稠油油藏水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)

楊 兵，李敬松，張賢松，姜 杰，宮汝祥

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300450；2.中海石油研究總院，北京100010）

稠油油藏水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)

楊 兵1，李敬松1，張賢松2，姜 杰1，宮汝祥1

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300450；2.中海石油研究總院，北京100010）

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)是一項(xiàng)綜合利用水平井、二氧化碳、氮?dú)夂驼羝M(jìn)行稠油開(kāi)發(fā)的提高采收率新技術(shù)。根據(jù)稠油油藏的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了水平井多元熱流體吞吐實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，揭示了其提高采收率機(jī)理。與常規(guī)蒸汽吞吐相比，水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)具有3大優(yōu)勢(shì)：水平井可以提高注入能力與生產(chǎn)能力，且吞吐有效期長(zhǎng)；二氧化碳能有效降低稠油粘度和殘余油飽和度，提高驅(qū)油效率；氮?dú)饪梢詳U(kuò)大注入蒸汽波及范圍，降低注入蒸汽熱損失?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)，該技術(shù)可有效提高蒸汽的利用效率，降低注入壓力，提高油井產(chǎn)能，延長(zhǎng)吞吐有效期，能夠大幅度提高海上稠油產(chǎn)量。

稠油油藏水平井多元熱流體吞吐二氧化碳氮?dú)?/p>

中國(guó)渤海油區(qū)稠油儲(chǔ)量豐富，約占其石油地質(zhì)總儲(chǔ)量的70%。其中，相對(duì)密度大于0.92的稠油油藏約占80%；相對(duì)密度大于0.96且粘度大于150 mPa·s的稠油油藏約占40%［1］。目前海上稠油油藏主要采取冷采模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)效果不理想，主要表現(xiàn)為油井產(chǎn)量、采油速度和采出程度低。注蒸汽是提高稠油油藏開(kāi)發(fā)效果的有效手段［2］，但對(duì)于海上稠油油藏開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，受平臺(tái)空間、載重、經(jīng)濟(jì)等因素限制，常規(guī)注蒸汽開(kāi)發(fā)實(shí)施難度較大［3］。

為有效提高海上稠油油藏采油速度，增加稠油油藏產(chǎn)油量，筆者借助小型化熱采設(shè)備，開(kāi)展了水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)技術(shù)研究，對(duì)水平井及多元熱流體各組分的提高采收率機(jī)理進(jìn)行了分析，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)氣汽比、二氧化碳含量、注汽強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化。該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果，為海上稠油油藏?zé)岵砷_(kāi)發(fā)提供了技術(shù)借鑒。

1 技術(shù)綜述

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)是利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噴射原理生成多元熱流體并由井口注入水平生產(chǎn)井內(nèi)，以提高稠油油藏水平井開(kāi)發(fā)效果。多元熱流體主要由二氧化碳、氮?dú)夂驼羝M成。綜合利用蒸汽和氣體的能量及驅(qū)油作用，結(jié)合水平井開(kāi)采，發(fā)揮熱量和氣體在油層中的混合傳質(zhì)作用，進(jìn)而降低稠油粘度，提高原油流動(dòng)性，擴(kuò)大蒸汽波及體積，增加驅(qū)油動(dòng)力，降低殘余油飽和度，最終達(dá)到提高油井產(chǎn)油量、改善開(kāi)發(fā)效果的目的。

