楊 兵,李敬松,朱國(guó)金，張賢松，宮汝祥,張 穎

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450；2.中海石油研究總院)

我國(guó)海上稠油資源豐富，截至2012年底，渤海稠油儲(chǔ)量占到了已發(fā)現(xiàn)石油總儲(chǔ)量的85%，其中地下粘度大于350 mPa·s的普通稠油探明儲(chǔ)量達(dá)到5.08×108t，如果能夠得到高效開(kāi)發(fā)，必將成為我國(guó)海上石油的重要產(chǎn)量接替。然而常規(guī)注水開(kāi)發(fā)稠油開(kāi)采效果較差[1-2]。以渤海N油田為例，常規(guī)冷采開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)采收率僅為4.3%。為改善開(kāi)發(fā)效果，提高采收率，2008年N油田投入多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)，取得了顯著的效果，但隨著吞吐開(kāi)采的進(jìn)行，油藏壓力下降、邊水突進(jìn)等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，周期產(chǎn)量遞減快。如何進(jìn)一步改善區(qū)塊的開(kāi)發(fā)效果, 提高最終采收率, 是該油田面臨的首要問(wèn)題。

熱采吞吐開(kāi)采過(guò)程中，由于注入流體的作用范圍有限，多輪次吞吐后井間仍然存在大量尚未動(dòng)用的剩余油。根據(jù)以往研究及稠油油藏開(kāi)發(fā)實(shí)踐，熱采吞吐后期需轉(zhuǎn)入驅(qū)替開(kāi)發(fā)以進(jìn)一步改善儲(chǔ)層動(dòng)用狀況, 提高最終采收率。為此，本文以渤海N油田研究對(duì)象，開(kāi)展了多元熱流體吞吐轉(zhuǎn)驅(qū)可行性研究。

1 多元熱流體驅(qū)油機(jī)理

多元熱流體由蒸汽、二氧化碳和氮?dú)饨M成。常規(guī)蒸汽驅(qū)開(kāi)采稠油的主要增產(chǎn)機(jī)理有原油加熱降粘作用、熱膨脹作用、蒸汽蒸餾作用及改善油相滲透率等。由于二氧化碳和氮?dú)獾拇嬖?，多元熱流體驅(qū)除具有上述增油機(jī)理外，還包括以下6個(gè)方面[3-6]。

(1)降粘作用：高溫高壓的蒸汽攜帶有大量潛熱，可提高油層的溫度，改變地層原油的物性，降低原油粘度，使原油流度增加，從而改善原油流動(dòng)性能；多元熱流體中含有一定量的二氧化碳和氮?dú)?，注入的二氧化碳在稠油中發(fā)生溶解作用，當(dāng)二氧化碳溶于稠油中后，由于羧化作用，油分子間的引力降低，減少了流體間流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力，因而稠油的粘度得到有效的降低；而氮?dú)饽茉诘貙又行纬晌馀?，從而油、氣、水三相形成似乳狀液的流體，降低原油粘度，提高驅(qū)油效率。

(2)溶解膨脹作用：二氧化碳溶于稠油之后，會(huì)使稠油體積膨脹，大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，原油中充分溶解二氧化碳，可使原油體積膨脹10%～40%，其結(jié)果不僅增加了原油的內(nèi)動(dòng)能，而且也可大幅度降低原油流動(dòng)過(guò)程中的毛管阻力和流動(dòng)阻力，從而提高原油的流動(dòng)能力。多元熱流體中含有大量氮?dú)?，氮?dú)獾膲嚎s系數(shù)較大(0.291)，高壓下注入的氣體在油井降壓開(kāi)采過(guò)程中迅速膨脹，為油井生產(chǎn)提供了驅(qū)油動(dòng)力。

(3)保壓作用：熱蒸汽與氮?dú)饣熳⒊浞掷昧说獨(dú)怛?qū)油時(shí)彈性能量大的特性，可彌補(bǔ)由蒸汽冷凝所減小的壓力，從而保持地層壓力。

(4)重力分異作用：由于氣體的相對(duì)密度遠(yuǎn)小于原油和水，因而在多元熱流體驅(qū)替過(guò)程中，必然會(huì)發(fā)生氣水分離，大量的氮?dú)獬灿谟蛯禹敳?，將加熱的原油向下?qū)替至采油井采出。

(5)增強(qiáng)巖石的滲流能力：二氧化碳溶于地層水中可形成碳酸，使巖石中方解石、白云石等礦物成分被溶蝕，使得礦物顆粒間孔隙變大，增強(qiáng)巖石的滲流能力。

(6)利用賈敏效應(yīng)，提高波及系數(shù)，降低殘余油飽和度：氮?dú)馀c蒸汽混合注入，氮?dú)庠趦?chǔ)集層中產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，堵塞狹窄的孔隙喉道，從而調(diào)整注氣剖面，使氣體向周?chē)鶆虿?，使原?lái)呈束縛狀態(tài)的原油成為可動(dòng)油，從而降低殘余油飽和度。

