利用化學反應(yīng)輔助SAGD 開采重油影響規(guī)律研究

李敬松，阮 迪，吳 青，黃子俊，宮汝祥，楊 浩，袁玉鳳，高 杰

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450；2.中國海洋石油集團有限公司，北京 100010）

重油是非常規(guī)原油的統(tǒng)稱，包括重質(zhì)油、高黏油、油砂、天然瀝青、油頁巖[1-3]。加拿大的整個油砂瀝青儲量高達1 969.8 億桶，委內(nèi)瑞拉則擁有世界第一、儲量超過3 000 億桶的超重油資源。加拿大油砂資源極為豐富，主要分布在阿薩巴斯卡、冷湖和匹斯河3 個區(qū)域，總資源量約4 000 億噸[4]。重油資源豐富，具有巨大的開發(fā)價值。但由于自身的特性，其開采和煉制難度要遠遠大于常規(guī)原油，生產(chǎn)成本較高，采收率低，并且需要稀釋劑稀釋或加熱才能通過管線進行運輸，重油改質(zhì)和滿足環(huán)保要求都需要更多的投入和更先進的技術(shù)支持[5-9]。重油開采方法很多，包括露天開采、出砂冷采、注蒸汽、注溶劑開采等[10-12]。不同重油開采技術(shù)有不同的優(yōu)缺點，露天開采僅限于50～75 m 的產(chǎn)層；重油出砂冷采采收率只能達到5%～15%，且不適用于高黏瀝青和具有強烈邊底水的油藏；蒸汽吞吐采收率只能達到15%～25%；SAGD 技術(shù)的實施需要消耗大量的水資源，并會造成一定的CO2排放。本文所基于的化學反應(yīng)能放出大量熱量，因此可以有效節(jié)約產(chǎn)生蒸汽的燃料用量，在節(jié)能的同時減少了CO2的排放量，可減緩溫室效應(yīng)。

1 數(shù)值模型的建立及效果對比

1.1 模型的建立

基于CMG 軟件中的STARS 模塊，以加拿大某油砂油藏參數(shù)為基礎(chǔ)，建立模型大小49 m×300 m，厚度46 m 的SAGD 模型。SAGD 模型頂深為220 m，孔隙度為0.307，滲透率為6 292 mD，初始條件下原油黏度1 700 000 mPa·s，巖石的熱傳導率為1.5×105J/（m·d·℃），油、氣、水的熱傳導率分別為2.0×104J/（m·d·℃），1.4×103J/（m·d·℃）和5.0×104J/（m·d·℃）。模型中考慮7 種組分：水、化學反應(yīng)助劑、重油、C5+、C1～C4、CO、H2。油藏中包括的化學反應(yīng)為：

模型中設(shè)置兩口水平井，水平段長290 m，垂直方向上距離10 m，設(shè)定模型生產(chǎn)時間為10 年。在常規(guī)SAGD 模型中上部井為注氣井下部為生產(chǎn)井。模型中先進行常規(guī)SAGD 開采4 個月再轉(zhuǎn)為化學反應(yīng)輔助SAGD 開采，上部井勻速注入CO 和H2混合氣體。

1.2 效果對比

根據(jù)圖1 和圖2 可知，轉(zhuǎn)為化學反應(yīng)輔助SAGD開采后，采油速度得到了明顯的提升，分析原因認為：（1）當化學反應(yīng)發(fā)生后會釋放出一定程度的熱量，油層溫度上升導致原油黏度下降；（2）反應(yīng)會生成輕質(zhì)油，溶于重油后會降低原油黏度，從而導致原油的流度增大。由于化學反應(yīng)放出一定的熱量，水蒸汽干度有所提高，增加了氣竄風險，在生產(chǎn)4 年后發(fā)生了氣竄，導致日產(chǎn)油快速下降。相較于常規(guī)SAGD 開采方式，利用化學反應(yīng)可以獲得較高的采油速度，在較短的時間內(nèi)獲得較高的原油產(chǎn)量，開采周期較短，能快速獲得經(jīng)濟效益，減少開采風險。

圖1 化學反應(yīng)輔助SAGD 與常規(guī)SAGD 日產(chǎn)油量曲線Fig.1 The daily oil production curve between chemical reaction-assisted SAGD and conventional SAGD

