厚層稠油油藏火驅(qū)射孔層段優(yōu)化探討

張方禮

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火燒油層又稱火驅(qū)采油技術(shù)，簡稱“火驅(qū)”，是稠油蒸汽吞吐后提高采收率的主體技術(shù)，可進一步劃分為常規(guī)火驅(qū)和重力火驅(qū)(重力火驅(qū)國外稱THAI火驅(qū))，目前均已經(jīng)在遼河油田開展了先導(dǎo)試驗，取得了較好的開采效果。遼河油田稠油油藏埋藏較深，非均質(zhì)性較強，且經(jīng)歷了長期的蒸汽吞吐開采，油藏壓力降至原始地層壓力的20%～30%。多年的蒸汽吞吐開采使得儲層非均質(zhì)性加劇，火驅(qū)驅(qū)替規(guī)律和火線波及狀況更加復(fù)雜，特別是已經(jīng)開展的厚層常規(guī)火驅(qū)火線超覆嚴(yán)重，厚層重力火驅(qū)火線波及不均勻的問題較為突出。在厚層火驅(qū)油藏方案設(shè)計過程中，如何通過注采井射孔層段的優(yōu)化，減緩火線超覆，提高火線波及體積是目前急需解決的關(guān)鍵問題。

1 不同厚度油層火驅(qū)火線波及規(guī)律

1.1 縱向上火線波及規(guī)律

通過建立“直井－直井”火驅(qū)二維物理模型，模擬了油層厚度20、60 m常規(guī)火驅(qū)縱向火線波及特征。研究認(rèn)為，隨著縱向上油層厚度的增加，火線超覆趨于明顯，燃燒前緣為狹窄區(qū)域，隨著燃燒時間的推進，火線超覆作用加劇。若注采層段不進行調(diào)整，油層厚度為20 m油層常規(guī)火驅(qū)開采效果較好，階段采出程度為64.7%，油層厚度為60 m油藏常規(guī)火驅(qū)階段采出程度僅為21.4%，開采效果較差。

G塊油層有效厚度為70 m，以行列火驅(qū)方式進行先導(dǎo)試驗。其注氣井實際吸氣剖面及測溫曲線分析結(jié)果表明，注氣井上部油層吸氣比例為67.5%，下部油層僅為32.5%，且隨著火驅(qū)時間的延長，下部油層吸氣比例逐漸降低。注采井間典型觀察井G1井溫剖面顯示，火驅(qū)層段(1600～1700 m)中，僅1620～1640 m處油層溫度較高(圖1)。G2井溫度剖面顯示，僅1600～1630 m處油層溫度超過300℃，且隨著火驅(qū)時間的延長，高溫油層厚度逐漸減薄，表明火線超覆逐漸加劇(圖2)。G塊油層垂向燃燒率僅為0.10～0.50，縱向動用程度較差。

圖1 G1井井溫測試曲線

圖2 G2井溫度測試曲線

通過建立“直井－水平井”火驅(qū)二維物理模型，模擬了厚層超稠油油藏重力火驅(qū)的火線波及規(guī)律。當(dāng)注氣井位于油層頂部時，形成火線后，可形成較好的重力泄油且以斜面為主，與理想重力火驅(qū)波及規(guī)律一致。當(dāng)注氣井位于油層中部時，同一監(jiān)測溫度點溫度變化曲線呈雙峰和多峰，即厚層油藏重力火驅(qū)出現(xiàn)了“二次燃燒”現(xiàn)象。分析認(rèn)為，由于重力火驅(qū)油層較厚，當(dāng)注氣井射孔位置在油層中部時，隨著燃燒腔的形成，縱向上頂部和側(cè)向加熱的原油在重力作用下流至下部已燃區(qū)，在高溫和氧氣的作用下發(fā)生“二次燃燒”，監(jiān)測點溫度曲線出現(xiàn)多峰現(xiàn)象(圖3)。此時，燃燒消耗更多的原油，采收率較大幅度降低。因此，在重力火驅(qū)過程中，應(yīng)設(shè)計最佳的重力火驅(qū)層段，既能夠減少二次燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，也能夠與下部水平井建立有效的熱連通，實現(xiàn)理想的重力火驅(qū)。