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)的主要工藝流程包括：①下注熱管柱。下入隔熱油管，安裝熱采井口，為多元熱流體注入做好準(zhǔn)備。②注入多元熱流體。連接地面注熱管線(xiàn)，按設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)水平井井口向井筒內(nèi)注入多元熱流體，注入過(guò)程中注意觀察井口油套壓變化及井口滲漏情況，以便及時(shí)調(diào)整注熱參數(shù)。③燜井。當(dāng)注入的多元熱流體達(dá)到設(shè)計(jì)注入量時(shí)，在井口安裝耐溫壓力表，開(kāi)始燜井。燜井時(shí)間一般取方案設(shè)計(jì)時(shí)間。燜井過(guò)程中應(yīng)注意觀察井口壓力變化并以此對(duì)燜井時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。④放噴。采用油嘴進(jìn)行放噴。放噴初期應(yīng)適當(dāng)控制油嘴大小以防止出砂，并每隔8 h進(jìn)行一次含砂測(cè)量，進(jìn)而確定合理的油嘴大小。⑤下泵轉(zhuǎn)抽。當(dāng)油井停噴且井口無(wú)壓力時(shí)，進(jìn)行壓井作業(yè)，拆熱采井口，起注熱管柱，下入生產(chǎn)管柱，進(jìn)入機(jī)采階段。

2 提高采收率機(jī)理

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)主要由水平井、注蒸汽、注二氧化碳和注氮?dú)?個(gè)關(guān)鍵部分組成，須針對(duì)各組成部分提高采收率機(jī)理分別進(jìn)行研究。

2.1 水平井

稠油油藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于地層原油粘度大，流動(dòng)性差，使得油藏與井筒之間的生產(chǎn)壓差大，極易導(dǎo)致邊底水突進(jìn)，影響油井正常生產(chǎn)。水平井較長(zhǎng)的水平井段增加了井筒與油藏的接觸面積，在較小的生產(chǎn)壓差下即可獲得較高的油井產(chǎn)能，對(duì)邊底水的突進(jìn)有很好的抑制作用，因此目前廣泛應(yīng)用于稠油油藏的開(kāi)發(fā)［4-6］。

與直井相比，水平井與油層接觸面積大，進(jìn)行多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)時(shí)，可提高注入能力和生產(chǎn)能力。通過(guò)渤海油區(qū)N油田水平井與直井注采參數(shù)對(duì)比（表1），分析認(rèn)為水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)相對(duì)于直井具有以下特點(diǎn)：①吸汽能力強(qiáng)，注入速度高，水平井注入速度約為直井的4倍；②注入壓力低，注入量大。水平井單位井段的注入強(qiáng)度大幅降低，注入壓力低，油層壓力傳播快，周期注入蒸汽量大；③產(chǎn)油能力強(qiáng)，有效期長(zhǎng)。多元熱流體吞吐后，水平井日產(chǎn)油能力為直井的3.6倍，周期產(chǎn)油約為直井的20倍，水平井生產(chǎn)有效期為376 d，而直井僅為40 d。

表1 渤海油區(qū)N油田直井與水平井注采參數(shù)對(duì)比

2.2 注蒸汽

稠油油藏注蒸汽開(kāi)發(fā)，主要是利用蒸汽對(duì)稠油的加熱降粘作用、對(duì)油層的解堵作用以及對(duì)油水相對(duì)滲透率的改變，進(jìn)而改善孔隙滲流能力，增強(qiáng)稠油油藏的流動(dòng)性。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究分析了溫度對(duì)稠油粘度的影響，及蒸汽對(duì)油水相對(duì)滲透率的改變。

加熱降粘作用 向油層注入高溫、高壓蒸汽后，蒸汽有效加熱半徑內(nèi)地層溫度升高，將油層及原油加熱。由于稠油對(duì)溫度有較強(qiáng)的敏感性，受熱后粘度大幅降低。根據(jù)渤海N油田粘度測(cè)試數(shù)據(jù)，隨溫度增加，原油粘度急劇降低，200℃時(shí)原油粘度僅為9.3 mPa·s，較50℃時(shí)粘度（1 279 mPa·s）降低近137倍。

