示蹤劑輔助判斷多井組火驅(qū)燃燒前緣位置

袁士寶，蔣海巖，李秀明，種新明，王科科

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010；3.中國(guó)石油新疆油田分公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

火驅(qū)（也被稱為火燒油層）是一項(xiàng)蒸汽吞吐后提高稠油油藏采收率的重要措施，中國(guó)的遼河、新疆和吉林等油區(qū)都在進(jìn)行廣泛的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，已經(jīng)形成了實(shí)驗(yàn)分析[1-2]、數(shù)值模擬[3-4]、效果預(yù)測(cè)[5]和動(dòng)態(tài)分析[6-7]等系列技術(shù)。從現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，根據(jù)火驅(qū)狀態(tài)對(duì)地下燃燒情況進(jìn)行控制和調(diào)整尤為重要，也就是通常所說(shuō)的控火和管火[8-9]，準(zhǔn)確客觀地掌握氣竄及地下燃燒狀態(tài)需要對(duì)火驅(qū)機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并且要根據(jù)火驅(qū)特點(diǎn)借助油藏監(jiān)測(cè)方法獲取地下信息，王史文等在勝利油區(qū)火驅(qū)試驗(yàn)中嘗試應(yīng)用示蹤劑監(jiān)測(cè)氣竄，闡述了示蹤劑的篩選和施工辦法[10]，但是未能結(jié)合火驅(qū)動(dòng)態(tài)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。筆者研究認(rèn)為，通過(guò)多井組示蹤劑監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確分析地下氣體竄進(jìn)方向，并可結(jié)合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算火驅(qū)燃燒前緣位置。

1 區(qū)塊簡(jiǎn)況和火驅(qū)面臨的主要問(wèn)題

遼河油區(qū)Du66塊位于斷鼻構(gòu)造的最高部位，埋深為1116～1298 m，原始地層壓力為10.82 MPa，油藏溫度為42.3℃，地面原油粘度為1360 mPa·s。1987年進(jìn)入全面蒸汽吞吐熱采，截至2005年平均吞吐周期為8.7個(gè)，呈現(xiàn)出低產(chǎn)低效特征。

為提高該塊采收率進(jìn)行了火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，雖然已取得了明顯的增油效果，但是由于是在油藏蒸汽吞吐后期進(jìn)行的，油藏中留存大量未采出的水，這部分次生水體可以使燃燒前緣溫度降低（觀察井測(cè)溫顯示均約為300℃），導(dǎo)致即使干式燃燒的注氣過(guò)程也同樣產(chǎn)生了濕式燃燒的效果[2]。由于蒸汽熱前緣不斷地向外圍擴(kuò)展，相鄰?fù)掏戮g形成了復(fù)雜的汽竄通道，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，火驅(qū)階段氣竄嚴(yán)重的生產(chǎn)井大多可以追溯出蒸汽汽竄的井史。從試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看，一線井在大量排放廢氣（火驅(qū)產(chǎn)生的殘余氣體，主要含有N2，CO2，CO和少量O2）的同時(shí)，遠(yuǎn)處的二線井和三線井也有廢氣排出，如此復(fù)雜的連通關(guān)系勢(shì)必會(huì)對(duì)燃燒前緣均勻推進(jìn)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，目前示蹤劑法是監(jiān)測(cè)氣體推進(jìn)方向的最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。

2 示蹤劑監(jiān)測(cè)在火驅(qū)試驗(yàn)區(qū)的應(yīng)用

參考王史文等[10]的示蹤劑篩選辦法，結(jié)合火驅(qū)的特點(diǎn)，選用了一種耐高溫的氣體作為火驅(qū)示蹤劑，該氣體可以隨注入空氣分配到各生產(chǎn)井，而且不參與燃燒前緣的反應(yīng)，檢測(cè)方便，是理想的火驅(qū)示蹤劑。

由于氣體的流度較大，氣體示蹤劑的取樣頻率較高，注入后要立即在對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)井取樣，每天取樣2～3個(gè)。取樣周期為1～3個(gè)月，峰值過(guò)后，應(yīng)繼續(xù)取樣一段時(shí)間后再停止。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樣品中示蹤劑的質(zhì)量濃度大致為10-10～10-9g/L[10-11]，參考火驅(qū)試驗(yàn)區(qū)典型的反九點(diǎn)井網(wǎng)和100 m井距計(jì)算，最后確定單井每次注入氣體示蹤劑200 kg。在檢測(cè)實(shí)際樣品時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的峰面積積分?jǐn)?shù)據(jù)，在工作曲線上查出示蹤劑在樣品中的質(zhì)量濃度，或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程計(jì)算出示蹤劑在樣品中的質(zhì)量濃度。為了檢驗(yàn)氣體示蹤劑的性能，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)A井組（圖1）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖1 A井組注采連通方向示意

