海上多元熱流體參數(shù)優(yōu)化及選井原則研究

張啟龍 韓耀圖 陳 毅 李 進(jìn) 賈立新 馬 帥

1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室, 天津 300459; 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院, 北京 100083

0 前言

全球的稠油儲量約為10 000×108t,是常規(guī)原油和天然氣總當(dāng)量的3倍[1-2]。目前渤海油田已獲三級稠油儲量約25×108t,投入開采稠油油田20余個,稠油的經(jīng)濟(jì)、有效開采至關(guān)重要。根據(jù)稠油黏度的分類標(biāo)準(zhǔn),渤海油田稠油屬于普通黏度稠油,黏度在50～10 000 mPa·s之間,前期以冷采方式為主,隨著對原油產(chǎn)量需求的增加,常規(guī)冷采已經(jīng)不能滿足對產(chǎn)量的要求,渤海油田在先導(dǎo)性試驗取得較好效果的基礎(chǔ)上已逐步邁向稠油熱采階段[3-5]。常規(guī)的熱采方法有蒸汽吞吐、火燒油層、SAGD等[6-8],但這些技術(shù)受渤海稠油特性、地層特性、海上平臺空間等因素的限制,無法充分發(fā)揮增產(chǎn)作用。針對渤海油田稠油黏度適中、平臺空間有限、作業(yè)成本高等特點,渤海油田嘗試了多元熱流體吞吐技術(shù),其具有波及范圍廣、采油速度高、裝置占地面積小等特點,其增產(chǎn)機理分為加熱降黏、氣體溶解降黏、擴大加熱腔、補充地層能量4個方面,礦場試驗證明該技術(shù)能夠有效提高稠油的采油率,有望成為渤海大規(guī)模開采稠油資源的重要技術(shù)手段[9-13]。通過礦場試驗發(fā)現(xiàn)以下問題:采用統(tǒng)一的注采參數(shù)組合,缺少各注采參數(shù)的敏感性,無法選取關(guān)鍵注采參數(shù)并對其進(jìn)行優(yōu)化;隨機選取油井進(jìn)行作業(yè),沒有考慮地層因素對增產(chǎn)效果的影響,缺少選井的相關(guān)原則。

1 多元熱流體吞吐技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

多元熱流體開采吞吐技術(shù)是采用模塊化煙氣和蒸汽發(fā)生裝置見圖1，并將產(chǎn)生的煙氣和蒸汽同時注入井下,利用蒸汽和混合氣體的協(xié)同作用采油,其中蒸汽起到常規(guī)蒸汽吞吐加熱地下稠油、降低井下稠油黏度的作用[14];N2可防止蒸汽熱量散失,增大加熱波及體積;CO2溶于原油后,可進(jìn)一步降低原油的黏度并增加原油的流動性,同時也能起到溶解氣驅(qū)油的作用,提高原油的膨脹能,向地層補充能量[15-18]。其工藝流程與注蒸汽吞吐熱采工藝類似,主要分為注入階段、燜井階段和開井回采階段,井口及井下設(shè)施與常規(guī)注蒸汽吞吐工藝相同,地面注熱裝備不同。實踐證明,多元熱流體吞吐技術(shù)具有波及范圍廣、采油速度高等特點,有望替代常規(guī)冷采方式,成為海上油田開采稠油的新方法。通過海上的作業(yè)實踐,不斷完善熱采配套裝備,形成具有海上特色的五大熱采配套系統(tǒng):熱力發(fā)生器系統(tǒng)、氮氣隔熱系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、藥劑注入系統(tǒng)、廢液回收系統(tǒng)等。

圖1 多元熱流體發(fā)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiple thermal fluid generator

