热采水平井注蒸汽过程中温度场扩展规律

王增林 张岩 张全胜 李友平 杨德伟

1.中国石化胜利油田分公司 2.中国石化胜利油田分公司孤岛采油厂 3.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院 4.山东省稠油开釆技术重点实验室 5.中国石油大学(华东)新能源学院

我国稠油开采方式中以水平井注蒸汽热采应用最为广泛[1-4]，主要采用了筛管水平井注汽方式开发，同时每隔一定距离安装封隔器，对蒸汽的流动进行强制分隔[5-7]。注蒸汽开采过程中，蒸汽与油层岩石及流体发生热量传递，导致原油温度升高，黏度降低，同时蒸汽驱替油藏中的原油移动，从而形成蒸汽腔，故水平井注蒸汽开采效果很大程度上取决于注汽参数、井底蒸汽品质以及蒸汽在油层中的扩散情况[8-9]。目前，国内外学者对水平井注蒸汽稠油开采开展了系统深入的研究，取得了很大的进展，但在工程实际应用中还存在诸多问题，如水平段长度大以及油藏非均质性，造成油藏吸汽不均产生的汽窜等。因此，研究注蒸汽过程中水平井段内湿蒸汽变流量汽液两相流动规律及在油藏中的扩展规律，分析油藏温度变化，探究如何实现均匀配汽，对指导水平井完井、优化注汽参数、提高热采水平井的开发效果和经济效益具有重要的意义[10-13]。

使用ANSYS Fluent模拟[14-15]及水平井配汽三维物理模拟实验平台[16-19]，协同分析了不同注汽井结构对水平段配汽效果的影响。

1 水平井流动与换热规律数值模拟

1.1 水平段流动与换热物理模型

以薄层稠油油藏为例，油藏厚度为5 m，水平井长150 m，取水平井所在水平面，以注汽井轴线为对称轴，建立二维物理模型。均匀射孔管柱每隔3 m一个射孔，趾端加密管柱0～60 m均匀开2个，60～90 m均匀开3个，90～120 m均匀开10个，120～150 m均匀开15个，每隔30 m安装封隔器。

1.2 水平井湿蒸汽流动数学模型

蒸汽注入过程中，湿蒸汽从水平井的跟端流向趾端，沿程蒸汽在流经射孔时会发生径向分流，一部分蒸汽经射孔进入注汽井和筛管之间的环空，然后进入油层，向油层传热；一部分蒸汽继续流向注汽井趾端。

1.2.1模型假设

(1)油藏为均匀多孔介质且刚性非变形。

(2)在储层内，局部热力学平衡成立。

(3)水平井筒内流体流动完全湍流，储层内流体流动完全层流。

(4)油藏内各处渗透率相同。

1.2.2数学模型

数学模型中包含质量、能量、动量守恒方程、混合相体积率之间交换方程及湍流模型，其中湍流模型选用标准k-ε模型的湍动能及其耗散率输运方程[20]，近壁函数采取标准壁面函数处理。汽相和液相的流动速度不同，故选用Mixture模型进行求解，蒸发冷凝模型采用Lee模型。计算采用分离式求解器，应用PISO算法，各相关能耗散率采用二阶迎风格式离散，压力采用PRESTO！格式。

(1)模型验证。首先根据实际测井数据，进行模型准确性验证。数据来源于胜利油田C20-P146注汽水平井[21]。该水平井深1 403 m，井段总长1 382 m，其中1 256 m、1 313 m和1 372 m处为配汽筛管，测井数据位于井段1 211 m至1 372 m处。以井段1 211 m处参数为模拟水平井注汽参数，质量流量为3 kg/s，干度为0.7。验证8个测井数据点的温度值。模拟结果与测井结果如图1所示，计算模型精度为97.9%。

(2)温度场。模拟分析在油藏初始温度30 ℃、压力6.0 MPa，水蒸气注入速率3 kg/s、压力8.6 MPa、温度300 ℃、干度0.5下，油藏和注汽井内温度变化以及油藏吸汽量和通过每个射孔的质量流量。

注汽30.5 h后，模拟所得温度场如图2所示，使用均匀射孔管柱时，注汽井趾端与跟端温度扩展区域差距较大，配汽不均匀(见图2(a))。减少跟端射孔密度，加密趾端射孔后，与均匀射孔管柱对比，形成了较为均匀的温度场(见图2(b))，配汽效果得到优化。

(3)油藏吸汽量。油藏长150 m，从注汽井跟端到趾端，将油藏分为5段，每段30 m，分别统计油藏每段吸汽量，对比采用均匀射孔和加密趾端射孔管柱配汽时油藏吸汽量，两种不同注汽井管柱吸汽量如图3(a)所示，均匀射孔管柱沿注汽井跟端到趾端方向油藏吸汽量逐渐减少，油藏每段吸汽量相差较大，油藏第1段吸汽量与第5段吸汽量相差0.23 kg/s，而趾端射孔加密管柱油藏每段吸汽量相差较小，每段吸汽量相差最大为0.05 kg/s，故通过改变射孔结构可以实现均匀配汽，形成均匀温度场。

