劉 茜
(中國石油遼河油田分公司,遼寧 盤錦 124010)
火燒油層又稱為地下層內(nèi)燃燒,亦稱火驅(qū)開采法。其是向井下注入空氣、氧氣或富氧氣體,依靠自燃或利用井下點(diǎn)火裝置點(diǎn)火燃燒,使其與油藏中的有機(jī)燃料原油發(fā)生反應(yīng),借助生成的熱量開采未燃燒的原油[1]?;馃蛯硬粌H僅是通過加熱來降低原油黏度,更為主要的是利用油層持續(xù)不斷的燃燒,生成一系列的燃燒產(chǎn)物,從而形成熱降黏、熱膨脹、蒸餾汽化、油相混合驅(qū)、氣驅(qū)等系列復(fù)雜的驅(qū)油作用[5]。
火燒油層技術(shù)雛形是由美國人J O Leavis提出的,其理念是通過注入驅(qū)替液或熱力,以達(dá)到提高采收率的目的。1923年,Wolcott和Howard也意識到可以利用空氣作助燃劑,通過點(diǎn)燃原油產(chǎn)生大量的熱來達(dá)到降黏的作用。在此基礎(chǔ)上,更多的學(xué)者針對火燒油層技術(shù)開展了研究,并在1942年首次在美國俄克拉荷馬州的伯特勒斯維爾油田開展了礦場試驗(yàn)。中國從1958年起先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層試驗(yàn)研究[2-5]。幾十年來,國內(nèi)外開展了大量的火驅(qū)研究工作,在研究方法、現(xiàn)場試驗(yàn)、工藝技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用等方面均取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果,涵蓋了火驅(qū)油藏工程設(shè)計、鉆井工藝設(shè)計及采油工藝設(shè)計,目前已經(jīng)形成了從室內(nèi)物理模擬、數(shù)值模擬到現(xiàn)場點(diǎn)火、監(jiān)測、后期調(diào)整等一系列配套技術(shù)。近幾年在直井網(wǎng)火驅(qū)的基礎(chǔ)上,國外學(xué)者將重力泄油理論與傳統(tǒng)的火驅(qū)技術(shù)結(jié)合,開發(fā)出了利用水平井進(jìn)行火驅(qū)的技術(shù)(COSH),以及垂直井或者水平注入井與水平生產(chǎn)井結(jié)合的“腳尖到腳跟”的火驅(qū)技術(shù)(THAI)[6-14],將水平井技術(shù)應(yīng)用于火驅(qū)采油,擴(kuò)大了火驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用范圍。
高3618塊為中深層厚層稠油油藏,該塊于2008年開展直井火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn),開采過程中逐漸暴露出一些問題:受氣體與油水密度差的影響,存在明顯的火線超覆現(xiàn)象,而厚層油藏加劇了重力超覆現(xiàn)象,導(dǎo)致厚層油藏縱向波及程度低;火線平面沿高滲通道波及速度快,生產(chǎn)井氣竄嚴(yán)重,火驅(qū)見效不明顯。針對高3618塊目前存在的火線超覆、縱向動用程度低等問題,提出直井和水平井組合的火驅(qū)技術(shù),利用水平井較高的排液能力,提高厚層油藏縱向波及體積,平面上火線推進(jìn)更加均勻,進(jìn)而有效提高油藏的采出程度。
高3618塊屬高升鼻狀構(gòu)造東北翼的一部分,由4條斷層圍成三角形斷塊,含油層系為沙河街組沙三段蓮花油層,油藏埋深為1 540.0~1 890.0 m,主要巖性為含礫不等粒砂巖和砂礫巖,分選差,平均孔隙度為21.2%,平均滲透率為1 376 mD,為中高孔高滲儲層;油層平均有效厚度為103.8 m,縱向集中發(fā)育;20 ℃時原油密度為0.955 g/cm3,50 ℃地面脫氣原油黏度為3 100~4 000 mPa·s,為塊狀普通稠油油藏。該塊L5、L6砂巖組間隔層厚度最大為22 m,一般厚度為5~22 m,砂巖組內(nèi)部小層間夾層無論是連續(xù)性還是厚度發(fā)育均較差,巖性主要為泥巖。