厚层稠油油藏火驱射孔层段优化探讨

2013-10-18张方礼

特种油气藏 2013年2期

张方礼

(中油辽河油田公司，辽宁盘锦 124010)

引言

火烧油层又称火驱采油技术，简称“火驱”，是稠油蒸汽吞吐后提高采收率的主体技术，可进一步划分为常规火驱和重力火驱(重力火驱国外称THAI火驱)，目前均已经在辽河油田开展了先导试验，取得了较好的开采效果。辽河油田稠油油藏埋藏较深，非均质性较强，且经历了长期的蒸汽吞吐开采，油藏压力降至原始地层压力的20%～30%。多年的蒸汽吞吐开采使得储层非均质性加剧，火驱驱替规律和火线波及状况更加复杂，特别是已经开展的厚层常规火驱火线超覆严重，厚层重力火驱火线波及不均匀的问题较为突出。在厚层火驱油藏方案设计过程中，如何通过注采井射孔层段的优化，减缓火线超覆，提高火线波及体积是目前急需解决的关键问题。

1 不同厚度油层火驱火线波及规律

1.1 纵向上火线波及规律

通过建立“直井－直井”火驱二维物理模型，模拟了油层厚度20、60 m常规火驱纵向火线波及特征。研究认为，随着纵向上油层厚度的增加，火线超覆趋于明显，燃烧前缘为狭窄区域，随着燃烧时间的推进，火线超覆作用加剧。若注采层段不进行调整，油层厚度为20 m油层常规火驱开采效果较好，阶段采出程度为64.7%，油层厚度为60 m油藏常规火驱阶段采出程度仅为21.4%，开采效果较差。

G块油层有效厚度为70 m，以行列火驱方式进行先导试验。其注气井实际吸气剖面及测温曲线分析结果表明，注气井上部油层吸气比例为67.5%，下部油层仅为32.5%，且随着火驱时间的延长，下部油层吸气比例逐渐降低。注采井间典型观察井G1井温剖面显示，火驱层段(1600～1700 m)中，仅1620～1640 m处油层温度较高(图1)。G2井温度剖面显示，仅1600～1630 m处油层温度超过300℃，且随着火驱时间的延长，高温油层厚度逐渐减薄，表明火线超覆逐渐加剧(图2)。G块油层垂向燃烧率仅为0.10～0.50，纵向动用程度较差。

图1 G1井井温测试曲线

图2 G2井温度测试曲线

通过建立“直井－水平井”火驱二维物理模型，模拟了厚层超稠油油藏重力火驱的火线波及规律。当注气井位于油层顶部时，形成火线后，可形成较好的重力泄油且以斜面为主，与理想重力火驱波及规律一致。当注气井位于油层中部时，同一监测温度点温度变化曲线呈双峰和多峰，即厚层油藏重力火驱出现了“二次燃烧”现象。分析认为，由于重力火驱油层较厚，当注气井射孔位置在油层中部时，随着燃烧腔的形成，纵向上顶部和侧向加热的原油在重力作用下流至下部已燃区，在高温和氧气的作用下发生“二次燃烧”，监测点温度曲线出现多峰现象(图3)。此时，燃烧消耗更多的原油，采收率较大幅度降低。因此，在重力火驱过程中，应设计最佳的重力火驱层段，既能够减少二次燃烧现象的发生，也能够与下部水平井建立有效的热连通，实现理想的重力火驱。

图3 厚层重力火驱G32点温度监测曲线

1.2 平面上火线波及规律

二维常规火驱物理模拟实验研究认为，平面上火线优先向边井推进，通过调控生产井产出参数可以调整火线推进方向，提高波及体积。在实际厚层常规火驱中，数值模拟及监测资料表明，平面上火线优先向地层压力低、渗透率高、井距小的区域波及。由数值模拟温度场图可知(图4)，平面上火驱优先向下倾方向，且平面上动用不均匀;从典型受效井分布来看，井距小的井优先波及。因此，优化注气井、生产井射孔层段对改善火驱开发效果十分重要。

图4 数值模拟温度场

2 厚层行列火驱射孔优化

2.1 物理模拟优化火驱射孔层段

在上述二维常规火驱物理模拟过程中，初期注气井与生产井同时射开，注气井射开油层下部1/2，生产井油层全部射开。随着火驱时间的推进，火线超覆作用逐渐加剧，130 min时模型将生产井射孔层段从生产井全井射开调整为射开油层下部1/2，火线超覆作用逐渐减弱(图5)，生产井牵引火线作用明显，火驱采收率最终可达60%(图6)，与油层厚度20 m的油藏火驱开采水平相当。

图5 物理模拟生产井段调整前后温度场

图6 油层厚度60m采出程度曲线

2.2 数值模拟研究厚层火驱射孔层段

2.2.1 注气井射孔位置研究

为研究注气井射孔位置对厚层火驱(60～70 m)开发效果的影响，应用数值模拟研究了注气井射孔位置分别为上部1/3、中部1/3、下部1/3时的火驱开发效果。研究结果表明，随着注气井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(表1)。当注气井射开上部，由于火线超覆作用，仅在油层上部燃烧，纵向燃烧率低，火驱开发年限为6.1 a，阶段采出程度仅为18.09%。当注气井射开下部，利用火线超覆作用，纵向动用程度得到进一步提高，阶段采出程度可达48.89%，推荐最优的注气井射孔位置为下部1/3。

