王增林 張巖 張全勝 李友平 楊德偉

1.中國(guó)石化勝利油田分公司 2.中國(guó)石化勝利油田分公司孤島采油廠 3.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院 4.山東省稠油開(kāi)釆技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院

我國(guó)稠油開(kāi)采方式中以水平井注蒸汽熱采應(yīng)用最為廣泛[1-4]，主要采用了篩管水平井注汽方式開(kāi)發(fā)，同時(shí)每隔一定距離安裝封隔器，對(duì)蒸汽的流動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)制分隔[5-7]。注蒸汽開(kāi)采過(guò)程中，蒸汽與油層巖石及流體發(fā)生熱量傳遞，導(dǎo)致原油溫度升高，黏度降低，同時(shí)蒸汽驅(qū)替油藏中的原油移動(dòng)，從而形成蒸汽腔，故水平井注蒸汽開(kāi)采效果很大程度上取決于注汽參數(shù)、井底蒸汽品質(zhì)以及蒸汽在油層中的擴(kuò)散情況[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平井注蒸汽稠油開(kāi)采開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究，取得了很大的進(jìn)展，但在工程實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題，如水平段長(zhǎng)度大以及油藏非均質(zhì)性，造成油藏吸汽不均產(chǎn)生的汽竄等。因此，研究注蒸汽過(guò)程中水平井段內(nèi)濕蒸汽變流量汽液兩相流動(dòng)規(guī)律及在油藏中的擴(kuò)展規(guī)律，分析油藏溫度變化，探究如何實(shí)現(xiàn)均勻配汽，對(duì)指導(dǎo)水平井完井、優(yōu)化注汽參數(shù)、提高熱采水平井的開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義[10-13]。

使用ANSYS Fluent模擬[14-15]及水平井配汽三維物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[16-19]，協(xié)同分析了不同注汽井結(jié)構(gòu)對(duì)水平段配汽效果的影響。

1 水平井流動(dòng)與換熱規(guī)律數(shù)值模擬

1.1 水平段流動(dòng)與換熱物理模型

以薄層稠油油藏為例，油藏厚度為5 m，水平井長(zhǎng)150 m，取水平井所在水平面，以注汽井軸線為對(duì)稱(chēng)軸，建立二維物理模型。均勻射孔管柱每隔3 m一個(gè)射孔，趾端加密管柱0～60 m均勻開(kāi)2個(gè)，60～90 m均勻開(kāi)3個(gè)，90～120 m均勻開(kāi)10個(gè)，120～150 m均勻開(kāi)15個(gè)，每隔30 m安裝封隔器。

1.2 水平井濕蒸汽流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

蒸汽注入過(guò)程中，濕蒸汽從水平井的跟端流向趾端，沿程蒸汽在流經(jīng)射孔時(shí)會(huì)發(fā)生徑向分流，一部分蒸汽經(jīng)射孔進(jìn)入注汽井和篩管之間的環(huán)空，然后進(jìn)入油層，向油層傳熱；一部分蒸汽繼續(xù)流向注汽井趾端。

1.2.1模型假設(shè)

(1)油藏為均勻多孔介質(zhì)且剛性非變形。

(2)在儲(chǔ)層內(nèi)，局部熱力學(xué)平衡成立。

(3)水平井筒內(nèi)流體流動(dòng)完全湍流，儲(chǔ)層內(nèi)流體流動(dòng)完全層流。

(4)油藏內(nèi)各處滲透率相同。

1.2.2數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型中包含質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒方程、混合相體積率之間交換方程及湍流模型，其中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能及其耗散率輸運(yùn)方程[20]，近壁函數(shù)采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。汽相和液相的流動(dòng)速度不同，故選用Mixture模型進(jìn)行求解，蒸發(fā)冷凝模型采用Lee模型。計(jì)算采用分離式求解器，應(yīng)用PISO算法，各相關(guān)能耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力采用PRESTO！格式。

(1)模型驗(yàn)證。首先根據(jù)實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。數(shù)據(jù)來(lái)源于勝利油田C20-P146注汽水平井[21]。該水平井深1 403 m，井段總長(zhǎng)1 382 m，其中1 256 m、1 313 m和1 372 m處為配汽篩管，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)位于井段1 211 m至1 372 m處。以井段1 211 m處參數(shù)為模擬水平井注汽參數(shù)，質(zhì)量流量為3 kg/s，干度為0.7。驗(yàn)證8個(gè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)的溫度值。模擬結(jié)果與測(cè)井結(jié)果如圖1所示，計(jì)算模型精度為97.9%。

