李金蔓，霍宏博，陳 毅，劉春艷，劉海龍

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

稠油在石油資源中所占比例較大，稠油開(kāi)采技術(shù)受到世界石油行業(yè)關(guān)注[1]，渤海稠油儲(chǔ)量占渤?？們?chǔ)量2/3 以上，其高效開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)家發(fā)展有直接、深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[2]。稠油開(kāi)采技術(shù)主要包括：蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、注水等[3-5]，渤海稠油黏度在350 mPa·s～10 000 mPa·s 的稠油油藏通常采用蒸汽吞吐環(huán)空注氮?dú)飧魺峒夹g(shù)開(kāi)采[6]。通過(guò)隔熱管向地層注熱蒸汽并在油套管環(huán)空注入氮?dú)庖宰柚篃崃肯蛱坠芗暗貙訑U(kuò)散[7，8]。

趙利昌等通過(guò)建立井筒數(shù)學(xué)模型論證了油套環(huán)空注氮工藝的隔熱效果優(yōu)于環(huán)空充氮?dú)夤に嘯9]，劉利等對(duì)環(huán)空注氮排量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[10]。針對(duì)于環(huán)空注氮隔熱工藝主要關(guān)注參數(shù)研究，對(duì)注氮工藝優(yōu)化較少，注氮隔熱工藝存在一定缺陷：環(huán)空注氮?dú)飧魺峁に噷⒌獨(dú)夂蜔嵴羝煌⑷刖畠?nèi)[11-13]，會(huì)將井內(nèi)低溫完井液被擠入地層，使井周地層孔隙中充滿(mǎn)完井液，熱蒸汽首先加熱完井液，剩余熱量才用于加熱遠(yuǎn)離井眼的地層孔隙中的稠油，完井液升溫對(duì)增產(chǎn)并無(wú)意義，消耗大量寶貴的熱能。受海上油氣開(kāi)發(fā)法規(guī)的限制[14]，稠油熱采的注熱和生產(chǎn)需要兩套管柱，多輪次注熱會(huì)使消耗的熱量累積[15]，因此對(duì)環(huán)空注氮工藝的優(yōu)化非常有必要。

在渤海稠油注熱開(kāi)發(fā)對(duì)蒸汽吞吐環(huán)空注氮?dú)夤に囘M(jìn)行優(yōu)化并首次應(yīng)用，先采用氮?dú)馀趴沼吞篆h(huán)空的完井液后再進(jìn)行注熱，有效提高了稠油蒸汽吞吐注熱效率。

1 蒸汽吞吐環(huán)空注氮?dú)夤に噧?yōu)化

對(duì)環(huán)空注氮?dú)飧魺徇M(jìn)行工藝改進(jìn)：在注蒸汽前，增加氮?dú)夥囱h(huán)的步驟，頂替出井內(nèi)完井液，使井筒內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)?。?jīng)過(guò)工藝優(yōu)化可減少低溫完井液進(jìn)入地層消耗熱蒸汽的熱量，也減少添加劑高溫變質(zhì)堵塞儲(chǔ)層風(fēng)險(xiǎn)，此外氮?dú)獾脑鰤罕Ｄ茏饔脮?huì)更好。尤其有利于多輪次注熱開(kāi)發(fā)，為海上及陸地稠油油田油套環(huán)空注氮?dú)飧魺岬恼羝掏麻_(kāi)發(fā)模式提供一種簡(jiǎn)單易行的新方法。

注熱過(guò)程中井筒內(nèi)溫度高、壓力高，井下工具需具有承受高溫能力，電泵、電纜高溫下安全性難以保證，因此注采一體化管柱結(jié)構(gòu)在海上較難實(shí)現(xiàn)，完井管柱分為注熱完井管柱和生產(chǎn)完井管柱兩套[16]，注熱完畢依靠地層能量生產(chǎn)階段結(jié)束后，起出井內(nèi)注熱管柱，再下入電潛泵生產(chǎn)，避免地下高溫對(duì)電纜等的破壞。

