稠油油田空气辅助蒸汽驱现场试验

刘涛 刘影 郭玲玲 郎成山 蔡玉川 胡绍彬

1.中国石油大学地球物理与信息工程学院；2.东北石油大学石油工程学院；3.中国石油辽河油田分公司欢喜岭采油厂

1981年加利福尼亚巴黎谷油田空气辅助蒸汽吞吐采油现场试验［1］的成功促使空气辅助蒸汽驱提高采收率机理和实用技术研究工作得以深入开展。蒋生健［2］对注空气辅助蒸汽驱增产机理、催化氧化反应对地层矿物伤害性和催化产物与破乳剂配伍性、伴生气含氧量爆炸极限等进行了研究。唐晓东等［3］从理论和技术上论述了注空气催化氧化渤海稠油降黏工艺的可行性。鲁奕宁［4］对注空气改善稠油开发效果进行了理论分析。但是，由于高效利用空气辅助蒸汽驱工艺复杂，存在多种可行的操作方案［5-8］。由于这些方案的实施依赖于油藏性质（如稠油或稀油油藏），尤其是地下原油的沥青含量以及油藏中发生的热裂解、低温氧化（LTO）和高温氧化（HTO）反应动力学，增加了解决问题的难度；高温蒸汽掺加含氧空气用于小井距井网注采过程的安全性、空气/蒸汽的注入方式、注入比例等问题目前没有满意的方案［9-11］。这些问题都需要通过现场试验进行深入研究。空气辅助蒸汽驱技术是我国“十三五”石油工程领域的重要科研课题。选定齐40块蒸汽驱试验区中原油濒临枯竭的、加注常温空气之前油藏中已经发生严重蒸汽窜流和超覆的、亟待改变开发方式的井组进行试验，所选试验井组存在的问题具有普通稠油蒸汽驱后期生产问题的普遍性，试验结果可为类似井组提供供鉴。

1 试验井组概况

空气辅助蒸汽驱现场试验井组选自辽河油田齐40块蒸汽驱试验区。齐40块构造位于辽河断陷盆地西部凹陷西斜坡上台阶中段，区块主要发育沙河街组沙一+沙二段的兴隆台油层和沙三段的莲花油层，开发目的层为莲花油层。油藏埋深625～ 1 050 m，平均孔隙度31.5 %，平均渗透率2.062 D，属于高孔、高渗储层。油层平均有效厚度37.7 m，单层平均有效厚度为2～8 m。50 ℃脱气原油黏度2 639 mPa·s，为普通稠油。探明含油面积7.9 km2，石油地质储量3 774×104t。

齐40块于1987年投入蒸汽吞吐开发，2006年12月开始实施规模转蒸汽驱，2008年3月完成全区149个井组整体转驱，2009年产油量达到最高峰69×104t。截至2017年底，齐40块共有注汽井149口，开井121口，生产井679口，开井616口，区块日产液10 339 t/d，核实日产油1 375 t/d，日注汽9 461 t/d，瞬时采注比1.1，瞬时油汽比0.14，蒸汽驱阶段采出程度13.3%，吞吐+蒸汽驱采出程度45.0%。按照蒸汽驱开发规律及开发阶段划分标准，该区块经历了热连通、蒸汽驱替、蒸汽突破3个阶段，目前已经进入蒸汽驱开发后期，亟需进行开发方案调整。

在齐40块5个井组开展了空气辅助蒸汽驱现场试验，其中在齐40块主体部位实施了3个试验井组，这3个试验井组分别为齐40块内高倾角部位的17-028井组、25-K35井组和齐40块中部的13-024井组，驱替介质空气/蒸汽的注入方式为混合式注入；在齐40块外围实施了2个试验井组，分别为6-K032井组和5-K033井组，驱替介质空气/蒸汽，分别以段塞式注入。

2 试验方案设计

在进行现场试验技术参数设计时，除了参考室内实验结果外，主要依据国外学者Redford及Ivory等［10，12-14］的室内实验研究成果。在此基础上，为了便于比较与分析，试验井组设计日注空气量范围较宽，在0.5×104～1.8×104m3范围内。试验井距选取70 m和100 m两种。空气/蒸汽混合式注入方式的蒸汽注入量在试验期间保持不变；采用空气/蒸汽段塞式注入方式时，每周期注入空气量30×104m3，注入变换时间（周期）为一个月，注空气期间停注蒸汽；试验期间采油井始终正常生产。试验技术参数见表1。