向注氣井A中注入氣體示蹤劑（圖1），分析結(jié)果表明，46-40至46-041和47-041井方向地下竄通程度較高，為燃燒前緣主推進(jìn)方向；47-038井方向地下連通性較好，沒有形成直接的氣竄通道，燃燒前緣為正常推進(jìn)；47-38和47-39井方向上驅(qū)替程度差，燃燒前緣推進(jìn)緩慢。試驗(yàn)井組的施工和示蹤劑測(cè)試結(jié)果（圖1）表明，該氣體示蹤劑可以應(yīng)用于火驅(qū)氣竄方向監(jiān)測(cè)并指示出各生產(chǎn)井的分配比例。

理論上每口生產(chǎn)井都有可能和任何一口注氣井有連通關(guān)系，那么就需要對(duì)每口注氣井都進(jìn)行示蹤劑監(jiān)測(cè)才能清楚掌握氣體地下竄進(jìn)方向和比例，所以對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)6口注氣井都進(jìn)行了示蹤劑監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)合示蹤劑方法綜合判斷燃燒前緣位置

對(duì)于火驅(qū)而言，燃燒前緣的位置是一個(gè)重要參數(shù)，只有掌握了燃燒前緣位置才能準(zhǔn)確掌握火驅(qū)動(dòng)態(tài)并做出相應(yīng)的調(diào)整。傳統(tǒng)的物質(zhì)平衡方法[12]通過(guò)計(jì)算生產(chǎn)井產(chǎn)出廢氣量計(jì)算注氣井到生產(chǎn)井之間的燃燒前緣位置，但是由于沒有辦法判斷多井組共同生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)井氣體的來(lái)向，所以只能采用平均分配的辦法進(jìn)行近似計(jì)算。示蹤劑監(jiān)測(cè)為深入挖掘生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)提供了可能。

3.1 計(jì)算燃燒前緣位置的物質(zhì)平衡法

油層燃燒后，某一油井方向上的燃燒前緣位置[12]可表示為

式中：R為各油井方向的燃燒前緣位置，m；V為各油井方向的燃燒體積，m3；α為各油井方向的分配角度，（°）；H 為油層厚度，m；Q分為各油井方向的分配產(chǎn)出氣量，m3；Y為各油井方向的氧氣利用率，%；As為油層燃燒率，即單位體積油砂燃燒消耗的空氣體積，m3/m3。

對(duì)于單井組火驅(qū)，式（1）可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出燃燒前緣位置，而對(duì)于多井組火驅(qū)就很難區(qū)分出生產(chǎn)井產(chǎn)出氣來(lái)自于哪口注氣井，需要對(duì)注氣量進(jìn)行劈分，所以用示蹤劑測(cè)試時(shí)得出的氣體分配量的差異來(lái)對(duì)注氣量進(jìn)行劈分。

3.2 測(cè)試井組氣體分配率分析

用某一方向上示蹤劑檢測(cè)量與各方向的檢測(cè)總量之比來(lái)表示示蹤劑分配率，其表達(dá)式為

式中：β為井組內(nèi)示蹤劑分配率，%；αi為某一測(cè)試井的示蹤劑檢測(cè)量，10-9kg；n為井組內(nèi)測(cè)試井總數(shù)。

根據(jù)該試驗(yàn)井組的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用式（1）分析燃燒前緣位置，多向受效的生產(chǎn)井產(chǎn)氣量按照受效方向進(jìn)行平均劈分，氧氣利用率按照實(shí)際產(chǎn)出氣體的組成進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)九點(diǎn)井網(wǎng)特點(diǎn)計(jì)算分配角度為45°，計(jì)算每口注氣井對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)井方向上的燃燒前緣位置（圖2a）。由圖2a可見，燃燒前緣推進(jìn)距離比較均勻，尤其是中部的生產(chǎn)井，因?yàn)閷?duì)于多向受效井采取了平均分割的方法，所以不能反映該井的真實(shí)來(lái)氣方向和來(lái)氣量。井溫觀測(cè)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)井46X38井明顯出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象，說(shuō)明該井是燃燒前緣主要的發(fā)展方向，但是估算方法不能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確描述。示蹤劑測(cè)試反映其主要來(lái)氣方向是D井，而進(jìn)行平均劈分估算后，不能反映D井對(duì)該方向的貢獻(xiàn)。

