振荡式注汽速度对蒸汽驱开发效果的影响

倪红梅 ，刘永建 ，李盼池

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室， 黑龙江 大庆 163318；2.东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318)



振荡式注汽速度对蒸汽驱开发效果的影响

倪红梅1,2，刘永建1，李盼池2

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室， 黑龙江 大庆 163318；2.东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318)

针对蒸汽驱恒定式注汽速度驱油效果差的现状，提出了整个蒸汽驱过程中采用振荡式注汽速度的驱油方式，具体分为振幅变化恒定的振荡式注汽速度和振幅变化随机的振荡式注汽速度两种情况开展研究。为了确定每个振荡周期最优的注汽速度，依据质量守恒和能量守恒原理，以蒸汽驱累积油汽比为评价目标，建立注汽速度评价模型，并且引入粒子群优化算法，优选出每个周期最优的振荡式注汽速度。为了评价振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响，以辽河油田齐40块为例进行了试算。结果表明,振荡式注汽速度优于恒定式注汽速度，可提高累积油汽比23.50%。振幅变化随机的振荡式注汽速度优于振幅变化恒定的振荡式注汽速度，可提高累积油汽比8.98%。

振荡式；注汽速度；粒子群优化算法;蒸汽驱；提高采收率

蒸汽驱是稠油开采的重要方式。当油藏地质条件一定时，蒸汽驱开采效果受到注采参数的直接影响。国内外学者对注采参数影响蒸汽驱开采效果进行了大量的分析和研究[1-5]，其中注汽速度是影响蒸汽驱开采效果的关键因素，较好地确定这个参数可以提高采收率并且能有效延长生产井寿命。目前，蒸汽驱注采方案中注汽速度参数的确定主要是由蒸汽驱专家根据自己多年积累的丰富经验和大量数值模拟计算而设计出来的[6-7]，所需资料多，运算时间长，并且手工优化工作量非常庞大，而且一般采用恒定式注汽速度，效果不是太好。

在蒸汽驱过程中，注入蒸汽携带的热能可以大幅度降低原油粘度，蒸汽中大量、连续补充的汽化潜热使得形成的蒸汽带不断扩展，驱替原油至生产井采出。如果采用恒定式注汽速度，一旦形成了蒸汽驱动的路径，以后注入的蒸汽将遵循相同的路径，这将会削减驱油的能力。如果采用振荡式注汽速度，油藏内的流体将有一个能量释放和平衡的过程，形成不同的蒸汽驱动路径，这将提高采收率，取得较好的经济效果。针对这种情况，本文提出在整个蒸汽驱过程中采用振荡式注汽速度，具体分为振幅变化恒定的振荡式注汽速度和振幅变化随机的振荡式注汽速度。

粒子群优化(PSO)算法是一种新兴的群智能算法。它是美国电气工程师Eberhart和社会心理学家Kenndy基于鸟群觅食行为提出的一种并行优化算法[8]，以其实现简单、参数设置少、高效搜索等优点被广泛地应用于解决大量非线性、不可微的各类复杂工程优化问题的求解[9-11]。

本文为了确定每个振荡周期最优的注汽速度，依据质量守恒和能量守恒原理[12-14]，以蒸汽驱累积油汽比为评价目标，建立注汽速度评价模型，并且引入PSO算法，优选出每个周期最优的振荡式注汽速度。为了评价振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响，以辽河油田齐40块为例，进行了试算，结果表明振荡式注汽速度优于恒定式注汽速度，振幅变化随机的注汽速度优于振幅变化恒定的注汽速度。

1　注汽速度评价模型

由于蒸汽驱开采的目标是获得较高的累积油汽比，提高经济效益。因此，依据质量守恒和能量守恒原理[12-14]，以蒸汽驱累积油汽比为评价目标，建立注汽速度评价模型。

本文所建立模型需要满足以下假设条件：①油藏经过几个蒸汽吞吐周期后，油层厚度大于10 m，地层压力小于5 MPa；②驱替过程是均质油藏中的一维流动过程；③油藏中的流体分为4个区，即蒸汽区、热流体区、原油富集区和原始油藏区，它们各自向前推进，且不存在过渡区，当某一区不存在时，其顺序不会改变；④油藏流体和岩石是不可压缩的，且在流动过程中不发生化学反应；⑤蒸汽区中仅存在不流动油和蒸汽(水)；⑥油藏上、下盖层性质相同，且只在垂向上有热损失。

