稠油油田空氣輔助蒸汽驅(qū)現(xiàn)場試驗

劉濤 劉影 郭玲玲 郎成山 蔡玉川 胡紹彬

1.中國石油大學地球物理與信息工程學院；2.東北石油大學石油工程學院；3.中國石油遼河油田分公司歡喜嶺采油廠

1981年加利福尼亞巴黎谷油田空氣輔助蒸汽吞吐采油現(xiàn)場試驗［1］的成功促使空氣輔助蒸汽驅(qū)提高采收率機理和實用技術(shù)研究工作得以深入開展。蔣生健［2］對注空氣輔助蒸汽驅(qū)增產(chǎn)機理、催化氧化反應(yīng)對地層礦物傷害性和催化產(chǎn)物與破乳劑配伍性、伴生氣含氧量爆炸極限等進行了研究。唐曉東等［3］從理論和技術(shù)上論述了注空氣催化氧化渤海稠油降黏工藝的可行性。魯奕寧［4］對注空氣改善稠油開發(fā)效果進行了理論分析。但是，由于高效利用空氣輔助蒸汽驅(qū)工藝復雜，存在多種可行的操作方案［5-8］。由于這些方案的實施依賴于油藏性質(zhì)（如稠油或稀油油藏），尤其是地下原油的瀝青含量以及油藏中發(fā)生的熱裂解、低溫氧化（LTO）和高溫氧化（HTO）反應(yīng)動力學，增加了解決問題的難度；高溫蒸汽摻加含氧空氣用于小井距井網(wǎng)注采過程的安全性、空氣/蒸汽的注入方式、注入比例等問題目前沒有滿意的方案［9-11］。這些問題都需要通過現(xiàn)場試驗進行深入研究?？諝廨o助蒸汽驅(qū)技術(shù)是我國“十三五”石油工程領(lǐng)域的重要科研課題。選定齊40塊蒸汽驅(qū)試驗區(qū)中原油瀕臨枯竭的、加注常溫空氣之前油藏中已經(jīng)發(fā)生嚴重蒸汽竄流和超覆的、亟待改變開發(fā)方式的井組進行試驗，所選試驗井組存在的問題具有普通稠油蒸汽驅(qū)后期生產(chǎn)問題的普遍性，試驗結(jié)果可為類似井組提供供鑒。

1 試驗井組概況

空氣輔助蒸汽驅(qū)現(xiàn)場試驗井組選自遼河油田齊40塊蒸汽驅(qū)試驗區(qū)。齊40塊構(gòu)造位于遼河斷陷盆地西部凹陷西斜坡上臺階中段，區(qū)塊主要發(fā)育沙河街組沙一+沙二段的興隆臺油層和沙三段的蓮花油層，開發(fā)目的層為蓮花油層。油藏埋深625～ 1 050 m，平均孔隙度31.5 %，平均滲透率2.062 D，屬于高孔、高滲儲層。油層平均有效厚度37.7 m，單層平均有效厚度為2～8 m。50 ℃脫氣原油黏度2 639 mPa·s，為普通稠油。探明含油面積7.9 km2，石油地質(zhì)儲量3 774×104t。

齊40塊于1987年投入蒸汽吞吐開發(fā)，2006年12月開始實施規(guī)模轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)，2008年3月完成全區(qū)149個井組整體轉(zhuǎn)驅(qū)，2009年產(chǎn)油量達到最高峰69×104t。截至2017年底，齊40塊共有注汽井149口，開井121口，生產(chǎn)井679口，開井616口，區(qū)塊日產(chǎn)液10 339 t/d，核實日產(chǎn)油1 375 t/d，日注汽9 461 t/d，瞬時采注比1.1，瞬時油汽比0.14，蒸汽驅(qū)階段采出程度13.3%，吞吐+蒸汽驅(qū)采出程度45.0%。按照蒸汽驅(qū)開發(fā)規(guī)律及開發(fā)階段劃分標準，該區(qū)塊經(jīng)歷了熱連通、蒸汽驅(qū)替、蒸汽突破3個階段，目前已經(jīng)進入蒸汽驅(qū)開發(fā)后期，亟需進行開發(fā)方案調(diào)整。

