毕业设计提高热采水平井火驱开发效率的完井技术研究.doc

本科毕业设计（论文）题目提高热采水平井火驱开发效率 的完井技术研究学生姓名学号教学院系石油工程学院专业年级石油工程2007级指导教师职称讲师单位西南石油大学石油工程学院辅导教师职 称单位完成日期2011年6月Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisImprove Thermal Recovery Horizontal Well Fire Flooding Development Efficiency of Completion Technology ResearchGrade: Name: Speciality: Petroleum EngineeringInstructor: School of Petroleum Engineering2011-06摘 要火烧油层技术作为热力采油的一个重要的组成部分，是提高采收率诸多方法的一种颇具特色的工艺手段，它的开采特征是任何单独一种开采方法所不具备的。在火烧油层技术的发展过程中，传统的火烧油层技术由于其开采方式的限制，使得采收率难以进一步提高。同时，传统的火烧油层技术的不稳定生产方式也给火烧油层完井技术的研究带来了诸多难题。以直井-水平井组合、水平井-水平井组合重力泄油原理为辅助的火烧油层新技术的提出克服了传统火烧油层技术的诸多问题，进一步提高采收率。由于这种新技术能够进行稳定生产，这给火烧油层完井技术的研究带来了方便。本文围绕这种重力泄油原理为辅助的火烧油层技术，通过研究点火、温度、腐蚀及出砂等影响因素，结合现代火烧油层技术的发展趋势，获得了相应的完井方面的需求，根据完井需求对完井技术进行了分析研究并对其进行优选，从而找到最合适的完井技术以达到提高火驱开发效率的目的，为火烧油层技术的现场实施提供一定的参考。关键词：水平井；火烧油层；效率；完井技术AbstractIn-Situ Combustion as thermal recovery an important part of many methods, is improve the recovery of a kind of characteristic process means. It is the mining characteristics of any single a mining method doesnt have. In the process of the development of In-Situ Combustion technology, the traditional In-Situ Combustion technology because its producing method, make recovery limited to rise further. Meanwhile, traditional In-Situ Combustion technology production methods of instability to In-Situ Combustion well completion technology research brings about many problems. With vertical wells-horizontal wells and horizontal wells-horizontal wells of horizontal combination gravity discharge of auxiliary principle of new technology proposed overcome traditional In-Situ Combustion technology has many problems, further improve the recovery. Because of this new technology can be stable production, the In-Situ Combustion well completion technology research brought convenient. This paper focus on the gravity of the