稠油油藏注蒸汽热采过程的汽窜与防治.docx

稠油油藏注蒸汽热采过程的汽窜与防治汪益宁(中国地质大学能源学院, 北京 100083)摘要: 通过对稠油油藏注蒸汽过程中汽窜的现象的发生、危害及汽窜现象产生原因的分析, 对八面河油田面 120 区稠油汽窜的油藏地质因素和工艺因素等进行了分析, 并对防治汽窜的手段进行了探 讨, 提出了适合稠油蒸汽吞吐开发汽窜防治的措施。 现场应用表明: 通过采用井网调整、射孔参数优化、蒸汽吞吐工艺改进、油层改造等技术手段, 可以有效抑制和利用汽窜, 改善油层动用状况, 提高油藏开发 效果。关键词: 稠油油藏; 蒸汽吞吐; 汽窜; 防窜措施八面河油田面 120 区位于八面河油田的西南部, 构造位置处于东营凹陷南斜坡八面河断裂构造 带南端翘起部位, 广饶凸起的北部。油层主要分布在 沙四段 1 砂组和沙三中 1、2、3 砂组。自 2001 年开始 蒸汽吞吐开采, 由于受油藏地质条件、工艺技术等的 影响, 蒸汽汽窜现象严重, 严重制约了油田高效开 发, 本文主要对汽窜的影响因素和防治方法进行研 究, 为同类油藏的开发提供借鉴。1 汽窜现象及危害当邻井注汽时, 生产井产液量增加, 含水上升,井口温度升高; 汽窜严重时, 相邻井注汽, 生产井产 水量急剧增加, 含水接近100% , 并伴有一定蒸汽, 此为汽窜的典型现象。1. 1 典型的汽窜现象表观1. 1. 1蒸汽窜由于油井井距较小, 蒸汽吞吐轮次增 多, 油层形成了高渗透通道, 蒸汽直接由注入井窜入生产井, 导致汽窜。1. 1. 2 热水窜在稠油吞吐过程中, 汽窜多发生在多周期吞吐 后, 蒸汽由注入井向生产井推进, 沿程热量损失, 冷 凝成热水, 由生产井产出, 形成热水窜, 有时还会出现闪蒸现象。1. 1. 3 压力传导邻井注汽, 压力通过高渗层传导至生产井后, 导 致生产井产液量上升, 此时不加以控制易发生热水 窜、蒸汽窜及严重的出砂现象, 而且一旦产生压力传导之后的控制十分困难。1. 2油藏注蒸汽过程汽窜特点1. 2. 1汽窜现象长期普遍存在八面河油田面120 区稠油2001 年投入注蒸汽开 发, 汽窜现象伴随着开发的进行一直存在, 汽窜比例 占注汽井次的 50% 左右, 年影响产量在 4 千吨左右(表 1)。表 1面 120 区注蒸汽开采汽窜情况统计表年度项目200020012002200320042005吞吐井次 口汽窜井次 口 比例 % 影响产量 万吨231252. 10. 28513568. 60. 46765065. 80. 48874956. 30. 59793443. 50. 48823947. 50. 451. 2. 2汽窜现象具有远距、多向特点稠油注蒸汽过程中的汽窜在第 1 周期蒸汽吞吐 过程中就存在, 汽窜最远距离达到 2 - 3 个井距, 汽窜发生时, 受窜井反映明显, 注蒸汽井压力在18M P a左 右, 温 度 在 350左 右, 而 受 窜 井 最 高 压 力 达 到5M P a 以上, 井口温度达到 200以上, 汽窜方向达 到 4 5 个。1. 3汽窜的主要危害1. 3. 1加剧层间及平面矛盾 汽窜发生周期普遍较低, 油藏动用程度低, 而汽窜容易在高渗层中形成通道, 使油藏动用不均的矛 盾加剧, 不利于油藏开发效果的改善和采出程度的收稿日期: 2007- 08- 12作者简介: 汪益宁, 男, 工程师, 1972 年出生, 1995 年毕业于江汉石油学院油田化学专业, 长期从事油田开发技术工作,现为中国地质大学 (北京) 能源学院在读研究生。内蒙古石油化工2007 年第 12 期398提高。1. 3. 2严重影响井况受窜井液量剧增, 温度升高, 导致地层出砂, 严 重的还可能导致套管受损。1. 3. 3能耗严重且有安全隐患注汽量散失, 从无效受窜井无控制逸散, 在受窜 井周围产生高压高温区, 既浪费大量热能又存在极大的不安全因素。2汽窜原因分析汽窜的产生由储层地质原因、开发方案设计、工 艺技术等因素引起的, 甚至可能是多因素综合作用 的结果。2. 1储层地质原因2. 1. 1储层物性较好面 120 块沙四段 1 砂层组属于淡 咸水环境下 的滨 浅湖沉积。 