利用化学反应辅助SAGD 开采重油影响规律研究

李敬松，阮 迪，吴 青，黄子俊，宫汝祥，杨 浩，袁玉凤，高 杰

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300450；2.中国海洋石油集团有限公司，北京 100010）

重油是非常规原油的统称，包括重质油、高黏油、油砂、天然沥青、油页岩[1-3]。加拿大的整个油砂沥青储量高达1 969.8 亿桶，委内瑞拉则拥有世界第一、储量超过3 000 亿桶的超重油资源。加拿大油砂资源极为丰富，主要分布在阿萨巴斯卡、冷湖和匹斯河3 个区域，总资源量约4 000 亿吨[4]。重油资源丰富，具有巨大的开发价值。但由于自身的特性，其开采和炼制难度要远远大于常规原油，生产成本较高，采收率低，并且需要稀释剂稀释或加热才能通过管线进行运输，重油改质和满足环保要求都需要更多的投入和更先进的技术支持[5-9]。重油开采方法很多，包括露天开采、出砂冷采、注蒸汽、注溶剂开采等[10-12]。不同重油开采技术有不同的优缺点，露天开采仅限于50～75 m 的产层；重油出砂冷采采收率只能达到5%～15%，且不适用于高黏沥青和具有强烈边底水的油藏；蒸汽吞吐采收率只能达到15%～25%；SAGD 技术的实施需要消耗大量的水资源，并会造成一定的CO2排放。本文所基于的化学反应能放出大量热量，因此可以有效节约产生蒸汽的燃料用量，在节能的同时减少了CO2的排放量，可减缓温室效应。

1 数值模型的建立及效果对比

1.1 模型的建立

基于CMG 软件中的STARS 模块，以加拿大某油砂油藏参数为基础，建立模型大小49 m×300 m，厚度46 m 的SAGD 模型。SAGD 模型顶深为220 m，孔隙度为0.307，渗透率为6 292 mD，初始条件下原油黏度1 700 000 mPa·s，岩石的热传导率为1.5×105J/（m·d·℃），油、气、水的热传导率分别为2.0×104J/（m·d·℃），1.4×103J/（m·d·℃）和5.0×104J/（m·d·℃）。模型中考虑7 种组分：水、化学反应助剂、重油、C5+、C1～C4、CO、H2。油藏中包括的化学反应为：

模型中设置两口水平井，水平段长290 m，垂直方向上距离10 m，设定模型生产时间为10 年。在常规SAGD 模型中上部井为注气井下部为生产井。模型中先进行常规SAGD 开采4 个月再转为化学反应辅助SAGD 开采，上部井匀速注入CO 和H2混合气体。

1.2 效果对比

根据图1 和图2 可知，转为化学反应辅助SAGD开采后，采油速度得到了明显的提升，分析原因认为：（1）当化学反应发生后会释放出一定程度的热量，油层温度上升导致原油黏度下降；（2）反应会生成轻质油，溶于重油后会降低原油黏度，从而导致原油的流度增大。由于化学反应放出一定的热量，水蒸汽干度有所提高，增加了气窜风险，在生产4 年后发生了气窜，导致日产油快速下降。相较于常规SAGD 开采方式，利用化学反应可以获得较高的采油速度，在较短的时间内获得较高的原油产量，开采周期较短，能快速获得经济效益，减少开采风险。

图1 化学反应辅助SAGD 与常规SAGD 日产油量曲线Fig.1 The daily oil production curve between chemical reaction-assisted SAGD and conventional SAGD

图2 原油黏度对比图Fig.2 Comparison of crude oil viscosity

由化学反应产出物分布情况（见图3）可知：产出物在井筒附近生产，C1～C4等轻烃物质一部分被形成的高温水蒸汽携带至油层顶部，另一部分轻烃和C5+等重烃物质由于重力作用向下移动，从生产井产出。

图3 化学反应产出烃类物质分布图Fig.3 Distribution of hydrocarbons produced by chemical reactions

由化学反应辅助SAGD 与常规SAGD 开采的采出程度可知（见图4），生产10 年后，常规SAGD 采出程度为41%，化学反应辅助SAGD 为48%，较常规SAGD采出程度提高7%。

图4 化学反应辅助SAGD 与常规SAGD 开采的采出程度曲线Fig.4 The recovery curve of chemical reaction-assisted SAGD and conventional SAGD mining

由以上分析可知：化学反应会放出大量的热，其放出热量的同时反应产物对重油有抽提、溶解、剥离等作用，可以使得重油黏度显著降低、流动性增加，因此提高采收率幅度更大。并且可以有效节约原来产生蒸汽的燃料用量，如瓦斯、天然气等，在节能的同时减小了CO2的排放量，减小温室效应显著。

2 化学反应辅助SAGD 开发效果影响因素分析

在化学反应中，化学反应效率是影响整个化学反应进行的关键因素，为了研究化学反应辅助SAGD 开发过程中各因素对采出程度的影响，从油藏地质因素、流体因素和化学反应效率三方面考虑，进行参数影响规律研究，并进行敏感性分析。

2.1 单因素分析

2.1.1 地质因素（见图5）

图5 地质因素与累计产油量关系曲线Fig.5 The relationship between geological factors and cumulative oil production

