熱采水平井注蒸汽過程中溫度場擴展規律

王增林 張巖 張全勝 李友平 楊德偉

1.中國石化勝利油田分公司 2.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠 3.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院 4.山東省稠油開釆技術重點實驗室 5.中國石油大學(華東)新能源學院

我國稠油開采方式中以水平井注蒸汽熱采應用最為廣泛[1-4]，主要采用了篩管水平井注汽方式開發，同時每隔一定距離安裝封隔器，對蒸汽的流動進行強制分隔[5-7]。注蒸汽開采過程中，蒸汽與油層巖石及流體發生熱量傳遞，導致原油溫度升高，黏度降低，同時蒸汽驅替油藏中的原油移動，從而形成蒸汽腔，故水平井注蒸汽開采效果很大程度上取決于注汽參數、井底蒸汽品質以及蒸汽在油層中的擴散情況[8-9]。目前，國內外學者對水平井注蒸汽稠油開采開展了系統深入的研究，取得了很大的進展，但在工程實際應用中還存在諸多問題，如水平段長度大以及油藏非均質性，造成油藏吸汽不均產生的汽竄等。因此，研究注蒸汽過程中水平井段內濕蒸汽變流量汽液兩相流動規律及在油藏中的擴展規律，分析油藏溫度變化，探究如何實現均勻配汽，對指導水平井完井、優化注汽參數、提高熱采水平井的開發效果和經濟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驗平臺[16-19]，協同分析了不同注汽井結構對水平段配汽效果的影響。

1 水平井流動與換熱規律數值模擬

1.1 水平段流動與換熱物理模型

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

1.2 水平井濕蒸汽流動數學模型

蒸汽注入過程中，濕蒸汽從水平井的跟端流向趾端，沿程蒸汽在流經射孔時會發生徑向分流，一部分蒸汽經射孔進入注汽井和篩管之間的環空，然后進入油層，向油層傳熱；一部分蒸汽繼續流向注汽井趾端。

1.2.1模型假設

(1)油藏為均勻多孔介質且剛性非變形。

(2)在儲層內，局部熱力學平衡成立。

(3)水平井筒內流體流動完全湍流，儲層內流體流動完全層流。

(4)油藏內各處滲透率相同。

1.2.2數學模型

數學模型中包含質量、能量、動量守恒方程、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準k-ε模型的湍動能及其耗散率輸運方程[20]，近壁函數采取標準壁面函數處理。汽相和液相的流動速度不同，故選用Mixture模型進行求解，蒸發冷凝模型采用Lee模型。計算采用分離式求解器，應用PISO算法，各相關能耗散率采用二階迎風格式離散，壓力采用PRESTO！格式。

(1)模型驗證。首先根據實際測井數據，進行模型準確性驗證。數據來源于勝利油田C20-P146注汽水平井[21]。該水平井深1 403 m，井段總長1 382 m，其中1 256 m、1 313 m和1 372 m處為配汽篩管，測井數據位于井段1 211 m至1 372 m處。以井段1 211 m處參數為模擬水平井注汽參數，質量流量為3 kg/s，干度為0.7。驗證8個測井數據點的溫度值。模擬結果與測井結果如圖1所示，計算模型精度為97.9%。

(2)溫度場。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，油藏和注汽井內溫度變化以及油藏吸汽量和通過每個射孔的質量流量。

注汽30.5 h后，模擬所得溫度場如圖2所示，使用均勻射孔管柱時，注汽井趾端與跟端溫度擴展區域差距較大，配汽不均勻(見圖2(a))。減少跟端射孔密度，加密趾端射孔后，與均勻射孔管柱對比，形成了較為均勻的溫度場(見圖2(b))，配汽效果得到優化。

(3)油藏吸汽量。油藏長150 m，從注汽井跟端到趾端，將油藏分為5段，每段30 m，分別統計油藏每段吸汽量，對比采用均勻射孔和加密趾端射孔管柱配汽時油藏吸汽量，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，故通過改變射孔結構可以實現均勻配汽，形成均勻溫度場。

