河南油田浅薄层稠油蒸汽吞吐技术研究与应用

1浅薄层稠油蒸汽吞吐技术研究与应用高孝田 赵庆（河南油田分公司石油勘探开发研究院）摘要河南油田稠油油藏埋藏深度 90-1100m，单层厚度 1-4m，层系组合厚度 3-10m，油 层温度下脱气原油粘度 90-160000mPas，具有“ 浅、薄、稠、散”特点。按照当时国内外稠油注蒸汽开采标准筛选，绝大部分稠油储量不能投入注蒸汽开发。经过近二十年的稠油开采技术攻关，逐步形成了一系列薄层稠油配套开采技术，成功地将大于3m 的薄层稠油投入工业性开 发，原油粘度界限增大到 80000mPas，拓宽了稠油注蒸汽开采领域，使井楼、古城油田稠油资源利用率由 8.3%提高到 87.4%，高周期吞吐 综合递减控制在 5%左右，吞吐采收率达 30.7%，油汽比达 0.4，采油成本降低 23-30%，闯出浅薄 层稠油开采新路子。主题词:浅薄层 特超稠油 蒸汽吞吐 动态配汽 组合注汽 二次吞吐 蒸汽增效剂 高周期一、油藏地质特点自 1985 年 9 月以来，河南油田在泌阳凹陷西斜坡和北斜坡相继发现了井楼、古城、杨楼和新庄等四个稠油油田。目前探明含油面积 31.6km2，地质储量6,602104t，分布在盆地西、北边缘地带，距物源近，主要含油层位为古近系核桃园组三段，为扇三角洲水下分流河道和前缘席状砂沉积，砂体相变快，断层发育，具有浅、薄、稠、散的特点，资源品位低。主要油藏地质特点有以下几点：1. 油藏埋藏浅，成岩作用差油层埋藏深度 90-1,100m，绝大部分在 100-900m 之间，特、超稠油一般在100450m 之间。储层物性普遍较好，油层孔隙度一般为 25-34%，渗透率 0.3-5.0m2，含油饱和度 60-75%。绝大部分储层胶结疏松。2. 油层厚度薄，非均质性严重单层厚度一般在 1-4m 之间，层系组合厚度一般在 3-10m 之间。据统计，井楼、古城油田单层厚度小于 2.0m 的油层层数占 49.4%-64.3%，单层厚度大于 10m 的层数占3.1%-0.30%。平面和纵向最大渗透率级差达 10 以上。3. 原油粘度高，流动性差油层温度下脱气原油粘度在 90-160000mPas 之间，其中原油粘度超过10000mPas 的特超稠油储量占 60%。4. 油层分布散，注蒸汽开采热损失大一是纵向上含油井段长，绝大部分区块只能组合成一套开发层系，开发层系纯总2厚度比 0.2-0.8，一般只有 0.5 左右；二是油砂体面积小，一般在 0.1-0.5km2之间，油水关系复杂，油水界面参差不齐。由于油层纵向上分布零散，注蒸汽开采热损失大；而平面上油砂体面积小，开采过程中边水推进速度快，又严重制约着热采规模效益的提高。二、蒸汽吞吐开采特征1采油速度、采收率较高 蒸汽吞吐过程中，由于受油层非均质性影响，随着油层厚度增加，层间层内干扰加重，油层动用状况变差。因此，薄层稠油的采油速度、采收率明显高于厚油层（表1） ，但周期产油量及油汽比低于厚油层。表 1 蒸汽吞吐效果对比表零 区 河 南 5.45 2120 0.55 8.75 28.8杜 163块 辽 河 21 15100 1.19 4.28 21.4曙 175块 辽 河 47.9 16700 1.28 3.07 17.6试 验 区 油 田 油 汽 比 采 出 程 度（ %）采 油 速 度（ %）平 均 单 井产 油 量（ t）油 层 厚 度（ m）2周期峰值产量高，递减快，随着吞吐周期增加，日产油量及油汽比迅速下降稠油油藏蒸汽吞吐开采属于单井注采，基本上无外来能量补充.因此，其产量变化规律是，开井生产初期压力、温度较高，周期峰值产量高，但随着压力、温度降低，产油量递减快，并且随着吞吐周期数增加，周期平均日产油量及油汽比也迅速下降。井楼油田零区试验区第一周期单井峰值产量 30t/d，为周期平均日产油量的 4 倍，但周期内产油量递减快，月递减率达到 66%，其产量递减随时间呈两段式指数递减。