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【摘要】由于水平井具有热损失小，能够较好地保证热采效果；能改变热应力方向，有效防止管外窜；可降低注汽压力，提高吸汽能力等优势，使得水平井热采成为提高稠油油藏采收率的一项重要技术。笔者通过建立水平井井筒摩阻数值模拟模型，首次对水平井注蒸汽后水平段沿程参数的变化规律开展了相关研究，明确了稠油油藏热采水平井沿程的流动规律，率先揭露出热采水平井水平段动用存在端点效应，为水平井设计和井网部署提供了重要的指导意义。
【关键词】热采水平井 井筒摩阻 蒸汽干度 端点效应 稠油油藏 数值模拟
由于水平井具有热损失小，能够较好地保证热采效果；能改变热应力方向，有效防止管外窜；可降低注汽压力，提高吸汽能力等优势，使得水平井热采成为提高稠油油藏采收率的一项重要技术。近年来，随着各类油藏中水平井热采系列技术的突破[1]，胜利油田稠油产量逐年攀升，连创历史新高。当前和今后一个时期，水平井热采技术将仍是加快胜利稠油产能建设速度、提高稠油油藏储量动用率和采收率、增加可采储量最现实的有效手段之一。笔者以胜利油田分公司重点科研项目为依托，建立了水平井井筒摩阻数值模拟模型，对水平井注蒸汽后水平段沿程参数变化规律开展了相关研究。
1 模型建立
模拟器采用CMG热采软件的STARS模块，该模块考虑了热力影响，组分在相间的作用以及热流体提高采收率的机理设置得比较合理，完全能够满足模拟要求[2]。为研究水平井注蒸汽后水平段沿程变化规律，以乐安油田馆陶组油藏为例，针对其地质特点及储层变化规律，以该油藏的实际储层为基础，通过软件插值，对水平井井段所处的网格使用杂交加密网格进行局部网格加密处理后[3]，建立单水平井井筒概念模型。
模型X方向80个网格，网格步长5米；Y方向43个网格，水平井水平段附近网格步长3米，远离水平井两侧的网格步长7.5米。模型参数如下：油藏温度55℃，油藏压力8.6MPa，孔隙度30%，渗透率4500mD，含油饱和度60%，地面原油密度1.01g/cm3，50℃时地面脱气原油粘度5495mPa·s，井底蒸汽干度0.3。
2 水平井注蒸汽后水平段沿程干度变化
井底蒸汽干度是影响稠油开采的首要因素，蒸汽的变化规律与水平井的生产效果有直接关系[4]。合理选择井口蒸汽干度，确保井底各项注汽参数符合要求，保证向油藏中注入尽可能多的热量，提高水平井热采的驱油效率是十分必要的。为此，对水平井注蒸汽后水平段沿程的干度变化情况进行了数值模拟研究。
2.1 不同油层厚度下沿程干度变化
数值模拟过程中首先研究的是，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度变化情况，研究结果如图1所示。
图1中，不同油层厚度注蒸汽后水平井跟端（A靶点）的蒸汽干度都小于井底蒸汽干度0.3。出现这种现象的原因是，实际油藏和数值模拟模型这两者考虑的对象不完全相同，前者是以井筒为对象，后者是以模型的网格为对象，而从水平井井筒到水平井跟端所处的网格仍有一定距离，会损失一部分蒸汽热焓。
图1显示，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段的蒸汽干度不相等，但同一油层厚度时水平段沿程的蒸汽干度变化趋势基本一致，从水平井水平段的跟端（A靶点）到趾端（B靶点），蒸汽干度呈光滑曲线的形式逐渐降低。这是因为，蒸汽沿着水平段流动，将热量传递给油层，蒸汽的内能降低。靠近水平井的跟端，蒸汽干度相对较高，变化较剧烈，热损失大；相反，靠近水平井的趾端，蒸汽干度相对较低，变化趋势渐弱。这是因为，越靠近水平井跟端，井筒流量变化越剧烈，水平井跟端吸汽量大，而趾端少，随注汽时间的延长，井筒的吸汽段趋于稳定。从图1还可以看出，随着油藏油层厚度的增大，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度逐渐增大。即油层越薄，井底蒸汽干度损失越大。2.2 不同水平段长度的情况
虽然近年来水平井在开发稠油资源中得到了广泛应用，但是对于注蒸汽热采水平井，水平段长度的优化和有效利用问题一直是理论研究和现场开发的难点和重点。为此，数值模拟过程中，对相同注入条件下考虑井筒摩阻时，同一油层厚度（5m）不同水平段长度水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度变化情况也进行了研究，研究结果如图2所示。