(2)溫度場(chǎng)。模擬分析在油藏初始溫度30 ℃、壓力6.0 MPa，水蒸氣注入速率3 kg/s、壓力8.6 MPa、溫度300 ℃、干度0.5下，油藏和注汽井內(nèi)溫度變化以及油藏吸汽量和通過(guò)每個(gè)射孔的質(zhì)量流量。

注汽30.5 h后，模擬所得溫度場(chǎng)如圖2所示，使用均勻射孔管柱時(shí)，注汽井趾端與跟端溫度擴(kuò)展區(qū)域差距較大，配汽不均勻(見(jiàn)圖2(a))。減少跟端射孔密度，加密趾端射孔后，與均勻射孔管柱對(duì)比，形成了較為均勻的溫度場(chǎng)(見(jiàn)圖2(b))，配汽效果得到優(yōu)化。

(3)油藏吸汽量。油藏長(zhǎng)150 m，從注汽井跟端到趾端，將油藏分為5段，每段30 m，分別統(tǒng)計(jì)油藏每段吸汽量，對(duì)比采用均勻射孔和加密趾端射孔管柱配汽時(shí)油藏吸汽量，兩種不同注汽井管柱吸汽量如圖3(a)所示，均勻射孔管柱沿注汽井跟端到趾端方向油藏吸汽量逐漸減少，油藏每段吸汽量相差較大，油藏第1段吸汽量與第5段吸汽量相差0.23 kg/s，而趾端射孔加密管柱油藏每段吸汽量相差較小，每段吸汽量相差最大為0.05 kg/s，故通過(guò)改變射孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)均勻配汽，形成均勻溫度場(chǎng)。

(4)射孔質(zhì)量流量。當(dāng)均勻開(kāi)孔時(shí)，通過(guò)單個(gè)射孔的質(zhì)量流量如圖3(b)所示，沿注汽井跟端到趾端從0.15 kg/s開(kāi)始逐漸下降。當(dāng)加密趾端射孔時(shí)，射孔質(zhì)量流量以較大的趨勢(shì)逐漸減少，因注汽井0～60 m內(nèi)僅均勻開(kāi)兩個(gè)射孔，蒸汽經(jīng)射孔流出后在環(huán)空內(nèi)擴(kuò)散較快，故在前兩個(gè)射孔內(nèi)流出的蒸汽質(zhì)量流量較大。

2 水平井流動(dòng)與換熱規(guī)律三維物理模擬

2.1 三維物理實(shí)驗(yàn)裝置

水平井配汽三維物理模擬實(shí)驗(yàn)所采用的高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4(a)。三維物模內(nèi)尺寸為400 mm×400 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)，在模型內(nèi)部共安裝3層熱電偶，每層共49(7×7)個(gè)，第1層熱電偶位于注氣井下方，第2層和第3層熱電偶位于注氣井上方。

實(shí)驗(yàn)選取3種不同注汽井結(jié)構(gòu)，分別為傳統(tǒng)割縫管、均勻開(kāi)孔管柱。趾端附近開(kāi)孔管柱。趾端附近開(kāi)孔管柱根據(jù)不同開(kāi)孔密度分為兩種管柱。結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為注汽速率30 mL/min、蒸汽溫度264 ℃、壓力5.0 MPa，油藏溫度30 ℃、壓力6.0 MPa、孔隙度30 μm2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)割縫管。當(dāng)注汽管選用割縫管時(shí)，因割縫管開(kāi)孔較大，大部分水蒸汽在跟端縫隙流出，趾端出汽極少，注汽3 h后蒸汽腔發(fā)育情況見(jiàn)圖5。由圖5可知，注汽3 h后，注汽井跟端附近儲(chǔ)層最高溫度達(dá)到了130 ℃左右，并且高溫范圍由跟端向四周擴(kuò)展，但趾端附近溫度上升有限，只升到了70 ℃左右，這是因?yàn)檎羝谧⑵肆鞒鲚^多，趾端蒸汽少，導(dǎo)致溫度上升幅度較小，從而形成的蒸汽腔由注汽井跟端到趾端逐漸擴(kuò)散，且主要集中在注汽井跟端，不利于開(kāi)采趾端油藏。