周期间平均日产油量与吞吐周期数呈线性递减关系，周期间产量递减率平均为 22.3%。3同一周期内，初期含水高，下降快，随着周期数增加，综合含水上升快在同一周期内，由于开井初期主要是排出井筒附近的冷凝水，因此，初期含水率一般在 90%以上，经过一段时间（15 天左右）后，含水率迅速下降至 60%以下，以后基本上趋于稳定，但随着吞吐周期数增加，周期综合含水率迅速上升。例如井楼油田零区试验区，第一周期综合含水率为 17.8%，第二周期上升到 27.4%，以后各周期依次上升到 46.0%，51.8%，63.9%和 76.2%，即每增加一个吞吐周期，综合含水率平均上升12 个百分点。34周期产油量及油汽比随着油层厚度增加而增加国内外油田稠油蒸汽吞吐资料表明，周期产油量及油汽比的高低与油层厚度大小有关。在一定条件下，随着油层厚度增加，单井周期生产时间延长，产油量及油汽比明显提高。三、薄层稠油蒸汽吞吐技术1蒸汽吞吐射孔技术针对不同油层厚度和储层沉积特征，采取相应的射孔技术策略，最大限度地提高油层动用程度。对于单层有效厚度小于 5m 的油层，采取全井段射孔方式；对于单层有效厚度 5-10m 的油层，当储层具有正韵律沉积特征时，射开油层下部 1/2，当储层具有反韵律或复合韵律沉积特征时，射开油层下部 2/3，以减缓蒸汽超覆的发生；对于单层有效厚度大于 10m 的油层，当储层具有正韵律沉积特征时，射开油层下部 1/3，当储层具有反韵律或复合韵律沉积特征时，射开油层下部 1/2；不同渗透率层段采用不同的射孔密度，当同一口井同一套层系内渗透率大于 4时，要求低渗透层的射孔密度比高渗透层高 50%以上，以提高低渗透层的吸汽状况。2. 预处理技术针对油层埋藏浅、原油粘度高的特点，采取预处理方式，提高油层吸汽能力，防止压破油层。河南油田特浅层超稠油油藏占有较大比例。油层埋藏深度最浅的只有120m 左右，破裂压力小于 3MPa，原油粘度大于 80000mPa.s。这类油藏在不压破油层的情况下，注汽时吸汽能力非常低；若压破油层注汽，则极易导致汽窜，不利于蒸汽波及体积的扩大和采收率的提高。同时，若蒸汽沿地表窜出，就会严重威胁人民生命财产安全。为此，对特浅层超稠油蒸汽吞吐井采取预处理措施，即在正式吞吐之前，进行 1-2 轮小规模短周期吞吐生产。在注汽压力低于破裂压力的前提下，每次注入正式周期注汽量的 1/3-1/2，然后强排生产。3. 优化注汽技术针对薄层稠油注蒸汽开采热损失大的特点，优化注汽参数，确保注入热焓。根据零区试验区矿场吞吐资料，及时研究了蒸汽干度、周期注汽量、注入热焓、注汽速度和注汽强度等参数对吞吐效果的影响。研究结果表明，由于油层埋藏浅，要求注汽压4力低，而单位质量低压蒸汽热焓小；油层厚度薄，注汽速度低，热损失大，所以，对这类油藏来说，更应该提高蒸汽干度，并要求单位厚度油层周期注汽量和注入热焓比厚油层提高 0.30.6 倍，注汽强度达到厚油层的 2 倍左右。蒸汽干度对薄层稠油蒸汽吞吐的影响零区试验区第一周期矿场资料统计表明：蒸汽干度对吞吐效果影响大，即蒸汽干度每提高 10 个百分点，每米油层产油量提高 56.2t，油汽比提高 0.332。井楼一区楼1723 井，生产层位为6-10 小层 ，该井第一周期吞吐，采用单炉对单井注汽，井口蒸汽干度为 75%，周期注汽量为 2560 吨，即注入干度和热焓值较高，仅自喷阶段产油量就高达 1677 吨，油汽比为 0.66，取得了较好的吞吐效果（表 2） 。表 2 楼 1723 井第一周期蒸汽吞吐情况注汽阶段 吞吐自喷阶段注汽时间(d)注汽压力(MPa)注汽温度()注汽干度(%)注汽量(t)自喷时间(d)产液量(t)产油量(t)产水量(t) 油汽比19.38 7.19 286 75 2560 56.3 2812 1677 1135 0.66薄层稠油注入蒸汽热焓优选零区试验区矿场实际生产资料表明，第一、二、三周期每米油层最佳注入热焓分别为 3.1108、3.610 8和 4.2108kJ，相当于干度为 70%、压力为 7MPa 的蒸汽132、154 和 180t，周期间注入热焓递增约 17%。