(4)射孔质量流量。当均匀开孔时，通过单个射孔的质量流量如图3(b)所示，沿注汽井跟端到趾端从0.15 kg/s开始逐渐下降。当加密趾端射孔时，射孔质量流量以较大的趋势逐渐减少，因注汽井0～60 m内仅均匀开两个射孔，蒸汽经射孔流出后在环空内扩散较快，故在前两个射孔内流出的蒸汽质量流量较大。

2 水平井流动与换热规律三维物理模拟

2.1 三维物理实验装置

水平井配汽三维物理模拟实验所采用的高温高压实验装置见图4(a)。三维物模内尺寸为400 mm×400 mm×150 mm(长×宽×高)，在模型内部共安装3层热电偶，每层共49(7×7)个，第1层热电偶位于注气井下方，第2层和第3层热电偶位于注气井上方。

实验选取3种不同注汽井结构，分别为传统割缝管、均匀开孔管柱。趾端附近开孔管柱。趾端附近开孔管柱根据不同开孔密度分为两种管柱。结构如图4(b)所示。实验参数为注汽速率30 mL/min、蒸汽温度264 ℃、压力5.0 MPa，油藏温度30 ℃、压力6.0 MPa、孔隙度30 μm2。

2.2 实验结果及分析

(1)割缝管。当注汽管选用割缝管时，因割缝管开孔较大，大部分水蒸汽在跟端缝隙流出，趾端出汽极少，注汽3 h后蒸汽腔发育情况见图5。由图5可知，注汽3 h后，注汽井跟端附近储层最高温度达到了130 ℃左右，并且高温范围由跟端向四周扩展，但趾端附近温度上升有限，只升到了70 ℃左右，这是因为蒸汽在注汽井跟端流出较多，趾端蒸汽少，导致温度上升幅度较小，从而形成的蒸汽腔由注汽井跟端到趾端逐渐扩散，且主要集中在注汽井跟端，不利于开采趾端油藏。

(2)均匀开孔。在配汽 3.5 h后，储层温度场如图6所示。注汽井上方两层温度场均有明显温升，由于饱和蒸汽上升作用，储层上部温度升高明显，最高温度达到了150 ℃左右，高温区域沿注汽管柱扩展，呈现出一个水平柱形高温区域，但趾端温度与跟端温度相比仍然较低，配汽效果沿水平井仍是不均匀的，但对于储层整体的动用程度高于传统割缝注汽管柱。因此，两种注汽管柱均利于开采跟端渗透率较低或含油饱和度较高的油藏。

(3)趾端附近开孔管柱1。配汽 3.3 h后，储层温度场如图7所示。由第3层温度场及储层上部高温区域可知，此时已经形成了蒸汽腔，高温区域达到150 ℃，产生这种现象的原因是储层由于高压蒸汽挤压形成优势通道，蒸汽直接通过优势通道到达储层上部，而不是在趾端附近扩展，并且此时储层内压力已经突破背压，较高温度的冷凝水开始采出，因此趾端附近即第2层温度扩展范围小于第3层温度场。趾端配汽效果与均匀射孔配汽效果存在明显的差异，趾端配汽能够优先动用趾端附近储层，并可以逐渐向跟端蔓延，有利于开采趾端附近含油饱和度较高的油藏。

(4)趾端附近开孔管柱2。配汽3.5 h后，储层温度场分布如图8所示。由第3层温度场可知，此时储层高温区域已扩展开来，区域温度已达到150 ℃，且分布较均匀，与均匀射孔配汽效果相比，高温蒸汽腔在趾端和跟端均有分布，而不是优先在跟端附近团聚，且加热面积趾端和跟端相当；由第2层温度场可知，此时趾端附近配汽量已经大于跟端，与均匀射孔配汽效果差异明显，采用此配汽管柱可改善前期跟端附近配汽量较大的问题，使水平井配汽均匀，储层动用范围更广，利于开采均质储层且含油饱和度分布均匀的油藏。

该实验结果验证了在均质储层的条件下，注汽稳定后改变射孔分布密度可以有效地改变注汽井前后的配汽量，实现均匀配汽。

3 结论

(1)通过质量、能量和动量守恒定律建立了水平井内蒸汽质量流动数学模型，考虑了不同注汽井结构对油藏温度、吸汽量及射孔流量的影响，计算结果接近实际测井数据，较为精确。

(2)均质储层下，模拟均匀射孔管柱所得油藏温度由注汽井跟端到趾端逐渐降低，并与油藏分段吸汽量对应，而通过改变射孔结构，趾端加密射孔，使得油藏温度和每段吸汽量较为均匀，优化了配汽效果。

(3)使用三维物模实验平台进行水平井配汽实验，割缝管和均匀射孔管柱温度场的提高主要集中在注汽井跟端，趾端发育较差甚至不发育。减少跟端射孔，加密趾端射孔，温度场发育主要集中在注汽井趾端，而仅加密趾端射孔，温度场发育均匀，基本平行于注汽井向上发育，配汽较为均匀，验证了软件模拟结果。