表1 空气辅助蒸汽驱试验井组实施情况Table 1 Implementation situations of air-assisted steam flooding in test well groups

3 试验效果分析

对齐40块空气辅助稠油蒸汽驱试验井组生产特征、掺加空气后蒸汽波及规律变化情况等进行分析和评价。

3.1 试验井组生产特征

空气辅助稠油蒸汽驱5个试验井组平均单井组日产油由14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17，总体上取得了较好的试验效果。

根据试验井组产量变化规律，可以将5个试验井组分为两类，如表2所示。Ⅰ类井组的产液量、产油量、油汽比、采注比、注汽压力均有上升，增油效果显著。Ⅰ类井组有2个，均采用空气/蒸汽混合式注入方式，平均注汽压力由试验前的6.5 MPa升至7.1 MPa，日产油由16.2 t/d升至20.2 t/d，油汽比由0.14升至0.17。其他3个井组属于Ⅱ类井组，Ⅱ类井组注汽压力变化不大，增油效果不太明显，典型的6-K032井组和5-K033井组均为采用空气/蒸汽段塞式注入方式，2个井组在试验期间平均注汽量由54.55 t/d降至32.05 t/d，平均注汽压力由5 MPa降至4.6 MPa，日产油由11.95 t/d降至10.75 t/d，注入空气阶段停注蒸汽相当于注入油藏的热量减少了，直接影响了蒸汽驱开发效果。

表2 空气辅助稠油蒸汽驱试验井组生产数据Table 2 Production data of test well groups by air-assisted steam flooding of heavy oil

Ⅰ类井组提高油层纵向动用程度、扩大平面蒸汽波及作用显著。典型的17-028井组空气辅助蒸汽驱试验，试验阶段日注空气量为5 100～10 000 m3，日注蒸汽量为107.6 t/d。监测资料显示，纵向上，由于蒸汽与空气的重力分异作用，空气占据了上部原蒸汽驱主力动用层，空气与原油之间发生的低温氧化反应使孔隙中沥青质含量增加、渗透率降低，从而引起蒸汽发生转向，扩大了蒸汽波及范围。压力观察井测压资料显示，上段蒸汽驱主力层压力由2.9 MPa升至3.1 MPa，同时蒸汽驱层段下部非主力层蒸汽动用程度增加，对应压力由2.9 MPa上升到3.6 MPa。

这个结果说明空气辅助蒸汽驱实施后空气引发蒸汽转向，试验井组的蒸汽波及范围扩大、驱替作用增强，动用程度有了进一步提高。平面上，发现注入的空气首先向蒸汽驱优势方向波及，空气与残余原油之间的低温氧化反应使得孔隙中沥青质沉积增加，油层渗透率降低，迫使蒸汽转向。在蒸汽驱优势方向上距注汽井距离23 m的观44井为温度观察井，该井观测温度的结果表明该区域蒸汽驱层位平均温度降低了35 ℃，同时蒸汽前缘在气体压力驱动下向蒸汽驱弱势方向扩展，该方向上观42井为温度观察井，观42井距注汽井的距离为25 m，在该井的温度测试剖面显示，该方向汽驱层位温度提高了20 ℃。这些实测结果可以表明注空气后地下发生了蒸汽转向、蒸汽平面动用状况得到了有效改善，因此，试验井组日产油由19.8 t/d升至24.1 t/d，油汽比由0.18提高到了0.22，其中典型见效油井17-K291井产油量由7 t/d升至10 t/d。

Ⅱ类井组受注蒸汽量下调影响，增油效果不明显。Ⅱ类井组主要采用段塞式注入方式，通过对试验结果的分析，认为受注汽量下调影响，注入油层的热量降低，致使蒸汽腔体积缩小，从而导致空气辅助蒸汽驱开发效果变差。6-K032井组试验阶段日注空气量10 000 m3/d，注入空气期间停注蒸汽，受到注蒸汽量减少（或不足）的影响，注蒸汽压力由4.6 MPa降至3.8 MPa，试验井组的日产油由14.3 t/d降至13.6 t/d，见图1。

图1 6-K032井组空气辅助普通稠油蒸汽驱试验生产曲线Fig.1 Production curve of Well group 6-K032 by air-assisted steam flooding of ordinary heavy oil