薄层稠油油藏吞吐时单位厚度注入热焓高于厚油层(同井距下厚油层第一周期合理注入热焓约为 2.3108kJ 左右)。注汽速度优选注汽速度太低时，管线和井筒热损失大，井底干度低；注汽速度太高时，势必压破油层，造成汽窜，对注蒸汽开采不利。矿场资料表明，对这类浅薄层稠油油藏，前三周期合理注汽速度分别为 80-115、95-155 和 115-165td，相应的注汽强度分别为18、23 和 26tmd，明显高于厚层稠油油藏。4不动管柱转抽技术不管是浅薄互层特稠油还是特浅厚层超稠油，蒸汽吞吐周期生产时间一般只有100-150d，单井年吞吐 2-3 井次。如果采取常规注采工艺技术，则作业工作量大，且耽误生产时间，损失大量热量。针对存在问题，河南油田研制并应用了新型抽油泵及其重复性不动管柱转抽技术，消除了转抽不及时形成的低产阶段，充分利用高温期采油，平均日产油提高了 0.3 倍，油汽比和热利用率分别提高 0.7 和 0.4 倍。5同时，河南油田自行研制的 KR-140 高温采油树、注汽井偏心测试技术等配套开采工艺技术也为新型抽油泵及其重复性不动管柱转抽技术的实施创造了有利条件。5防砂治砂技术针对油层胶结疏松、出砂严重的特点，配套完善了绕丝筛管砾石充填防砂技术、绕丝筛管防砂技术、不锈钢金属棉防砂技术、化学防砂技术等一系列行之有效的防砂工艺技术，使平均检泵周期由最初的 60d 左右延长到 180-300d。近年来进一步研究配套了低温充填人工井壁防砂和高温增效防砂技术。62-5m 特薄层超稠油吞吐技术古城油田泌浅 10 断块 GJ51523 井蒸汽吞吐试采3 层，油层埋深 349.6-354.0m，有效厚度 4.0m，纯总比 0.91，油层温度下脱气原油为 5-11104mPa.s，为薄层超稠油油藏。GJ51523 井 2003 年 2 月 17 日投入蒸汽吞吐试采，截止 2004 年 10 月 22 日，已吞吐 6 个周期，累积注汽 4826 吨，累积产油 1849 吨，累积产水 4309 吨，平均单井日产油 4.39 吨，综合含水 70%，油汽比 0.383，取得了较好的开发效果。重点采用了以下几项技术：注汽井筒隔热技术，保证了蒸汽的注入质量；实施了化学增效吞吐技术；优化了注汽工艺技术参数；井筒举升采用套管掺蒸汽伴热。四、改善薄层稠油高周期吞吐效果技术针对高周期吞吐存在的问题，以进一步提高全系统热利用率为核心，形成了以抑制汽窜为主要目的的优化注汽技术、以降低地层存水为主要目的的强排技术、以改善原油流动性为主要目的的降粘助排技术和以扩大蒸汽波及体积、驱油效率为目的的化学增效技术等一系列针对高周期特点的薄层稠油高周期吞吐优化开采配套技术，同时在国内外首次研制了高周期吞吐最佳注采工艺参数配套实用图版，并在不断探索的基础上，形成了“油层-井筒-地面”三位一体、 “油藏 工艺管理效益”有机结合的油藏管理模式，极大地改善了高周期蒸汽吞吐的开发效果。1动态配汽技术6一般来说，随吞吐周期数增加，周期注汽量应按一定的比例递增，才能适应加热带不断扩展的需要。河南油田薄层特超稠油油藏前四周期蒸汽吞吐注汽量的设计就是遵循这一原则，周期间注汽量按 1015%递增。然而，针对注采转换频繁、平均单井油层储热和存水差异，后续周期注汽量应视具体情况做合理调配。据研究，在前 4周期累积注采比分别为 0.7、0.9、1.1 和 1.3 的情况下，后续周期最佳注汽量分别比前一周期递减 10%、持平、递增 10%和递增 20%，此时增产油汽比最高。根据数模研究和矿场实际资料分析结果，制定了动态配注原则：累积采注比0.8 时，后续周期注汽量递减 10%。累积采注比 0.81.0 时，后续周期注汽量持平。累积采注比 1.01.2 时，后续周期注汽量递增 10%。累积采注比1.2 时，后续周期注汽量递增 20%。