CN101818637A - 一种通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法，其主要通过结合块状油藏室内双模拟的精细研究成果，根据火驱火线波情况及规律，采用分阶段确定燃烧前缘处油层的厚度及剩余油饱和度；然后确定平面剩余油饱和度和距离注气井不同位置的剩余油，并预测燃烧前缘过火截面积，储层非均质性及剩余油与注气速度最佳配置关系，最后动态分段式调整单井注气速度，在保证燃烧的前提下，选用变速、偏低的火烧注气速度来维持稳定正常的燃烧。可达到提高块状油藏火烧波及体积、改善火烧油层开发效果及最终采收率的目的。

Description

一种通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法

技术领域

本发明涉及一种稠油油藏的提高采收率技术，适用于厚度较大的块状油藏中利用火驱开采来提高采收率的方法，具体涉及一种在厚层块状稠油油藏吞吐中通过控制火烧注气速度来提高油藏采收率的方法。

背景技术

火烧油层(In-situ combustion)又称为地下燃烧或层内燃烧，亦称火驱开采法(fire-flooding)，是一种在油层内部产生热量的热力采油技术。火烧油层采油就是在地层条件下，以热解反应过程中沉淀在矿物基质上的类焦炭物为燃料，以注入空气中的氧气为助燃剂，在储层中人为地创造一个能使原油氧化燃烧放热的条件，在不断注入热空气的条件下，油层就会燃烧，形成径向的移动燃烧带，又称火线。火线前方的原油受热降粘、蒸馏，蒸馏后的轻质油、汽及燃烧烟道气驱向前方，而未被蒸馏的重质成分在高温下产生裂化，最后的裂解产物——焦碳作为燃料(约占原油地质储量的10％～15％)，以维持油层继续向前燃烧；在高温下，油层内的束缚水及燃烧生成的水变成水蒸汽，携带大量热量传递给前方油层，并再次洗刷油层，从而形成一个多种驱动的复杂过程，把原油驱向生产井，有效提高原油的采出程度。火烧油层驱油效率高，一般大于80％，采收率高，一般达50％～80％，油藏适应范围广，对油藏埋深及井网的要求不十分严格，因此，火烧油层方式在稠油开发中具有广阔的应用前景，是一项更具潜力的开发方式。

火烧油层采油技术自采用研究以来，在世界范围内开展过火烧油层试验的区块有300多个，国内开展过火烧油层试验的区块有17个。并且，针对火烧油层采油的研究取得一些成果。例如，在中国专利申请第200510045110.0号中公开了一种火烧驱油物理模拟装置，该装置包括岩心管、点火电炉、控制器及连接电缆、外护套及法兰、温度传感器、压力传感器、差压传感器、回收器、分析仪、空压机和气体流量计，所述的点火电炉、岩心管和温度传感器安设于外护套内，所述外护套上、下端安设有压力传感器和差压传感器，下端安设有回收器及分析仪，所述气体流量计上连接有空压机。

另外，在中国专利申请第200610134965.5号中公开了一种油田油井火驱采油油层点火用的一种火驱采油油层热力点火方法，采用活动撬装式气-汽发生器成套装置，用高温、高压燃烧技术，将柴油燃烧而产生的氮气、二氧化碳和水蒸气等混合气体和大量的热能，在气-汽发生器内燃烧温度达到1800℃时，掺水降温到300～400℃，压力小于25MPa，将混合气体通过油井井口装置和注入管柱向油层注入；注入3-10×10Nm 300～400℃的混合气体，预热油层，再向井内连续注入空气，在油层内使原油与空气发生氧化作用，放热，达到自燃点，进行燃烧，实现火烧油层驱油的目的。

针对稠油厚块开发的代表性的申请为中国专利申请第200610141106号，其中公开了火烧吞吐开采稠油的工艺技术，其中应用电热器点火、天然气点火或自燃点火等点火技术，将油(水)井油层加热到450℃以上的温度，用空气压缩机向油(水)井内连续注入空气(富氧)15～25天后停止点火，焖井5～10天，开井生产(注水)，达到增产增注的目的。但是该技术具有一定的局限性如选定火烧吞吐稠油油藏须满足以下条件：油层深度＜3500m，剩余油饱和度＞0.5，油层总厚度＞6m，油层孔隙度＞0.3，渗透率＞35md，原油粘度＜5000mPa.s。

虽然技术人员在火烧油层研究上取得了多个方面成果，而这些研究均局限在油层厚度小于38m层状浅层稠油油藏中。而针对厚层块状油藏，以上研究则在不同程度暴露出其有限的适用性，总结起来主要体现在以下几个方面：

