水平井分段优化注汽技术

所属技术领域

本发明属于油田采油工艺技术，主要应用于油藏注蒸汽开采，特别涉及一种水平井分段优化注汽技术。 

背景技术

水平井蒸汽吞吐和蒸汽辅助重力泄油是目前注蒸汽开采稠油的主要技术，由于水平井与油藏接触面积大，注蒸汽波及体积大，产能较直井高，在世界范围内得到广泛应用。但是，由于油藏非均质性和水平井段长度的影响，水平井笼统注汽时普遍存在水平段油藏动用不均的矛盾，现场测试资料表明，动用较好井段长度仅占总井段的1/3至1/2，且随着开采程度增加，水平段油藏动用不均的矛盾将不断加剧，严重制约了水平井产能的发挥。调整吸汽剖面、提高水平段油藏动用程度、改善注汽开采效果的潜力非常大。 

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种水平井分段优化注汽技术。该技术根据水平段油藏地质特征和动用情况，利用封隔器等井下工具，将水平段注汽管柱分成两个或多个相对独立的注汽腔，将水平井笼统注汽方式变成有针对性的水平井分段注汽，并通过优化设计注汽方式、管柱结构和注汽参数，实现不同井段的定量优化注汽，有效调整水平段油藏的吸汽剖面，改善油藏动用不均的状况。 

解决其技术问题所采取的技术方案是在注汽管与筛管(或套管)之间用封隔器封堵，将笼统注汽的一个注汽腔分割成几个注汽腔(即分成两段或多段)。封隔器采用热敏和机械坐封和特别的安全解封方法，可以实现安全下井和起出。另外，根据分段优化注汽工艺的需要，可在各段注汽管上采用不同结构和功能的注汽阀。 

本发明的水平井分段优化注汽技术根据油藏地质特征和动用情况，可采用选段注汽、两段分注和两段(或多段)同注三种注汽工艺。对于局部动用程度过高、汽窜或出水的水平井，可在注汽管上安装封隔器和扶正器，封隔动用程度高、汽窜或出水井段，进行选段注汽；对于层段动用差异较大的水平井，可在注汽管上安装封隔器、注汽阀、分配器和扶正器，进行两段分注；对于层段动用差异相对较小的水平井，可在注汽管上安装封隔器、注汽阀和扶正器，进行多段同注。 

本发明的水平井分段优化注汽技术另一个技术特点是蒸汽在封隔器附近地层的渗流提高了封隔器所在位置油藏的动用程度，封隔器安装在动用差油藏部位可提高其动用程度，需要根据油藏地质特征和动用状况来优化封隔器位置及注汽参数。 

本发明主要是针对水平井笼统注汽时存在的水平段油藏动用不均问题。在水平井注汽开采稠油过程中，油层蒸汽扩散和原油流动特征受完井方式和注汽管柱结构等井身结构的影响。室内模拟结果和现场实测数据均表明，传统的简单注汽管柱和笼统注汽工艺容易造成局部吸汽量大、加热温度高，水平井各段油层加热效果不均，动用效果差，产量递减快，最终采收率低。 

周期结束后温度测试能够在一定程度上反映水平层段动用情况。某井原始和不同周期结束后井温测试结果见附图1。这是典型的“跟部动用好、端部动用差”，且随着注汽周期增加，跟部和端部温度差异不断增大，可达2倍以上。室内模拟和现场测试还发现存在“跟部动用差、端部动用好”、“两端动用差、中部动用好”及“两端动用好、中部动用差”。水平段油藏动用不均直接影响了水平井注汽的开采效果。对于超稠油油藏，由于稠油粘度高，其水平段油藏动用不均现象要更严重一些。 

现场测试资料表明，水平井笼统注汽时井段间温度差异大，动用程度差。均质地层笼统注汽后井段间温度差异可达20～40℃以上。而非均质油藏井段间平均温度差异可达80～100℃。动用较好井段长度仅占总井段的1/3至1/2，且随着开采程度增加，水平段油藏动用不均的矛盾将不断加剧，严重制约了水平井产能的发挥。调整吸汽剖面、提高水平段油藏动用程度、改善注汽开采效果的潜力非常大。 