1.2 技術(shù)優(yōu)化思路

為了將多元熱流體吞吐技術(shù)的開采效果最大化,在油田開采前利用數(shù)值模擬的方法對多元熱流體注采參數(shù)敏感性、選井原則等內(nèi)容進(jìn)行研究,提出一套多元熱流體吞吐技術(shù)優(yōu)化方法和思路,見圖2。首先根據(jù)海上某油田的油藏特性建立油藏模型;利用油藏數(shù)值模擬的結(jié)果和灰色關(guān)聯(lián)度的數(shù)學(xué)方法,對注采參數(shù)的敏感性進(jìn)行探索;根據(jù)敏感性排序?qū)﹃P(guān)鍵注采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,形成最優(yōu)關(guān)鍵注采參數(shù)組合;基于地質(zhì)因素對開采效果的影響,形成地層選井原則;基于優(yōu)化結(jié)果和選井原則,進(jìn)行海上多元熱流體的現(xiàn)場作業(yè),評估該技術(shù)的增產(chǎn)效果。本文基于渤海A稠油油田的地層和流體特性,對多元熱流體技術(shù)進(jìn)行了研究,形成一套適用于渤海油田的多元熱流體技術(shù)優(yōu)化方法。

圖2 多元熱流體技術(shù)優(yōu)化研究方法流程圖Fig.2 Research method flowchart of multi-element-thermalfluid technology optimization

2 注采參數(shù)敏感性分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)學(xué)方法

灰色關(guān)聯(lián)度分析的方法是通過比較各個因素對結(jié)果關(guān)聯(lián)系數(shù)大小進(jìn)行敏感性排序的方法,所謂關(guān)聯(lián)系數(shù)就是反應(yīng)各個因素與結(jié)果之間的相互關(guān)系和密切程度,兩者之間的相關(guān)性越大,則該因素對結(jié)果的關(guān)聯(lián)系數(shù)就越大,該方法能夠定量地描述因素對結(jié)果的影響程度,其在經(jīng)濟(jì)、交通、能源等多個領(lǐng)域都有所應(yīng)用,并取得較好的應(yīng)用效果[19-21]。

2.1.1 確定分析序列

Y={Y(k)|k=1,2,Λ,n}

(1)

Xi={Xi(k)|k=1,2,Λ,n},i=1,2,Λ,m

(2)

2.1.2 數(shù)據(jù)無量綱化處理

為消除各影響因素單位不同對結(jié)果帶來的影響,對參考序列和比較序列的參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理,方法主要有均值化、最大值化、最小值化、初值化等,最常用的還是均值化法,如式(3)、(4)。

(3)

(4)

2.1.3 計算關(guān)聯(lián)度系數(shù)

Δi=|y(k)-xi(k)|

(5)

兩級最小差:

(6)

兩級最小差:

(7)

(8)

2.1.4 灰色關(guān)聯(lián)度計算

(9)

2.1.5 關(guān)聯(lián)度排序

計算完灰色關(guān)聯(lián)度后,根據(jù)關(guān)系度系數(shù)或者灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行敏感性排序,數(shù)值越大說明因素對結(jié)果的關(guān)聯(lián)性越大,根據(jù)關(guān)聯(lián)性排序可以選出影響作業(yè)效果的主要因素。

2.2 油藏數(shù)值模型的建立

進(jìn)行注采參數(shù)對多元熱流體開采效果影響規(guī)律研究時,由于海上進(jìn)行現(xiàn)場試驗花費巨大,且作業(yè)井?dāng)?shù)有限,而室內(nèi)模擬實驗局限性較大,無法表征整個油藏條件下的實際開采效果,因此利用油藏數(shù)值模擬的方法研究注采參數(shù)組合對開采效果的影響規(guī)律。根據(jù)渤海A稠油油田的地層特征和流體性質(zhì),結(jié)合渤海油田水平井開發(fā)的開采模式,利用油藏數(shù)值模擬軟件建立了貼合實際油藏特性的7組分?jǐn)?shù)值模型,其油藏模型和具體的參數(shù)設(shè)置見表1。利用該模型,可以計算不同注采參數(shù)組合條件下的采油量,評估注采參數(shù)對開采效果的影響。

