双水平井多源、多元介质辅助SAGD驱注采参数优化

周志军　闫文华　暴赫

摘      要：本文結合现场实际区块数据，采用正交设计试验和控制变量法分析不同注采参数对双水平井SAGD驱采收率的影响，得到注入介质、注入速度、注入质量分数和注入温度对SAGD驱采收率的影响较大，采注比影响较小的结果。在此基础上，通过油藏数值模拟技术从多源、多元角度优选出该区块注入介质为柴油，注入速度400 m³·d^-1、注入质量分数25%、注入温度280 ℃和采注比1.4，并对优化后的注采参数进行了模拟预测。结果表明：目标区块累计产油量增加5 601.3 t，采出程度提高13.7%，含水率平均降低8%～10%，提高采收率效果明显，研究成果对多源、多元辅助SAGD驱开发进一步提高采收率具有理论指导意义。

关  键  词：SAGD驱;双水平井;正交设计;数值模拟;参数优化;采收率

中图分类号：TE341        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1203-05

Optimization of SAGD Flooding Parameters Assisted by Multiple Sources and Multiple Media in Dual Horizontal Wells

   ZHOU Zhi-jun ^a，b， YAN Wen-hua ^a，b， BAO He^a，b

（a. School of Petroleum Engineering，  b. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry of Education， Northeast Petroleum University， Daqing Heilongjiang 163318， China）

Abstract： Combined with the actual block data in the field， the designed orthogonal test and control variable method were used to analyze the influence of different injection parameters on SAGD flooding recovery rate of dual horizontal wells. The results showed that injection medium， injection speed， injection concentration and injection temperature had greater influence on SAGD flooding recovery rate， while the effect of injection ratio was less. On this basis， based on the numerical reservoir simulation technology， suitable flooding parameters were determined as follows： the injection medium the diesel， the injection rate 400 m³·d^-1， the injection mass fraction 25%， the injection temperature 280 ℃， and the production-injection ratio 1.4.And under optimized injection-production parameters，the production condition was predicted. The results showed that the cumulative oil production of the target block increased by 5 601.3 t， the recovery degree increased by 13.7%， the moisture content reduced by 8%～10% on average， improving oil recovery effect was obvious. The research on multi-source and multi-medium assisted SAGD development has theoretical guidance meaning to further improve oil recovery.

Key words： SAGD flooding; dual horizontal well; orthogonal design; numerical simulation; parameter optimization;  recovery

辽河油田曙一区杜84块50 ℃时地層原油黏度是1.916×10⁵ mPa·s，按稠油分类标准属超稠油油藏。稠油热采温室气体排放量约是常规油藏3～4倍，且开发成本较高^[1-5]。为提高SAGD驱效率和经济性，Nasr等提出溶剂辅助蒸汽重力泄油（ES-SAGD）技术，将碳氢化合物溶剂与蒸汽混合注入油层，降低稠油黏度，增大蒸汽腔来改善开发效果^[6]。Gupta S等通过数值模拟方法，将丙烷、丁烷、戊烷、正己烷、异己烷、庚烷，以不同质量分数注入不同油藏来评价驱油效果^[7]。Ayodele等使用己烷作为溶剂开展了ES-SAGD物模实验，与SAGD实验比较，得出ES-SAGD最终采收率较SAGD高11%的结论^[8]。但以上研究介质均为低碳溶剂，目前国内在ES-SAGD开发机理、溶剂优选、注采参数优化等领域也有待研究。各大油田开展现场试验后，在取得良好成果同时也暴露出一些问题，由于低碳溶剂扩散速度较慢，开发超稠油油藏时后期溶剂保温能力和降黏能力下降较快，因此亟待探索更加高效的介质辅助SAGD驱方式。本文利用数值模拟方法从多源、多元介质角度，低碳至高碳原则，分析了柴油、地层污水、原油、C₅-C₂₀烃类、非烃类多元介质辅助对双水平井SAGD驱开发效果影响，通过对比驱替前缘溶剂温度保留能力和原油降黏能力大小，优选出最佳注入介质，并进行了注采参数优化，为现场SAGD驱进一步提高采收率提供理论指导。

1  SAGD驱模型建立

本文以杜84块为目标区块，运用CMG软件建立数值模型，模型网格划分为55×13×27，平面网格长度为10 m×10 m。水平井共4口，其中上端水平井注汽，下端水平井产油。水平段长度均为300 m。注汽井的注汽压力为15 MPa，蒸汽干度为0.7。模型基本参数见表1。

