稠油蒸汽吞吐转蒸汽驱参数优化正交数值试验

刘东，胡廷惠，郑浩，徐文娟，何芬，罗艺科

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津300452）

稠油蒸汽吞吐转蒸汽驱参数优化正交数值试验

刘东，胡廷惠，郑浩，徐文娟，何芬，罗艺科

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津300452）

蒸汽吞吐后转蒸汽驱是常见的稠油热采开采方式，其开发效果受注汽温度、井底蒸汽干度、注汽速度、采注比、生产井井底流压、转驱时机等参数的综合影响，采用常规的单因素优化设计方法对于多参数问题存在明显的缺陷。本文以渤海某稠油油田典型数据为基础建立数模模型，采用正交设计确定各种参数的取值,利用正交表得到少量的组合方案,对方案进行数值试验。综合考虑技术和经济因素,定义累计油汽比和采出程度等作为开采效果的评价指标，并采用直观分析方法确定最优的参数组合。同时利用方差分析法得到影响蒸汽吞吐转蒸汽驱开发效果的显著性排序从大到小依次为：转驱时机＞采注比＞井底注汽温度＞井底注汽干度＞注汽速度＞生产井井底流压。正交数值试验结果可为现场蒸汽吞吐转蒸汽驱的参数优化提供理论指导。

海上稠油；蒸汽吞吐；蒸汽驱；正交设计；评价指标

渤海某稠油油田南区地下原油黏度为450～950 mPa·s，是渤海迄今为止开发的原油黏度最大的稠油油田，其常规开发暴露出单井产能低，采油速度低，预测采收率低的问题。近几年，结合海上小型化热采设备研究的新突破，渤海开展了利用水平井进行多元热流体（注入蒸汽的同时注入烟道气）吞吐的积极探索。从2010年开始，稠油热采方案开始逐步实施，先导试验取得一定的试验效果。

由于蒸汽吞吐以消耗弹性能量降压开采作为驱动条件，基于单井操作，油层的受热范围受到限制，井间储量动用程度差，采出程度低。国内外蒸汽吞吐开采实践表明，蒸汽吞吐的采收率一般为20%左右，因此，单纯依靠蒸汽吞吐增加最终采收率的程度是有限的[1]。为提高注蒸汽热采的采收率，蒸汽吞吐将转换成蒸汽驱开采方式。

蒸汽吞吐后转蒸汽驱是常见的稠油热采开采方式，其开发效果受注汽温度、井底蒸汽干度、注汽速度、采注比、生产井井底流压、转驱时机等参数的综合影响。单因素分析方法通过对比各因素取不同水平值时的计算结果，分析该因素以怎样的方式对所研究的问题发生影响，但是用这种方法进行多因素问题的全面试验分析时，许多实际工程问题因计算工作量太大而难以实施[2]。同时各参数影响蒸汽吞吐转蒸汽驱开采效果的机理是复杂的，最终开发效果是注采参数综合作用的结果。由于各参数影响开采效果的相对程度不同，应存在最优的注采参数组合。选择正交设计对各参数进行排列组合，得到组合方案；然后对方案结果进行极差分析和方差分析，确定注采参数的显著性排序和最优参数组合，蒸汽吞吐转蒸汽驱参数优化组合设计的理论和方法可方便地应用于矿场蒸汽驱注采参数的优选实践。

1 正交数值试验设计

1.1 正交设计原理

正交数值试验设计是以概率论和数理统计为基础、科学合理地安排多因素、多水平试验的实用数学方法，它利用一套规格化的正交表，科学合理安排试验，通过部分试验情况了解全面试验情况，可方便地找到诸多因素中对试验指标有显著影响的主要因素，从而确定使试验指标达到最佳的因素水平组合。正交数值试验突出特点是以典型的具有代表性的有限方案，来反映大量方案中所包含的内在的本质规律和矛盾主次[3-6]。它具有两个基本性质，即水平的均匀性和搭配的均匀性。水平均匀性，是指所选的N个具有代表性的方案，对每个参数和参数的每个水平值都均匀分配。搭配均匀性，是指每个参数的每个水平值在N个方案中出现的次数相同，而且任意两个参数的搭配都是以相同的次数出现。水平均匀性和搭配均匀性在数学上统称为正交性。利用正交性可设计出不同数目的参数和水平值对应的不同正交数值试验设计表。

