（油气田开发工程专业论文）水平井蒸汽吞吐过程传热与传质问题研究.pdf

s t u d yo nm a s sa n d h e a tt r a n s f e ro fc y c l i cs t e a m s t i m u l a t i o nw i t hh o r i z o n t a l 、l l w a n gs h e n g ( o i la n dg a sd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a i w e n a b s t r a c t c y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o nw i t hh o r i z o n t a lw e l lt e c h n i q u ei st h ei m p o r t a n ta p p r o a c ht o p r o d u c eh e a v yo i lr e s e r v o i r t h ep r o d u c t i o ne f f e c ti sd e c i d e db yu t i l i z a t i o ne x t e n to fs t e a m t h e r m a le n e r g yd i r e c t l y , t om a k et h es t e a mh e a tt h eo i ll a y e re f f e c t i v e l yi st h ek e ya n d d i f f i c u l t yo ft h i st e c h n i q u e p r o b l e m ss u c ha sh i g ho i lv i s c o s i t y , h i g hi n j e c t i o np r e s s u r eo f s t e a ma n ds t e a mn o td i f f u s i n gu n i f o r mw o u l de n c o u n t e rw h e nu s i n gt h i st e c h n i q u e ，e s p e c i a l l y w h e nt h eh o r i z o n t a li n t e r v a li sl o n g ，t h es t e a ma m o u n ta b s o r b e db yt h el a y e ri su n e v e n d i s t r i b u t i o n ，c a u s e sl o ws t e a ms w e e p i n ge f f i c i e n c ya n dt h e nt h ea r e ao ft h eo i ll a y e rn o ts w e p t i s l a r g e s oi t i s i m p o r t a n tt oh a v eas t u d yo nm a s sa n dh e a tt r a n s f e ro fc y c l i c s t e a m s t i m u l a t i o nw i t hh o r i z o n t a lw e l l t h e s i ss t u d i e st h em e c h a n i s mo fc y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o n ，b ym e a n so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ee f f e c to fe n e r g yl o s s e sa n df r i c t i o np r e s s u r ed r o pi nh o r i z o n t a l w e l l b o r ei sc o n s i d e r e d ，u s e st h ed i s c r e t i z i n gw e l l b o r em o d e l ，e s t a b l i s h e st h em o d e lo fc y c l i c s t e a ms t i m u l a t i o no fs i n g l eh o r i z o n t a lw e l l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fn u m e r a ls i m u l a t i o n ， s t u d i e st h ei m p a c to fo r i g i n a lf o r m a t i o nc o n d i t i o na n dd e s i g n i n gp a r a m e t e r so fw e l la n d i n je c t i o n p r o d u c t i o np a r a