編譯:鄒善義 王新偉 (中國石油大學(xué) (華東))

審校:馬玉峰 劉安源 (中國石油大學(xué) (華東))

電加熱過程中在油層內(nèi)汽化水提高瀝青生產(chǎn)

編譯:鄒善義 王新偉 (中國石油大學(xué) (華東))

審校:馬玉峰 劉安源 (中國石油大學(xué) (華東))

稠油熱采和瀝青熱采包括蒸汽輔助重力泄油 (SAGD)、循環(huán)注蒸汽和蒸汽驅(qū)。熱量提高了原油的溫度,原油黏度降低從而有效地流向生產(chǎn)井。電加熱過程是注蒸汽過程的一個替代過程。隨著天然氣價格越來越高,或天然氣供應(yīng)相應(yīng)減少,電加熱過程相對于其他熱采方法經(jīng)濟上更具競爭力。油田最近做的阿薩巴斯卡油砂實驗表明,經(jīng)過優(yōu)化的電加熱過程可采出超過75%的稠油或瀝青。通過在油層內(nèi)水汽化來優(yōu)化電熱過程。一系列針對阿薩巴斯卡油砂的初步電加熱模擬研究,可通過計算機模型實驗群油藏模擬軟件來實現(xiàn)。首先,蒸汽驅(qū)的采油增量估計是基于一個三區(qū)塊概念模型;第二,建立現(xiàn)場比例模型來估計電極距、水的注入率和電加熱速率對瀝青采收率的影響。用統(tǒng)計工具來分析模擬結(jié)果,以確定水汽化時瀝青最大化生產(chǎn)的最佳狀態(tài)。理論模型的模擬結(jié)果表明,在阿薩巴斯卡油砂儲層,水汽化導(dǎo)致的增產(chǎn)油量可高達原始石油地質(zhì)儲量的25%?，F(xiàn)場比例模型的一項敏感性研究表明,在油層內(nèi)水汽化適度時,最大化瀝青生產(chǎn)要求電加熱速率中等,注水速率較低,電極距較小。研究展示了未來重油/瀝青生產(chǎn)的一項有價值的技術(shù)。另外,電加熱過程可獨立運作,并經(jīng)濟產(chǎn)出大量的瀝青。

稠油熱采 電加熱 油層內(nèi)水汽化 三區(qū)塊模型 現(xiàn)場比例模型 兩級完全因子設(shè)計模型 優(yōu)化

1 方法

CMG StarsTM軟件 (2007.11)用作油藏數(shù)值模擬工具,三區(qū)塊模型和現(xiàn)場比例模型的建立是基于已公布的阿薩巴斯卡油砂特性,油砂特性參數(shù)見表1～表3。在兩種模型中,稠油和水是油層僅有的兩種組分。相對滲透率數(shù)據(jù)來自文獻,是瀝青質(zhì)油藏的典型數(shù)據(jù)。假定在三區(qū)塊模型中沒有熱損失。

表1 模擬輸入的一般參數(shù)

表2 油層特性

______________溫______________________________________度/℃_黏度/(mPa·s)114080120160200____________________________________________________22010002571743057776.2521.459.351.22________

1.1 三區(qū)塊模型

此模型的三維尺寸是12 m×13 m×3 m,離散為3(I) ×1(J) ×1(K)的區(qū)塊。在 I方向,分成3個區(qū)塊,生產(chǎn)井在中心區(qū)塊,兩個電極分別放在第一個 (I=1)和第三個 (I=3)區(qū)塊上。模型電壓為220 V。最小地層壓力等于原始油層壓力(1000 kPa)。此模型模擬以下兩種情況:

◇汽化階段——持續(xù)加熱1461天

◇非汽化階段——達到飽和溫度時停止加熱三區(qū)塊模型示意圖如圖1所示。

圖1 三區(qū)塊油藏模型

1.2 現(xiàn)場比例模型

現(xiàn)場比例模型如圖2所示。

現(xiàn)場比例模型的大小是16.12 m×27.92 m×40 m。模型被離散為15×29×10的區(qū)塊。一系列呈三角形組合的電極和生產(chǎn)井是對稱元素 (圖2)。每口注水井均作為電極,與三相電源裝置相連。在生產(chǎn)井和注水井開啟之前模型預(yù)熱1個月。