該塊于2008年5月在L5油層首先進(jìn)行火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn),初步見到火驅(qū)效果,日產(chǎn)油由2.4 t/d上升至3.6 t/d;后期在L5油層進(jìn)行火驅(qū)擴(kuò)大試驗(yàn),形成雙排線性井網(wǎng)[15-16],雙排井網(wǎng)布局井排間存在干擾,同時加劇了火線超覆和氣竄,生產(chǎn)效果并不理想;2014年12月逐步由雙排行列井網(wǎng)改成構(gòu)造高部位“移風(fēng)接火”線性火驅(qū),“移風(fēng)接火”線性火驅(qū)是從構(gòu)造高部位向低部位火驅(qū),當(dāng)火線通過油井后適時將油井轉(zhuǎn)為火井。目前L5油層高部位轉(zhuǎn)注氣井6口,中部位剩余注氣井1口。高3-6-18塊火驅(qū)取得一定效果,但長期以來火線波及不均,縱向火線超覆,平面火線側(cè)向波及窄的問題日漸凸顯。
火驅(qū)具有氣體驅(qū)動、加熱降黏、保持地層壓力等作用,而直平組合火驅(qū)還具有重力泄油作用,同時,可利用水平井較大的排液能力,提高厚層油藏縱向波及體積,進(jìn)而提高厚層油藏火驅(qū)采收率。
利用數(shù)值模擬軟件,建立4相6組分、平面網(wǎng)格步長為3 m×3 m、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共50 000個的數(shù)值模型[17]。參考高3618塊地層參數(shù),黏度以目前地層溫度(約90 ℃)測得的實(shí)際地層黏度1 000 mPa·s為依據(jù)。根據(jù)數(shù)值模擬研究,直平組合火驅(qū)具有以下作用機(jī)理。
(1) 水平井具有牽引火線、擴(kuò)大波及體積、驅(qū)替泄油提高動用程度的作用。常規(guī)直井火驅(qū)和直平組合火驅(qū)均存在相同的驅(qū)替階段,在驅(qū)替過程中,由直井持續(xù)注入空氣,在井下點(diǎn)燃,火線初步形成,隨著火線不斷向前推進(jìn),從注氣井到生產(chǎn)井形成已燃區(qū)、火墻、結(jié)焦帶、油墻及剩余油5個區(qū)域[18]。隨著空氣不斷注入,逐步填補(bǔ)地層虧空,地層壓力逐漸上升。在燃燒過程中,地下原油和注入空氣發(fā)生高溫氧化反應(yīng),產(chǎn)生大量的尾氣及水蒸汽,共同驅(qū)動原油向生產(chǎn)井方向推進(jìn),此時也呈現(xiàn)熱效驅(qū)替的特征,生產(chǎn)井產(chǎn)量上升。
由數(shù)值模擬結(jié)果(圖1,紅線范圍內(nèi)為火線燃燒過的范圍,即地層含油飽和度接近為0;黑色箭頭代表原油流動方向)可知:在火線形成的過程中,常規(guī)直井火驅(qū)受氣液密度差的影響,注入空氣向油層上方超覆,形成的燃燒腔呈楔形擴(kuò)展,有效動用油層厚度為10~20 m(圖1a),采出程度低,下部油層內(nèi)剩余油豐富。而直平組合火驅(qū),利用水平井較大的排液能力,在驅(qū)替階段火線向水平井方向呈一定角度向下牽引,燃燒腔呈箱形擴(kuò)展,僅有注氣井與水平生產(chǎn)井中間下部油層小部分未動用,直平組合火驅(qū)燃燒腔體積較直井火驅(qū)擴(kuò)大了2倍以上(圖1b)。
常規(guī)直井火驅(qū)在驅(qū)替階段后直接進(jìn)入火線突破階段,而直平組合火驅(qū),由于水平井加入,當(dāng)火線向上拓展到一定程度時,氣體超覆作用導(dǎo)致火線沿頂部橫向拓展趨勢明顯。此時,水平井上部油層黏度大幅下降,重力泄油作用得到加強(qiáng),從油層頂部至水平井形成泄油通道,縱向燃燒厚度較直井火驅(qū)也提高2倍以上,火線也逐步由頂部向水平井方向拖拽,此時水平井產(chǎn)量趨于穩(wěn)定,而直井仍然受驅(qū)替作用,產(chǎn)量穩(wěn)中有升。
(2) 水平井具有促進(jìn)燃燒腔連通,拓展高溫燃燒層厚度的作用。從平面上看,直井火驅(qū)火線主要沿著上部油層方向推進(jìn),速度較快,而注采井間位置火線推進(jìn)較慢,因此,平面上直井火驅(qū)火線呈錐形拓展,橫向連通性差,火線推進(jìn)不均勻,注氣井間生產(chǎn)井受效較差;而直平組合火驅(qū),水平井在平面上對火線起到一定的牽引作用,促使注氣井間火線橫向拓展,燃燒腔橫向上相互連通,提高了井間火線波及范圍。
(3) 直平組合火驅(qū)在直井火驅(qū)基礎(chǔ)上大幅提高采收率。直平組合火驅(qū)可在直井火驅(qū)的基礎(chǔ)上大幅提高采油速度和采收率。由于水平井產(chǎn)量較高,井組產(chǎn)量可提高50%以上。與直井火驅(qū)相比,直平組合火驅(qū)可提高采收率16.0個百分點(diǎn),火線波及體積可由17.7%提升至36.7%。同時,由于水平井具有牽引火線的作用機(jī)理,產(chǎn)氣量逐漸上升,可有效減緩直井氣液矛盾。