圖2 原油黏度對比圖Fig.2 Comparison of crude oil viscosity

由化學反應(yīng)產(chǎn)出物分布情況（見圖3）可知：產(chǎn)出物在井筒附近生產(chǎn)，C1～C4等輕烴物質(zhì)一部分被形成的高溫水蒸汽攜帶至油層頂部，另一部分輕烴和C5+等重烴物質(zhì)由于重力作用向下移動，從生產(chǎn)井產(chǎn)出。

圖3 化學反應(yīng)產(chǎn)出烴類物質(zhì)分布圖Fig.3 Distribution of hydrocarbons produced by chemical reactions

由化學反應(yīng)輔助SAGD 與常規(guī)SAGD 開采的采出程度可知（見圖4），生產(chǎn)10 年后，常規(guī)SAGD 采出程度為41%，化學反應(yīng)輔助SAGD 為48%，較常規(guī)SAGD采出程度提高7%。

圖4 化學反應(yīng)輔助SAGD 與常規(guī)SAGD 開采的采出程度曲線Fig.4 The recovery curve of chemical reaction-assisted SAGD and conventional SAGD mining

由以上分析可知：化學反應(yīng)會放出大量的熱，其放出熱量的同時反應(yīng)產(chǎn)物對重油有抽提、溶解、剝離等作用，可以使得重油黏度顯著降低、流動性增加，因此提高采收率幅度更大。并且可以有效節(jié)約原來產(chǎn)生蒸汽的燃料用量，如瓦斯、天然氣等，在節(jié)能的同時減小了CO2的排放量，減小溫室效應(yīng)顯著。

2 化學反應(yīng)輔助SAGD 開發(fā)效果影響因素分析

在化學反應(yīng)中，化學反應(yīng)效率是影響整個化學反應(yīng)進行的關(guān)鍵因素，為了研究化學反應(yīng)輔助SAGD 開發(fā)過程中各因素對采出程度的影響，從油藏地質(zhì)因素、流體因素和化學反應(yīng)效率三方面考慮，進行參數(shù)影響規(guī)律研究，并進行敏感性分析。

2.1 單因素分析

2.1.1 地質(zhì)因素（見圖5）

圖5 地質(zhì)因素與累計產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between geological factors and cumulative oil production

滲透率：設(shè)計模型滲透率分別為500 mD，1 500 mD，3 000 mD，5 000 mD，6 000 mD，10 000 mD。由模擬結(jié)果可知，滲透率越大，油層流動系數(shù)越大，累計產(chǎn)油量逐漸增高，但增幅量逐漸減小。

凈總比：設(shè)計凈總比分別為0.5，0.7，0.9，1。由模擬結(jié)果可知，凈總比越低，累計產(chǎn)油量越低。因為凈總比越低，油層縱向上非均質(zhì)性越強，蒸汽的熱損失越強，氣竄風險也越大，開發(fā)效果越差。

垂水比：選取Kh/Kv分別為0.1，0.3，0.5，0.7，0.9。由結(jié)果分析可知，隨著Kh/Kv的增大，開采效果逐漸增大后趨于平穩(wěn)。因為Kh/Kv超過0.5 后，化學反應(yīng)形成的蒸汽腔快速到達油層頂部，延長了蒸汽腔頂部向油藏蓋層損失時間，造成熱能的損失，并且蒸汽腔在水平方向上的擴展速度變慢，加熱效果和加熱半徑都變小，導致開采效果變差。

巖石熱容：設(shè)計巖石熱容為1×106J/（kg·K），1.5×106J/（kg·K），2×106J/（kg·K），2.5×106J/（kg·K），結(jié)果表明：巖石熱容越大，累計產(chǎn)油量越高。因為熱容越大，當化學反應(yīng)釋放的熱量相同時，巖石吸收的熱焓值越高，流體降黏率越大，開發(fā)效果越好。

巖石熱傳導系數(shù)：設(shè)計巖石熱傳導系數(shù)分別為1×105W/（m·K），1.5×105W/（m·K），2×105W/（m·K），2.5×105W/（m·K）。結(jié)果表明：巖石熱傳導系數(shù)越大，累計產(chǎn)油量越高。因為巖石熱傳導系數(shù)越大，單位時間內(nèi)通過巖石的熱量越多，流體被加熱的越快，蒸汽腔波及范圍越廣，采出程度越高。

