浅薄层稠油油藏临界恒速分层配注汽技术

浅薄层稠油油藏临界恒速分层配注汽技术

涂爱勇1,方倩1,肖杰磊1,李剑2

1河南油田分公司石油工程技术研究院 河南省 南阳市 473132

2河南油田分公司采油二厂 河南省 南阳市 473132

摘要：河南浅薄层稠油油藏，埋藏浅，地层压力低，采用注蒸汽吞吐和分层注汽措施增储上产。利用临界流喷嘴工作原理，根据河南稠油油藏埋藏浅和地层压力低的独有特点，研制出一种具有河南稠油油田开发特色的地面调节和井筒管柱结合的恒速分层配注汽工艺。2年来，现场试验应用24井次，实现按设计恒速定量注汽，保证分层定量注汽和分层注汽效果。恒速分层注汽是稠油常规蒸汽吞吐开采进入中后期一种有效的注汽配套工艺措施，具有良好的经济效益和广阔的应用前景，也可以为国内其他稠油油田同类技术提供参考和借鉴。

主题词：稠油油藏；分层注汽；恒速注汽；管柱；浅薄层油藏

1 前言

河南油田东部稠油油藏具有“浅、薄、多、稠、松、小” 的特点，开发难度大。纵向上含油层位多（5-15个），导致非均质严重（级差达>10），笼统注汽合采时，无法按油层设计需要配汽，各油层间吸汽明显受效不均，低渗层无法有效动用，需要通过分层注汽来实现合采层均匀注汽和均衡动用。根据河南油田油藏埋藏浅和地层压力低等独有特点，提出一种新型的具有河南浅层稠油油藏开发特色的恒速分层配注汽工艺，通过地面提高锅炉注汽压力和注汽压差实现临界流速和恒速注汽。恒速分层注汽技术，把地面调节注汽压力和井筒注汽管柱设计结合起来，2年来，现场试验应用24井次，保证分层恒速按需注汽，提高了热采井整体的开发效果和效益。

2临界恒速工作机理

2.1临界流喷嘴结构和流量特性

当气体流经一个渐缩喷嘴时，流速增加, 压力降低, 最终在最小截面处形成音速达到临界气流。保持喷嘴上游端压力P0和温度不变，使其下游压力P2逐渐减小，通过喷嘴的气体质量流量qm将逐渐增加；当下游压力P2下降到某一压力Pc时，通过喷嘴的质量流量将达到最大值qmax，此时喷嘴出口流速已达到当地音速a; 继续降低下游端压力P2，通过喷嘴的质量流量将不再增加，流速也保持音速不变；将喷嘴出口的流速达到音速压力Pc称为临界压力，Pc/P0称为临界压力比，通过喷嘴流量称为临界流量。音速喷嘴的结构和流量特性曲线见图1所示。

临界压力比：

理论计算和实验均证明，Vcr达到临界状态时，音速喷嘴气流会达到音速，临界音速状态下，即便其下游压力再下降，其流速也保持恒定，仅与音速喷嘴入口处介质性质(等熵指数和气体常数）及热力学状态（温度和压力）有关，而与下游状态无关。

从临界流喷嘴结构和工作机理分析可以得出：在实际现场操作时，在保证注汽锅炉、井筒和油层等安全的工作条件下，只要适当提高经过注汽阀嘴上下游压差，保证下上游压力比达到临界压力比，即可实现注汽阀恒流速注汽，此状态下设计的注汽喷嘴大小可以实现临界恒速注汽。

2.2 恒流量计算

对于节流装置中处于临界流动状态的湿饱和蒸汽，可利用格拉肖夫的经验公式计算蒸汽流过注汽阀节流喷嘴的流量

式中，Ae-----喷嘴喉道面积，m2；

             P1 -----喷嘴进口蒸汽压力，Pa；

             x1 -----喷嘴进口蒸汽干度；

            mmax -----蒸汽质量流量，kg/s；

            ρ1-----喷嘴进口蒸汽密度，kg/ m3 ；

            α -----流量系数；

            c -----流出系数；

            β -----喷嘴喉道直径与油管内径之比；

            f -----蒸汽密度校正系数；

            ε -----蒸汽出口膨胀系数，它是绝热指数、β、喷嘴出口与进口的绝对压力之比的函数。

3. 恒速配汽工艺可行性分析评价

实现临界恒速注汽关键是注汽阀下上游的压力比达到临界压力比。河南浅薄层稠油油藏恒速注汽工艺是否顺利实现，关键因素有相匹配的油藏特性、地面注汽设备、注汽方式、注汽参数设计和注汽阀设计性能等。

3.1 油藏特性

河南稠油稠油油藏具有“浅、薄、多、稠、松、小” 的特点，其中油埋藏浅（90-700m），绝大部分油井油藏深150-400m，地层压力低，随着多周期注汽吞吐，地层压力逐渐降低。其中井楼和古城稠油油田，原始地层压力3-4MPa，目前大多数油井1MPa左右；新庄稠油油田，原始地层压力9MPa左右，目前地层压力3-4MPa，河南油田特有的浅薄层油藏特性，为通过地面提高注汽压差方式实现临界恒速注汽提供可能。

