重力泄水辅助蒸汽驱开采机理及油藏工程设计.pdf

大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 8 月 第 42 卷第 4 期Aug.，2023Vol.42 No.4DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202204039重力泄水辅助蒸汽驱开采机理及油藏工程设计李培武 曹峻博 张崇刚 李鑫 杨光璐 李迎环（中国石油辽河油田公司勘探开发研究院，辽宁 盘锦124010）摘要：针对辽河油田稠油区块蒸汽吞吐后期产量低、转换开发方式难度大的问题，按照“垂向泄水提高热效率、直平采液提高采注比、水平井注汽提干度、注采泄稳定控制扩波及”的技术思路，开展重力泄水辅助蒸汽驱油藏工程研究，进一步明确开采机理并明确了各阶段开发特征，并对油藏工程关键参数进行优化设计。研究表明：采用上下叠置水平井与直井组合的立体井网，实现了平面蒸汽驱替、垂向重力泄水的渗流模式；重力泄水辅助蒸汽驱立体井网可为蒸汽腔的形成创造良好的条件，有效缓解了深层、特-超稠油埋藏深、沿程热损失大造成的井底蒸汽干度低、注采不同平衡等系列矛盾；重力泄水辅助蒸汽驱可划分为直井、水平井井间热连通，重力泄水辅助蒸汽驱驱替阶段和蒸汽驱调整3个阶段；重力泄水辅助蒸汽驱现场试验取得较好的开发效果，预计汽驱结束采收率可达到58.6%，为深层-特深层稠油开发方式转换提供了新途径。研究成果为同类油藏进一步提高采收率提供了借鉴。关键词：重力泄水辅助蒸汽驱；深层稠油；水平井；注采参数中图分类号：TE345 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）04-0099-06Development mechanism of gravity waterdrainage assisted steam flooding and reservoir engineering designLI Peiwu，CAO Junbo，ZHANG Chonggang，LI Xin，YANG Guanglu，LI Yinghuan（E&D Research Institute of Petrochina Liaohe Oilfield Company，Panjin 124010，China）Abstract：In the light of problems of low production and much difficulty in development mode conversion at the late stage of CSS in heavy oil blocks of Liaohe Oilfield,on the basis of technical ideas of“improving thermal efficiency by vertical water drainage,increasing production-injection ratio by producing fluid from vertical wells and horizontal well,increasing injected-steam dryness with horizontal wells,and increasing swept volume by stably controlled injection-production-drainage”,reservoir engineering of gravity water-drainage assisted steam flooding is studied to further determine development mechanism and development characteristics of each stage,and key parameters of reservoir engineering are optimized.The results show that a flow pattern of areal steam flooding and vertical gravity drainage is realized by using 3D well pattern consisting of stacked horizontal wells and vertical wells.3D well pattern of gravity water-drainage assisted steam flooding provides favorable conditions for the