圖2 火燒試驗(yàn)區(qū)燃燒前緣位置分布

示蹤劑輔助分析燃燒前緣步驟如下：①確定示蹤劑在井組內(nèi)的分配率以及受效方向，按照分配率劈分注氣井的注氣量，劈分公式即為式（2）；②結(jié)合儲(chǔ)層沉積相性質(zhì)，分析各生產(chǎn)井的排氣狀況，以驗(yàn)證示蹤劑的分析結(jié)果；③根據(jù)排氣情況核算該生產(chǎn)井來(lái)氣量和來(lái)氣方向；④確定生產(chǎn)井來(lái)氣方向和氣量，應(yīng)用式（1）計(jì)算燃燒前緣位置；⑤繪制井組內(nèi)燃燒前緣的位置等值圖?；谝陨戏治?，考慮結(jié)合示蹤劑測(cè)試、油藏地質(zhì)等方面的資料，綜合分析氣體的來(lái)向，對(duì)燃燒前緣位置進(jìn)行綜合判斷和計(jì)算。按照示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制燃燒前緣位置（圖2b），分析結(jié)果和圖2a有很大不同，觀察圖2b的燃燒前緣位置發(fā)現(xiàn)，燃燒前緣呈現(xiàn)單向或雙向發(fā)展較多，較少呈現(xiàn)多向均勻受效現(xiàn)象，下一步調(diào)整的重點(diǎn)應(yīng)該放在幾口明顯出現(xiàn)燃燒前緣突進(jìn)的注氣井調(diào)堵上，通過(guò)人為控制使其均勻發(fā)展，固體顆粒和空氣泡沫是較為理想的調(diào)堵劑。

3.3 燃燒前緣不均勻發(fā)展的影響因素

工程因素 工程因素主要包括點(diǎn)火和注氣時(shí)受熱不均和注氣速度不協(xié)調(diào)。火驅(qū)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)注氣井都是采用注蒸汽預(yù)熱方式進(jìn)行點(diǎn)火，在注蒸汽階段很容易出現(xiàn)蒸汽沿原有汽竄通道單方向滯留過(guò)多的問(wèn)題，導(dǎo)致這一側(cè)熱量積累過(guò)多，其他方向沒有足夠熱量點(diǎn)燃油層，而積累熱量多的一側(cè)也恰恰是含油飽和度較小的一側(cè)。進(jìn)入正常注氣階段后，很容易形成燃燒前緣的單側(cè)推進(jìn)；另外，注氣速度設(shè)計(jì)得過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致其推進(jìn)速度過(guò)快，而且氣體超覆現(xiàn)象嚴(yán)重。

地質(zhì)因素 地質(zhì)因素主要是指注氣井和生產(chǎn)井附近儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。蒸汽吞吐后期，地下的情況比較復(fù)雜，而儲(chǔ)層的巖石物性發(fā)生變化的程度較小，把儲(chǔ)層沉積相圖和燃燒前緣發(fā)展方向結(jié)合起來(lái)觀察發(fā)現(xiàn)，燃燒前緣的推進(jìn)在很大程度上受控于儲(chǔ)層沉積相。

對(duì)6口注氣井與火驅(qū)目的層沉積相的相對(duì)位置（圖3）分析發(fā)現(xiàn)：①對(duì)于處于同一相帶內(nèi)且各方向上沒有明顯巖性變化的注氣井和周圍一線生產(chǎn)井，注入氣受效井呈現(xiàn)多向受效方式。如E井位于分流河口壩微相內(nèi)，周圍一線井各方向上無(wú)明顯巖性變化，示蹤劑顯示其受效較均勻，這種情況下火驅(qū)燃燒前緣的波及面積也是最大的。②如果發(fā)生巖性突變或受到遮擋，注入氣受到阻擋后的發(fā)展方向多呈現(xiàn)單向，如A井位于分流河口壩前端，井的東部和南部被邊灘包圍，導(dǎo)致示蹤劑測(cè)試時(shí)顯示這2個(gè)方向受效微弱，注入氣主要向西部、北部發(fā)展。同樣，D井西南方向上受阻也能在沉積相圖上找到原因。③如果示蹤劑測(cè)試結(jié)果和實(shí)際排氣量出現(xiàn)明顯矛盾，這時(shí)需要以排氣量為準(zhǔn)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。F井示蹤劑顯示南部注采不連通，而排氣量顯示該井排氣量穩(wěn)定且氣量很大，該井屬于這一類情況。

圖3 示蹤劑指示注氣主要受效方向

由此可見，燃燒前緣發(fā)展方向和儲(chǔ)層沉積相有很強(qiáng)的相關(guān)性，沉積相的類型和展布情況決定了氣體的大致運(yùn)動(dòng)方向，這也間接地驗(yàn)證了示蹤劑輔助分析結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

對(duì)于蒸汽吞吐后地層流體分布復(fù)雜情況而言，分析相鄰多井組火驅(qū)效果時(shí)，常規(guī)生產(chǎn)井產(chǎn)氣量劈分難以符合真實(shí)的情況，示蹤劑輔助劈分能夠考慮各井見效方向的不同以及各見效方向見氣量不同的復(fù)雜情況，可以指示出火驅(qū)過(guò)程中氣體連通方向和氣體分配量，是火驅(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效方法，對(duì)多井組示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析可以為計(jì)算燃燒前緣位置提供有力依據(jù)。

燃燒前緣位置發(fā)展的不均勻性是工程和地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果，地質(zhì)因素對(duì)燃燒前緣發(fā)展方向起到主要控制作用。

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