欒健 陳軍 韓冰 郭宣銘 劉曉蒙

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油遼河油田勘探開(kāi)發(fā)研究院稠油所，遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引言

遼河油田曙一區(qū)杜84 塊構(gòu)造上位于遼河盆地西部凹陷西部斜坡帶中段，為一軸向?yàn)楸睎|南西的單斜鼻狀構(gòu)造，地層原油粘度達(dá)23.191×104mPa·s，屬少見(jiàn)的超稠油。含油面積6.2km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量為8273×104t，埋深550～1150m，屬中深層超稠油油藏，地層溫度為38～45℃，原油在地層條件下不能流動(dòng)。其縱向上發(fā)育了三套層系，如圖1 所示，其油層相對(duì)集中，儲(chǔ)層物性好，為中～高孔、高滲～特高滲儲(chǔ)層，但興I 組油層存在著較活躍的邊、頂水，這對(duì)開(kāi)發(fā)后期針對(duì)超稠油開(kāi)展增產(chǎn)措施有著潛在的威脅，具體參數(shù)見(jiàn)表1。[1]

表1 杜84塊儲(chǔ)層巖石及流體參數(shù)表

現(xiàn)場(chǎng)上采取蒸汽吞吐后轉(zhuǎn)SAGD 的開(kāi)發(fā)方式，其能提高采收率超過(guò)40%，但隨著SAGD 的持續(xù)進(jìn)行，蒸汽超覆現(xiàn)象嚴(yán)重，蒸汽上升速度較快，頂水下泄及邊水侵入的情況越來(lái)越嚴(yán)重等問(wèn)題也日益凸現(xiàn)出來(lái)，故迫切需要開(kāi)發(fā)出接替SAGD 的新技術(shù)。針對(duì)上述問(wèn)題，目前廣泛認(rèn)為應(yīng)在SAGD 過(guò)程中加入非凝析氣，即SAGP(Steam and Gas Push)技術(shù)。[2]

1 SAGP國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及技術(shù)原理

SAGP 技術(shù)最早由加拿大卡爾加里大學(xué)的R·M·Butler博士提出，目的是為了解決SAGD 過(guò)程中蒸汽腔上竄過(guò)快、蒸汽向上覆巖層的熱損失過(guò)大和蒸汽熱效率低等問(wèn)題。SAGP 通過(guò)注入非凝析氣(如N2、CO2、CH4、煙道氣等)來(lái)提高SAGD 的蒸汽熱效率、控制蒸汽腔的形狀。目前，SAGP 被廣泛認(rèn)為是SAGD 后期的有效接替方案。但對(duì)于目前的研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的小規(guī)模模擬，在世界范圍內(nèi)沒(méi)有在礦場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)例。此次結(jié)合遼河油田杜84 塊興I 組的研究可為今后的SAGP 的深入研究及技術(shù)推廣提供理論依據(jù)。

在SAGP 相似性模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中，分析SAGD 汽腔所有的部分都達(dá)到蒸汽的飽和溫度，而SAGP 只有注采井間的部分達(dá)到蒸汽的飽和溫度，即從注汽井向上溫度逐漸降低，如圖2 所示。故沿SAGP 汽腔向上原油黏度增大，這導(dǎo)致SAGP 的汽腔橫截面的兩側(cè)會(huì)比SAGD 的汽腔橫截面更陡，甚至?xí)诖怪保鐖D3 所示，圖中陰影部分的面積相等，這就減緩了汽腔向橫向擴(kuò)展的速度。[3-6]

圖1 曙一區(qū)杜84 塊油層剖面圖

圖2 SAGP技術(shù)機(jī)理示意圖圖

圖3 相同注汽速率下SAGD與SAGP汽腔橫截面的對(duì)比圖

目前認(rèn)為SAGP 提高超稠油采收率的機(jī)理有以下幾點(diǎn)。

(1)非凝析氣分布在汽腔上部，降低蒸汽向上覆巖層的傳熱速度，提高熱效率。

由于密度差異，N2、CO2、CH4與煙道氣等能夠分布在汽腔的頂部，這是重力分異原理與蒸汽冷凝作用的共同結(jié)果。由于注入氣的導(dǎo)熱系數(shù)小于固體和液體的，故針對(duì)目的層，利用非凝析氣的隔熱作用能減緩蒸汽腔向上突進(jìn)的速度、延緩邊水及頂水泄入的時(shí)間。