m e t e r st oc y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o nw i t l lh o r i z o n t a lw e l l e s t a b l i s h e s t h ec a l c u l a t i n gm o d e lo fs t e a md i s t r i b u t i o no ft h ev e r t i c a lw e l l b o r e ，c o n s i d e r st h ew e l l b o r e c o n f i g u r a t i o n ，c a l c u l a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m a lp a r a m e t e r sa l o n gt h ew e l l ，o b t a i n st h e p h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so fw e ts a t u r a t e ds t e a m b a s e so nt h ev a r i a b l e m a s sf l o wt h e o r y , t h em o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ra r ep r e s e n t e db yu s eo ft h em o m e n t u mt h e o r e m a n de n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r e m ，c o m b i n e s 晰t hm o d e lo fs t e a ma b s o r b i n gc a p a b i l i t y , t h e c a l c u l a t i n gm o d e l so ft h es t e a mp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dq u a l i t yi nt h eh o r i z o n t a lw e l l b o r e a r ed e r i v e d ，n u m e r i c a lm e t h o di su s e dt os o l v et h ep r o b l e m ，c a l c u l a t i o np r o g r a mh a sb e e n w r i t t e n ，a n dt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o np r o g r a mi nt h i sp a p e rh a sb e e nv e r i f i e db yt h eo i lw e l l d a t ao fs h e n g l io i l f i e l d t a r g e ta g a i n s tt h ep r o b l e m si nc y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o nw i t h h o r i z o n t a lw e l l ，m a t c h i n gt e c h n o l o g yo fs u b l e v e lp r o d u c t i o n ，u s i n gs t e a mi n j e c t i o na l l o c a t i o n d e v i c ea n ds t e a mi n j e c t i o na c c o m p a n i e ss u r f a c t a n ta g e n ta r ed e v e l o p m e n tt oi m p r o v e d e v e l o p m e n te f f e c t ，b y m e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n i q u e ，e s t a b l i s h e s t h e t h e r m o c h e m i c a lc o m p o s i t em o d e l ，t oc a l c u l a t ea n ds t u d yt h ea f f e c to fs u l f o n a t es y s t e m i n j e c t i o nv o l u m e ，s u l f o n a t es y s t e mi n j e c t i o no p p o r t u n i t yt oc u m u l a t i v eo i lp r o d u c t i o n ，d a i l y o i lp r o d u c t i o