formation of steam chamber,effectively mitigating a series of contradictions of low bottom hole steam dryness and injection-production imbalance caused by deep buried ultra-extra heavy oil with much heat loss along wellbore.Gravity drainage assisted steam flooding is divided into 3 stages:thermal connection between vertical wells and horizontal wells,displacement stage of gravity drainage assisted steam flooding stage and steam flooding adjustment stage.Field test of gravity drainage assisted steam flooding achieves good development results,with recovery factor at the end of steam flooding 收稿日期：2022-04-14 改回日期：2022-12-08基金项目：国家科技重大专项“辽河、新疆稠油/超稠油开发技术示范工程”（2016zx05055）。第一作者：李培武，男，1979年生，硕士，高级工程师，从事油气田开发研究。E-mail：2023 年大庆石油地质与开发expected to reach 58.6%,providing new way for conversion of deep to ultra-deep heavy oil reservoirs.The research provides reference for further improving recovery in similar reservoirs development.Key words：gravity water-drainage assisted steam flooding；deep heavy oil reservoir；horizontal well；injection production parameters0引言中国稠油资源丰富，大部分稠油区块目前已进入蒸汽吞吐开发中后期，周期产油量低、油汽比低、油层压力低，开发效果逐渐变差，现有蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油均属注蒸汽开发，受油藏埋深影响大，油藏埋藏越深，井底蒸汽干度越低，效果越差。受埋深限制，深层、特深层稠油油藏的开发工作仍然面临巨大挑战12。2009 年，辽河油田创新形成了重力泄水辅助蒸汽驱开发技术，该技术的出发点是通过一种特殊的立体井网将常规蒸汽驱技术与蒸汽辅助重力泄油技术有机结合在一起，从而实现提高采收率的目的34。周鹰5对稠油重力泄水辅助蒸汽驱蒸汽腔的控制和超覆特点进行了理论探索，初步描述了汽腔发育特点；孟珊等6对重力泄水辅助蒸汽驱开发过程中的油水分异影响因素进行了理论研究，明确的油水重力分异特征；冯翠菊等7对重力泄水辅助蒸汽驱开发中后期的压力、含油的分布特点进行了研究，认识蒸汽驱阶段压力的有效保持特点，上述研究针对具体区块开展了重力泄油辅助蒸汽驱井网优化设计811。本文利用数值模拟方法并结合现场试验，系统全面展示重力泄水辅助蒸汽驱各阶段蒸汽腔发育形态生产特征，从理论与实践2个方面进一步揭示了重力泄水辅助蒸汽驱开采机理，对影响重力泄水辅助蒸汽驱效果的关键参数进行优化设计，为同类油藏进一步提高采收率提供技术借鉴。1开采机理深 层 稠 油 方 式 转 换 主 要 面 临 4 大 开 发 难点1215：（1）油藏埋藏深，井底干度低；（2）汽腔体积小，驱油效率低；（3）油层压力低，压力保持率低于 20%；（4）采注比低，油井排液能力差。1.1技术定义重力泄水辅助蒸汽驱技术是针对蒸汽吞吐开发后期深层稠油油藏周期产量低、油汽比低、开发效果差等难题，常规蒸汽驱、SAGD 无法实现经济有效的开发，而通过立体井网设计（图 1），利用上水平井注汽、下水平井排液促进汽腔发育，实现提高深层稠油油藏采收率的目的的一项前沿技术。1.2开发机理1.2.1数值模拟模型建立应用 CMG 数值模拟软件中的 STARS 热采模块进行数值模拟研究。以重力泄水辅助蒸汽驱先导试验井组地质参数为基础数据，建立三维非均质热采模型。在实际井组历史拟合的基础上，利用拟合结果建立理想数值模拟模型。