深層稠油減氧空氣吞吐注氣量確定方法研究

郭小哲，曹玉峰*，田 凱

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 昌平 102249；2.中國石油吐哈油田分公司魯克沁采油廠，新疆 鄯善 838202

引言

魯克沁油田是20 世紀(jì)90 年代發(fā)現(xiàn)的超深層稠油油田，總資源規(guī)模約2.8×108t。原油具有高密度、高黏度、高凝固點的特點[1]。針對這種原油特性，雖然多年來發(fā)展的開采技術(shù)如空氣驅(qū)、氮氣吞吐、天然氣吞吐等都已相對成熟[2-7]，但由于魯克沁油田存在較強的非均質(zhì)性、單井含水率偏高、采出程度偏低等情況，大大影響了魯克沁油田經(jīng)濟有效開發(fā)。

與氮氣吞吐、天然氣吞吐技術(shù)相比，減氧空氣吞吐技術(shù)以易制取、低成本、低風(fēng)險的特性，成為更具安全性、經(jīng)濟性的開采技術(shù)[8-11]。簡單來說，減氧空氣吞吐技術(shù)首先需要對空氣進行減氧處理，使其含氧量小于10%[12]，然后減氧空氣以分散相進入優(yōu)勢水流通道，產(chǎn)生的氣泡擴大聚并，再生產(chǎn)時通過孔喉時產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，通過增加滲流阻力，擴大波及體積，起到抑水增油效果[13-16]。但在實際現(xiàn)場應(yīng)用時，減氧空氣吞吐的增油效果在單井之間有較大差異，現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析表明，注氣量與增油量并沒有呈現(xiàn)單一的正相關(guān)關(guān)系，說明對于單井注入氣量合適、充分是必要的，結(jié)合抑水增油機理進行注氣量優(yōu)化是現(xiàn)場方案設(shè)計的關(guān)鍵參照。

目前，注減氧空氣技術(shù)在油田實際應(yīng)用較廣，雖然關(guān)于減氧空氣驅(qū)油技術(shù)的文獻較多，但大部分是借助前人研究過的非烴氣體如二氧化碳、氮氣或天然氣吞吐去分析其流動及增油機理[17]。對于減氧空氣吞吐的研究則相對較少，尤其是關(guān)于減氧空氣吞吐注氣量理論優(yōu)化方法的研究幾乎沒有。而現(xiàn)場一般采用籠統(tǒng)注氣開發(fā)，導(dǎo)致單井吞吐效果好壞不一。

為此，本文結(jié)合優(yōu)勢水流通道孔隙體積，通過填砂管物理實驗確定最優(yōu)注量，使用數(shù)值模擬進行優(yōu)勢水流通道的描述及注氣有效波及體積的計算，從而實現(xiàn)基于優(yōu)勢水流通道的減氧空氣吞吐注氣量優(yōu)化，為現(xiàn)場實際措施提供重要的科學(xué)指導(dǎo)。

1 確定注氣量

1.1 實驗設(shè)計

實驗油樣選自玉東二疊系和三疊系油樣，原油黏度為150 mPa·s，實驗?zāi)M地層溫度為70°C。通過選用不同目數(shù)石英砂填砂模型和人工燒制巖芯模型，完成了5 組不同滲透率模型實驗，實驗?zāi)Ｐ头謩e為C-3、S-1、S-2、S-3、S-4，具體參數(shù)如表1 所示，其中，C-3 為巖芯實驗，其余4 組為填砂管實驗。此外，S-1 采用與C-3 實驗近似滲透率，保證填砂管模型的可靠程度。

表1 實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)表Tab.1 Experimental model parameter table

1.2 實驗流程

填充填砂管模型并加壓，模擬注水開發(fā)過程。為了從機理上還原現(xiàn)場生產(chǎn)井注氣吞吐過程，當(dāng)含水率達(dá)到90%時，注入填砂管中一定體積的減氧空氣，停注燜井一段時間；之后打開進、出口閥重新模擬注水再生產(chǎn)過程，記錄注入孔隙體積倍數(shù)、壓力、產(chǎn)油量等數(shù)據(jù)。處理相關(guān)數(shù)據(jù)并進行繪圖分析。

1.3 實驗結(jié)果

先應(yīng)用人工巖芯C-3 模型進行模擬實驗，再應(yīng)用填砂管模型進行驗證，巖芯和填砂管實驗結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可見，產(chǎn)油量及驅(qū)替壓力的曲線趨勢基本一致，均在0.20 PV 處表現(xiàn)出較好的效果，證明填砂管模型的結(jié)果是可靠的。

圖1 巖芯、填砂管實驗曲線數(shù)據(jù)圖Fig.1 Experimental curve data diagram of core and sand-filled pipe

通過注入不同量減氧空氣再生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入量過大時，驅(qū)動壓力與生產(chǎn)前的水驅(qū)油壓力較為接近，滲流阻力幾乎沒有增加，未對優(yōu)勢通道形成有效封堵。從增加滲流阻力的機理出發(fā)，有效注入量應(yīng)小于0.25 PV。

