稠油重力泄水辅助蒸汽驱蒸汽超覆研究

周 鹰

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

重力泄水辅助蒸汽驱采用立体井网结构有效缓解了传统蒸汽驱采注比低和汽腔控制难题，但其驱替过程与蒸汽吞吐仍相似。由于油藏流体与热蒸汽之间存在显著的密度差，导致蒸汽超覆于原油之上流动，纵向上形成重力超覆带[1-5]，蒸汽聚集在油层顶部，增加总散热面积，加剧热量的散失[6-10]。因此，针对重力泄水辅助蒸汽驱，控制蒸汽腔变化，充分利用蒸汽超覆作用扩大蒸汽波及区域，极大程度地发挥重力对热流体的泄流作用成为蒸汽超覆机理研究的关键[11-14]。然而，中深层巨厚砂岩稠油油藏特点及直平组合复杂的井组结构也使得其研究更为复杂[15-17]。针对上述问题，基于渗流理论及重力泄水辅助蒸汽驱独特的井网结构，对蒸汽超覆系数进一步简化，并建立了同时考虑启动压力梯度、蒸汽前缘上边界变化和拟流度比的蒸汽前缘数学模型。同时，借助数值模拟软件，直观展示液相等压面及蒸汽前缘变化趋势，对蒸汽前缘滞后现象进行了合理的解释。针对稠油重力泄水辅助蒸汽驱，研究蒸汽超覆机理对于有效地利用蒸汽超覆作用、提高蒸汽波及体积，进而提高多周期吞吐阶段油藏的采收率具有十分重要的作用[18-24]。

1 蒸汽超覆理论及推广

1.1 蒸汽超覆理论

Van Lookeren等[25]研究了蒸汽超覆现象，并推导出描述蒸汽区前缘的形状方程，其表达式为：

(1)

is=Qsiρs

(2)

式中：Ard为蒸汽超覆系数；is为蒸汽注入速率，kg/s；h为油层厚度，m；ρs为蒸汽密度，kg/m3；ρo为原油密度，kg/m3；μs为蒸汽黏度，MPa·s；Ks为蒸汽渗透率，10-3μm2；Qsi为体积流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2。

考虑蒸汽相的达西定律：

(3)

式中：r为蒸汽前缘距离中心注汽井的径向距离，m；Qsi为体积流量，m3/s；vs为驱替速度，m/s；ps为驱替压力，MPa。

由式(1)、(3)得到：

(4)

式中：C为常数。

由式(4)可知，蒸汽超覆系数可被认为是热蒸汽在地层中的压力梯度与汽液两相密度差的比值。

1.2 蒸汽超覆理论的推广

稠油热采过程中，其地下渗流具有非牛顿特征，多数研究者考虑了蒸汽超覆和拟流度比对蒸汽前缘的影响，但是未考虑稠油的启动压力梯度。针对稠油非牛顿特征，通过对蒸汽前缘上边界进行表征，建立了同时考虑启动压力梯度、蒸汽前缘上边界变化和拟流度比的蒸汽前缘数学模型。

在考虑拟流度比的前提下，对蒸汽相和油相分别用达西公式表示，同时考虑油相启动压力梯度，则气相的势函数为：

(5)

油相的势函数为：

(6)

ws=ws(rb)hs/h

(7)

wo=wo(re)(1-hs/h)

(8)

径向蒸汽驱前缘形状的微分方程为：

(9)

(10)

(11)

式中：A为形状因子；M*为拟流度比。

蒸汽超覆至油层顶部时，会在水平方向向外扩展，到达一定程度后又会在垂直方向向下扩展。假设径向上蒸汽速率加热半径平方差成正比，纵向上蒸汽速率与蒸汽带厚度成正比，则蒸汽加热半径与蒸汽带厚度具有以下关系：

(12)

2 蒸汽超覆假设

2.1 蒸汽超覆假设模型

由前文可知，蒸汽超覆系数可被认为是蒸汽在地层中的压力梯度与汽液两相密度差的比值。因此，可将蒸汽超覆作用认为是蒸汽受浮力作用，在压力梯度相同的情况下，蒸汽在压力梯度和蒸汽超覆的共同作用下向中心注汽的水平井上方运移，油相、水相受重力和压力梯度作用向生产井方向运移。假设蒸汽相、油水混合相独立存在，两者之间仅有热焓联系。在压力梯度相同的情况下，蒸汽相受蒸汽超覆作用的影响，油水混合相受重力作用的影响，两者表现出不同的运移趋势，这种趋势差异随压力梯度减小而更加显著。

2.2 蒸汽超覆假设对重力泄水辅助蒸汽驱的影响

根据蒸汽超覆假设，蒸汽相与油水混合相相互独立。利用数模软件建立井组单元内重力泄水辅助蒸汽驱蒸汽相前缘与油水混合相等压面运动趋势(图1)。由图1可知，蒸汽超覆假设模型得到的井网中重力泄水蒸汽相前缘与液相等压面变形趋势(蓝色为液相，红色为蒸汽相)一致，注汽初期汽腔形态基本沿水平井呈条带状展布，随着注汽过程进入中后期蒸汽超覆逐步加剧，同时汽腔形态也受到直井的拖拽作用影响。

图1 汽液两相等压面

2.3 超覆假设下蒸汽前缘滞后

为填充原来油水液相所占据的孔隙，蒸汽相运移“滞后”于油水液相等压面的运动。如果注汽压力无限增大，迫使蒸汽表现出流动特性，将导致蒸汽沿着高渗通道突破至稳定的前缘界面，即黏性指进现象。在蒸汽超覆假设中，认为蒸汽相的运移始终存在一定的“滞后”现象，即不会发生黏性指进现象。

3 结论及建议

(1) 通过对蒸汽超覆理论和超覆系数研究可知，蒸汽超覆系数可被认为是蒸汽在地层中的压力梯度与汽液两相密度差的比值。

(2) 蒸汽前缘上边界随着启动压力梯度的增大而减小，增大形状因子或减小拟流度比，均可降低蒸汽超覆程度，即对井组底部泄水井进行提液或中心注汽井间歇注汽均可有效减小拟流度比，改善蒸汽腔超覆形态，从而提高蒸汽前缘的波及效率。

(3) 基于蒸汽超覆假设模型得到的重力泄水井网中蒸汽相前缘与液相等压面变形趋势，与数模结果对比趋势一致。蒸汽相运移应该“滞后”于油水液相等压面的运动，该“滞后”现象存在的前提为不考虑黏性指进现象，而现场实施间歇注汽能有效抑制黏性指进现象，缓解非均质导致的驱替不均。