渗透率：设计模型渗透率分别为500 mD，1 500 mD，3 000 mD，5 000 mD，6 000 mD，10 000 mD。由模拟结果可知，渗透率越大，油层流动系数越大，累计产油量逐渐增高，但增幅量逐渐减小。

净总比：设计净总比分别为0.5，0.7，0.9，1。由模拟结果可知，净总比越低，累计产油量越低。因为净总比越低，油层纵向上非均质性越强，蒸汽的热损失越强，气窜风险也越大，开发效果越差。

垂水比：选取Kh/Kv分别为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9。由结果分析可知，随着Kh/Kv的增大，开采效果逐渐增大后趋于平稳。因为Kh/Kv超过0.5 后，化学反应形成的蒸汽腔快速到达油层顶部，延长了蒸汽腔顶部向油藏盖层损失时间，造成热能的损失，并且蒸汽腔在水平方向上的扩展速度变慢，加热效果和加热半径都变小，导致开采效果变差。

岩石热容：设计岩石热容为1×106J/（kg·K），1.5×106J/（kg·K），2×106J/（kg·K），2.5×106J/（kg·K），结果表明：岩石热容越大，累计产油量越高。因为热容越大，当化学反应释放的热量相同时，岩石吸收的热焓值越高，流体降黏率越大，开发效果越好。

岩石热传导系数：设计岩石热传导系数分别为1×105W/（m·K），1.5×105W/（m·K），2×105W/（m·K），2.5×105W/（m·K）。结果表明：岩石热传导系数越大，累计产油量越高。因为岩石热传导系数越大，单位时间内通过岩石的热量越多，流体被加热的越快，蒸汽腔波及范围越广，采出程度越高。

2.1.2 流体因素 原油黏度：选取不同油藏的实际黏温曲线，通过数学方法换算到20 ℃时对应的黏度，分别约为：10 000 mPa·s，20 000 mPa·s，30 000 mPa·s，40 000 mPa·s，50 000 mPa·s，模拟结果表明（见图6）：原油黏度越高，开发效果越差。因为原油黏度越高，流动性越差，所以累计产油量与原油黏度成负相关关系。

图6 原油黏度与累计产油量关系曲线Fig.6 The relationship between crude oil viscosity and cumulative oil production

2.1.3 化学反应效率 化学反应效率：使用不同性能的催化剂，结果表明（见图7），化学反应效率越高，累计产油量越高。因为化学效率越高，在相同的温度下反应越完全，释放的热量越多，原油黏度降低比越大，开发效果越好。

图7 化学反应效率与累计产油量关系曲线Fig.7 The relationship between chemical reaction efficiency and cumulative oil production

3 多因素分析

3.1 实验方案的确立及模拟结果

前面已经通过数值模拟软件分析了各个因素对化学反应辅助SAGD 开采重油效果的影响，本部分综合考虑水体大小，渗透率、净总比、垂水比、岩石热容、岩石热传导系数、原油黏度、化学反应效率7 个因素，通过正交实验设计和灰色关联法分析得出各因素在影响水平井产能时的主次顺序和显著程度。在本次实验研究中以单井累计产油量为考察指标。因素和水平（见表1）。本次实验一共是7 因素，4 水平（见表2）。

表1 正交实验设计因素和水平示意表Tab.1 Schematic table of design factors and levels of orthogonal experiments

表2 各方案模拟结果统计表Tab.2 Statistical table of simulation results of each scheme

3.2 各因素影响程度分析

3.2.1 确定参考序列和比较序列 灰色关联法首先要指定参考序列[13]。以每个方案的单井累产油为参考序列记为X0（t），记第一个为x0（1），第二个为x0（2），…，第n 个为x0（n）。所以，参考序列可以表示为X0（t）={x0（1），x0（2），…，x0（n）}。然后再以每个影响因素为比较序列，分别记为X1（t），X2（t），…，Xi（t），类似参考序列X0（t）的表示方法，有X1（t）={x1（1），x1（2），…，x1（n）}，…，Xi（t）={xi（1），xi（2），…，xi（n）}，i=1，2，…，m。

3.2.2 计算灰色关联系数

根据式（1），结合均值化无量纲数据，可以得到各数据的绝对差值。其中ξ0i（t）是关联系数；ρ 是分辨系数，一般取值为0.5。

3.2.3 求关联度

根据式（2），可以求得各参数的关联度（见表3）。由分析结果可知：对于化学反应辅助SAGD 开采重油，开发效果影响程度由强到弱依次为：净总比，垂水比，化学反应效率，原油黏度，渗透率，岩石热容，岩石热传导系数。

4 结论

（1）通过数值模拟方法研究不同参数对化学辅助SAGD 开采重油的影响规律，结果表明：渗透率、净总比、垂水比、岩石热容、岩石热传导系数、化学反应效率与开采效果正相关，原油黏度与开发效果负相关。

（2）根据正交设计和灰色关联分析法可知，影响因素对开采效果的影响程度由较强到较弱依次为：净总比，垂水比，化学反应效率，原油黏度，渗透率，岩石热容，岩石热传导系数。

（3）本文研究实现了化学反应辅助SAGD 开采重油产能因素分析，一定程度丰富了化学反应辅助SAGD 开采重油的模拟理论，该项技术可减少CO2的排放量，有利于减缓温室效应。

表3 因素影响程度排序Tab.3 The ranking of the degree of influence of the factors