2组合注汽技术针对汽窜严重的区域，采用面积式组合注汽或井排部分重叠组合注汽技术，达到抑制汽窜发生、减少蒸汽流失、提高油井时率、扩大蒸汽波及体积的目的。组合注汽技术实施之前，首先进行了数模研究。根据汽窜分布状况及其特点，建立了一个典型汽窜井组模型，在平均吞吐 4 个周期后，分别模拟了采取常规注汽方式和面积组合注汽对后续注汽蒸汽吞吐效果的影响（表 3） 。表 3 不同注汽方式开采效果比较（中心井）注汽方式注汽量（t）泄油带面积（ha）增加泄油带面积（ha）热损失（%）产油量（t）油汽比常规注汽 3705 0.27 0.13 41.5 889 0.24组合注汽 3705 0.38 0.24 31.4 1408 0.38模拟结果表明，采取常规注汽方式，平均单井泄油范围仅 0.27ha，其中后续 3 个周期泄油范围仅增加 0.13ha，热损失率达 41.5%，产油量仅 889t，油汽比仅 0.24；采取面积式组合注汽方式后，泄油范围增加到 0.38ha，其中后续 3 个周期泄油范围增加了 0.24ha，热损失率下降到 31.4%，产油量增加到 1408t，油汽比提高到 0.38。与常规注汽方式相比，采取面积式组合注汽方式后，泄油范围和产油量分别提高了 0.85 和0.58 倍（表 3） 。古城油田泌浅 10 区是汽窜最严重的区块之一，高周期蒸汽吞吐中，普遍采用上述两种组合注汽方式。据该区面积组合注汽典型实例分析，与常规注汽的前一周期相比，周期生产时间延长 0.66 倍，产油量和油汽比分别提高 1.06 和 0.91 倍，汽窜井次和因7汽窜被迫关井时间分别下降 84%和 82%。在该区东部采取井排部分重迭组合注汽方式，重迭率为 30-60%，汽窜现象明显减弱。3强排技术河南油田在 “九五”以前已配套并推广了适应于浅层生产压差小、原油粘度高的环流式稠油泵及其重复性不动管柱转轴技术，基本满足了供液能力一般的油井；但对供液能力较强、地下存水高而需要提高排液能力的油井已不适应。据数模研究结果以及不同类型、不同厚度稠油油藏各周期开采曲线分析结果，确定了强排技术的实施条件，对油层厚度较大，供液能力较强的井，采取换大泵、调大参数等强排技术策略，以高速求高产，以高产求高效。强排技术的实施条件是：油层厚度：特稠油8m，超稠油12m。累积采注比0.6，地下存水超过 4000m3 时，特、超稠油油藏下限分别降至6m 和 10m。4二次吞吐技术从 2002 年 6 月在井楼油田 L2107 进行了第一次硼中子测井开始，到 2003 年 11月共测试 40 井次。井楼一区主力油层5-6 层，属于中-厚互层状油藏，纵向上非均质严重，据硼中子测井解释结果分析，该层在剖面上动用程度为 47.2%，还有 52.8%的低渗非主力油层动用较差，剩余油较为富集。古城油田泌浅 10 区9 层，属于薄-中互层状，强淹的厚度占射厚的 53.6,可见有相当一部分厚度的油层动用差。对剩余油潜力小的高渗透油层采取封堵措施，实施二次吞吐开采剩余油富集的中低渗透层，提高剖面动用程度，改善无经济效益的高周期吞吐井的开发效益。具体做法是：1应用挤水泥和封隔器工艺技术封堵高渗透油层；2应用套管补贴技术封堵高渗透油层；3应用分层管柱工艺技术实现分层注汽。对于夹层厚度大于 1.0m，能够分层的油井，采取分层注汽和套管补贴的方法，动用低渗非主力油层，提高油层纵向动用程度。通过封堵高渗层，以及分层注汽等手段，提高油层剖面上的动用程度，对无经济效益的高周期吞吐井实施二次吞吐 20 井次，平均单井日产油由措施前的 15.3 吨，上升到措施后 57.2 吨，含水下降 23 个百分点。措施增油 8402 吨，增加动用储量25104t，增加可采储量 5104t，提高采收率 10.64%。