na n db o t t o mh o l ep r o d u c i n gp r e s s u r e k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lw e l l ，c y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，h e a t t r a n s f e r , m a s st r a n s f e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 主目蔓 日期：沙d 孑年口石月口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：孟区篁 指导教师签名： 乏i 鱼盈 日期：加。刁年口舌月口7 日 日期：孑c 郴年月日 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章前言 稠油将是2 l 世纪的重要资源，动用稠油资源是缓解未来原油短缺的重要手段，经济 高效的开发稠油对我国具有重要的现实和战略意义，蒸汽吞吐和蒸汽驱等热采模型的研 究也因而显得格外重要。 在今天的石油工业中，蒸汽吞吐是提高原油采收率的最重要手段之一。蒸汽吞吐通 常是作为油田规模蒸汽驱开发之前的一个启动手段的先驱开发方式，以减少生产的阻力 和增加注入能力。此外，对于井间连通性差、原油粘度过高以及含沥青砂的这类不适合 蒸汽驱的油藏，仍把蒸汽吞吐作为一种独立的开发方式，因而它在稠油开发中仍然将继 续占有重要的地位。 水平井是9 0 年代世界油田开发过程中迅速发展的一项新技术。利用水平井技术开 采稠油是技术发展的一种趋势。我国在“八五”期间组织了“水平井开采技术”国家重点技 术攻关，对水平井技术进行研究，取得了明显的效果，达到了世界水平井注蒸汽开发油 田的先进水平。在最近几年，通过开展水平井注蒸汽开发特殊稠油油藏的研究及现场的 先导试验，已研究探索出了采用常规注蒸汽，有效开发特殊稠油油藏的新途径，水平井 是一项非常有潜力、有优势的新技术。采用水平井注蒸汽热采技术，将是今后开发特稠 油、超稠油及地质条件复杂的其他稠油油藏的主要开发方式。目前水平井已成为新油田 开发、老油田挖潜和提高原油采收率的重要技术。 目前，现场和工程技术人员对水平井蒸汽吞吐开展了系统的研究，也取得了很大的 成果，但在理论研究和应用方面仍存在许多待解决的问题。如仍然存在注入压力高、蒸 汽不能有效扩散的问题，尤其对于水平井蒸汽吞吐，水平段较长，还存在蒸汽沿井筒流 量不均匀分布的情况，造成蒸汽波及效率低并且未波及到的油层面积大。因此，对蒸汽 在注入过程中水平段与油层之间以及蒸汽在油层中的流动、传热与传质问题，及温度压 力等热力参数沿水平段的分布和对开采效果的影响等问题进行分析，对找出影响水平井 蒸汽吞吐开发效果不理想的因素，改善开采效果具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 水平井蒸汽吞吐采油是一项复杂、技术难度大的系统工程，它涉及到油藏地质、油 第一章前言 藏工程、采油工程、传热学、经济分析等多门学科。因此，要科学、经济、高效的管理 好蒸汽吞吐井必须要从油层的实际出发，研究蒸汽吞吐的全过程，包括地面管线和井筒 的压力降及热损失，焖井和开井生产过程中的动态预测，以及生产方式的选择和合理工 作制度的确定。国内外在这些方面均做了大量的研究工作。 1 2 1 热力模型的发展 早在上世纪五十年代，m a r x l a n g e n h e i m 就利用能量平衡关系来计算油层的加热面 积【l 】。到了上世纪七十年代，开始应用三维三相注蒸汽模型，但这些模拟器要求输入比 较多的参数，对计算机性能要求高并且需要专业人员来操作。1 9 8 2 年j o h nf a g l e y ， h s c o t t f o g l e r ，c b r e n t ，d a v e n p o r t ，r s m i l l h o n e 等对关井前后井筒的热传递进行了数 值模拟，将井筒同地层耦合联立求解【2 1 。在井筒同地层之间建立起动态的对流一传导第 二类边界条件，在围岩和注入层之间建立起动态的传导一传导第二类边界条件。但此模 型只是考虑单层注入的情况，并且没有考虑在井筒和注入层之间的质焓传递。 1 9 9 4 年，王弥康在研究注蒸汽井井筒热传递的定量计算中【3 】，提出了一种“拟稳态” 方法，他在求解井筒中的温度分布时，假定井筒中是稳态传热，地层中是非稳态传热， 但井筒中的稳定传热的假设并非意味井筒内温度不随时间变化，由地层非稳态导热得出 随时间变化的温度，再反馈到井筒内稳态传热公式中去，间接地反映了井筒内传热的非 稳态性质，这样就把地层和井筒中温度分布联立起来了。1 9 9 6 年徐玉兵等人利用两相流 理论和传热学原理建立起井下温度场模型数学模型 4 1 ，利用井筒与地层间热流密度连续 性，把井筒温度同地层温度耦合迭代求解。但在此模型中没有考虑对流传热。2 0 世纪 8 0 年代以来，以陈月明教授为代表，对蒸汽吞吐注采参数优化设计进行了广泛的研究。 