渤海稠油蒸汽吞吐環(huán)空注氮隔熱工藝優(yōu)化

李金蔓，霍宏博，陳 毅，劉春艷，劉海龍

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

稠油在石油資源中所占比例較大，稠油開采技術受到世界石油行業(yè)關注[1]，渤海稠油儲量占渤?？們α?/3 以上，其高效開發(fā)對國家發(fā)展有直接、深遠的戰(zhàn)略意義[2]。稠油開采技術主要包括：蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、注水等[3-5]，渤海稠油黏度在350 mPa·s～10 000 mPa·s 的稠油油藏通常采用蒸汽吞吐環(huán)空注氮氣隔熱技術開采[6]。通過隔熱管向地層注熱蒸汽并在油套管環(huán)空注入氮氣以阻止熱量向套管及地層擴散[7，8]。

趙利昌等通過建立井筒數(shù)學模型論證了油套環(huán)空注氮工藝的隔熱效果優(yōu)于環(huán)空充氮氣工藝[9]，劉利等對環(huán)空注氮排量等參數(shù)進行了優(yōu)化[10]。針對于環(huán)空注氮隔熱工藝主要關注參數(shù)研究，對注氮工藝優(yōu)化較少，注氮隔熱工藝存在一定缺陷：環(huán)空注氮氣隔熱工藝將氮氣和熱蒸汽一同注入井內(nèi)[11-13]，會將井內(nèi)低溫完井液被擠入地層，使井周地層孔隙中充滿完井液，熱蒸汽首先加熱完井液，剩余熱量才用于加熱遠離井眼的地層孔隙中的稠油，完井液升溫對增產(chǎn)并無意義，消耗大量寶貴的熱能。受海上油氣開發(fā)法規(guī)的限制[14]，稠油熱采的注熱和生產(chǎn)需要兩套管柱，多輪次注熱會使消耗的熱量累積[15]，因此對環(huán)空注氮工藝的優(yōu)化非常有必要。

在渤海稠油注熱開發(fā)對蒸汽吞吐環(huán)空注氮氣工藝進行優(yōu)化并首次應用，先采用氮氣排空油套環(huán)空的完井液后再進行注熱，有效提高了稠油蒸汽吞吐注熱效率。

1 蒸汽吞吐環(huán)空注氮氣工藝優(yōu)化

對環(huán)空注氮氣隔熱進行工藝改進：在注蒸汽前，增加氮氣反循環(huán)的步驟，頂替出井內(nèi)完井液，使井筒內(nèi)充滿氮氣。經(jīng)過工藝優(yōu)化可減少低溫完井液進入地層消耗熱蒸汽的熱量，也減少添加劑高溫變質(zhì)堵塞儲層風險，此外氮氣的增壓保能作用會更好。尤其有利于多輪次注熱開發(fā)，為海上及陸地稠油油田油套環(huán)空注氮氣隔熱的蒸汽吞吐開發(fā)模式提供一種簡單易行的新方法。

注熱過程中井筒內(nèi)溫度高、壓力高，井下工具需具有承受高溫能力，電泵、電纜高溫下安全性難以保證，因此注采一體化管柱結構在海上較難實現(xiàn)，完井管柱分為注熱完井管柱和生產(chǎn)完井管柱兩套[16]，注熱完畢依靠地層能量生產(chǎn)階段結束后，起出井內(nèi)注熱管柱，再下入電潛泵生產(chǎn)，避免地下高溫對電纜等的破壞。

渤海蒸汽吞吐過程一般設計8 輪次，每輪次注熱后，依靠地層能量生產(chǎn)階段結束后需要壓井，下入電潛泵生產(chǎn)，即每輪次都面臨井內(nèi)完井液、壓井液處理問題。

渤海熱采井通常用三開井身結構：339.7 mm 表層套管+244.475 mm 生產(chǎn)套管+177.8 mm 篩管，177.8 mm篩管采用裸眼礫石充填完井方式完井注氣階段，完井管柱結構為：114.3 mm 隔熱油管+帶開啟閥的環(huán)空封隔器+88.9 mm 隔熱油管+注氣閥+盲堵，注熱管柱結構和氮氣頂替流程（見圖1）。

圖1 注熱管柱結構和氮氣頂替完井液流程

氮氣反循環(huán)頂替井內(nèi)完井液工藝無需增加大量的設備改造。只需在采油樹連接生產(chǎn)流程前安裝節(jié)流閥，節(jié)流閥前安裝壓力表，氮氣反循環(huán)施工步驟為：

（1）氮氣生成設備連接油套管環(huán)空，隔熱油管頂部通過采油樹連接生產(chǎn)管匯；

（2）制氮設備將氮氣由環(huán)空注入井內(nèi)，同時控制節(jié)流閥，使氮氣反循環(huán)進入井筒，通過注氣管匯中的注氣閥進入注氣管匯，將整個井筒內(nèi)的完井液頂替出井筒，使油套管環(huán)空和注氣管柱內(nèi)充滿氮氣，期間保持井底壓力基本不變；