从图3来看，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段同一相对位置的温度、压力不相等，蒸汽压力和温度沿着水平段不再呈均匀分布。随着油层逐渐变厚，水平井跟端（A靶点）的温度和压力都呈逐渐降低的趋势，即油层越薄，水平井跟端（A靶点）的油藏压力越高，这说明油层越薄，水平井的注汽压力越大。因注汽压力和注汽温度之间存在着某种正相关的关系，由于摩阻等的影响使得压力下降，从而导致温度也逐渐递减。即油层越薄，注汽温度越高，同时油藏温度也越高。
4 水平井注蒸汽热采后的端点效应
理想状况下，不考虑井筒摩阻时，水平井水平段的加热半径和动用半径应该是对称的。若蒸汽能到达水平井的整个井眼，蒸汽将不仅沿水平段注入，也将沿两端注入，在两端形成半球状的加热区[7]。但在实际生产过程中，这种现象肯定不存在。为此，应用数值模拟技术，在相同注入条件的前提下，对是否考虑井筒摩阻时水平井注蒸汽热采后的温度场及含油饱和度场进行了相关研究，研究结果如图4和图5所示。
通过对比看出，不考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的温度场基本以水平段为轴心呈对称分布[8]，水平井的跟端和趾端呈明显高温分布，形如“哑铃”状，加热半径明显大于水平段的中部。而考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的温度场纵向上仍然以水平段为轴心呈对称分布，其跟端和趾端亦呈明显高温分布，但两端的温度不再等势，场图也变得不均匀，但差别不太明显。当不考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的含油饱和度场也是以水平段为中心呈对称分布[9]，且水平井跟端和趾端的动用程度明显好于中部。而考虑井筒摩阻时，井筒压降的存在使油层与水平井跟端之间的压差大于与趾端之间的压差，蒸汽压力沿着水平井水平段逐渐降低，因此蒸汽沿着水平段的吸汽量也越来越少，在水平段跟端吸汽量较多，而在趾端吸汽量少，导致蒸汽是以非均匀方式向油层中推进，于是水平井跟端、趾端的温度差异增大，造成注蒸汽后水平井两端含油饱和度的对称性也变差，场图不均匀。 因此，在稠油油藏水平井部署时，应考虑到水平井注蒸汽热采后的端点效应，整体水平井开发时推荐采用交错式井网布井，相邻水平井的跟端和趾端应交错部署，有效避开端点效应对开发的影响。在王庄油田郑411块应用该成果，将相邻水平井的A、B靶点倒置，有效地防止了热采过程中蒸汽汽窜的影响，取得了较好的开发效果。
5 结论
通过建立水平井井筒摩阻数值模拟模型，对水平井注蒸汽后水平段沿程的变化规律开展了相关研究，首次明确了稠油油藏热采水平井沿程的流动规律。指出：油层越薄，水平井水平段吸汽越不不均衡，沿程热焓损失越大，蒸汽干度越低；水平井水平段越长，沿程蒸汽流量越小，干度越低，因此热采水平井水平段长度不宜过长。并率先揭露出热采水平井水平段动用存在端点效应，建议相邻水平井部署时A、B靶点倒置，为水平井设计和井网部署提供了重要的指导意义。
参考文献
[1] 程紫燕. 胜利油田稠油热采数值模拟研究进展[J].油气地质与采收率，2010，17（6）：71-73
[2] 程紫燕，石军平，孙建芳，等.沾18块Ng下1砂组稠油热采鱼骨状分支水平井优化研究[J].石油天然气学报（江汉石油学院学报），2008，30（5）：113-115
[3] 王加滢.多分支井经济效益研究[D].大庆：大庆石油学院，2003
[4] 席长丰，马德胜，李秀峦，等.蒸汽吞吐水平井井筒流动动态研究及应用[J].石油钻采工艺，2009，31（6）：78-81
[5] 刘尚奇，许心伟，张锐.稠油油藏水平井热采应用研究[J].石油勘探与开发，1996，23（2）：65-69
[6] 徐明海，任瑛，王弥康，等.水平井注蒸汽传热和传质分析[J].石油大学学报（自然科学版），1993，17（5）：60-63
[7] 陈民锋，郎兆新，莫小国.超稠油油藏水平井蒸汽吞吐开发合理界限研究[J].特种油气藏，2002，9（2）：38-39
