SAGD启动阶段操作参数和油藏特征的影响.pdf

SA GD启动阶段操作参数和油藏特征的影响 编译 梅松宜 中国石油勘探开发研究院 柯尊乾 大庆油田第十采油厂 审校 李秀峦 中国石油勘探开发研究院 摘要 本文论述了数值模拟在蒸汽辅助 重力泄油 SAGD 启动阶段的优化应用 启动期间的主要目的是在两口井间建立一致 的连通 首先注入井和生产井都循环蒸汽 然后在两口井间施加压差 这一动态过程会 造成重要的温度和压力瞬时变化 这在制定 启动策略时应该仔细考虑 通常 启动策略 的目标是使井对转到完全SAGD操作的时 间最短 并且不会对长期的生产效果造成任 何不利的影响 使用一个完全耦合的井筒 油藏热采模拟器进行敏感性分析 即研究蒸 汽循环速度 油管直径 油管隔热性和井底 压力的影响 井间压差的影响以及施加压差 的时机也是研究的对象 为了更好地理解井 筒和油藏之间的相互作用 离散化井筒被置 于混合油藏网格中 为了研究垂直和水平渗 透率 油藏压力 初始油 水饱和度和流体 性质的影响 启动策略用3个不同的例子加 以检验 它们代表了加拿大Alberta主要的 稠油生产区域 Athabasca Cold Lake和 Peace River 关键词 稠油 SAGD 启动策略 操 作参数 数值模拟 1 前言 在加拿大西部 大量的稠油和超稠油埋藏在浅 的易于钻到的油藏中 但是 由于原油黏度高 生 产者在开发这些油藏时面临巨大的挑战 蒸汽 就 地开发方式和水平井技术成为油藏开发经济有效的 方法 目前 蒸汽辅助重力泄油 SAGD 是最有 前途的方法之一 SA GD最常见的是钻2口平行水 平井 其中一口井钻在油藏的底部 另一口井钻在 第一口井的上方 两口井相距很近 一般只有5 10 m 上方井向油藏连续地注入蒸汽 下方井则 连续地采出油 气和冷凝水 Alberta能源部在上世纪90年代早期所做的实 验指出井间区域的采出程度达60 以上 这激发 了油田开发者对SA GD的兴趣 他们开始尝试在 油田现场应用这项技术 现在看来 SAGD在Al2 berta油砂矿中的大规模商业应用势在必行 在这些油藏中 原始的冷油是长时期不流动的 因此 在将井对转到完全SAGD操作之前 有必要预 热油藏并在两口平行井间建立有效的热力和水力连 通 启动阶段包括三个步骤 Vincent等 第一步 2口井都循环蒸汽 油藏内的传热方式主要是热传导 第二步 在2口井间施加压差 油藏内的传热增加了 热对流方式 第三步 井对转为完全SAGD操作 蒸 汽通过上方的井连续注入并在油藏中上升 扩展形成 一个蒸汽腔 注入的蒸汽加热了蒸汽腔周围的冷油 加热后能流动的油和冷凝水在重力的作用下向下流 动 并通过下方的井连续产出 通过启动阶段充分的模拟可以确定合适的完井 参数和操作参数 这对整个过程的优化都是至关重 要的 这就要求选择的参数能使蒸汽腔沿着注入井 平滑地发展 并避免蒸汽在生产井的某段突破 恰当的油藏模型必须适当地考虑瞬时压力和温 度沿井筒的变化 这是因为井筒状况对蒸汽腔在油 藏内的扩展有重大的影响 由于没有考虑这些变 化 经典的源 汇方法模拟井筒是不可用的 因此 需要一个完全耦合的井筒 油藏热采模拟器 使沿 井筒的主要变化能和那些油藏网格同时求解 文献中有一些井筒模型的例子 这些井筒模型 与一些商业油藏模拟器完全耦合 尤其是在热采模 拟器的例子中 多段井模拟改进 Stone等 和完 全耦合离散井筒模型 Tan 等 都是这一模拟方法 很好的例子 本文介绍了用不同的方法将一个离散井筒耦合 到一个商业油藏热采模拟器中 为了更好地体现井 筒和油藏中同时发生的热力和水力的相互作用 将 离散井筒置于混合网格中 本文也论述了完全耦合的井筒 油藏模拟器是 如何成为优化SAGD启动阶段的有效工具的 