(1)针对该类油藏火驱注气速度的合理设计是开发能否经济有效的关键设计技术，也就是控制合理的注气速度决定着最终采收率及经济效益。随着油层厚度的增加，火线垂向上的过火截面积同时也相应增大，过大的注气速度往往导致偏低的经济效益，而过低的注气速度则可导致熄火而失败的结果。

(2)随着油层厚度的增加，火线垂向上的过火截面积同时也相应增大，此时尤其是针对层内夹层分布油层火烧开采的难度随着储层厚度的增加而不断增大；另外随着油藏非均质性的描述难度增加，而层内非均质性对火驱开发方式又显得极其重要，因此也需要控制合理的注气速度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法。

依据本发明所述的技术方案，所述通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法包括以下步骤：

1)根据油藏基础井网开发阶段所获取的动静态资料，选定满足火驱开发条件的油藏进行火驱开发。

2)利用前期开发中已获取的岩心，开展火烧室内物理模拟研究，掌控火驱的燃烧率及火线的波及规律；

3)充分结合块状油藏室内双模拟的精细研究成果，根据火驱火线波情况及规律，采用分阶段确定燃烧前缘处油层的厚度及剩余油饱和度；

4)根据数模研究成果，读出距火井不同距离处平面剩余油饱和度；

5)预测燃烧前缘过火截面积，储层非均质性及剩余油与注气速度最佳配置关系，动态分段式调整单井注气速度，在保证燃烧的前提下，选用变速、偏低的火烧注气速度来维持稳定正常的燃烧；

具体地，选定油藏满足以下条件：油层厚度＞30m，单层厚度大于10m的油层厚度占总厚度的70％，剩余油饱和度＞0.45，孔隙度＞0.18，渗透率＞200md，地层条件下脱气原油粘度＜10000mPa.s，油层深度＜2000m。

优选地，采用70-105m井距正方形井网蒸汽吞吐开采过的油藏，吞吐阶段采出程度达10％～20％。

优选地，转火烧油层开发，注气井分段射孔点火，采用线性“移风接火”方式开发，井距105m，排距210～300m。

进一步地，注气速度与燃烧厚度和含油饱和度有关；燃烧厚度与燃烧时间与火线超覆有关；原油组成相同的某一具体区块单位体积油层的燃烧率主要与含油饱和度有关，离注气井距离越近含油饱和度越低，燃烧率越高。

火烧注气速度具体设计步骤如下：

①确定燃烧率

燃烧率是指燃烧一方油砂所需要的空气量，一般根据物模研究结果来确定燃烧率；具体公式为：

$A_1=\frac{Q_2-Q_1}{V}$

其中：A₁为燃烧率，m³/m³

Q₂为产出空气体积，m³

Q₁为注入空气体积，m³

V燃烧油砂体积，m³

②确定燃烧厚度

火烧前缘处油层厚度与燃烧时间与火线超覆有关，在油层厚度无限大的条件下，由于火线超覆作用，燃烧时间越长，火烧前缘处燃烧厚度越大，根据数模结果，确定垂向燃烧厚度，一般垂向燃烧厚度为水平燃烧厚度的0.67倍左右；

③火烧确定注气速度

注气速度计算公式为： $V_{\mathrm{air}}=\frac{Q_a}{t}$

其中：Q_a为空气耗量，计算公式为：Q_a＝VA₁

燃烧体积计算公式为：V＝π(R²-r₁ ²)hρ

燃烧时间计算公式为： $t=\frac{R-r_1}{V_f}$

r₁为套管外半径，取0.089m；

h为火烧前缘处油层厚度；

ρ为垂直燃烧率，根据数模结果确定；

A₁为燃烧率，m³/m³；根据物模结果及含油饱和度确定燃烧率；

R为燃烧前缘距注气井的距离，m；根据火线推进速度确定；

V_f为火线推进速度，m/d。

另外地，注气速度与燃烧厚度、含油饱和度成正比关系；燃烧厚度与燃烧时间成正比关系；原油组成相同的某一具体区块单位体积油层的燃烧率主要与含油饱和度有关，含油饱和度越低，燃烧率越高。

使用本发明所述方法，充分依据油藏静态地质特点，结合火烧油层开发的机理，变不利为有利，通过人为优化设计，可达到提高块状油藏火烧波及体积、改善火烧油层开发效果及最终采收率的目的。另外，采用本发明方法后注气井仅需较小注气速度便可维持稳定的燃烧，减小了因大剂量注气造成生产井过早气窜的风险。此外，对压风机的性能要求同时可适当降低，火烧操作更加安全有效。

