孔令軍

中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京

1. 引言

Girasol油田儲層主要為第三系始新統(tǒng)-漸新統(tǒng)河流相砂巖，油藏中部平均埋深410 m，平均孔隙度27.2%，平均滲透率712 mD，總體上屬于高孔中滲、高孔高滲儲層。油藏條件下原油黏度為5000～6000 mPa?s。該油田2008年正式投入商業(yè)開發(fā)，是圣湖能源公司第一個大規(guī)模使用水平井開發(fā)的稠油油田。

2. Girasol油田長水平段蒸汽吞吐現(xiàn)狀

研究表明，水平井注蒸汽過程中，蒸汽干度和溫度隨水平段變長不斷變小[1]。根據(jù)Girasol油田現(xiàn)場PH05-Hz04井光纖檢測結(jié)果，注入蒸汽時，高溫區(qū)集中在水平井的斜井段，水平段處于相對低溫區(qū)，受蒸汽影響較小，至水平段末端溫度已降至基線，基本不受熱，整個水平段蒸汽作用剖面受熱嚴(yán)重不均。因此對于Girasol油田長達600 m的水平井，注入蒸汽至水平井末端其溫度、干度將會降得很低，末端難以發(fā)揮熱采效應(yīng)，造成單井控制儲量動用程度很低。目前區(qū)塊采出程度只有5.09%，而吞吐周期遞減率高達26.7%，水平井每米井段日產(chǎn)油量只有0.004 t，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。

3. 長水平井段均勻注汽對策研究

在國內(nèi)水平井稠油開發(fā)雙管均勻注汽工藝技術(shù)的研究基礎(chǔ)上[2]，引進了脈沖均勻注汽工藝。該工藝與常規(guī)雙管注汽工藝相比，具有3個方面的優(yōu)點：① 結(jié)合了雙管注汽和多點注汽的特點[3]，滿足了跟部和趾部的同時注汽，同時利用脈沖管的孔眼進行多點注汽，實現(xiàn)了均勻注汽的目的；② 將常規(guī)的地面蒸汽分配器轉(zhuǎn)移到井下，可以實現(xiàn)注采一體化管柱的要求，減少蒸汽吞吐轉(zhuǎn)周施工作業(yè)工作量；③ 蒸汽分配器和脈沖管孔眼可根據(jù)油藏特點進行設(shè)計，實現(xiàn)對蒸汽的有效控制。

3.1. 脈沖均勻注汽工藝原理

脈沖均勻注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。脈沖均勻注汽管柱主要部件包括井下蒸汽分配器、脈沖注汽管、中心管以及高溫皮碗封隔器等。蒸汽分配器用于連接工作筒與中心管，同時還起到分配壓力和蒸汽流量的作用?？梢酝ㄟ^控制孔的大小來控制蒸汽注入量，并消除儲層壓力差的影響，是整個管柱中非常重要的部分。脈沖管是實施均勻注汽的主要部件，其管壁上分布著大小和密度不一的孔眼。可根據(jù)井況的不同，理論計算出脈沖管上的孔眼和孔徑分布，從而達到對注入蒸汽的有效控制，實現(xiàn)均勻注汽。中心管與蒸汽分配器相連，一直延伸到水平段的頂端，經(jīng)過蒸汽分配器的分流，一定量的蒸汽沿著中心管注入到水平段的前端，以此實現(xiàn)對整個管柱均勻注汽。皮碗封隔器連接于兩節(jié)脈沖管之間，是具有彈性的密封元件，用于防止套管內(nèi)的蒸汽竄流，起到穩(wěn)定管柱和封隔的作用。

Figure 1. The structure of pulse even steam injection tubing string圖1. 脈沖均勻注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖

蒸汽注入過程中，當(dāng)蒸汽到達蒸汽分配器時，通過分配器的調(diào)節(jié)，蒸汽分別進入脈沖管和中心管。進入脈沖管的蒸汽根據(jù)管上孔眼的分布頻度向儲層注汽，進入中心管的蒸汽向趾部進行注汽，從而實現(xiàn)蒸汽同時在水平井跟部和趾部的均勻注汽。

3.2. 脈沖均勻注汽管柱設(shè)計

在注汽過程中，井筒與油藏互為邊界條件，相互影響，相互制約，構(gòu)成了一個復(fù)雜的井筒-油藏耦合熱力學(xué)系統(tǒng)。以均衡注汽為目標(biāo)，建立了水平井均勻注汽工藝優(yōu)化方法。

3.2.1. 均勻注汽優(yōu)化原理

通過設(shè)計脈沖管泄流孔眼個數(shù)來調(diào)整蒸汽流經(jīng)脈沖管時的節(jié)流壓降，進而控制管外注汽壓力[4][5]。

根據(jù)液壓流體力學(xué)研究，節(jié)流壓降、流過孔眼的流量、孔眼面積三者關(guān)系如下：

式中：Δps為節(jié)流孔前后壓差，即節(jié)流壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；Q為通過節(jié)流孔的流體體積流量，m3/s；Cd為薄壁小孔流量系數(shù)，1；A為薄壁節(jié)流孔面積，m2。

