厚層稠油油藏直平組合火驅(qū)機(jī)理研究與試驗(yàn)

劉 茜

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

火燒油層又稱為地下層內(nèi)燃燒,亦稱火驅(qū)開采法。其是向井下注入空氣、氧氣或富氧氣體，依靠自燃或利用井下點(diǎn)火裝置點(diǎn)火燃燒，使其與油藏中的有機(jī)燃料原油發(fā)生反應(yīng)，借助生成的熱量開采未燃燒的原油[1]。火燒油層不僅僅是通過加熱來降低原油黏度，更為主要的是利用油層持續(xù)不斷的燃燒，生成一系列的燃燒產(chǎn)物，從而形成熱降黏、熱膨脹、蒸餾汽化、油相混合驅(qū)、氣驅(qū)等系列復(fù)雜的驅(qū)油作用[5]。

火燒油層技術(shù)雛形是由美國(guó)人J O Leavis提出的，其理念是通過注入驅(qū)替液或熱力，以達(dá)到提高采收率的目的。1923年，Wolcott和Howard也意識(shí)到可以利用空氣作助燃劑，通過點(diǎn)燃原油產(chǎn)生大量的熱來達(dá)到降黏的作用。在此基礎(chǔ)上，更多的學(xué)者針對(duì)火燒油層技術(shù)開展了研究，并在1942年首次在美國(guó)俄克拉荷馬州的伯特勒斯維爾油田開展了礦場(chǎng)試驗(yàn)。中國(guó)從1958年起先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層試驗(yàn)研究[2-5]。幾十年來，國(guó)內(nèi)外開展了大量的火驅(qū)研究工作，在研究方法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、工藝技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用等方面均取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，涵蓋了火驅(qū)油藏工程設(shè)計(jì)、鉆井工藝設(shè)計(jì)及采油工藝設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)形成了從室內(nèi)物理模擬、數(shù)值模擬到現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)火、監(jiān)測(cè)、后期調(diào)整等一系列配套技術(shù)。近幾年在直井網(wǎng)火驅(qū)的基礎(chǔ)上，國(guó)外學(xué)者將重力泄油理論與傳統(tǒng)的火驅(qū)技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出了利用水平井進(jìn)行火驅(qū)的技術(shù)(COSH)，以及垂直井或者水平注入井與水平生產(chǎn)井結(jié)合的“腳尖到腳跟”的火驅(qū)技術(shù)(THAI)[6-14]，將水平井技術(shù)應(yīng)用于火驅(qū)采油，擴(kuò)大了火驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

高3618塊為中深層厚層稠油油藏，該塊于2008年開展直井火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，開采過程中逐漸暴露出一些問題：受氣體與油水密度差的影響，存在明顯的火線超覆現(xiàn)象，而厚層油藏加劇了重力超覆現(xiàn)象，導(dǎo)致厚層油藏縱向波及程度低；火線平面沿高滲通道波及速度快，生產(chǎn)井氣竄嚴(yán)重，火驅(qū)見效不明顯。針對(duì)高3618塊目前存在的火線超覆、縱向動(dòng)用程度低等問題，提出直井和水平井組合的火驅(qū)技術(shù)，利用水平井較高的排液能力，提高厚層油藏縱向波及體積，平面上火線推進(jìn)更加均勻，進(jìn)而有效提高油藏的采出程度。