本发明的水平井分段优化注汽方式可采用选段注汽、两段分注和两段(多段)同注三种方式。不同水平井注汽方式的管柱结构见附图2。选段注汽是在注汽管设定位置安装封隔器，只在封隔器一侧有出汽口，见附图2(b)。两段分注是在注汽管设定位置安装封隔器，封隔器一侧开有出汽口，另一侧安装注汽阀，安装出汽口一端注汽结束后，投球封堵，另一侧注汽阀开启后注汽，见附图2(c)。多段同注是在注汽管 设定位置安装一个或多个封隔器，在封隔器之间安装多个出汽口和/或注汽阀，见附图2(d)。 

本发明的选段注汽工艺主要用于封堵高渗段和水淹段。通过封堵高渗段和水淹段，只向低渗段或动用效果差层段注汽，提高该层段的吸汽量，改善其动用效果。可分为封隔器封堵“跟部”和“端部”两种封隔器选段注汽方式。当满足以下条件下，可考虑采用封隔器封隔注汽工艺： 

(1)开采程度高，层段间渗透率和动用状况差异明显、产水率高、开采效果差； 

(2)封堵层段距离较短，封堵后储层损失不大。 

选段注汽的工艺方法是： 

(1)“跟部”或“端部”吸汽量过大或动用程度过高时可采用一个封隔器封隔； 

(2)中部吸汽量过大或动用程度过高时，可采用两个封隔器封隔，向封隔后的两端注汽； 

(3)两端吸汽量过大或动用程度过高时，可采用两个封隔器封隔，向封隔后的中间段注汽。 

选段注汽工艺可通过调整封隔器位置，控制封隔器附近的窜流来平衡封隔器两侧油藏的吸汽量。 

本发明的两段分注工艺是在设计位置安装封隔器，先向端部(或跟部)注入一定量蒸汽，注汽结束后投球封堵，然后注汽憋压打开注汽阀，向跟部(或端部)注汽。实质上是两段先后注汽，能够较准确地向前后两段注汽，改善吸汽和开采效果。但是，两段注汽顺序和注汽量需要进行优化。两段分注的一个明显特点是：提高了封隔器位置层段的吸汽量，其原因是封隔器附近往复的“窜流”，增加了封隔器附近油藏的吸汽量。其不足是投球后注汽时已注汽油藏的热量和压力损失。两段分注的适用条件是层段间渗透率、压力和动用状况差异较大。 

本发明的两段同注工艺是在注汽管外设定位置安装一个或多个封隔器，并在封隔的各井段安装注汽阀，多层段同时注汽。该工艺通过封隔器、注汽阀及注汽压力优化等途径来控制高渗段或动用程度高层段的吸汽量。 

与选段注汽和两段分注工艺相比，两段同注具有抑制窜流的“平衡作用”。两段同注工艺克服了两段分注第二阶段注汽时前段“焖井时间过长”的不利影响，并且由于压力的平衡作用能够在一定程度上抑制封隔器附近两个层段间蒸汽的“窜流”。 

两段同注工艺的适用条件是： 

(1)油藏地质和开发状况认识比较清楚，能够较准确地预测封隔器两侧层段的吸汽量； 

(2)层段间油藏动用差异较小，能够通过注汽阀尺寸和封隔器位置来控制各层段油藏的吸汽量。 

根据水平井注汽油藏特点和动用状况来选择合理的分段优化注汽方式非常重要，也是保证分段优化注汽效果的关键。 

表1水平井分段优化注汽工艺的特点 

本发明的水平井分段优化注汽技术主要涉及的井下工具包括封隔器、分配器、小直径伸缩扶正器和注汽阀。 

(1)耐高温封隔器：本发明的耐高温封隔器结构示意图见附图3，滑套2支撑耐高温密封橡胶1，橡胶1在热和机械力作用下膨胀将注汽管与筛管之间密封，封隔套管与注汽管之间环空内的蒸汽流动，将一个注汽腔分割成两个或多个相对独立的注汽腔。设计封隔器的密封件耐压17MPa，耐温350℃，高弹性(膨胀高度15mm)，超耐磨。 