1 9 9 8 年，蒲海洋以周期注汽量、蒸汽干度、注汽速度和废弃产量等注汽参数为优化变量， 对多个生产指标进行优化设计【5 】。 以上理论研究主要是针对直井吞吐开采的研究，不完全适合于水平井的情况，但这 些方法对研究水平井蒸汽吞吐开采模型的建立奠定了良好的基础。1 9 9 3 年，徐明海、任 瑛、王弥康等人推导了水平井注蒸汽过程中水平井段内汽液两相变质量流的数学模型， 并用数值解的方法计算了水平段内蒸汽质量传递和热量传递的规律【6 】。1 9 9 8 年，赵刚、 杨洪、俞晓林将水平井处理成沿长度方向上的一维管内流动模型，也就是忽略管内径向 上的分层、乳化现象等井筒内部效应对水平井总的影响，建立了水平段与油层之间的传 热与传质模型7 l 。2 0 0 5 年，倪学峰、程林松考虑水平井筒变质量流的特点，建立了蒸汽 2 中困石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 压力、温度和干度沿水平段分布的数学模型，并建立了水平段蒸汽吞吐加热模型引。2 0 0 6 年，l i u b o ，l i u x i n 等人研究了使水平井注入采出剖面更为均匀的新技术【9 】，针对水平 井沿筒流量的不均匀分布导致波及效率低并且未波及到的油层面积大的问题，提出在防 砂和不防砂情况下调整整个水平井沿筒的流量分不。所建立的用于水平井内和周围流动 的解析模型把井内和该井周围油层内的流动联系起来，并提供了适用于沿着注入采油水 平井筒衬管或筛管的割缝孔眼的显性方程式。2 0 0 7 年陈德民、周金应等人建立了水平 井热采的吸汽能力模型【1 0 】，特别针对稠油油臧采用蒸汽热采的方式，研究吸汽能力的分 布模型。但在其中的压降模型都是基于井筒单相流动模型，而且在求解干度变化时，并 未考虑质量变化对干度的影响。 热采数值模拟是热采开发方案设计的一个组成部分，近1 0 年来一般应用商业模拟 器。在最近的1 0 年中，新的模型较少，更多的工作是对存在的问题解进行修j 下和改进， 以提高模拟器的效率，例如网格加密、网格方向、温度对相对渗透率的影响、数学模型 和求解方法。1 9 9 8 年，马鸿等人利用数值模拟方法，对水平井注蒸汽的开发、布井方式 等进行研究，对影响水平井开发的敏感性参数进行了研究【1 1 】。2 0 0 4 年，周其花等人利 数值模拟器对水平井位置、长度、射孔等工程参数等进行了优化【12 1 ，提出水平井参数优 化对提高水平井开采效果的重要性，并指出其参数设计应根据油藏实际条件进行综合调 整。 1 2 2 现阶段存在的问题 随着油藏或区块吞吐开采的进行，特别是到了中后期，由于蒸汽吞吐开采自身缺陷 导致了一系列问题的出现。具体反映有： ( 1 ) 蒸汽吞吐采油过程中的主要技术矛盾是由于湿饱和蒸汽的特性和油藏非均质性， 注入油层的蒸汽向顶部超覆推进及沿高渗透层指进，影响了波及系数。因而，如何保证 井底蒸汽干度高水平，并有效调控吸汽剖面，是蒸汽吞吐开采的核心技术，尤其对于深 层、层状多层稠油油藏。 ( 2 ) 蒸汽吞吐开采是单井作业，而且是依靠天然能量开采，一般单井吞吐周期最多不 超过8 次，极少数油井可达1 0 次。不可能无限期持续开采。随吞吐周期数增加，周期 产量、日产量及油汽比均逐次递减，年递减率大于2 0 。 ( 3 ) 某些油藏由于边底水的严重入侵，含水上升，开采难度加大。 ( 4 ) 储量动用不均，井问干扰明显，汽窜现象严重。 3 第一章前言 ( 5 ) 油井出砂日趋严重，造成砂卡、砂埋，使油井不能正常生产。 ( 6 ) 受周期吞吐、油井出砂等影响，套管损坏、井下落物造成油井停产，影响到油井 利用率和工艺措施的实施。 1 2 3 发展趋势 近几年来，蒸汽吞吐技术在多方面进行了探索，其中在应用各种助剂改善吞吐效果 方面取得很大进展【1 3 1 。 ( 1 ) 注入蒸汽中加入天然气。注入天然气的增产机理是：扩大蒸汽加热带体积，增加 油层能量，回采时发挥气驱助排作用。 ( 2 ) 注蒸汽时注入溶剂。对于粘度较高的稠油，在注入蒸汽f j i 注入轻质油等溶剂，能 够增加周期产量及油汽比。 ( 3 ) 注入蒸汽中加入高温泡沫剂( 表面活性剂) 。注入泡沫剂可以调整吸汽剖面，增加 周期产量及油汽比。有研究表明，加入o 5 1 o 的表面活性剂能够扩大吸汽剖面l 3 1 2 1 4 2 1 。 ( 4 ) 注蒸汽f j 注入聚合物。在注蒸汽前注入高浓度的聚合物溶液。聚合物在很长一段 时间作用于高渗透带，而不影响低渗透性层带，进而提高波及系数4 3 1 。 ( 5 ) 辅助蒸汽吞吐和n 2 驱替。试验的开采效果表明，氮气蒸汽热采工艺技术是稠油 热采蒸汽吞吐后期转换开采方式的行之有效的途径4 4 1 。 此外，现在的稠油开采越来越倾向于水平井和复合井技术的应用。与常规井相比， 水平井具有提高生产能力、加快开采速度和降低底水锥进等优点。而复合井更是油藏工 程师有力的新工具，它通过复杂的井结构引入一种新思路，通过较多的测向井进入到以 前未被捕集到的原油带，可以视为一种提高原油采收率技术，与直井甚至单个水平井相 比，复合井具有更多的优势。 1 3 本文的主要内容及技术路线 ( 1 ) 现场应用及存在的主要问题 水平井蒸汽吞吐技术在现场已经得推广，取得了较好的效果，但由于我国对该技术 的研究和试验起步较晚，目前虽已取得很大进展，但仍有很多难题有待解决。