直平組合火驅(qū)的效果,取決于直井與水平井合理的井網(wǎng)配置關(guān)系,以及現(xiàn)場操作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。采用數(shù)值模擬方法對井網(wǎng)、井距等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。
直平組合火驅(qū)是在注氣井和直井生產(chǎn)井之間部署一口水平井,縱向上水平井位于油藏底部,通過向注氣井注空氣,并在井下點(diǎn)火,隨著火線的推進(jìn),原油從水平井和直井生產(chǎn)井采出。
3.2.1 水平井部署在注采直井間可有效牽引火線
利用數(shù)值模擬方法模擬水平井分別位于注采井間和注采井外2種情況下的開發(fā)效果。模擬結(jié)果表明:水平井位于注采直井外,水平井處于降壓開采狀態(tài),而水平井位于注采井間有利于牽引火線,拓展燃燒腔,燃燒狀態(tài)較好,水平井處于增壓驅(qū)替狀態(tài)。
3.2.2 注氣井與水平井垂直距離
用數(shù)值模擬方法模擬了注氣井與水平井垂直距離分別為0、4、8、10、12、14、16、24、32、40 m條件下的直平組合火驅(qū)效果(圖2)。由圖2可知:垂直距離過小,縱向上泄油高度不足,火線易竄入水平井井筒;垂直距離過大,加熱厚度有限,原油難以驅(qū)替至水平井;直井射孔底界與水平段垂直距離為10~16 m,既可提高火線波及體積,又有利于穩(wěn)定泄油。
3.2.3 注氣井與水平井平面距離
用數(shù)值模擬方法模擬了注氣井與水平井平面距離分別為30、40、50、60 m條件下的火驅(qū)效果(圖3)。由圖3可知:水平井與注氣井距離為30 m,火線過早竄入水平井井筒,導(dǎo)致直平組合火驅(qū)失敗,采出程度僅為44.7%,空氣油比為1 885 m3/t;而水平井與注氣井距離增至60 m時,難以充分發(fā)揮水平井牽引作用,動用范圍有限,整體采出程度僅為48.0%;水平井和注汽井平面距離為50 m時,采出程度最高,達(dá)到48.6%,空氣油比僅為1 866 m3/t,既能發(fā)揮水平井的牽引作用,又能防止火線過早竄入水平井。
圖3 不同注氣井與水平井平面距離開發(fā)效果曲線
3.3.1 注氣強(qiáng)度
從實(shí)際生產(chǎn)效果看,注氣速度高,油井產(chǎn)量高。數(shù)模計算結(jié)果表明,最佳初期注氣強(qiáng)度為500 m3/(d·m),月增注氣強(qiáng)度為150 m3/(d·m)。同時,用數(shù)模方法模擬了最大注氣強(qiáng)度分別為800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 m3/(d·m)條件下的火驅(qū)效果。結(jié)果表明,隨注氣強(qiáng)度增加,井組累計產(chǎn)油量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)最大注氣強(qiáng)度為1 200 m3/(d·m)左右時,井組累計產(chǎn)油量達(dá)到最高,既能滿足燃燒前緣對氧氣的需求,又能保證經(jīng)濟(jì)性。
3.3.2 直井排液量
用數(shù)值模擬方法模擬了直井排液量分別為5、10、15、20 t/d條件下的火驅(qū)效果(表1)。由表1可知,直井最高排液量為10~15 t/d,開發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)效益較好。
表1 不同直井排液量火驅(qū)開發(fā)效果統(tǒng)計
3.3.3 水平井排液量
用數(shù)值模擬方法模擬了水平井排液量分別為15、20、30、40、50 t/d條件下的火驅(qū)效果(表2)。由表2可知,水平井最高排液量為40~50 t/d,開發(fā)效果及經(jīng)濟(jì)效益較好。
表2 不同水平井排液量火驅(qū)開發(fā)效果統(tǒng)計