[8] 李梅，胡勃，杨再新，等.乐安油田热采水平井开采特征研究[J].断块油气田，2004，11（1）：68
[9] 刘文章.稠油注蒸汽热采工程[M].北京：石油工业出版社，1997
作者简介
程紫燕（1981-），女，2003年江汉石油学院大学本科毕业（2006年中国石油大学（北京）工学硕士毕业），硕士，工程师，现主要从事油藏工程、油藏数值模拟和油藏评价研究工作。
【关键词】热采水平井 井筒摩阻 蒸汽干度 端点效应 稠油油藏 数值模拟
由于水平井具有热损失小，能够较好地保证热采效果；能改变热应力方向，有效防止管外窜；可降低注汽压力，提高吸汽能力等优势，使得水平井热采成为提高稠油油藏采收率的一项重要技术。近年来，随着各类油藏中水平井热采系列技术的突破[1]，胜利油田稠油产量逐年攀升，连创历史新高。当前和今后一个时期，水平井热采技术将仍是加快胜利稠油产能建设速度、提高稠油油藏储量动用率和采收率、增加可采储量最现实的有效手段之一。笔者以胜利油田分公司重点科研项目为依托，建立了水平井井筒摩阻数值模拟模型，对水平井注蒸汽后水平段沿程参数变化规律开展了相关研究。
1 模型建立
模拟器采用CMG热采软件的STARS模块，该模块考虑了热力影响，组分在相间的作用以及热流体提高采收率的机理设置得比较合理，完全能够满足模拟要求[2]。为研究水平井注蒸汽后水平段沿程变化规律，以乐安油田馆陶组油藏为例，针对其地质特点及储层变化规律，以该油藏的实际储层为基础，通过软件插值，对水平井井段所处的网格使用杂交加密网格进行局部网格加密处理后[3]，建立单水平井井筒概念模型。
模型X方向80个网格，网格步长5米；Y方向43个网格，水平井水平段附近网格步长3米，远离水平井两侧的网格步长7.5米。模型参数如下：油藏温度55℃，油藏压力8.6MPa，孔隙度30%，渗透率4500mD，含油饱和度60%，地面原油密度1.01g/cm3，50℃时地面脱气原油粘度5495mPa·s，井底蒸汽干度0.3。
2 水平井注蒸汽后水平段沿程干度变化
井底蒸汽干度是影响稠油开采的首要因素，蒸汽的变化规律与水平井的生产效果有直接关系[4]。合理选择井口蒸汽干度，确保井底各项注汽参数符合要求，保证向油藏中注入尽可能多的热量，提高水平井热采的驱油效率是十分必要的。为此，对水平井注蒸汽后水平段沿程的干度变化情况进行了数值模拟研究。
2.1 不同油层厚度下沿程干度变化
数值模拟过程中首先研究的是，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度变化情况，研究结果如图1所示。
图1中，不同油层厚度注蒸汽后水平井跟端（A靶点）的蒸汽干度都小于井底蒸汽干度0.3。出现这种现象的原因是，实际油藏和数值模拟模型这两者考虑的对象不完全相同，前者是以井筒为对象，后者是以模型的网格为对象，而从水平井井筒到水平井跟端所处的网格仍有一定距离，会损失一部分蒸汽热焓。
图1显示，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段的蒸汽干度不相等，但同一油层厚度时水平段沿程的蒸汽干度变化趋势基本一致，从水平井水平段的跟端（A靶点）到趾端（B靶点），蒸汽干度呈光滑曲线的形式逐渐降低。这是因为，蒸汽沿着水平段流动，将热量传递给油层，蒸汽的内能降低。靠近水平井的跟端，蒸汽干度相对较高，变化较剧烈，热损失大；相反，靠近水平井的趾端，蒸汽干度相对较低，变化趋势渐弱。这是因为，越靠近水平井跟端，井筒流量变化越剧烈，水平井跟端吸汽量大，而趾端少，随注汽时间的延长，井筒的吸汽段趋于稳定。从图1还可以看出，随着油藏油层厚度的增大，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度逐渐增大。即油层越薄，井底蒸汽干度损失越大。2.2 不同水平段长度的情况
虽然近年来水平井在开发稠油资源中得到了广泛应用，但是对于注蒸汽热采水平井，水平段长度的优化和有效利用问题一直是理论研究和现场开发的难点和重点。为此，数值模拟过程中，对相同注入条件下考虑井筒摩阻时，同一油层厚度（5m）不同水平段长度水平井注蒸汽后水平段沿程的蒸汽干度变化情况也进行了研究，研究结果如图2所示。
