注氮气改善稠油蒸汽吞吐后期开采效果.pdf

第 2 4卷第 3期 2 0 0 2年6月 西 南 石 油 学 院 学 报 J Ⅱ o f S o u t h we s t P e t l o [e u m I n s t i t u t e vd． 2 4 J u n No ． 3 2 0 0 2 文章编号 1 0 0 02 6 3 4 2 0 0 2 0 3 0 0 4 60 4 注氮气改善稠油蒸汽吞吐后期开采效果’ 王嘉淮 ， 李 允 1新疆石油管理局采油工艺研究院， 新疆 克拉玛依 8 3 , 1 0 0 0； 2西南石油学院 摘薹 蒸汽吞吐后期随着地层能量枯竭和井筒罔囤合油饱和度减少， 周期含水升高， 油气比下降， 开采救益变差。注 氮气是改善稠油蒸汽吞吐后期开采效果的有救逢径， 其主要增产机理是增加蒸汽波厦体积， 补克驱动能量， 进一步降 低残书油饱和度和提高回采水率。模拟研究表明， 在吞吐后期宜采取先注氟气、 后注蒸汽的注入方式， 并且存在一个 优化 的罔期注 氟量 。 美t词 稠 油油葳； 蒸汽吞吐 ； 注 氯气 ； 数值 模拟 中 田分类号 TE 3 5 7 ． 7 文献标识码 A 引 言 注蒸汽是开采稠油的有效技术 。我国除了克拉 玛依九 1 ～九 5区已转人大规模蒸汽驱外 ， 大部分稠 油区块都采取蒸汽吞吐方式开发。蒸汽吞吐的特点 是采油速度快， 油气比较高， 适用性广， 但蒸汽波及 范围有限， 总体上属于衰竭式开采。吞吐后期随着 地层能量枯竭 和井筒周围含油饱 和度减少 ， 周期含 水升高， 油气比下降． 开采效益变差。当达到周期极 限油气 比后 ． 要么转为蒸汽驱 ． 要么采取措施延长经 济开采周期． 否则只能废弃。 根据 国内外专家们的研 究 ， 蒸 汽吞吐采 出程度 一 般低于 2 5 ％， 可见 在蒸汽吞吐后期仍有进一 步提 高采收率的物质基础。 本文对注氮气开采稠 油机理进行 了分析 ， 介绍 了国内外注非凝结气改善蒸汽吞吐效果的典型实 例， 并结合一个典型油田的数值模拟结果对注氮方 式和周期注氮量进行考察。 1 注氮气开采稠油机理分析 稠油油藏大多埋藏较浅， 地层压力低 ， 且原油组 成以重质组分为主， 注入甲烷、 二氧化碳或氮气后难 以达到混相驱替， 因此主要为非混相驱替作用机理。 通常认为蒸汽吞吐或蒸汽驱过程中加入少量气体在 理想情况下可使稠油最终采收率提高 1 0 ％～2 O ％， 如果注入气量过大， 则可能适得其反。 注非冷凝气采油的基本机理主要为原油溶解气 体后体积膨胀、 油相粘度降低和补充地层能量以及 溶解气驱作用。在蒸汽吞吐中注入非冷凝气还有另 外两种增产机理， 即扩大蒸汽波及体积和进一步降 低残余油饱和度 。 一 般情 况下， 氮气在重 油中的溶解度很低。 S v r c e l e和 Me h r o t r a 【 1 J 的 实 验 结 果 显 示 ， 在 6 ． 0 2 MP a 、 3 3 ． 9 ℃条件下 ． N ， 在 A t h a b a s c a沥青 中的溶解 度仅为 3 ． 2 8 c m3 ／ c m3 ； 温度对 在稠油中的溶解度 影响较小 ， 而压力 的影 响较大 图 1 。由于溶解度 低， 因此氮气对原油粘度和膨胀率的影响较小。随 着压力增加． 饱和 的沥青粘度降低程度不显著 图 2 。P e t e r s e n指 出， 在油藏条件下 ． 重油饱和 后 的膨胀率小于 2 ％ J 。 4 0 5 3 ． 0 避2 0 琏 蜂 1 ．0 图 l N 2 在特稠油中的溶解度 收葛 日期 2 0 0 1 0 91 3 作者简介 王嘉谁 1 9 5 7一 ， 男 汉族 ． 四川眉山人． 总工程师． 教授级高工 ． 在读博士． 主要从事采油工程和稠油热采技术方面的研究 工作 。 维普资讯 第 3期 王嘉淮等 注氨气改善稠油蒸汽吞吐后期开采效果 4 0 了3 0 曼2 0 ＼ 羹 l 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 压 力 ／ MP a 图 2 饱 和 的特稠 油粘度变化 虽然如此 ， 在注蒸汽的同时注入氮气依然可以 起到显著增产作用， 其主要的增产机理是扩大蒸汽 波及体积， 补充驱动能量和降低残余油饱和度。