稠油油田空氣輔助蒸汽驅現場試驗

劉濤 劉影 郭玲玲 郎成山 蔡玉川 胡紹彬

1.中國石油大學地球物理與信息工程學院；2.東北石油大學石油工程學院；3.中國石油遼河油田分公司歡喜嶺采油廠

1981年加利福尼亞巴黎谷油田空氣輔助蒸汽吞吐采油現場試驗［1］的成功促使空氣輔助蒸汽驅提高采收率機理和實用技術研究工作得以深入開展。蔣生健［2］對注空氣輔助蒸汽驅增產機理、催化氧化反應對地層礦物傷害性和催化產物與破乳劑配伍性、伴生氣含氧量爆炸極限等進行了研究。唐曉東等［3］從理論和技術上論述了注空氣催化氧化渤海稠油降黏工藝的可行性。魯奕寧［4］對注空氣改善稠油開發效果進行了理論分析。但是，由于高效利用空氣輔助蒸汽驅工藝復雜，存在多種可行的操作方案［5-8］。由于這些方案的實施依賴于油藏性質（如稠油或稀油油藏），尤其是地下原油的瀝青含量以及油藏中發生的熱裂解、低溫氧化（LTO）和高溫氧化（HTO）反應動力學，增加了解決問題的難度；高溫蒸汽摻加含氧空氣用于小井距井網注采過程的安全性、空氣/蒸汽的注入方式、注入比例等問題目前沒有滿意的方案［9-11］。這些問題都需要通過現場試驗進行深入研究。空氣輔助蒸汽驅技術是我國“十三五”石油工程領域的重要科研課題。選定齊40塊蒸汽驅試驗區中原油瀕臨枯竭的、加注常溫空氣之前油藏中已經發生嚴重蒸汽竄流和超覆的、亟待改變開發方式的井組進行試驗，所選試驗井組存在的問題具有普通稠油蒸汽驅后期生產問題的普遍性，試驗結果可為類似井組提供供鑒。

1 試驗井組概況

空氣輔助蒸汽驅現場試驗井組選自遼河油田齊40塊蒸汽驅試驗區。齊40塊構造位于遼河斷陷盆地西部凹陷西斜坡上臺階中段，區塊主要發育沙河街組沙一+沙二段的興隆臺油層和沙三段的蓮花油層，開發目的層為蓮花油層。油藏埋深625～ 1 050 m，平均孔隙度31.5 %，平均滲透率2.062 D，屬于高孔、高滲儲層。油層平均有效厚度37.7 m，單層平均有效厚度為2～8 m。50 ℃脫氣原油黏度2 639 mPa·s，為普通稠油。探明含油面積7.9 km2，石油地質儲量3 774×104t。

齊40塊于1987年投入蒸汽吞吐開發，2006年12月開始實施規模轉蒸汽驅，2008年3月完成全區149個井組整體轉驅，2009年產油量達到最高峰69×104t。截至2017年底，齊40塊共有注汽井149口，開井121口，生產井679口，開井616口，區塊日產液10 339 t/d，核實日產油1 375 t/d，日注汽9 461 t/d，瞬時采注比1.1，瞬時油汽比0.14，蒸汽驅階段采出程度13.3%，吞吐+蒸汽驅采出程度45.0%。按照蒸汽驅開發規律及開發階段劃分標準，該區塊經歷了熱連通、蒸汽驅替、蒸汽突破3個階段，目前已經進入蒸汽驅開發后期，亟需進行開發方案調整。

在齊40塊5個井組開展了空氣輔助蒸汽驅現場試驗，其中在齊40塊主體部位實施了3個試驗井組，這3個試驗井組分別為齊40塊內高傾角部位的17-028井組、25-K35井組和齊40塊中部的13-024井組，驅替介質空氣/蒸汽的注入方式為混合式注入；在齊40塊外圍實施了2個試驗井組，分別為6-K032井組和5-K033井組，驅替介質空氣/蒸汽，分別以段塞式注入。

2 試驗方案設計

在進行現場試驗技術參數設計時，除了參考室內實驗結果外，主要依據國外學者Redford及Ivory等［10，12-14］的室內實驗研究成果。在此基礎上，為了便于比較與分析，試驗井組設計日注空氣量范圍較寬，在0.5×104～1.8×104m3范圍內。試驗井距選取70 m和100 m兩種。空氣/蒸汽混合式注入方式的蒸汽注入量在試驗期間保持不變；采用空氣/蒸汽段塞式注入方式時，每周期注入空氣量30×104m3，注入變換時間（周期）為一個月，注空氣期間停注蒸汽；試驗期間采油井始終正常生產。試驗技術參數見表1。