圖2 現(xiàn)場比例模型平面圖

1.3 兩級完全因子設(shè)計

傳統(tǒng)的參數(shù)研究是改變一個參數(shù),而保持其他參數(shù)不變,這種一次改變一個參數(shù)的常規(guī)實驗方法實驗量大且極為費時。而實驗設(shè)計的目標(biāo)是通過統(tǒng)計設(shè)定實驗,將試驗次數(shù)縮為最少,因此試驗次數(shù)可以最少,也可以統(tǒng)計分析試驗結(jié)果。本研究項目采用兩級完全因子設(shè)計方法。研究三個影響因素,即電極間距、注水速率和電加熱速率。為統(tǒng)計分析方便,三個因素分別編碼為 A、B和C。根據(jù)兩級完全因子實驗設(shè)計原則,設(shè)定23(=8)個模擬運行工況來研究三個因素對瀝青質(zhì)采收率的影響。每個參數(shù)的最小值和最大值列于表4和表5。應(yīng)用State-easeTM實驗軟件進行了8個工況的模擬運行,并分析了模擬結(jié)果。

單因子模型的形式為:

βi是參數(shù) A、B、C及其交互項AB、AC等的系數(shù),y是響應(yīng),如瀝青采收率,e為誤差項。在單因子設(shè)計中評價系數(shù)βi,系數(shù)βi越大,相應(yīng)參數(shù)的影響越大。分析8個模擬運行結(jié)果后,基于最后的統(tǒng)計分析得到最優(yōu)化方法。

表4 每個數(shù)的研最大值究和最參小值

表5 根據(jù)兩級完全因子設(shè)計的模擬運行工況

2 結(jié)果與討論

2.1 三區(qū)塊模型

圖3～圖6顯示了三區(qū)塊模型的選定模擬結(jié)果。如圖3所示,汽化與非汽化工況的溫度均達到了飽和溫度179℃,但是汽化工況的采油量遠(yuǎn)高于非汽化工況 (分別為42%和17%)。兩種工況的含氣飽和度曲線如圖4所示,汽化工況的含氣飽和率超過45%。導(dǎo)電率曲線如圖5所示,水的汽化曲線如圖6所示。在汽化工況下,隨著時間的推移,導(dǎo)電率和含水飽和度幾乎降為零,這就意味著導(dǎo)電率嚴(yán)重依賴含水飽和度,并隨著含水飽和度的減少而減少。在非汽化工況下,當(dāng)停止加熱后,導(dǎo)電率最初下降,然后恒定為0.043 s/m,而含水飽和度保持不變。因此,在油層內(nèi)水汽化可以多生產(chǎn)25%的瀝青,但是必須注意的是防止電導(dǎo)率降為零,否則會引起電路斷路。從這些初步結(jié)果看,水汽化是非常有價值的。

圖3 三區(qū)塊模型:產(chǎn)油率與溫度曲線

圖4 三區(qū)塊模型:含氣飽和度曲線

圖6 三區(qū)塊模型:含水飽和度曲線

圖5 三區(qū)塊模型:導(dǎo)電率曲線

2.2 現(xiàn)場比例模型汽化與非汽化方案

將220 V三相電源連接到現(xiàn)場比例模型的電極上,油層特性及其他所有的特性與三區(qū)塊模型相同(表1、表2、表3),注水速率為每個電極每天4 m3。生產(chǎn)周期為2年,圖7顯示了現(xiàn)場比例模型在汽化與非汽化時的采油曲線。在現(xiàn)場比例模型中,在考慮熱損失的情況下,無需任何優(yōu)化,在油層中水汽化可增加7%的瀝青產(chǎn)量。

