SAGD蒸汽腔擴(kuò)展階段電加熱機(jī)理及操作參數(shù)優(yōu)化

丁 超，楊兆臣，吳永彬，王 麗，楊浩哲，王 超

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

風(fēng)城油田自2008年開展雙水平井SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)以來，累計(jì)完鉆雙水平井組超170對(duì)，實(shí)現(xiàn)了SAGD商業(yè)化開發(fā)。目前70%井組已進(jìn)入蒸汽腔擴(kuò)展階段，但SAGD井組水平段平均動(dòng)用程度不足60%，非均質(zhì)性強(qiáng)的重18井區(qū)Ⅲ類儲(chǔ)層水平段動(dòng)用程度僅為48%。因此，迫切需要探索新技術(shù)，提高雙水平井SAGD水平段動(dòng)用程度。國(guó)內(nèi)外從改變注入介質(zhì)、注采參數(shù)、注采工藝等方面進(jìn)行了大量研究與礦場(chǎng)應(yīng)用，其中，井下電加熱技術(shù)得到了較為廣泛應(yīng)用[1-10]，特別是針對(duì)SAGD電加熱輔助生產(chǎn)方面，開展了轉(zhuǎn)SAGD生產(chǎn)初期電加熱機(jī)理研究、熱能利用率研究、溶劑輔助SAGD對(duì)比研究、以及電阻與電磁加熱方式對(duì)比研究等工作[11-19]。但前人尚未針對(duì)已經(jīng)進(jìn)入SAGD擴(kuò)展階段的老井開展過井下電加熱技術(shù)研究，對(duì)于其滲流特征、機(jī)理及操作策略不明確。因此，開展了SAGD蒸汽腔擴(kuò)展階段井下電加熱研究，達(dá)到明確滲流特征、優(yōu)化操作參數(shù)的目的。

1 電加熱輔助SAGD數(shù)值模型的建立

為揭示電加熱輔助SAGD生產(chǎn)機(jī)理，以風(fēng)城重18井區(qū)儲(chǔ)層及流體參數(shù)為基礎(chǔ)建立典型SAGD井組數(shù)值模型。模型I、J、K3個(gè)方向網(wǎng)格數(shù)量分別為21、25、15個(gè)，I方向采用1.0～5.0 m的非均勻加密網(wǎng)格距，J方向網(wǎng)格距為21.0 m，K方向網(wǎng)格厚度為1.0～2.5 m，模擬油層厚度為21 m，水平段長(zhǎng)度為400 m，生產(chǎn)井與注汽井間距為5.0 m，相鄰井組距離為80.0 m，孔隙度為30%；滲透率沿水平段分為高滲段和低滲段(各占50%水平段長(zhǎng)度)，其中，高滲段滲透率為1.5 D，低滲段滲透率為0.5 D，水平段滲透率級(jí)差為3，含油飽和度為70%。為精細(xì)表征電加熱輔助SAGD生產(chǎn)過程中井筒附近升溫、蒸汽腔發(fā)育、蒸汽腔界面變化等特征，對(duì)典型SAGD井組的數(shù)值模型進(jìn)行了平面和縱向局部加密，與井筒越近網(wǎng)格越密，其中，井筒附近的平面網(wǎng)格距離縮小至0.5 m，生產(chǎn)井與注汽井井間縱向網(wǎng)格距離加密至1.0 m，并在低滲透的生產(chǎn)井水平段井筒內(nèi)下入電加熱器的加熱段(圖1)。

圖1 SAGD井組模型平面及縱向網(wǎng)格分布

2 蒸汽腔擴(kuò)展階段井下電加熱的滲流特征

圖2為電加熱輔助SAGD生產(chǎn)的數(shù)值模擬溫度場(chǎng)(黑色箭頭表示水或蒸汽流線)。由圖2可知，對(duì)于已進(jìn)入蒸汽腔擴(kuò)展階段的SAGD井組，電加熱促進(jìn)水平段蒸汽腔發(fā)育、提高水平段動(dòng)用程度分為3個(gè)階段：①注汽井與生產(chǎn)井建立井間流場(chǎng)(圖2a)。通過注汽井注蒸汽和生產(chǎn)井定點(diǎn)電加熱，在未發(fā)育蒸汽腔段建立蒸汽(水)流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)熱量與流體雙連通。②小型蒸汽腔發(fā)育(圖2b)。形成小型流場(chǎng)促進(jìn)該段熱油下泄，造成虧空，蒸汽進(jìn)入，形成汽腔。③小型汽腔上升(圖2c、d)。水蒸汽超覆促進(jìn)汽腔進(jìn)一步上升，形成穩(wěn)定發(fā)育的蒸汽腔，提高整個(gè)水平井段動(dòng)用程度。同時(shí)，通過不同電加熱時(shí)間的溫度場(chǎng)對(duì)比，揭示井下電加熱首個(gè)作用機(jī)理為定點(diǎn)升溫，為SAGD汽腔擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