表1 空氣輔助蒸汽驅試驗井組實施情況Table 1 Implementation situations of air-assisted steam flooding in test well groups

3 試驗效果分析

對齊40塊空氣輔助稠油蒸汽驅試驗井組生產特征、摻加空氣后蒸汽波及規律變化情況等進行分析和評價。

3.1 試驗井組生產特征

空氣輔助稠油蒸汽驅5個試驗井組平均單井組日產油由14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17，總體上取得了較好的試驗效果。

根據試驗井組產量變化規律，可以將5個試驗井組分為兩類，如表2所示。Ⅰ類井組的產液量、產油量、油汽比、采注比、注汽壓力均有上升，增油效果顯著。Ⅰ類井組有2個，均采用空氣/蒸汽混合式注入方式，平均注汽壓力由試驗前的6.5 MPa升至7.1 MPa，日產油由16.2 t/d升至20.2 t/d，油汽比由0.14升至0.17。其他3個井組屬于Ⅱ類井組，Ⅱ類井組注汽壓力變化不大，增油效果不太明顯，典型的6-K032井組和5-K033井組均為采用空氣/蒸汽段塞式注入方式，2個井組在試驗期間平均注汽量由54.55 t/d降至32.05 t/d，平均注汽壓力由5 MPa降至4.6 MPa，日產油由11.95 t/d降至10.75 t/d，注入空氣階段停注蒸汽相當于注入油藏的熱量減少了，直接影響了蒸汽驅開發效果。

表2 空氣輔助稠油蒸汽驅試驗井組生產數據Table 2 Production data of test well groups by air-assisted steam flooding of heavy oil

Ⅰ類井組提高油層縱向動用程度、擴大平面蒸汽波及作用顯著。典型的17-028井組空氣輔助蒸汽驅試驗，試驗階段日注空氣量為5 100～10 000 m3，日注蒸汽量為107.6 t/d。監測資料顯示，縱向上，由于蒸汽與空氣的重力分異作用，空氣占據了上部原蒸汽驅主力動用層，空氣與原油之間發生的低溫氧化反應使孔隙中瀝青質含量增加、滲透率降低，從而引起蒸汽發生轉向，擴大了蒸汽波及范圍。壓力觀察井測壓資料顯示，上段蒸汽驅主力層壓力由2.9 MPa升至3.1 MPa，同時蒸汽驅層段下部非主力層蒸汽動用程度增加，對應壓力由2.9 MPa上升到3.6 MPa。

這個結果說明空氣輔助蒸汽驅實施后空氣引發蒸汽轉向，試驗井組的蒸汽波及范圍擴大、驅替作用增強，動用程度有了進一步提高。平面上，發現注入的空氣首先向蒸汽驅優勢方向波及，空氣與殘余原油之間的低溫氧化反應使得孔隙中瀝青質沉積增加，油層滲透率降低，迫使蒸汽轉向。在蒸汽驅優勢方向上距注汽井距離23 m的觀44井為溫度觀察井，該井觀測溫度的結果表明該區域蒸汽驅層位平均溫度降低了35 ℃，同時蒸汽前緣在氣體壓力驅動下向蒸汽驅弱勢方向擴展，該方向上觀42井為溫度觀察井，觀42井距注汽井的距離為25 m，在該井的溫度測試剖面顯示，該方向汽驅層位溫度提高了20 ℃。這些實測結果可以表明注空氣后地下發生了蒸汽轉向、蒸汽平面動用狀況得到了有效改善，因此，試驗井組日產油由19.8 t/d升至24.1 t/d，油汽比由0.18提高到了0.22，其中典型見效油井17-K291井產油量由7 t/d升至10 t/d。

Ⅱ類井組受注蒸汽量下調影響，增油效果不明顯。Ⅱ類井組主要采用段塞式注入方式，通過對試驗結果的分析，認為受注汽量下調影響，注入油層的熱量降低，致使蒸汽腔體積縮小，從而導致空氣輔助蒸汽驅開發效果變差。6-K032井組試驗階段日注空氣量10 000 m3/d，注入空氣期間停注蒸汽，受到注蒸汽量減少（或不足）的影響，注蒸汽壓力由4.6 MPa降至3.8 MPa，試驗井組的日產油由14.3 t/d降至13.6 t/d，見圖1。

圖1 6-K032井組空氣輔助普通稠油蒸汽驅試驗生產曲線Fig.1 Production curve of Well group 6-K032 by air-assisted steam flooding of ordinary heavy oil

