適度注氣在稠油熱采中的優(yōu)化
——以渤海油田A油藏為例

林 濤，孫永濤，孫玉豹，宋宏志，劉海濤，李田靚

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300459）

中國渤海油田原油黏度大于350 mPa·s的稠油儲量豐富，常規(guī)開發(fā)方式油井產(chǎn)能低、采油速度慢、采收率低。熱采作為目前非常規(guī)稠油開發(fā)的主要技術(shù)工藝，已在國內(nèi)外稠油開發(fā)中廣泛應(yīng)用，形成了蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油（SAGD）、火燒油層等一系列技術(shù)[1]。注氣在熱采工藝中被廣泛應(yīng)用，向稠油油藏中注入蒸汽的同時，注入N2、CO2或煙道氣等氣體，可以提高蒸汽的波及體積，補(bǔ)充地層能量，改善稠油蒸汽吞吐后期的開發(fā)效果。其機(jī)理是注入的氣體可進(jìn)一步降低稠油黏度和產(chǎn)生溶解氣驅(qū)而提高稠油采收率，附加的氣驅(qū)能使原油產(chǎn)量增加，但在氣體或蒸汽突破后，氣體對原油增產(chǎn)將不再起作用[2]。

自2008年以來，稠油熱采技術(shù)逐步在海上油田開展試驗(yàn)應(yīng)用，目前主要以多元熱流體吞吐熱采為主。多元熱流體熱采技術(shù)是一種新型熱采技術(shù)，符合當(dāng)前熱采技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過燃燒產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽、CO2及 N2等混合氣體，具氣體混相驅(qū)（N2驅(qū)、CO2驅(qū)）和熱力采油（蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)）的特點(diǎn)[3–8]。經(jīng)過多年的熱采試驗(yàn)，目前大部分熱采井已經(jīng)進(jìn)入多輪次吞吐熱采階段。海上稠油油田多具有儲層高孔高滲、隔層不發(fā)育、層間滲透率差異大等特點(diǎn)，注入熱流體時受蒸汽/氣體超覆的影響，氣體容易沿高滲透條帶突進(jìn)。當(dāng)井間高滲透條帶被氣體連通后，就會出現(xiàn)井間氣竄干擾現(xiàn)象，影響鄰井的正常生產(chǎn)，也降低本井的吞吐效果。本文通過實(shí)驗(yàn)研究探索了適度注氣在熱采工藝中的應(yīng)用，即優(yōu)化氣體注入量，使得氣體對于稠油油藏增產(chǎn)的作用最大，同時又不突破限值導(dǎo)致氣竄。

1 氣體在稠油油藏的存在方式

在稠油油藏?zé)崃﹂_采中，采用注熱工藝同時輔助注入氣體的做法在各油田被廣泛應(yīng)用，氣體輔助熱采的有益作用主要包括氣體的溶解降黏、提高波及體積、增能保壓、重力驅(qū)和提高熱效率等。稠油油藏中氣體的存量受溶解、吸附和擴(kuò)散三方面的影響，由于其作用不同，氣體在稠油油藏中的存在方式也不同，主要有以下三種方式：

（1）氣體溶解在稠油中。由于受不同壓力、溫度的影響，不同氣體組分在原油中的溶解度不同。

（2）氣體在多孔介質(zhì)中吸附。烴類氣體的吸附與儲層孔隙結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、氣體的性質(zhì)以及溫度、壓力等因素相關(guān)[9–11]。

（3）氣體的擴(kuò)散在孔道內(nèi)的傳輸形式主要有努森擴(kuò)散、主體擴(kuò)散、表面擴(kuò)散和黏性流 4類[12]。由于氣體具有壓縮性、膨脹性、小熱容、低黏度等特點(diǎn)，氣體在稠油油藏中的擴(kuò)散作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是可以擴(kuò)大波及半徑，提高熱利用率；二是氣體在高孔高滲油藏中擴(kuò)散很快，會導(dǎo)致氣竄從而影響生產(chǎn)。

2 氣體在稠油油藏的存量研究

2.1 管式模型物理模擬實(shí)驗(yàn)

為了探索熱采過程中氣體在稠油油藏中的運(yùn)移變化方式，以及在不同氣水比的條件下，注入氣體量與氣體竄流的關(guān)系，同時探索氣體竄流對稠油開采效果的影響，開展了管式模型物理模擬實(shí)驗(yàn)研究。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用水按渤海油田A油藏地層水離子組成配制（表1），水型為NaHCO3型。

表1 實(shí)驗(yàn)用模擬地層水離子組成

實(shí)驗(yàn)用油為渤海油田 A油藏原油，實(shí)驗(yàn)溫度56 ℃。

例題 硝酸工業(yè)尾氣中氮的氧化物(NO、NO2)是主要的大氣污染物之一。可用以下方法進(jìn)行治理,其主要原理可表示如下:

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎萌斯ぬ钌澳Ｐ停Ｐ统叽鐬?25 mm×150 mm。

實(shí)驗(yàn)用氣體為CO2和N2，氣體樣品為鋼瓶裝壓縮氣體，CO2純度99.9%，N2純度99.5%。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用熱采多功能驅(qū)替模擬設(shè)備，由恒溫箱、蒸汽注入系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、液體注入系統(tǒng)（注入泵、儲液中間容器等）、填砂模型、回壓控制系統(tǒng)、溫度計(jì)量、流量計(jì)量系統(tǒng)（包括氣體流量計(jì)量、液體流量計(jì)量等）、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等組成。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先按照渤海油田A油藏特性填制巖心模型，然后模型出口連接真空泵，進(jìn)行抽真空，直至模型內(nèi)壓力降至1 kPa以下；之后在恒溫箱內(nèi)升溫至油藏模擬溫度 56 ℃，進(jìn)行飽和水，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算孔隙度；恒溫箱內(nèi)放置12 h以上，再以恒定的速率用實(shí)驗(yàn)原油驅(qū)替巖心中的飽和水，直到巖心兩端的壓差平穩(wěn)，建立束縛水飽和度（原始含油飽和度）[13]，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；最后按照實(shí)驗(yàn)方案，采用恒速法注入氣體和水，并記錄時間、氣體量、油水量、壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方案

通過注入不同的氣水比（9︰24、1︰0、4︰1），研究注入不同氣體量條件下模型采出端見氣時間及最終驅(qū)油效率的差異。

在基本物性相同的條件下，通過對見氣時間和注入氣體的總量進(jìn)行分析，當(dāng)氣水比為1︰0時，即只有氣體注入，沒有其他流體注入時，在注入氣體量為 0.12 PV時，采出端見氣；當(dāng)氣水比為 9︰24和 4︰1時，采出端見氣時的注入氣體量分別為0.15PV和0.17 PV（表2）。當(dāng)有氣體與液體共同存在于多孔介質(zhì)時，氣體的溶解、擴(kuò)散受到影響，其復(fù)合作用對于原油的驅(qū)動明顯增加，表現(xiàn)為見氣階段 的驅(qū)油效率大幅度增加，最終驅(qū)油效率也明顯提升。

表2 注入不同氣體量驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 大型物理模擬實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證管式模型實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，利用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的大型三維高溫高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。

模擬實(shí)驗(yàn)的整套系統(tǒng)包括模型系統(tǒng)、高壓艙系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、采出計(jì)量系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。物理模型為人工填制模型，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《注蒸汽采油高溫高壓三維比例物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求》為基礎(chǔ)，并考慮溫度損失進(jìn)行了相應(yīng)修訂，模型模擬的是渤海油田A油藏的實(shí)際井網(wǎng)，采用的井網(wǎng)是一注四采，均采用水平井開采，實(shí)驗(yàn)所用的油、水、氣要求均與文中管式模型物理模擬實(shí)驗(yàn)要求一致，注入流體溫度200 ℃，原型參數(shù)和模型參數(shù)對應(yīng)的情況如表3所示。

表3 原型參數(shù)和模型參數(shù)對比

模型采用一口注入井四口采出井的反五點(diǎn)井網(wǎng)（圖1），注入井位于四口采出井的中部，模型表面覆涂高溫密封脂進(jìn)行密封。實(shí)驗(yàn)方法參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)方案為先開展蒸汽驅(qū)0.55 PV，然后注入0.15 PV的氮?dú)夂笤僮⑷胝羝?/p>

圖1 井網(wǎng)分布示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在注入蒸汽階段，當(dāng)注入量為0.55 PV時采收率達(dá)到11.07%，由于該方案的布井均在一個平面上，主要以平面波及為主，在蒸汽注入量達(dá)0.40 PV后驅(qū)油效率即達(dá)到穩(wěn)定；注入氮?dú)夂螅?qū)油效率緩慢上升，主要是由于氣體的上浮作用和增能作用增加了蒸汽對模型頂部原油的動用程度，降低了采出液含水率，但當(dāng)注氮?dú)饬窟_(dá)到 0.14 PV時，采出井B1井見氣，這與前期管式模型得到的結(jié)果基本一致。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)井理論計(jì)算

結(jié)合渤海油田多元熱流體熱采的實(shí)際情況，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。選取渤海油田A油藏?zé)岵删瓵–1井和 A–2井進(jìn)行計(jì)算，這兩口井都在注熱期間出現(xiàn)了氣竄，致使鄰井見氣，通過油藏工程計(jì)算，鄰井見氣時注入的氣體量均大于 0.12 PV（表4）。

分析認(rèn)為，當(dāng)注入氣體量超過稠油溶解和介質(zhì)吸附的氣體量閥值時采出井即見氣，渤海油田A油藏的這個氣體量閥值為0.12 PV。

表4 現(xiàn)場試驗(yàn)井的見氣情況分析

4 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，在稠油油藏?zé)岵蓵r注入氣體，當(dāng)注入氣體量超過稠油溶解和介質(zhì)吸附的氣體量時采出井即見氣，一維巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、大型三維物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)井的理論計(jì)算的結(jié)果均表明，注入氣體量大于0.12 PV時采出端見氣。

該研究成果雖具有一定的局限性，但可為注氣優(yōu)化和提前氣竄防治等提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可為油藏和工藝方案的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。