85化学增效技术针对蒸汽吞吐后期油层压力低、纵向动用差异大的问题，研制了由尿素、表面活性剂和碱复配而成的新型蒸汽增效剂，不仅能提高驱油效率，而且可以扩大蒸汽波及体积，其分解气体能够使稠油粘度降低、体积膨胀、增加驱动能量，从而强化回采，突破了在稠油注蒸汽开发后期提高采收率和改善开发效果的技术难关，截止 2005 年 5月，在现场已应用 89 井次，共增油 3.684104t，投入产出比为 1:17.2，在河南油田已得到规模化应用。6加密吞吐技术据研究，由于浅层特、超稠油在地层条件下处于不流动状态，高周期吞吐井泄油半径基本上在 35-40m 左右；在五点法井网 100141m 井距条件下，平面上剩余油主要分布在 4 口老井的中间部位，剩余油富集区面积基本上为 0.44-0.71ha，平均 0.6ha，相当于老井控制面积的 60%；在七点法井网 100100m 井距条件下，单个剩余油富集区面积只有 0.13-0.17ha，平均 0.15ha，比五点法井网小得多。在矿场试验的基础上，根据经济极限产量要求，通过数值模拟研究，确定了加密井应用条件及时机，优化了加密井注采技术参数，并确定了水淹层补孔条件、时机和实施技术对策。近年来，相继在井楼油田零区、一区、三区和古城油田泌浅 10 区部署加密吞吐井 117 口，动用储量 243 万吨，增加可采储量 29.7 万吨，采收率平均提高 12.2 个百分点。同时，加密井蒸汽吞吐技术的实施，为小井距蒸汽驱创造了有利条件。7高周期吞吐油藏管理技术根据浅薄层特-超稠油油藏地质特点和蒸汽吞吐尤其是高周期吞吐开采特点，在对影响开采效果诸因素综合研究的基础上，从解剖注汽、焖井、转抽、井下作业等蒸汽吞吐开采各个生产环节中存在的问题着手，配套完善了具有河南油田特色的薄层特-超稠油油藏蒸汽吞吐的“油层-井筒-地面”三位一体、 “油藏工艺管理效益”有机结合的油藏管理模式，进一步明确了相应的技术对策，闯出了具有河南油田特色的科学管理新路子（表 4） 。五、应用效果1浅薄互层特稠油注蒸汽开采先导试验9零区试验区位于井楼油田零区中部，试验目的层为古近系核桃园组三段6 层，共有 4 个井组 13 口井，采用五点法井网，注采井距 100m，面积 0.125km2，地质储量14.1104t。表 4 浅薄层特超稠油高周期吞吐存在问题及技术对策开发中(可能)存在的问题危 害 导致因素 解决途径 配套技术措施旋转驴头抽油机排液能力低 对厚度较大的油井进行强排 56 管式泵热洗井加温改善原油流动性井口及地面伴热吞吐中后期井筒温降快，形成高粘度原油柱塞 化学法改善原油流动性化学流动剂(STA、TFSA)地下存热存水多油层注入热量得不到充分利用，且后续周期吞吐热损失增大后续周期注汽量偏高 合理调配汽量 动态配汽提高近井地带渗透性，降低注汽压力，预防汽窜预处理改变蒸汽运动方向 组合注汽高温调剖剂(HNTP04，PS)汽窜降低蒸汽有效利用率，导致油井停产，严重危机后续周期生产油层埋藏浅，破裂压力低；原油粘度高，油层吸汽能力低；油藏非均质性影响封堵汽窜通道水泥砂浆对厚油层只射开下部蒸汽超覆 预防、抑制蒸汽超覆加深泵挂深度射孔密度优化油层纵向动用程度低 采收率低韵律及油层非均质性影响提高低渗透油层吸汽能力 分层注汽、调剖、二次吞吐边水 边部井高含水 注采严重不均 优化注采参数 短周期吞吐技术试验区油层深度 332-384m，平均 356m，地层倾角 11.3；油层有效厚度 2.8-9.6m，平均 5.4m，由 4 个单层组成，单层厚度一般为 1-2m, 纯总厚度比 0.23-0.87, 平均 0.52；孔隙度 27-36%，平均 32%，渗透率 0.44-11.34m 2，平均 3.05m 2，原始含油饱和度 70%；地层温度下脱气原油粘度 16111-21445mPas，平均 18780mPas，地层原油中溶解气含量 4.65-5.6m3/t，地层原油粘度 6000-8000mPas。该油藏为典型的浅薄互层特稠油油藏。试验区于 1987 年 9 月正式开始蒸汽吞吐先导试验，1990 年 12 月转入蒸汽驱试验，1995 年底结束试验。试验结果表明，油层动