模拟区油层埋深1 500 m，油层平均有效厚度 57 m，50 地面原油黏度为 194 037 mPas，孔隙度为 24.5%，渗透率为 1 46210-3 m2。模型包括 10 口直井和 2 口水平井，其中上水平井为注汽井、下水平井为排水井，周围直井为生产井。转驱前模拟区蒸汽吞吐 9 轮，采 出 程 度 为 35.6%，计 算 截 止 条 件 是 油 汽 比为0.10。1.2.2开发阶段划分转入重力泄水辅助蒸汽驱开发后，典型井组生产曲线呈现出比较明显的阶段性（图 2）。根据井组日产液量、日产油量、综合含水率变化规律（图2）和温度场、含油饱和度场分布特点，将重力泄水辅助蒸汽驱划分为3个阶段。?图1重力泄水辅助蒸汽驱井网示意Fig.1 Schematic diagram of well pattern in gravity drainage assisted steam flooding100第 42 卷 第 4 期李培武 等：重力泄水辅助蒸汽驱开采机理及油藏工程设计第1阶段：注汽水平井与周围直井、排液水平井热连通阶段。蒸汽吞吐结束时，吞吐直井和水平井油层加热范围小，而在进入热连通之后，水平井段温度快速升高，注汽井上部蒸汽腔形成并逐渐上升，近井地带含油饱和度明显降低。井组产液量、产油量出现一定幅度波动，日产水量、含水率不断升高，井组油汽比不断升高。第2阶段：水平井注入蒸汽和直井形成平面驱替以及注汽水平井与排液水平井形成重力泄水阶段。平面上，注入蒸汽在油藏中形成蒸汽腔，在压差作用下，将加热原油从注汽井驱替至生产直井。水平井所在油层高温区域进一步扩大，蒸汽腔进一步向周围生产直井推进，蒸汽腔进一步扩大至水平井上部整个油层。上下水平井之间含油饱和度较第一阶段发生明显变化，低含油饱和度界限下移，油层动用更加充分，是重力泄水辅助蒸汽驱的重要开发阶段。第3阶段：注汽结束及注汽调整改善开发效果阶段。蒸汽腔上升至油层顶部之后开始向动用差的水平井两端未动用油层扩展，高温范围进一步扩大，在形成较长时间的蒸汽驱替后，汽腔扩展到达直井射孔井段后蒸汽突破。此阶段含油饱和度逐渐降低，井组日产油量降低、含水率不断升高，在瞬时油汽比低于0.10后汽驱阶段结束。1.2.3技术原理重力泄水辅助蒸汽驱按照“垂向泄水提高热效率、直平采液提高采注比、水平井注汽提干度、注采泄稳定控制扩波及”的技术思路，提高了蒸汽波及体积和采注比，保证了深层稠油油藏汽腔的形成与扩展。蒸汽先向上扩展，汽腔体积较小，冷凝水向油层下部渗流。当冷凝水流至下水平井时形成泄水通道，汽腔快速发育。蒸汽向上超覆、向直井复合扩展，汽腔扩展至直井蒸汽突破，驱替结束。该技术实现了井网形式由二维平面驱替向三维立体驱替转变，利用上叠置水平井注汽，有效提高蒸汽腔波及体积。下叠置水平井利用重力作用排液，为深层油藏汽腔快速形成创造有利条件。同时通过周边直井采油，提高井组采注比，保证了合理油藏压力，提高了汽腔的可控性。2油藏工程设计重力泄水辅助蒸汽驱的井网形式为采用上下叠置水平与周围直井有机组合，因此，在油藏工程设计重点是优化井距及注采参数。其中，井距的优化包括直井与直井的井距、水平井与直井的井距、叠置水平井的纵向井距等。2.1井距优化2.1.1直井与直井的距离直井间井距越小，井间动用程度越高，井组采出程度越高。对比直井间距离 50、70、100 m的开发效果，3种井距下井组的采出程度分别为26.1%、25.7%、25.5%，相差不大。但小井距下的部署的直井井数会明显增加，成本增加导致经济效益变差。由于蒸汽吞吐阶段直井加热半径为 3040 m，井间油层加热范围较大，因此直井间距离选择100 m较为合理。2.1.2水平井与直井的距离水平井与直井的距离越小，蒸汽腔形成时间越早，蒸汽腔的发育越均衡，驱动力的要求越小，井组的采出程度也越高。对比水平井与直井的距离50、70、100 m 的开发效果，水平井加热半径与直井相近，一般为 3035 m。且在原油黏度较高的情况下，水平井与直井的距离越大，需要的驱动能量越高，越易受到蒸汽超覆效应的影响，不利于水平方向的驱动。因此，水平井与直井的距离为50 m较为合理。2.1.3叠置水平井的纵向距离油藏内的原生水及注入蒸汽的冷凝水在重力及压力梯度场复合作用下顺势泄至下水平生产井是重力泄水辅助蒸汽驱开发的关键。注汽水平井与下部排液水平井的距离直接影响到重力泄水辅助蒸汽驱的经济效益。距离过大，注入蒸汽不能及时扩散形成汽腔，造成憋压，下部排液井需要时间长，泄水作用滞后，不利于形成稳定的井底压力；距离过图2重力泄水辅助蒸汽驱特征Fig.2 Characteristics of gravity drainage assisted steam flooding1012023 年大庆石油地质与开发小，注入蒸汽加热范围小，蒸汽冷凝后温度较高的热水甚至使蒸汽直接从下水平井直接排出，导致蒸汽热效率降低起不到蒸汽驱替的作用。