圖2 電加熱輔助SAGD不同時(shí)間溫度場(chǎng)

圖3為電加熱輔助SAGD不同時(shí)間水蒸汽飽和度場(chǎng)。由圖3可知：高干度蒸汽主要進(jìn)入已有蒸汽腔，為提高蒸汽腔發(fā)育空間，電加熱段選擇在蒸汽腔不發(fā)育的水平井段，首先在注汽井附近實(shí)現(xiàn)低干度、小型蒸汽腔的發(fā)育(圖3a)；繼續(xù)電加熱過程中，電加熱段蒸汽腔范圍逐漸變大并向上擴(kuò)展，蒸汽干度逐漸提高(圖3b、c)；繼續(xù)電加熱至3.0a(圖3d)，電加熱段的蒸汽腔已經(jīng)擴(kuò)展至油層頂部。因此，井下電加熱的第2個(gè)作用機(jī)理為定點(diǎn)蒸汽腔發(fā)育，建立泄油通道。

圖3 電加熱輔助SAGD不同時(shí)間蒸汽腔變化

圖4為電加熱輔助SAGD生產(chǎn)2.5 a的油飽和度場(chǎng)和油流線分布(紫色箭頭)。由圖4可知：SAGD蒸汽腔擴(kuò)展階段，水平段已有汽腔正上方的垂向泄油已經(jīng)結(jié)束，實(shí)施電加熱初期表現(xiàn)為斜坡泄油(圖4a)；電加熱一段時(shí)間后，逐步進(jìn)入垂向泄油階段(圖4b)。因此，電加熱后水平段泄油表現(xiàn)為2種方式，即斜坡泄油+垂向泄油(圖4a、b)；分析電加熱輔助下的油流線分布變化(圖4b)，認(rèn)為電加熱的第3個(gè)作用機(jī)理為定點(diǎn)泄油，動(dòng)用電加熱段儲(chǔ)量，降低電加熱段的含油飽和度。

圖5為電加熱輔助SAGD生產(chǎn)不同時(shí)間Normal stress最大主應(yīng)力與滲透率變化。由圖5可知，電加熱升溫過程中，隨著電加熱段熱場(chǎng)建立和流體連通，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生明顯變化，主應(yīng)力增加，并向上擴(kuò)展延伸。由圖6可知，電加熱段的油層在電加熱升溫促進(jìn)蒸汽腔發(fā)育過程中，產(chǎn)生高溫?cái)U(kuò)容作用并產(chǎn)生微裂縫，促進(jìn)蒸汽腔逐漸向上抬升，最終形成具有高導(dǎo)流能力和規(guī)模的蒸汽腔。因此，井下電加熱的第4個(gè)作用機(jī)理為通過高溫應(yīng)力作用，提高低滲電加熱段有效滲透率。

圖4 電加熱輔助SAGD不同時(shí)間含油飽和度和油流線分布

圖5 電加熱不同時(shí)間最大主應(yīng)力變化

圖6 電加熱不同時(shí)間滲透率變化

3 蒸汽腔擴(kuò)展階段電加熱操作參數(shù)優(yōu)化

井下電加熱過程，對(duì)于已進(jìn)入蒸汽腔擴(kuò)展階段的SAGD井組，其相鄰井組間的蒸汽腔已部分相互合并。因此，在操作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮注汽操作、生產(chǎn)操作、相鄰SAGD井組的蒸汽腔聯(lián)動(dòng)操作、以及電加熱操作的相互協(xié)同作用，文中選擇重18井區(qū)典型非均質(zhì)井組模型進(jìn)行操作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)(注汽參數(shù)、注采參數(shù)、電加熱操作參數(shù))，該井組已轉(zhuǎn)入SAGD生產(chǎn)3.0 a，水平段動(dòng)用程度為67%。

