過熱蒸汽吞吐水平井產能評價模型

孫逢瑞，黃世軍，鄒 明

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

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過熱蒸汽吞吐水平井產能評價模型

孫逢瑞，黃世軍，鄒 明

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

以稠油油藏為研究對象，針對水平井過熱蒸汽吞吐產能預測問題，通過引入過熱蒸汽狀態方程，結合擬穩態產能公式，建立了完整的產能預測模型。研究了定液條件下，加熱區壓力、產能變化規律和不同注汽參數對采出程度的影響。研究表明，定液生產初期加熱區壓力迅速下降，產能基本不變；生產后期壓力下降緩慢，產能迅速下降。注汽參數優化表明，采出程度隨過熱度增加，先迅速增加后緩慢增加；隨周期注汽量增加，先迅速增加后緩慢下降。該模型對過熱蒸汽吞吐水平井的注汽參數選取及產能預測具有重要意義。

稠油熱采；過熱蒸汽吞吐；產能評價；水平井；KMK油田

0 引 言

隨著稠油開采技術的發展，過熱蒸汽吞吐已在一些礦場試驗中應用并取得明顯效果[1-3]。過熱蒸汽是指特定壓力下蒸汽溫度高于飽和溫度的水蒸汽，由于過熱蒸汽干度為1，完全呈氣態，具有一定的過熱度，因此，流體密度和熱焓的計算方法均有別于常規飽和蒸汽。國內外學者對飽和蒸汽吞吐相關技術進行了大量研究[4-15]，而過熱蒸汽開發技術相對滯后[16]。引入過熱蒸汽狀態方程，利用能量平衡方程推導出加熱半徑計算公式，結合擬穩態產能公式，建立了完整的過熱蒸汽吞吐水平井產能模型。對加熱區內壓力、產能隨時間變化規律進行了研究，并針對KM473井的核心注汽參數進行了優化。

1 水平井過熱蒸汽吞吐加熱體模型的建立

1.1 模型基本假設

假設油層為無限大；忽略過熱蒸汽沿水平段壓力和溫度的損失；燜井結束后，過熱蒸汽全部冷凝為熱水，加熱區內溫度為熱水溫度，加熱區外溫度為油藏原始溫度；忽略水平段跟、趾端“半球狀”加熱體；冷區稠油不流動；加熱區流動符合擬穩態滲流。

1.2 加熱半徑計算模型

當油層無限大時，過熱蒸汽攜帶的熱量全部用來加熱油層，根據能量守恒定律：

(1)

(2)

h=2052.4358+2.7758(Tsh-273.15)-

(3)

式中：I為注汽速度，m3/h；ρ為過熱蒸汽密度，kg/m3；h為過熱蒸汽熱焓，kJ/kg；Mr為油層體積熱容量，kJ/(m3·℃)；Ah為加熱面積，m2；t為注汽時間，h；L為水平段長度，m；Tsh為過熱蒸汽溫度，℃；Ti為油藏原始溫度，℃；p為過熱蒸汽壓力，MPa。

(4)

式中：rh為加熱區半徑，m；tp為周期注汽時間，h。

(5)

1.3 水平井過熱蒸汽吞吐產能模型

在時間微元Δt內，加熱區內流動規律服從擬穩態滲流：

(6)

式中：qo為為產油速度，m3/h；pa為生產過程中加熱區平均壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；μo為原油黏度，mPa·s；rw為井筒半徑，m；K為滲透率，μm2。

生產過程中，加熱區內熱能一部分隨產液帶出，一部分通過頂底層不斷損失[17]。利用能量平衡方程可以描述這一過程，推導得到加熱區平均溫度Ta為：

(7)

生產過程中，隨著流體產出，地層壓力不斷下降，由體積平衡原理，加熱區壓力為：

(8)