对比叠置水平井间 5、10、15、20、25、30 m不同纵向的开发效果。当纵向距离为 5、10 m时蒸汽波及范围过早扩展到下水平井，有效生产时间短，阶段采出程度低；当纵向距离为 20 m 时，开采效果最好；纵向距离大于 25 m 后，下水平井局部泄水，蒸汽腔体积较小，生产效果变差，因此叠置水平井纵向距离确定为1520 m。2.2注采参数优化重力泄水辅助蒸汽驱能否成功取决于在油藏中能否形成稳定的蒸汽腔并有效扩展。注采参数优化包括井底蒸汽干度、注汽速度、采注比及直井射孔井段的优化设计。2.2.1井底蒸汽干度蒸汽干度是衡量注入蒸汽质量的重要标志，不仅关系到单位时间注入油层中的热量大小，而且关系到能否在油层中建立起不断向前推进的蒸汽带。蒸汽干度越高，注入蒸汽的冷凝水比例越低，潜热就越大。随着井底蒸汽干度的提高，重力泄水辅助蒸汽驱阶段的产量不断提高。当井底蒸汽干度由40%提高到 50%时，阶段产油量有较大幅度上升，因此建议井底蒸汽干度大于50%。2.2.2注汽速度不同的油层厚度和不同井距对应了不同的注汽速度，折算到单位油藏体积条件下的注汽速度应有一个最优值。在此注汽速度下，油层加热效率高，热损失较小，蒸汽超覆或蒸汽窜进程度低，蒸汽带体积大。匹配采液速度，可获得较好的油汽比、采油速度和采收率。模拟对比了油层厚度 40 m，注汽速度为 240、260、280、300和 320 t/d情况下的开发效果。随着注汽速度的增加，阶段产油量呈现先增后降的变化。当注汽速度为 280 t/d 时，阶段产油量最大，与根据成功经验推荐的注汽速度 260300 t/d一致。2.2.3采注比采注比是重力泄水辅助蒸汽驱阶段保证汽腔形成和扩展的重要参数，如果生产井实际排液能力过低，会造成井底持续积液，汽液界面不断上升影响汽腔发育；如果排液量过高，会造成汽液界面不断降低，注入蒸汽直接流入生产井井底，生产井直接产出蒸汽，也无法高效利用蒸汽。因此，合理的排液速度应该与蒸汽腔的泄油速度相匹配，使汽液界面相对稳定。模拟对比了采注比分别为 0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 情况下的开发效果，阶段采出程度随着采注比增加而增大，当采注比小于 1.1，阶段采出程度15%左右；采注比为 1.2，阶段采出程度高达25.2%，当采注比超过 1.2 后采出程度降低。分析主要是地层压力下降快，注汽井与生产井之间的压力梯度较大，蒸汽过早突破造成阶段生产时间变短造成的。因此，确定采注比为1.11.2。2.2.4生产直井射孔井段生产直井射孔井段对蒸汽腔的扩展和平面驱替有着重要影响。直井射孔井段过高，储量损失严重；射孔井段过低，蒸汽很容易向压力较低的水平井推进，造成汽窜，使蒸汽波及体积减小。模拟对比了直井对应注汽井上部油层、双水平井井间油层不同射孔比例的开发效果。直井对应注汽井上部油层以已经明显动用的油层为界向上避射，设计了射开水平井上部油层厚度 1/4、1/3、1/2、2/3、3/4和全部射开6种方案（图3），对应水平井井间油层全部射开。直井对应双水平井井间油层，设计了射开双水平井间油层厚度1/3、1/2、2/3和全部射开4种方案（图4）。生产直井对应注汽井上部已经明显动用的油层，以其为界向上避射，射开水平井上部油层1/3、双水平井井间油层厚度全部射开时，净产油量最多（图3、图4），整体开发效果最好。图3生产直井对应注汽水平井上部油层厚度射开程度对开发效果的影响Fig.3 Influence of vertical producers perforated thickness of reservoirs above steam-injected horizontal well on development effect102第 42 卷 第 4 期李培武 等：重力泄水辅助蒸汽驱开采机理及油藏工程设计3现场应用重力泄水辅助蒸汽驱技术目前已在辽河油田洼59块、洼38块、欢127块进行了现场试验。其中，洼 59 块部分试验井组完成了重力泄水辅助蒸汽驱整个试验过程，因此本文以洼 59 块为例介绍重力泄水辅助蒸汽驱现场应用效果。洼59块沙三段油藏埋深1 3751 565 m，平均孔隙度为 24.54%，平均渗透率为 1 462.610-3 m2，50 脱气原油黏度为194 037 mPas，为深层-特深层中厚层-厚层块状高孔、高渗超稠油油藏。该区块 1997 年采用蒸汽吞吐开发方式 100 m 井距正方形井网投入开发，2008 年开始进行了全面的水平井二次开发。经过多年的开发，油藏压力快速降低，继续提高吞吐采出程度有限。