(1)

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2　PSO算法

在PSO算法[8]中，将搜索空间中的每个粒子看作解空间的一个解。每个粒子在飞行过程所经历过的最好位置，就是粒子本身找到的最优解。整个种群所经历过的最好位置，就是整个种群目前找到的最优解。前者叫做个体极值(PBest)，后者叫做全局极值(GBest)。在每次迭代中，粒子通过动态跟踪这两个极值来更新其速度和位置，具体更新公式如下：

(8)

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3　振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响

为了分析振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响，依据上文建立的注汽速度评价模型，以辽河油田齐40块某稠油油藏区的蒸汽驱注汽速度为例进行分析。表1给出了辽河油田齐40块油藏的基础数据。假设连续注入蒸汽66个月，振荡周期为3个月，蒸汽干度为0.75，注汽压力为3 MPa。下面分为振幅变化恒定的振荡式注汽速度和振幅变化随机的振荡式注汽速度两种情况，具体情况如图1所示，分析振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响。

表1　辽河油田齐40块油藏基础数据

图1　基于不同振荡方式的注汽速度示意图Fig.1　Schematic diagram of steam injection rates based on different oscillation modesa.从高向低振荡; b.从低向高振荡; c.随机振荡

3.1振幅变化恒定的振荡式注汽速度

振幅变化恒定的振荡式注汽速度指的是蒸汽驱的注汽速度变化是恒定的，每个振荡周期振幅变化是一个常量。图1a和图1b给出了这种情况注汽速度随振荡周期的变化情况示意图。下面分为以下3种情况，分析振荡式注汽速度对蒸汽驱效果的影响。

1) 相同初始注汽速度、不同振幅变化对蒸汽驱开采效果的影响

设定初始注汽速度为500 bbl/d，从注汽速度从高向低振荡和从低向高振荡两个方面，分析不同振幅变化对蒸汽驱开采效果的影响(表2)。可以看出，在初始注汽速度一定的情况下，随着振幅变化的增加，即注汽速度振荡幅度变大，累积油汽比也随着增大，但随着振幅变化的继续增加，这些指标开始减小。振幅变化为70 bbl/d时，累积油汽比值增加的最大，开发效果最好。

2) 不同初始注汽速度、相同振幅变化对蒸汽驱开采效果的影响

设定振荡式注汽速度的振幅变化为70 bbl/d，从注汽速度从高向低振荡和从低向高振荡两个方面，分析不同初始注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响(表3)。可以看出，在振荡式注汽速度振幅变化一定的情况下，随着初始注汽速度的增加，累积油汽比也随着增大,但随着初始注汽速度的继续增加，这些指标开始减小。初始注汽速度为560 bbl/d时，累积油汽比值增加的最大，开发效果最好。

3) 应用PSO算法优化初始注汽速度和振幅变化

从表2和表3可以看出，针对衡量蒸汽驱开采效果好坏的累积油汽比来说，振荡式注汽速度优于恒定式注汽速度，不同的初始注汽速度和不同的振幅变化都将影响着蒸汽驱开采效果。因此，针对振幅变化恒定的振荡式注汽速度来说，确定最优的初始注汽速度和振幅变化，可以最大限度的提高累积油汽比，提高经济效益。

PSO算法可以引导整个粒子群向全局最优方向移动，寻找到全局最优值，并且具有实现容易，设置参数少，收敛速度快等优点。因此，本文引入了PSO算法，以注汽速度评价模型中的最大累积油汽比为优化目标，对初始注汽速度和每个周期的振幅变化量这两个参数进行优化。由于本文建立的注汽速度评价模型是一个每月注汽速度和累积油汽比的映射函数，因此需要把初始注汽速度和每个振荡周期振幅变化量这两个参数映射成一组注汽速度，即每个月的注汽速度。