在齊40塊5個井組開展了空氣輔助蒸汽驅(qū)現(xiàn)場試驗，其中在齊40塊主體部位實施了3個試驗井組，這3個試驗井組分別為齊40塊內(nèi)高傾角部位的17-028井組、25-K35井組和齊40塊中部的13-024井組，驅(qū)替介質(zhì)空氣/蒸汽的注入方式為混合式注入；在齊40塊外圍實施了2個試驗井組，分別為6-K032井組和5-K033井組，驅(qū)替介質(zhì)空氣/蒸汽，分別以段塞式注入。

2 試驗方案設(shè)計

在進行現(xiàn)場試驗技術(shù)參數(shù)設(shè)計時，除了參考室內(nèi)實驗結(jié)果外，主要依據(jù)國外學者Redford及Ivory等［10，12-14］的室內(nèi)實驗研究成果。在此基礎(chǔ)上，為了便于比較與分析，試驗井組設(shè)計日注空氣量范圍較寬，在0.5×104～1.8×104m3范圍內(nèi)。試驗井距選取70 m和100 m兩種?？諝?蒸汽混合式注入方式的蒸汽注入量在試驗期間保持不變；采用空氣/蒸汽段塞式注入方式時，每周期注入空氣量30×104m3，注入變換時間（周期）為一個月，注空氣期間停注蒸汽；試驗期間采油井始終正常生產(chǎn)。試驗技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗井組實施情況Table 1 Implementation situations of air-assisted steam flooding in test well groups

3 試驗效果分析

對齊40塊空氣輔助稠油蒸汽驅(qū)試驗井組生產(chǎn)特征、摻加空氣后蒸汽波及規(guī)律變化情況等進行分析和評價。

3.1 試驗井組生產(chǎn)特征

空氣輔助稠油蒸汽驅(qū)5個試驗井組平均單井組日產(chǎn)油由14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17，總體上取得了較好的試驗效果。

根據(jù)試驗井組產(chǎn)量變化規(guī)律，可以將5個試驗井組分為兩類，如表2所示。Ⅰ類井組的產(chǎn)液量、產(chǎn)油量、油汽比、采注比、注汽壓力均有上升，增油效果顯著。Ⅰ類井組有2個，均采用空氣/蒸汽混合式注入方式，平均注汽壓力由試驗前的6.5 MPa升至7.1 MPa，日產(chǎn)油由16.2 t/d升至20.2 t/d，油汽比由0.14升至0.17。其他3個井組屬于Ⅱ類井組，Ⅱ類井組注汽壓力變化不大，增油效果不太明顯，典型的6-K032井組和5-K033井組均為采用空氣/蒸汽段塞式注入方式，2個井組在試驗期間平均注汽量由54.55 t/d降至32.05 t/d，平均注汽壓力由5 MPa降至4.6 MPa，日產(chǎn)油由11.95 t/d降至10.75 t/d，注入空氣階段停注蒸汽相當于注入油藏的熱量減少了，直接影響了蒸汽驅(qū)開發(fā)效果。

表2 空氣輔助稠油蒸汽驅(qū)試驗井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Production data of test well groups by air-assisted steam flooding of heavy oil

Ⅰ類井組提高油層縱向動用程度、擴大平面蒸汽波及作用顯著。典型的17-028井組空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗，試驗階段日注空氣量為5 100～10 000 m3，日注蒸汽量為107.6 t/d。監(jiān)測資料顯示，縱向上，由于蒸汽與空氣的重力分異作用，空氣占據(jù)了上部原蒸汽驅(qū)主力動用層，空氣與原油之間發(fā)生的低溫氧化反應(yīng)使孔隙中瀝青質(zhì)含量增加、滲透率降低，從而引起蒸汽發(fā)生轉(zhuǎn)向，擴大了蒸汽波及范圍。壓力觀察井測壓資料顯示，上段蒸汽驅(qū)主力層壓力由2.9 MPa升至3.1 MPa，同時蒸汽驅(qū)層段下部非主力層蒸汽動用程度增加，對應(yīng)壓力由2.9 MPa上升到3.6 MPa。