渤海蒸汽吞吐過(guò)程一般設(shè)計(jì)8 輪次，每輪次注熱后，依靠地層能量生產(chǎn)階段結(jié)束后需要壓井，下入電潛泵生產(chǎn)，即每輪次都面臨井內(nèi)完井液、壓井液處理問(wèn)題。

渤海熱采井通常用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：339.7 mm 表層套管+244.475 mm 生產(chǎn)套管+177.8 mm 篩管，177.8 mm篩管采用裸眼礫石充填完井方式完井注氣階段，完井管柱結(jié)構(gòu)為：114.3 mm 隔熱油管+帶開(kāi)啟閥的環(huán)空封隔器+88.9 mm 隔熱油管+注氣閥+盲堵，注熱管柱結(jié)構(gòu)和氮?dú)忭斕媪鞒蹋ㄒ?jiàn)圖1）。

圖1 注熱管柱結(jié)構(gòu)和氮?dú)忭斕嫱昃毫鞒?/p>

氮?dú)夥囱h(huán)頂替井內(nèi)完井液工藝無(wú)需增加大量的設(shè)備改造。只需在采油樹(shù)連接生產(chǎn)流程前安裝節(jié)流閥，節(jié)流閥前安裝壓力表，氮?dú)夥囱h(huán)施工步驟為：

（1）氮?dú)馍稍O(shè)備連接油套管環(huán)空，隔熱油管頂部通過(guò)采油樹(shù)連接生產(chǎn)管匯；

（2）制氮設(shè)備將氮?dú)庥森h(huán)空注入井內(nèi)，同時(shí)控制節(jié)流閥，使氮?dú)夥囱h(huán)進(jìn)入井筒，通過(guò)注氣管匯中的注氣閥進(jìn)入注氣管匯，將整個(gè)井筒內(nèi)的完井液頂替出井筒，使油套管環(huán)空和注氣管柱內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)?，期間保持井底壓力基本不變；

（3）油套管環(huán)空注入氮?dú)?，隔熱油管?nèi)注入熱蒸汽；

（4）熱蒸汽將隔熱油管內(nèi)氮?dú)鈹D入地層，同時(shí)油套環(huán)空內(nèi)注入氮?dú)猓S持熱蒸汽和氮?dú)馔瑫r(shí)注入直到注熱階段結(jié)束。

2 注氮工藝優(yōu)化增產(chǎn)機(jī)理

在竇宏恩等[17]提出的蒸汽吞吐加熱熱平衡方程基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下假設(shè)：蓋層和底層不傳熱；進(jìn)行蒸汽吞吐加熱模型推導(dǎo)，反循環(huán)出，熱采最大加熱半徑為：

若考慮完井液被擠入地層：

則加熱半徑之比為：

由式（3）可知，若不將完井液循環(huán)出井筒，隨著加熱輪次增加，與將完井液循環(huán)出井筒相比，最大加熱半徑會(huì)降低。

對(duì)南堡油田X 井采用CMG 軟件的STARS 模塊進(jìn)行模擬，分析擠入地層中完井液對(duì)剩余油的影響，經(jīng)過(guò)8 輪次開(kāi)發(fā)，剩余油加熱面積會(huì)產(chǎn)生顯著變化。氮?dú)鈱⒕矁?nèi)完井液頂替出井筒，也可避免熱蒸汽對(duì)完井液加熱所消耗的能量，使更多蒸汽熱量被稠油吸收（見(jiàn)圖2、圖3）。并且，氮?dú)饪梢栽跓嵴羝统碛椭g形成隔層，氮?dú)鉄釋?dǎo)率低，其存在可以降低蒸汽露點(diǎn)，使蒸汽換熱速度減慢，降低高潛熱蒸汽的熱損失，有利于提高蒸汽波及效率。氮?dú)庾韪艨梢孕纬烧羝唤档蜔釗p失[18]，注蒸汽腔室（見(jiàn)圖4）。