(2)氣體的膨脹系數(shù)大，可維持系統(tǒng)壓力、向下推動(dòng)原油、提高泄油能力。

SAGD 注入的蒸汽經(jīng)傳熱后溫度降低，當(dāng)溫度降至露點(diǎn)以下，蒸汽會(huì)凝結(jié)成水滴，此時(shí)不僅蒸汽的體積會(huì)明顯縮小，降低蒸汽腔的壓力，而且此時(shí)驅(qū)油機(jī)理就會(huì)從蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)化為熱水驅(qū)，這大大降低了油層的溫度、影響驅(qū)油效率。而注入非凝析氣后，利用其膨脹系數(shù)大的性質(zhì)，可以有效保持蒸汽腔的壓力，維持蒸汽驅(qū)的繼續(xù)進(jìn)行。

(3)降低蒸汽腔上部溫度，而注入井附近區(qū)域仍為飽和蒸汽溫度。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SAGP 由于非凝析氣的加入，使整個(gè)驅(qū)油過(guò)程中蒸汽腔的溫度有所降低，而注入井周圍的溫度變化不大，仍為飽和蒸汽溫度，從而整體提升了蒸汽的熱利用率，如圖4 所示。

圖4 純蒸汽SAGD與氣體輔助SAGD實(shí)驗(yàn)溫度分布對(duì)比圖

從中可以看出：SAGD 蒸汽腔的所有的覆蓋區(qū)域幾乎都達(dá)到了蒸汽飽和溫度。而SAGP 只有在注入井附近的區(qū)域達(dá)到了飽和蒸汽溫度，蒸汽腔的上部保持低溫。

(4)減少蒸汽需求量，提高油汽比和經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)驗(yàn)表明，非凝析氣體需求量小于蒸汽體積的1%，減少1/4 的蒸汽注入速率，同時(shí)對(duì)比累積產(chǎn)油量和汽油比可以看出SAGP 產(chǎn)出的原油比SAGD 少10%，但是油汽比提高40～50%。

(5)控制蒸汽的粘性指進(jìn)，防止汽躥。

氣體粘度大于蒸汽粘度，溫度越高，差異越大，減小蒸汽的粘性指進(jìn)有利于驅(qū)油。注入的非凝析氣能夠控制蒸汽的流動(dòng)性，使汽腔均勻擴(kuò)展，原理類似于聚合物驅(qū)。

(6)非凝析氣能有效調(diào)控蒸汽腔的延伸方向，擴(kuò)大蒸汽波及范圍。

添加非凝析氣能減緩蒸汽超覆速度，增加油藏動(dòng)用儲(chǔ)量；此外還能提高SAGD 開(kāi)采的泄油速度。但添加非凝析氣有一個(gè)合理的范圍，在此范圍內(nèi)才能有效調(diào)整蒸汽腔擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)大波及體積、提高SAGD 過(guò)程熱效率。[7—12]

2 建立模型與SAGP注采參數(shù)優(yōu)化

本次數(shù)值模擬研究采用CMG 軟件，選擇了多組分熱采模型對(duì)區(qū)塊進(jìn)行模擬。

2.1 三維模型的建立

選取層內(nèi)1 個(gè)雙水平井組作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際，采用均勻網(wǎng)格建立三維地質(zhì)模型，網(wǎng)格系統(tǒng)為90×14×50，I、J 方向網(wǎng)格步長(zhǎng)5m，K 方向網(wǎng)格步長(zhǎng)2m，頂層埋深560m?？紫抖葹?6.6%，Ki=Kj=5.5D，Kv/Kh=0.8，Pi=6MPa。下水平井在48層；上水平井在45 層，井長(zhǎng)均為300 米，如圖5 所示。

水平井組在進(jìn)入SAGD 前要進(jìn)行四個(gè)周期、共兩年的蒸汽吞吐：上水平井注汽15 天，注汽溫度320℃，干度0.4，之后停注、生產(chǎn)6 個(gè)月，之后重復(fù)以上操作；下水平井在上水平井的前三個(gè)周期內(nèi)關(guān)井，在上水平井第四次注蒸汽時(shí)開(kāi)井與其一同注蒸汽15 天，隨后一同生產(chǎn)6 個(gè)月，期間注采速度300t/d，之后轉(zhuǎn)SAGD。

根據(jù)SAGD 研究結(jié)果，采用的SAGD 注采參數(shù)為：注蒸汽溫度250℃、蒸汽干度0.7、注汽速度250m3/d、采注比1.3。

圖5 模型示意圖

2.2 雙水平井SAGP注采參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 注入非凝析氣種類的優(yōu)選

在研究過(guò)程中，以相同的注氣方式分別連續(xù)注入N2、CO2、CH4以及煙道氣，與不注入非凝析氣相比，其相對(duì)于SAGD 提高的采收率結(jié)果如圖6 所示。