3.1 注汽參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 注汽速度

注汽速度優(yōu)化需考慮水平段動(dòng)用程度和電加熱段的蒸汽腔發(fā)育狀態(tài)。因此，利用電加熱輔助SAGD數(shù)值模擬對(duì)電加熱前水平段動(dòng)用程度為50%、60%、70%、80%、90%條件下，電加熱段處于熱連通、蒸汽腔上升、蒸汽腔擴(kuò)展3個(gè)階段的注汽速度進(jìn)行優(yōu)化(表1)。由表1可知，考慮風(fēng)城作業(yè)區(qū)SAGD水平段動(dòng)用程度普遍處于50%～70%，熱連通階段電加熱輔助下的注汽速度為84～106 m3/d，蒸汽腔上升階段為109～136 m3/d，蒸汽腔擴(kuò)展階段為158～171 m3/d。

表1 注汽速度優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1.2 注汽干度

風(fēng)城油田儲(chǔ)層埋深為250 m，原油黏度為10 000～50 000 mPa·s(50 ℃)，為淺層超稠油油藏。對(duì)于淺層超稠油，蒸汽腔操作壓力比中深層更低，單位質(zhì)量蒸汽比容和熱焓受到蒸汽干度影響越大，不同蒸汽干度對(duì)產(chǎn)量的影響也就越大，因此，考慮地面鍋爐注汽能力，推薦高干度注汽，井底蒸汽干度應(yīng)達(dá)到80%以上。

3.2 注采壓力優(yōu)化

3.2.1 蒸汽腔操作壓力

電加熱階段增大注汽壓力，有利于提高電加熱段油-汽傳質(zhì)速度、原油下泄速度和蒸汽腔發(fā)育速度，但操作壓力過大，易造成已動(dòng)用段的蒸汽腔突破蓋層，導(dǎo)致蒸汽外泄。因此，分別模擬了蒸汽腔操作壓力為2.3、3.3、4.3、4.9、5.4、5.9 MPa下的電加熱輔助生產(chǎn)情況。結(jié)果表明，最優(yōu)的蒸汽腔操作壓力需要高于油藏壓力(2.3 MPa)1.0～2.0 MPa，低于蓋層破裂壓力(5.9 MPa)0.5～1.0 MPa，優(yōu)選值為4.9～5.4 MPa。

3.2.2 注采井間壓差

電加熱初期升壓注汽，汽竄風(fēng)險(xiǎn)增大，需要合理控制注采井間壓差。因此，分別模擬了注采井間壓差為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa下的電加熱輔助生產(chǎn)情況。結(jié)果表明：電加熱初期需保持較小壓差，當(dāng)蒸汽腔規(guī)模增大后，注采井間壓差達(dá)到常規(guī)SAGD操作水平即可；電加熱段蒸汽腔上升階段最優(yōu)壓差為0.2～0.3 MPa，蒸汽腔擴(kuò)展階段最優(yōu)壓差為0.4～0.5 MPa。

3.2.3 相鄰井組井間壓差

已進(jìn)入蒸汽腔擴(kuò)展階段的井組，相鄰井組蒸汽腔操作壓力直接影響電加熱生產(chǎn)效果。因此，分別模擬了相鄰井組間壓差為0.4、0.5、0.6、0.7 MPa下的電加熱輔助生產(chǎn)情況(圖7，圖中黑色箭頭表示水或蒸汽流線)。由圖6可知，相鄰井組間壓差達(dá)到0.5 MPa后，高壓蒸汽腔中蒸汽從合并段大量進(jìn)入低壓SAGD井組，造成高壓井組電加熱段蒸汽腔得不到足夠的蒸汽補(bǔ)充，電加熱輔助難以見效。建議SAGD相鄰井組蒸汽腔操作壓差控制在0.5 MPa以內(nèi)。

圖7 相鄰SAGD蒸汽腔汽竄途徑

3.3 電加熱操作參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 電加熱時(shí)間

前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，電加熱時(shí)間過短，蒸汽腔難以持續(xù)進(jìn)汽并將逐漸消失。因此，分別模擬了電加熱時(shí)間為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 a的電加熱輔助生產(chǎn)情況(圖8)。由圖8可知，持續(xù)的電加熱具備促進(jìn)汽腔發(fā)育和加速泄油雙重作用，停止電加熱后，電加熱段汽腔發(fā)育減緩；電加熱時(shí)間需確保新發(fā)育的汽腔達(dá)到油層頂部，形成足夠大的蒸汽腔體積。根據(jù)模擬結(jié)果，確定電加熱時(shí)間最優(yōu)值為2.0～3.0 a。

