孔令軍

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京

1. 引言

Girasol油田儲(chǔ)層主要為第三系始新統(tǒng)-漸新統(tǒng)河流相砂巖，油藏中部平均埋深410 m，平均孔隙度27.2%，平均滲透率712 mD，總體上屬于高孔中滲、高孔高滲儲(chǔ)層。油藏條件下原油黏度為5000～6000 mPa?s。該油田2008年正式投入商業(yè)開(kāi)發(fā)，是圣湖能源公司第一個(gè)大規(guī)模使用水平井開(kāi)發(fā)的稠油油田。

2. Girasol油田長(zhǎng)水平段蒸汽吞吐現(xiàn)狀

研究表明，水平井注蒸汽過(guò)程中，蒸汽干度和溫度隨水平段變長(zhǎng)不斷變小[1]。根據(jù)Girasol油田現(xiàn)場(chǎng)PH05-Hz04井光纖檢測(cè)結(jié)果，注入蒸汽時(shí)，高溫區(qū)集中在水平井的斜井段，水平段處于相對(duì)低溫區(qū)，受蒸汽影響較小，至水平段末端溫度已降至基線，基本不受熱，整個(gè)水平段蒸汽作用剖面受熱嚴(yán)重不均。因此對(duì)于Girasol油田長(zhǎng)達(dá)600 m的水平井，注入蒸汽至水平井末端其溫度、干度將會(huì)降得很低，末端難以發(fā)揮熱采效應(yīng)，造成單井控制儲(chǔ)量動(dòng)用程度很低。目前區(qū)塊采出程度只有5.09%，而吞吐周期遞減率高達(dá)26.7%，水平井每米井段日產(chǎn)油量只有0.004 t，嚴(yán)重影響開(kāi)發(fā)效果。

3. 長(zhǎng)水平井段均勻注汽對(duì)策研究

在國(guó)內(nèi)水平井稠油開(kāi)發(fā)雙管均勻注汽工藝技術(shù)的研究基礎(chǔ)上[2]，引進(jìn)了脈沖均勻注汽工藝。該工藝與常規(guī)雙管注汽工藝相比，具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：① 結(jié)合了雙管注汽和多點(diǎn)注汽的特點(diǎn)[3]，滿足了跟部和趾部的同時(shí)注汽，同時(shí)利用脈沖管的孔眼進(jìn)行多點(diǎn)注汽，實(shí)現(xiàn)了均勻注汽的目的；② 將常規(guī)的地面蒸汽分配器轉(zhuǎn)移到井下，可以實(shí)現(xiàn)注采一體化管柱的要求，減少蒸汽吞吐轉(zhuǎn)周施工作業(yè)工作量；③ 蒸汽分配器和脈沖管孔眼可根據(jù)油藏特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽的有效控制。

3.1. 脈沖均勻注汽工藝原理

脈沖均勻注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。脈沖均勻注汽管柱主要部件包括井下蒸汽分配器、脈沖注汽管、中心管以及高溫皮碗封隔器等。蒸汽分配器用于連接工作筒與中心管，同時(shí)還起到分配壓力和蒸汽流量的作用?？梢酝ㄟ^(guò)控制孔的大小來(lái)控制蒸汽注入量，并消除儲(chǔ)層壓力差的影響，是整個(gè)管柱中非常重要的部分。脈沖管是實(shí)施均勻注汽的主要部件，其管壁上分布著大小和密度不一的孔眼?？筛鶕?jù)井況的不同，理論計(jì)算出脈沖管上的孔眼和孔徑分布，從而達(dá)到對(duì)注入蒸汽的有效控制，實(shí)現(xiàn)均勻注汽。中心管與蒸汽分配器相連，一直延伸到水平段的頂端，經(jīng)過(guò)蒸汽分配器的分流，一定量的蒸汽沿著中心管注入到水平段的前端，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管柱均勻注汽。皮碗封隔器連接于兩節(jié)脈沖管之間，是具有彈性的密封元件，用于防止套管內(nèi)的蒸汽竄流，起到穩(wěn)定管柱和封隔的作用。

Figure 1. The structure of pulse even steam injection tubing string圖1. 脈沖均勻注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖

蒸汽注入過(guò)程中，當(dāng)蒸汽到達(dá)蒸汽分配器時(shí)，通過(guò)分配器的調(diào)節(jié)，蒸汽分別進(jìn)入脈沖管和中心管。進(jìn)入脈沖管的蒸汽根據(jù)管上孔眼的分布頻度向儲(chǔ)層注汽，進(jìn)入中心管的蒸汽向趾部進(jìn)行注汽，從而實(shí)現(xiàn)蒸汽同時(shí)在水平井跟部和趾部的均勻注汽。

3.2. 脈沖均勻注汽管柱設(shè)計(jì)

在注汽過(guò)程中，井筒與油藏互為邊界條件，相互影響，相互制約，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的井筒-油藏耦合熱力學(xué)系統(tǒng)。以均衡注汽為目標(biāo)，建立了水平井均勻注汽工藝優(yōu)化方法。

3.2.1. 均勻注汽優(yōu)化原理

通過(guò)設(shè)計(jì)脈沖管泄流孔眼個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整蒸汽流經(jīng)脈沖管時(shí)的節(jié)流壓降，進(jìn)而控制管外注汽壓力[4][5]。