principle of discharge of oil reservoir technology, through the research of ignition, temperature, corrosion, and sanding factors, combined with the modern In-Situ Combustion technology development trend, obtain corresponding completion needs, again according to the needs of the well completion technology is analyzed and the optimization study, so as to find the most suitable well completion technology to improve the fire flooding development efficiency. For the implementation of the In-Situ Combustion technology to provide the reference.Keywords: Horizontal Wells, In-Situ Combustion, Efficiency, Well Completion Technology目 录1 绪论11.1 引言11.2 研究的目的及意义21.3 国内外研究现状31.4 技术路线和研究内容41.4.1 技术路线41.4.2 研究内容41.5 取得成果52 火烧油层技术概述62.1 火烧油层技术简介62.2 影响因素82.2.1 点火82.2.2 温度92.2.3 腐蚀102.2.4 出砂112.3 传统火烧油层技术122.3.1 布井方式122.3.2 生产方式142.4 火烧油层新技术162.4.1 直井-水平井组合162.4.2 水平井-水平井组合183 提高火烧油层开发效率的完井技术233.1 完井技术的优选233.1.1 注入井完井技术优选233.1.2 生产井完井技术优选273.2 完井新需求303.2.1 注入井和生产井的转换303.2.2 油田井网的综合利用323.2.3 水平井火烧油层技术的发展前景364 软件编制点火时间的确定384.1 软件程序界面394.2 实例计算405 结论与建议425.1 结论425.2 建议42致 谢43参考文献441 绪论1.1 引言稠油在世界油气资源中占有较大的比例。据统计，世界稠油、超稠油和天然沥青的储量约为1000×108t。稠油资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国、俄罗斯、中国、印度尼西亚等，其重油及沥青砂资源约为4000×1086000×108m3（含预测资源量），稠油年产量高达127×108t以上。中国重油沥青资源分布广泛，已在12个盆地发现了70多个重质油田，预计中国重油沥青资源量可达300×108t以上。因此，稠油的开采具有很大的潜力，而且随着轻质油开采储量的减少，21世纪开采稠油所占的比重将会不断增大。对于稠油油藏，常规方法很难开采，要采取一些特殊的工艺措施，如热力采油、化学方法采油、生物采油及一些组合方法等。为此，各国均有针对性地加强了稠油开采的技术研发。如何有效开采稠油，使其成为可动用储量，是石油工业一直面临的问题。稠油粘度虽高，但对温度极为敏感，每增加10，粘度即下降约一半。依国际通用的ASTM标准，中国许多稠油油田的稠油粘温曲线呈斜直线状，斜率几乎一样。这说明稠油对加热降粘的规律性是一致的，这也是稠油热采的主要机理。热力采油作为目前稠油开发的主要手段，能够有效升高油层温度，降低稠油粘度，使稠油易于流动，从而将稠油采出。火烧油层技术是最早用于开发稠油的热力采油技术1。目前，全世界已经有100多个油田开展了较大规模工业性开采试验，其采收率一般可达50%80%。我国从1958年起，先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究。近年来，随着水平井技术的发展，火烧油层技术研究呈现出新的发展趋势，即应用水平井实施重力辅助泄油的火烧油层新技术。