1 區(qū)塊概況

高3618塊屬高升鼻狀構(gòu)造東北翼的一部分，由4條斷層圍成三角形斷塊，含油層系為沙河街組沙三段蓮花油層，油藏埋深為1 540.0～1 890.0 m，主要巖性為含礫不等粒砂巖和砂礫巖，分選差，平均孔隙度為21.2%，平均滲透率為1 376 mD，為中高孔高滲儲(chǔ)層；油層平均有效厚度為103.8 m，縱向集中發(fā)育；20 ℃時(shí)原油密度為0.955 g/cm3，50 ℃地面脫氣原油黏度為3 100～4 000 mPa·s，為塊狀普通稠油油藏。該塊L5、L6砂巖組間隔層厚度最大為22 m，一般厚度為5～22 m，砂巖組內(nèi)部小層間夾層無論是連續(xù)性還是厚度發(fā)育均較差，巖性主要為泥巖。該塊于2008年5月在L5油層首先進(jìn)行火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，初步見到火驅(qū)效果，日產(chǎn)油由2.4 t/d上升至3.6 t/d；后期在L5油層進(jìn)行火驅(qū)擴(kuò)大試驗(yàn)，形成雙排線性井網(wǎng)[15-16]，雙排井網(wǎng)布局井排間存在干擾，同時(shí)加劇了火線超覆和氣竄，生產(chǎn)效果并不理想；2014年12月逐步由雙排行列井網(wǎng)改成構(gòu)造高部位“移風(fēng)接火”線性火驅(qū)，“移風(fēng)接火”線性火驅(qū)是從構(gòu)造高部位向低部位火驅(qū)，當(dāng)火線通過油井后適時(shí)將油井轉(zhuǎn)為火井。目前L5油層高部位轉(zhuǎn)注氣井6口，中部位剩余注氣井1口。高3-6-18塊火驅(qū)取得一定效果，但長(zhǎng)期以來火線波及不均，縱向火線超覆，平面火線側(cè)向波及窄的問題日漸凸顯。

2 直平組合火驅(qū)機(jī)理研究

火驅(qū)具有氣體驅(qū)動(dòng)、加熱降黏、保持地層壓力等作用，而直平組合火驅(qū)還具有重力泄油作用，同時(shí)，可利用水平井較大的排液能力，提高厚層油藏縱向波及體積，進(jìn)而提高厚層油藏火驅(qū)采收率。

利用數(shù)值模擬軟件，建立4相6組分、平面網(wǎng)格步長(zhǎng)為3 m×3 m、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共50 000個(gè)的數(shù)值模型[17]。參考高3618塊地層參數(shù)，黏度以目前地層溫度(約90 ℃)測(cè)得的實(shí)際地層黏度1 000 mPa·s為依據(jù)。根據(jù)數(shù)值模擬研究，直平組合火驅(qū)具有以下作用機(jī)理。

(1) 水平井具有牽引火線、擴(kuò)大波及體積、驅(qū)替泄油提高動(dòng)用程度的作用。常規(guī)直井火驅(qū)和直平組合火驅(qū)均存在相同的驅(qū)替階段，在驅(qū)替過程中，由直井持續(xù)注入空氣，在井下點(diǎn)燃，火線初步形成，隨著火線不斷向前推進(jìn)，從注氣井到生產(chǎn)井形成已燃區(qū)、火墻、結(jié)焦帶、油墻及剩余油5個(gè)區(qū)域[18]。隨著空氣不斷注入，逐步填補(bǔ)地層虧空，地層壓力逐漸上升。在燃燒過程中，地下原油和注入空氣發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的尾氣及水蒸汽，共同驅(qū)動(dòng)原油向生產(chǎn)井方向推進(jìn)，此時(shí)也呈現(xiàn)熱效驅(qū)替的特征，生產(chǎn)井產(chǎn)量上升。

由數(shù)值模擬結(jié)果(圖1，紅線范圍內(nèi)為火線燃燒過的范圍，即地層含油飽和度接近為0；黑色箭頭代表原油流動(dòng)方向)可知：在火線形成的過程中，常規(guī)直井火驅(qū)受氣液密度差的影響，注入空氣向油層上方超覆，形成的燃燒腔呈楔形擴(kuò)展，有效動(dòng)用油層厚度為10～20 m(圖1a)，采出程度低，下部油層內(nèi)剩余油豐富。而直平組合火驅(qū)，利用水平井較大的排液能力，在驅(qū)替階段火線向水平井方向呈一定角度向下牽引，燃燒腔呈箱形擴(kuò)展，僅有注氣井與水平生產(chǎn)井中間下部油層小部分未動(dòng)用，直平組合火驅(qū)燃燒腔體積較直井火驅(qū)擴(kuò)大了2倍以上(圖1b)。