圖3 厚層重力火驅(qū)G32點溫度監(jiān)測曲線

1.2 平面上火線波及規(guī)律

二維常規(guī)火驅(qū)物理模擬實驗研究認(rèn)為，平面上火線優(yōu)先向邊井推進，通過調(diào)控生產(chǎn)井產(chǎn)出參數(shù)可以調(diào)整火線推進方向，提高波及體積。在實際厚層常規(guī)火驅(qū)中，數(shù)值模擬及監(jiān)測資料表明，平面上火線優(yōu)先向地層壓力低、滲透率高、井距小的區(qū)域波及。由數(shù)值模擬溫度場圖可知(圖4)，平面上火驅(qū)優(yōu)先向下傾方向，且平面上動用不均勻;從典型受效井分布來看，井距小的井優(yōu)先波及。因此，優(yōu)化注氣井、生產(chǎn)井射孔層段對改善火驅(qū)開發(fā)效果十分重要。

圖4 數(shù)值模擬溫度場

2 厚層行列火驅(qū)射孔優(yōu)化

2.1 物理模擬優(yōu)化火驅(qū)射孔層段

在上述二維常規(guī)火驅(qū)物理模擬過程中，初期注氣井與生產(chǎn)井同時射開，注氣井射開油層下部1/2，生產(chǎn)井油層全部射開。隨著火驅(qū)時間的推進，火線超覆作用逐漸加劇，130 min時模型將生產(chǎn)井射孔層段從生產(chǎn)井全井射開調(diào)整為射開油層下部1/2，火線超覆作用逐漸減弱(圖5)，生產(chǎn)井牽引火線作用明顯，火驅(qū)采收率最終可達60%(圖6)，與油層厚度20 m的油藏火驅(qū)開采水平相當(dāng)。

圖5 物理模擬生產(chǎn)井段調(diào)整前后溫度場

圖6 油層厚度60m采出程度曲線

2.2 數(shù)值模擬研究厚層火驅(qū)射孔層段

2.2.1 注氣井射孔位置研究

為研究注氣井射孔位置對厚層火驅(qū)(60～70 m)開發(fā)效果的影響，應(yīng)用數(shù)值模擬研究了注氣井射孔位置分別為上部1/3、中部1/3、下部1/3時的火驅(qū)開發(fā)效果。研究結(jié)果表明，隨著注氣井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(表1)。當(dāng)注氣井射開上部，由于火線超覆作用，僅在油層上部燃燒，縱向燃燒率低，火驅(qū)開發(fā)年限為6.1 a，階段采出程度僅為18.09%。當(dāng)注氣井射開下部，利用火線超覆作用，縱向動用程度得到進一步提高，階段采出程度可達48.89%，推薦最優(yōu)的注氣井射孔位置為下部1/3。

表1 不同注氣井射孔位置開發(fā)效果

2.2.2 注氣井射孔厚度研究

當(dāng)確定注氣井射孔位置為下部時，對注氣井射開厚度進行優(yōu)選。分別計算了注氣井射開油層下部1/6、1/3、1/2、2/3時的火驅(qū)開發(fā)效果。研究結(jié)果表明，注氣井自下而上射孔時，隨著注氣井射孔厚度的增大，為保證燃燒狀態(tài)，注氣速度相應(yīng)提高，注氣速度的增大在一定程度上提高了采油速度，但卻造成氣體過早突破，從而縮短生產(chǎn)時間，采出程度隨之降低。當(dāng)注氣井射孔厚度由1/3油層厚度增加到1/2油層厚度時，采出程度迅速降低，采油速度增加幅度變小。因此，優(yōu)選注氣井射孔厚度為射開油層下部厚度的1/3(表2)。