2 多元熱流體驅(qū)油藏適應(yīng)性研究

與陸地稠油油田相比，海上稠油油田井距大，埋藏深，且多為水平井開(kāi)發(fā)，照搬陸地稠油蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)模式不可行。為探索海上稠油油藏多元熱流體驅(qū)替開(kāi)發(fā)適應(yīng)性，以目前正在進(jìn)行熱采開(kāi)發(fā)的渤海N油田為原型進(jìn)行研究。該油田主要含油層系為明化鎮(zhèn)下段，油層厚度6～10 m，孔隙度為24%～45%，滲透率范圍在(50～5000)×10-3μm2；地面原油密度為0.939～0.966 g/cm3，地面脫氣原油粘度為1654～3 893 mPa·s；油藏具有多個(gè)油水系統(tǒng)，邊水不甚活躍。地層壓力系數(shù)為1.0，地層溫度56℃，屬正常溫壓系統(tǒng)。根據(jù)N油田油藏特征，建立理論數(shù)值模擬模型，對(duì)油藏埋深、油層厚度、凈總厚度比、滲透率等參數(shù)進(jìn)行了技術(shù)界限分析。

2.1 油藏埋深

油藏埋深是影響多元熱流體驅(qū)效果的重要因素，油藏埋深越大，注入流體就需要更多的時(shí)間到達(dá)油層，在此過(guò)程中就會(huì)消耗大量的熱能，熱利用率則大大降低。從油藏埋深對(duì)累積油汽比的影響曲線可以看出(圖1)：油藏埋深從900 m增加到1 300 m，相對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)油量逐漸降低。當(dāng)油藏深度超過(guò)1 380 m后，油汽比低于0.12，因此經(jīng)濟(jì)極限油藏埋深為1 380 m。

圖1 油藏埋深與累積油汽比的關(guān)系

2.2 油層厚度

熱采開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油層有效厚度越大，注入蒸汽向頂?shù)讓拥臒嵘⑹г缴?，熱利用率越高。從油層厚度?duì)累積油汽比的影響曲線看出(圖2)，油層厚度越大，轉(zhuǎn)驅(qū)階段累積油汽比越高，開(kāi)采效果越好。油層厚度從6 m增加到15 m，相對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)油量增加，累積油汽比增大。當(dāng)油藏厚度低于5.8 m時(shí)油汽比低于0.12，經(jīng)濟(jì)極限油藏厚度約為6 m。

圖2 油層厚度與累積油汽比的關(guān)系

2.3 凈總厚度比

稠油油藏?zé)岵砷_(kāi)發(fā)過(guò)程中，除注熱過(guò)程中沿井筒的熱損失外，蒸汽進(jìn)入油層后向頂?shù)咨w層的熱損失亦不容忽視。根據(jù)熱采開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于油層厚度大、凈總比大的油藏，注入蒸汽熱利用率高，開(kāi)發(fā)效果優(yōu)于油層厚度小、凈總比小的油藏。從油層凈總比對(duì)累積油汽比影響曲線看出(圖3)，隨著油層凈總比的增加，采出程度升高，從累積產(chǎn)油量和累積油汽比對(duì)比曲線可以看出，油層凈總比從0.5增加到1.0，相對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)油量增加，累積油汽比增大，開(kāi)發(fā)效果越來(lái)越好。當(dāng)凈總比低于0.47后，油汽比開(kāi)始低于0.12。因此，經(jīng)濟(jì)極限凈總比為0.47。

圖3 油藏凈總比與累積油汽比的關(guān)系

2.4 地層傾角

地層傾角是影響多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的重要因素，隨著地層傾角的增大，蒸汽超覆增大，多元熱流體驅(qū)效果變差。為了研究地層傾角對(duì)水平井多元熱流體驅(qū)的影響，設(shè)計(jì)了三種不同的注汽井和生產(chǎn)井的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)模擬地層傾角對(duì)汽驅(qū)效果的影響。注汽井和生產(chǎn)井的相對(duì)位置關(guān)系為：注汽井位于傾斜油層低端、油層是水平的、注汽井位于傾斜油層高端三種情況。

從地層傾角對(duì)累積油汽比的影響曲線可以看出(圖4)：注汽井位于傾斜油藏的較高一端時(shí)，其采出程度和累產(chǎn)油累積油汽比等指標(biāo)均較高。通過(guò)分析可以得知：傾斜油層對(duì)多元熱流體驅(qū)不利。傾角越大，汽體超覆越嚴(yán)重，驅(qū)油效率越低，開(kāi)發(fā)效果變差。當(dāng)注入井比生產(chǎn)井低8.3°時(shí)，油汽比低于0.12，因此經(jīng)濟(jì)極限角度為-8°左右。

圖4 油藏地層傾角與累積油汽比的關(guān)系

2.5 油層滲透率

滲透率是儲(chǔ)層滲流能力的表征，滲透率越大，流體在油層中的滲流阻力越小，有利于原油采收率的提高。由累積油汽比隨滲透率的變化曲線可以看出(圖5)：隨滲透率增大，累積油汽比逐漸增加，增加幅度逐漸平緩。當(dāng)滲透率低于242×10-3μm2時(shí)油汽比低于0.12，因此經(jīng)濟(jì)極限滲透率為242×10-3μm2。

