海上油田污水回注技术与应用

探讨了通过库伦－摩尔滑动准则精确计算出断层活 化 的 压 力 的 方 法 ，然 后 针 对 油 田 断 层 分 布 情 况 、 储 层 发
育特点以及实际污水回注需求量，优化设计污水回注井位，预测出地层压力变化，确保安全生产。该方
法为安全污水回注提供了理论依据，目前在渤海油田已经推广和应用。
［关键词］ 污水回注；断层；封闭性；活化；地层压力
因此，断层封堵性研究 ， ［５－６］ 主要是对油田内部是 否 存 在 大 的 通 天 断 层 进 行 摸 排， 然 后 针 对 通 天 断 层计算出对应的断层失稳压力，也就是活化需要达到的压力。 “通 天” 断 层， 即 断 至 平 原 组 的 断 层。 通 过三维地震资料解释、相干分析及地层对比，落实油田内部通天断层及与通天断层搭界的断层分布范 围，是污水回注研究的关键。
通过馆陶组构造图可知，在 ＢＺ２６－２油田周边断裂系统比较发育，共解释出５条断层。从过南北向地
［收稿日期］２０１４－０３－１０ ［作者简介］ 何芬 （１９８０－），女，工程师，现主要从事油气田开发管理方面的研究工作。
第１１卷 第２６期
何芬：海上油田污水回注技术与应用
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震剖面 （见图１），可以看出其中 Ｆ１、Ｆ５为通天断层，Ｆ３、Ｆ４ 为与通天断层搭接的大断层，Ｆ２ 为 次生 小断层。
平主应力 首先通过对整
个渤 海 湾 盆 地 选 取 具 有 代
表性的 蓬 莱 １９－３ 油 田 的 岩
样做 构 造 地 层 应 力 分 析 实
验，从而 得 到 构 造 应 力 系
数 。 ［９－１０］ 然 后 通 过 ＢＺ２６－２ 油田探 井 的 横、纵 声 波 测
井［１１］ （见图 ３）， 分 别 计 算
图 １ 断 层 分 布 示 意 图
２ 断层失稳压力计算
２．１ 库 伦 －摩 尔 滑 动 准 则
目前业界已经开始将岩土力学
基本 的 库 伦－摩 尔 屈 服 准 则 理 论 应
用到断层稳定性研究中。笔者就如
何计算断层活化的临界压力作为研
究重点。
对于巨型岩体，当断层断至海
底时 （内聚力为０），库伦滑动准则
第１１卷 第２６期
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水量７５０ｍ３。Ａ７井日注水量已经接近饱和，井口压 力 高 达 到 １１．５ＭＰａ，通 过 酸 化 解 堵 后 ［７］ 仍 不 能 解 决
井口压力高的问题。并且随着相邻４个油田日产水量不断增加，该井设计最大回注量远不能满足油田群
长期安全生产需求，预 计 油 田 群 日 产 水 量 高 峰 值 将 达 到 １２７８ｍ３。 通 过 污 水 回 注 研 究 发 现，Ａ７ 井 距 离
（５）
要通 过 库 仑－莫 尔 滑 动 准则 计 算 断 层 失 稳 压 力，
需确定其他几项参数。
１） 断 层 倾 角、 摩 擦 系
数 通 过 地 震 资 料 解 释， 很 容 易 得 到 断 层 倾 角 、 ［８］
摩擦系 数。根 据 渤 海 油 田
实 际 情 况 选 取 经 验 值 ０．６。
２） 断 层 最 大、 最 小 水
τ ＝μ（σｎ －Ｐ０） 式中，μ 为摩擦系数；Ｐ０ 为临界地层压力，ＭＰａ。
（３） （４）
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石油中旬刊＊油气田开发工程
２０１４ 年 ９ 月
则临界失稳压力 ΔＰ：
ΔＰ ＝ Ｐ０ －Ｐｐ ＝σｎ － τ －Ｐｐ μ
式中，Ｐｐ 为地层压力，ＭＰａ。
２．２ 计 算 参 数 的 选 取
［参 考 文 献 ］
［１］ 张安，程汉东 ．环保注水－油田污水治理的新途径 ［Ｊ］ ．安全与环境工程，２００３，１０ （４）：２８－３０． ［２］王蓓蕾，吴新民，张喜凤 ．五里湾一区回注水与储层配伍性研究 ［Ｊ］ ．断块油气田，２００９，１６ （２）：１０６－１０８． ［３］刘 鹏，何彦君，胡均志，等 ．污水回注井 ＤＬ－Ｃ２井运行效果评价 ［Ｊ］ ．石油化工应用，２０１２，３１ （８）：１０６－１０９． ［４］窦松江，赵平起 ．断层封闭性在油田开发中的应用 ［Ｊ］ ．断块油气田，２０１０，１７ （１）：２８－３０．