6-K032井組內典型的6-K23C生產井在蒸汽停注期間產液量由20 t/d降至14 t/d，產油量由8 t/d降至5 t/d，井口產液溫度由72 ℃降至55 ℃，后期恢復注汽后，日產液恢復至17 t/d，日產油量升至8 t/d，產液溫度提高到60℃，產量又開始回升，見圖2。這個試驗結果表明空氣/蒸汽段塞式注入方式注蒸汽量不足影響注入油藏熱量，進而影響了蒸汽驅的開發效果。

圖2 典型井6-K23C井生產曲線Fig.2 Production curve of typical well, Well 6-K23C

3.2 注入方式的影響

試驗井組生產特征表明，蒸汽采用連續注入方式，能夠保持蒸汽腔穩定擴展，效果較好。因此實施空氣輔助蒸汽驅技術宜采用空氣/蒸汽連續式注入方式。

設計合理的、遞進式增加空氣注入量是保證空氣輔助蒸汽驅取得較好效果的重要因素之一。典型的17-028井組試驗初期日注空氣量為5 140 m3/d，在此注氣量下井組產液量、產油量穩產一段時間，然后，將注氣量調為10 000 m3/d后，該井組日產液由78 t/d升至85 t/d，日產油由15 t/d升至28 t/d。分析認為，注蒸汽過程摻加空氣是一種復雜的工藝，并非簡單地摻加，注空氣量提高后要有利于汽竄區域內空氣能進一步與瀝青發生低溫氧化反應生成焦炭，堵塞汽竄通道，擴大蒸汽波及體積，看來注入空氣的時機與數量是需要優化設計的。

3.3 汽氣比的影響

現場試驗結果表明，對于遼河油田齊40塊普通稠油，空氣輔助普通稠油蒸汽驅當汽氣比接近1∶40（當量水體積（m3）/標準狀態下空氣體積（m3））時可以取得較好驅油效果，試驗井組空氣/蒸汽混合注入方式條件下的日增油與汽氣比試驗結果見圖3，這個現場試驗結果與Redford等［8-9］的室內實驗結論基本吻合。

圖3 空氣/蒸汽混合注入方式試驗井組日增油量與氣汽比關系Fig.3 Relationship between daily oil increment and air/steam ratio of test well groups in the mode of air/steam mixed injection

3.4 產出氣體檢測

70 m井距井網蒸汽驅油藏摻加的常溫空氣能與地下原油發生低溫氧化反應，油藏溫度有所提高，氧氣含量可降到安全范圍內。17-028井組的常溫空氣輔助蒸汽驅試驗尾氣檢測結果顯示，試驗初期原蒸汽驅動用優勢方向產出氮氣含量快速上升，由4%升至61%，此后基本維持不變；與此同時，產出氧氣含量由0.94%升至1.5%，此后又降至0.87%，同時還伴隨著井口產液溫度由77 ℃升至89 ℃。這些測試和觀察結果說明空氣優先向蒸汽驅優勢方向波及，且空氣中的氧與原油發生了低溫氧化反應，氧氣含量減少，油藏溫度有少量升高。

4 結論

（1）在齊40塊17-028、25-K35、13-024、6-K032和5-K033等5個井組開展摻加常溫空氣輔助普通稠油蒸汽驅現場試驗，取得了較好的開采效果，5個試驗井組平均單井組日產油由過去的14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17。

（2）空氣輔助普通稠油蒸汽驅，汽氣比接近1∶40可取得較高采收率，這個結果與Redford等的室內實驗結論基本吻合。

（3）空氣輔助普通稠油蒸汽驅宜采用連續蒸汽/空氣注入方式，如果采用段塞式注入方式，在蒸汽停注后，油藏受到注入熱量減少的影響，會導致蒸汽腔體積收縮，影響蒸汽驅開采效果；設計合理的空氣日注入量和變速注空氣時機是保證空氣輔助蒸汽驅取得較好效果的重要因素之一。

（4）17-028井組試驗初期原蒸汽驅優勢方向產出氮氣含量快速上升，由4%升至61%，然后基本維持不變，同時產出氧氣含量由0.94%升至1.5%，后期又降至0.87%，還伴隨著井口產液溫度由77 ℃升至89 ℃。這些結果說明：空氣優先向蒸汽驅優勢方向波及，致使后續再注蒸汽在地下發生了轉向；注入空氣中的氧與原油發生了低溫氧化反應，產出液中氧氣含量減少，油藏溫度升高；70 m井距井網蒸汽驅油藏摻加的常溫空氣能通過與地下原油發生低溫氧化反應消耗適量的氧氣，生產井氧氣含量監測結果在安全范圍之內。