(2)均勻開(kāi)孔。在配汽 3.5 h后，儲(chǔ)層溫度場(chǎng)如圖6所示。注汽井上方兩層溫度場(chǎng)均有明顯溫升，由于飽和蒸汽上升作用，儲(chǔ)層上部溫度升高明顯，最高溫度達(dá)到了150 ℃左右，高溫區(qū)域沿注汽管柱擴(kuò)展，呈現(xiàn)出一個(gè)水平柱形高溫區(qū)域，但趾端溫度與跟端溫度相比仍然較低，配汽效果沿水平井仍是不均勻的，但對(duì)于儲(chǔ)層整體的動(dòng)用程度高于傳統(tǒng)割縫注汽管柱。因此，兩種注汽管柱均利于開(kāi)采跟端滲透率較低或含油飽和度較高的油藏。

(3)趾端附近開(kāi)孔管柱1。配汽 3.3 h后，儲(chǔ)層溫度場(chǎng)如圖7所示。由第3層溫度場(chǎng)及儲(chǔ)層上部高溫區(qū)域可知，此時(shí)已經(jīng)形成了蒸汽腔，高溫區(qū)域達(dá)到150 ℃，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是儲(chǔ)層由于高壓蒸汽擠壓形成優(yōu)勢(shì)通道，蒸汽直接通過(guò)優(yōu)勢(shì)通道到達(dá)儲(chǔ)層上部，而不是在趾端附近擴(kuò)展，并且此時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)壓力已經(jīng)突破背壓，較高溫度的冷凝水開(kāi)始采出，因此趾端附近即第2層溫度擴(kuò)展范圍小于第3層溫度場(chǎng)。趾端配汽效果與均勻射孔配汽效果存在明顯的差異，趾端配汽能夠優(yōu)先動(dòng)用趾端附近儲(chǔ)層，并可以逐漸向跟端蔓延，有利于開(kāi)采趾端附近含油飽和度較高的油藏。

(4)趾端附近開(kāi)孔管柱2。配汽3.5 h后，儲(chǔ)層溫度場(chǎng)分布如圖8所示。由第3層溫度場(chǎng)可知，此時(shí)儲(chǔ)層高溫區(qū)域已擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，區(qū)域溫度已達(dá)到150 ℃，且分布較均勻，與均勻射孔配汽效果相比，高溫蒸汽腔在趾端和跟端均有分布，而不是優(yōu)先在跟端附近團(tuán)聚，且加熱面積趾端和跟端相當(dāng)；由第2層溫度場(chǎng)可知，此時(shí)趾端附近配汽量已經(jīng)大于跟端，與均勻射孔配汽效果差異明顯，采用此配汽管柱可改善前期跟端附近配汽量較大的問(wèn)題，使水平井配汽均勻，儲(chǔ)層動(dòng)用范圍更廣，利于開(kāi)采均質(zhì)儲(chǔ)層且含油飽和度分布均勻的油藏。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在均質(zhì)儲(chǔ)層的條件下，注汽穩(wěn)定后改變射孔分布密度可以有效地改變注汽井前后的配汽量，實(shí)現(xiàn)均勻配汽。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律建立了水平井內(nèi)蒸汽質(zhì)量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，考慮了不同注汽井結(jié)構(gòu)對(duì)油藏溫度、吸汽量及射孔流量的影響，計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，較為精確。

(2)均質(zhì)儲(chǔ)層下，模擬均勻射孔管柱所得油藏溫度由注汽井跟端到趾端逐漸降低，并與油藏分段吸汽量對(duì)應(yīng)，而通過(guò)改變射孔結(jié)構(gòu)，趾端加密射孔，使得油藏溫度和每段吸汽量較為均勻，優(yōu)化了配汽效果。

(3)使用三維物模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行水平井配汽實(shí)驗(yàn)，割縫管和均勻射孔管柱溫度場(chǎng)的提高主要集中在注汽井跟端，趾端發(fā)育較差甚至不發(fā)育。減少跟端射孔，加密趾端射孔，溫度場(chǎng)發(fā)育主要集中在注汽井趾端，而僅加密趾端射孔，溫度場(chǎng)發(fā)育均勻，基本平行于注汽井向上發(fā)育，配汽較為均勻，驗(yàn)證了軟件模擬結(jié)果。