表2　不同振幅变化对蒸汽驱开采效果的影响

表3　不同初始注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响

图2　PSO算法优化振荡式注汽速度流程Fig.2　Optimization flow chart of oscillatory steam injection rate with PSO algorithm

假设辽河油田齐40块某稠油油藏区连续注入蒸汽66个月，振荡周期为3个月，初始注汽速度为v和每个周期振幅变化量为a，则得到的每个振荡周期的注汽速度为(v,v+a,v,v+a,…,v,v+a)。由于每个振荡周期是3个月，也就是每个振荡周期的注汽速度需要连续注入3个月，则映射得到的每月注汽速度为[v1,v2,v3,(v+a)4,(v+a)5,(v+a)6,…,(v+a)66]。

这里优化的变量是初始注汽速度和每个振荡周期振幅变化量，则PSO算法中的粒子维数设置为2，以注汽速度评价模型为适应值计算函数，以蒸汽驱最大累积油汽比为优化目标。算法具体流程如图2所示。

根据PSO算法，用Matlab语言编制了蒸汽驱振荡式注汽速度优化程序，并以辽河油田齐40块某稠油油藏区的蒸汽驱注汽速度优化为例进行了试算。

PSO算法的初始化参数确定如下：粒子种群规模N=100；粒子维数L=2，第1维代表初始注汽速度值，第2维代表每个振荡周期振幅变化量；惯性权值ω=0.729 8；学习因子c1=c2=1.496 18；最大迭代次数Itermax=200。优化结果为初始注汽速度为836 bbl/d；每个周期振幅变化量为90 bbl/d；累积油汽比为0.176 0；累积产油量为256 343.6 bbl。

依据PSO算法思想和注汽速度评价模型，利用PSO算法智能优化蒸汽驱中的振荡式注汽速度，试算结果表明此方法可行，且效果较好。

3.2振幅变化随机的振荡式注汽速度

针对这种情况，蒸汽驱的每个振荡周期注汽速度变化是随机的。图1c给出了这种情况的示意图。

为了确定每个周期的最优注汽速度，依然采用PSO算法，以注汽速度评价模型中的最大累积油汽比为优化目标，对每个振荡周期的注汽速度进行优化。

由于本文假设辽河油田齐40块连续注入蒸汽66个月，振荡周期是3个月，则振荡的周期数是66/3，即22，得到的每个振荡周期的注汽速度为(v1,v2,v3,…,v22)，则映射得到的每月注汽速度为[(v1)1,(v1)2,(v1)3,(v2)4,(v2)5,(v2)6,…,(v22)64,(v22)65,(v22)66]。PSO算法中的粒子维数设置为22，每一维代表每一个振荡周期的注汽速度。PSO算法的其余初始化参数的设置与上面相同。最后优化的每个周期的注汽速度如图3所示，累积油汽比为0.191 8，累积产油量为269 025.3 bbl。

由图3可以看出，前4个周期和后4个周期的振幅变化都是0，即注汽速度是恒定的，没有发生振荡。因此，在实际应用中振荡式注汽速度不一定发生在整个蒸汽驱过程中，可能只在局部需要进行振荡。

3.3振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响

为了比较振荡式注汽速度与恒定式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响程度，下面以累积油汽比和累积产油量为衡量标准，分别绘制了它们的对比曲线图，如图4所示。

图3　连续注入22个周期的注汽速度优化方案Fig.3　Optimization scheme of steam injection rate for continuous 22 injection cycles

图4　不同优化方法对比Fig.4　Comparison of different optimization methodsa.不同优化方法累积油汽比对比;b.不同优化方法累积产油量对比