该技术能够把火烧油层技术中的高能量效率与水平井具有的高速采油能力和重力泄油过程具有的高采收率特性结合起来，并且能够消除和减缓平面直井间火驱中存在的燃烧见效慢、难于维持燃烧、氧气突破过早、严重出砂、井筒中采油泵气锁、腐蚀和结垢等生产问题。物模实验表明，采用这种新的火烧方法，在蒸汽获取采收率25%的基础上，还可增加40%采收率。因此，火烧油层技术是一种具有明显技术优势和潜力的热力采油方法，随着采油理论和技术的不断深化，火烧油层技术将越来越受到重视，火烧油层采油的应用前景得到了普遍的认可。1.2 研究目的及意义火烧油层技术在实施过程中，因为其燃烧过程发生在油层内部，进行过程量划时有很大的局限性，缺乏全面的认识。如井组面积大小与注气速度不匹配，燃烧温度与原油性质不匹配，井网组合的不匹配等。另外，油层燃烧产生的高温对井壁、套管及其井下工具造成影响和破坏，注入的氧化性气体对套管、水泥和工具的腐蚀（燃烧时温度和气体含量变化如图1.1所示），在高温环境下这种腐蚀将更加严重，还有点火工艺的复杂性。这些问题都关系着火烧油层能否成功实施，是顺利实施火烧油层技术急需解决的问题。图1.1 燃烧时的温度和气体含量变化在运用火烧油层技术开发的过程中，油井完井的方式和完井质量的好坏直接影响到火烧油层技术的实施、储层改造、后期采油过程中的安全及油井的使用寿命。无论是注入井还是生产井，水平井相对直井而言拥有很多优势，更容易提高火驱开发效率，因而本课题围绕提高水平井火驱开发效率的完井技术展开。对火烧油层技术开发过程中井筒周围高温、腐蚀情况进行详细调研，确定其对火烧油层技术完井管柱及配套工具的影响，有针对性的优选完井技术，避免以上诸多问题保证完井技术顺利的实施，从而提高火烧油层技术的开发效率；并在此基础之上，从火烧油层技术发展趋势出发，提出火烧油层完井技术新需求，从而进一步提高采收率。因此，对提高水平井火驱开发效率的完井技术研究是很有意义的。1.3 国内外研究现状我国从1958年起，先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究，因受当时条件的限制，火烧油层技术让位于注蒸气采油，在我国的现场应用直到目前还为数不多2。但是，室内研究一直没有停止，特别是在中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所，中科院化学所等单位，80年代以来不断开展火烧油层的物理模拟，化学模拟和数学模拟研究，配置了一批研究设备和仪器，开展了大量的室内试验，也进行了现场火烧可行性研究和施工设计与预测。中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所还与罗马尼亚开展了有关现场火烧工艺的交流合作研究项目，现已取得了不少可喜的成果。火烧油层采油法从本世纪20年代起，至今已经经历了70多年。在世界上150-160多个稠油和轻质油油藏上进行了现场试验，并取得了一定的成果。据资料统计，1998年全世界共有29个火驱项目，火驱开发日产原油4800t，单井日产油4.8t。其中，美国的8个火驱项目日产油960t；加拿大的3个项目日产油1040t，火驱产能规模占非蒸汽开采的50%以上；印度与罗马尼亚各有5个火驱项目，罗马尼亚原油总产量中10%以上的产量是用该方法开采出的。现今全球范围内还有14个大规模的工业性火烧油层项目正在进行之中。传统的火烧油层技术是基于直井-直井组合和常规的直井-水平井组合之上发展演变而来的，这种直井-直井组合和常规的直井-水平井组合的开采方式具有诸多局限性，增大了火烧油层完井技术的难度，阻碍了采收率的进一步提高。近年来，随着水平井技术的发展，火烧油层技术研究呈现出新的发展趋势，即应用水平井实施重力辅助的火烧油层技术，并由此衍生出了非常规的直井-水平井组合和水平井-水平井组合的生产方式。该技术把火烧油层技术中的高能量效率与水平井具有的高速采油能力和重力泄油过程具有的高采收率特性结合起来，采用水平井作为生产井，扩大了井眼与油层的接触面积，提高了油层吸气能力，加速了井筒到油藏的热传递，降低了注气强度和采油强度，移动原油不必经过冷油区，通过最短距离即可进入生产井，实现了稠油的就地升温降粘和非混相空气驱，极大地提高了原油的采收率。