常規(guī)直井火驅(qū)在驅(qū)替階段后直接進(jìn)入火線突破階段，而直平組合火驅(qū)，由于水平井加入，當(dāng)火線向上拓展到一定程度時(shí)，氣體超覆作用導(dǎo)致火線沿頂部橫向拓展趨勢(shì)明顯。此時(shí)，水平井上部油層黏度大幅下降，重力泄油作用得到加強(qiáng)，從油層頂部至水平井形成泄油通道，縱向燃燒厚度較直井火驅(qū)也提高2倍以上，火線也逐步由頂部向水平井方向拖拽，此時(shí)水平井產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，而直井仍然受驅(qū)替作用，產(chǎn)量穩(wěn)中有升。

(2) 水平井具有促進(jìn)燃燒腔連通，拓展高溫燃燒層厚度的作用。從平面上看，直井火驅(qū)火線主要沿著上部油層方向推進(jìn)，速度較快，而注采井間位置火線推進(jìn)較慢，因此，平面上直井火驅(qū)火線呈錐形拓展，橫向連通性差，火線推進(jìn)不均勻，注氣井間生產(chǎn)井受效較差；而直平組合火驅(qū)，水平井在平面上對(duì)火線起到一定的牽引作用，促使注氣井間火線橫向拓展，燃燒腔橫向上相互連通，提高了井間火線波及范圍。

(3) 直平組合火驅(qū)在直井火驅(qū)基礎(chǔ)上大幅提高采收率。直平組合火驅(qū)可在直井火驅(qū)的基礎(chǔ)上大幅提高采油速度和采收率。由于水平井產(chǎn)量較高，井組產(chǎn)量可提高50%以上。與直井火驅(qū)相比，直平組合火驅(qū)可提高采收率16.0個(gè)百分點(diǎn)，火線波及體積可由17.7%提升至36.7%。同時(shí)，由于水平井具有牽引火線的作用機(jī)理，產(chǎn)氣量逐漸上升，可有效減緩直井氣液矛盾。

3 直平組合火驅(qū)油藏工程設(shè)計(jì)

直平組合火驅(qū)的效果，取決于直井與水平井合理的井網(wǎng)配置關(guān)系，以及現(xiàn)場(chǎng)操作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用數(shù)值模擬方法對(duì)井網(wǎng)、井距等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 直平組合井網(wǎng)設(shè)計(jì)

直平組合火驅(qū)是在注氣井和直井生產(chǎn)井之間部署一口水平井，縱向上水平井位于油藏底部，通過向注氣井注空氣，并在井下點(diǎn)火，隨著火線的推進(jìn)，原油從水平井和直井生產(chǎn)井采出。

3.2 水平井位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 水平井部署在注采直井間可有效牽引火線

利用數(shù)值模擬方法模擬水平井分別位于注采井間和注采井外2種情況下的開發(fā)效果。模擬結(jié)果表明：水平井位于注采直井外，水平井處于降壓開采狀態(tài)，而水平井位于注采井間有利于牽引火線，拓展燃燒腔，燃燒狀態(tài)較好，水平井處于增壓驅(qū)替狀態(tài)。

3.2.2 注氣井與水平井垂直距離

用數(shù)值模擬方法模擬了注氣井與水平井垂直距離分別為0、4、8、10、12、14、16、24、32、40 m條件下的直平組合火驅(qū)效果(圖2)。由圖2可知：垂直距離過小，縱向上泄油高度不足，火線易竄入水平井井筒；垂直距離過大，加熱厚度有限，原油難以驅(qū)替至水平井；直井射孔底界與水平段垂直距離為10～16 m，既可提高火線波及體積，又有利于穩(wěn)定泄油。