蒸汽對(duì)油水相對(duì)滲透率的改變 向油層注入高溫、高壓蒸汽后，受蒸汽高溫作用，巖石表面的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)極性油膜被破壞，潤(rùn)濕性發(fā)生改變，油層由親油變?yōu)槠H水或弱親油［7］。由圖1可以看出，溫度越高，束縛水飽和度越高；在相同含水飽和度下，溫度越高，油相相對(duì)滲透率越高，而水相相對(duì)滲透率越低。

圖1 不同溫度下蒸汽驅(qū)油水相對(duì)滲透率曲線(xiàn)

2.3 注二氧化碳

二氧化碳作為一種有效的驅(qū)油劑，其提高采收率機(jī)理主要包括：溶解降粘、膨脹驅(qū)替、降低油水界面張力、改善儲(chǔ)層物性和溶解氣驅(qū)等。

溶解降粘 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溶解氣油體積比及飽和二氧化碳條件下稠油粘度的變化。由圖2可以看出，隨著溶解氣油體積比增加，原油粘度大幅降低。當(dāng)溫度為56℃時(shí)，原油粘度由463.87 mPa·s降至78.88 mPa·s，降幅為83%；當(dāng)溫度為180℃時(shí)，由于受加熱降粘影響降粘幅度有所降低，約為50%。由圖3可以看出，飽和二氧化碳的原油粘度隨溫度升高逐漸降低，與脫氣原油粘溫曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致。低溫時(shí)，飽和二氧化碳的原油粘度較脫氣原油大幅降低；高溫時(shí)，受熱作用影響，二者差別不大。由此可見(jiàn)，二氧化碳對(duì)稠油具有很好的降粘效果。稠油溶解二氧化碳后，粘度大幅降低，減小了原油向井底流動(dòng)過(guò)程中的滲流阻力，提高了油水流度比，從而增加了油井產(chǎn)油量，改善了吞吐開(kāi)發(fā)效果。

圖2 二氧化碳溶解對(duì)稠油粘度的影響

圖3 飽和二氧化碳的原油粘度與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

提高驅(qū)油效率 采用一維填砂模型進(jìn)行蒸汽驅(qū)和蒸汽—二氧化碳驅(qū)模擬實(shí)驗(yàn)。測(cè)得溫度分別為140，200和300℃時(shí)，蒸汽驅(qū)油效率分別為52.1%，62.5%和69.2%；蒸汽—二氧化碳驅(qū)油效率分別為67.4%，71.3%和73.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同溫度下蒸汽—二氧化碳驅(qū)替采收率均高于單純蒸汽驅(qū)采收率，低溫時(shí)采收率提高幅度大于高溫。這是由于二氧化碳溶于原油，使原油體積膨脹，有利于剩余油脫離巖石表面的束縛變?yōu)榭蓜?dòng)油，從而降低殘余油飽和度，提高驅(qū)油效率。

2.4 注氮?dú)?/p>

隔熱作用 氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)極低［8］，僅為0.028 W/（m·K）。稠油注熱吞吐開(kāi)發(fā)時(shí)，氮?dú)膺M(jìn)入地層后由于重力分異作用分布在油層上部，形成隔熱層，減少了蒸汽向上覆巖層的傳熱速度，提高了注入蒸汽的利用效率。

增加熱波及體積 氮?dú)庥捎谄淞己玫臐B透性，且膨脹系數(shù)大，與蒸汽一同注入地層后體積膨脹，可將蒸汽推至地層深處，擴(kuò)大蒸汽加熱半徑，增加蒸汽的波及體積，進(jìn)而提高吞吐效果［9］。

對(duì)稠油粘度的影響 氮?dú)庠谠椭腥芙饪山档统碛驼扯?，提高其流?dòng)性，其粘度降低幅度取決于氮?dú)庠诔碛椭械娜芙舛龋?0］，隨著溶解度增加，原油粘度降低。與二氧化碳相比，氮?dú)饨嫡衬芰ι圆睢?/p>