1.4 技术路线和研究内容1.4.1 技术路线了解火烧油层技术的完井需求和各种完井方法总结并优选火烧油层的完井方法根据火烧油层技术的发展提出完井新需求调研国内外关于火烧油层技术及其完井方法的相关资料全面把握火烧油层技术的发展状况了解直井-水平井组合的火烧油层完井技术了解水平井-水平井组合的火烧油层完井技术图1.2 技术路线图1.4.2 研究内容（1）收集国内外火烧油层技术及其完井技术相关资料，了解国内外火烧油层技术的发展状况。（2）从国内外相关资料中掌握并总结出所需的提高水平井火驱开发效率完井技术的一些可行的方法。（3）根据火烧油层技术的发展趋势提出完井新需求。（4）翻译相关的外文文献。（5）完成毕业论文。1.5 取得成果（1）通过文献调研，对提高火驱开发效率的完井技术进行了优选。（2）针对火烧油层技术的发展趋势，提出了火驱完井技术新需求。（3）编写了相关的程序。2 火烧油层技术概述2.1 火烧油层技术简介火烧油层，国外又叫“就地燃烧”（In-Situ Combustion），它利用油层本身的部分燃烧裂化产物作为燃料，利用外加的氧气源和人为的加热点火手段把油层点燃，并维持不断的燃烧，燃烧生热使温度达到1000，从而实现复杂的多种驱动作用。火烧油层工艺作为热力采油的一个重要的组成部分，是提高采收率诸多方法的一种颇具特色的工艺手段，它的某些特征是任何单独一种开采方法所不具备的，它综合了热驱、气驱、混相驱和非混相驱的驱油机理，可作为一次采油，二次采油或三次采油的开采方法。如表2.1所示，火烧油层技术采油降粘作用明显。表2.1 产出原油与原始地层原油粘-温特性比较温 度/°C地层原油粘度o1/(mPa·s)产出原油粘度o2/(mPa·s)351563410845619443503850395529283465141630火烧油层采油和注蒸汽采油一样，都是通过加热的方式，降低原油的粘度，使其变得更容易流动从而提高了原油的采收率。火烧油层的采收率常可达到50%以上，并且可以在比蒸汽驱采油更复杂，更苛刻的地层条件下应用，因而是对稠油和剩余油开采的一种具有诱惑力的热采技术。但与注蒸汽相比火烧油层有着一些本质上的优势：（1）它所使用的注入剂是空气到处都有，而注蒸汽则需要大量的水，水资源在某些地区可能严重匮乏。（2）火烧油层烧掉的是原油中约10%的重组分，改善了剩余油的性质。（3）火烧油层比注蒸汽有着更为广泛的油藏适用条件。（4）火烧油层的热量就地产生，比注蒸汽的热能利用率要高，并可节省地面和井筒隔热措施的投资。火烧油层技术的驱油机理如图2.1所示，当用空气作氧源，向注入井注入热空气把油层点燃时，主要燃烧参数是焦炭的燃点；控制注入气温略高于焦炭的燃点，并依一定的通风强度不断注入空气，会形成一个慢慢向前移动的燃烧前缘及一个有一定大小的燃烧区，当确信油层已被点燃后，可停止注入井的加热。燃烧区的温度将会随时间不断增高，可达到的最高温度和前缘推进的速度受到油品、油层地质和人为外加控制因素的制约。有最高温度的燃烧区可视为移动的热源，在燃烧区前缘的前方，原油在高温热作用下，不断发生各种高分子有机化合物的复杂化学反应，如蒸馏、热裂解、低温氧化和高温氧化反应，其产物也是复杂的。除液相产物外，还有燃烧的烟气，包括一氧化碳、二氧化碳及天然气等。热水、热汽、气都能把热量携带或传递给前方的油层，从而形成热降粘、热膨胀、蒸馏汽化、油相混相驱、气驱、高温改变相对渗透率等一系列复杂的驱油作用。一般认为，在燃烧前缘附近是裂解的最后产物焦炭形成的结焦带，再向外依次是蒸汽和热水反应生成水、原生水以及湿法燃烧的注入水等形成的热水蒸汽带、被蒸馏的轻质烃类油带，以及最前方的已降粘的原始富油带。正是因为火烧油层有众多的驱油机理联合作用，可以比现在的任何一种采油方法获得更高的采收率。图2.1 油层剖面示意图由以上机理不难看出火烧油层法有以下特点：（1）具有注空气保持油层压力的特点，其面积波及系数比气驱高（五点井网气驱约为45%，火驱可达70%）。（2）有相当于水驱的面积波及系数，但驱油效率比水驱高得多。（3）具有蒸汽驱、热水驱的作用，但火驱的热效率更高，且产物的轻质组分因热裂解反应而更多些。（4）有二氧化碳驱的性质，但其二氧化碳是原油高温氧化反应的产物，无需制造设备。（5）具有混相驱降低原油界面张力的作用，但比混相驱有高得多的驱油效率和波及系数。（6）热源是运动的，所以火驱井网、井距可以比蒸汽驱、化学驱更灵活。2.2 影响因素火烧油层技术的影响因素，主要是指火烧油层技术从实施开始，点火、注气、生产过程中影响火烧技术成功实施的各种因素。