表1 基于渤海A油田的油藏模型參數(shù)表

2.3 注采參數(shù)的敏感性分析

由于多元熱流體的注采參數(shù)數(shù)目較多,優(yōu)選出其中6個因素進(jìn)行研究,其分別為地層壓力、注入溫度、蒸汽注入強度、復(fù)合氣體注入強度、注汽速度、燜井時間。按照2.1節(jié)的計算步驟,首先確定分析序列,將優(yōu)選出的6個因素作為比較序列,將數(shù)值模擬的周期采油量作為參考序列,采用7×3正交實驗設(shè)計的方法對模擬方案進(jìn)行設(shè)計,其中，地層壓力取值為3、5、10 MPa，注入溫度取值為180、240、300 ℃，蒸汽注入強度為10、20、30 m3/m，復(fù)合氣體注入強度取值為0、1 000、2 000 m3/m，注汽速度取值為100、200、300 m3/d，燜井時間取值為3、5、7 d。總共設(shè)計了24組模擬方案,利用2.2節(jié)建立的油藏數(shù)值模型對24組模擬方案的周期采油量進(jìn)行計算。

建立完分析序列,結(jié)合24組方案的模擬結(jié)果,對比較序列的6個注采因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計算。由于各個因素和結(jié)果的單位不同,利用均值化的方法對各參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理;再利用式(4)～(7)計算各個因素的關(guān)聯(lián)系數(shù);利用式(8)計算灰色關(guān)聯(lián)度;最后根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小進(jìn)行敏感性排序。最終計算得到地層壓力、注汽溫度、蒸汽注入強度、復(fù)合氣體注入強度、注汽速度、燜井時間等6個注采參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.163、0.181、0.170、0.164、0.157、0.164,因此其敏感性排序為:注入溫度>蒸汽注入強度>燜井時間>復(fù)合氣體注入強度>地層壓力>注汽速度。選取前4個因素作為影響多元熱流體吞吐效果的關(guān)鍵因素,這與多元熱流體的開采機理直接相關(guān):注入溫度和蒸汽注入強度直接影響著多元熱流體吞吐的加熱降黏作用;燜井時間影響著熱量和氣體的擴散程度,進(jìn)而對多元熱流體吞吐擴大加熱腔和補充地層能量作用產(chǎn)生影響;復(fù)合氣體注入強度則是直接決定著CO2和N2的注入量,影響著多元熱流體吞吐的溶解降黏、擴大加熱腔和補充地層能量作用。在進(jìn)行多元熱流體吞吐之前,需要通過數(shù)值模擬的方法探究關(guān)鍵注采參數(shù)對開采效果的影響情況,并對關(guān)鍵注采參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化,以保證作業(yè)的開采效果。

3 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化及選井原則

3.1 注采參數(shù)優(yōu)化研究

通過數(shù)值模擬的方法研究了關(guān)鍵注采參數(shù)對多元熱流體吞吐作業(yè)效果的影響,見圖3。由結(jié)果可知:注入溫度與開采效果呈正相關(guān),應(yīng)在設(shè)備的允許條件下提高注入溫度,本例取最高注入溫度300 ℃;注入蒸汽和混合氣體量一定的情況下,在參數(shù)取值范圍內(nèi),隨著蒸汽強度的增大,開采效果逐漸降低,本例中的最佳注入蒸汽強度為10 m3/m;隨著燜井時間的增加,周期采油量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這是因為燜井時間的增加既會增大氣體的擴散程度又會造成溫度冷卻,因此存在最優(yōu)燜井時間,本例為5 d;隨著復(fù)合氣體注入強度的增加,開采效果先增大后減小,本例中的最優(yōu)注氣強度為200 m3/m。通過數(shù)值模擬,得到了本油田的最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)組合為:注入溫度300 ℃,注入蒸汽強度10 m3/m,燜井時間5 d,復(fù)合氣體注入強度200 m3/m。

a)注入溫度對開采效果的影響a)Influence of injection temperature on production effect

b)注汽強度對開采效果的影響b)Influence of steam injection intensity on production effect

c)燜井時間對開采效果的影響c)Influence of well plugging time on production effect

d)復(fù)合氣體注入強度對開采效果的影響d)Influence of composite gas injection intensity on production effect圖3 關(guān)鍵注采參數(shù)對開采效果的影響規(guī)律圖Fig.3 Influence of key injection production parameters on production effect