(2)扶正器：为了保证水平井段耐高温封隔器的封隔效果，设计了配套的高强度径向可伸缩专用扶正器。 

(3)分配器和配注球：为了实现多种注汽方式，设计了导入式可限位分配器及配套使用的高强度轻质钛合金配注球，用于投球座封。 

(4)注汽阀：不同分段优化注汽方式可采用不同功能和不同流量的注汽阀，包括渗流式、孔眼式和压力开启式注汽阀。 

本发明的水平井分段优化注汽时基本原理是基于封隔器附近的蒸汽窜流。水平井筛管与钻井井眼间环空为地层砂所充填，且压实作用较弱，介质渗透率较高，是注汽时蒸汽窜流的主要途径。笼统注汽时层段间由于压力和动用程度差异，会发生层段间的渗流。封隔器附近蒸汽窜流机理见附图5。由于筛管外环空介质渗透率要高于注汽段和封隔段地层，在封隔段注汽管与筛管间环空中充满流体(蒸汽或原油)后，流向封隔段的蒸汽可能会发生如附图5中所示7、8和9三种路线的渗流，封隔器附近最大蒸汽窜流量可近似认为是筛管外环空介质中蒸汽的渗流量。 

本发明的水平井分段优化注汽中，分段优化注汽隔器附近的蒸汽窜流规律是科学设计水平井分段优化注汽方式及相关参数的关键。当层段间压差较小时，层段间蒸汽渗流速度很小，蒸汽窜流量较小，甚至可以忽略。但是，在选注和分注条件下，封隔器附近筛管外介质中蒸汽窜流量通常是不能忽略的。 

封隔器附近蒸汽窜流的概念模型如附图5，其中，端部(2段)为注汽段，跟部(1段)为封隔段，封隔器位于端部和跟部中间。与笼统注汽相比，封隔后针对端部注汽，跟部的注汽量为经过筛管外环空介质中的窜流，增加了渗流阻力R_S，提高了端部油藏的注汽强度。 

水平井注汽时由于重力作用的影响，属于不对称径向渗流。蒸汽与原油的密度差会产生蒸汽超覆，一个简化的蒸汽窜流计算公式为： 

$q_c=\frac{p_{A1}\left(t\right)-p_{B1}\left(t\right)}{\frac{4{\mu }_w{L}_b}{K_{\mathrm{hs}}{K}_{\mathrm{rws}}\pi (r_w^2-r_{\mathrm{so}}^2)}}---\left(1\right)$

总窜流量为 

Q_c＝∫q_cdt                 (2) 

式中，q_c-窜流量，m³/s；μ_w-水或蒸汽粘度，Pa·s；L_b-封隔器长度，m；r_w-钻井井眼半径，m；r_so-筛管外径，m；L_B-封隔段长度，m；K_hs-筛管与钻井井眼间隙介质水平渗透率，m²；K_rws-筛管与钻井井眼间隙介质中水相相对渗透率。 

以一口模拟井为例对选段注汽时封隔器附近的蒸汽“窜流”进行了模拟计算。模拟井的动用程度较高层段(端部)长度与动用程度较低层段(跟部)长度相等，端部油藏渗透率为跟部油藏渗透率的2倍，端部油藏温度为跟部油藏的1.5倍。将端部封隔后向跟部注汽，注汽速度为300～600m³/d，封隔器有效封隔长度为0.04m。模拟计算结果表明，即使在较高压差下，选段注汽的窜流比例(窜流量/注汽量)最大值低于30％，跟部动用程度低油藏吸汽量较笼统注汽增大了4～5倍。 

窜流比例与封隔器封隔长度关系见附图6(注汽段与封隔段长度比为1，流动系数差异为1∶100，筛管外环空介质渗透率为10000×10^-3μm²)。封隔器封隔长度越大，窜流比例越小，但当封隔器长度大于0.4m后，窜流量减小幅度很小，即窜流比例受压差影响很小，推荐封隔器封隔长度为0.04～1.0m。 