圖7 現(xiàn)場比例模型的注水與非注水方案的采油量曲線

2.3 兩級完全因子模型

根據(jù)兩級完全因子設(shè)計模型,做了8種模擬運行工況,響應(yīng) (瀝青采收量)列于表6。

根據(jù)表6進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)主要的變量及其相互作用。統(tǒng)計分析結(jié)果如圖8所示。圖8描述了每個參數(shù) A、B、C(A—電極距,B—注水速率,C—電加熱速率)及其相互作用項 (即 AB、AC、BC、AB C)的重要性。在直線上的點或離這條直線非常近的點都是不重要的影響參數(shù),A、B、C(圖8)不在這條直線上,這說明A、B、C都是重要的影響參數(shù),B是最重要的影響參數(shù)。橙色方塊代表正面效果,而藍(lán)色方塊代表負(fù)面效果。在圖8中,A負(fù)面影響電加熱過程,B和C正面影響電加熱過程。電極距越小,產(chǎn)油量越高;水的注入速率和電加熱速率越大,產(chǎn)油量越高。這個結(jié)論與傳統(tǒng)觀念和電加熱原則是一致的。在直線上的點是 AB、BC、AC和AB C,它們是相互作用項,不是重要的影響參數(shù)。

表6 兩級完全因子設(shè)計模型的響應(yīng)_(瀝青采收量)__

圖8 統(tǒng)計分析的半正態(tài)圖

根據(jù)兩級完全因子設(shè)計建立的統(tǒng)計模型,可用State-easeTM實驗軟件進行過程優(yōu)化。目標(biāo)是生產(chǎn)周期縮減為1年,而瀝青產(chǎn)量達到原產(chǎn)量的75%。除了電加熱速率,其他參數(shù)的范圍同前,可見表4。電加熱速率的電壓提高到220 V,與高電壓如330 V或更高相比,220V是相當(dāng)適中的。經(jīng)過最優(yōu)化找到最佳參數(shù)組合,其結(jié)果列于表7。根據(jù)最優(yōu)化結(jié)果,可進行模擬運行,經(jīng)過1年的瀝青生產(chǎn)后,最終的瀝青產(chǎn)量可達到原產(chǎn)量的62.19%。

為了評估油層內(nèi)水汽化的作用,非汽化模擬運行在表7的最優(yōu)化參數(shù)組合下可視為汽化運行工況。汽化運行經(jīng)優(yōu)化后,瀝青增產(chǎn)量可超過12%。與未經(jīng)優(yōu)化的汽化運行相比,增產(chǎn)油量更多 (與7%相比較)。

表7 最優(yōu)化參數(shù)組合

3 結(jié)論

本研究的目的是在油層內(nèi)水汽化的情況下進行電加熱過程的最優(yōu)化。可用計算機模型群油層模擬軟件,針對阿薩巴斯卡油砂進行一系列電加熱模擬研究。首先,基于三區(qū)塊理論模型和現(xiàn)場比例模型的汽化會使采油量增產(chǎn);其次,建立現(xiàn)場比例模型來評估電極距、水的注入速率和電加熱速率對最終瀝青產(chǎn)量的影響;最后用統(tǒng)計工具來分析模擬結(jié)果,以確定在油層內(nèi)汽化水時瀝青產(chǎn)量最大化的最優(yōu)條件。

模擬結(jié)果顯示,當(dāng)加熱地層水至汽化時,增產(chǎn)油量非常可觀。基于三區(qū)塊理論模型和經(jīng)過優(yōu)化的現(xiàn)場比例模型的增產(chǎn)油量分別為25%和12%。統(tǒng)計分析表明,電極距、注水速率和電加熱速率是主要參數(shù)。在電加熱過程中,較小的電極距、較大的注水速率和電加熱速率,可以提高采油量。

基于統(tǒng)計分析的優(yōu)化電加熱過程的各個參數(shù)分別是:電極距為16.12 m,注水速率為4.2 m3/d,電加熱速率為220 V,油層特性及其他特性列于表1、表2、表3。在1年的熱力采油生產(chǎn)周期內(nèi),經(jīng)參數(shù)優(yōu)化的采油量可高達 (原產(chǎn)量的)62.19%,

研究顯示了這項技術(shù)在以后稠油/瀝青熱采中的價值,也表明電加熱過程可以獨立運行,并可以經(jīng)濟地生產(chǎn)大量瀝青。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.006

資料來源于美國《SPE/PS/CHOA 117700》

2008-12-28)