使 用模拟器进行了敏感性分析 研究了蒸汽循环速 21 国外油田工程第24卷第5期 20081 5 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 度 油管直径 油管隔热性和井底压力的影响 同 时也研究了井间压差的影响以及施加压差的时机 为了研究垂直和水平渗透率 油藏压力 初始 油 水饱和度和流体性质的影响 启动策略用3个 不同的例子加以检验 这3个例子代表了加拿大 Alberta主要的稠油生产区域 Athabasca Cold Lake和Peace River 表1给出了这3个区域在数 模中各自所使用的主要油藏参数 表1 模拟中3个区域的油藏特征参数 AthabascaCold LakePeace River 油藏顶深 m200400600 油藏厚度 m302025 油藏压力 kPa1 5003 0004 500 孔隙度013501300130 垂向渗透率 m2215113017 kh kv223 12 时的原油黏度 mPa s 2 000 00060 000200 000 甲烷气体摩尔分数00110115 原油饱和度018017018 在模型中 所有的井给定了相同的水平段长度 800 m 所有的井对给定了相同的垂向距离 5 m 每个基本网格长100 m 但是每个接近井筒 的基本网格都进行了如下的加密 加密为3 4 3 的混合网格 见图1 内部的两个环定义为油管和 环空 图1 置于混合网格的离散井筒 2 初始循环阶段 第一阶段预热期间的目标是及时地将蒸汽带到 注入井和生产井的趾端 这样就能保证沿着两口井 的温度均匀分布 也有助于在附近油藏中形成一个 均匀的蒸汽腔 在数模中 井口蒸汽干度假定为95 选择注入 压力和温度的原则 油管末端 趾端 的井底压力接 近初始油藏压力 无压裂状态下 初始条件是井筒 充满水 且水的温度与原始油藏温度一致 当蒸汽注入油管中时 热量向邻近的地层散 失 使得蒸汽冷却并形成一个冷凝前缘 冷凝前缘 向前推进并贯穿井筒 最终驱替出井筒内的原始流 体 这时 井内包括油管和环空中都将全部充满蒸 汽 其温度为每个位置的压力所对应的饱和温度 图2示意了Athabasca例子中蒸汽前缘在上方 井的井筒中推进的过程 其蒸汽循环速度为80 m3 d 注入温度为206 对于其他两个区域 温度根据油藏压力调整 图的左边示意了油管中从 跟端到趾端的温度 右边示意了环空中从趾端到跟 端的温度 可以看出 2141天 58 h 之后 油 管的趾端开始出现蒸汽 但是仅仅在开始7天之 后 温度沿油管和环空均匀分布 图2 沿井筒温度剖面 蒸汽到达趾端的最佳时间不仅有利于有效地启 动 而且也有助于预测原油生产 从而提高项目的 经济效益 由于这个时机几乎只与井内的传热有 关 所以可以预计只有诸如蒸汽循环速度 油管直 径 油管热传导率和井底压力这些变量对结果有重 要的影响 211 循环速度 为了确定启动阶段最优的蒸汽循环速度 首先 可以监测趾端温度随时间的变化 这个温度是由循 环速度决定的 在Athabasca的例子中 蒸汽循环 速度为40 60 80 100和120 m3 d 冷水当 量 Vincent等指出 蒸汽到达趾端的时间取决 于注入热的量 如图2所示 当循环速度为40 m3 d时 冷凝前缘移动相当慢以至于连续注入10 天之后趾端的温度仅上升到43 因此将不存在 蒸汽饱和状态 当循环速度为60 m3 d时 蒸汽大约在第九天 到达趾端 当循环速度增加到80 100和120 m3 d时 蒸汽到达趾端的时间分别缩短到2141天 1115天和0170天 随着蒸汽循环速度的增加 通 过增加循环速度以便蒸汽更早到达趾端的效果在减 弱 即 随着蒸汽注入速度的增加 