在注蒸汽 热采过程中，解决稠油有效注汽是开发中的关键和难点，虽然采取油层预处理、油溶性 降粘剂降压、高温防膨、亚临界锅炉注汽等配套技术来提高注汽效率，但是仍然存在注 4 中国石油人学( 华东) 硕一1 j 学位论文 入压力高、蒸汽不能有效扩散的问题，尤其对于水平井蒸汽吞吐，水平段较长，还存在 蒸汽沿井筒流量不均匀分布的情况，造成蒸汽波及效率低并且未波及到的油层面积大。 表1 1 是胜利某采油厂采用水平井蒸汽吞吐进行生产实际生产数据，由以下四口井 的生产数据可以看出，现场应用中还存在很多的问题，导致生产不能正常进行。 表1 - 1 胜利某采油厂利用水平井蒸汽吞吐开采稠油生产数据 t a b l e1 - 1 p r o d u c t i o nd a t ao fc y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o n w i t hh o r i z o n t a lw e l l b o r ei naf i e l do fs h e n g l i 井注汽开井时间日液日油含水周大周期产周期产停产时间停产 号 量( t )( 年) ( t )( t )( t ) ( d )油( t ) 水( t ) ( 年) 原冈 6 9 2 99 4 4 85 4 31 9 66 3 81 2 32 4 1 54 2 6 5 7 2 6 79 4 9 2 04 2 69 37 8 33 5 l3 2 5 l1 1 7 0 4 高含 l0 0 3 5 6 2 2 79 5 1 1 54 3 98 08 1 73 7 53 0 0 71 3 4 6 0 水 7 3 0 99 6 1 2 2 83 9 82 09 5 11 1 1 22 1 7 94 2 0 8 2 高含 26 2 6 99 7 2 2 l8 7 9 93 46 1 72 2 47 5 51 2 1 69 7 1 0 8 水 5 3 0 29 6 1 2 1 45 0 5o o1 0 0 02o1 0 1 低产 39 7 3 8 5 3 6 69 7 2 2 78 81 08 8 6553 9 油稠 4 1 1 90 4 1 0 2 87 636 0 38 72 6 34 0 5 0 5 1 0 1 9低产 4 3 9 7 5 2 0 0 5 8 1 81 1 10 9 9 1 76 0 5 56 0 9 0 6 1 0 2 1 4 l1 32 5 50 99 6 52 32 05 6 70 6 1 1 1 7转周 1 1 1 7 蒸汽吞吐开采稠油是一项技术很复杂的系统工程，对于给定的稠油油藏，蒸汽吞吐 的开采效果将直接取决于注采参数及其注入蒸汽的热能利用程度。注采参数的确定不仅 受锅炉条件、地面管线和井筒条件限制，而且还受到地层吸汽能力的限制，流体在地面 管线、井筒及地层中的流动相互制约、相互影响。开展稠油油藏蒸汽吞吐注采参数系统 研究，对于已有的注采系统，优化注采参数，提高热能利用效率，制定合理的工作制度 就显得十分重要，同时，对于稠油油藏蒸汽吞吐的注入参数及生产设计具有指导意义。 ( 2 ) 本文研究的主要内容 结合现场，分析影响水平井开采的地质参数及敏感性分析。 分析注汽参数对水平井蒸汽吞吐开采的效果的影响。 建立蒸汽由井口至水平段流动过程中的压力、温度、干度的计算模型和热损失模 型，研究在注汽过程中，井底蒸汽参数随时间的变化规律。 5 第一章前言 根据水平井变质量流的思想，应用质量守候定律、动量守恒定律、能量守恒定律， 建立蒸汽沿水平段的质量损失和热量损失的计算模型。通过对地层的吸汽能力的研究， 得出水平井注蒸汽过程中的地层吸汽能力模型，编制相应的计算程序，得到井筒压降、 温度变化规律，以及蒸汽干度、流量等参数变化规律。 研究改善开采效果的措施，研究注蒸汽时添加活性剂以及活性剂用量、注入时机 等对采油效果的影响。 ( 3 ) 本文研究的技术路线 利用数模技术，结合现场应用，分析影响水平井开采的地质参数，研究井深设计 参数的影响。 利用数模技术，分析周期注汽量、注汽干度、注汽速度、焖井时间等注汽参数对 水平井蒸汽吞吐开采的效果的影响。 建立蒸汽由井口至水平段流动过程中的压力、温度、干度的计算模型，计算蒸汽 流动过程中的热量损失，研究在注汽过程中，井底蒸汽参数随时间的变化规律。 通过对已有的模型进行改进或重新推导新模型，根据水平井变质量流的思想，应 用质量守候定律、动量守恒定律、能量守恒定律，建立蒸汽沿水平段的压力、温度和干 度的计算模型。 通过对地层的吸汽能力的研究，得出水平井注蒸汽过程中的地层吸汽能力模型， 该模型不仅考虑热传递的，还考虑蒸汽内能和摩擦损失的影响和井筒流量变化的影响， 编制相应的计算程序，得到井筒压降、温度变化规律，以及蒸汽干度、流量等参数变化 规律。 研究改善开采效果的措施，通过数值模拟技术，研究注蒸汽时添加活性剂以及活 性剂用量、注入时机等对采油效果的影响，研究活性剂对注汽压力的影响。 6 中围石油人学( 华东) 硕t - 学位论文 第二章水平井蒸汽吞吐开采的机理 2 1 热力采油的分类 热力采油是稠油油藏中应用最为广泛的方法之一，就其对油层的加热方式通常分为 两类。