稠油重力泄水輔助蒸汽驅(qū)蒸汽超覆研究

周 鷹

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

重力泄水輔助蒸汽驅(qū)采用立體井網(wǎng)結(jié)構(gòu)有效緩解了傳統(tǒng)蒸汽驅(qū)采注比低和汽腔控制難題，但其驅(qū)替過(guò)程與蒸汽吞吐仍相似。由于油藏流體與熱蒸汽之間存在顯著的密度差，導(dǎo)致蒸汽超覆于原油之上流動(dòng)，縱向上形成重力超覆帶[1-5]，蒸汽聚集在油層頂部，增加總散熱面積，加劇熱量的散失[6-10]。因此，針對(duì)重力泄水輔助蒸汽驅(qū)，控制蒸汽腔變化，充分利用蒸汽超覆作用擴(kuò)大蒸汽波及區(qū)域，極大程度地發(fā)揮重力對(duì)熱流體的泄流作用成為蒸汽超覆機(jī)理研究的關(guān)鍵[11-14]。然而，中深層巨厚砂巖稠油油藏特點(diǎn)及直平組合復(fù)雜的井組結(jié)構(gòu)也使得其研究更為復(fù)雜[15-17]。針對(duì)上述問(wèn)題，基于滲流理論及重力泄水輔助蒸汽驅(qū)獨(dú)特的井網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)蒸汽超覆系數(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，并建立了同時(shí)考慮啟動(dòng)壓力梯度、蒸汽前緣上邊界變化和擬流度比的蒸汽前緣數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，借助數(shù)值模擬軟件，直觀展示液相等壓面及蒸汽前緣變化趨勢(shì)，對(duì)蒸汽前緣滯后現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。針對(duì)稠油重力泄水輔助蒸汽驅(qū)，研究蒸汽超覆機(jī)理對(duì)于有效地利用蒸汽超覆作用、提高蒸汽波及體積，進(jìn)而提高多周期吞吐階段油藏的采收率具有十分重要的作用[18-24]。

1 蒸汽超覆理論及推廣

1.1 蒸汽超覆理論

Van Lookeren等[25]研究了蒸汽超覆現(xiàn)象，并推導(dǎo)出描述蒸汽區(qū)前緣的形狀方程，其表達(dá)式為：

(1)

is=Qsiρs

(2)

式中：Ard為蒸汽超覆系數(shù)；is為蒸汽注入速率，kg/s；h為油層厚度，m；ρs為蒸汽密度，kg/m3；ρo為原油密度，kg/m3；μs為蒸汽黏度，MPa·s；Ks為蒸汽滲透率，10-3μm2；Qsi為體積流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2。

考慮蒸汽相的達(dá)西定律：

(3)

式中：r為蒸汽前緣距離中心注汽井的徑向距離，m；Qsi為體積流量，m3/s；vs為驅(qū)替速度，m/s；ps為驅(qū)替壓力，MPa。

由式(1)、(3)得到：

(4)

式中：C為常數(shù)。

由式(4)可知，蒸汽超覆系數(shù)可被認(rèn)為是熱蒸汽在地層中的壓力梯度與汽液兩相密度差的比值。

1.2 蒸汽超覆理論的推廣

稠油熱采過(guò)程中，其地下滲流具有非牛頓特征，多數(shù)研究者考慮了蒸汽超覆和擬流度比對(duì)蒸汽前緣的影響，但是未考慮稠油的啟動(dòng)壓力梯度。針對(duì)稠油非牛頓特征，通過(guò)對(duì)蒸汽前緣上邊界進(jìn)行表征，建立了同時(shí)考慮啟動(dòng)壓力梯度、蒸汽前緣上邊界變化和擬流度比的蒸汽前緣數(shù)學(xué)模型。

在考慮擬流度比的前提下，對(duì)蒸汽相和油相分別用達(dá)西公式表示，同時(shí)考慮油相啟動(dòng)壓力梯度，則氣相的勢(shì)函數(shù)為：

(5)

油相的勢(shì)函數(shù)為：

(6)

ws=ws(rb)hs/h

(7)

wo=wo(re)(1-hs/h)

(8)

徑向蒸汽驅(qū)前緣形狀的微分方程為：

(9)

(10)

(11)