如圖2 所示，根據(jù)S-2、S-3 和S-4 共3 組填砂管實驗的產(chǎn)油量及最大驅(qū)替壓力與注入量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注氣量為0.20 PV 時，最大驅(qū)替壓力增加，抑水效果明顯；同時，產(chǎn)油量大，增油量最多，故0.20 PV 為最優(yōu)注氣量。

圖2 不同注入量與產(chǎn)油量及壓力關(guān)系圖Fig.2 Relationship between injection volume and oil production and pressure

2 確定有效注入孔隙體積

2.1 優(yōu)勢水流通道

目前行業(yè)內(nèi)對于優(yōu)勢水流通道已經(jīng)有過很多研究[18-21]，其主要形成原因是在注水開發(fā)過程中，由于儲層較強的非均質(zhì)性以及不合理的工作制度使得儲層中形成水流優(yōu)勢通道，其滲流阻力低，在注水過程中易形成無效注水，大大降低了原油采收率和經(jīng)濟開發(fā)效益。故在數(shù)值模擬實驗中，在注水井和生產(chǎn)井的連通條帶上定義高滲帶，模擬實際生產(chǎn)中的優(yōu)勢水流通道，為解決現(xiàn)場籠統(tǒng)注氣問題，提供理論依據(jù)打下基礎(chǔ)。

2.2 模型的建立

圖3 為五點法模型平面滲透率分布圖。

圖3 五點法模型平面滲透率分布圖Fig.3 Permeability distribution of five-point method model

圖3 是用CMG 生成的網(wǎng)格數(shù)為20×20×3 的五點法概念模型，生產(chǎn)井位于模型網(wǎng)格中心，4 口注水井wat1、wat2、wat3 和wat4 位于4 個角點。

模型設(shè)置的參數(shù)為：平面網(wǎng)格步長10 m，縱向網(wǎng)格步長10 m，儲層厚度30 m，如圖4 所示。在縱向上，中間層滲透率300 mD，上下兩層100 mD，在第二層注水井和生產(chǎn)井中間條帶設(shè)置高滲帶模擬優(yōu)勢水流通道，滲透率900 mD（紅色區(qū)域），地下原油的黏度300 mPa·s，地下水黏度0.5 mPa·s。

圖4 五點法模型45°剖面滲透率分布圖Fig.4 Permeability distribution of 45° profile in the five-point method model

2.3 優(yōu)化注氣量思路

在注氣吞吐開發(fā)過程中，注入氣優(yōu)先進入優(yōu)勢水流通道擴散并賦存，向遠(yuǎn)井地帶傳遞。故通過模擬7 組注氣量來分析比較模型中的優(yōu)勢水流通道注氣量占整個模型注氣量的注氣系數(shù)，再計算進入優(yōu)勢水流通道注入氣占優(yōu)勢水流通道體積的進氣系數(shù)，結(jié)合前文填砂管實驗中的最優(yōu)注氣量（0.20 PV）及優(yōu)勢通道巖石體積來確定所需的最優(yōu)注氣體積。

2.4 優(yōu)勢通道注氣系數(shù)

定義優(yōu)勢通道注氣系數(shù)為注氣過程中注入優(yōu)勢水流通道中的氣體量在總注入氣體量中的占比。設(shè)置7 組不同的注氣量來確定優(yōu)勢通道注氣系數(shù)。設(shè)置注氣速度分別為30 000，35 000，40 000，45 000，50 000，55 000 和60 000 m3/d，注氣時間均為10 d。燜井結(jié)束后得到不同注氣量下注入高滲帶中的氣量。經(jīng)過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)進入優(yōu)勢水流通道中的氣體體積隨著注氣速度的增加而略有增加，保持在80%左右，說明注入儲層中的氣體有80%左右會進入優(yōu)勢水流通道中。對數(shù)據(jù)進行整理，得到注氣量和優(yōu)勢通道進氣量數(shù)據(jù)關(guān)系，見表2。

優(yōu)勢通道注氣系數(shù)計算公式為

通過表2 中數(shù)據(jù)得到優(yōu)勢通道注氣系數(shù)α 為0.775 76～0.807 76，取0.800 00。

表2 總注氣量和優(yōu)勢通道注氣量數(shù)據(jù)表Tab.2 Table of total gas injection volume and dominant channel gas injection volume

2.5 優(yōu)勢通道進氣系數(shù)

定義優(yōu)勢通道進氣系數(shù)為注入優(yōu)勢水流通道的氣體在整個優(yōu)勢水流通道中的體積占比。通過觀察從注氣到燜井結(jié)束時，模型第二層優(yōu)勢通道的含氣網(wǎng)格塊變化得到進入優(yōu)勢通道的體積比例關(guān)系，即可得到優(yōu)勢通道進氣系數(shù)。