Ｆ３断层较近，如果再继续加大注水，存在风险。综合地质油藏研究，Ａ７井停止污水回注， 考虑在油田
内部新增加１口污水回注井 Ａ１Ｓ１。
馆陶组 储 层 稳 定 发 育， 为 油 田 主 要 生 产 层 位，
设计 Ａ１Ｓ１井 回 注 层 位 仍 然 为 馆 陶 组， 实 现 有 采 有
注，尽 量 降 低 风 险； 设 计 井 位 远 离 Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４、
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长 江 大 学 学 报 （自 科 版） ２０１４年９月号石油中旬刊 第１１卷 第２６期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｔ Ｓｃｉ Ｅｄｉｔ） Ｓｅｐ．２０１４，Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．２６
海上油田污水回注技术与应用
何 芬 （中海石油 （中国） 有限公司天津分公司，天津 ３００４５２） 李 涛 （中石油大港油田分公司勘探开发研究院，天津 ３００２８０） 马奎前，张建民，蔡晖 （中海石油 （中国）有限公司天律分公司，天津 ３００４５２）
３） 污水回注井应远离通天断层和与通天断层搭接的断层，尽量 实 现 储 层 内 有 注 有 采， 避 免 出 现 注 入水外溢。必须对污水回注井井口压力以及地层压力做好动态监测工作，地层压力要严格控制，绝对不 能达到使断层活化的失稳压力值，以确保安全生产。
４） 目前该研究方法，在渤海油田已经被推广应用，效果显著。
Ｆ５这４条断层。通过 论 证， 采 用 Ａ７ 井 实 际 米 吸 水
指数０．９２ｍ３／（ＭＰａ·ｄ·ｍ），Ａ１Ｓ１ 井 最 大 日 注 污
水能力达３５００ｍ３，完全能满足油 田 群 未 来 ２０ａ生 产
需求量。通过油藏数值模拟方法，预测出随着油田
开发进行，馆陶组地层压力的变化情况。
研究表明，馆 陶 组 生 产 层 位 原 始 地 层 压 力 为
［摘要］ 海上油气随着开采进行，产出污水量会不断增加，甚 至 可 能 超 出 平 台 已 有 的 污 水 处 理 能 力 ， 这 就
迫切需要增加污水回注井，将生产污水经平 台 简 单 处 理 后， 回 注 进 地 层， 以 满 足 环 保 的 要 求。 以 ＢＺ２６－２
油田为例，提出了海上油田污水回注研究思路与方法：通过静态、油藏工程、油藏数值模拟方法，首先
为此，笔者以渤海 ＢＺ２６－２油田为例，进行了海上油田污水回注研究。ＢＺ２６－２油田位于渤海南部海 域，是在潜山披覆构造背景上形成的复合油气藏，油田主力含油层段为馆陶组 （Ｎｇ）、东营组 （Ｅｄ） 及 太古界潜山，开采层位主要是馆陶组。馆陶组为构造层状油藏，边、底水发育，天然能量非常充足。油 田 于 ２００４ 年 投 入 开 发 ， 馆 陶 组 地 层 压 力 略 有 降 低 。
可以用于工 区 断 层 稳 定 性 分 析 （见
图 ２）。
断层在形成过程中，一般受到
正应力和剪 应 力 ２ 种 作 用 ， ［７］ 计 算 公式如下：
图 ２ 库 伦 －摩 尔 滑 动 准 则 示 意 图
σｎ
＝
（σ１ ＋σ３）－
（σ１ －σ３）ｃｏｓ２α ２
（１）
τ ＝
（σ１ －σ３）ｓｉｎ２α ２
因此，设计污水回注井时，必须遵循的原则就是设计井位必须远离 Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５断层，同时污
水注入地层后，地层压力要严格控制，绝对不能达到使断层活化的失稳压力值，以确保安全生产。
３ 应用效果
ＢＺ２６－２油田馆陶组天然能量非常充足， 目前地层压降 ０．７ ＭＰａ， 通过物资平衡法计算水体倍数为 ３２０。目前已有１口污水回注井 Ａ７井，回注层位 为 馆 陶 组 地 层， 该 井 距 离 Ｆ３ 断 层 只 有 １５０ｍ， 日 注 污
１ 断层封闭性