研究火烧油层技术的影响因素，可以找出存在的问题，确定完井需求，为火烧油层完井技术的研究指明方向。2.2.1 点火火烧油层成功的关键是油层点火3，以前的油田开发偏向粗放式，对点火的控制也仅仅局限于一些感性的现场操作。目前所采用的点火方式主要有自燃点火、化学点火和电点火三种方式。其中自燃点火不需要外加任何点火设备，如果自燃时间为几小时或者几天，就应该研究自燃的可能性，若时间长达几个月或者几年，则要从外部能源补给能量。当油层温度过低，应用自燃点火方式不足以满足经济效益时，就可以选择人工点火的方式，其中电点火是最常用的一种。电加热器受实际深度的限制，寿命短，加热功率有限，一般不超过75kW。而火焰加热器，特别是气体燃料燃烧器，不受深度的限制，可以产生100kW以上的加热功率。因此，在含有难氧化，燃点高，厚度大的储油层，使用火焰加热器比较合理。对于化学点火可以分为液体燃料加热和气体燃料加热两种，其操作相对简单在现场也得到了比较广泛的应用。单一点火的方式要求条件比较苛刻，成功率比较低，为此对各个影响点火时间的因素分析，对制定合理的点火方案是很有现实意义的。在火烧油层点火的实施过程中，大多数情况下会对地层进行能量补给以升高点火区域的地层的温度。井下直接加热和注入热空气提高点火区域温度的方法效率高，但同时成本也太高不适合普遍使用。而根据以往注蒸汽吞吐以及蒸汽驱的一些经验，点火前通过注入一定的蒸汽来提高点火区域的温度，虽然效果没有井下直接加热和注入热空气的效果好，但仍可以明显缩短点火时间。另外，针对油层的各种性质往往还会选择适合的添加剂（如金属盐类添加剂、过氧化氢等）以提高点火的效率。因此，为缩短点火时间，提高点火的效率，应根据油藏的特点综合考虑考虑现场实际与经济投入，采用多种点火方式结合，优选出最佳点火方案实现成功点火的目的。由上可知，在点火阶段，完井方面主要面临多种点火方法的配合使用问题。实施完井时应充分考虑到各种点火工具使用时的影响，为点火的顺利实施创造便利的条件。同时，这些点火方式也会带来一些问题，例如添加剂和氧化剂在高温环境下相互反应、添加剂和氧化剂的对套管和井下工具的腐蚀、浓度不合理引起的爆炸、空气互窜以及高温环境下井下工具的稳定性。这些都是在完井时需要克服的问题。2.2.2 温度前面已经提到过，在实施火烧油层点火之前，大多数情况下会先对油层进行加热以缩短点火的时间，提高点火的效率。要将油层点燃，点火区地层温度必须达到油层的着火点以上，一般为400600，从这一刻起，注入井就开始承受高温的影响4。图2.2 火驱不同阶段油层平面温度场油层燃烧产生大量的热，温度可达到1000以上（如图2.2所示），高温会降低稠油粘度，同时分解稠油产生复合驱动作用，但高温本身会对井下包括完井工具在内的各种工具带来巨大的影响，甚至损坏、局部熔化井下工具，从而严重阻碍火烧油层技术的实施5。另外，完井时使用的水泥和套管在较长时间内是否能承受住高温的影响也对火烧油层过程至关重要。如果完井水泥和套管一旦发生破损甚至熔化穿孔，导致与其他地层连通或窜槽。对于注入井而言注气就没法再继续进行，对于生产井而言会严重影响原油的生产。如图2.3所示，实验中被烧毁的水平井段。图2.3 实验模拟出的被烧毁的水平井段在火烧油层实施过程中，我们希望温度尽可能的小，以减小对完井及其工具的影响；但我们又希望温度尽可能的高（在一定范围内），这样充分发挥火烧油层的高驱替效率，裂化重质组分，提高产出原油质量的优势。所以，一方面要选取适合的温度以最大限度的满足上述要求，另一方面要提高相应的完井技术，使之能满足对温度需要。2.2.3 腐蚀火烧油层实施过程中，原油燃烧生成的CO2、SO2以及过剩空气中的氧气，是引起管材严重腐蚀的主要因素。从国内外火烧油层的腐蚀井分析来看，火烧油层技术实施过程中普遍存在以下问题6：（1）湿式燃烧中注入井的氧化腐蚀。（2）生产井在高温条件下的酸腐蚀及氧突破造成的氧化腐蚀。在点火过程实施时，会对油层注入高温氧化性气体（空气或富氧空气），同时还会使用一些添加剂（金属盐类添加剂、过氧化氢等），点燃后仍然会继续注入空气或富氧空气以使油层持续燃烧，使燃烧前缘向前推进。这些空气和添加剂在高温环境和有水的环境下（地层水、残余水、水蒸汽和湿法燃烧注入的水）拥有很强的氧化性，其后果使井下套管、油管、生产泵及地面阀门、管件等局部产生不同程度的腐蚀坑、腐蚀麻点、甚至会产生腐蚀穿孔，造成管材强度降低甚至报废。