3 數(shù)值模擬

采用CMG數(shù)值模擬軟件STARS模擬器對(duì)渤海油區(qū)N油田水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)進(jìn)行了模擬研究。所建立模型網(wǎng)格系統(tǒng)為50×50×10，網(wǎng)格步長(zhǎng)為10 m×10 m×1 m。油藏埋深為1 000 m，孔隙度平均為0.33，水平滲透率平均為4 500×10-3μm2，含油飽和度平均為0.65，油層平均厚度為8 m，地層原油粘度為660 mPa·s。

3.1 氣汽比

模擬研究氣汽比分別為10，50，100，200和300 m3/t時(shí)，水平井多元熱流體吞吐的開(kāi)發(fā)效果，由模擬結(jié)果（圖4）可看出：隨著氣汽比的增加，采出程度逐漸增加，當(dāng)氣汽比大于200 m3/t時(shí)，采出程度增幅減小。

圖4 不同氣汽比對(duì)水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)效果的影響

3.2 二氧化碳含量

與蒸汽驅(qū)相比，多元熱流體的組成中增加了氮?dú)夂投趸?，其增油效果取決于氮?dú)夂投趸嫉谋壤Ｓ赡M結(jié)果（圖5）可以看出，隨著氣體中二氧化碳含量的增加，多元熱流體吞吐效果逐漸變好。

圖5 二氧化碳含量對(duì)水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)效果的影響

3.3 注汽強(qiáng)度

在氣汽比為200 m3/t的情況下，模擬研究水平井段注汽強(qiáng)度分別為5，10，15，20和30 t/m時(shí)的水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)效果。由模擬結(jié)果（圖6）可以看出，隨著注汽強(qiáng)度的增加，采出程度逐漸增加，當(dāng)注汽強(qiáng)度大于15 t/m時(shí)，采出程度增幅減小。

圖6 注汽強(qiáng)度對(duì)水平井多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)效果的影響

4 應(yīng)用實(shí)例

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)在渤海油區(qū)N油田得到了成功應(yīng)用。自2010年第1口井實(shí)施作業(yè)以來(lái)，截至2012年底累積施工14井次，最高單井產(chǎn)油量達(dá)126 m3/d，為常規(guī)冷采的4倍；吞吐有效期為300～500 d，周期平均產(chǎn)油量為50～60 m3/d，約為冷采的2倍；累積增產(chǎn)原油約為6.5×104t，單井增產(chǎn)原油為6 000～10 000 t。實(shí)施水平井多元熱流體吞吐技術(shù)后，該油田的產(chǎn)油量由200 t/d增至600 t/d，采油速度大幅提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)是一項(xiàng)綜合了水平井開(kāi)采、二氧化碳非混相驅(qū)、氮?dú)夥腔煜囹?qū)和蒸汽吞吐等稠油開(kāi)采方法的新技術(shù)。水平井能夠降低注入壓力，提高注入能力和生產(chǎn)能力；二氧化碳在稠油中有較好的溶解性，可大幅降低原油粘度，提高稠油流動(dòng)能力，且能夠使稠油體積膨脹，提高巖石表面原油的可動(dòng)性，提高驅(qū)油效率；氮?dú)饩哂辛己玫臐B透性和隔熱性，可以擴(kuò)大蒸汽加熱半徑，降低薄層稠油油藏注熱過(guò)程中向頂?shù)讓拥臒釗p失，提高注入熱量的利用率?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，水平井多元熱流體吞吐高效開(kāi)采技術(shù)可有效改善稠油油藏開(kāi)發(fā)效果，其產(chǎn)能是冷采開(kāi)發(fā)的2～4倍，可以成為稠油油藏提高產(chǎn)量和采油速度的有效手段。

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編輯王 星

TE345

A

1009-9603（2014）02-0041-04

2013-12-10。

楊兵，男，工程師，從事油藏?cái)?shù)值模擬和稠油熱采研究。聯(lián)系電話(huà)：（010）84522814，E-mail：89421969@qq.com。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”（2011ZX05024）。