表1 不同注气井射孔位置开发效果

2.2.2 注气井射孔厚度研究

当确定注气井射孔位置为下部时，对注气井射开厚度进行优选。分别计算了注气井射开油层下部1/6、1/3、1/2、2/3时的火驱开发效果。研究结果表明，注气井自下而上射孔时，随着注气井射孔厚度的增大，为保证燃烧状态，注气速度相应提高，注气速度的增大在一定程度上提高了采油速度，但却造成气体过早突破，从而缩短生产时间，采出程度随之降低。当注气井射孔厚度由1/3油层厚度增加到1/2油层厚度时，采出程度迅速降低，采油速度增加幅度变小。因此，优选注气井射孔厚度为射开油层下部厚度的1/3(表2)。

表2 不同注气井射开厚度比例开发效果

2.2.3 生产井射孔位置研究

当注气井射开油层下部1/3时，对生产井的射孔位置进行了优选。计算了生产井射孔位置分别为上部1/3、中部1/3、下部1/3时的火驱开发效果。研究结果表明，随着生产井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(图7)。当生产井射开上部时，由于重力分异作用，被驱替原油聚集在油层底部，一部分原油不会被采出，采收率低;当生产井射开下部时，利用重力分异作用，能够沉降在油层底部的原油采出，且一定程度上抑制了火线超覆，提高了采收率。因此，优选生产井射孔位置为下部。

图7 生产井不同射孔位置生产效果

2.2.4 生产井射孔厚度研究

当确定生产井射孔位置为下部时，对生产井的射开厚度进行优选。分别计算了生产井射开油层下部1/6、1/3、1/2、2/3时的火驱开发效果。研究结果表明，随着生产井自下而上射开厚度的增加，采出程度增加，采油速度增加。当射开厚度大于油层厚度1/2时，增加幅度变小。油井射开厚度过大会增加气窜风险，而且不利于火驱后期调整制订措施，因此推荐生产井射开厚度为油层厚度的1/2(图8)。

2.2.5 面积火驱生产井射孔厚度研究

厚层油藏面积火驱过程与常规行列火驱优化方式一致，但生产井需分别对边井和角井进行对应射孔。面积井网边井射孔层段与行列井网一致，对应射开油层下部1/3，射开对应油层厚度1/2。但对于角井而言，距离注气井较远，推荐对应射开油层下部1/3，且对应油层全部射开，此时可保证火线向边井与角井均匀推进。但当生产井距离注气井不同距离时，应有相应的射孔厚度，此种射孔方式在今后文章中加以探讨。

图8 不同生产井射孔厚度生产效果

3 厚层重力火驱射孔优化

3.1 注气井射孔位置研究

由二维重力火驱物理模拟结果可知，当直井射孔位置偏下时，上部及侧向原油依靠重力作用流至已燃区，发生“二次燃烧”现象，影响火驱效果，因此射孔位置应尽量偏上。但此时，注气井与水平井距离增加，注采井间难以建立有效的热连通，可导致重力火驱失败。S1块为厚层块状超稠油油藏，油层厚度为40 m，原油黏度为60000 mPa·s，开展注气层段的优化研究，设计4种注气井射孔方式，即全井段射孔、上部射孔、中部射孔以及下部射孔。研究结果显示:注气直井中部射孔的方式，采出程度最高，且通过前期蒸汽吞吐预热，与水平井建立了有效的泄油通道，开采效果最好 (图9)。此分析与重力火驱物理模拟研究的射孔位于油层中部发生“二次燃烧”观点略有差异，认为由于该块重力火驱前直井进行了蒸汽吞吐预热，油层上部原油得到动用，注入空气后火线可在油层上部形成燃烧带，排气井的设立使火线均匀向前推进，因而效果较好。当然，该观点仍需进一步研究论证。

图9 注气井射孔方式优化结果

综上建议，当油层较厚且为原始油层状态时，在与生产井可建立有效热连通的前提下，应尽量避免油层中部射孔。

3.2 注气井射孔厚度的研究

完成射孔层段优化设计后，开展了重力火驱射孔厚度研究，对比了射开厚度占油层厚度比例为1/3、1/2和2/3的3种开采效果。研究表明，直井射开厚度为油层厚度1/2的情况下，注采井泄油通道较为稳定，且火线前缘稳定向前推进，此时火驱阶段采出程度最高(图10)。

图10 注气阶段注气井射孔厚度优化结果

3.3 排气井射孔位置研究

室内物理模拟研究过程中发现，厚层油藏重力火驱过程中，若不设置排气井，火线前缘推进缓慢，且火线极易窜进至生产井，且泄油面与水平井夹角呈锐角，开发效果较差。因此有必要在现场试验中设计排气井，用来牵引火线扩大火驱波及体积。共设计3种排气井射孔方式，即上部射孔、中部射孔和下部射孔。研究表明，当排气井下部射孔时，可以有效的牵引火线下移，促使火线在纵向上均衡扩展，进一步扩大火驱波及体积 (图11)。

图11 排气井不同射孔位置温度场分布图

另外，在重力火驱过程中，排气井与水平井的纵向距离尤为关键，分别模拟了排气井射孔底界距离水平井0、2、4、6、8 m 5种情况。根据数值模拟结果认为，当排气井射孔底界距水平井较近时，火线被牵引距水平井过近，易造成井筒高温损坏，而当距离水平井较远时，纵向上火线向上偏移，因此确定排气井射孔底界距离水平井6 m较为合适(图12)。