海上多层稠油蒸汽吞吐地层热量利用率的影响规律研究

杜娟(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

蒸汽吞吐注热过程中热量的损失主要包括两个方面，一方面是热量在井筒的热损失，另一方面是热量进入地层后的热损失[1]。对于多层稠油油藏，注热过程中，蒸汽进入地层后，在平面上热量通过储层骨架间的热传导和储层流体间的对流传热等方式传热，在纵向上热量通过热传导的方式向顶底盖层和层间隔层传热；生产过程中，有一部分热量随液量一同产出。因此，注入的热量仅有一部分热量用于加热油层，此部分有效热量占总注入热量的比例为地层热利用率。

由于当前行业内普遍采用的马克斯-兰根海姆法加热理论形成的热损失模型，其计算方法假设条件相对简单，考虑环境单一，计算结果较为粗略不够精细[2]，因此需要研究一种更为精细的稠油热利用率计算方法为提高蒸汽吞吐地层热利用率和稠油热采开发效果提供理论基础。

1 地层热利用率定义

蒸汽吞吐是周期性向地层注入蒸汽，对于多层稠油油藏来说，在注入过程中，蒸汽不断流向油层远端，平面上由于热对流和热传导，蒸汽携带的热量逐步加热远端油层，地层可分为蒸汽区域、热水区域以及未加热区域。在纵向上，注入的热量通过热传导不断向顶底盖层和隔层传递导致热量损失。同时，在生产过程中，部分热量随液量一同产出，此部分热量也为损失的无效热量。因此，可以将用来加热油层的有效热量与注入总热量的比值定义为地层热利用率，来表征注热热量的有效利用程度，公式表示为：

式中：η为地层热利用率(%)；Qi为注入总热量；Qtp为向顶底盖层损失的热量；Qb为向隔层损失的热量；Qp为生产阶段产液携带而出的热量。

为了精确表征注热过程中油藏的蒸汽区域、热水区域及未加热区域真实的温度变化，以及注热过程中蒸汽超覆现象，更加精准的计算加热半径和热损失，本文利用数值模拟技术开展热利用率研究。

2 油藏模型的建立

本文以某海上油田多层稠油油藏为原型，建立油藏数值模拟模型开展蒸汽吞吐地层热量利用率研究。根据主力井区地质油藏参数，利用CMG软件建立多层稠油边水油藏典型模型。模型为层状边水油藏，水体倍数5倍，无气顶。模型网格数为61×21×24=30 744，平面网格步长20 m×20 m，纵向网格步长2.5 m。基础模型平均渗透率2 000×10-3μm2，孔隙度0.3，垂向与水平渗透率比值kv/kh为0.1，净毛比0.67。采取九点法井网，井距200 m，其中中心井2口；边井5口，注入量及产量为中心井的1/2；角井2口，注入量及产量为中心井的1/4。

基础模型注入参数如下：蒸汽吞吐，注入介质为蒸汽，注入温度340 ℃，井底干度0.4，注入强度120 m3/m，注热16天，焖井5天，生产340天。

3 地层热利用率影响规律

针对影响多层稠油油藏开发效果的地质油藏参数以及储层和流体的热物性参数两个方面，开展多层稠油油藏蒸汽吞吐地层热利用率影响规律研究。

3.1 不同吞吐周期变化规律

不同吞吐周期热量利用率和加热半径如图1和图2所示，随着蒸汽吞吐轮次的增加，热量利用率呈降低趋势，从第1周期到第7周期，热量利用率约从60%降低到38%，加热半径增加趋势亦变缓，吞吐后期应及时考虑转驱。同一个周期内，随着生产时间的增加，地层热利用率呈降低趋势，应及时考虑转下一轮次。损失的各部分热量中，以随液量产出的热量为主，向隔层传递损失的热量次之，向顶底盖层损失的热量最少，且产液携带而出的这部分热量占比随着吞吐轮次增加而增大，这是由于高吞吐轮次近井附近含水饱和度高，吸收的热量多，随液量采出的热量占比大。