1.2 因素和水平的确定

以渤海某稠油油藏典型先导试验区为例,说明采用正交数值试验法进行蒸汽吞吐转蒸汽驱参数优化设计的原理和方法。先导性试验区的油藏和流体参数为：油藏中部埋深1 000 m，油层平均有效厚度10 m，孔隙度30%，渗透率5 000×10－3μm2，50℃脱气油黏度2 700 mPa·s，原始含油饱和度60%。根据先导试验区的地质情况和开发系统条件，结合国内外注采参数研究状况以及现场实际经验，选择井底注汽温度、井底注汽干度、注汽速度、采注比、生产井井底流压、转驱时机（转蒸汽驱前蒸汽吞吐周期）6个注采参数的5个水平值进行研究，因素水平表如表1所示。6个参数中注汽速度与注汽干度相互影响，由于这两个因素的交互效应对产油量等评价指标影响不大[7]，所以，确定正交数值试验因素时暂时没有考虑交互作用因素。

1.3 数模模型的建立

针对热采数模的特点，选用了运算速度较快的CMG软件的STARS热采模型。在模型中横向上I方向和J方向的网格步长均为10 m，K方向步长为1 m。I方向和J方向划分网格数为41，纵向上K方向划分网格数为14，该模拟区块计算网格共计41×41× 14=23 534个。纵向上由三个岩性层组成。自上而下第1～2层模拟上覆盖层，第3～12层模拟油层，第13～14层模拟下伏盖层，水平井网格位于模型的第8层（图1）。

表1 因素和水平表Table 1Factors and corresponding levels

图1 注采井网与数模模型示意图（水平井位于模型第8层）Fig.1Sketch map of injection-production pattern and mathematical model

1.4 试验评价指标的选择

采出程度是衡量注蒸汽热采效果的技术指标，而油汽比则是衡量开发效果的直接经济指标，它反映了注入单位体积蒸汽产生的经济效益，是注蒸汽开采的主要经济控制因素。由于海上平台寿命有限，作业费用高等原因，海上稠油热采需要满足高速高效开发，要求具有一定的采油速度。因此，在选择蒸汽吞吐转蒸汽驱评价指标时，同时兼顾技术指标、经济指标和海上开发特点，同时考虑采出程度、累计油汽比、采油速度三项指标，保证最大经济效益下取得较高采出程度，较高采出程度下前期具有较高的采油速度。

在本次正交数值试验中，根据渤海热采先导试验区的实际情况，油井采用三级控制条件模拟：第一控制条件为定液生产，第二控制条件为定压差生产，第三控制条件为定井底流压生产。蒸汽吞吐1周期为1年。

由于在正交数值试验中，每种方案试验结果只用一个指标来表示，因此，需将采出程度、累计油汽比、采油速度三项指标表述成一个综合评价指标，表达式为:

式中：ψ为蒸汽吞吐转蒸汽驱开采效果综合评价指标；α、β、γ表示采出程度、累计油汽比和采油速度评价指标的权重，可分别取0.4、0.3和0.3；Re为采出程度评价指标；OSR为累计油汽比评价指标；PR为采油速度评价指标，实际分析中取前五年采出程度。综合评价指标越高，参数组合越优，蒸汽吞吐转蒸汽驱可取得最优的技术经济效益。

