海上多層稠油蒸汽吞吐地層熱量利用率的影響規律研究

杜娟(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

蒸汽吞吐注熱過程中熱量的損失主要包括兩個方面，一方面是熱量在井筒的熱損失，另一方面是熱量進入地層后的熱損失[1]。對于多層稠油油藏，注熱過程中，蒸汽進入地層后，在平面上熱量通過儲層骨架間的熱傳導和儲層流體間的對流傳熱等方式傳熱，在縱向上熱量通過熱傳導的方式向頂底蓋層和層間隔層傳熱；生產過程中，有一部分熱量隨液量一同產出。因此，注入的熱量僅有一部分熱量用于加熱油層，此部分有效熱量占總注入熱量的比例為地層熱利用率。

由于當前行業內普遍采用的馬克斯-蘭根海姆法加熱理論形成的熱損失模型，其計算方法假設條件相對簡單，考慮環境單一，計算結果較為粗略不夠精細[2]，因此需要研究一種更為精細的稠油熱利用率計算方法為提高蒸汽吞吐地層熱利用率和稠油熱采開發效果提供理論基礎。

1 地層熱利用率定義

蒸汽吞吐是周期性向地層注入蒸汽，對于多層稠油油藏來說，在注入過程中，蒸汽不斷流向油層遠端，平面上由于熱對流和熱傳導，蒸汽攜帶的熱量逐步加熱遠端油層，地層可分為蒸汽區域、熱水區域以及未加熱區域。在縱向上，注入的熱量通過熱傳導不斷向頂底蓋層和隔層傳遞導致熱量損失。同時，在生產過程中，部分熱量隨液量一同產出，此部分熱量也為損失的無效熱量。因此，可以將用來加熱油層的有效熱量與注入總熱量的比值定義為地層熱利用率，來表征注熱熱量的有效利用程度，公式表示為：

式中：η為地層熱利用率(%)；Qi為注入總熱量；Qtp為向頂底蓋層損失的熱量；Qb為向隔層損失的熱量；Qp為生產階段產液攜帶而出的熱量。

為了精確表征注熱過程中油藏的蒸汽區域、熱水區域及未加熱區域真實的溫度變化，以及注熱過程中蒸汽超覆現象，更加精準的計算加熱半徑和熱損失，本文利用數值模擬技術開展熱利用率研究。

2 油藏模型的建立

本文以某海上油田多層稠油油藏為原型，建立油藏數值模擬模型開展蒸汽吞吐地層熱量利用率研究。根據主力井區地質油藏參數，利用CMG軟件建立多層稠油邊水油藏典型模型。模型為層狀邊水油藏，水體倍數5倍，無氣頂。模型網格數為61×21×24=30 744，平面網格步長20 m×20 m，縱向網格步長2.5 m。基礎模型平均滲透率2 000×10-3μm2，孔隙度0.3，垂向與水平滲透率比值kv/kh為0.1，凈毛比0.67。采取九點法井網，井距200 m，其中中心井2口；邊井5口，注入量及產量為中心井的1/2；角井2口，注入量及產量為中心井的1/4。

基礎模型注入參數如下：蒸汽吞吐，注入介質為蒸汽，注入溫度340 ℃，井底干度0.4，注入強度120 m3/m，注熱16天，燜井5天，生產340天。

3 地層熱利用率影響規律

針對影響多層稠油油藏開發效果的地質油藏參數以及儲層和流體的熱物性參數兩個方面，開展多層稠油油藏蒸汽吞吐地層熱利用率影響規律研究。

3.1 不同吞吐周期變化規律

不同吞吐周期熱量利用率和加熱半徑如圖1和圖2所示，隨著蒸汽吞吐輪次的增加，熱量利用率呈降低趨勢，從第1周期到第7周期，熱量利用率約從60%降低到38%，加熱半徑增加趨勢亦變緩，吞吐后期應及時考慮轉驅。同一個周期內，隨著生產時間的增加，地層熱利用率呈降低趨勢，應及時考慮轉下一輪次。損失的各部分熱量中，以隨液量產出的熱量為主，向隔層傳遞損失的熱量次之，向頂底蓋層損失的熱量最少，且產液攜帶而出的這部分熱量占比隨著吞吐輪次增加而增大，這是由于高吞吐輪次近井附近含水飽和度高，吸收的熱量多，隨液量采出的熱量占比大。