表2 不同注氣井射開厚度比例開發(fā)效果

2.2.3 生產(chǎn)井射孔位置研究

當(dāng)注氣井射開油層下部1/3時，對生產(chǎn)井的射孔位置進行了優(yōu)選。計算了生產(chǎn)井射孔位置分別為上部1/3、中部1/3、下部1/3時的火驅(qū)開發(fā)效果。研究結(jié)果表明，隨著生產(chǎn)井射孔位置的下移，采出程度增加，采油速度增加(圖7)。當(dāng)生產(chǎn)井射開上部時，由于重力分異作用，被驅(qū)替原油聚集在油層底部，一部分原油不會被采出，采收率低;當(dāng)生產(chǎn)井射開下部時，利用重力分異作用，能夠沉降在油層底部的原油采出，且一定程度上抑制了火線超覆，提高了采收率。因此，優(yōu)選生產(chǎn)井射孔位置為下部。

圖7 生產(chǎn)井不同射孔位置生產(chǎn)效果

2.2.4 生產(chǎn)井射孔厚度研究

當(dāng)確定生產(chǎn)井射孔位置為下部時，對生產(chǎn)井的射開厚度進行優(yōu)選。分別計算了生產(chǎn)井射開油層下部1/6、1/3、1/2、2/3時的火驅(qū)開發(fā)效果。研究結(jié)果表明，隨著生產(chǎn)井自下而上射開厚度的增加，采出程度增加，采油速度增加。當(dāng)射開厚度大于油層厚度1/2時，增加幅度變小。油井射開厚度過大會增加氣竄風(fēng)險，而且不利于火驅(qū)后期調(diào)整制訂措施，因此推薦生產(chǎn)井射開厚度為油層厚度的1/2(圖8)。

2.2.5 面積火驅(qū)生產(chǎn)井射孔厚度研究

厚層油藏面積火驅(qū)過程與常規(guī)行列火驅(qū)優(yōu)化方式一致，但生產(chǎn)井需分別對邊井和角井進行對應(yīng)射孔。面積井網(wǎng)邊井射孔層段與行列井網(wǎng)一致，對應(yīng)射開油層下部1/3，射開對應(yīng)油層厚度1/2。但對于角井而言，距離注氣井較遠，推薦對應(yīng)射開油層下部1/3，且對應(yīng)油層全部射開，此時可保證火線向邊井與角井均勻推進。但當(dāng)生產(chǎn)井距離注氣井不同距離時，應(yīng)有相應(yīng)的射孔厚度，此種射孔方式在今后文章中加以探討。

圖8 不同生產(chǎn)井射孔厚度生產(chǎn)效果

3 厚層重力火驅(qū)射孔優(yōu)化

3.1 注氣井射孔位置研究

由二維重力火驅(qū)物理模擬結(jié)果可知，當(dāng)直井射孔位置偏下時，上部及側(cè)向原油依靠重力作用流至已燃區(qū)，發(fā)生“二次燃燒”現(xiàn)象，影響火驅(qū)效果，因此射孔位置應(yīng)盡量偏上。但此時，注氣井與水平井距離增加，注采井間難以建立有效的熱連通，可導(dǎo)致重力火驅(qū)失敗。S1塊為厚層塊狀超稠油油藏，油層厚度為40 m，原油黏度為60000 mPa·s，開展注氣層段的優(yōu)化研究，設(shè)計4種注氣井射孔方式，即全井段射孔、上部射孔、中部射孔以及下部射孔。研究結(jié)果顯示:注氣直井中部射孔的方式，采出程度最高，且通過前期蒸汽吞吐預(yù)熱，與水平井建立了有效的泄油通道，開采效果最好 (圖9)。此分析與重力火驅(qū)物理模擬研究的射孔位于油層中部發(fā)生“二次燃燒”觀點略有差異，認(rèn)為由于該塊重力火驅(qū)前直井進行了蒸汽吞吐預(yù)熱，油層上部原油得到動用，注入空氣后火線可在油層上部形成燃燒帶，排氣井的設(shè)立使火線均勻向前推進，因而效果較好。當(dāng)然，該觀點仍需進一步研究論證。