3.2.3 注氣井與水平井平面距離

用數(shù)值模擬方法模擬了注氣井與水平井平面距離分別為30、40、50、60 m條件下的火驅(qū)效果(圖3)。由圖3可知：水平井與注氣井距離為30 m，火線過早竄入水平井井筒，導(dǎo)致直平組合火驅(qū)失敗，采出程度僅為44.7%，空氣油比為1 885 m3/t；而水平井與注氣井距離增至60 m時(shí)，難以充分發(fā)揮水平井牽引作用，動(dòng)用范圍有限，整體采出程度僅為48.0%；水平井和注汽井平面距離為50 m時(shí)，采出程度最高，達(dá)到48.6%，空氣油比僅為1 866 m3/t，既能發(fā)揮水平井的牽引作用，又能防止火線過早竄入水平井。

圖3 不同注氣井與水平井平面距離開發(fā)效果曲線

3.3 注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.3.1 注氣強(qiáng)度

從實(shí)際生產(chǎn)效果看，注氣速度高，油井產(chǎn)量高。數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明，最佳初期注氣強(qiáng)度為500 m3/(d·m)，月增注氣強(qiáng)度為150 m3/(d·m)。同時(shí)，用數(shù)模方法模擬了最大注氣強(qiáng)度分別為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 m3/(d·m)條件下的火驅(qū)效果。結(jié)果表明，隨注氣強(qiáng)度增加，井組累計(jì)產(chǎn)油量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)最大注氣強(qiáng)度為1 200 m3/(d·m)左右時(shí)，井組累計(jì)產(chǎn)油量達(dá)到最高，既能滿足燃燒前緣對(duì)氧氣的需求，又能保證經(jīng)濟(jì)性。

3.3.2 直井排液量

用數(shù)值模擬方法模擬了直井排液量分別為5、10、15、20 t/d條件下的火驅(qū)效果(表1)。由表1可知，直井最高排液量為10～15 t/d，開發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)效益較好。

表1 不同直井排液量火驅(qū)開發(fā)效果統(tǒng)計(jì)

3.3.3 水平井排液量

用數(shù)值模擬方法模擬了水平井排液量分別為15、20、30、40、50 t/d條件下的火驅(qū)效果(表2)。由表2可知，水平井最高排液量為40～50 t/d，開發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)效益較好。

表2 不同水平井排液量火驅(qū)開發(fā)效果統(tǒng)計(jì)

3.4 直井射孔位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

直平組合火驅(qū)井組中，直井生產(chǎn)井起輔助調(diào)控作用。模擬直井射孔位置分別設(shè)計(jì)在與水平井平行的上段位置、中段位置以及下段位置時(shí)的開發(fā)效果。結(jié)果表明：射開上段油層會(huì)加速火線沿水平井上方超覆；射開中段油層縱向動(dòng)用有所提高，但仍然加速了火線的平面擴(kuò)展，容易從注氣井沿著直井生產(chǎn)井形成竄流通道，難以發(fā)揮水平井的重力泄油作用；射開與水平井平行的下段位置，直井可以輔助水平井向下牽引火線，擴(kuò)大縱向波及體積，整體采出程度較其他2種方式可提高4.0個(gè)百分點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化下段層系的射孔位置。用數(shù)值模擬方法模擬了下段全部射開、射開下段上部1/2、以及下部2/3時(shí)的開發(fā)效果。結(jié)果表明：射開上部1/2，在火線過水平井后，火線迅速突破至直井，直井產(chǎn)量迅速下降，整體采出程度僅為46%；直井下段全部射開，與其他2種方式相比，火線突破更早；射開下部2/3，既輔助水平井向下牽引火線，又能解決火線通過水平井上方后火線超覆的問題，提高了水平井和直井生產(chǎn)井之間油層的動(dòng)用程度，采出程度最高，較其他方式可提高3.0～4.0個(gè)百分點(diǎn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