6-K032井组内典型的6-K23C生产井在蒸汽停注期间产液量由20 t/d降至14 t/d，产油量由8 t/d降至5 t/d，井口产液温度由72 ℃降至55 ℃，后期恢复注汽后，日产液恢复至17 t/d，日产油量升至8 t/d，产液温度提高到60℃，产量又开始回升，见图2。这个试验结果表明空气/蒸汽段塞式注入方式注蒸汽量不足影响注入油藏热量，进而影响了蒸汽驱的开发效果。

图2 典型井6-K23C井生产曲线Fig.2 Production curve of typical well, Well 6-K23C

3.2 注入方式的影响

试验井组生产特征表明，蒸汽采用连续注入方式，能够保持蒸汽腔稳定扩展，效果较好。因此实施空气辅助蒸汽驱技术宜采用空气/蒸汽连续式注入方式。

设计合理的、递进式增加空气注入量是保证空气辅助蒸汽驱取得较好效果的重要因素之一。典型的17-028井组试验初期日注空气量为5 140 m3/d，在此注气量下井组产液量、产油量稳产一段时间，然后，将注气量调为10 000 m3/d后，该井组日产液由78 t/d升至85 t/d，日产油由15 t/d升至28 t/d。分析认为，注蒸汽过程掺加空气是一种复杂的工艺，并非简单地掺加，注空气量提高后要有利于汽窜区域内空气能进一步与沥青发生低温氧化反应生成焦炭，堵塞汽窜通道，扩大蒸汽波及体积，看来注入空气的时机与数量是需要优化设计的。

3.3 汽气比的影响

现场试验结果表明，对于辽河油田齐40块普通稠油，空气辅助普通稠油蒸汽驱当汽气比接近1∶40（当量水体积（m3）/标准状态下空气体积（m3））时可以取得较好驱油效果，试验井组空气/蒸汽混合注入方式条件下的日增油与汽气比试验结果见图3，这个现场试验结果与Redford等［8-9］的室内实验结论基本吻合。

图3 空气/蒸汽混合注入方式试验井组日增油量与气汽比关系Fig.3 Relationship between daily oil increment and air/steam ratio of test well groups in the mode of air/steam mixed injection

3.4 产出气体检测

70 m井距井网蒸汽驱油藏掺加的常温空气能与地下原油发生低温氧化反应，油藏温度有所提高，氧气含量可降到安全范围内。17-028井组的常温空气辅助蒸汽驱试验尾气检测结果显示，试验初期原蒸汽驱动用优势方向产出氮气含量快速上升，由4%升至61%，此后基本维持不变；与此同时，产出氧气含量由0.94%升至1.5%，此后又降至0.87%，同时还伴随着井口产液温度由77 ℃升至89 ℃。这些测试和观察结果说明空气优先向蒸汽驱优势方向波及，且空气中的氧与原油发生了低温氧化反应，氧气含量减少，油藏温度有少量升高。

4 结论

（1）在齐40块17-028、25-K35、13-024、6-K032和5-K033等5个井组开展掺加常温空气辅助普通稠油蒸汽驱现场试验，取得了较好的开采效果，5个试验井组平均单井组日产油由过去的14.8 t/d升至16.1 t/d，油汽比由0.14升至0.17。

（2）空气辅助普通稠油蒸汽驱，汽气比接近1∶40可取得较高采收率，这个结果与Redford等的室内实验结论基本吻合。

（3）空气辅助普通稠油蒸汽驱宜采用连续蒸汽/空气注入方式，如果采用段塞式注入方式，在蒸汽停注后，油藏受到注入热量减少的影响，会导致蒸汽腔体积收缩，影响蒸汽驱开采效果；设计合理的空气日注入量和变速注空气时机是保证空气辅助蒸汽驱取得较好效果的重要因素之一。

（4）17-028井组试验初期原蒸汽驱优势方向产出氮气含量快速上升，由4%升至61%，然后基本维持不变，同时产出氧气含量由0.94%升至1.5%，后期又降至0.87%，还伴随着井口产液温度由77 ℃升至89 ℃。这些结果说明：空气优先向蒸汽驱优势方向波及，致使后续再注蒸汽在地下发生了转向；注入空气中的氧与原油发生了低温氧化反应，产出液中氧气含量减少，油藏温度升高；70 m井距井网蒸汽驱油藏掺加的常温空气能通过与地下原油发生低温氧化反应消耗适量的氧气，生产井氧气含量监测结果在安全范围之内。