這個結(jié)果說明空氣輔助蒸汽驅(qū)實施后空氣引發(fā)蒸汽轉(zhuǎn)向，試驗井組的蒸汽波及范圍擴大、驅(qū)替作用增強，動用程度有了進一步提高。平面上，發(fā)現(xiàn)注入的空氣首先向蒸汽驅(qū)優(yōu)勢方向波及，空氣與殘余原油之間的低溫氧化反應(yīng)使得孔隙中瀝青質(zhì)沉積增加，油層滲透率降低，迫使蒸汽轉(zhuǎn)向。在蒸汽驅(qū)優(yōu)勢方向上距注汽井距離23 m的觀44井為溫度觀察井，該井觀測溫度的結(jié)果表明該區(qū)域蒸汽驅(qū)層位平均溫度降低了35 ℃，同時蒸汽前緣在氣體壓力驅(qū)動下向蒸汽驅(qū)弱勢方向擴展，該方向上觀42井為溫度觀察井，觀42井距注汽井的距離為25 m，在該井的溫度測試剖面顯示，該方向汽驅(qū)層位溫度提高了20 ℃。這些實測結(jié)果可以表明注空氣后地下發(fā)生了蒸汽轉(zhuǎn)向、蒸汽平面動用狀況得到了有效改善，因此，試驗井組日產(chǎn)油由19.8 t/d升至24.1 t/d，油汽比由0.18提高到了0.22，其中典型見效油井17-K291井產(chǎn)油量由7 t/d升至10 t/d。

Ⅱ類井組受注蒸汽量下調(diào)影響，增油效果不明顯。Ⅱ類井組主要采用段塞式注入方式，通過對試驗結(jié)果的分析，認為受注汽量下調(diào)影響，注入油層的熱量降低，致使蒸汽腔體積縮小，從而導致空氣輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)效果變差。6-K032井組試驗階段日注空氣量10 000 m3/d，注入空氣期間停注蒸汽，受到注蒸汽量減少（或不足）的影響，注蒸汽壓力由4.6 MPa降至3.8 MPa，試驗井組的日產(chǎn)油由14.3 t/d降至13.6 t/d，見圖1。

圖1 6-K032井組空氣輔助普通稠油蒸汽驅(qū)試驗生產(chǎn)曲線Fig.1 Production curve of Well group 6-K032 by air-assisted steam flooding of ordinary heavy oil

6-K032井組內(nèi)典型的6-K23C生產(chǎn)井在蒸汽停注期間產(chǎn)液量由20 t/d降至14 t/d，產(chǎn)油量由8 t/d降至5 t/d，井口產(chǎn)液溫度由72 ℃降至55 ℃，后期恢復注汽后，日產(chǎn)液恢復至17 t/d，日產(chǎn)油量升至8 t/d，產(chǎn)液溫度提高到60℃，產(chǎn)量又開始回升，見圖2。這個試驗結(jié)果表明空氣/蒸汽段塞式注入方式注蒸汽量不足影響注入油藏熱量，進而影響了蒸汽驅(qū)的開發(fā)效果。

圖2 典型井6-K23C井生產(chǎn)曲線Fig.2 Production curve of typical well, Well 6-K23C

3.2 注入方式的影響

試驗井組生產(chǎn)特征表明，蒸汽采用連續(xù)注入方式，能夠保持蒸汽腔穩(wěn)定擴展，效果較好。因此實施空氣輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)宜采用空氣/蒸汽連續(xù)式注入方式。