王 嘉淮等人 3 _3 的模拟研究表明， 蒸汽吞吐时注入适量 天然气可增大加热半径 ， 维持更 高的地层压力 。大 量研究已证实气相饱和度的存在能够减少水驱残余 油饱和度。 2 注非凝结气改善蒸汽吞吐效果实例 2 ． 1 T i a J u a n a 油田蒸汽 ／ 夭然气吞吐试验 委内瑞拉 Ti a J u a n a油 田蒸汽／ 天然气吞吐试 验 区选择 L s J 一 1 1 9 6 A井进 行先 导试验， 先注入 4 8 0 0 mj 蒸汽， 接 着注入 1 4 1 ． 61 0 m 3天然气。作 为对 比， 该井周围还有 3口井也同时进行蒸汽吞吐 ， 平 均 注汽量为 4 6 3 7m3 。在 3 6 5天 的生产周期 内， L S J - 1 1 9 6 A井累积产油 1 0 9 2 2m3 ， 油气比 2 ． 3 ， 而相邻 3 口只 注 蒸 汽 井 平 均产 油 4 4 9 4 m 3 ， 平 均 油气 比 0 ． 9 6 9 。 无论是产油量还是 油气 比， 前者 均 比后 者高 出 2倍以上。主要增产机理为注蒸汽后注天然气提 高了油井附近地层压力， 扩大 了加热区域。此外 ， 气 体混相和驱替也可能对改善生产效果有贡献。 2 ． 2 巴黎谷 空气 ／ 蒸汽吞吐试验 Hu s k y石油公 司曾在加里福尼亚巴黎谷油田 2 0 号和 3号两 口井 上进行 空气／ 蒸汽 吞吐试验。注入 步骤为 1 从油管注蒸汽一周；㈦ 2从环空注蒸汽同 时从油管注空气， 时间约 l 0 d ； ㈦ 3持续注4 ～7 d 蒸 汽。示踪剂测井表 明， 空气主要进入油层下部 ， 而蒸 汽主要进 入油层中上部 。2 0号井第三周期和第 五 周期注入空气／ 蒸汽， 与只注蒸汽的第二周期和第四 周期相比， 产油量分别增加 9 2 ％和 8 6 ％。3 号井第 七周期注空气后比前一周期增产 7 7 ％。通过模拟 研究 ， 认为增产机理包括气体的捕集 、 对井筒 附近已 加热原油的气驱作用 、 推动热量进入粘度更 高的上 部层段和提高地层压力 。 2 3 克拉玛依九 6区氯气／ 蒸汽吞吐试验 该油藏属浅层特稠油油藏。从 1 9 9 5年到 1 9 9 7 年在该区 1 6口不同蒸汽吞吐轮次的井上进行了氮 气犀 汽吞吐试验， 注氮方式分别为混注和段塞式。 截止 1 9 9 7 年 9 月． 除 1口井无效外其井均见到显著 增产效果， 累积增产油量 4 1 5 8 t ， 油气比提高 0 ． 1 6 以上。注氮后生产动态显现以下特点 1 油井生产时率显著提高 ， 由注氮前的 3 2 ． 3 ％ 增加到注氮后 7 8 8 ％； r 2 ]2周期产油、 油气比、 回采水率大幅度提高， 措 施井注氮前一周期平均周期产油3 6 2 t ， 注氮气后周 期产油达 5 8 0 t ， 油气 比提高 0 ． 0 5 ～0 ． 3 7 ， 回采水 率 提高 1 2 ％～1 4 1 ％； ㈤ 3油层吸汽剖面得到改善 ， 表现为注汽压力 明 显高于未注氮井 ； 4 与同期 只注蒸 汽井 相 比， 氯气蒜 汽吞 吐井 生产效果大大优于前者。 3 氮气壤 汽吞吐模拟研究 室内研究 和现场试验都已证实 注蒸汽过程中添 加适量非凝结气 有助于改 善开采效果 。但 是， 现场 试验基本上都是在蒸汽吞吐开采初期到第六周期以 前的井上进行 的。对于已接近常规蒸 汽吞吐末期 的 稠油油藏， 注氮气是否还有效． 经济性如何， 这些问 题尚需进一步研究。为此， 以某典型稠油油藏为例． 运用油藏数值模拟技术对蒸汽吞吐后期注氮气的潜 力进行考察 ， 如表 1 所示。 表 1 典型稠油油税油层模型 善 孔 隙 痊 1渗 透0 3／ a n 2 藿 2 7 0． 2 38 1 9 7 6 0 7 3 0． 4 0 0 踟 O． 7 3 1 3 5 0 2 4 7 2 45 7 0 7 3 2 1 0． 08 0 8 0 0 4 5 1 0 4 0． 