式中：Nw、No為累計產水量和累計產油量，m3。

2 模型驗證

2.1 與生產動態數據對比

哈薩克斯坦KMK油田KM473井基本參數如表1、2所示，相滲曲線如圖1所示。

表1 不同地層溫度下稠油黏度

表2 基本地質參數、流體參數和注汽參數

基于表1、2和圖1，根據式(1)～(5)，得到加熱半徑和燜井結束時地層平均壓力分別為13.1 m和3.8 MPa，使用CMG軟件得到的結果為13.2 m和3.7 MPa，加熱半徑結果與CMG結果相對誤差為0.8%，平均壓力相對誤差為2.6%，證明加熱半徑模型計算結果可靠。

基于加熱半徑計算結果，定液生產制度下，計算壓力和產能隨時間變化規律。由壓力計算結果與數模結果對比(圖2)可知，二者的平均相對誤差為1.2%，表明了壓力公式的可靠性。由產能計算結果與數模結果對比(圖3)可知，計算值平均相對誤差小于1.8%。由于受井間干擾、伴熱等影響，KM473井生產時出現了短期產能波動，但周期內產能變化趨勢與計算結果一致。由于采用定液生產，生產初期地層壓力不斷下降，壓力波由井筒向外傳播，此時初期壓力下降迅速，產量基本不變；生產后期，壓力波傳播到熱區邊界，井底流壓降至最小值，產量開始下降，而此時地層平均壓力下降緩慢。

圖1 油水相滲曲線

圖2 第1周期加熱區壓力隨時間變化規律

圖3 產能計算值與KM473井生產動態對比

2.2 與已發表產能公式對比

定液生產制度下，將該產能模型計算結果與文獻[14]、[15]中普通蒸汽吞吐產能模型計算結果進行對比，結果如圖4所示。由圖4可知，基于過熱蒸汽特點建立的產能模型計算結果與數模結果最吻合，更能反映過熱蒸汽真實作用效果。

3 注汽參數優化

3.1 過熱度

保持KM473井其他注汽參數不變，改變過熱度，以周期采出程度為衡量指標，產能模型計算結果如圖5所示。由圖5可知，過熱蒸汽與飽和蒸汽相比，能明顯提高采出程度，但過高的過熱度對采出程度影響較小。實際上，過高的過熱度還會提高對鍋爐、輸汽管線等的要求，生產成本也升高，因此，針對KM473井，過熱度在30 ℃為宜。

圖4 不同計算方法得到的月產油量隨時間變化

圖5 周期采出程度隨過熱度變化關系

3.2 周期注汽量

保持其他注汽參數不變，改變周期注汽量，產能模型計算結果如圖6所示。由圖6可知，周期注汽量小于2 000 t時，采出程度隨周期注汽量增加而迅速增加；周期注汽量大于2 000 t時，采出程度隨周期注汽量增加不變甚至降低。這是因為注汽量較小時油層加熱程度差并且壓力較低，周期注汽量增加能明顯改善加熱效果并提升加熱區壓力；而周期注汽量過大時，注汽時間過長，影響正常生產，并造成近井含水飽和度上升，熱能利用率下降等問題。針對KM473井，最佳周期注汽量為2 000 t。

圖6 周期采出程度隨周期注汽量變化關系

4 結 論

(1) 基于過熱蒸汽狀態方程推導出加熱區半徑計算公式，結合擬穩態產能公式推導出完整的過熱蒸汽吞吐水平井產能預測模型。針對KM473井的計算結果表明：生產初期，加熱區壓力下降迅速，產能基本穩定；生產后期，壓力下降緩慢，產能迅速下降。模型計算結果與數模結果吻合較好。

(2) 過熱度和周期注氣量的改變對采出程度具有一定的影響。隨著過熱度增加，采出程度先迅速增加后緩慢增加，KM473井的過熱度以30℃為宜；隨著周期注汽量增加，采出程度先迅速增加后增加緩慢甚至下降，KM473井的最佳周期注汽量為2 000 t。

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編輯 劉 巍

20151114；改回日期：20160328

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”(2011ZX05012-004)

孫逢瑞(1990-)，男，2013年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現為中國石油大學(北京)油氣田開發工程專業在讀碩士研究生，主要從事熱力采油方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.029

TE357

A

1006-6535(2016)03-0122-04