1.5 正交数值试验方案及模拟结果

试验包括6个因素，每个因素5个水平，正交数值试验采用L25(56)表设计。L25(56)中，L表示正交表，25表示这个正交表有25行，可安排25个试验，5表示每个因素都取5个水平，6表示正交表有6列，这样只需做25次模拟计算就能反映出总共56即15 625次计算所代表的规律。蒸汽吞吐转蒸汽驱注采参数正交数值试验方案如表2所示。取先导性试验区典型数据建立数值模型，分别对25个方案进行模拟计算，得到各方案的采出程度、累计油汽比、采油速度（本文用前5年采出程度代替）及综合评价指标，如表2所示。

2 试验结果分析

通过对正交数值试验方案结果进行统计分析，可确定参数对指标的影响趋势、主次顺序及显著程度。它能表明各因素间主次关系，还能表明谁单独起作用，谁与谁搭配起综合作用产生最优效果[8-9]。

2.1 极差分析法

根据正交数值试验设计的原理，最优的方案并不一定在正交表中的试验方案中产生，而需通过计算分析确定。用表示第j个因素第i水平对应的试验指标之和，则该因素第i水平的平均试验指标均值为:

式中：ri为第j个因素第i水平的试验次数。

各因素的水平均值的极差为:

表2 正交数值试验表设计及模拟计算结果Table 2 Orthogonal numerical test table design and analog calculation results

通过计算各注采参数不同水平的试验指标均值可得到每个注采参数的最优水平，再将各注采参数的最优水平组合，可得到该试验的最优注采参数组合方案。依照各注采参数均值的极差大小，可以对各注采参数的重要性进行排序；极差越大,说明该注采参数越重要，其直观分析表如表3所示。

2.1.1 最优参数组合

由直观分析表3可以知道每个注采参数的最优水平，将各注采参数的最优水平组合起来，即可得到最优注采参数组合方案。在该正交数值试验中,各参数所对应综合评价指标最高的相应水平分别为：井底注汽温度360℃,井底注汽干度40%、注汽速度200 m3/d、采注比1.4、生产井井底流压2.5 MPa、转蒸汽驱时机吞吐1周期。

2.1.2 因素主次顺序

由表3中的极差数值还可以评价各参数影响开发效果的主次顺序依次为:转驱时机＞采注比＞井底注汽温度＞井底注汽干度＞注汽速度＞生产井井底流压。值得注意的是，生产井井底流压控制了油井的排液能力，在保证泵的抽汲条件，确保油井具有足够的动液面前提下，油田现场一般都尽可能地降低井底流压，形成注采井间的压力梯度，一方面可获得较高的产能，同时也保证蒸汽前缘向前不断扩展。油藏转驱时机主要受温度条件、热连通情况和压力条件影响。为充分发挥水蒸汽的热物性优势，通常要求转驱时的油藏压力小于5 MPa，本文以吞吐周期作为转驱条件，数模模型在吞吐一周期后压力下降至5 MPa，故在第一周期即可满足转驱条件。

表3 直观分析表Table 3Intuitive analysis table

2.1.3 因素水平变化对评价指标的影响

各因素对综合评价指标的影响规律不同，注入温度和井底蒸汽干度越大，综合评价指标越高。这表明在条件允许的情况下，如果提高这两个参数值，可进一步提高综合评价指标，改善开发效果。采注比和生产井井底流压存在最优值，采注比为1.4时，生产井井底流压为2.5 MPa时综合评价指标越高。

2.2 方差分析法——因素影响程度

方差分析法是一种优于极差分析法的方法。极差分析法没有把因素水平的改变所引起的试验结果的波动与试验误差引起的试验结果的波动进行比较，也没有提供一个标准来判断因素的作用是否显著，方差分析法可克服这些不足。为研究各参数对蒸汽吞吐转蒸汽驱开采效果的影响程度，利用方差分析法对表2的正交数值试验结果进行研究，结果如表4所示。