原始断层的封闭性在空间上表现为２个方面：①断层的侧向封堵性，即断层面在测向上阻止流体穿 越断层运移的能力；②断层的垂向封闭性，即断裂物质阻止流体沿断裂带纵向运移的能力。而随着污水 回注的进行，地层压力会发生变化，当地层压力增加到一定程度，通天断层就会出现活化现象，断层的 封堵性变差，断层附近的注水井注入的污水就侧向进入断层，顺着断面垂向上升，发生外溢。如果发现 不及时，继续注水，就会发展成严重的海底溢出事件。
表 １ 馆 陶 组 断 层 失 稳 压 力 计 算 表
断层 Ｆ１
断面倾角 ／ （°） ５６
最大水平
最小水平 临界地层压
主应力／ＭＰａ 主应力／ＭＰａ ／ＭＰａ
５０
３９
３９．１
失稳压力 ／ＭＰａ １５．５
Ｆ３ ５６
３９．１
１５．５
Ｆ４ ５６
３９．１
１５．５
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Ｆ５ ５８
２１．６ＭＰａ，２０１３年测地层压力为 ２０．９ＭＰａ， 目前地
层 压 降 为 ０．７ＭＰａ。 污 水 回 注 井 Ａ１Ｓ１ 井 生 产 至 ２０３１年，地层 压 力 达 到 ２３．０２ＭＰａ， 与 原 始 静 压 相
图 ４ 馆 陶 组 地 层 压 力 预 测
比上升１．４２ＭＰａ （见图４），远小于通天断层失稳压力１５．５ＭＰａ。该井投 产 后， 能 确 保 安 全 生 产， 同 时
（２）
式中，σｎ 为正应力，ＭＰａ；τ为剪应力，ＭＰａ；σ１ 为最大水平主应力，ＭＰａ；σ３ 为最小水平主应力，ＭＰａ；α 为断 面倾角。
根 据 库 伦 滑 动 准 则 ，断 层 沿 着 断 面 开 始 滑 动 应 满 足 下 式 ：
τ ＝τ０ ＋μ（σｎ －Ｐ０） 当断层断至海底时，内聚力τ０ 视为０，即τ０ ＝０，依据库伦滑动准则：
能满足油田群生产需要。目前 Ａ１Ｓ１井已经顺利实施。
４ 结论
１） 污水回注研究的关键是随着注入时间、注入总量的增加， 地 层 压 力 会 发 生 变 化， 要 避 免 断 层 活 化，注入水外溢发生。
２） 对油田内部断层封堵性的研究是至关重要的，利用库伦－摩尔滑动准则计算断层活化的失稳压力 是科学合理的。
［中 图 分 类 号 ］Ｘ７３０．１；ＴＥ９９２．２
［文献标志码］Ａ ［文章编号］１６７３－１４０９ （２０１４）２６－０１１８－０４
随着油田开发进行，在生产过程中油气藏会伴随大量的地层污水产出，随着人类环保意识的不断加 强，为了防止生产水污染和解决产出污水不断增加的问题 ，产出污水回注到地层 已 ［１］ 经被越来越多 的 油 气田所采用。国内外许多油田开发管理工作者曾进行了污水回注研究，大多都是对已有的污水回注井进 行注入水配伍性、酸化解堵、管柱工艺等方面，针对如何提高回注井的运行效果，降低注水井注入压力 进行研究 。 ［２－３］ 随着注水时间、污水回注总量的不 断 增 加， 地 层 压 力 会 随 之 产 生 变 化， 必 须 严 格 控 制 地 层压力低于通天断层活化的压力，才能确保不出现注入水外溢 ， ［４］ 即因为断层活化，引起的断层封 闭 性 变差，导致注入水先侧向进入断层，然后沿断面垂直上升，发生注入水外溢现象。通过研究，达到科学 合理设计污水回注井井位，确保油田安全生产的目的。
３９．７
１６．０
压力为１５．５ＭＰａ，Ｆ５ 断 层 的 失 稳 压 力 为 １６．０ＭＰａ。 结 果 表 明， 一 旦 地 层 压 力 比 原 始 地 层 压 力 高
１５．５ＭＰａ，Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４这３条断层就可能活化，断层附近污水回注井的注入水外溢，注入污水侧向进入断
层，然后沿着断面垂向上升，达到一定量后就从海底溢出。
出 ＢＺ２６－２油田 不 同 深 度 对
应的 最 大 水 平 主 应 力 和 最
小水平 主 应 力。计 算 出 油
田馆陶组 地 层 深 度 ２４３５ｍ，
对应最大水平 主 应力为
５０ＭＰａ，最 小 水 平 主 应 力
为 ３９ＭＰａ。
图 ３ ＢＺ２６－２－１ 井 声 波 测 井 曲 线
２．３ 计 算 结 果 分别将确定的上述计算参数，代入式 （１）、 （２）、 （４）， 通 过 计 算 得 到 ４ 条 断 层 在 馆陶组的临 界 地 层 压 力 最 小 ３９．１ＭＰａ，最 大３９．７ＭＰａ （见表１），馆陶组原始地层压 力为２３．６ＭＰａ， 通 过 式 （５） 计 算 出， 馆 陶组地层 Ｆ１、Ｆ３ 和 Ｆ４ 这３ 条断层的失稳