2  注采参数对SAGD驱生产指标的影响分析

2.1  基础正交设计

正交设计是对选定因素在正交表中进行合理安排，在确定能得到全面结论的基础上进行最少次数的试验，再利用直观分析与方差分析找出各影响因素对开发效果的影响关系，确定最佳参数组合^[9-13]。本文主要考虑5种因素：注入介质、注入速度、注入质量分数（注入介质占总注入气体质量百分比）、注入温度、采注比，每种因素均考虑4个水平，因正交试验只为求出影响因素排列，故注入介质选用了目前研究较多的4种，如表2所示。

2.2  正交试验方案及模拟结果

根据正交试验设计原理，结合表2，采用L₁₆（4⁵）正交表，规划出16个方案，通过数值软件对16种方案进行模拟，模拟时间为3年，以采收率为评价指标，结果如表3所示。

2.3  注采参数对SAGD采收率的影响分析

采收率直观分析表见表4。由表4可知，5种因素的极差大小依次为注入介质、注入质量分数、注入速度、注入温度、采注比。注入质量分数为关键因素，对目标区块采收率影响程度最大，注入速度次之，注入温度影响最小。

使用方差分析方法对数值软件模拟的试验结果进行分析，结果见表5。

查阅正交设计结果分析表得知：F_0.1（2，8）=9.37，F_0.05（2，8）=19.37。当影响因素的F值在19.37～99.36范围内时，试验条件下该因素对结果影响较大;如果F在9.37～19.37内，该因素影响次之;如果F值小于9.37，则该因素对结果影响较小^[14-17]。根据以上规律，结合表5正交结果可知，5种因素的显著程度由高到低依次为注入介质、注入速度、注入质量分数、注入温度、采注比。关键因素是注入介质，注入速度、注入质量分数、注入温度次之，采注比对采收率影响并不显著。

3  SAGD注采参数优化

运用数模方法以采收率与累计油汽比为评价指标，分析各因素对开发效果影响，对比各方案增产效果，优化出最佳注入介质和注采参数。

3.1  注入介质

3.1.1  多源介质优选

从多源角度出发，选用稠油热采应用较多的3种介质。模拟注入柴油（C₁₀～C₂₂）、地层污水（以大庆油田污水为例，主要成分为Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-、SO₄^2-、CO₃^2-、H₂S）、原油（C₁～C₂₀），根据现场实际条件，设定注入质量分数为20%、注入速度为300 m³·d^-1、注入温度为320 ℃、采注比为1.2，时间为3a，结果如图1所示。

由图1可看出，注柴油的采收率和累计油汽比与注原油相比均稍高但相差不大，而注地层污水与两者相差较多，但考虑到经济因素和介质来源，应优先选用污水回注，能更好地控制成本，既能补充地层压力又能提高原油采出率，实现水资源循环利用。

3.1.2  多元介质优选

从多元角度出发，选用性质适合稠油热采、能够在软件中实现的12种烃类和应用较多的3种非烃类多元介质。模拟注入C₅H₁₂、C₆H₁₄、C₇H₁₆、C₈H₁₈、C₉H₂₀、C₁₀H₂₂、C₁₂H₂₆、C₁₅H₃₂、C₁₆H₃₄、C₁₇H₃₆、C₁₈H₃₈、C₂₀H₄₂、CO、CO₂、N₂ 15種介质，设定注入质量分数为20%、注入速度为300 m³·d^-1、注入温度为320 ℃、采注比为1.2，结果如图2所示。由图2可看出，注入烃类介质时采收率和累计油汽比随碳原子数增大而增大，但从C₁₇H₃₆开始采收率和累计产油比开始减小，注入C₁₆H₃₄时采收率和累计油汽比为最佳;注入非烃类介质时，N₂采收率和累计油汽比相比CO₂和CO较为理想，但和碳数较大烃类介质相比较小。

3.1.3  注入介质优选

图3为18种注入介质前缘处温度变化。从图中可看出，前缘处注入介质的温度不再是仅由水蒸气控制的恒定值，而是与介质控制温度的状态有关。由于蒸汽腔前缘特殊的泄油规律决定的相态特征，使得C₅H₁₂、C₆H₁₄等低碳数烃类更容易聚集在前缘附近，但会明显降低前缘温度，而C₁₅H₃₂以上高碳数烃类可以有效保持温度。