由图4可以看出，辽河油田齐40块某稠油油藏区连续注入蒸汽66个月后，分别使用恒定式注汽速度、基于PSO算法的振幅变化恒定的振荡式注汽速度、基于PSO算法的振幅变化随机的振荡式注汽速度3种方法，得到的累积油汽比分别是0.155 3,0.176 0,0.191 8，所得到的累积产油量分别是238 278.0,256 343.6,269 025.3 bbl。基于PSO算法的振幅变化随机的振荡式注汽速度优化方法与恒定式注汽速度方法相比，累积油汽比增加了23.50%，累积产油量增加了12.90%。基于PSO算法的振幅变化恒定的振荡式注汽速度优化方法与恒定式注汽速度方法相比，累积油气比增加了13.33%，累积产油量增加了7.58%。基于PSO算法的振幅变化随机的振荡式注汽速度优化方法与基于PSO算法的振幅变化恒定的振荡式注汽速度优化方法相比，累积油气比增加了8.98%，累积产油量增加了4.95%。因此，振荡式注汽速度与恒定式注汽速度相比，提高了累积油汽比和累积产油量，其中振幅变化随机的振荡式注汽速度提高的累积油汽比和累积产油量程度较大。

通过试算可以看出，基于PSO算法的振幅变化随机的振荡式注汽速度得到的累积油汽比和累积产油量都有很大程度增加，并且66月后，累积油汽比仍大于0.15，可以继续生产。说明引入PSO算法确定蒸汽驱振荡式注汽速度优化方案可以有效地提高油田的经济效益。

4　结论

1) 本文以辽河油田齐40块为例，研究了振荡式注汽速度对蒸汽驱开采效果的影响。结果表明，振荡式注汽速度优于恒定式注汽速度，振幅变化随机的振荡式注汽速度优于振幅变化恒定的振荡式注汽速度。振荡式注汽速度不一定发生在整个蒸汽驱过程中，在实际应用中可能只在局部需要进行振荡。

2) 注汽速度评价模型是一个解析模型，体现了注汽速度和累积油汽比之间的非线性关系，引入PSO算法，可以有效地求解每个振荡周期的最优注汽速度，实现快捷准确对蒸汽驱振荡式注汽速度动态优化和方案调整，指导蒸汽驱高效运行。

3) 基于PSO算法的振荡式注汽速度优化方法编制了相应的软件，并应用该软件对辽河油田齐40块进行了优化。从优化结果可以看出，该振幅变化随机的振荡式注汽速度可以提高累积油汽比和累积产油量，达到最大限度的提高采收率，提高经济效益，具有一定的应用价值。

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(编辑张玉银)

Influence of oscillatory steam injection rate on performance of steam flooding

Ni Hongmei1,2，Liu Yongjian1，Li Panchi2

(1.StateKeyLaboratoryofEnhancedOil&GasRecoveryofMinistryofEducation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China;2.SchoolofComputerandInformationTechnology,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China)

Aiming at the poor oil displacement efficiency of steam flooding with a constant steam injection rate，oscillatory steam injection rate is put forward for the whole process of steam flooding.The oscillatory steam injection rate can be divided into two types.One is constant amplitude change type and the other is random amplitude change type.In order to determine the optimal steam injection rate for each cycle,a steam injection rate evaluation model with cumulative oil steam ratio as the target of appraisal is built based on the principles of mass conservation and energy conservation.Particle swarm optimization algorithm is used to optimize the optimal oscillatory steam injection rate for each cycle.Qi-40 Block in Liaohe oilfield was taken as case to evaluate the influences of oscillatory steam injection rate on the performance of steam flooding.Results show that the oil displacement efficiency of the oscillatory steam injection rate is better than that of the constant steam injection rate,and the cumulative oil steam ratio can be increased by 23.50%.In addition,the oscillatory steam injection rate with random amplitude change is better than that with constant amplitude change,and the cumulative oil steam ratio of the former is 8.98% higher than that of the latter.

oscillatory,steam injection rate,particle swarm optimization algorithm，steam f looding,enhancement of oil recovery

2015-09-26;

2015-12-22。

倪红梅(1975—)，女，博士研究生、副教授，提高油气采收率原理与技术。E-mail:nhm257@163.com。

简介：刘永建(1955—)，男，教授、博士生导师，提高油气采收率原理与技术。E-mail:liuyongjian186@163.com。

国家科技重大专项(2011ZX05012-003)；国家自然科学基金项目(61170132)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12521058)。

0253-9985(2016)03-0433-06

10.11743/ogg20160317

TE357

A