储层物性条件较好, 为中孔、中渗 中高渗储层 ( 表 2- 1) , 客观上有利于汽窜现象的产生。2. 1. 2储层非均质性严重, 高渗层容易单层突进面 120 块沙河街组的主要物源为南部和东南部 的广饶凸起, 砂体分布相对较稳定。 E s4 1 砂层组为 沙四段的主力含油层系, 储层厚度较大, 一般为2535m , 其中砂岩储层厚度约 20 30m , 生物灰岩储层 整体厚度较薄, 约 4 6m 。2. 2. 1 井网变化后方案适应性未能及时调整随着吞吐轮次的增加及吞吐半径的增大, 井距 不大的情况下, 多个周期后, 井与井之间形成热水通 道, 发生汽窜。面120 区稠油开发方案的井距设计为250 300m , 随着开发方案的调整后部分井点层位 发生变化, 井距变小, 最小只有 100m , 增加了汽窜的几率。2. 2. 2 注蒸汽工艺限制由于面 120 区稠油埋深较浅 (1200m 1450m ) , 油藏破裂压力在 22. 5 25. 0M P a 之间, 初期注汽强 度过高或注汽速度过快, 受油层吸汽能力的限制, 容 易导致油层憋压, 大部分油井初期注汽压力都在16.5M P a 以上, 最高达到 18. 5M P a, 超过油层破裂压 力, 造成压裂注汽, 加快了汽窜的发生。3 汽窜防治方法研究及应用3. 1以往防止汽窜主要手段及启发 以往现场采取低速注汽、关井和注泡沫段塞等办法进行事后控制, 但是, 一来低速注汽会增大热损 失, 关井会降低油井产能, 都没能很好的解决汽窜问题; 二来汽窜往往已经发生, 带来的损失是不可逆转 的, 特别是油井出砂甚至套管损坏。八面河油田面 120 区蒸汽吞吐阶段发生汽窜的 主要原因是: 油层非均质性强、井距小、高轮次吞吐 后井间形成高含水热通道。这些客观因素很难改变,因此汽窜现象有其必然性。通过现场实践, 从射孔方 案调整开始, 考虑开发实际调整注蒸汽方案, 优选注 蒸汽工艺开展全方位治理是防治汽窜比较有效的方 法。3. 2 优化射孔设计, 控制渗透率级差面 120 区油层层间非均质性强, 渗透率级差最 高达到 66 倍, 导致油层在纵向上吸汽状况极不均 衡, 个别高渗层极易发生高强度的汽窜反映。典型井表 2- 1面 120 区稠油油藏物性参数表层位K m 25 %Sh %E s4 11E s4 12E s4 1326. 322. 617. 03. 732. 531. 923. 96. 44. 2面 120 块的层内非均质性主要表现在三个方面: 沉积韵律性、夹层分布、层内渗透率非均质。其中 层内渗透率的非均质性最为严重, 大大增加了储层 的非均质程度 (表 2- 2)。例如面 120-邻井面 120-X 11 井, 该井在 2 周期注汽时汽窜3-表 2-2 面 120 块 E s41 砂层组储层渗透率非均质指标统计1 井, 注汽量达到 680 t 时面 120- 1 井表液 量激增且产出液温度上升, 当注汽量达到 1260 t时, 受窜井面 120- 1 井口压力达到 8. 9M P a, 井口温 度达到 200以上。因此在射孔层位上, 要尽量避免对高渗层与其它层位同时射开, 在射孔层位选择上,尽量减小各层间的渗透率级差。3. 3动态注汽方案, 适应开发条件变化3. 3. 1井网组合调整注汽轮次 井网组合调整注汽轮次是指在蒸汽吞吐开发单元中, 多口井按优化设计的排列组合进行有序的蒸 汽吞吐来达到改善开发效果的方式。 面 120 区超稠变异系数突进系数渗透率级差非均质程度范围 平均值 范围平均值范围平均值1. 252. 800. 21 0. 802. 38 11. 77中等0. 391. 764. 43储层特性存在较大差异的情况下, 注蒸汽过程中, 层内非均质性越大, 油层吸汽能力差异越大, 使 注入蒸汽易沿渗流阻力较小的高渗层突进, 从而造 成指状汽窜。2. 2 方案设计及工艺因素汪益宁稠油油藏注蒸汽热采过程的汽窜与防治2007 年第 12 期399油实施组合式吞吐的方式主要有单井吞吐、多井整体吞吐等, 这些方法的原理都是通过相对集中的注 汽, 改善油藏温度场、压力场以及饱和度场的分布, 通过保持局部区域的压力平衡来达到抑制汽窜的目的, 同时提高了油层注入蒸汽的热利用率, 改善了油 井生产效果。