2.1.2 流體因素 原油黏度：選取不同油藏的實際黏溫曲線，通過數(shù)學方法換算到20 ℃時對應(yīng)的黏度，分別約為：10 000 mPa·s，20 000 mPa·s，30 000 mPa·s，40 000 mPa·s，50 000 mPa·s，模擬結(jié)果表明（見圖6）：原油黏度越高，開發(fā)效果越差。因為原油黏度越高，流動性越差，所以累計產(chǎn)油量與原油黏度成負相關(guān)關(guān)系。

圖6 原油黏度與累計產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between crude oil viscosity and cumulative oil production

2.1.3 化學反應(yīng)效率 化學反應(yīng)效率：使用不同性能的催化劑，結(jié)果表明（見圖7），化學反應(yīng)效率越高，累計產(chǎn)油量越高。因為化學效率越高，在相同的溫度下反應(yīng)越完全，釋放的熱量越多，原油黏度降低比越大，開發(fā)效果越好。

圖7 化學反應(yīng)效率與累計產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between chemical reaction efficiency and cumulative oil production

3 多因素分析

3.1 實驗方案的確立及模擬結(jié)果

前面已經(jīng)通過數(shù)值模擬軟件分析了各個因素對化學反應(yīng)輔助SAGD 開采重油效果的影響，本部分綜合考慮水體大小，滲透率、凈總比、垂水比、巖石熱容、巖石熱傳導系數(shù)、原油黏度、化學反應(yīng)效率7 個因素，通過正交實驗設(shè)計和灰色關(guān)聯(lián)法分析得出各因素在影響水平井產(chǎn)能時的主次順序和顯著程度。在本次實驗研究中以單井累計產(chǎn)油量為考察指標。因素和水平（見表1）。本次實驗一共是7 因素，4 水平（見表2）。

表1 正交實驗設(shè)計因素和水平示意表Tab.1 Schematic table of design factors and levels of orthogonal experiments

表2 各方案模擬結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of simulation results of each scheme

3.2 各因素影響程度分析

3.2.1 確定參考序列和比較序列 灰色關(guān)聯(lián)法首先要指定參考序列[13]。以每個方案的單井累產(chǎn)油為參考序列記為X0（t），記第一個為x0（1），第二個為x0（2），…，第n 個為x0（n）。所以，參考序列可以表示為X0（t）={x0（1），x0（2），…，x0（n）}。然后再以每個影響因素為比較序列，分別記為X1（t），X2（t），…，Xi（t），類似參考序列X0（t）的表示方法，有X1（t）={x1（1），x1（2），…，x1（n）}，…，Xi（t）={xi（1），xi（2），…，xi（n）}，i=1，2，…，m。

3.2.2 計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)式（1），結(jié)合均值化無量綱數(shù)據(jù)，可以得到各數(shù)據(jù)的絕對差值。其中ξ0i（t）是關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ 是分辨系數(shù)，一般取值為0.5。

3.2.3 求關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式（2），可以求得各參數(shù)的關(guān)聯(lián)度（見表3）。由分析結(jié)果可知：對于化學反應(yīng)輔助SAGD 開采重油，開發(fā)效果影響程度由強到弱依次為：凈總比，垂水比，化學反應(yīng)效率，原油黏度，滲透率，巖石熱容，巖石熱傳導系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬方法研究不同參數(shù)對化學輔助SAGD 開采重油的影響規(guī)律，結(jié)果表明：滲透率、凈總比、垂水比、巖石熱容、巖石熱傳導系數(shù)、化學反應(yīng)效率與開采效果正相關(guān)，原油黏度與開發(fā)效果負相關(guān)。

（2）根據(jù)正交設(shè)計和灰色關(guān)聯(lián)分析法可知，影響因素對開采效果的影響程度由較強到較弱依次為：凈總比，垂水比，化學反應(yīng)效率，原油黏度，滲透率，巖石熱容，巖石熱傳導系數(shù)。

（3）本文研究實現(xiàn)了化學反應(yīng)輔助SAGD 開采重油產(chǎn)能因素分析，一定程度豐富了化學反應(yīng)輔助SAGD 開采重油的模擬理論，該項技術(shù)可減少CO2的排放量，有利于減緩溫室效應(yīng)。

表3 因素影響程度排序Tab.3 The ranking of the degree of influence of the factors