式中：A為形狀因子；M*為擬流度比。

蒸汽超覆至油層頂部時(shí)，會(huì)在水平方向向外擴(kuò)展，到達(dá)一定程度后又會(huì)在垂直方向向下擴(kuò)展。假設(shè)徑向上蒸汽速率加熱半徑平方差成正比，縱向上蒸汽速率與蒸汽帶厚度成正比，則蒸汽加熱半徑與蒸汽帶厚度具有以下關(guān)系：

(12)

2 蒸汽超覆假設(shè)

2.1 蒸汽超覆假設(shè)模型

由前文可知，蒸汽超覆系數(shù)可被認(rèn)為是蒸汽在地層中的壓力梯度與汽液兩相密度差的比值。因此，可將蒸汽超覆作用認(rèn)為是蒸汽受浮力作用，在壓力梯度相同的情況下，蒸汽在壓力梯度和蒸汽超覆的共同作用下向中心注汽的水平井上方運(yùn)移，油相、水相受重力和壓力梯度作用向生產(chǎn)井方向運(yùn)移。假設(shè)蒸汽相、油水混合相獨(dú)立存在，兩者之間僅有熱焓聯(lián)系。在壓力梯度相同的情況下，蒸汽相受蒸汽超覆作用的影響，油水混合相受重力作用的影響，兩者表現(xiàn)出不同的運(yùn)移趨勢(shì)，這種趨勢(shì)差異隨壓力梯度減小而更加顯著。

2.2 蒸汽超覆假設(shè)對(duì)重力泄水輔助蒸汽驅(qū)的影響

根據(jù)蒸汽超覆假設(shè)，蒸汽相與油水混合相相互獨(dú)立。利用數(shù)模軟件建立井組單元內(nèi)重力泄水輔助蒸汽驅(qū)蒸汽相前緣與油水混合相等壓面運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(圖1)。由圖1可知，蒸汽超覆假設(shè)模型得到的井網(wǎng)中重力泄水蒸汽相前緣與液相等壓面變形趨勢(shì)(藍(lán)色為液相，紅色為蒸汽相)一致，注汽初期汽腔形態(tài)基本沿水平井呈條帶狀展布，隨著注汽過(guò)程進(jìn)入中后期蒸汽超覆逐步加劇，同時(shí)汽腔形態(tài)也受到直井的拖拽作用影響。

圖1 汽液兩相等壓面

2.3 超覆假設(shè)下蒸汽前緣滯后

為填充原來(lái)油水液相所占據(jù)的孔隙，蒸汽相運(yùn)移“滯后”于油水液相等壓面的運(yùn)動(dòng)。如果注汽壓力無(wú)限增大，迫使蒸汽表現(xiàn)出流動(dòng)特性，將導(dǎo)致蒸汽沿著高滲通道突破至穩(wěn)定的前緣界面，即黏性指進(jìn)現(xiàn)象。在蒸汽超覆假設(shè)中，認(rèn)為蒸汽相的運(yùn)移始終存在一定的“滯后”現(xiàn)象，即不會(huì)發(fā)生黏性指進(jìn)現(xiàn)象。

3 結(jié)論及建議

(1) 通過(guò)對(duì)蒸汽超覆理論和超覆系數(shù)研究可知，蒸汽超覆系數(shù)可被認(rèn)為是蒸汽在地層中的壓力梯度與汽液兩相密度差的比值。

(2) 蒸汽前緣上邊界隨著啟動(dòng)壓力梯度的增大而減小，增大形狀因子或減小擬流度比，均可降低蒸汽超覆程度，即對(duì)井組底部泄水井進(jìn)行提液或中心注汽井間歇注汽均可有效減小擬流度比，改善蒸汽腔超覆形態(tài)，從而提高蒸汽前緣的波及效率。

(3) 基于蒸汽超覆假設(shè)模型得到的重力泄水井網(wǎng)中蒸汽相前緣與液相等壓面變形趨勢(shì)，與數(shù)模結(jié)果對(duì)比趨勢(shì)一致。蒸汽相運(yùn)移應(yīng)該“滯后”于油水液相等壓面的運(yùn)動(dòng)，該“滯后”現(xiàn)象存在的前提為不考慮黏性指進(jìn)現(xiàn)象，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施間歇注汽能有效抑制黏性指進(jìn)現(xiàn)象，緩解非均質(zhì)導(dǎo)致的驅(qū)替不均。