厚層稠油油藏火驅射孔層段優化探討

張方禮

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火燒油層又稱火驅采油技術，簡稱“火驅”，是稠油蒸汽吞吐后提高采收率的主體技術，可進一步劃分為常規火驅和重力火驅(重力火驅國外稱THAI火驅)，目前均已經在遼河油田開展了先導試驗，取得了較好的開采效果。遼河油田稠油油藏埋藏較深，非均質性較強，且經歷了長期的蒸汽吞吐開采，油藏壓力降至原始地層壓力的20%～30%。多年的蒸汽吞吐開采使得儲層非均質性加劇，火驅驅替規律和火線波及狀況更加復雜，特別是已經開展的厚層常規火驅火線超覆嚴重，厚層重力火驅火線波及不均勻的問題較為突出。在厚層火驅油藏方案設計過程中，如何通過注采井射孔層段的優化，減緩火線超覆，提高火線波及體積是目前急需解決的關鍵問題。

1 不同厚度油層火驅火線波及規律

1.1 縱向上火線波及規律

通過建立“直井－直井”火驅二維物理模型，模擬了油層厚度20、60 m常規火驅縱向火線波及特征。研究認為，隨著縱向上油層厚度的增加，火線超覆趨于明顯，燃燒前緣為狹窄區域，隨著燃燒時間的推進，火線超覆作用加劇。若注采層段不進行調整，油層厚度為20 m油層常規火驅開采效果較好，階段采出程度為64.7%，油層厚度為60 m油藏常規火驅階段采出程度僅為21.4%，開采效果較差。

G塊油層有效厚度為70 m，以行列火驅方式進行先導試驗。其注氣井實際吸氣剖面及測溫曲線分析結果表明，注氣井上部油層吸氣比例為67.5%，下部油層僅為32.5%，且隨著火驅時間的延長，下部油層吸氣比例逐漸降低。注采井間典型觀察井G1井溫剖面顯示，火驅層段(1600～1700 m)中，僅1620～1640 m處油層溫度較高(圖1)。G2井溫度剖面顯示，僅1600～1630 m處油層溫度超過300℃，且隨著火驅時間的延長，高溫油層厚度逐漸減薄，表明火線超覆逐漸加劇(圖2)。G塊油層垂向燃燒率僅為0.10～0.50，縱向動用程度較差。

圖1 G1井井溫測試曲線

圖2 G2井溫度測試曲線

通過建立“直井－水平井”火驅二維物理模型，模擬了厚層超稠油油藏重力火驅的火線波及規律。當注氣井位于油層頂部時，形成火線后，可形成較好的重力泄油且以斜面為主，與理想重力火驅波及規律一致。當注氣井位于油層中部時，同一監測溫度點溫度變化曲線呈雙峰和多峰，即厚層油藏重力火驅出現了“二次燃燒”現象。分析認為，由于重力火驅油層較厚，當注氣井射孔位置在油層中部時，隨著燃燒腔的形成，縱向上頂部和側向加熱的原油在重力作用下流至下部已燃區，在高溫和氧氣的作用下發生“二次燃燒”，監測點溫度曲線出現多峰現象(圖3)。此時，燃燒消耗更多的原油，采收率較大幅度降低。因此，在重力火驅過程中，應設計最佳的重力火驅層段，既能夠減少二次燃燒現象的發生，也能夠與下部水平井建立有效的熱連通，實現理想的重力火驅。

圖3 厚層重力火驅G32點溫度監測曲線

1.2 平面上火線波及規律

二維常規火驅物理模擬實驗研究認為，平面上火線優先向邊井推進，通過調控生產井產出參數可以調整火線推進方向，提高波及體積。在實際厚層常規火驅中，數值模擬及監測資料表明，平面上火線優先向地層壓力低、滲透率高、井距小的區域波及。由數值模擬溫度場圖可知(圖4)，平面上火驅優先向下傾方向，且平面上動用不均勻;從典型受效井分布來看，井距小的井優先波及。因此，優化注氣井、生產井射孔層段對改善火驅開發效果十分重要。