洼59块2009年10月开展重力泄水辅助蒸汽驱先导性试验，井组日产油量由初期的 25 t 上升到75 t，油汽比达 0.23，采注比达 1.1 以上，取得了显著的开发效果。目前区块共有试验井组6个，处于垂向泄水与平面驱替复合开发阶段（图 5），井组日注汽 557 t，日产油 183 t，截止到 2021 年 12月油汽比为0.33，重力泄水辅助蒸汽驱阶段采出程度 20.9%，吞吐+汽驱采出程度 58.6%，实现了深层超稠油开发方式转换，为超稠油油藏进一步提高采收率提供了新途径。4结论（1）重力泄水辅助蒸汽驱的开发机理为基于重力泄水和平面驱替复合的原理，利用上叠置水平井注汽，下叠置水平井重力排液，同时通过周边直井采油的立体设计，充分发挥蒸汽潜热，减少了热量损失，提高了井底蒸汽干度和蒸汽热利用率，降低图4生产直井对应双水平井井间油层厚度射开程度对开发效果的影响Fig.4 Influence of vertical producers perforated thickness of reservoirs between 2 horizontal wells on development effect02004006008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 20001002003004005002009-01 2010-01 2011-01 2012-01 2013-01 2014-01 2015-01 2016-01 2017-01 2018-01 2019-01 2020-01 2021-01?,/?/tt?/t?WH25WH31WH28WH26WH23 WH29?2021-12图5洼59块重力泄水辅助蒸汽驱开发效果Fig.5 Development effect of gravity water-drainage assisted steam flooding in Block Wa591032023 年大庆石油地质与开发了油藏压力，提高了注入蒸汽波及体积，实现了蒸汽腔的形成和扩展。（2）根据重力泄水辅助蒸汽驱开发特点可划分为3个开发阶段：注汽水平井与周围直井、排液水平井热连通阶段；水平井注入蒸汽和直井形成平面驱替以及注汽水平井与排液水平井形成重力泄水阶段；注汽结束及注汽调整改善开发效果阶段。（3）重力泄水辅助蒸汽驱油藏工程优化设计结果为：直井与直井井距 100 m，水平井与直井距离50 m，叠置水平井距离 1525 m，井底蒸汽干度大于 50%，注汽速度 260300 t/d，采注比 1.11.2，生产直井射孔井段为射开水平井上部油层厚度的1/3、双水平井井间油层厚度全部射开。参考文献：1 赵洪岩，葛明曦，张鸿.辽河油田超稠油蒸汽驱技术界限研究与应用J.特种油气藏，2022，29（2）：98-103.ZHAO Hongyan，GE Mingxi，ZHANG Hong.Research and application of steam flooding technical limit for super heavy oil in Liaohe Oilfield J.Special Oil&Gas Reservoirs，2022，29（2）：98-103.2 尚策.中深层稠油蒸汽驱开发阶段动态特征 J.特种油气藏，2021，28（1）：107-112.SHANG Ce.Dynamic characteristics of development with steam flooding of middle and deep heavy oil J.Special Oil&Gas Reserviors，2021，28（1）：107-112.3 任芳祥，周鹰，龚姚进，等.一种重力泄水辅助蒸汽驱提高深层超稠油油藏采收率方法：201110246578.1P.2011-08-25.REN Fangxiang，ZHOU Ying，GONG Yaojin，et al.A EOR method for improving recovery of deep super heavy oil reservoir by gravity drainage assisted steam flooding：201110246578.1 P.2011-08-25.4 孙洪军，王平，李培武，等.一种重力泄水辅助蒸汽驱井网结构：201120313234.3P.2011-08-25.SUN Hongjun，WANG Ping，LI Peiwu，et al.A well pattern structure of gravity drainage assisted steam drive：201120313234.3P.2011-08-25.5 周鹰.稠油重力泄水辅助蒸汽驱蒸汽超覆研究J.