筛管或套管外环空介质渗透率对窜流比例影响非常大(见附图7，注汽段与封隔段长度比为1，流动系数差异为1∶100，封隔器长度为0.04m)。可见，当筛管或套管外环空渗透率低于10000×10^-3μm²时，窜流量降至25％以下。设计封隔器封隔长度时应考虑筛管或套管外环空介质渗透率，环空介质渗透率较高时应该选择较长的封隔器。 

封隔器位置移动对窜流比例影响非常明显，因此，需要根据油藏地质条件和动用状况，综合评价窜流量和渗流量大小，来确定封隔器的合理位置。 

封隔器能够有效封隔筛管与注汽管之间的蒸汽流动。两段分注时封隔器附近地层由于蒸汽的往复窜流而产生明显的叠加效应，实现封隔器所在位置油藏吸汽量增加。两段分注时水平井段吸汽剖面见附图8。 

总之，封隔器长度和位置对窜流量影响较大，其次是环空介质渗透率。在确定合理封隔器长度时应该综合考虑以上因素，详细计算不同注汽方式下的蒸汽窜流量，优选注汽方式，优化封隔器位置和封隔器封 隔长度。 

本发明的水平井分段优化注汽技术的主要特征是在分段基础上对注汽管柱和注汽参数进行优化设计。由于不同水平井分段优化注汽方式具有不同的窜流规律和开采特征，在注汽参数设计时，首先要详细研究油井条件，优选分段优化注汽方式，并结合水平井层段动用程度等特点采用上文介绍的窜流量计算等方法来设计分段优化注汽管柱，最后，针对确定的注汽方式及管柱结构，模拟计算不同注汽参数下的注汽和开采效果，从中优选合理的注汽参数。其主要设计步骤、内容和设计参数见表2。 

表2水平井分段优化注汽的优化设计过程 

封隔器尺寸和位置设计时要根据油藏地质参数和注采参数，首先模拟计算不同注汽方式的层段间蒸汽窜流量，优选注汽方式后再进一步优化封隔器尺寸和位置。一般地，偏向未动用或动用差层段一侧安装封隔器和/或适当增大封隔长度，有利于减小层段间的窜流量的渗流量。 

注汽阀位置要尽量远离封隔器位置以降低封隔器附近的蒸汽窜流量。具体设计也需要根据窜流量和加热区吸汽效果等方面进行模拟计算后确定。总体上，封隔器位置设计则需要综合考虑层段间的窜流量和渗流量；高渗段的注汽阀位置应靠近封隔器，而低渗段注汽阀应位于远离封隔器一端。 

为了计算分段优化注汽的注汽量和产油量，需要计算窜流量、储层岩石和流体热传导率、油藏流体的温度等性质随着热损失的变化。关键是要计算蒸汽温度随着时间的变化，以及产水速度随着时间的变化。每个周期都要计算注汽阶段的注汽量分配、焖井后的加热范围和温度、生产阶段的产油量和产水量。在每个周期结束时，油藏剩余热量是通过温度来计算的。剩余热量和压力等数据是为下周期计算做准备。 