圖4 數值模擬溫度場

2 厚層行列火驅射孔優化

2.1 物理模擬優化火驅射孔層段

在上述二維常規火驅物理模擬過程中，初期注氣井與生產井同時射開，注氣井射開油層下部1/2，生產井油層全部射開。隨著火驅時間的推進，火線超覆作用逐漸加劇，130 min時模型將生產井射孔層段從生產井全井射開調整為射開油層下部1/2，火線超覆作用逐漸減弱(圖5)，生產井牽引火線作用明顯，火驅采收率最終可達60%(圖6)，與油層厚度20 m的油藏火驅開采水平相當。

圖5 物理模擬生產井段調整前后溫度場

圖6 油層厚度60m采出程度曲線

2.2 數值模擬研究厚層火驅射孔層段

2.2.1 注氣井射孔位置研究

為研究注氣井射孔位置對厚層火驅(60～70 m)開發效果的影響，應用數值模擬研究了注氣井射孔位置分別為上部1/3、中部1/3、下部1/3時的火驅開發效果。研究結果表明，隨著注氣井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(表1)。當注氣井射開上部，由于火線超覆作用，僅在油層上部燃燒，縱向燃燒率低，火驅開發年限為6.1 a，階段采出程度僅為18.09%。當注氣井射開下部，利用火線超覆作用，縱向動用程度得到進一步提高，階段采出程度可達48.89%，推薦最優的注氣井射孔位置為下部1/3。

表1 不同注氣井射孔位置開發效果

2.2.2 注氣井射孔厚度研究

當確定注氣井射孔位置為下部時，對注氣井射開厚度進行優選。分別計算了注氣井射開油層下部1/6、1/3、1/2、2/3時的火驅開發效果。研究結果表明，注氣井自下而上射孔時，隨著注氣井射孔厚度的增大，為保證燃燒狀態，注氣速度相應提高，注氣速度的增大在一定程度上提高了采油速度，但卻造成氣體過早突破，從而縮短生產時間，采出程度隨之降低。當注氣井射孔厚度由1/3油層厚度增加到1/2油層厚度時，采出程度迅速降低，采油速度增加幅度變小。因此，優選注氣井射孔厚度為射開油層下部厚度的1/3(表2)。

表2 不同注氣井射開厚度比例開發效果

2.2.3 生產井射孔位置研究

當注氣井射開油層下部1/3時，對生產井的射孔位置進行了優選。計算了生產井射孔位置分別為上部1/3、中部1/3、下部1/3時的火驅開發效果。研究結果表明，隨著生產井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(圖7)。當生產井射開上部時，由于重力分異作用，被驅替原油聚集在油層底部，一部分原油不會被采出，采收率低;當生產井射開下部時，利用重力分異作用，能夠沉降在油層底部的原油采出，且一定程度上抑制了火線超覆，提高了采收率。因此，優選生產井射孔位置為下部。

圖7 生產井不同射孔位置生產效果

2.2.4 生產井射孔厚度研究

當確定生產井射孔位置為下部時，對生產井的射開厚度進行優選。分別計算了生產井射開油層下部1/6、1/3、1/2、2/3時的火驅開發效果。研究結果表明，隨著生產井自下而上射開厚度的增加，采出程度增加，采油速度增加。當射開厚度大于油層厚度1/2時，增加幅度變小。油井射開厚度過大會增加氣竄風險，而且不利于火驅后期調整制訂措施，因此推薦生產井射開厚度為油層厚度的1/2(圖8)。

2.2.5 面積火驅生產井射孔厚度研究

厚層油藏面積火驅過程與常規行列火驅優化方式一致，但生產井需分別對邊井和角井進行對應射孔。面積井網邊井射孔層段與行列井網一致，對應射開油層下部1/3，射開對應油層厚度1/2。但對于角井而言，距離注氣井較遠，推薦對應射開油層下部1/3，且對應油層全部射開，此時可保證火線向邊井與角井均勻推進。但當生產井距離注氣井不同距離時，應有相應的射孔厚度，此種射孔方式在今后文章中加以探討。