图1 热量利用率随生产时间变化

图2 不同吞吐轮次加热半径变化

3.2 地质油藏参数的影响

3.2.1 油层有效厚度影响

无论是常规开发还是热采开发，油层厚度是保证油井充足产油量的基础，对开发效果影响显著。对于热采开发而言，油层有效厚度还影响注入热量的利用率[3]。在保持净总厚度比等地质油藏参数和注入参数不变的情况下，不同油层厚度对地层热利用率的影响如图3所示，随着油层厚度的增加，地层热量利用率呈增加趋势，厚度超过30～40 m后增加幅度变缓。较厚的油层丰度高，供油能力充足，能够保证热量充分利用，热损失小，地层热利用率高。对于海上平台热采，开发投资高，经济开发难度大，对单井累产油量要求高，因此，单套层系需保证较大的油层有效厚度[4]，建议海上热采定向井开发的油层厚度大于30～40 m。

图3 油层厚度对热量利用率的影响

3.2.2 净总厚度比影响

在保持油层厚度等其他参数不变的前提下，不同净总厚度比对热量利用率的影响如图4所示，净总厚度比对地层有效热利用率影响明显，净毛比0.8的地层热利用率比净毛比0.4的地层热利用率提高19个百分点。随着净总厚度比的减小，注入热量向隔层损失的占比增加，导致地层热量利用率呈降低趋势，进而引起加热半径和产油量降低。根据现场经验和蒸汽吞吐技术筛选标准，净总厚度比要大于0.4。因此，多层稠油注蒸汽开发需保证一定的净总厚度比，建议净总厚度比大于0.4。

图4 净总厚度比对地层热利用率的影响

3.2.3 原油黏度影响

原油黏度是影响稠油蒸汽吞吐开发效果的关键参数[5]。在保持其他参数不变的条件下，不同原油黏度对地层热利用率的影响如图5所示，总体上原油黏度对地层热利用率影响不明显，吞吐前期地层热利用率随着原油黏度增大呈增大趋势。主要原因是由于相同压差条件下，不同原油黏度方案的产液量不同，导致随液量携带而出的热量占比差异(图6)。原油黏度较大时，产液量低，随液量携带而出的热量少占比低，从而引起地层热利用率稍高[6]。

图5 原油黏度对地层热利用率的影响

图6 不同原油黏度随液量携带而出的热量占比

3.3 储层和流体热物性参数的影响

3.3.1 储层导热系数影响

储层岩石的导热系数是影响热量传递快慢和加热范围大小的重要参数，直接影响热采效果[7]。在保持其他参数不变的前提下，不同储层岩石导热系数对地层热利用率和加热半径影响不同。经测算模拟显示，岩石导热系数对地层热利用率影响不明显，但对加热半径影响明显，导热系数较大，热量扩散快，加热半径呈增大趋势。

3.3.2 储层热容影响

储层岩石体积热容也是直接影响加热范围和热采效果的重要参数[8]。在保持其他参数不变的前提下，随着储层岩石体积热容的增加，地层热利用率呈增大趋势。储层岩石体积热容增加，单位体积岩石升高单位温度需吸收的热量增加，不利于温度腔扩展，加热半径减小。

3.3.3 原油导热系数影响

由于水的导热系数变化不大，本文重点分析原油导热系数对地层热利用率和加热半径的影响。在保持其他参数不变的前提下，不同原油导热系数对地层热利用率和加热半径影响均不大。

4 结语

为精确计算多层稠油热利用率，本文根据某海上油田地质油藏特征，建立多层稠油边水油藏典型理论模型，利用数值模拟技术，开展地质油藏参数以及储层和流体的热物性参数对地层热利用率的影响规律和对开发效果的影响研究，主要结论如下：

(1)随着蒸汽吞吐轮次的增加，地层热利用率降低(从60%至38%)，加热半径增加趋势变缓，吞吐后期应及时转驱。同一个周期内，随着生产时间的增加，地层热利用率呈降低趋势，应及时转下一轮次。

(2)随着油层有效厚度的增加，地层热利用率呈增加趋势(从18.9%至37.9%)，厚度超过30～40 m后增加幅度变缓。对于海上平台热采，开发投资高，经济开发难度大，建议海上热采定向井单套层系油层厚度大于30～40 m。

(3)净总厚度比对地层有效热利用率影响明显，净毛比0.8的地层热利用率比净毛比0.4的地层热利用率提高19个百分点，随着净总厚度比增加，加热半径和累产油量呈增大趋势，根据现场经验和蒸汽吞吐技术筛选标准，净总厚度比要大于0.4。