2 3 0 1 6 4 7 0 7 3 0 6 0 0 8 0 8 0 0 4 5 1 2 0． 1 7 0 5 1 6 0 7 3 3 ． 1 模型建立 为便于研究 ， 采用了 R - Z径向模型， 网格系统 为 1 0 7 ， 分层 厚度和孔隙度 、 渗 透率 、含油饱和度数 据见表 2 。为使模型更有代表性， 对该油藏单井吞 维普资讯 一 一 堕壹亘 兰堕堂塑 吐动态进行了历史拟合， 到第 1 0 周期， 累积产油拟台误差一 2 0 ％， 累积产水拟舍误差为4 ． 1 9 ％。 表 2 氮气 ／ 熏 汽吞耻模 拟结果 3 ． 2 模拟方案确定 下面给出注氮气模拟方案的工况参数。 基本方案 只注蒸汽吞吐开采至 1 2周期 ； 方案 1 第 8周期 开 始注 氮气 ， 周 期 注氮 量 2 1 0 4 n ] 3 ，注人顺序为先注蒸汽接着注氮气； 方案 2 第 8周 期开 始 注氮气 ， 周期 注氮 量 2 1 0 m] ， 注人顺序为先 注氮气接着注蒸汽 ； 方案 3 与方案 2类似 ， 周期注氮量 4 x 1 0 m J ； 方案 4 与方案 2类似 ， 周期注氮量 8 x1 0 m3 。 3 ． 3 模拟结果讨论 表 2给出了上述模拟方案的周期产油量和油气 比， 注氮气后周期产油量和周期油气 比均有提高。 如果仅注蒸汽吞吐， 根据_4 提出的蒸汽吞吐结束时 极限油气 比标准 ， 则到第 l 1 周期后就应停止蒸汽吞 吐开采。如果每周期在 注蒸汽的 同时注人 4 0 0 0 0 以上的氮气 ， 那么 即使 1 2周期 以后仍然能 在经 济极限油气 比之上 生产 。从模拟结果看 ， 若要 在蒸 汽吞吐后期通过注人氮气 提高开采 效果 ， 周期 注氮 量必须达到一定规模 ， 在模拟中需达到 4 0 0 0 0m 以 上 ， 方案 l和方案 2虽有一定效 果， 但增产 幅度太 小。方 案 2注 氮 气 五个 周期 的平 均周 期 增 油才 4 4 ． 2t ， 而方案 3和方案 4分另 达 到 1 8 7 ． 6t 和 3 6 3 t 。从三种方案 周期增产 油量和单位体 积氮气 增产 率变化规律 ， 单纯从增产油量看， 注气量越大增产越 多， 但考虑单位氮气量的增产率， 每周期 4 0 0 0 0 m 效果更好。另外， 从经济方面来对比， 方案 2 、 方案 3 和方案 4的投人产出比分别是 1 1 ． 8 3 6 1 3 8 5 3和 1 3 ． 7 2 8 ， 可见存在一个优化的周期注氮量 。 比较方案 1和方案 2的结果 ， 似乎先注氮气后 注蒸 汽的增产效果稍好 ， 这与以前 的一些研究结论 相反。究其原因可 能有两点 ， 一是经过多轮蒸汽吞 吐后加热半径已近极限 ， 注少量 氮气不足 以使加热 区进一步扩大， 二是后注氮气情况下周期生产初期 首先产出大量气体 ， 不能充分利用气体能量驱替地 层流体， 因而回采水率相对低一些， 例如方案 l 注氮 气五个周期内的回采水率为 8 0 ． 4 7 ％， 而方案 2达 到 8 4 ． 7 6 ％。 蒸汽吞吐后期注氮气的主要增产机理是什么 图 3是模型中第四层 到 1 2周期结 束时径 向上含油 饱和度分布 。注氮气后的含油饱和度 比未注氮气方 案 基本方案 低 2 ． 1 ％左右 ， 而这部分孔隙恰恰 被 气体占据。从周期 日产油量变化曲线见 图4 ， 两种 方案初期相差不大 ， 而在中后期注氮气方案的产油 速度更 高， 原因是注气对地层能量 的补充和驱替 作 用。由此 ， 在蒸汽吞吐开采稠油后期向地层注人氮 气的主要增产机理可归纳成三点 1 气相的存在进 一 步降低残余油饱和度 ， 提高驱 油效率 ； 2 补充地 层能量和气驱作用； 3 提高回采水率， 使作用于原 油的有 效热量增加。 翟 。 0, 4 3 5 0 O 2 0 ． ； F； i 稠 【 - ．