水平井分段优化注汽的模拟计算过程可分为11个步骤： 

(1)分层段油藏地质参数、井身结构参数和注采参数输入； 

(2)分段优化注汽工艺参数定义：分段优化注汽方式、封隔器长度和位置、注汽阀尺寸和位置和注汽参数； 

(3)层段蒸汽窜流量和吸汽量计算； 

(4)各层段蒸汽区几何形状的计算(体积、长、宽、高、厚度)，在注入和开始生产时蒸汽的饱和度； 

(5)开采阶段产油和产水速度及流体累积产量计算； 

(6)生产过程中和结束时蒸汽区的平均温度计算； 

(7)根据时间步长，返回第(3)步重复计算，否则继续进行； 

(8)计算周期结束后累积产油量和蒸汽注入量等参数，并计算油汽比； 

(9)如果需要计算其它注汽方式，则返回(3)重复计算，否则继续进行； 

(10)优选注汽方式，计算不同注汽量的开采效果，优选注汽量； 

(11)如果需要计算下一周期，重复上述步骤，否则停止运算。 

本发明的水平井分段优化注汽技术是针对不同油藏条件选择合适的分段优化注汽方式，可以调整水平井段油藏吸汽剖面，使注汽后井段间温度差异控制在10℃左右，油藏动用程度明显提高。室内模拟和现场试验结果表明，水平井分段优化注汽井的动用层段长度由原来的＜50％提高到60％～80％，强化注汽层段油藏温度也提高了10～20℃，分段优化注汽对水平层段动用程度调整作用非常明显。 

封隔器附近存在蒸汽往复窜流(实质上是蒸汽在地层中的渗流)，选段注汽时蒸汽窜流量为注汽量的10％～30％，两段分注和多段同注时净窜流量＜10％，封隔器的封隔效果明显。总体上，封隔器附近的蒸汽往复窜流会造成封隔器所在位置油藏温度升高，动用程度也相应提高。 

因此，本发明的水平井分段优化注汽技术可以实现分段分级“优化”注汽。选段注汽、两段分注和多段同注三种水平井分段优化注汽基本方式，在解决水平井注汽不均及汽窜等生产问题方面，针对性强，适用范围广，具有广阔的应用前景。另外，水平井分段优化注汽技术施工简单，费用低，不需特殊的配套装置，常规的热采作业即能满足要求。 

附图说明

附图1为本发明的某井原始和不同周期结束后井温测试曲线，其中，0是原始油藏温度曲线，1是第1周期结束后油藏温度曲线，2是第2周期结束后油藏温度曲线，3是第3周期结束后油藏温度曲线。 

附图2是本发明的不同水平井注汽方式的管柱结构示意图，其中，图(a)为笼统注汽，图(b)为选段注汽，图(c)是两段分注，图(d)是两段同注。图中，1是跟部油藏，2是端部油藏，3是注汽管，4是筛管或套管，5是封隔器，6是球座，7是注汽阀，8是死堵。 

附图3是本发明的封隔器结构示意图，1是耐高温密封橡胶环，2锥形滑套，在机械力作用下，锥形滑套支撑密封橡胶环，橡胶环在机械和热应力作用下膨胀将注汽管和筛管或套管之间密封。 

附图4是本发明的封隔器附近蒸汽窜流过程示意图，1是跟部油藏，2是端部油藏，3是注汽管，4是筛管或套管，5是封隔器，6是筛管或套管外环空介质，7是管外环空介质中渗流的蒸汽，8是地层向管个环空介质中渗流的蒸汽，9是端部地层向跟部地层中渗流的蒸汽。 

附图5是本发明的封隔器附近蒸汽窜流的渗流机理示意图，其中，图(a)是笼统注汽渗流机理示意图，图(b)是封隔后注汽渗流机理示意图。图中，1是跟部油藏，2是端部油藏，3是注入蒸汽，4是跟部注入蒸汽，5是端部注入蒸汽，6是筛管外环空介质的蒸汽渗流阻力。 

附图6是本发明的封隔器附近蒸汽窜流比例与封隔器长度的关系曲线。 

附图7是本发明的封隔器附近蒸汽窜流比例与筛管外环空介质渗透率的关系曲线。 

附图8为本发明的封隔器附近蒸汽窜流的叠加作用原理图。附图8中：1是第1周期结束后吸汽剖面，2是第2周期结束后吸汽剖面，3是第3周期结束后吸汽剖面，4是跟部油藏，5是端部油藏，6是注汽管，7是筛管或套管，8是注汽阀，9是封隔器。 

附图9为本发明的跟部选段注汽的管柱结构示意图，其中，1是跟部油藏，2是端部油藏，3是注入蒸汽，4是管外环空介质中渗流的蒸汽，5是封隔器，6是死堵。