图4为溶解18种注入介质后稠油黏度变化曲线。溶解注入介质后稠油黏度随压力升高而降低，但降黏幅度差别很大。根据下降幅度大小来看，烃类相比非烃类降黏效果要好，烃类中C₁₆H₃₄和柴油降黏效果较好，降黏幅度随碳原子数增加而增大。以上所选介质均能改善稠油物性，使稠油的黏度降低，而C₁₆H₃₄和柴油对稠油物性影响最大，能够更显著地改善稠油流动性，有利于提高地层压力和流动压差，提高驱油效率。柴油为复杂烃类混合物，成分中含有低碳数烃，保持前缘温度效果相比C₁₆H₃₄稍差，但考虑到C₁₆H₃₄在工业上提炼更为复杂，而且非烃类和低碳烃类增油效果比C₁₆H₃₄差很多，因此综合考虑优选柴油为注入介质。

3.2  注入速度

注入速度取决于注入压力、生产井排液能力和蒸汽腔大小等因素，能够保证足够的蒸汽干度，通过影响井筒热损和蒸汽干度来影响开采效果。为了控制汽液界面和维持蒸汽腔稳定，设定注入介质为柴油、注入质量分数为20%、注入温度为320 ℃、采注比为1.2，模拟注入速度150～450 m³·d^-1共7个方案，结果如图5所示。由图5可看出，采收率随注入速度的增加不断增大，但当注入速度超过400 m³·d^-1后采收率增幅较小。且当注入速度为400 m³·d^-1时，累计油汽比最大，因此最佳注入速度为400 m³·d^-1。

3.3  注入质量分数

对注入质量分数进行优化时，模拟1%～30%共7个方案，设定注入介质为柴油、注入速度为400 m³·d^-1、注入温度为320 ℃、采注比为1.2，结果如图6所示。由图6可知，随着注入质量分数的增加，采收率不断增大，当注入质量分数达到30%，采收率达到最大值，但相对于注入质量分数25%时增幅较小，且当注入质量分数为25%时，累计油汽比达到最大值，因此最佳注入质量分数为25%。

3.4  注入温度

对注入温度进行优化时，模拟200～320 ℃共7个方案，设定注入介质为柴油、注入速度为400 m³·d^-1、注入质量分数为25%、采注比为1.2，结果如图7所示。进行SAGD驱稠油热采时，理论上注入温度越高，油藏加热越充分，蒸汽腔的扩展速度也越大。由图7可知，采收率随温度增加而增加，但当注入温度高于280 ℃时采收率增幅变小，累计油汽比也不再增加。因此，合理的注入温度为280 ℃。

3.5  采注比

对采注比进行优化时，模拟采注比0.4～1.6共7个方案，设定注入介质为柴油、注入速度为400 m³·d^-1、注入质量分数为25%、注入温度为280 ℃，结果如图8所示。由图8可知，采收率随采注比增大而增大，累计油汽比在超过1.4时开始减小，说明采注比并不是越大越好。合理的排液量应与蒸汽腔的扩展及泄油能力匹配，以满足蒸汽腔扩展后的泄油速率，这样汽液界面就能维持在一个合理位置，避免井上方积聚大量冷凝液影响原油的产出，因此合理采注比为1.4。

4  注采参数优化方案预测

优化方案为注入介质柴油、注入速度400 m³·d^-1、注入质量分数25%、注入温度280 ℃、采注比1.4。在原模型基础上模拟预测了10a，分析优化前后SAGD驱累计产油量及含水率变化规律。目标区块在实施优化参数后，累计产油量增加5 601.3 t，采出程度提高13.7%，含水率平均降低8%～10%，提高采收率增幅较大，为多源、多元介质辅助SAGD驱提高采收率提供理论指导和依据。

5  结 论

1）利用方差分析法对正交结果进行分析，得出各因素对SAGD驱采收率影响由大到小依次为：注入介质、注入速度、注入质量分数、注入温度、采注比。

2）通过油藏数值模拟方法优化SAGD驱最佳注采参数：注入介质为柴油、注入速度为400 m³·d^-1、注入質量分数为25%、注入温度为280 ℃、采注比为1.4。

3）运用数值模拟方法对注采参数优化后的方案进行了预测，目标区块累计产油量增加5 601.3 t，采出程度提高13.7%，含水率平均降低8%～10%，提高采收率效果明显，为多源、多元介质辅助SAGD驱提高采收率提供理论指导和依据。

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