地层条件下燃烧生成的CO2、SO2以及过剩的O2与地层内部的水发生化学反应形成碳酸、亚硫酸、硫酸，对设备产生严重的电化学腐蚀。有关反应如下：CO2+H2OH2CO3 H+HCO3- （2.1）SO2+H2OH2SO32H+SO32- （2.2）2H2SO3+O22H2SO44H+2SO42- （2.3）2H+FeH2+Fe2+ （2.4）4Fe2+O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+ （2.5）主要表现为：注入井湿式火烧过程中，空气与水交替注入所引起的氧腐蚀。氧腐蚀使管材局部产生很深的腐蚀坑，长期作用导致管材腐蚀穿孔，或出现严重的麻点现象，使管材强度降低；生产井由于产液温度较高（150左右），酸性腐蚀、氧化腐蚀同时并存。CO2的含量及影响如表2.2和表2.3所示。表2.2 95-2 井组典型井气样分析（CO2含量）井号（CO2）/%井号（CO2）/%95-115.294-24.995-316.196-13.595-49.799-24.694-17.099-43.5117-38.6116-211.17-33.4116-311.2P2213.1116-413.2116-111.5117-16.4表2.3 不同CO2分压对腐蚀的影响CO2分压/MPa年腐蚀深度/mm0.11.050.32.150.52.791.03.51由此可见，腐蚀问题将在火烧油层技术实施的过程中引起十分严重的问题。在火烧油层实施前，应充分考虑到这种腐蚀问题，有针对选择可行的完井措施和防治措施，保证火烧油层过程的顺利进行。2.2.4 出砂到目前为止，火烧油层技术主要用于稠油和剩余油（粘度较大）的开采。只要是稠油的开采，不管采用什么开采方法，油层出砂几乎都是必然会发生的问题。所以在火烧油层生产过程中都必须要有相应的完井措施以应对油层出砂问题，即在现有的火烧油层技术的基础之上增加相应的防砂完井措施及其工具。另外，不止是生产井存在出砂问题，在注入井停止注气的间歇也存在出砂问题，这些都需要有相应完井措施来应对。如图2.4所示，一种防砂井的结构。图2.4 热采过程中的防砂井2.3 传统火烧油层技术2.3.1 布井方式传统的火烧油层技术布井组合主要是直井-直井组合、常规的直井-水平井组合以及少数的水平井-水平井组合。由于燃烧过程发生在油层内部，人们在进行过程量划时有很大的局限性，缺乏全面的认识，不能准确的确定井间间距，造成井网不匹配等。如下图： 图2.5 直井-直井组合（九点井网） 图2.6 直井-水平井组合 图2.7 直井-水平井组合（反向） 图2.8 水平井-水平井组合直井-直井组合以九点井网为例，如图2.5所示，中心为一口注入井，四周8口生产井。油层点燃后，在地层非均质性比较理想的情况下，产生的混合驱动由中心向四周传播。图2.9 直井-直井组合剖面示意图直井-水平井组合与直井-直井组合类似，只不过用水平井代替了直井生产井，注入井仍然为直井。如图2.6所示，在油层非均质性比较理想的情况下，中心注入井点燃油层后向四周传播产生的混合驱动力，井原油驱替到生产井中。直井-水平井组合比直井-直井组合的井数有所减少，采收率有所提高。直井-水平井组合还衍生出了反向生产的直井-水平井组合，即将水平井作为注入井，直井作为生产井，如图2.7所示。将水平井作为注入井有诸多优势，但受技术的限制和实施的复杂性，将水平注入井用作现场实际生产例子还没有，还处于室内实验模拟阶段。另外，受井网组合的限制，水平注入井的诸多优势并不能很好的体现出来（直到重力泄油技术的引入）。所以，在传统的火烧油层技术中，水平井用作注入井的反向直井-水平井组合并未被使用。为了进一步提高采收率，由反向生产的直井-水平井组合衍生出的水平井-水平井组合，如图2.8所示，与直井-水平井组合类似，只不过用水平井代替了直井生产井。和直井-水平井组合一样，受技术和井网组合的限制，在实际生产中少有使用。2.3.2 生产方式上节中介绍了传统火烧油层技术的布井方式，分别为：直井-直井组合、直井-水平井组合、反向直井-水平井组合、水平井-水平井组合。这4种组合下的生产方式都存在一个相同的问题，阻碍了火烧油层技术的发展和采收率的提高，如图2.10所示。图2.10 火烧油层各区带及特征由上图可以得出，在生产初期，油层刚被点燃，燃烧前缘离注入井很近，距生产井很远。