圖9 注氣井射孔方式優(yōu)化結(jié)果

綜上建議，當(dāng)油層較厚且為原始油層狀態(tài)時，在與生產(chǎn)井可建立有效熱連通的前提下，應(yīng)盡量避免油層中部射孔。

3.2 注氣井射孔厚度的研究

完成射孔層段優(yōu)化設(shè)計后，開展了重力火驅(qū)射孔厚度研究，對比了射開厚度占油層厚度比例為1/3、1/2和2/3的3種開采效果。研究表明，直井射開厚度為油層厚度1/2的情況下，注采井泄油通道較為穩(wěn)定，且火線前緣穩(wěn)定向前推進，此時火驅(qū)階段采出程度最高(圖10)。

圖10 注氣階段注氣井射孔厚度優(yōu)化結(jié)果

3.3 排氣井射孔位置研究

室內(nèi)物理模擬研究過程中發(fā)現(xiàn)，厚層油藏重力火驅(qū)過程中，若不設(shè)置排氣井，火線前緣推進緩慢，且火線極易竄進至生產(chǎn)井，且泄油面與水平井夾角呈銳角，開發(fā)效果較差。因此有必要在現(xiàn)場試驗中設(shè)計排氣井，用來牽引火線擴大火驅(qū)波及體積。共設(shè)計3種排氣井射孔方式，即上部射孔、中部射孔和下部射孔。研究表明，當(dāng)排氣井下部射孔時，可以有效的牽引火線下移，促使火線在縱向上均衡擴展，進一步擴大火驅(qū)波及體積 (圖11)。

圖11 排氣井不同射孔位置溫度場分布圖

另外，在重力火驅(qū)過程中，排氣井與水平井的縱向距離尤為關(guān)鍵，分別模擬了排氣井射孔底界距離水平井0、2、4、6、8 m 5種情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)排氣井射孔底界距水平井較近時，火線被牽引距水平井過近，易造成井筒高溫損壞，而當(dāng)距離水平井較遠時，縱向上火線向上偏移，因此確定排氣井射孔底界距離水平井6 m較為合適(圖12)。

圖12 排氣井射孔底界距離水平井不同位置溫度場

4 結(jié)論及建議

(1)厚層油藏火驅(qū)縱向上火線超覆嚴(yán)重，平面上火線前緣推進差異較大，必須通過注采井的射孔層段優(yōu)化使火線均勻波及。

(2)厚層重力火驅(qū)過程中，縱向上射孔厚度位于油層中部，易發(fā)生“二次燃燒”現(xiàn)象，射孔層段的調(diào)整可減弱二次燃燒的影響，并保持注氣井與水平井的有效連通，可獲得較好的開采效果。

(3)厚層行列及面積火驅(qū)過程中，注氣井應(yīng)射開油層下部1/3，生產(chǎn)井射開油層下部1/2，厚層重力火驅(qū)注氣井射開油層中部1/2，排氣井射開油層下部且距離水平井底界為6 m，開采效果最好。

(4)本研究中，火驅(qū)射孔層段研究適用于油層厚度為30～70 m的稠油油藏，當(dāng)油層較薄或較厚時，應(yīng)進一步優(yōu)化射孔層段，重力火驅(qū)還需結(jié)合原油黏度及垂向滲透率優(yōu)化層段。

(5)對于厚層油藏火驅(qū)中減緩火線超覆，提高火線波及也可采用極差射孔的方式，不同層段選用不同的孔密，此方法需在今后試驗中進一步研究和驗證。

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