稠油水平井注蒸汽開采工藝優化對策

曹繼鋒

摘 要：稠油由于其在油層中的粘度很高，滲流阻力大，舉升難度大，常規開發產能低，含水上升速度快，動用程度低，最終采收率低，因而用常規開采方法難以實現經濟有效的開發。目前稠油開采的主要方法有冷采和熱采兩大類方法，冷采稠油方法包括：無砂冷采、出砂冷采、注煙道氣等方法。熱采稠油方法包括：蒸汽吞吐、蒸汽驅、熱水驅、火燒油層、蒸汽輔助重力泄油和電加熱等方法，而其中蒸汽吞吐是目前開采稠油最主要的技術。

關鍵詞：稠油；水平井；蒸汽；設計

水平井注蒸汽開采稠油可以提高油層吸氣能力，加速井筒到油藏之間的熱傳遞，提高波及系數，增加原油的流動能力，提高生產井的生產能力；同時水平井注蒸汽可以不用壓裂而將蒸汽大面積注入油藏，提高了注入蒸汽同稠油之間的接觸面積，從而提高了從井筒到低溫油藏的熱傳導效應。因此，在石油資源日益緊張的今天，在基于實際地質條件以及技術水平的基礎上，開發出適合應用的水平井蒸汽稠油開采的工藝技術，能有效的提高稠油開采率，從而提高經濟效益。

水平井注蒸汽開采方式包括水平井蒸汽吞吐、水平井蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油。水平井蒸汽的采油機理主要表現在降低原油粘度、原油重力泄油和流體驅替的相互結合，使原油被驅出或被攜帶出。蒸汽吞吐通常作為注蒸汽開采的第一階段，主要有兩個作用：一是降低原油粘度、增加原油流動能力，提高波及體積；二是使油層壓力下降，作為蒸汽驅及蒸汽輔助重力驅的預熱階段，可以使注采井之間形成熱聯通，為下一步驅替創造有利條件。

蒸汽吞吐主要依靠油層的天然能量將降粘的原油驅動到井底，當蒸汽吞吐達到一定程度，隨著油層壓力下降，油井產量下降、油氣比降低，要進一步提高原油采收率，則需要轉入蒸汽驅。針對不同原油粘度的油藏，注采井距需要優化來選擇經濟合理的井距。

水平井注蒸汽開采的注采工藝參數主要包括：注汽速度、周期注氣量、注汽干度、生產井排液速度、蒸汽吞吐轉汽驅時機、蒸汽驅結束油氣比等。這些參數可由油藏工程計算、數值模擬、類比等方法得出，并結合現場實際操作條件確定。隨著稠油開發和水平井技術的不斷發展，水平井以其射孔井段長，儲層動用程度大，能量利用率高等特點被廣泛運用于稠油開采領域。由于沿水平井段壓力變化，儲層滲透率差異以及在老區沿水平井段剩余油分布不均勻等原因導致了在稠油水平井注汽時水平井段橫向上吸汽不均勻蒸汽沿著更容易進入的地層突進 難以實現蒸汽的均勻注入，降低了注汽效果。因此，如何提高稠油水平井注汽效率，達到水平井開發稠油油藏應有的效果，是一項亟待解決的技術難題。

1.熱采水平井管柱優化設計

1.1 設計原理

常規的熱采水平井開發稠油工藝包括單管柱注汽工藝、雙管或同心管柱注汽工藝。單管注汽工藝水平段集中吸汽現象嚴重，高溫區域集中分布于注汽點附近，水平動用程度差，注汽效率很低。雙管或同心管柱注汽工藝實現了水平段跟端和趾端同時分別注汽，一定程度上提高了注汽效率，但是水平段中部的注汽效果依然不理想。以上的常規注汽工藝均存在因水平段壓力失衡而引起的蒸汽互竄，蒸汽沿著阻力小的儲層突進，水平段集中吸汽現象突出嚴重，影響了注汽的效率。