圖8 不同生產井射孔厚度生產效果

3 厚層重力火驅射孔優化

3.1 注氣井射孔位置研究

由二維重力火驅物理模擬結果可知，當直井射孔位置偏下時，上部及側向原油依靠重力作用流至已燃區，發生“二次燃燒”現象，影響火驅效果，因此射孔位置應盡量偏上。但此時，注氣井與水平井距離增加，注采井間難以建立有效的熱連通，可導致重力火驅失敗。S1塊為厚層塊狀超稠油油藏，油層厚度為40 m，原油黏度為60000 mPa·s，開展注氣層段的優化研究，設計4種注氣井射孔方式，即全井段射孔、上部射孔、中部射孔以及下部射孔。研究結果顯示:注氣直井中部射孔的方式，采出程度最高，且通過前期蒸汽吞吐預熱，與水平井建立了有效的泄油通道，開采效果最好 (圖9)。此分析與重力火驅物理模擬研究的射孔位于油層中部發生“二次燃燒”觀點略有差異，認為由于該塊重力火驅前直井進行了蒸汽吞吐預熱，油層上部原油得到動用，注入空氣后火線可在油層上部形成燃燒帶，排氣井的設立使火線均勻向前推進，因而效果較好。當然，該觀點仍需進一步研究論證。

圖9 注氣井射孔方式優化結果

綜上建議，當油層較厚且為原始油層狀態時，在與生產井可建立有效熱連通的前提下，應盡量避免油層中部射孔。

3.2 注氣井射孔厚度的研究

完成射孔層段優化設計后，開展了重力火驅射孔厚度研究，對比了射開厚度占油層厚度比例為1/3、1/2和2/3的3種開采效果。研究表明，直井射開厚度為油層厚度1/2的情況下，注采井泄油通道較為穩定，且火線前緣穩定向前推進，此時火驅階段采出程度最高(圖10)。

圖10 注氣階段注氣井射孔厚度優化結果

3.3 排氣井射孔位置研究

室內物理模擬研究過程中發現，厚層油藏重力火驅過程中，若不設置排氣井，火線前緣推進緩慢，且火線極易竄進至生產井，且泄油面與水平井夾角呈銳角，開發效果較差。因此有必要在現場試驗中設計排氣井，用來牽引火線擴大火驅波及體積。共設計3種排氣井射孔方式，即上部射孔、中部射孔和下部射孔。研究表明，當排氣井下部射孔時，可以有效的牽引火線下移，促使火線在縱向上均衡擴展，進一步擴大火驅波及體積 (圖11)。

圖11 排氣井不同射孔位置溫度場分布圖

另外，在重力火驅過程中，排氣井與水平井的縱向距離尤為關鍵，分別模擬了排氣井射孔底界距離水平井0、2、4、6、8 m 5種情況。根據數值模擬結果認為，當排氣井射孔底界距水平井較近時，火線被牽引距水平井過近，易造成井筒高溫損壞，而當距離水平井較遠時，縱向上火線向上偏移，因此確定排氣井射孔底界距離水平井6 m較為合適(圖12)。

圖12 排氣井射孔底界距離水平井不同位置溫度場

4 結論及建議

(1)厚層油藏火驅縱向上火線超覆嚴重，平面上火線前緣推進差異較大，必須通過注采井的射孔層段優化使火線均勻波及。

(2)厚層重力火驅過程中，縱向上射孔厚度位于油層中部，易發生“二次燃燒”現象，射孔層段的調整可減弱二次燃燒的影響，并保持注氣井與水平井的有效連通，可獲得較好的開采效果。

(3)厚層行列及面積火驅過程中，注氣井應射開油層下部1/3，生產井射開油層下部1/2，厚層重力火驅注氣井射開油層中部1/2，排氣井射開油層下部且距離水平井底界為6 m，開采效果最好。

(4)本研究中，火驅射孔層段研究適用于油層厚度為30～70 m的稠油油藏，當油層較薄或較厚時，應進一步優化射孔層段，重力火驅還需結合原油黏度及垂向滲透率優化層段。

(5)對于厚層油藏火驅中減緩火線超覆，提高火線波及也可采用極差射孔的方式，不同層段選用不同的孔密，此方法需在今后試驗中進一步研究和驗證。

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