直平組合火驅(qū)井組中,直井生產(chǎn)井起輔助調(diào)控作用。模擬直井射孔位置分別設(shè)計在與水平井平行的上段位置、中段位置以及下段位置時的開發(fā)效果。結(jié)果表明:射開上段油層會加速火線沿水平井上方超覆;射開中段油層縱向動用有所提高,但仍然加速了火線的平面擴(kuò)展,容易從注氣井沿著直井生產(chǎn)井形成竄流通道,難以發(fā)揮水平井的重力泄油作用;射開與水平井平行的下段位置,直井可以輔助水平井向下牽引火線,擴(kuò)大縱向波及體積,整體采出程度較其他2種方式可提高4.0個百分點(diǎn)。
在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化下段層系的射孔位置。用數(shù)值模擬方法模擬了下段全部射開、射開下段上部1/2、以及下部2/3時的開發(fā)效果。結(jié)果表明:射開上部1/2,在火線過水平井后,火線迅速突破至直井,直井產(chǎn)量迅速下降,整體采出程度僅為46%;直井下段全部射開,與其他2種方式相比,火線突破更早;射開下部2/3,既輔助水平井向下牽引火線,又能解決火線通過水平井上方后火線超覆的問題,提高了水平井和直井生產(chǎn)井之間油層的動用程度,采出程度最高,較其他方式可提高3.0~4.0個百分點(diǎn)。
(1) 水平井投產(chǎn)后,井組產(chǎn)量明顯提升。2011年4月,首次在高3618塊L52油層投產(chǎn)水平井,水平段長度為307 m。井組內(nèi)共有注氣井7口。直井生產(chǎn)井為7口,水平井投產(chǎn)后,改善了井組內(nèi)的滲流情況,井組內(nèi)直井產(chǎn)量有所提高,日產(chǎn)油由15.2 t/d最高上升至34.0 t/d,單井日產(chǎn)油從2.5 t/d最高上升至4.8 t/d(圖4)。其中,高61-160井在水平井投產(chǎn)前日產(chǎn)油為2.3 t/d,但生產(chǎn)16個月后,由于氣竄嚴(yán)重關(guān)井,在水平井投產(chǎn)9個月后重新開井,日產(chǎn)油顯著上升,最高達(dá)到9.6 t/d。
圖4 井組內(nèi)直井生產(chǎn)曲線
(2) 燃燒狀態(tài)逐漸趨于高溫氧化燃燒。在水平井投產(chǎn)后,縱向泄油作用有所加強(qiáng),縱向動用程度提高,井組燃燒更充分。以7-17C井為例,水平井投產(chǎn)前,該井尾氣指標(biāo)上下波動,CO2含量低于12%,O2利用率為30%~90%,N2與CO2比為0.0~10.0,視氫碳原子比為0.0~10.0;而水平井投產(chǎn)后,該井尾氣指標(biāo)逐漸趨向高溫氧化燃燒標(biāo)準(zhǔn),CO2含量大于12%,O2利用率大于90%,N2與CO2比逐漸由5.8降至5.0,視氫碳原子比逐漸由4.0降至2.0,尾氣指標(biāo)顯示逐漸接近高溫氧化燃燒。
(3) 縱向高溫段增大并向下擴(kuò)展。水平井作為生產(chǎn)井,可以有效向下牽引火線,擴(kuò)大波及體積,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提升。以高61-160井為例,水平井投產(chǎn)前,該井溫度曲線顯示高溫段為20 m,最高溫度為149 ℃,平均單井日產(chǎn)油為2.0 t/d;而水平井投產(chǎn)后,該井的高溫段達(dá)到30 m,最高溫度達(dá)到164 ℃,平均日產(chǎn)油達(dá)到5.0 t/d,最高日產(chǎn)油達(dá)9.6 t/d。
(4) 直平組合火驅(qū)技術(shù)可大幅提高高3618塊油藏采收率。直平組合火驅(qū)技術(shù)作為厚層油藏火驅(qū)開發(fā)的新技術(shù),可在高3618塊油藏整體部署55個井組,預(yù)計采收率可以達(dá)到56.5%,較直井火驅(qū)采收程度可提高18.0個百分點(diǎn)。
(1) 采用直平組合側(cè)向火驅(qū)井網(wǎng)形式,能充分發(fā)揮直井火驅(qū)的平面驅(qū)替作用和垂向上的重力泄油作用,利用水平井排液能力大的優(yōu)勢,向下牽引火線,火驅(qū)波及體積較直井火驅(qū)提高2倍以上,有效提高厚層油藏火驅(qū)采收程度。
(2) 直平組合火驅(qū)技術(shù)引入水平井,改變了原有直井與直井間的平面驅(qū)替滲流方式,重力泄油作用增強(qiáng),火線波及范圍更大,井組內(nèi)原有直井燃燒狀態(tài)由低溫氧化燃燒逐漸向高溫氧化燃燒轉(zhuǎn)變。
(3) 與直井火驅(qū)相比,直平組合火驅(qū)技術(shù)更適于有傾角的厚層油藏,預(yù)計比直井火驅(qū)采收率可提高18.0個百分點(diǎn)。