3.2 選井原則

受控于海上作業(yè)成本,盲目選井進(jìn)行作業(yè)易造成經(jīng)濟(jì)損失,因此制定合理的選井原則至關(guān)重要。在選擇進(jìn)行多元熱流體作業(yè)的井次時,需要考慮單井的地層因素對開采效果的影響,而地層因素主要包括油藏厚度、水平段長度、滲透率和地層韻律等,本文通過數(shù)值模擬的方法,研究了如圖4的地層因素對多元熱流體開采效果的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上制定了選井原則。由結(jié)果可知:油藏厚度與開采效果呈正相關(guān),但當(dāng)厚度大于10 m后,周期采油量趨于平穩(wěn);水平段長度與周期采油量呈接近線性增長關(guān)系,因此水平段越長開采效果越好,具體確定水平段長度時,需要考慮鉆完井米成本和單位長度增油量,根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益判斷最優(yōu)長度;滲透率越大開采效果越好,但當(dāng)滲透率大于 3 000×10-3μm2后,周期采油量增加較小;不同地層韻律開采效果排序為正韻律>反韻律>均質(zhì),正韻律地層更適合應(yīng)用多元熱流體吞吐作業(yè)。因此制定了多元熱流體吞吐作業(yè)的選井原則:油藏厚度≥10 m,長水平井段,滲透率≥ 3 000×10-3μm2,正韻律地層。

a)油藏厚度對開采效果的影響a)Influence of reservoir thickness on production effect

b)水平段長度對開采效果的影響b)Influence of horizontal section length on production effect

c)滲透率對開采效果的影響c)Influence of permeability on production effect

d)地層韻律對開采效果的影響圖d)Influence of stratum rhythm on production effect圖4 地層因素對開采效果的影響規(guī)律圖Fig.4 Influence of formation factors on production effect

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)以上選井原則,結(jié)合渤海A油田的實際作業(yè)情況,選取了A 1～A 6井進(jìn)行了多元熱流體現(xiàn)場試驗,通過對作業(yè)后產(chǎn)量與常規(guī)冷采產(chǎn)量進(jìn)行對比,評估多元熱流體的開采效果,其中冷采產(chǎn)量為常規(guī)冷采配產(chǎn)或相同層位冷采井的實際產(chǎn)量，對比結(jié)果見圖5。由圖5可看出，多元熱流體作業(yè)的開采效果明顯好于常規(guī)冷采,其高峰日產(chǎn)油達(dá)70～122 t/d,周期產(chǎn)量為43～80 t/d,分別為常規(guī)冷采的2～3.3倍和1.2～2.2倍。因此,優(yōu)化后的多元熱流體作業(yè)能夠大幅提高渤海稠油油田的產(chǎn)量,有望成為渤海未來開采稠油資源的重要技術(shù)手段。

圖5 作業(yè)后與常規(guī)冷采井產(chǎn)量對比圖Fig.5 Production comparison between post operation andconventional cold production wells

4 結(jié)論

1)通過灰色關(guān)聯(lián)度的方法研究了各個注采參數(shù)對多元熱流體開采效果的敏感性,其敏感性排序為:注入溫度>蒸汽注入強度>燜井時間>復(fù)合氣體注入強度>地層壓力>注汽速度。

2)研究了關(guān)鍵注采參數(shù)對多元熱流體開采效果的影響規(guī)律,并優(yōu)選了渤海A油田的最優(yōu)注采參數(shù)組合為:注入溫度300 ℃、注入蒸汽強度10 m3/m、燜井時間5 d、復(fù)合氣體注入強度200 m3/m。

3)研究了地層參數(shù)對多元熱流體開采效果的影響規(guī)律,以周期采油量為參考標(biāo)準(zhǔn)制定了多元熱流體吞吐作業(yè)的選井原則:油藏厚度≥10 m、長水平井段、滲透率≥ 3 000×10-3μm2、正韻律地層。

4)基于研究成果,在渤海A油田選取了6口井進(jìn)行了多元熱流體現(xiàn)場試驗,其周期產(chǎn)量為常規(guī)冷采的1.2～2.2倍,有望成為渤海未來開采稠油資源的重要技術(shù)手段。