圖1 熱量利用率隨生產時間變化

圖2 不同吞吐輪次加熱半徑變化

3.2 地質油藏參數的影響

3.2.1 油層有效厚度影響

無論是常規開發還是熱采開發，油層厚度是保證油井充足產油量的基礎，對開發效果影響顯著。對于熱采開發而言，油層有效厚度還影響注入熱量的利用率[3]。在保持凈總厚度比等地質油藏參數和注入參數不變的情況下，不同油層厚度對地層熱利用率的影響如圖3所示，隨著油層厚度的增加，地層熱量利用率呈增加趨勢，厚度超過30～40 m后增加幅度變緩。較厚的油層豐度高，供油能力充足，能夠保證熱量充分利用，熱損失小，地層熱利用率高。對于海上平臺熱采，開發投資高，經濟開發難度大，對單井累產油量要求高，因此，單套層系需保證較大的油層有效厚度[4]，建議海上熱采定向井開發的油層厚度大于30～40 m。

圖3 油層厚度對熱量利用率的影響

3.2.2 凈總厚度比影響

在保持油層厚度等其他參數不變的前提下，不同凈總厚度比對熱量利用率的影響如圖4所示，凈總厚度比對地層有效熱利用率影響明顯，凈毛比0.8的地層熱利用率比凈毛比0.4的地層熱利用率提高19個百分點。隨著凈總厚度比的減小，注入熱量向隔層損失的占比增加，導致地層熱量利用率呈降低趨勢，進而引起加熱半徑和產油量降低。根據現場經驗和蒸汽吞吐技術篩選標準，凈總厚度比要大于0.4。因此，多層稠油注蒸汽開發需保證一定的凈總厚度比，建議凈總厚度比大于0.4。

圖4 凈總厚度比對地層熱利用率的影響

3.2.3 原油黏度影響

原油黏度是影響稠油蒸汽吞吐開發效果的關鍵參數[5]。在保持其他參數不變的條件下，不同原油黏度對地層熱利用率的影響如圖5所示，總體上原油黏度對地層熱利用率影響不明顯，吞吐前期地層熱利用率隨著原油黏度增大呈增大趨勢。主要原因是由于相同壓差條件下，不同原油黏度方案的產液量不同，導致隨液量攜帶而出的熱量占比差異(圖6)。原油黏度較大時，產液量低，隨液量攜帶而出的熱量少占比低，從而引起地層熱利用率稍高[6]。

圖5 原油黏度對地層熱利用率的影響

圖6 不同原油黏度隨液量攜帶而出的熱量占比

3.3 儲層和流體熱物性參數的影響

3.3.1 儲層導熱系數影響

儲層巖石的導熱系數是影響熱量傳遞快慢和加熱范圍大小的重要參數，直接影響熱采效果[7]。在保持其他參數不變的前提下，不同儲層巖石導熱系數對地層熱利用率和加熱半徑影響不同。經測算模擬顯示，巖石導熱系數對地層熱利用率影響不明顯，但對加熱半徑影響明顯，導熱系數較大，熱量擴散快，加熱半徑呈增大趨勢。

3.3.2 儲層熱容影響

儲層巖石體積熱容也是直接影響加熱范圍和熱采效果的重要參數[8]。在保持其他參數不變的前提下，隨著儲層巖石體積熱容的增加，地層熱利用率呈增大趨勢。儲層巖石體積熱容增加，單位體積巖石升高單位溫度需吸收的熱量增加，不利于溫度腔擴展，加熱半徑減小。

3.3.3 原油導熱系數影響

由于水的導熱系數變化不大，本文重點分析原油導熱系數對地層熱利用率和加熱半徑的影響。在保持其他參數不變的前提下，不同原油導熱系數對地層熱利用率和加熱半徑影響均不大。

4 結語

為精確計算多層稠油熱利用率，本文根據某海上油田地質油藏特征，建立多層稠油邊水油藏典型理論模型，利用數值模擬技術，開展地質油藏參數以及儲層和流體的熱物性參數對地層熱利用率的影響規律和對開發效果的影響研究，主要結論如下：

(1)隨著蒸汽吞吐輪次的增加，地層熱利用率降低(從60%至38%)，加熱半徑增加趨勢變緩，吞吐后期應及時轉驅。同一個周期內，隨著生產時間的增加，地層熱利用率呈降低趨勢，應及時轉下一輪次。

(2)隨著油層有效厚度的增加，地層熱利用率呈增加趨勢(從18.9%至37.9%)，厚度超過30～40 m后增加幅度變緩。對于海上平臺熱采，開發投資高，經濟開發難度大，建議海上熱采定向井單套層系油層厚度大于30～40 m。

(3)凈總厚度比對地層有效熱利用率影響明顯，凈毛比0.8的地層熱利用率比凈毛比0.4的地層熱利用率提高19個百分點，隨著凈總厚度比增加，加熱半徑和累產油量呈增大趨勢，根據現場經驗和蒸汽吞吐技術篩選標準，凈總厚度比要大于0.4。