通过提高蒸汽 循环速度来缩短的趾端见汽时间越来越短 因此 存在一个最优蒸汽循环速度 31 梅松宜 SAGD启动阶段操作参数和油藏特征的影响 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 一种确定最优蒸汽循环速度的方法是把油藏里 的温度变化作为蒸汽循环速度的函数来研究 在此 把两口井之间的中间网格块的平均温度作为敏感性 分析参数 在蒸汽连续循环10天后 将循环速度 增加到80 m3 d以上 中间块的平均温度没有显著 增加 当蒸汽到达趾端后 存在一个循环速度可使从 井筒环空向地层的热传导最大 高的循环速度意味 着高的蒸汽流动速度 蒸汽就可能没有足够的滞留 时间来有效加热地层 相反 蒸汽可能携带大部分 的原始热量返到地面 另外的解释为 循环速度越 大 压降越大 从而沿着环空的流压越低 这将导 致饱和温度越低 从而传向地层的热越少 对Cold Lake和Peace River也进行了同样的 分析 表2给出了各例中最适宜的循环速度以及相 应的蒸汽到达趾端的时间 表2 循环速度和蒸汽到达趾端的时间 循环速度 m3 d 1 蒸汽到达趾端时间 d Athabasca80214 Cold Lake120212 Peace River140218 212 油管直径 油管直径对井筒内的流速和沿着蒸汽通道的压 降有影响 因此 不同的油管直径就会产生不同的 蒸汽到达趾端时间 细油管 62 10 mm内径 使得蒸汽在更短的 时间里到达趾端 这是因为细油管内流速更高 饱 和前缘驱替得更快 另一方面 粗油管 88 19 mm 的趾端温度高 这是由于它的压降小 从而 使得 相同的井口注入压力下 在趾端和沿着井筒 环空的压力更大 饱和温度更高 进而改善了向地 层的传热 在任意时刻 使用粗油管 沿井筒的中 间块的平均温度通常更高 213 油管隔热性能 Tan等认为 隔热油管使沿注入井的压力和温 度分布更加均匀 避免了过早的尤其是在生产井跟 部的蒸汽突破 Vincent等指出 在初始循环阶 段 油管隔热有利于蒸汽更快地注入 在Athabasca例子中 蒸汽循环速度为80 m3 d 隔热层由10 mm厚 热传导率为3 105 J m d 的材料组成 使用了隔热油管之后 蒸汽到达趾端的时间缩短了大约1天 214 井底压力 启动阶段的传热过程可以在蒸汽到达趾端之后 通过增加环空压力来改善 在现场操作中 通过减 小油嘴就可实现 在模拟器中 为了避免任何可能 的地层压裂 环空的井底压力限制在原始油藏压 力 环空井底压力参考第一次完井指定位置的压 力 如井跟部的压力 为了说明井底压力对趾端温度的影响 将 Athabasca Cold Lake和Peace River的例子进行 了比较 采用的参数是最优循环速度 井底环空为 常压并接近原始油藏压力 油管内径取8819 mm 用于增加井底循环压力所花的时间 即蒸汽刚刚到 达趾端的时间是 Athabasca 215天 Cold Lake 213天和Peace River 218天 Peace River的原始 油藏压力最高 因此环空的温度和压力最大 3 压差阶段 在蒸汽循环阶段之后进入第二步 其目的在于 使两口井间的原油流动起来 这通过在两井间引入 一个压差来实现 施加压差的风险在于可能会在两 井间产生一个优先流动通道 另外 何时施加压差 以及施加压差的大小对过程的整体优化都是至关重 要的 第一个问题可以通过确定原油只在重力的作用 下开始流动的时间来解决 第二个问题可以通过敏 感性分析找到答案 即油藏对施加不同压差的响应 敏感性分析 在数值模拟中 蒸汽开始时在两口井中循环直 到能够探测到油的流动 这时通过减小生产井的注 入压力的方式在两口井间施加一个压差 