圖5 油藏滲透率與累積油汽比的關(guān)系

3 多元熱流體驅(qū)工藝參數(shù)優(yōu)化

為了指導(dǎo)多元熱流體驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)施，利用數(shù)值模擬技術(shù)針對(duì)多元熱流體驅(qū)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體包括：轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)、注入方式、注入體積、注入強(qiáng)度、采液強(qiáng)度、采注比。利用優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)最優(yōu)方案并對(duì)渤海N油田多元熱流體驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

3.1 轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)

轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)對(duì)多元熱流體驅(qū)效果影響非常大，只有在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行驅(qū)替開(kāi)發(fā)才能取得較高的采收率。由模擬結(jié)果可見(jiàn)(圖6)，在油藏平均壓力在4.5～6.0 MPa時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)驅(qū)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)效果最好；轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)過(guò)晚使得多元熱流體驅(qū)階段開(kāi)發(fā)效果變差，轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)太早時(shí)地層壓力高，不利于發(fā)揮蒸汽的熱擴(kuò)散作用。

圖6 不同轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)產(chǎn)油量對(duì)比

3.2 注入方式

通過(guò)數(shù)值模擬分析對(duì)比了連續(xù)多元熱流體驅(qū)和間歇多元熱流體驅(qū)兩種注入方式下的多元熱流體驅(qū)替開(kāi)發(fā)效果。由模擬結(jié)果可以看出(表1)，間歇驅(qū)替多元熱流體驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果優(yōu)于連續(xù)驅(qū)方式。

表1 不同注入方式累積產(chǎn)油量對(duì)比

3.3 段塞大小

針對(duì)間歇注入方式，對(duì)段塞大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬分析表明(圖7)，段塞體積0.01 PV時(shí)所對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)油量最大。

圖7 不同段塞大小與累產(chǎn)油量對(duì)比

3.4 注入強(qiáng)度

針對(duì)間歇注入方式，選擇多元熱流體吞吐至油藏平均壓力低于6 MPa后轉(zhuǎn)間歇多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)，由模擬結(jié)果可知(表2)，注入強(qiáng)度為2.43～3.24 m3/(d·m)時(shí)多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果較好。

表2 不同注入強(qiáng)度多元熱流體驅(qū)累積產(chǎn)油量對(duì)比

3.5 停注時(shí)間

通過(guò)模擬分析可以看出(表3)，注入時(shí)間40 d+停80 d累產(chǎn)油量最高，但由于生產(chǎn)年限較長(zhǎng)，建議注入時(shí)間30～40 d，停注時(shí)間選擇為20～30 d。

表3 間歇多元熱流體驅(qū)不同停注周期開(kāi)采效果對(duì)比

3.6 采注比

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了不同采注比條件下多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果。由結(jié)果可以看出(表4)，階段產(chǎn)油量隨采注比的增加而增加，采注比為1.3時(shí)累產(chǎn)油量最大，建議采注比取1.2～1.3。

表4 不同采注比多元熱流體驅(qū)累產(chǎn)油對(duì)比

3.7 注入溫度

通過(guò)模擬分析對(duì)比了注入溫度對(duì)多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響。由模擬結(jié)果可以看出(圖8)，注入溫度低于200℃時(shí)，累積產(chǎn)油量隨注入溫度的增加而逐漸增加；當(dāng)注入溫度超過(guò)250 ℃后，隨溫度增加累積產(chǎn)油量增幅變得較為平緩。因此，提高注入溫度可有效改善多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果，建議井底注入溫度大于250 ℃。

圖8 注入溫度對(duì)多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響

3.8 開(kāi)采效果

應(yīng)用上述參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)N油田進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)多元熱流體驅(qū)開(kāi)發(fā)采收率可達(dá)35.27%，比多元熱流體吞吐開(kāi)發(fā)提高14.13%。

4 結(jié)論

(1)多元熱流體驅(qū)開(kāi)采稠油，可在一定程度上解決常規(guī)蒸汽驅(qū)熱損失大、汽驅(qū)波及系數(shù)不高的問(wèn)題，而且還可降低殘余油飽和度，提高巖石的滲流能力，降低稠油粘度，使稠油體積膨脹，維持或恢復(fù)地層壓力。

(2)通過(guò)研究得出適宜多元熱流體驅(qū)替開(kāi)發(fā)的油藏界限：埋深不宜超過(guò)1 380 m；油層厚度需大于6 m；凈總厚度比大于0.47；油層滲透率應(yīng)大于242×10-3μm2；注入井位于油藏低部位時(shí)，地層傾角應(yīng)小于8°。

(3)針對(duì)海上普通稠油油藏，研究得到多元熱流體驅(qū)最佳操作參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了指導(dǎo)。該研究成果對(duì)海上普通稠油油藏進(jìn)一步提高采收率具有借鑒意義。

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