表4 方差分析表Table 4Variance analysis table

检验水平α取值为0.05，查F分布表得λ=5.05，表明F＞0.5即为影响显著。由表4知，转蒸汽驱前蒸汽吞吐周期和采注比对评价指标的影响最为显著。

3 结论

1）采用正交数值试验可在较少方案基础上得到可靠的注采参数优化组合以及对各参数的影响显著性进行排序,为蒸汽吞吐转蒸汽驱注采参数的优化提供理论指导。

2）利用直观分析法和方差分析法对正交数值试验结果进行分析，注采参数影响开采效果的程度大小依次为：转驱时机＞采注比＞注汽温度＞井底注汽干度＞注汽速度＞生产井井底流压。因此，转驱时机是稠油油藏蒸汽吞吐后转蒸汽驱研究的重点内容。

3）采用正交数值试验法得到的最优参数结果与所选参数的位级有关，其实质是在给定的一系列参数的取值位级中选择最优组合。在确定各参数的位级取值时，应选取实际中可行的数据。

4）采出程度、采油速度和油汽比是评价蒸汽吞吐转蒸汽驱开采效果的重要技术和经济指标，三者加权得到的综合评价指标可科学表征蒸汽吞吐转蒸汽驱过程注采参数是否最优。三者权重的取值依赖于油田开发过程中的经济政策。

[1]刘文章.热采稠油油藏开发模式[M].北京：石油工业出版社，1998.

[2]高海红，程林松，叶兴树.稠油油藏蒸汽驱注采参数优化的正交数值试验[J].石油天然气学报，2009，31（2）：116-119.

[3]周润兰，喻胜华.应用概率统计[M].北京：科学出版社，1999.

[4]郝拉娣，于化东.正交试验设计表的使用分析[J].编辑：学报，2005，17（5）：334-335.

[5]高华.稠油油田蒸汽吞吐热采参数的正交设计[J].鞍山师范学院学报，2006，8（4）：1-8.

[6]吴翊，李永乐，胡庆军.应用数理统计[M].北京：国防科技大学出版社，2005.

[7]韩萍芳，祁高明，吕效.正交实验及量纲分析研究超声波原油破乳[J].化学工程，2004，32（1）：42-46.

[8]韩兴刚，徐文，刘海锋.“正交试验法”在油气田开发方案优化设计中的应用[J].天然气工业，2005，25（4）：116-118.

[9]吴晓东，张玉丰，刘彦辉.蒸汽吞吐井注汽工艺参数正交优化设计[J].石油钻探技术，2007，35（3）：1-4.

（编辑：杨友胜）

Orthogonal numerical experiment of parameter optimization of steam huff and puff turning to steam flooding in heavy oil reservoir

Liu Dong,Hu Tinghui,Zheng Hao,Xu Wenjuan,He Fen and Luo Yike
(Bohai Oilfield Exploration and Development Research Institute,Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452,China)

Steam huff and puff turning to steam flooding is the common thermal recovery method of heavy oil reservoir.The parame⁃ters such as steam injection temperature,steam quality in bottom hole,steam injection rate,production factor,bottom hole flowing pressure(BHFP)of production well,turning time of steam flooding may influence development effects.The conventional single fac⁃tor optimization design method has obvious faults to solve multiparameter problem.Based on typical data of heavy oilfield of Bohai, this paper established numerical model,adopted orthogonal design to determine the various parameter values,carried out numeri⁃cal test for scheme.Considering technical and economic factors,the cumulative oil and steam ratio and the degree of reserve recov⁃ery were defined as evaluation indexes of recovery effects.Intuitive analysis method was adopted to determine the optimal parame⁃ter combination.Using variance analysis method to get the influencing degree of parameters,their order is turning to time of steam flooding,production factor,steam injection temperature,steam quality in bottom hole,steam injection rate,BHFP of production well.The results of orthogonal numerical experiment can provide theoretical guidance for parameters optimization of steam huff and puff turning to steam flooding.

offshore heavy oil,steam huff and puff,steam flooding,orthogonal design,evaluation index

TE33

A

2014-08-14。

刘东（1986—），男，油藏工程师，硕士，现从事油田生产管理、稠油热采研究工作。