普通稠油多层火驱驱替机理及波及规律研究

2014-02-17龚姚进户昶昊宫宇宁

特种油气藏 2014年6期

龚姚进，户昶昊，宫宇宁，宋杨

(中油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010)

引言

火驱开发技术是稠油油藏蒸汽吞吐后大幅度提高采收率技术之一，具有适用范围广、驱油效率高、成本低的优势[1]。国外已开展浅层单层火驱的工业化应用[2]，国内首先在辽河油田深层薄互层油藏实现规模应用，取得较好的开发效果，同时也出现垂向燃烧率低、平面火线推进不均等问题。现场监测资料表明，火驱高温燃烧特征和开采效果存在一定差异，进一步认识普通稠油多层火驱的驱替机理，揭示火线波及规律是目前亟待解决的关键问题。

1 油藏概况

D66块开发目的层为新生界古近系沙河街组沙四上段杜家台油层，油藏埋深为800～1 200 m，平均有效厚度为44.5 m，单层厚度为1～2 m，平均孔隙度为19.3%，平均渗透率为774×10-3μm2，50℃地面脱气原油黏度为300～2 000 mPa·s，为深层薄互层状普通稠油油藏。该块1986年采用200 m井距、正方形井网、2套层系实施蒸汽吞吐开发，经过2次加密调整，形成100 m井距正方形井网。2005年采用100 m井距、反九点面积井网开展火驱先导试验，2013年实现工业化推广，目前实施规模达91个井组，日产油为670 t/d，空气油比为640m3/t。

2 火驱驱替机理

火驱开发主要机理是高温氧化、低温氧化、高温裂解、气体驱动和加热降黏，具有保持地层压力，实现蒸汽驱、热水驱、CO2驱以及混相驱等作用。

通过原油氧化实验、物理模拟、数值模拟等方法，对D66块油藏火驱机理开展深入研究。

2.1 氧化反应特征研究

2.1.1 原油热重分析

通过室内热重实验分析，D66块普通稠油油藏按失重反应划分为4个阶段:第1阶段温度为40～110℃，原油中轻烃类挥发，未脱尽的水蒸发;第2阶段温度为110～340℃，为低温氧化阶段，烃类和非烃类发生低温氧化，生成水和部分氧化物，伴随着原油中弱键的断裂，氧化反应相对简单，反应比较缓慢;第3阶段温度为340～370℃，为裂解阶段，原油中的某些组分与氧气发生不完全氧化，生成焦炭;第4阶段温度大于370℃，为高温氧化阶段，原油开始高温氧化反应，同时放出大量的热，引起某些重组分(胶质和沥青质)发生热裂化反应(吸热反应)，热裂化后的产物(较小的烷烃和芳烃)继续燃烧，直至反应结束(图1)。

从原油氧化反应放热曲线上可以看出(图2)，温度达到60℃时即开始发生放热反应，直至340℃放热量较小，此阶段是稠油一些轻组分的缓慢氧化反应;340～370℃放热量减小，此时发生裂解反应，产生焦炭;370℃时，出现一个陡峭的放热峰，说明在该点温度有明显的放热(370～550℃)。放热量在一些温度点出现不同程度的陡增，表明稠油中不同物质组分发生剧烈的高温氧化反应。分析认为，D66块油藏原油温度达到370℃，进入高温氧化阶段。

图1 D66块油藏原油氧化反应失重-失重速率曲线

图2 D66块油藏原油氧化反应放热曲线

2.1.2 原油组分变化分析

采用燃烧釜进行不同温度的低温氧化实验。常温下注空气至 4.5 MPa，反应加热至 90℃、300℃，反应12 h后，分析反应后油样和气样。

通过对原油四组分的变化分析可以看出，低温氧化反应后，饱和烃、芳香烃含量降低，胶质、沥青质含量增加，300℃低温氧化反应后，组分变化幅度较90℃低温氧化反应更大(表1)。

表1 低温氧化原油组分变化

低温氧化反应明显改变原油组分，并引起原油性质的变化，原油密度基本不变，而黏度和苯胺点均会提高，残碳含量升高(表2)。

表2 低温氧化原油性质变化

从产出气体组分分析，低温氧化反应后，O2含量下降，CO2、CH4、CO 含量少量增加，300℃ 低温氧化反应后气体组分变化幅度较90℃低温氧化反应时更大(表3)。

表3 低温氧化气体组分变化

2.2 物理模拟实验

按照比例模拟相似准则[3]，对油藏与模型进行比例模，建立三维物理模型。模拟D66块油藏中反韵律组合情况，高渗层位于模型上部，厚度为36 cm，渗透率为 271 ×10-3μm2，低渗层位于模型下部，厚度为9 cm，渗透率为60 ×10-3μm2，渗透率级差为4.5;采用该块油藏实际原油(黏度为2 023 mPa·s，密度为0.952 2 g/cm3)。重点开展纵向不同物性条件下的驱替特征研究。

物理模拟的温度场(图3)分析认为，实验可划分为3个阶段:第1阶段是点火阶段，上下层均点燃;第2阶段是燃烧前缘推进阶段，随上部油层燃烧的进行，温度达到400℃以上，发生高温氧化反应，火线形成后，受气体超覆作用影响，向油层顶部发育，而下部油层温度为200℃，仅发生低温氧化反应;第3阶段，随着高温氧化反应的进行，上部油层燃烧前缘到达生产井，下部油层由于低温氧化产生胶质封堵油层，无法进行正常燃烧。分析实验产出原油物性，原油密度变化不明显，原油黏度降低，由2 023 mPa·s降至947 mPa·s，尾气组分中O2含量降低，CO2、CO含量增加，符合高温氧化反应产出流体特征[4]。