3.2 地面注汽设备

井楼油田现场用注汽锅炉工作压力为9.5MPa，设计注汽压力（压差）只要达到6MPa左右，即可实现恒速注汽；新庄稠油油田现场用注汽锅炉工作压力为17MPa，设计注汽压力（压差）只要达到10MPa左右，即可实现恒速注汽。

3.3

注汽方式

目前现场主要采用单炉对多井和单炉对单井的组合注汽方式，未配套地面湿蒸汽精准测控系统，考虑到精细注汽计量等因素，对油层厚度10米以上油井实施单炉对单井注汽方式，可解决注汽偏流问题，适应地面工艺现状。

3.4 注汽工具配套和设计

根据临界音速喷嘴工作机理，把注汽阀设计成节流渐缩喷嘴，根据临界注汽状态下物性参数设计喷嘴大小，研制恒流量配汽阀，优化设计注汽孔道大小。提高注汽压力和注汽压差，保证配汽阀注汽嘴下游压力和上游压力比达到临界压力比，实现临界恒速配注汽。

4 恒速分层注汽工艺管柱结构、工作原理和技术参数

4.1 结构组成

根据临界注汽原理，研制出临界恒速配汽阀，配套注汽封隔器和偏心进油器，组配出适应河南油田稠油生产实际的临界恒速分层配注汽工艺管柱。

管柱主要由伸缩管、抽稠泵、安全接头、偏心进油阀、恒流配汽阀、注汽封隔器组成。管柱结构示意图见下图 2 所示。

4.2 工作原理

（1）下管柱：下分层注汽管柱，两级注汽封隔器一趟管柱同时下入。

（2）液压坐封：液压坐封两级封隔器。

（3）投球打开配汽阀：液压打开各级恒流配汽阀。

（4）完井：下入抽油杆及柱塞，提好防冲距，完井。

（5）注汽和测试和生产：注汽时，升高注汽压力，保证地层压力比和注汽压力比达到临界压里比，此时实现临界恒流速分层注汽。

4.3 技术特点

（1）注采一体化，不动管柱注汽和转抽生产。

（2）内通径大，集注汽、测试、生产一体化。

（3）各层有效封隔，各自独立，实现分层注汽。

（4）注汽参数优化设计，恒流速注汽。

（5）高温组合密封件，适应多轮次多周期分层注汽。

5.现场应用

5.1 现场选井条件

现场选井时，遵循以下选井条件：

（1）可实施分层注汽的层是处于同一套开发层系或者组合

（2）层间具有稳定的隔夹层分布，要求大于2米

（3）渗透率极差大于1.5

（4）剩余油饱和度级差大于1.04

（5）剩余油饱和度大于45%

5.2 现场参数优选方法

根据油井吸汽剖面资料, 用专家系统软件，模拟分析油井生产、地质、油层情况，根据选井原则，经济合理划分注汽层段，经济合理计算注汽量，优选出合理注汽孔径，实现精细注汽。

5.3 现场实施效果分析评价

2年来，临界恒速注汽工艺技术在河南油田现场试验应用24井次，工艺成功率100%；实现按设计恒速定量注汽，保证分层定量注汽和分层注汽效果。

以楼3614井为例, 因层内纵向非均质性强，高渗层段动用好，低渗层动用较差，采出程度极差较大，为缓解注汽剖面矛盾，设计并实施了分层注汽工艺，配套恒速配汽阀。

为验证试验效果，采用注汽时测试和设计参数进行对比，分析评价恒速注汽效果。注汽时，采用高温多参数测试仪，分别在注汽前期和后期，测量井筒及油层的温度、压力、流量参数，计算得到小层吸汽量和油井吸汽剖面，综合评价油井注汽效果。测试结果和计算结果如下表所示：

可以看出，注汽初期各段吸汽误差±3.3%，注汽末期各段吸汽误差±0.3%，完全实现了精细恒速配按设计要求注汽。

另外，通过分层注汽前后吸汽剖面测试结果可以看出，分层注汽后，吸汽剖面和纵向动用程度得到明显改善，分层注汽前层间动用差异大，采出程度极差2.7，分层注汽后层间动用更趋均衡，采出程度极差2.5。生产层动用程度得到了明显的改善，基本实现分层注汽的最终目的。

6.结论

（1）恒流速分层注汽技术，利用定量配汽使低动用层段得到有效动用，改善了吸汽剖面，实现了均衡注汽。

（2）恒流速分层注汽技术，通过地面调节和井筒管柱结合，提高锅炉注汽压力和注汽压差实现，符合河南浅薄层油田特色。

（3）恒流速分层注汽技术，是稠油常规蒸汽吞吐开采进入中后期一种有效的注汽配套工艺措施，具有良好的经济效益和广阔的应用前景，也可以为国内其他稠油油田同类技术提供一种参考和借鉴。

参考文献

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