层参数, 建立概念模型和静态模型。而开发后期的剩余油分布研究则必须开展动、静态相结合的精细油藏描述, 在研究工作中充分利用动、静态资料, 考虑储层及流体参数在注水开发过程中的动态变化。动、静态相结合的油藏描述要求地质模型和数值模拟进行一体化研究, 在油层描述和油井动态分析基础上, 研究宏观剩余油分布。

(4)多学科结合技术

特高含水期油藏油水关系十分复杂, 剩余油分布研究难度很大, 仅凭单一学科预测剩余油分布存在很大局限性, 只有应用多学科理论、方法和技术才有可能准确地预测剩余油分布。多学科综合研究要求最大限度地采用综合信息, 地质、地球物理和油藏工程等不同专业的专家共享一个数据库, 以统一的地质模型为媒介, 以预测剩余油分布为目的, 紧密配合, 协同攻关。要求每一学科从其他学科不可替代的侧面为预测剩余油分布提供依据, 而且允许各学科从自身角度出发来评价本学科和其他学科对剩余油分布进行预测的结果是否一致。

(5)系统分析技术

在油田生产开发中, 可以将油田看作一个大系统, 在此系统中, 油水井生产动态是系统内各种因素作用的宏观表现; 构造因素、沉积相、储层物性、流体性质及开采中的水驱状况则是控制系统变化规律的微观因素。微观因素发生变化, 必然会在井的宏观动态上反映出来, 反之井的生产动态发生变化时, 则反映系统内的微观因素发生了变化。要解决非均质砂岩油藏进入高含水阶段的油田改造难题,必须按照“系统工程”的原则, 从油藏描述和沉积要素与剩余油分布关系着手, 建立包括油藏地质分析—油藏工程研究—油藏数值模拟—水驱历史拟合—油藏精细综合描述—剩余油的四维分布(时空分布关系) —适宜的调整措施—3 次采油等在内的配套技术, 才能正确认识油藏的生产潜力, 提高油藏采收率。1