一是把热流体注入油层，如注热水、蒸汽吞吐、蒸汽驱等；另一类是在油层内燃 烧产生热量，称为层内燃烧或火烧油层。其中火烧油层又分为：干式向前燃烧法、湿式 向前燃烧法和反向燃烧法。在热力采油中，主要采用蒸汽吞吐和蒸汽驱【14 1 。 图2 1 为常用的热力采油方法分类情况。 2 1 1 热力驱油 1 注热流体 注热流体就是将预热了的流体注入到一个相对而言较冷的油层。流体可以是平常的 水( 包括液态水和水蒸汽) 和空气，也可以是其它的气体，如天然气、二氧化碳、烟道气 以及溶剂。注热流体又可分为：热水驱、燕汽驱和热气体驱。 ( 1 ) 热水驱 热水驱就是将热水注入到地层。注热水的主要作用就是降低原油的粘度，从而提高 原油的驱并效率，以超过常规注水的驱替效率。热水驱的设计和操作在许多方面与常规 注水有相同之处。 ( 2 ) 蒸汽驱 是注热流体中广泛使用的一种方法。蒸汽驱是指按照优选的开发系统一开发层系、 井网( 井距) 、射孔层段等，由注入井连续向油层注入高温湿蒸汽。加热并驱替原油由生 产井采出的开采方式。当瞬时油汽比达到经济界限( 一般为0 1 5 ) 时，蒸汽驱结束或转为 其他开采方式。 7 第二章水平片蒸汽吞吐开采的机理 图2 - 1 稠油热采方法分类不葸图 f i g2 - 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e r m a lo i lr e c o v e r y ( 3 ) 热气体驱 注热的不凝结的气体只是偶尔做过试验。不凝结气体的低粘度造成流度比小，因而 驱替效率低。由于气体密度小，为了供给与热水或蒸汽相当的热量，要求注入庞大体积 的气体才能达到目的。 2 火烧油层 火烧油层是把氧气注入油层，使油层中的原油着火，油层中的部分原油燃烧产生热 量。注空气是向油层中供给氧气的最普通方法。 火烧油层可分为：干式向前燃烧法、湿式向前燃烧法和反向燃烧法。 ( 1 ) 干式向前燃烧法 干式向前燃烧法即仅仅注入空气称之为干式向i j 燃烧、火烧油层或火驱法。干式向 8 中国石油大学( 华东) 硕一l 学位论文 前燃烧法是当空气连续注入时，燃烧前缘离开注入井向前扩展，燃烧前缘与空气的运动 方向相同。于式向前燃烧过程的一个特征是己燃区的温度保持较高，因为注入空气的热 容量太低，不能带走很多热量。 ( 2 ) 湿式向前燃烧法 将水和空气以一定比例注入油层，称为湿式向f j 燃烧法。 这种方法比较干式向前燃烧法而言有一定的优势。第一，它比单独注空气更有效地 传递热量。第二，燃烧前缘前面的蒸汽区比较大，因而也比单独用空气更有效地扫沈油 层。 对低渗透率油层，同时注入预定量的空气和水可能有困难。在这种情况下，可以交 替注入空气和水，每一种注几天。注空气和注水周期的持续时间可以用要达到预定的平 均水空气比值来控制。也可以用所希望改进的燃烧前缘速度或温度大小来控制水空气 比值。 ( 3 ) 反向燃烧法 这种方法的燃烧前缘是在生产井中被点燃的，而且它的移动方向与空气流动方向相 反。这种方法由于存在一些缺点而未能广泛的运用。 2 1 2 热力增产 按照热力增产定义，增产措施能减小流动阻力，因而提高油层驱油能力而增加原油 产量。在热力增产中，一种总是有效的机理是降低原油和水的粘度，另一种是清洗井筒。 在热力增产措施中，可以用加热井筒和井简附近油层的办法来降低流动阻力。它可 分为三种：井筒加热、蒸汽吞吐和火烧油层【4 】。 ( 1 ) 井筒加热 在井筒加热中，井筒是在生产层段被加热的。井筒的加热通常用燃烧天然气的井下 燃烧器，或用电力电缆传输的井下加热器，或在地面上用加热液体进行循环。也有人提 出用通过油层通电来加热的方法。 目前，井筒加热基本上已被蒸汽吞吐所取代，一般来说，蒸汽吞吐比井简加热有效 得多。 ( 2 ) 蒸汽吞吐 是指向一1 ：3 生产井短期内连续注入一定数量的蒸汽，然后关井( 焖井) 数天，使得热 量得以扩散，之后再开井生产。当瞬时采油量降低到一定水平后，进行下一轮注汽、焖 9 第二章水、f j r - 蒸汽吞吐开采的机理 井、开采，如此周期循环，直至油井增产油量无经济效益或转变为其他开采方式为止。 蒸汽吞吐与蒸汽驱相比较，能较早提高产量，而且单位注汽量采的油多。但是蒸汽 驱的最终采收率要高。所以，可以将这两种方式结合起来。 ( 3 ) 火烧油层 作为一种增产处理方法，可以认为主要是用来燃烧固体有机物、稳定粘土，增大生 产井筒附近的绝对渗透率。其过程是点燃地下原油，并连续注入空气一直到井筒附近的 加热区范围达到所需要的规模，再开井恢复生产。 2 2 水平井蒸汽吞吐开采的机理 2 2 1 基本概念 蒸汽吞吐方法即所谓的循环注蒸汽或油井激励，是周期性向油层中注入蒸汽，将大 量热带入油层的一种稠油增产措施。注入的热量使原油粘度大大降低，从而提高了地层 和油井中原油的流动能力，起到增产作用15 1 。 蒸汽吞吐作业的过程分为三个阶段，即注汽、焖井及回采。注蒸汽作业前，要准备 好机械采油设备及出油条件，油井中下入注汽管柱一隔热油管及耐热封隔器。注蒸汽锅 炉及水处理设备调试正常后，开始通过注汽管柱向油层注汽。 注完预定的蒸汽数量后，停止注汽，关井，也叫焖井。