根據(jù)液壓流體力學(xué)研究，節(jié)流壓降、流過(guò)孔眼的流量、孔眼面積三者關(guān)系如下：

式中：Δps為節(jié)流孔前后壓差，即節(jié)流壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；Q為通過(guò)節(jié)流孔的流體體積流量，m3/s；Cd為薄壁小孔流量系數(shù)，1；A為薄壁節(jié)流孔面積，m2。

3.2.2. 均勻注汽優(yōu)化方法

以均衡吸汽剖面為目標(biāo)函數(shù)，泄流孔眼個(gè)數(shù)為優(yōu)化變量，井筒-油藏耦合模型為約束條件[6]，建立配注器優(yōu)化模型如下：

式中：Qi為第i個(gè)配注器的注熱量，kJ；為第i個(gè)配注器的目標(biāo)注熱量，kJ；Qt為井筒總注熱量，kJ。

計(jì)算配注器參數(shù)時(shí)，先確定每個(gè)配注器目標(biāo)注熱量，再根據(jù)井筒-油藏耦合模型反算各配注器的泄流面積，最后根據(jù)泄流面積計(jì)算泄流孔眼個(gè)數(shù)。

由薄壁節(jié)流孔流量公式可知，在流量一定的條件下，節(jié)流孔面積越小，節(jié)流壓降越大。由于蒸汽在水平注汽管柱內(nèi)流動(dòng)時(shí)存在壓力損失和熱損失，為了使各配注器注熱量相等，需逐漸增大泄流孔面積A。

基于以上模型，結(jié)合注汽過(guò)程中注汽速率、干度、溫度等因素的影響，薛世峰等[7]通過(guò)《水平井均勻注汽參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件》對(duì)井下管柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并自動(dòng)將基本輸入?yún)?shù)和優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入Word，生成注汽管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)書(shū)。

4. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

2015年，圣湖能源公司在Girasol油田PH03-HZ11井進(jìn)行了脈沖均勻注汽的先導(dǎo)試驗(yàn)。該井開(kāi)發(fā)層位為A11B小層，水平段長(zhǎng)度為660 m，已吞吐了7個(gè)周期。基本參數(shù)見(jiàn)表1。

Table 1. The basic parameters of Well PH03-HZ11表1. PH03-HZ11井基本參數(shù)

在跟端單點(diǎn)注汽情況下，油藏溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。儲(chǔ)層受熱區(qū)域集中在跟端注汽口附近，儲(chǔ)層受熱極不均衡。

Figure 2. The distribution of temperature field of single point steam injection from heel圖2. 跟端單點(diǎn)注汽油藏溫度場(chǎng)分布

采用均勻注汽工藝優(yōu)化軟件，對(duì)該井進(jìn)行多點(diǎn)配注。該井需配置16個(gè)脈沖管，間距40 m。從跟端到趾端各脈沖管的泄流孔眼個(gè)數(shù)見(jiàn)表2。

優(yōu)化后的油藏溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。注汽工藝優(yōu)化后，整個(gè)井段全部受熱，且各脈沖管的加熱范圍基本相同，油藏受熱范圍趨于均衡。

2015年11月對(duì)該井進(jìn)行了脈沖均勻注汽工藝的實(shí)施，注汽量基本維持和上周期一致，周期前后生產(chǎn)情況見(jiàn)表3。可以看出，實(shí)施脈沖均勻注汽工藝后，該井吞吐周期生產(chǎn)時(shí)間由實(shí)施前的5個(gè)月延長(zhǎng)到10個(gè)月，日產(chǎn)油量由實(shí)施前的11.54 t增加到13.37 t，增加了16%，周期累計(jì)產(chǎn)油量提高一倍多。在第9周期生產(chǎn)效果仍然明顯，吞吐周期長(zhǎng)達(dá)11個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)油3455.83 t。

Table 2. The result of pulse tube optimzation (the pore type corresponds to different apertures)表2. 脈沖管優(yōu)化結(jié)果(孔眼型號(hào)對(duì)應(yīng)不同的孔徑)

Figure 3. The distribution of temperature field after the optimization of multi-point steam injection圖3. 多點(diǎn)注汽優(yōu)化后油藏溫度場(chǎng)分布

Table 3. The status of production both before and after pulse steam injection in Well PH03-HZ1表3. PH03-HZ11井脈沖注汽前后生產(chǎn)情況表

該工藝技術(shù)在Girasol、Abarco以及Under river油田等4口水平井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，均取得了較好的增產(chǎn)和增效效果。單井周期平均日增油量最高值為4.93 t，增加了62%；最小值為0.96 t，增加了13.7%。平均單井周期累計(jì)增油量為808 t。

5. 結(jié)論

1) 根據(jù)油田油藏及目前水平井長(zhǎng)水平段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙管脈沖均勻注汽工藝，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平段稠油油井的高效開(kāi)發(fā)。

2) 創(chuàng)新應(yīng)用了可調(diào)井下蒸汽分配器和脈沖管，實(shí)現(xiàn)了蒸汽在儲(chǔ)層段的均勻注入；同時(shí)改變了雙管注汽對(duì)注采一體化管柱的限制，減少了蒸汽吞吐轉(zhuǎn)周作業(yè)工作量。

3) 形成了水平井均勻注汽配套技術(shù)的應(yīng)用模式，在Girasol、Abarco以及Under river油田等4口水平井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，均取得了較好的增產(chǎn)效果。