在实际实施过程中, 我们根据油井的分 布、射孔层位和汽窜状况, 将面 120 稠油区块划分为12 个单元进行实施, 每个单元先注低渗油井, 使其渗透率基本达到或超过高渗油井后再改换注汽井,使注汽井基本上为该单元渗透率状况最低注汽压力 最高者。如面120- 5- 111 井组共有6 口井, 位于断块东北部, 是最早实施井网整合轮换吞吐的井组, 实施后 表现汽窜影响明显减弱, 吞吐周期延长, 油汽比大幅 提高, 第 2 周期后保持在 1. 0 以上, 周期产油保持在1200 t 左右, 第 8 周期达到 1398 t (图 3-1)。图 3- 1 面 120- 5-井组调整轮注的现场实践表明: 该技术可以有 效抑制汽窜, 提高蒸汽热能利用率, 改善油层动用状 况, 使油井的周期产油量和油汽比均得到提高, 它是 防治汽窜和改善蒸汽吞吐超稠油油藏开发效果, 提 高吞吐阶段采收率的一种有效途径。3. 3. 2合理利用汽窜提高整体注汽效能 井组轮替注汽技术是将汽窜发生相对频繁的数口油井划分为一个井组, 采取轮替注汽、整体采油方 式生产, 使未注汽井利用汽窜继续生产, 提高动用效 果的一种方法。适用于稠油开发中后期, 汽窜非常严 重的井组。11 井组轮注效果曲线注汽, 选择 1- 2 口井受窜生产 (图 3- 2)。 从整个实 施效果看, 4 周期后周期生产效果明显好转 ( 图 3 -3)。如面 120- 3-X 13 井组, 位于面 120 区西部, 共有2001 年投产油井4 口, 井间汽窜严重; 当油井同时注汽时, 存在抽喷现象, 说明集中注汽后地下形成的 温场能量较高, 因此, 在 4- 7 周期进行了轮替图 3- 2 面 120- 3- X 13 小井组轮替注气示意图图 3- 3 面 120-X 15 井组轮注效果曲线3-内蒙古石油化工2007 年第 12 期400轮替注汽可有效的利用汽窜井的蒸汽余热, 改善油井吞吐效果, 同时在一定程度上防止了注汽过程中 汽窜现象的进一步产生。3. 4 调整注汽参数, 抑制汽窜条件产生3. 4. 1 注汽速度在油层没有有效采出的情况下, 注汽速度过高 将造成地层破裂, 导致注汽蒸汽窜流, 近井筒地带却 不能有效加热。 当注入井生产时, 由于井底压力降 低, 裂缝的闭合及高渗透带的重新压实, 远处加热原油很难回流到生产井。 根据现场统计数据和数模结 果显示, 稠油不同吞吐阶段具有不同的最佳注汽速 度: 吞吐初期由于稠油在油层中不流动, 需要更长时 间 的预热及压力传导, 第 1、2 周期注汽速度以 68 t h 为佳, 如注汽速度过高易造成压裂注汽, 导致 过早发生蒸汽窜流; 第 3、5 周期应提高注汽速度配合加热半径扩展, 一般以8 12 t h 为宜, 第6 周期以 后注汽速度可适当提高至 13 16 t h 左右。3. 4. 2 注汽强度蒸汽吞吐的目的是通过注入高温蒸汽与原油热 交换, 实现降粘降压采出的过程, 因此注汽强度的大小是超稠油井生产效果的决定因素。 但如果注汽强度过高, 将会导致汽窜的发生或加剧汽窜程度。注汽 强度的设计要遵循产量最大化和效益最优化的结 合, 同时考虑储层物性、流体性质、注采状况等的影响。参考数模结果和现场实践, 对面120 区稠油注汽 强度设计见表 3- 1。图 3- 4 定量注汽阀示意图此外, 还可以在注汽过程中, 向井内投入一定数 量合金球, 在蒸汽的推动下优先进入高渗透层段, 强 迫低渗透层段吸汽。面120- 3- X 6 单元由于受边底水影响较少, 导 致整个井区地层压力低, 油层亏空较为严重。应用先进的恒量配汽器分层恒量配汽, 实现井区内 5 口井 近似的同注同采, 从而防止油井的汽窜、控制水淹层和高含水饱和度油层的吸汽量、恢复井区地层压力,达到提高井区周期产油和油汽比, 改善吞吐开采效 果。3. 5. 2针对不同井况合理调配注汽管柱 针对现有工艺及管柱中存在的问题, 进一步提高热效率, 进行了一系列优化工作: 将半封闭注汽管 柱改进为全封闭管柱、在未预应力完井的小套管中 开展小直径隔热管注汽、在保证注汽干度的前提下,根据地层吸汽能力调整注汽速度和注汽量, 降低注 汽压力、在多轮次井中开展小剂量热力引效试验等等, 取得了一定的效果和认识。