特种油气藏，2018，25（4）：99-120.ZHOU Ying.Study on steam overlay in gravity drainage assisted steam flooding for heavy oil development J.Special Oil&Gas Reservoirs，2018，25（4）：99-1206 孟珊，刘洋.重力泄水辅助蒸汽驱油水分异影响因素分析J.当代化工，2016，45（7）：1611-1613.MENG Shan，LIU Yang.Analysis on influence factors of oil-water differentiation in gravity drainage assisted steam drive J.Contemporary Chemical Industry，2016，45（7）：1611-1613.7 冯翠菊，王春生，王晓虎.重力泄水辅助蒸汽驱开发中后期油藏动用形态 J.数学的实践与认识，2019，49（19）：162-169.FENG Cuiju，WANG Chunsheng，WANG Xiaohu.Formation of reservoir in middle and late stage of gravity drainage assisted steam flooding development J.Mathematics in Practice and Theory，2019，49（19）：162-169.8 张锐.稠油热采技术M.北京：石油工业出版社，1999.ZHANG Rui.Heavy oil thermal recovery technology M.Beijing：Petroleum Industry Press，1999.9 刘文章.稠油油田由蒸汽吞吐转入蒸汽驱开采的技术策略J.石油钻采工艺，1991，13（4）：45-50.LIU Wenzhang.Technical countermeasures of conversion from CSS to steam flooding of heavy oil reservoir J.Oil Drilling&Production Technology，1991，13（4）：45-50.10 武毅.辽河油田高效开发 M.北京：石油工业出版社，2017.WU Yi.Efficient development of Liaohe Oilfield M.Beijing：Petroleum Industry Press，2017.11 刘文章.创建百年油田提高油田采收率技术之我见M.北京：石油工业出版社，2016.LIU Wenzhang.My opinion on the technology of enhancing oil recovery by establishing a century old oil field M.Beijing：Petroleum Industry Press，2016.12 任芳祥.辽河油区老油田二次开发探索与实践 J.特种油气藏，2007，14（6）：6-14.REN Fangxiang.Exploration and practice of secondary development in old oilfields of Liaohe oil province J.Special Oil&Gas Reservoirs，2007，14（6）：6-14.13 岳清山.稠油油藏注蒸汽开发技术M.北京：石油工业出版社，1998.YUE Qingshan.Steam injection development technology of heavy oil reservoirM.Beijing：Petroleum Industry Press，1998.14 赵帅，蒲万芬，冯天，等.超稠油低温氧化和裂解成焦实验J.特种油气藏，2022，29（3）：69-75.ZHAO Shuai，PU Wanfen，FENG Tian，et al.Experiments on Low-temperature Oxidation，Pyrolysis and Coking of Super-heavy Oil J.Special Oil&Gas Reservoirs，2022，29（3）：69-75.15 刘其成，闫红星，杨俊印，等.稠油油藏火驱取心井高温氧化区带识别方法J.特种油气藏，2022，29（3）：76-83.LIU Qicheng，YAN Hongxing，YANG 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