a -方 3 l o 5 1 o I 5 2 0 2 5 到井筒的距离 ／ m 围 3 油 层饱和 度对 比 维普资讯 第 3期 王嘉淮等 注氮气改善稠油蒸I汽吞吐后期开采效果 巨 ，k ’ ，’ ’ 生 产时问 ／ d 圈 4 产油速度 比 图5给出了 8 ～l 5 周期氮气／ 蒸汽吞吐周期油 气 比预测结果 ， 按 0 2 6的经 济极限周期油气 比， 注 氮气后蒸汽吞吐开采期大约可延长至 l 4 周期。 4 结论 4 1 在蒸汽吞吐开采稠油后期 向地层注入氮气其 主要增产机理是 1 气相的存在进一步降低残余油 饱和度， 提高驱油效率； 2 补充地层能量和提供气 驱作用 ； 3 提高回采 水率 ， 增加 作用于原 油的有效 热量。 4 ． 2 现场实例及数值模拟研究表明， 注氮气是改善 蒸汽吞吐后期开采效果的有效途径 。此项技术适用 于各种类型稠油油藏， 在蒸汽吞吐开采 的各个阶段 均可采取注氮增产措施。 4 ． 3 注氮方式对增产效果有较大影响。在蒸汽吞 吐后期， 采用先注氮气、 后注蒸汽的增产效果优于先 注蒸汽、 后注氮气或者氮气和蒸汽同时注入方式。 4 ． 4 从增产效果和经济效益考虑 ， 对具体的油藏而 言存在最佳的周期注氮量。从模拟结果看， 若要在 蒸汽吞吐后期通过注入氮气提高开采效果， 周期注 氮量必须达到一定规模。最佳周期注氮量可根据单 位氮气量的增产率和投入产出比来确定。 1 5 0 0 1 7 0 0 I 9 0 0 21 00 2 30 0 2 5 00 2 7 0 0 参考文献 圈 5 氯气／ 蒸汽吞吐油气 比 模拟研究证明在此类特稠 油油藏实施氮气／ 蒸 汽吞吐是可行的。以往制约此项技术应用的主要因 素是现场制氮设备和制氮费用高， 制氮能力不能满 足要求， 而目前开发的中空纤维膜分离制氮注氮装 置使制氮注氮成本大幅度降低， 现场制氮注氮能力 有较大提高。辽河油田中深稠油油藏注氮成本已降 到 0 ． 8 8元／ r n 3 ， 曙 l _ 4 7 3 0井总共注入氮气 1 1 ． 7 1 0 4 m3 ，D 9 7 块、 1 3 6 6块、 D 4 8块 2 4口井的平均注氮 气量也达到 9 3 61 0 4 m3 。因此 ， 无 论在技术成熟 度方面还是在经济效益方面 ， 氮气／ 蒸汽吞吐作为各 类稠油油藏蒸汽吞吐开采后期的主要调整措施都能 满足油田的要求 。 [ 1 ] s v r o 出W Y， Me h r o r r a AK． G a s s o i o N l i t y ， v l s o i t y a n d ． d e n s i t y me a s u r e me n t s f o r a t h a has c a b i t u me n [ J ] ．J C a n P e t Te c h． j u l y Au g u s t 1 9 8 2 3 1 3 8 ． [ 2 ] P e t e r s o n A V O t i ma ] r e o v e r y e x p e r i me n t s w i t h a n d c c h [ j ] ．P e t E Ug I n t e r n a t k ma 1 ．N o v 1 9 7 8 4 0 5 0 [ 3 ] 王嘉淮． 马新民， 李桂霞克拉玛依油田九 1区蒸汽吞 吐历史拟舍及加注天然气的效果预测 [ A] ． 稠油热采 技术论文集[ C ]北京 石油工业出版社， 1 9 9 3 [ 4 ] 刘文章 热采稠油油藏开发模式[ M] ． 北京 石油工业 出版杜 ． 1 9 9 8 [ 5 ] B r a c h oL， P o r t i l l oF S t r n s o a kwit h a d d i ti v e s ， t h em a r ． a 、 e x p e r e C ]5 t h b NI T A R i n t e r n a t i o n a l c 1 f 町． ∞∞ o n He a v y Cr u d e a n dTa r S a n d s ，C a r a c a s ， Ve n e z u e la， Au g1 9 9 1 编辑表和平 曲 蚰 加 ∞ 旧 ∞ 0 0 0 O 0 0 0 1 ／ I 】 ＼丑曩善匿 维普资讯