附图简要说明

图1是块状油藏吞吐后温度分布示意图；

图2吞吐过程中注气井周围含油饱和度分布示意图；

图3是块状油藏火烧油层过程中燃烧厚度示意图；

图4是不同阶段注气速度变化曲线。

具体实施方式

在下面，对本发明方法进行解释和说明。

为进一步阐述本发明为达到预期发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的厚层块状稠油吞吐后分段火烧注气速度设计方法的具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效。

请参阅图1所示，图1是本发明厚层块状稠油吞吐后分段火烧注气速度设计方法中块状油藏吞吐后温度分布示意图。该方法以数值模拟为基础，采用基于油藏加热体积的蒸汽控油模式研究剩余油的分布，包括以下步骤：

(1)对于在原始条件下流动能力较差的稠油油藏，只有在油层温度上升至其流动温度(一般取原油粘温曲线的拐点温度)后，其动用状况才有明显改善。

(2)紧密结合稠油油藏的渗流特点，建立起基于加热体积基础上的蒸汽控油模式，充分考虑蒸汽的超覆对产量的影响，采用基于油井加热体积的产量劈分模式，研究剩余油分布。针对厚层块状蒸汽吞吐稠油油藏，本专利研究过程中根据现有的测试、找堵水、生产动态井史等资料，结合油藏数值模拟等多方面的摸索与对比，提出了一种新的基于油井加热体积的产量劈分方法。该方法以数值模拟为基础，将油层温度超过地下原油的粘温拐点温度视为油层是否被动用的界限，以各小层所占据的加热体积作为产量劈分的权重因子，由此进行产量劈分。

本次提出小层的产量劈分模型： $N_{\mathrm{pi}}=\frac{V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}\×N_p$

说明：N_pi——小层累积产量，t

N_p——单井阶段累积产量，t

V_i——小层加热体积，m³

n——射开层数

(3)根据现场监测数据及数值模拟研究结果，油井加热范围可近似处理为：当蒸汽超覆的高度未达到油层顶面时，油井的动用范围的体积形态近似于一个尖顶的圆柱状，其动用厚度为油井的射开厚度与蒸汽超覆厚度之和；当蒸汽超覆的高度到达油顶时，油井的动用范围的体积形态近似于一个圆柱状。

当蒸汽超覆的高度未达到油层顶界时 $V={\mathrm{\πr}}^{2}H+\frac{1}{3}{\mathrm{\πr}}^{2}h$

当蒸汽超覆的高度达到油层顶界时V＝πr²(H+h)

说明：V——油井加热体积，m³

r——加热半径，m

H——油井射开厚度，m

h——蒸汽超覆高度，m

(4)根据剩余油分布研究的结果及室内物理模拟所确定的不同饱和度条件下的燃烧率，建立火驱不同阶段所需的注气量的关系。

请参阅图2所示，图2是本发明厚层块状稠油油藏吞吐后火烧注气速度设计方法中剩余油饱和度示意图。该方法以数值模拟为基础，确定平面剩余油饱和度和所处位置空气耗量，合理设计与注气速度有关的燃烧率。计算公式为：

Q_a＝VA₁

其中：Q_a为空气耗量，

V为燃烧体积，m³

A₁为燃烧率，m³/m³；根据物模结果及含油饱和度确定燃烧率

请参阅图3所示，图3是本发明厚层块状稠油油藏吞吐后火烧注气速度设计方法中块状状油藏火烧油层过程中燃烧厚度示意图。该方法以数值模拟为基础，考虑火线超覆，合理确定燃烧厚度。

请参阅图4所示，图4是本发明厚层块状稠油油藏吞吐后火烧注气速度设计方法中块状状油藏火烧油层过程中燃烧厚度示意图。该方法以数值模拟为基础，优化过火截面积及注气井动态配气技术，合理设计注气速度。包括以下步骤：

(1)充分结合块状油藏室内双模的精细研究成果，在充分认识火线波及规律的条件下，采用分阶段确定燃烧前缘处油层的厚度及剩余油饱和度；

(2)确定平面剩余油饱和度，主要依靠数模研究结果，确定距离注气井不同位置的剩余油；

(3)预测燃烧前缘过火截面积，储层非均质性及剩余油与注气速度最佳配置关系，动态分段式调整单井注气速度，在保证燃烧的前提下，选用变速、偏低的注气速度来维持稳定正常的燃烧。注气速度设计步骤如下：