圖6 注入不同非凝析氣提高的采收率

可以看出，相同條件下CO2提高的采收率最高，分析其原因除一般非凝析氣共有的隔熱、提高波及范圍以及控制汽腔形狀等因素外，還因?yàn)镃O2微溶于稠油，當(dāng)稠油中溶有CO2時(shí)，其可以顯著降低稠油黏度，提高超稠油的流動(dòng)性，進(jìn)而提高采收率。

2.2.2 注氣連續(xù)性優(yōu)選

現(xiàn)場(chǎng)存在兩種注入CO2的方式：連續(xù)注入CO2和注入CO2段塞，故需對(duì)這兩種方式進(jìn)行優(yōu)選。

此次研究模擬了注入CO2速率相同時(shí)，連續(xù)注入CO2和注入CO2段塞的兩種情況，與轉(zhuǎn)SAGP 前僅蒸汽吞吐相比雖然都能大幅提高采收率，但由結(jié)果看，注CO2段塞的效果更好，如圖7 所示。

分析其原因是由于CO2與超稠油的黏度相差巨大，導(dǎo)致CO2與超稠油的流度比>>1，進(jìn)而在連續(xù)注入CO2時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的指進(jìn)以及竄流現(xiàn)象，這大大降低了CO2的利用率，同時(shí)連續(xù)注入CO2還會(huì)因?yàn)镃O2的持續(xù)流動(dòng)而降低其隔熱性。

2.2.3 注氣段塞大小優(yōu)選

針對(duì)礦場(chǎng)上較為常見(jiàn)的幾種段塞大?。?.1PV、0.15PV、0.2PV、0.25PV 和0.3PV 展開(kāi)工作。計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。

圖7 連續(xù)注CO2與注CO2段塞提高的采收率對(duì)比圖

圖8 段塞大小與SAGP提高的采收率的關(guān)系

從結(jié)果可以看出，隨著注入段塞的增大，兩種采收率都隨之提高，尤其是從0.1PV 到0.25PV 時(shí)，SAGP 提高采收率近8個(gè)百分點(diǎn)，總采收率也提高約5 個(gè)百分點(diǎn)，但段塞大于0.25PV時(shí)，兩種采收率的提高幅度明顯下降，其原因?yàn)楫?dāng)注入的非凝析氣段塞尺寸超過(guò)一定規(guī)模時(shí)，注入的非凝析氣會(huì)竄入生產(chǎn)井，未能發(fā)揮隔熱降黏作用，且注入段塞過(guò)大會(huì)增加投資成本，降低開(kāi)發(fā)效果。故最終優(yōu)選出的最佳注氣段塞大小為0.25PV。

2.2.4 注氣速率大小優(yōu)選

對(duì)幾種常見(jiàn)的注氣速率模擬結(jié)果如圖9 所示，其表明隨著注氣速率的增加，兩種采收率均有增加，其中速率從10000m3/d 增加到15000m3/d 時(shí)，SAGP 提高的采收率增幅明顯，約3%；總采收率也增長(zhǎng)顯著，約3%；而注氣速率超過(guò)20000m3/d 時(shí)，SAGP 提高的采收率與總體采收率增長(zhǎng)幅度明顯下降。其原因是當(dāng)注氣速率超過(guò)一定界限時(shí)，注入氣會(huì)產(chǎn)生竄流現(xiàn)象，不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。而且隨著注氣速率的增加，操作成本也會(huì)攀升，故綜合考慮開(kāi)發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)因素后，優(yōu)選的注CO2速率為20000m3/d。

圖10 轉(zhuǎn)SAGP時(shí)機(jī)與SAGP提高的采收率的關(guān)系

圖11 注氣速率與SAGP提高的采收率的關(guān)系

2.2.5 轉(zhuǎn)SAGP時(shí)機(jī)優(yōu)選

SAGP 時(shí)機(jī)也會(huì)影響開(kāi)發(fā)效果，過(guò)早注入非凝析氣會(huì)使加熱效果變差，超稠油黏度得不到有效的降低，降低采收率；而注入時(shí)間過(guò)晚會(huì)導(dǎo)致熱量損失嚴(yán)重，蒸汽冷凝，采出油的含水率升高，且存在邊、頂水侵入的危險(xiǎn)。