圖8 不同電加熱時(shí)間蒸汽腔形態(tài)

3.3.2 電加熱器表面溫度

電加熱器表面溫度會(huì)影響原油結(jié)焦、結(jié)垢和氣液界面控制，為保證生產(chǎn)安全，其表面溫度應(yīng)低于原油結(jié)焦溫度20～30 ℃(原油初始結(jié)焦溫度為280 ℃)；為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，其表面溫度應(yīng)低于飽和蒸汽溫度0～15 ℃(操作壓力為4.9～5.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和水蒸汽溫度為263～269 ℃)。同時(shí)，分別模擬了表面溫度為150、200、250、300 ℃下的電加熱輔助生產(chǎn)情況。結(jié)果表明，電加熱器表面溫度從150 ℃升至250 ℃，日產(chǎn)油增幅明顯，超過250 ℃產(chǎn)量保持不變。因此，綜合考慮結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)、操作控制以及增油效果，電加熱表面溫度最優(yōu)值為200～250 ℃。

3.3.3 電加熱器功率

電加熱的目的是定點(diǎn)快速補(bǔ)充熱量，功率太低難以起到定點(diǎn)加熱促進(jìn)汽腔發(fā)育的效果。目前，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期井下工作的電加熱器每米功率普遍低于1 500 W。因此，分別模擬了每米電加熱功率為800、1 000、1 200 W的電加熱輔助生產(chǎn)情況。結(jié)果表明，每米電加熱功率大于800 W，增油幅度大幅減小。同時(shí)，參考國(guó)外電加熱實(shí)踐，推薦井下長(zhǎng)期每米電加熱功率為800～1 000 W，采用定表面溫度，自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模式進(jìn)行電加熱。

4 電加熱輔助SAGD生產(chǎn)效果預(yù)測(cè)

利用上述優(yōu)化的參數(shù)，針對(duì)該油田典型SAGD井組進(jìn)行常規(guī)SAGD生產(chǎn)和電加熱輔助SAGD生產(chǎn)效果預(yù)測(cè)對(duì)比(表2)。由表2可知，蒸汽腔擴(kuò)展階段實(shí)施井下電加熱3.0 a，水平段動(dòng)用程度從67%提高至100%，日產(chǎn)量比常規(guī)SAGD提高2～4 m3/d，之后停止電加熱，轉(zhuǎn)常規(guī)SAGD生產(chǎn)13.5 a，累計(jì)油汽比從0.15提高至0.24，最終采收率由43.2%提高至51.3%，提高8.1個(gè)百分點(diǎn)。表明采用井下電加熱輔助SAGD生產(chǎn)，可有效提高水平段動(dòng)用程度、SAGD開發(fā)中后期的產(chǎn)量和油汽比，較大幅度提高原油采收率。

表2 常規(guī)SAGD與電加熱輔助SAGD產(chǎn)量對(duì)比

5 結(jié) 論

(1) SAGD擴(kuò)展階段實(shí)施井下電加熱，具有定點(diǎn)升溫、促進(jìn)蒸汽腔發(fā)育、定點(diǎn)泄油以及提高低滲段有效滲透率等重要作用機(jī)理。

(2) 根據(jù)關(guān)鍵操作參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，在SAGD蒸汽腔擴(kuò)展階段開展電加熱輔助，合理注汽速度為158～171m3/d，蒸汽腔操作壓力為4.9～5.4 MPa，注采井間壓差為0.4～0.5 MPa，相鄰井組井間壓差需小于0.5 MPa；電加熱時(shí)間為2.0～3.0 a，電加熱器最高表面溫度為250 ℃，每米電加熱功率為800～1 000 W。

(3) 典型井組預(yù)測(cè)電加熱3.0 a后水平段動(dòng)用程度從67%提高到100%，日產(chǎn)油水平提高2～4 m3/d，累計(jì)油汽比從0.15提高至0.24，采收率提高8.1個(gè)百分點(diǎn)，是提高SAGD老井水平段動(dòng)用的一項(xiàng)潛力技術(shù)。