①确定燃烧率

燃烧率是指燃烧1方油砂所需要的空气量，它与含油饱和度、原油组成、点火温度有关，据物模结果及含油饱和度确定燃烧率。

②确定燃烧厚度

火烧前缘处油层厚度与燃烧时间与蒸汽超覆有关，根据数模结果，确定垂向燃烧厚度。

③确定注气速度

注气速度计算公式为： $V_{\mathrm{air}}=\frac{Q_a}{t}$

其中：Q_a为空气耗量，计算公式为：Q_a＝VA₁

燃烧体积计算公式为：V＝π(R²-r₁ ²)hρ

燃烧时间计算公式为： $t=\frac{R-r_1}{V_f}$

r₁为套管外半径，取0.089m

h为火烧前缘处油层厚度

ρ为垂直燃烧率，根据数模结果确定。

A₁为燃烧率，m³/m³；根据物模结果及含油饱和度确定燃烧率

R为燃烧前缘距注气井的距离，m；根据火线推进速度确定

V_f为火线推进速度，m/d。

借鉴上述设计方案，本发明厚层块状稠油油藏吞吐后火烧注气速度设计方法至少具有以下优点：

(1)本项设计充分依据油藏静态地质特点，结合火烧油层开发的机理，变不利为有利，通过人为优化设计，可达到提高块状油藏火烧波及体积、改善火烧油层开发效果及最终采收率的目的。

(2)采用本设计后注气井仅需较小注气速度便可维持稳定的燃烧，减小了因大剂量注气造成生产井过早气窜的风险。另外对压风机的性能要求同时可适当降低，火烧操作更加安全有效。

六、实施例1

油田1为一个三面被断层围限的单斜油藏。具有油藏埋藏深、构造简单、油层巨厚、内部隔夹层不发育等典型的特点。油层埋深1460～1600m，油层厚度145m，剩余油饱和度为0.45，孔隙度为21.6％，渗透率860md，地层条件下脱气原油粘度4500mPa.s；前期以吞吐开发为主，目前地层压力低，仅为2～3MPa，地下存水量大，回采水率只有30％，井间剩余油饱和度最高61％。

(1)根据油田地质特征及开发现状，进行粗筛选。该油藏满足以下条件：油层厚度＞30m，单层厚度大于10m的油层厚度占总厚度的70％，剩余油饱和度＞0.45，孔隙度＞0.18，渗透率＞200md，地层条件下脱气原油粘度＜10000mPa.s，油层深度＜2000m；

(2)首先是蒸汽吞吐过的油藏，进行剩余油饱和度分布描述。根据该油层隔夹层的分布情况，将该块整体上划分为上、下两套层系开发，平面上自高部位开始采用“移风接火式”整体开发。

(3)根据物模研究结果和剩余油饱和度确定空气耗量。

(4)根据注气井射开厚度及火线超覆确定燃烧厚度，计算不同火线波及状况下的注气速度。

(5)采用干式正向燃烧“移风接火”式，分两套层系火驱开发，井距105m，排距210m；采用变速注气的方式注气，初期单井注气速度5000～7000m³/d，折算单位截面积通风强度1.93m³/(m².h)，动态分段增加注气速度，月增3000～4000m³/d，油井排液量15～25m³/d，预测火驱生产10.5年，可提高采收率32％，最终采收率可达到47％。

(6)油田1火烧油层技术方案于2008年5月实施，上层系6口注气井陆续成功点燃，目前火烧油层波及状况良好，在注气井纵向射开10m的情况下，纵向上温度上升的油层厚度达到50m左右，纵向动用程度在逐步提高。各项燃烧指标均表现为高温氧化燃烧的特点；随着火烧油层时间的延长，注气井附近温度逐步向平面及纵向扩展，且波及体积逐渐增加，表明设计的射孔井段及注气井网配置关系对该类油藏的火烧是适应的。平均单井日产由2.4t/d上升到3.6t/d，井组最高日产油97.3t/d，火烧油层阶段增油1.9745×10⁴t，阶段采出程度1.58％，累计空气-油比1281m³/t，火烧油层见到了明显的增油效果和经济效益。从目前的状况看，火烧油层试验方案是科学合理的。

六、实施例2

油田2为一个三面被断层围限的单斜油藏。具有油藏埋藏深、构造简单、油层巨厚、内部隔夹层不发育等典型的特点。油层埋深1460～1600m，油层厚度76.5m，剩余油饱和度为0.43，孔隙度为24.2％，渗透率1530md，地层条件下脱气原油粘度2320mPa.s；前期以吞吐开发为主，目前地层压力低，仅为1～2MPa，地下存水量大，回采水率只有28％，井间剩余油饱和度最高59.3％。