图3 物理模拟纵向温度分布场

受纵向上油层不同物性条件制约，多层火驱具有高温氧化与低温氧化并存的特性，气体主要从渗透率高的储层通过，在点火升温的过程中，低渗层因气体通过量少，只能发生低温氧化反应，甚至火线难以推进。

2.3 数值模拟研究

选用CMG热采数模软件建立100 m反九点面积多层火驱数值模型，网格节点为22×21×25=11 550，平面网格步长为10 m，纵向油层为13层，单层厚度为2.5 m，隔层为12层，单层厚度为2 m;参考该块地层参数，模型中孔隙度为19%，渗透率为774×10-3μm2，考虑火驱过程中发生的原油裂解及高温氧化燃烧等反应[5]。模型中将原油划分为重质组分、中质组分和轻质组分，将注入的空气划分为N2和O22个组分。

根据数值模拟研究，普通稠油火驱开发分为火线形成上产阶段、热效驱替稳产阶段以及火线突破递减阶段(图4)。

图4 数值模拟火驱产量变化曲线

火线形成上产阶段:点火后持续注入空气，此时油层开始燃烧，火线初步形成，注入空气优先向高渗、低饱和度的油层推进，填补原油蒸汽吞吐的亏空，燃烧产生的热能和注入的空气使地层能量得到补充，地层压力由0.8 MPa升至2.0～3.0 MPa，油井产量不断上升，由不足1 t/d升至2～3 t/d，空气油比持续降低，由2 500 m3/t降至800 m3/t，此阶段尾气中CO2含量不断升高，由5%升至12%，尾气组分符合高温氧化燃烧油井比例达60%～70%。

热效驱替稳产阶段:注入空气与原油发生高温氧化反应，燃烧放出大量的热，前缘温度可达400℃以上，原油黏度大幅降低，重质组分裂解生成轻质油，注入空气、轻质油、燃烧尾气、水蒸汽共同驱动原油，地层压力维持在2.0～3.0 MPa，此时油井产液量较为稳定，边井产油量可达4～5 t/d，角井产油量可达2～3 t/d，空气油比保持在800 m3/t，此阶段尾气中CO2含量为14% ～17%，尾气组分符合高温氧化燃烧油井比例达90%以上。

火线突破递减阶段:随着空气的不断注入，燃烧前缘推进距离增大，火线优先到达边井，此时油井产量迅速降低，产出液含水上升，空气油比升至3 000 m3/t，尾气组分中氧含量超过安全范围5%[6]，应立即关井结束生产。

纵向上受多层油藏层间矛盾制约，不同层温度差异较大。油层中部主力层渗透率为1 016×10-3μm2，温度可达400℃，前缘推进速度为5 cm/d;上部及下部非主力层渗透率平均为363×10-3μm2，温度只有280℃，前缘推进速度为3 cm/d。结合原油氧化反应分析，主力层发生高温氧化，放出大量的热，非主力层发生低温氧化，但由于温度的升高，火线波及范围内原油黏度均降低。随着火驱时间的延长，低渗层火线推进缓慢，与物理模拟研究结果一致。

3 火线波及规律研究

3.1 平面波及规律

由于油层存在非均质性，火驱过程中火线在各油井方向的推进距离也存在差异。根据燃烧反应物质平衡原理，按某一方向燃烧所消耗的O2分别计算火线在该方向的推进距离[8]:

其中:

式中:R为火线位置，m;Q分为各井方向分配的气量，m3;Y为各井方向氧气利用率;α为各井方向分配角度，(°);H为各井方向燃烧厚度，m;As为空气耗量，m3/m3;hg为注气井油层有效厚度，m;h为生产井油层有效厚度，m;ρ为垂向燃烧率。

经计算，火线平面各方向波及不均匀，推进距离为12～50 m，存在差异。微地震测试平面上燃烧前缘自注气井开始向周边扩展，呈长轴沿北东方向的椭圆，不同方向燃烧推进距离为38.8～55.2 m。

井距小、转驱前产量高、油层厚度大的方向，火线推进较快，是见效的主力方向。100 m井距油井较141 m及200 m井距油井见效时间更短，日产量更高;转驱前产量与火驱后油井产气量呈线性关系，是因为蒸汽吞吐开发形成的汽窜通道成为气体的优势通道，是火线推进的主力方向;油层厚度大、物性好也是影响火线推进的主要因素。

3.2 纵向波及规律

井温监测资料表明，注气井吸气不均匀，纵向上各层吸气量存在差异，储层物性好的油层吸气量大，温度高。S43-043井多层点火注气，点火井段内渗透率级差为5.3，高渗层温度可达200℃以上，低渗层温度不到100℃。随注气时间增加，纵向燃烧温度分异加剧。

根据吸气剖面、井温剖面等监测资料综合分析，火驱纵向动用程度为64.5%。其中，吸气层平均渗透率为1 272×10-3μm2，不吸气层平均渗透率为289×10-3μm2，同一测试井内，渗透率级差大于4的油层多数难以动用;从油层厚度看，小于1.5 m油层占不吸气层的57.4%，在吸气层中，厚度小于1.5 m的油层仅占16.2%。综合以上分析，油层厚度小于1.5 m、渗透率级差大于4，油层不易吸气。