圖2 完井液擠入地層的剩余油飽和度分布

圖3 注熱前將完井液循環(huán)出井筒的剩余油飽和度分布

圖4 注蒸汽剖面示意圖

環(huán)空注入氮?dú)庠谧韪魺崃康耐瑫r(shí)還可以防止套管的過(guò)早腐蝕[19]，大量研究證實(shí)注入氮?dú)饪蓴U(kuò)大蒸汽波及體積，補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)能量和降低殘余油飽和度，維持更高的地層壓力，提高驅(qū)油效率[20]。反循環(huán)氮?dú)忭斕婢畠?nèi)完井液技術(shù)無(wú)需改變井內(nèi)管柱結(jié)構(gòu)，只需增加注入熱蒸汽前環(huán)空注入氮?dú)忭斕婢畠?nèi)完井液步驟，施工簡(jiǎn)單。

3 注氮工藝優(yōu)化對(duì)熱效率的提高

以渤海某井為例，該井采用井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表1）。在井口注入溫度350 ℃，蒸汽干度80 %的注熱參數(shù)下，總注氣量3 000 t，井口干度＞80 %，注入壓力16 MPa，燜井5 d，地層埋深1 500 m，初始地層溫度50 ℃，平均吸氣指數(shù)10.5 t/（MPa·d），通過(guò)井筒模擬軟件，注熱結(jié)束時(shí)井底溫度340 ℃。

表1 熱采井井身結(jié)構(gòu)

分析加熱完井液與加熱氮?dú)馑鶕p失的熱量，常溫常壓下完井液和氮?dú)獾谋葻崛輩?shù)（見(jiàn)表2）。

表2 流體傳熱參數(shù)對(duì)比

加熱一定質(zhì)量流體所需熱量計(jì)算公式為：

式中：ΔQ-加熱流體所需熱量，kJ；ΔT-流體升高溫度，℃；ρ-流體密度，kg/m3；c-流體比熱容，kJ/kg·℃；ΔV-流體體積，m3。

據(jù)此計(jì)算，該井井筒容積為88.6 m3，隔熱油管閉排體積為8.2 m3，即井筒內(nèi)完井液體積為80.4 m3，完井液的比熱容是稠油的2.5 倍，據(jù)公式（4）計(jì)算，加熱到相同溫度，井筒容積的完井液升溫消耗的熱能可加熱200 m3稠油，按照8 輪次計(jì)算，消耗于完井液升溫的熱量可用于加熱1 600 m3稠油，氮?dú)夥囱h(huán)頂替完井液技術(shù)可以有效提高蒸汽吞吐熱效率。在渤海某油田應(yīng)用，單井產(chǎn)量較工藝改進(jìn)前提高3 %。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)數(shù)值模擬分析，稠油熱采注蒸汽前的環(huán)空氮?dú)夥囱h(huán)可以有效增加注熱波及范圍，降低注入蒸汽的熱損失，這是對(duì)稠油蒸汽吞吐的改進(jìn)，較目前常用技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯，可為未來(lái)海上稠油油藏開(kāi)發(fā)提高熱效率起到幫助作用，該技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）此項(xiàng)技術(shù)不需要復(fù)雜的設(shè)備改造，只需在工藝上進(jìn)行調(diào)整。

（2）氮?dú)鈱⑼昃喉斕娉鼍部梢杂行Ы档蜔嵴羝挠谕昃旱臒釗p失，可以有效增加注熱波及范圍。

（3）氮?dú)獗粩D入地層后能夠有效的隔絕地層流體與熱蒸汽，形成熱蒸汽腔，起到提高熱效率和增壓保能的作用。

（4）完井液不擠入地層可減少完井材料受熱變質(zhì)所造成的地層損傷。