(4)射孔質量流量。當均勻開孔時，通過單個射孔的質量流量如圖3(b)所示，沿注汽井跟端到趾端從0.15 kg/s開始逐漸下降。當加密趾端射孔時，射孔質量流量以較大的趨勢逐漸減少，因注汽井0～60 m內僅均勻開兩個射孔，蒸汽經射孔流出后在環空內擴散較快，故在前兩個射孔內流出的蒸汽質量流量較大。

2 水平井流動與換熱規律三維物理模擬

2.1 三維物理實驗裝置

水平井配汽三維物理模擬實驗所采用的高溫高壓實驗裝置見圖4(a)。三維物模內尺寸為400 mm×400 mm×150 mm(長×寬×高)，在模型內部共安裝3層熱電偶，每層共49(7×7)個，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。

實驗選取3種不同注汽井結構，分別為傳統割縫管、均勻開孔管柱。趾端附近開孔管柱。趾端附近開孔管柱根據不同開孔密度分為兩種管柱。結構如圖4(b)所示。實驗參數為注汽速率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 實驗結果及分析

(1)割縫管。當注汽管選用割縫管時，因割縫管開孔較大，大部分水蒸汽在跟端縫隙流出，趾端出汽極少，注汽3 h后蒸汽腔發育情況見圖5。由圖5可知，注汽3 h后，注汽井跟端附近儲層最高溫度達到了130 ℃左右，并且高溫范圍由跟端向四周擴展，但趾端附近溫度上升有限，只升到了70 ℃左右，這是因為蒸汽在注汽井跟端流出較多，趾端蒸汽少，導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散，且主要集中在注汽井跟端，不利于開采趾端油藏。

(2)均勻開孔。在配汽 3.5 h后，儲層溫度場如圖6所示。注汽井上方兩層溫度場均有明顯溫升，由于飽和蒸汽上升作用，儲層上部溫度升高明顯，最高溫度達到了150 ℃左右，高溫區域沿注汽管柱擴展，呈現出一個水平柱形高溫區域，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，但對于儲層整體的動用程度高于傳統割縫注汽管柱。因此，兩種注汽管柱均利于開采跟端滲透率較低或含油飽和度較高的油藏。

(3)趾端附近開孔管柱1。配汽 3.3 h后，儲層溫度場如圖7所示。由第3層溫度場及儲層上部高溫區域可知，此時已經形成了蒸汽腔，高溫區域達到150 ℃，產生這種現象的原因是儲層由于高壓蒸汽擠壓形成優勢通道，蒸汽直接通過優勢通道到達儲層上部，而不是在趾端附近擴展，并且此時儲層內壓力已經突破背壓，較高溫度的冷凝水開始采出，因此趾端附近即第2層溫度擴展范圍小于第3層溫度場。趾端配汽效果與均勻射孔配汽效果存在明顯的差異，趾端配汽能夠優先動用趾端附近儲層，并可以逐漸向跟端蔓延，有利于開采趾端附近含油飽和度較高的油藏。

(4)趾端附近開孔管柱2。配汽3.5 h后，儲層溫度場分布如圖8所示。由第3層溫度場可知，此時儲層高溫區域已擴展開來，區域溫度已達到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，而不是優先在跟端附近團聚，且加熱面積趾端和跟端相當；由第2層溫度場可知，此時趾端附近配汽量已經大于跟端，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題，使水平井配汽均勻，儲層動用范圍更廣，利于開采均質儲層且含油飽和度分布均勻的油藏。

該實驗結果驗證了在均質儲層的條件下，注汽穩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，實現均勻配汽。

3 結論

(1)通過質量、能量和動量守恒定律建立了水平井內蒸汽質量流動數學模型，考慮了不同注汽井結構對油藏溫度、吸汽量及射孔流量的影響，計算結果接近實際測井數據，較為精確。

(2)均質儲層下，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應，而通過改變射孔結構，趾端加密射孔，使得油藏溫度和每段吸汽量較為均勻，優化了配汽效果。

(3)使用三維物模實驗平臺進行水平井配汽實驗，割縫管和均勻射孔管柱溫度場的提高主要集中在注汽井跟端，趾端發育較差甚至不發育。減少跟端射孔，加密趾端射孔，溫度場發育主要集中在注汽井趾端，而僅加密趾端射孔，溫度場發育均勻，基本平行于注汽井向上發育，配汽較為均勻，驗證了軟件模擬結果。