(1) 水平井投產(chǎn)后，井組產(chǎn)量明顯提升。2011年4月，首次在高3618塊L52油層投產(chǎn)水平井，水平段長(zhǎng)度為307 m。井組內(nèi)共有注氣井7口。直井生產(chǎn)井為7口，水平井投產(chǎn)后，改善了井組內(nèi)的滲流情況，井組內(nèi)直井產(chǎn)量有所提高，日產(chǎn)油由15.2 t/d最高上升至34.0 t/d，單井日產(chǎn)油從2.5 t/d最高上升至4.8 t/d(圖4)。其中，高61-160井在水平井投產(chǎn)前日產(chǎn)油為2.3 t/d，但生產(chǎn)16個(gè)月后，由于氣竄嚴(yán)重關(guān)井，在水平井投產(chǎn)9個(gè)月后重新開井，日產(chǎn)油顯著上升，最高達(dá)到9.6 t/d。

圖4 井組內(nèi)直井生產(chǎn)曲線

(2) 燃燒狀態(tài)逐漸趨于高溫氧化燃燒。在水平井投產(chǎn)后，縱向泄油作用有所加強(qiáng)，縱向動(dòng)用程度提高，井組燃燒更充分。以7-17C井為例，水平井投產(chǎn)前，該井尾氣指標(biāo)上下波動(dòng)，CO2含量低于12%，O2利用率為30%～90%，N2與CO2比為0.0～10.0，視氫碳原子比為0.0～10.0；而水平井投產(chǎn)后，該井尾氣指標(biāo)逐漸趨向高溫氧化燃燒標(biāo)準(zhǔn)，CO2含量大于12%，O2利用率大于90%，N2與CO2比逐漸由5.8降至5.0，視氫碳原子比逐漸由4.0降至2.0，尾氣指標(biāo)顯示逐漸接近高溫氧化燃燒。

(3) 縱向高溫段增大并向下擴(kuò)展。水平井作為生產(chǎn)井，可以有效向下牽引火線，擴(kuò)大波及體積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提升。以高61-160井為例，水平井投產(chǎn)前，該井溫度曲線顯示高溫段為20 m，最高溫度為149 ℃，平均單井日產(chǎn)油為2.0 t/d；而水平井投產(chǎn)后，該井的高溫段達(dá)到30 m，最高溫度達(dá)到164 ℃，平均日產(chǎn)油達(dá)到5.0 t/d，最高日產(chǎn)油達(dá)9.6 t/d。

(4) 直平組合火驅(qū)技術(shù)可大幅提高高3618塊油藏采收率。直平組合火驅(qū)技術(shù)作為厚層油藏火驅(qū)開發(fā)的新技術(shù)，可在高3618塊油藏整體部署55個(gè)井組，預(yù)計(jì)采收率可以達(dá)到56.5%，較直井火驅(qū)采收程度可提高18.0個(gè)百分點(diǎn)。

5 結(jié) 論

(1) 采用直平組合側(cè)向火驅(qū)井網(wǎng)形式，能充分發(fā)揮直井火驅(qū)的平面驅(qū)替作用和垂向上的重力泄油作用，利用水平井排液能力大的優(yōu)勢(shì)，向下牽引火線，火驅(qū)波及體積較直井火驅(qū)提高2倍以上，有效提高厚層油藏火驅(qū)采收程度。

(2) 直平組合火驅(qū)技術(shù)引入水平井，改變了原有直井與直井間的平面驅(qū)替滲流方式，重力泄油作用增強(qiáng)，火線波及范圍更大，井組內(nèi)原有直井燃燒狀態(tài)由低溫氧化燃燒逐漸向高溫氧化燃燒轉(zhuǎn)變。

(3) 與直井火驅(qū)相比，直平組合火驅(qū)技術(shù)更適于有傾角的厚層油藏，預(yù)計(jì)比直井火驅(qū)采收率可提高18.0個(gè)百分點(diǎn)。