(1)根据油田地质特征及开发现状，进行粗筛选。该油藏满足以下条件：油层厚度＞30m，单层厚度大于10m的油层厚度占总厚度的70％，剩余油饱和度＞0.45，孔隙度＞0.18，渗透率＞200md，地层条件下脱气原油粘度＜10000mPa.s，油层深度＜2000m；

(2)首先是蒸汽吞吐过的油藏，进行剩余油饱和度分布描述。根据该油层隔夹层的分布情况，将该块整体上划分为上、下两套层系开发，平面上自高部位开始采用“移风接火式”整体开发。

(3)根据物模研究结果和剩余油饱和度确定空气耗量。

(4)根据注气井射开厚度及火线超覆确定燃烧厚度，计算不同火线波及状况下的注气速度。

(5)采用干式正向燃烧“移风接火”式，分两套层系火驱开发，井距105m，排距300m；采用变速注气的方式注气，初期单井注气速度5000～7000m³/d，折算单位截面积通风强度1.93m³/(m².h)，动态分段增加注气速度，月增3000～4000m³/d，油井排液量15～25m³/d，预测火驱生产8.5年，可提高采收率20.4％，最终采收率可达到44％。

如上述，已经清楚详细地描述了本发明提出的方法。但是，尽管本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，本领域普通的技术人员也可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。

Claims (5)

1.一种通过控制火烧注气速度提高厚层块状稠油油藏采收率的方法，其包括以下步骤：

1)根据油藏基础井网开发阶段所获取的动静态资料，选定满足火驱开发条件的油藏进行火驱开发。

2)利用前期开发中已获取的岩心，开展火烧室内物理模拟研究，掌控火驱的燃烧率及火线的波及规律；

3)充分结合块状油藏室内双模拟的精细研究成果，根据火驱火线波情况及规律，采用分阶段确定燃烧前缘处油层的厚度及剩余油饱和度；

4)根据数模研究成果，读出距火井不同距离处平面剩余油饱和度；

5)预测燃烧前缘过火截面积，储层非均质性及剩余油与注气速度最佳配置关系，动态分段式调整单井注气速度，在保证燃烧的前提下，选用变速、偏低的火烧注气速度来维持稳定正常的燃烧。

2.根据权利要求1所述方法，其中选定油藏满足以下条件：油层厚度＞30m，单层厚度大于10m的油层厚度占总厚度的70％，剩余油饱和度＞0.45，孔隙度＞0.18，渗透率＞200md，地层条件下脱气原油粘度＜10000mPa.s，油层深度＜2000m。

3.根据权利要求1所述方法，其中采用70-105m井距正方形井网蒸汽吞吐开采过的油藏，吞吐阶段采出程度达10％～20％。

4.根据权利要求1所述方法，其中转火烧油层开发，注气井分段射孔点火，采用线性“移风接火”方式开发，井距105m，排距210～300m。

5.根据权利要求1所述方法，其中注气速度与燃烧厚度和含油饱和度有关；燃烧厚度与燃烧时间与火线超覆有关；原油组成相同的某一具体区块单位体积油层的燃烧率主要与含油饱和度有关，离注气井距离越近含油饱和度越低，燃烧率越高。

火烧注气速度具体设计步骤如下：

①确定燃烧率

燃烧率是指燃烧一方油砂所需要的空气量，一般根据物模研究结果来确定燃烧率；

具体公式为：

其中：A₁为燃烧率，m³/m³

Q₂为产出空气体积，m³

Q₁为注入空气体积，m³

V燃烧油砂体积，m³

②确定燃烧厚度

火烧前缘处油层厚度与燃烧时间与火线超覆有关，在油层厚度无限大的条件下，由于火线超覆作用，燃烧时间越长，火烧前缘处燃烧厚度越大，根据数模结果，确定垂向燃烧厚度，一般垂向燃烧厚度为水平燃烧厚度的0.67倍左右；

③火烧确定注气速度

注气速度计算公式为：

其中：Q_a为空气耗量，计算公式为：Q_a＝VA₁

燃烧体积计算公式为：V＝π(R²-r₁ ²)hρ

燃烧时间计算公式为：

r₁为套管外半径，取0.089m；

h为火烧前缘处油层厚度；

ρ为垂直燃烧率，根据数模结果确定；

A₁为燃烧率，m³/m³；根据物模结果及含油饱和度确定燃烧率；

R为燃烧前缘距注气井的距离，m；根据火线推进速度确定；

V_f为火线推进速度，m/d。

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