（3）油套管環(huán)空注入氮氣，隔熱油管內(nèi)注入熱蒸汽；

（4）熱蒸汽將隔熱油管內(nèi)氮氣擠入地層，同時油套環(huán)空內(nèi)注入氮氣，維持熱蒸汽和氮氣同時注入直到注熱階段結束。

2 注氮工藝優(yōu)化增產(chǎn)機理

在竇宏恩等[17]提出的蒸汽吞吐加熱熱平衡方程基礎上，進行以下假設：蓋層和底層不傳熱；進行蒸汽吞吐加熱模型推導，反循環(huán)出，熱采最大加熱半徑為：

若考慮完井液被擠入地層：

則加熱半徑之比為：

由式（3）可知，若不將完井液循環(huán)出井筒，隨著加熱輪次增加，與將完井液循環(huán)出井筒相比，最大加熱半徑會降低。

對南堡油田X 井采用CMG 軟件的STARS 模塊進行模擬，分析擠入地層中完井液對剩余油的影響，經(jīng)過8 輪次開發(fā)，剩余油加熱面積會產(chǎn)生顯著變化。氮氣將井筒內(nèi)完井液頂替出井筒，也可避免熱蒸汽對完井液加熱所消耗的能量，使更多蒸汽熱量被稠油吸收（見圖2、圖3）。并且，氮氣可以在熱蒸汽和稠油之間形成隔層，氮氣熱導率低，其存在可以降低蒸汽露點，使蒸汽換熱速度減慢，降低高潛熱蒸汽的熱損失，有利于提高蒸汽波及效率。氮氣阻隔可以形成蒸汽腔降低熱損失[18]，注蒸汽腔室（見圖4）。

圖2 完井液擠入地層的剩余油飽和度分布

圖3 注熱前將完井液循環(huán)出井筒的剩余油飽和度分布

圖4 注蒸汽剖面示意圖

環(huán)空注入氮氣在阻隔熱量的同時還可以防止套管的過早腐蝕[19]，大量研究證實注入氮氣可擴大蒸汽波及體積，補充驅(qū)動能量和降低殘余油飽和度，維持更高的地層壓力，提高驅(qū)油效率[20]。反循環(huán)氮氣頂替井內(nèi)完井液技術無需改變井內(nèi)管柱結構，只需增加注入熱蒸汽前環(huán)空注入氮氣頂替井內(nèi)完井液步驟，施工簡單。

3 注氮工藝優(yōu)化對熱效率的提高

以渤海某井為例，該井采用井身結構（見表1）。在井口注入溫度350 ℃，蒸汽干度80 %的注熱參數(shù)下，總注氣量3 000 t，井口干度＞80 %，注入壓力16 MPa，燜井5 d，地層埋深1 500 m，初始地層溫度50 ℃，平均吸氣指數(shù)10.5 t/（MPa·d），通過井筒模擬軟件，注熱結束時井底溫度340 ℃。

表1 熱采井井身結構

分析加熱完井液與加熱氮氣所損失的熱量，常溫常壓下完井液和氮氣的比熱容參數(shù)（見表2）。

表2 流體傳熱參數(shù)對比

加熱一定質(zhì)量流體所需熱量計算公式為：

式中：ΔQ-加熱流體所需熱量，kJ；ΔT-流體升高溫度，℃；ρ-流體密度，kg/m3；c-流體比熱容，kJ/kg·℃；ΔV-流體體積，m3。

據(jù)此計算，該井井筒容積為88.6 m3，隔熱油管閉排體積為8.2 m3，即井筒內(nèi)完井液體積為80.4 m3，完井液的比熱容是稠油的2.5 倍，據(jù)公式（4）計算，加熱到相同溫度，井筒容積的完井液升溫消耗的熱能可加熱200 m3稠油，按照8 輪次計算，消耗于完井液升溫的熱量可用于加熱1 600 m3稠油，氮氣反循環(huán)頂替完井液技術可以有效提高蒸汽吞吐熱效率。在渤海某油田應用，單井產(chǎn)量較工藝改進前提高3 %。

4 結論和建議

通過數(shù)值模擬分析，稠油熱采注蒸汽前的環(huán)空氮氣反循環(huán)可以有效增加注熱波及范圍，降低注入蒸汽的熱損失，這是對稠油蒸汽吞吐的改進，較目前常用技術相比優(yōu)勢明顯，可為未來海上稠油油藏開發(fā)提高熱效率起到幫助作用，該技術有以下優(yōu)勢：

（1）此項技術不需要復雜的設備改造，只需在工藝上進行調(diào)整。

（2）氮氣將完井液頂替出井筒可以有效降低熱蒸汽消耗于完井液的熱損失，可以有效增加注熱波及范圍。

（3）氮氣被擠入地層后能夠有效的隔絕地層流體與熱蒸汽，形成熱蒸汽腔，起到提高熱效率和增壓保能的作用。

（4）完井液不擠入地層可減少完井材料受熱變質(zhì)所造成的地層損傷。