設(shè)計合理的、遞進式增加空氣注入量是保證空氣輔助蒸汽驅(qū)取得較好效果的重要因素之一。典型的17-028井組試驗初期日注空氣量為5 140 m3/d，在此注氣量下井組產(chǎn)液量、產(chǎn)油量穩(wěn)產(chǎn)一段時間，然后，將注氣量調(diào)為10 000 m3/d后，該井組日產(chǎn)液由78 t/d升至85 t/d，日產(chǎn)油由15 t/d升至28 t/d。分析認為，注蒸汽過程摻加空氣是一種復雜的工藝，并非簡單地摻加，注空氣量提高后要有利于汽竄區(qū)域內(nèi)空氣能進一步與瀝青發(fā)生低溫氧化反應(yīng)生成焦炭，堵塞汽竄通道，擴大蒸汽波及體積，看來注入空氣的時機與數(shù)量是需要優(yōu)化設(shè)計的。

3.3 汽氣比的影響

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，對于遼河油田齊40塊普通稠油，空氣輔助普通稠油蒸汽驅(qū)當汽氣比接近1∶40（當量水體積（m3）/標準狀態(tài)下空氣體積（m3））時可以取得較好驅(qū)油效果，試驗井組空氣/蒸汽混合注入方式條件下的日增油與汽氣比試驗結(jié)果見圖3，這個現(xiàn)場試驗結(jié)果與Redford等［8-9］的室內(nèi)實驗結(jié)論基本吻合。

圖3 空氣/蒸汽混合注入方式試驗井組日增油量與氣汽比關(guān)系Fig.3 Relationship between daily oil increment and air/steam ratio of test well groups in the mode of air/steam mixed injection

3.4 產(chǎn)出氣體檢測

70 m井距井網(wǎng)蒸汽驅(qū)油藏摻加的常溫空氣能與地下原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，油藏溫度有所提高，氧氣含量可降到安全范圍內(nèi)。17-028井組的常溫空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗尾氣檢測結(jié)果顯示，試驗初期原蒸汽驅(qū)動用優(yōu)勢方向產(chǎn)出氮氣含量快速上升，由4%升至61%，此后基本維持不變；與此同時，產(chǎn)出氧氣含量由0.94%升至1.5%，此后又降至0.87%，同時還伴隨著井口產(chǎn)液溫度由77 ℃升至89 ℃。這些測試和觀察結(jié)果說明空氣優(yōu)先向蒸汽驅(qū)優(yōu)勢方向波及，且空氣中的氧與原油發(fā)生了低溫氧化反應(yīng)，氧氣含量減少，油藏溫度有少量升高。

4 結(jié)論

（1）在齊40塊17-028、25-K35、13-024、6-K032和5-K033等5個井組開展摻加常溫空氣輔助普通稠油蒸汽驅(qū)現(xiàn)場試驗，取得了較好的開采效果，5個試驗井組平均單井組日產(chǎn)油由過去的14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17。

（2）空氣輔助普通稠油蒸汽驅(qū)，汽氣比接近1∶40可取得較高采收率，這個結(jié)果與Redford等的室內(nèi)實驗結(jié)論基本吻合。

（3）空氣輔助普通稠油蒸汽驅(qū)宜采用連續(xù)蒸汽/空氣注入方式，如果采用段塞式注入方式，在蒸汽停注后，油藏受到注入熱量減少的影響，會導致蒸汽腔體積收縮，影響蒸汽驅(qū)開采效果；設(shè)計合理的空氣日注入量和變速注空氣時機是保證空氣輔助蒸汽驅(qū)取得較好效果的重要因素之一。

（4）17-028井組試驗初期原蒸汽驅(qū)優(yōu)勢方向產(chǎn)出氮氣含量快速上升，由4%升至61%，然后基本維持不變，同時產(chǎn)出氧氣含量由0.94%升至1.5%，后期又降至0.87%，還伴隨著井口產(chǎn)液溫度由77 ℃升至89 ℃。這些結(jié)果說明：空氣優(yōu)先向蒸汽驅(qū)優(yōu)勢方向波及，致使后續(xù)再注蒸汽在地下發(fā)生了轉(zhuǎn)向；注入空氣中的氧與原油發(fā)生了低溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)出液中氧氣含量減少，油藏溫度升高；70 m井距井網(wǎng)蒸汽驅(qū)油藏摻加的常溫空氣能通過與地下原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)消耗適量的氧氣，生產(chǎn)井氧氣含量監(jiān)測結(jié)果在安全范圍之內(nèi)。