从图3来看，相同注入条件下考虑井筒摩阻时，不同油层厚度油藏水平井注蒸汽后水平段同一相对位置的温度、压力不相等，蒸汽压力和温度沿着水平段不再呈均匀分布。随着油层逐渐变厚，水平井跟端（A靶点）的温度和压力都呈逐渐降低的趋势，即油层越薄，水平井跟端（A靶点）的油藏压力越高，这说明油层越薄，水平井的注汽压力越大。因注汽压力和注汽温度之间存在着某种正相关的关系，由于摩阻等的影响使得压力下降，从而导致温度也逐渐递减。即油层越薄，注汽温度越高，同时油藏温度也越高。
4 水平井注蒸汽热采后的端点效应
理想状况下，不考虑井筒摩阻时，水平井水平段的加热半径和动用半径应该是对称的。若蒸汽能到达水平井的整个井眼，蒸汽将不仅沿水平段注入，也将沿两端注入，在两端形成半球状的加热区[7]。但在实际生产过程中，这种现象肯定不存在。为此，应用数值模拟技术，在相同注入条件的前提下，对是否考虑井筒摩阻时水平井注蒸汽热采后的温度场及含油饱和度场进行了相关研究，研究结果如图4和图5所示。
通过对比看出，不考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的温度场基本以水平段为轴心呈对称分布[8]，水平井的跟端和趾端呈明显高温分布，形如“哑铃”状，加热半径明显大于水平段的中部。而考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的温度场纵向上仍然以水平段为轴心呈对称分布，其跟端和趾端亦呈明显高温分布，但两端的温度不再等势，场图也变得不均匀，但差别不太明显。当不考虑井筒摩阻时，注蒸汽后水平井的含油饱和度场也是以水平段为中心呈对称分布[9]，且水平井跟端和趾端的动用程度明显好于中部。而考虑井筒摩阻时，井筒压降的存在使油层与水平井跟端之间的压差大于与趾端之间的压差，蒸汽压力沿着水平井水平段逐渐降低，因此蒸汽沿着水平段的吸汽量也越来越少，在水平段跟端吸汽量较多，而在趾端吸汽量少，导致蒸汽是以非均匀方式向油层中推进，于是水平井跟端、趾端的温度差异增大，造成注蒸汽后水平井两端含油饱和度的对称性也变差，场图不均匀。 因此，在稠油油藏水平井部署时，应考虑到水平井注蒸汽热采后的端点效应，整体水平井开发时推荐采用交错式井网布井，相邻水平井的跟端和趾端应交错部署，有效避开端点效应对开发的影响。在王庄油田郑411块应用该成果，将相邻水平井的A、B靶点倒置，有效地防止了热采过程中蒸汽汽窜的影响，取得了较好的开发效果。
5 结论
通过建立水平井井筒摩阻数值模拟模型，对水平井注蒸汽后水平段沿程的变化规律开展了相关研究，首次明确了稠油油藏热采水平井沿程的流动规律。指出：油层越薄，水平井水平段吸汽越不不均衡，沿程热焓损失越大，蒸汽干度越低；水平井水平段越长，沿程蒸汽流量越小，干度越低，因此热采水平井水平段长度不宜过长。并率先揭露出热采水平井水平段动用存在端点效应，建议相邻水平井部署时A、B靶点倒置，为水平井设计和井网部署提供了重要的指导意义。
参考文献
[1] 程紫燕. 胜利油田稠油热采数值模拟研究进展[J].油气地质与采收率，2010，17（6）：71-73
[2] 程紫燕，石军平，孙建芳，等.沾18块Ng下1砂组稠油热采鱼骨状分支水平井优化研究[J].石油天然气学报（江汉石油学院学报），2008，30（5）：113-115
[3] 王加滢.多分支井经济效益研究[D].大庆：大庆石油学院，2003
[4] 席长丰，马德胜，李秀峦，等.蒸汽吞吐水平井井筒流动动态研究及应用[J].石油钻采工艺，2009，31（6）：78-81
[5] 刘尚奇，许心伟，张锐.稠油油藏水平井热采应用研究[J].石油勘探与开发，1996，23（2）：65-69
[6] 徐明海，任瑛，王弥康，等.水平井注蒸汽传热和传质分析[J].石油大学学报（自然科学版），1993，17（5）：60-63
[7] 陈民锋，郎兆新，莫小国.超稠油油藏水平井蒸汽吞吐开发合理界限研究[J].特种油气藏，2002，9（2）：38-39
[8] 李梅，胡勃，杨再新，等.乐安油田热采水平井开采特征研究[J].断块油气田，2004，11（1）：68
[9] 刘文章.稠油注蒸汽热采工程[M].北京：石油工业出版社，1997
作者简介
程紫燕（1981-），女，2003年江汉石油学院大学本科毕业（2006年中国石油大学（北京）工学硕士毕业），硕士，工程师，现主要从事油藏工程、油藏数值模拟和油藏评价研究工作。