3.2.2. 均勻注汽優(yōu)化方法

以均衡吸汽剖面為目標(biāo)函數(shù)，泄流孔眼個數(shù)為優(yōu)化變量，井筒-油藏耦合模型為約束條件[6]，建立配注器優(yōu)化模型如下：

式中：Qi為第i個配注器的注熱量，kJ；為第i個配注器的目標(biāo)注熱量，kJ；Qt為井筒總注熱量，kJ。

計算配注器參數(shù)時，先確定每個配注器目標(biāo)注熱量，再根據(jù)井筒-油藏耦合模型反算各配注器的泄流面積，最后根據(jù)泄流面積計算泄流孔眼個數(shù)。

由薄壁節(jié)流孔流量公式可知，在流量一定的條件下，節(jié)流孔面積越小，節(jié)流壓降越大。由于蒸汽在水平注汽管柱內(nèi)流動時存在壓力損失和熱損失，為了使各配注器注熱量相等，需逐漸增大泄流孔面積A。

基于以上模型，結(jié)合注汽過程中注汽速率、干度、溫度等因素的影響，薛世峰等[7]通過《水平井均勻注汽參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件》對井下管柱進行優(yōu)化設(shè)計，并自動將基本輸入?yún)?shù)和優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入Word，生成注汽管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計書。

4. 現(xiàn)場試驗應(yīng)用

2015年，圣湖能源公司在Girasol油田PH03-HZ11井進行了脈沖均勻注汽的先導(dǎo)試驗。該井開發(fā)層位為A11B小層，水平段長度為660 m，已吞吐了7個周期?；緟?shù)見表1。

Table 1. The basic parameters of Well PH03-HZ11表1. PH03-HZ11井基本參數(shù)

在跟端單點注汽情況下，油藏溫度場數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。儲層受熱區(qū)域集中在跟端注汽口附近，儲層受熱極不均衡。

Figure 2. The distribution of temperature field of single point steam injection from heel圖2. 跟端單點注汽油藏溫度場分布

采用均勻注汽工藝優(yōu)化軟件，對該井進行多點配注。該井需配置16個脈沖管，間距40 m。從跟端到趾端各脈沖管的泄流孔眼個數(shù)見表2。

優(yōu)化后的油藏溫度場數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。注汽工藝優(yōu)化后，整個井段全部受熱，且各脈沖管的加熱范圍基本相同，油藏受熱范圍趨于均衡。

2015年11月對該井進行了脈沖均勻注汽工藝的實施，注汽量基本維持和上周期一致，周期前后生產(chǎn)情況見表3。可以看出，實施脈沖均勻注汽工藝后，該井吞吐周期生產(chǎn)時間由實施前的5個月延長到10個月，日產(chǎn)油量由實施前的11.54 t增加到13.37 t，增加了16%，周期累計產(chǎn)油量提高一倍多。在第9周期生產(chǎn)效果仍然明顯，吞吐周期長達11個月，累計產(chǎn)油3455.83 t。

Table 2. The result of pulse tube optimzation (the pore type corresponds to different apertures)表2. 脈沖管優(yōu)化結(jié)果(孔眼型號對應(yīng)不同的孔徑)

Figure 3. The distribution of temperature field after the optimization of multi-point steam injection圖3. 多點注汽優(yōu)化后油藏溫度場分布

Table 3. The status of production both before and after pulse steam injection in Well PH03-HZ1表3. PH03-HZ11井脈沖注汽前后生產(chǎn)情況表

該工藝技術(shù)在Girasol、Abarco以及Under river油田等4口水平井進行了試驗應(yīng)用，均取得了較好的增產(chǎn)和增效效果。單井周期平均日增油量最高值為4.93 t，增加了62%；最小值為0.96 t，增加了13.7%。平均單井周期累計增油量為808 t。

5. 結(jié)論

1) 根據(jù)油田油藏及目前水平井長水平段的特點，設(shè)計了雙管脈沖均勻注汽工藝，實現(xiàn)了長水平段稠油油井的高效開發(fā)。

2) 創(chuàng)新應(yīng)用了可調(diào)井下蒸汽分配器和脈沖管，實現(xiàn)了蒸汽在儲層段的均勻注入；同時改變了雙管注汽對注采一體化管柱的限制，減少了蒸汽吞吐轉(zhuǎn)周作業(yè)工作量。

3) 形成了水平井均勻注汽配套技術(shù)的應(yīng)用模式，在Girasol、Abarco以及Under river油田等4口水平井進行了試驗應(yīng)用，均取得了較好的增產(chǎn)效果。