以注氣量為450 000 m3為例，不同生產(chǎn)階段第二層含氣飽和度分布見圖5。在注氣前第二層的含氣飽和度均為0，在注氣結(jié)束后，由于氣體主要沿著優(yōu)勢水流通道注入，故氣體飽和度有沿著其突進的趨勢，同時近井地帶的含氣飽和度較高；燜井結(jié)束后氣體進一步擴散，波及范圍變大，氣體繼續(xù)沿著優(yōu)勢水流通道突進一部分，近井地帶含氣飽和度下降。以最后優(yōu)勢通道中含氣網(wǎng)格塊為基礎(chǔ)，計算優(yōu)勢通進氣系數(shù)公式為

由于本理論模型的優(yōu)勢通道總網(wǎng)格塊設(shè)置為69 個，7 組注氣量對應(yīng)的平均含氣網(wǎng)格數(shù)為24 個，故優(yōu)勢通道進氣系數(shù)為

圖5 不同生產(chǎn)階段第二層含氣飽和度分布圖Fig.5 Distribution map of gas saturation in second layer at different production stage

3 確定注氣量

3.1 優(yōu)化注氣量

圖6 是注采井間從注氣開始到燜井結(jié)束的模型概念圖，通過數(shù)模實驗得到，80%的減氧空氣進入到第二層中的優(yōu)勢水流通道中，同時在優(yōu)勢水流通道中賦存體積約占34.8%，結(jié)合填砂管物理模擬實驗得到的優(yōu)勢通道巖石體積優(yōu)化注氣量為0.20 PV。綜合考慮后優(yōu)化出地面最優(yōu)注氣量的公式為

最后優(yōu)化注氣量取450 000 m3。

圖6 注氣量優(yōu)化概念模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the conceptual model of gas injection optimization

3.2 注氣量的校驗

通過五點法帶優(yōu)勢通道理論模型優(yōu)化出來的注氣量是合適且充分的，在滿足抑水增油機理的基礎(chǔ)上，通過對理論模型進行7 組不同注氣量下的油井?dāng)?shù)值模擬，當(dāng)生產(chǎn)井含水率達(dá)到90%時，關(guān)閉注水井wat1 并對生產(chǎn)井注氣，對應(yīng)不同注氣量設(shè)置注氣速度，注氣10 d，燜井7 d 后打開此前關(guān)閉的注水井wat1 恢復(fù)生產(chǎn)，此時如圖7 所示，用換油率作為主要的檢驗優(yōu)化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)注氣量在4.5×105m3附近時，換油率最優(yōu)，達(dá)到了12.9×10?4m3/m3左右，與優(yōu)化注氣量公式所計算的結(jié)果基本一致，說明此種注氣量的優(yōu)化方法是可行的。

圖7 不同注氣量與換油率的對應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Relationship between different gas injection volume and oil exchange rate

3.3 注氣量優(yōu)化范圍

在利用公式進行注氣量計算時，對于不同參數(shù)的儲層，相應(yīng)的進氣系數(shù)和注氣系數(shù)會略有變化，同時確定優(yōu)勢通道巖石體積尤為重要，它與優(yōu)勢通道的面積和所在儲層的厚度有關(guān)。

對于優(yōu)勢水流通道所在儲層的厚度為10 m 時，利用數(shù)模軟件進行模擬，得到優(yōu)勢通道巖石體積最大為93 000 m3，最小為43 000 m3，分別對應(yīng)的有效優(yōu)勢通道孔隙體積為5 580 和2 580 m3，最優(yōu)注氣量為608 568.75 和281 381.25 m3。注氣量范圍可以定為280 000～610 000 m3。

基于上述優(yōu)化注氣量范圍的理論依據(jù)，為不同參數(shù)儲層優(yōu)化注氣量提供一種新思路、新方法。對于現(xiàn)場不同厚度儲層的井進行注氣時，可以參考上述方法優(yōu)化注氣量的范圍進行注氣。

4 結(jié)論

（1）通過填砂管實驗得到：減氧空氣吞吐通過增加驅(qū)替壓差來達(dá)到抑水增油的效果；最優(yōu)注氣量為0.20 PV。在實際生產(chǎn)中對于優(yōu)勢水流通道的減氧空氣吞吐的堵水作用以及相應(yīng)注入量需要重視起來。

（2）優(yōu)勢通道注氣系數(shù)α 為平均為0.8，有80%的氣進入到優(yōu)勢通道中，物模實驗中抑水增油機理是可靠的；優(yōu)勢通道進氣系數(shù)為0.348，受效區(qū)域較集中，主要在距生產(chǎn)井1/3 左右的范圍內(nèi)。

（3）優(yōu)勢通道注氣系數(shù)和進氣系數(shù)與儲層的物性如滲透率、級差、儲層厚度、優(yōu)勢水流通道面積和長度，都有一定的關(guān)系，如優(yōu)勢通道體積變小，則對應(yīng)的進氣系數(shù)也會有一定的改變，最后注氣量也會隨之改變。

（4）優(yōu)勢水流通道的存在是目前油田油井高含水的主要原因之一，在數(shù)模實驗中確定為條帶狀方便計算，但存在一定的誤差，主要是從機理上反映優(yōu)化注氣量的方法。