在Athabasca Cold Lake和Peace River的3 个例子中 初始循环阶段没有压差时都有一个初始 产量峰值 这归因于井筒附近原油的热膨胀 但是 之后的几天里产量稳定在一个相对低值 随后 原 油流速开始逐渐增加 表明油藏中受热的原油在重 力的作用下开始流向生产井 原油开始流动的时间明显不同 Cold Lake原 油流动得快 Athabasca最慢 这些差别不仅是因 为原油黏度 Athabasca高 的差别 也有蒸汽循 环温度不同的原因 蒸汽循环温度是油藏压力 Peace River高 的直接函数 正如上面讨论的 蒸汽温度越高 传入地层的热就越多 影响这个时 间的变量还有垂直渗透率和初始含水饱和度 Vincent等指出 合适的压差大小取决于两井 间是否有较高的垂直渗透率区域 取决于含水饱和 下转第54页 41 国外油田工程第24卷第5期 20081 5 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 5 俄罗斯的 游戏 规则 2006年10月 欧盟首脑和俄罗斯总统普京在 赫尔辛基 芬兰首都 进行了会晤 会谈中欧盟首 脑试图让俄罗斯保证不会因为政治原因而中断天然 气的供应 显然欧盟政治在对待全球能源市场和垄 断供应商方面缺乏前瞻性 这让欧洲各国的天然气 需求者们大失所望 如果俄罗斯政府或其某个小的 国有公司单独占有欧洲天然气市场 那么这个公司 完全有可能自行或按照卡特尔垄断组织规则在将来 天然气涨价过程中发挥自己的影响优势 作为欧洲市场的主要供气商 俄罗斯一直努力 使自己表现出不在这个市场上利用自己的优势 可 是 近期发生的一些事件并非如此 前不久发生在英国的事件就是一个典型的例 子 由于冬季天然气供应不足 英国不得不高价买 进天然气 资料来源于美国 Oil Gas Journal 2007年6月 收稿日期 2008 04 25 上接第14页 度和两井间的距离 压差应足以产生一个平缓且一 致的驱动 以在传热过程中增加热对流的方式来加 快SAGD的启动 但是不能在两井间产生优先流 动通道 在Athabasca例子中 施加压差后地层的加热 速度在加快 首先采用均质油藏模型来模拟观测将压差从 100 kPa增加到300 kPa的影响 然后 将接近跟 部的两井间的垂直渗透率值增加到略高于水平渗透 率 以研究非均质性的影响 在所有的模拟中 Athabasca Cold Lake和Peace River分别在第50 天 第15天和第20天施加压差 以Athabasca为例 压差分别为100 150 200和300 kPa 均质油藏 压差越高 原油流速 的峰值越大 因为压差大使得原油的流动能力增 强 尤其是在原油更热的区域 如井的跟部 不 过 在均质油藏中 垂向渗透率没有变化 对以 上的任一压差值两井间都没有优先流动通道形成 Cold Lake和Peace River的结果是相同的 井跟部附近高垂直渗透率区域存在负面影响 根据启动59天后且在第50天施加了200 kPa压差 的蒸汽饱和度的横截面场 可以清楚地看到 优先 连接通道已形成 由于存在垂向渗透率的非均质性 时就能形成优先通道 所以在决定最适合的压差时 需要进行更加详细的分析 包括需要更好的油藏特 征和对不确定性的进一步确定 对Cold Lake和Peace River进行的相似的分 析表明 150 kPa的压差足以在启动阶段开始大约 30天之后在两井间形成优先流动通道 两个例子 中优先流动通道大约同时形成 这是因为虽然 Peace River的原油黏度高 但是它的温度也高 表3总结了3个例子的优化启动条件 表3 SAGD过程启动条件总结 油田 循环 速度 m 3 d 1 蒸汽到达 趾端时