3. 5. 3氮气辅助蒸汽吞吐 氮气做为一种来源较广的惰性气体, 因其增加弹性能量、提高波及体积和良好的助排作用, 在油田开发中得到广泛应用。 八面河油田近两年为提高多 轮次注汽井热采效果, 开展了氮气辅助蒸汽吞吐工艺的现场应用。 通过现场摸索, 优选了阶段注入法:即先期注入氮气后关井; 待压力在地层中充分扩散、表 3-面 120 区稠油注汽强度设计1周期生产层段1234567E s411 t mE s412 t mE s413 t m45- 5055- 6050- 6050- 5565- 7060- 7055- 6070- 7570- 8060- 7575- 8080- 9075- 8580- 8585- 9585- 9095- 10090- 10090- 100 90- 100 80- 1003. 5 优选井筒工艺, 控制汽窜产生3. 5. 1恒量配汽实现均匀注采 根据注汽要求和油层实际情况, 设计优化注汽管柱组合以实现恒量配汽均匀注采。 定量注汽管柱由上分注封隔器、热补偿器、定量注汽阀、下分注封隔器组成。其原理是管柱的原始状态为下部注汽单元注汽通道关闭, 上部单元通道开 启, 蒸汽通过上部注汽通道注入地层, 待上部达到预 定注汽量后, 投入钢球, 在主线上封闭注汽通道, 在 注汽压力的作用下, 推动定量注汽阀下行, 实现上部 注汽单元的关闭和下部注汽单元的开启, 完成下部 单元的注汽过程。 定量注汽阀见图 3- 4。稳 定后实施蒸汽吞吐。 在M 120-X 13、M 120-3-P 3 井中取得较好效果, 有效地缓解了多轮次热采汽窜现象增加的势头。 证明了利用注氮气补充能量对 于提高多轮次热采井有效期和回采水率、抑制汽窜具有较好的应用潜力。3. 6进行油层改造, 实现油井层段均衡吸气汪益宁稠油油藏注蒸汽热采过程的汽窜与防治2007 年第 12 期4013. 6. 1高渗层调堵封窜表 3- 2 面 120 区 E s412 段油藏污泥调剖热采效果统计表层形成伤害。 目前面 120 区稠油污泥调剖集中在面120 区西部层段为 E s4 12 的 19 口井, 目前已经实施 31井次, 汽窜规模降低了60% 以上, 同时生产效果得到 较大幅度提高 (表 3- 2)。3. 6. 2 减少地层冷伤害由稠油的粘温特性可知, 在不同温度范围内粘 度对温度的敏感性不同, 研究表明, 面 120 区原油在0 80范围内温度的升高会引起粘度的骤降, 因此极易发生汽窜现象。 现场将原来前处理工艺活性水 高温防膨剂 薄膜扩展剂的三段式注入工艺改进为复合防膨剂 薄膜扩展剂的两段式处理工艺。一方面, 通过 减少处理液用量, 将前处理剂用量降至最低, 起到了降低地层冷伤害, 提高了蒸汽热效率。 另一方面, 通 过前处理工艺的优化, 注汽压力得到明显下降。降低注汽压力保证了有足够的注汽速度; 井底干度也得 到保证, 提高了地层加热效果, 同时避免了汽窜现象的 产生。 2006 年热采 23 井次, 平均注 汽 压 力 14.8M P a, 比去年下降了 1. 5M P a。 其中以M 120- 3- X 14 两轮注汽为例: 前后压力最高降幅达 5. 5M P a; 增油量从第 6 轮的无效提高至第 7 轮的 349t。统计井数 单井注汽 单井采油采出程度区域油汽比 采注比 ( 口) ( t) ( t) ( % ) 试验区对比区 对比比例19200516750. 841. 809. 7120243215800. 651. 328. 591- 427950. 190. 481. 12- 17. 6%6. 0%28. 6%36. 3%11. 5%目前汽窜的封堵技术较为成熟, 封堵剂主要有泡沫调剖剂、颗粒型调剖剂、体膨型调剖剂等。 目前 广泛应用的主要有三相泡沫调剖、污泥调剖和 CO 2复合吞吐技术。 其中最重要的是污泥调剖污泥调剖属颗粒堵塞物理调剖, 根据A b ram s 等人的“三分之 一架桥规则”, 若颗粒粒径大