焖井的目的是使注入近井地 带油层的蒸汽尽可能扩展，扩大蒸汽带及蒸汽凝结带( 即热水带) 加热地层及原油的范围， 使注入热量分布较均匀。 在回采阶段，当油层压力比较高时，油井能够自喷生产。开井生产最初几天，采出 液中含水率很高，往往最初的1 - - - 2 天几乎全是蒸汽凝结水。但很快就会出现产油高峰。 高峰期的产量往往很高，超过常规采油时的几十倍，这正是增产的主要时机，一切工艺 措施应追求高峰期尽量延长。高峰期产出的原油温度很高，一般超过注汽温度之半。回 采阶段生产管柱中的原油及凝结水携带出大量热能，因而原有粘度很低，有利于抽油泵 及杆柱j 下常工作。 随着回采时间延长，由于油层中注入热量的损失及产出液带出的热量，被加热的油 层逐渐降温，流向近井地带及井底的原油粘度逐渐增高，原油产量逐渐下降。当产量降 到某个界限时( 经济界限产量或极限井口原油温度) ，结束该周期生产，重新进行下一周 期蒸汽吞吐。第二次注汽、焖井及开井回采。如此多周期吞吐作业，最后转入蒸汽驱丌 采。蒸汽吞吐方法是一种强化热采手段，不仅产量增加快，而且投资回收快，经济效益 1 0 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 好。 2 2 2 蒸汽吞吐增产机理 稠油油藏进行蒸汽吞吐开采的增油机理主要有【l5 】： ( 1 ) 油层中原油加热后粘度大幅度降低，流动阻力大大减小。粘温敏感性是稠油热采 的主要机理。向油层注入高温高压蒸汽后，近井地带相当距离内的地层温度升高，将油 层及原油加热。虽然注入油层的蒸汽优先进入高渗透层，而且由于蒸汽的密度很小，在 重力作用下，蒸汽将向油层顶部超覆，油层加热并不均匀，但由于热对流及热传导作用， 注入蒸汽量足够多时，加热范围逐渐扩展，蒸汽带温度仍保持基地蒸汽温度。蒸汽凝结 带，即热水带的温度虽有所下降，但仍然很高。形成的加热带中的原油粘度将由几千到 几万毫帕秒降低到几个毫帕秒。这样，原油流向井底的阻力大大减小，流动系数成几十 倍的增加，油井产量必然增加许多倍。 ( 2 ) 对于油层压力高的油层，油层的弹性能量在加热油层后充分释放出来，成为驱油 能。受热后的原油产生膨胀，原油中如果存在少量的溶解气，也将从热原油中逸出，产 生溶解气驱的作用。对于油层压力较高的油层，油层的弹性能量在加热油层后充分释放 出来，成为驱油能量。而且，受热后的原油产生膨胀，一般在2 0 时体积膨胀1 0 ， 原来油层中如果存在少量的游离气，也将溶解于热原油中。即使一般稠油油藏的原始气 油比很低，加热后溶解气驱的作用也很大，这也是重要的增产机理。 ( 3 ) 对于厚油层，热原油流向井底时，除油层压力驱动外，还受到重力的驱动作用。 ( 4 ) 带走大量热量，冷油补充入压降的加热带。当油井注汽后回采时，随着蒸汽加热 的原油及凝结水在较大的生产压差下采出过程中，带走了大量热能，但加热带附近的冷 原油将以极低的流速流向近井地带，补充到降压的加热带。由于吸收油层、顶盖层及夹 层中的余热而将原油粘度降低，因而流向井底的原油数量可以延续很长时间。尤其对于 普通稠油( 粘度在1 0 0 0 0 m p a s 内) ，在油层条件下本来就具有一定的流动性，当原油加热 温度高于原始油层温度时，在一定的压力梯度下，流向井底速度加快。 ( 5 ) 流体和岩石的热膨胀作用( 例如回采过程中，蒸汽的膨胀，以及部分高压凝结水 由于突然降压闪蒸为蒸汽) ，使得孔隙体积减小，增加产出量。 ( 6 ) 油层解堵作用。稠油抽藏在钻井完井、井下作业及采油过程中，入井液及沥青胶 质很容易堵塞油层造成严重的油层损害。一旦造成损害后，常规采油方法，甚至采用酸 化，热洗等方法都很难清除堵塞物。这是由于固形堵塞物受到稠油中沥青胶质成分的粘 第二章水甲井蒸汽吞吐开采的机理 结作用，加上流速很低时很难排出，不像轻质原油油藏在采油初期有那样强的自喷“自 洁”解堵作用。但是，在采用蒸汽吞吐技术后，油井产量出乎预料的高。蒸汽吞吐后的 解堵机理在于：注入蒸汽加热油层及原油大幅度降粘后，在开井回采时改变了液流方向， 油、蒸汽及凝结水在放大生产压差条件下高速流入井筒，将近眼地带的堵塞物排出，尤 其是第一周期，解堵起到了很重要的作用，大大改善了油井渗流条件。 ( 7 ) 注入油层的蒸汽回采时具有一定的驱动作用。注入油层的蒸汽回采时具有一定的 驱动作用。在回采降低井底压力过程中，蒸汽将大大膨胀，部分高压凝结热水则由于突 然降压闪蒸为蒸汽。这些都具有一定程度的驱动作用。 ( 8 ) 高温蒸汽的蒸馏裂解作用等。油层中的原油在高温蒸汽下产生某种程度的裂解， 使原油轻馏分增多，起到一定的溶剂抽提作用。 ( 9 ) 改善相对渗透率作用。在非均质坤层中，注入湿蒸汽加热油层后，在高温下，油 层对油与水的相对渗透率发生变化，沙粒表面的沥青胶质性油膜破坏，润湿性改变，由 原来油层为亲油或强亲油，变为亲水或强亲水。在同样水饱和度条件下，油相对渗透率 增加，水相对渗透率降低，束缚水饱和度增加。而且热水吸入低渗透率油层，替换出的 油进入渗流孔道，增加了流向井筒的可动油。 ( 1 0 ) 预热作用。在多周期吞吐中，前一次回采结束时留在油层中加热带的余热对下 一周期吞吐将起到预热作用，有利于下一周期的增产。现场生产中常发现第二周期的峰 值产量较初次吞吐要高，原因就在于此。