通過研究分析發現，注汽點是制約目前水平井注汽效率的關鍵因素，要解決水平井橫向上吸汽不均勻的問題，必須適當增加注汽管柱上注汽點的個數，并且每個注汽點間應進行有效地封隔，形成獨立的蒸汽壓力腔室，各腔室中蒸汽以相同的注汽量均衡地向儲層推進，徹底消除蒸汽互竄的影響，從根本上解決水平段橫向上吸汽不均勻的問題，提高注汽效率。

1.2 管柱結構優化設計

為了滿足水平段均勻注汽的要求，我們對熱采水平井完井管柱和注汽管柱進行了優化設計。

1） 完井管柱結構優化設計

為了有效防止水平段蒸汽互竄對蒸汽注入的影響，在常規完井管柱結構設計的基礎上，配套了抗高溫管外裸眼封隔器，封隔了裸眼與篩管之間的環空。該封隔器密封件選用了能夠滿足熱采井高溫要求的特殊密封材料，座封方式突破了常規水力坐封的限制，組裝方便操作簡單，性能可靠。

2） 注汽管柱結構優化設計

按照水平段均勻注汽的理念，根據儲層的條件適當地增加了注汽管柱注汽孔的個數，各個注汽孔之間配套了注汽封隔器，有效地封隔了注汽管柱和篩管之間的環空，抗高溫裸眼管外封隔器和注汽封隔器一一對應，最終在水平段上形成了一個個獨立的蒸汽腔室，為蒸汽的均勻注入奠定了基礎，其中抗高溫裸眼管外封隔器的個數與注汽封隔器的個數相適應。

通過對以上完井管柱和注汽管柱的結構進行優化，熱采水平井管柱結構設計蒸汽從注汽管柱均勻地分配到各個腔室中，在蒸汽腔室與儲層壓差的推動下均衡地向儲層遠端推進，實現了熱采水平井均勻注汽。

2 水平井非均質儲層蒸汽分配模型

2.1 基本原理

由于熱采水平井地層非均質的影響 通過注汽孔注入儲層的蒸汽往往是不均勻的，為了達到蒸汽均勻注入的目的，流經各個注汽孔的蒸汽量Q必須滿足以下條件：

Q1 =Q2 =…=Qn

式中：Q1 、Q2 、……Qn為各段注汽量。

由于儲層非均質性的影響，水平段橫向和縱向上滲透率的差異使得各個蒸汽腔室所影響到的遠端地層壓力可能會有所不同，甚至壓力差異很大，即屬于不同的壓力系統。

在注汽過程中，由于摩擦阻力的影響，沿水平段注汽管段上注汽壓力呈下降的趨勢，蒸汽通過注汽孔是一個節流降壓的過程，不同的注汽孔泄流面積會產生不同的壓力降，從而影響到各注汽孔之間的蒸汽分配。因此，必須對儲層條件、注汽過程壓力變化及注汽孔泄流面積進行綜合的計算分析，才能保證蒸汽均勻地注入儲層。

2.2 注汽孔前后壓力計算

蒸汽從蒸汽發生裝置進入井筒，沿水平段流動，再到最終注入儲層是一個壓力逐漸降低的過程，要使蒸汽能夠穩定地注入儲層，流經注汽孔后形成的孔后壓力一定要大于原始地層壓力，注汽孔孔后壓力與原始地層壓力之間的壓力差，后面簡稱為注汽壓差，是蒸汽能夠順利注入儲層的先決條件。在儲層條件一定的情況下，蒸汽注入量和注汽壓差呈正比關系因各段的蒸汽注入量都相等，因此可通過注汽壓差計算得到注汽孔孔后壓力。在蒸汽注入量一定的條件下，注汽孔孔前壓力與孔后壓力的壓差越大，注汽孔的等效泄流面積也就越小。因此，注汽孔等效泄流面積的確定必須與節流壓降聯系起來。