此次研究了SAGD 開(kāi)始后1、2、3、4、5 年后轉(zhuǎn)SAGP 的五種方案，結(jié)果如圖10 所示。

從中可以看出，兩種采收率隨著轉(zhuǎn)SAGP 時(shí)機(jī)的推遲呈現(xiàn)出先上升，后下降，再上升的趨勢(shì)，其最大值為SAGD 開(kāi)始后兩年轉(zhuǎn)SAGP，SAGP 提高采收率為47.76%，總采收率達(dá)到52.39%。其原因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)隨著SAGD 進(jìn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，蒸汽腔不斷擴(kuò)大，波及范圍不斷增加，在SAGD 進(jìn)行兩年后注入非凝析氣可大幅提高蒸汽的熱利用率，取得較好的增產(chǎn)效果。而隨著轉(zhuǎn)SAGP 時(shí)間的延后，注入蒸汽的熱損失與日俱增，而且會(huì)有邊、頂水侵入，加劇了熱損失的程度，大幅降低了采收率與開(kāi)發(fā)效果。

2.2.6 注氣方式優(yōu)選

本次結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際提出三大類、共六小類共三十六種注氣方式，包括：設(shè)計(jì)二/三/四個(gè)注氣的大周期，每個(gè)大周期持續(xù)五/四/三/年，期間包括一年或兩年的間隔。分別對(duì)每種注氣方式進(jìn)行運(yùn)算，并通過(guò)SAGP 提高的采收率、總采收率、累計(jì)注入CO2量進(jìn)行比較篩選，最終優(yōu)選出一種開(kāi)發(fā)效果最好、CO2用量合理的注氣方式，其最終結(jié)果如表2—表3、圖11—圖12 所示。

表2 按SAGP提高的采收率為指標(biāo)優(yōu)選的注氣方式表

圖11 表2中各自最優(yōu)注氣方式SAGP提高采收率比較

在綜合考慮SAGP 提高的采收率、總體采收率與累計(jì)注入CO2量幾個(gè)因素后得出的最佳注氣方式為：在開(kāi)發(fā)階段共分三個(gè)大周期注入CO2，每個(gè)大周期持續(xù)三年，大周期之間間隔兩年；注氣時(shí)連續(xù)注入CO2三個(gè)月、之后停注一個(gè)月，之后重復(fù)注氣。以此方式進(jìn)行，直至達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限。分析結(jié)果可知，注入CO2三年后，留出兩年的緩沖期為其充分發(fā)揮蒸汽熱量，且在注入CO2時(shí)選擇注三個(gè)月、停一個(gè)月的方式，也能留出合理的時(shí)間間隙使CO2充分發(fā)揮隔熱與調(diào)整蒸汽腔形狀的作用。

2.3 優(yōu)選方案模擬計(jì)算

將各參數(shù)進(jìn)行匯總，如表3 所示，按照此參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，按優(yōu)選參數(shù)模擬出的蒸汽腔形態(tài)如圖13—圖14 所示。

圖12 各注氣方式的累計(jì)注入CO2量

表3 SAGP優(yōu)選參數(shù)

圖13 SAGP達(dá)經(jīng)濟(jì)極限時(shí)的汽腔形態(tài)

圖14 SAGD達(dá)經(jīng)濟(jì)極限時(shí)的汽腔形態(tài)

SAGP 由于在SAGD 過(guò)程中加入了CO2，利用CO2的隔熱、降黏等作用使得最終的的蒸汽腔形態(tài)比SAGD 蒸汽腔的形狀更為圓滑，其推進(jìn)與擴(kuò)展更為均勻，類似活塞式推進(jìn)；而SAGD最終的蒸汽腔邊界則更為不規(guī)則，相比之下采收率不及SAGP的采收率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析及計(jì)算，可得出以下結(jié)論。

(1)相關(guān)研究表明SAGD 中后期主要采用加入N2、CO2、CH4和煙道氣的方式來(lái)改善生產(chǎn)效果，這為遼河油田杜84 塊興I 組油層實(shí)施SAGP 先導(dǎo)試驗(yàn)研究提供了思路。

(2)創(chuàng)新地提出了SAGP 的優(yōu)選注入?yún)?shù)：注入非凝析氣時(shí)采用段塞式注入，最佳段塞大小為0.25PV，最佳注入時(shí)機(jī)為實(shí)施SAGD 后兩年，最佳注氣速率為20000m3/d，最佳氣汽比為80。

(3)優(yōu)選出的注入非凝析氣方式為：整個(gè)開(kāi)發(fā)階段分為三個(gè)大的注氣周期，每個(gè)周期間隔兩年，而在注氣時(shí)注氣三個(gè)月，停注一個(gè)月。

(4)本次研究為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了依據(jù)，為SAGP 的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建議進(jìn)行室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究工作，為進(jìn)一步搞清氣體輔助SAGP 的生產(chǎn)機(jī)理，為更深層次的研究提供基礎(chǔ)。

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