总的生产规律是随着周期的增加，产油量逐次 减少。 ( 1 1 ) 放大压差的作用。以上蒸汽吞吐增产机理发挥效力的必须条件是放大压差采油。 要尽力在开井回采初期放大生产压差，即将井底流动压力或流动液面降到油层位置，即 抽空状态。获取初期阶段的峰值产油量及排水率，对增加周期总产量至关重要。 ( 1 2 ) 边水的影响。某些有边水的稠油油藏，在蒸汽吞吐采油过程中，随着油层压力 下降，边水向丌发区推进，一方面它补充了驱动能量，但是一旦边水突破含水率将大幅 度增加，总的来说这种作用是弊大于利的，尤其是极不利于以后的蒸汽驱开采，因而应 控制边水推进。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 第三章影响水平井蒸汽吞吐效果的工程参数分析 影响水平井蒸汽吞吐生产效果的因素包括地质参数、井身设计参数和注采参数等。 由于地质状况较难改变而井身设计参数、注采参数可以得到人为的控制，因此本章定性 分析了地质参数对水平井蒸汽吞吐生产效果的影响，定量分析了井身设计参数对水平井 蒸汽吞吐生产效果的影响。 3 1 水平井蒸汽吞吐开采地质条件的影响 下面叙述的是影响水平井蒸汽吞吐生产效果的地质参数( 包括流体物性参数) 【1 6 1 。 ( 1 ) 原油粘度的影响。原油粘度对蒸汽吞吐开采效果的影响很大，其主要原因在于： 原有粘度越高，其流动性越差，在天然能量驱动下，产油量低，开采效果差。原油粘度 随温度的增高而降低，蒸汽吞吐开采热波及的范围有限，油藏原油粘度越低，形成的波 及范围越大，供油量较大；相反，原油粘度高，波及范围就小，当原油粘度高到难以流 动时，冷油很难进入泄油区，因而采出油量有限。在相同的截止产量条件下，蒸汽吞吐 开采随着压力、温度的下降，原有粘度越高，吞吐周期短，周期采油量少。 ( 2 ) 油藏有效厚度的影响。油藏有效厚度对蒸汽吞吐效果影响较大。在油层有效厚度 不同、其他油藏地质条件相近的情况下，一般油层厚度大，吞吐产量高，周期长，周期 产量大，油汽比高，开发效果好。油层薄，顶底盖层及央层热损失大，吞吐开采产量低、 油汽比低。 ( 3 ) 净总厚度比的影响。对于存在夹层的油藏，由于夹层的存在，在水平井蒸汽吞吐 开采过程中，会引起热损失的增加。用净总厚度比的概念定量描述，其定义为油藏有效 厚度( 净厚度) 与油藏总厚度之比。净总厚度比越小，注入蒸汽的热量相当一部分损失在 夹层中，注入蒸汽热效率越低，从而导致加热范围减小，蒸汽吞吐开采效果变差，根据 国外经验和研究结果表明，一般总厚度l l , j , 于o 4 的油藏不适宜与蒸汽吞吐开采。 ( 4 ) 原始含油饱和度的影响。油层中含油量的多少对蒸汽吞吐的开采效果有较大的影 响。研究结果表明：原始含油饱和度降低，蒸汽吞吐开采的效果变差，峰值产量低。这 主要是由两方面原因引起的： 原始含油饱和度越小，可流动油越少，油水两相流动时水相相对渗透率增大，产 水量增多，产油量减少。 由于水的比热大于油的比热( 约大于一倍) ，使注入蒸汽的加热范围相对减小，最 1 3 第二三章影响水1 z 井蒸汽吞吐效果的t 程参数分析 终也导致泻油范围减小，蒸汽吞吐开采效果变差。研究认为，蒸汽吞吐开采，经济有效 的原始含油饱和度应高于o 5 。 ( 5 ) 油层渗透率的影响。油层渗透率对蒸汽吞吐开采效果有较大的影响。稠油油藏一 般多为疏松的砂岩油藏，物性好，渗透率较高，有利于蒸汽吞吐的开采。渗透率越大高， 油层流动系数越大，油层吸汽能力强，产油能力高，因而蒸汽吞吐的开采效果好。 ( 6 ) 油层非均质性影响。油藏渗透率非均质性对蒸汽吞吐的开采效果影响较大。在油 层中存在高渗透率层时，注入蒸汽将优先进入高渗透率层而导致层问吸汽不均，在蒸汽 吞吐初期，吞吐效果较好( 因加热带扩大) ，但对后续的吞吐和蒸汽驱产生不利的影响， 油层储量动用不均，从而影响整个油藏的开采效果。 ( 7 ) 边底水的影响。边、底水的存在将会对稠油热采带来不同程度的影响，这种影响 主要表现在边水入侵、底水锥进。其影响程度一是取决于边、底水的能量大小，即活跃 程度；二是取决于生产井离水体的距离。具有活跃边、底水的稠油油藏，在热采过程中， 由于水体导热性能好以及水、油粘度悬殊，对蒸汽吞吐将带来不利的影响。 ( 8 ) 油藏深度。随着油层深度增加，井筒热损失增大，井底蒸汽干度降低，而且套管 温度升高超过安全极限也会受到破坏。因此，对于蒸汽吞吐开采，油藏深度最好小于 1 8 0 0 m 。 3 2 水平井井身设计参数的影响 利用热采水平井数模技术开展了单水平井水平段长度优化、水平段在油层中位置优 化、单井蒸汽吞吐注采参数优化等研究，在这些研究中阐述了热采水平井增产的机理， 同时为热采水平井油藏工程设计提供了理论依据【1 7 。2 1 1 。 3 2 1 蒸汽吞吐水平井水平段长度优化 水平井蒸汽吞吐效果的好坏，与沿水平段能否注入较高干度的蒸汽关系密切。油层 越深，水平井的直、斜段就越长，蒸汽吞吐时的井筒热损失越大，到达水平段首端的蒸 汽干度越低。另外，蒸汽沿水平段向术端运动时，由于油层吸汽和热交换，蒸汽干度也 会越来越低，造成末端加热效应变差。由于以上原因，热采水平井水平段长度不是越长 越好。对于油层深度