此时生产井附近的含有饱和度、温度和压力等于原始地层的饱和度、温度和压力。油层燃烧所产生的混合驱动力刚刚开始向四周传播，很难能传到生产井，尤其是稠油和剩余油的开采。也就是说，在油层点燃后生产初期的相当长的一段时间内（燃烧前缘的一般推进速度为每天几厘米至十几厘米，与油层性质有关），生产井都不会因火烧油层产生的混合驱动而出油。若要保证生产，此时只有采取常规的开采方式，如使用抽油泵等生产设备进行生产，技术本身与火烧油层技术没有直接关系。随着生产的继续进行，燃烧前缘逐渐远离注入井，与生产井的距离减小，火烧油层产生的混合驱动能够传到生产井，驱替效果逐渐由小变大。此时生产井开始出油，但产量较少，而且生产出的原油粘度较高，往往会伴随着较严重的出砂问题。产出的原油带有少量的燃烧生成气体（如CO2、SO2），仍然需要一些井下设备将油从井底抽出来。到了生产的后期，燃烧前缘距离注入井越来越远，距离生产井越来越近。远离注入井给气体注入带来了巨大的问题，注入的气体需要一定的过程才能流动到燃烧前缘供油层持续燃烧，为了使燃烧前缘有充足的氧源，注入井的注入压力将逐渐变大，会给注入井的注入设备带来巨大的压力。另一方面，燃烧前缘向生产井靠近，燃烧产生的混合驱动的驱油效果越来越好，生产井的出油越来越多，产量越来越高，油井甚至能进行自喷生产。此时原油的品质也发生了变化，由于燃烧产生的高温使重质原油发生裂化反应生成轻质的原油，油井产出油的品质也会越变越好。但问题在于，随原油产出的反应生产气体也会越来越多，酸化腐蚀越来越明显。不仅如此，反应的残余氧化性气体也会随原油产出，而且越来越多，氧化腐蚀也会越来越明显。再加上油层出砂问题一直存在，生产井将会面临一系列生产问题。到了生产末期，燃烧前缘距离生产井已经相当接近，燃烧产生的高温将逐渐影响生产井，随着生产井的温度越来越高，对生产井的影响也越来越明显。井下的一些设备会因为高温而失效，酸化腐蚀和氧化腐蚀也会因温度的提高而越来越严重。随着井下设备的失效和腐蚀越来越严重，原油的生产将越来越困难，反应生成气体和残余氧化气体将逐渐取代原油被更多的采出，原油的生产将逐渐失去意义。最后燃烧前缘推进到生产井，气体完全突进从生产井产出，井下工具及套管、油管等也会被烧毁。注入井停止注气，生产周期结束。以上介绍了传统火烧油层技术的生产方式，从中不难看出，在一个生产周期内，对于注入井而言，注入井的注气压力会因燃烧前缘的向前推进而逐渐变大，从完井角度讲，这期间主要面对注入气体的氧化性腐蚀和高温问题。而对于生产井，在一个生产周期内，初期到末期的生产方式变化非常大，从初期的常规式生产到末期的一系列生产问题，这个过程需要一系列设备和开采方法交替使用，这就给生产井的完井带来了相当大的压力。从完井角度讲，需要同时考虑到稠油和轻质原油的开采，同时伴随着反应生产气体和氧化性气体，还有高温、油层出砂等一系列问题。更重要的是，这种开采方式至始至终都不能实现生产井的稳定生产。传统火烧油层技术所面临的这些问题阻碍了火烧油层技术的发展和采收率的进一步提高，于此同时，也对相应的完井技术提出了相当高的要求。而且即使发展出了较好的完井技术以应对完井方面的难题，对火烧油层开发效率的贡献也是有限的。因此，火烧油层技术需要进一步发展，改变不能稳定生产的现状，简化生产方式，提高采收率。2.4 火烧油层新技术2.4.1 直井-水平井组合近几年，国外提出了以直井-水平井为基础的从水平井脚趾到脚跟注空气的火烧油层新技术（THAI）10，可以利用水平井实现火驱辅助重力泄油（图2.11所示）。这种开采方式的原理类似于水平井条件下的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术，特别适于在常规直井井网条件下难以实现注、采井间有效驱替的特稠油、超稠油油藏。THAI技术的提出，突破了火驱技术应用的地层原油黏度上限，大大拓展了火驱技术应用的油藏范围，使火驱开发特、超稠油成为可能。图2.11 水平井火驱辅助重力泄油机理示意图这种技术的重要特征是：燃烧前缘沿着水平井从端部向跟部扩散，迅速形成一个可流动油带，该流动油带内的高温不仅可以为油层提供非常有效的热驱替源，也为滞留重油的热裂解创造了最佳条件。被加热的原油借助重力作用迅速下降，到达生产井的水平段，不用从冷油区内流过，实现了短距离驱替，克服了传统火烧油层技术中使用垂直注入井与生产井过程中驱替距离长的缺点。通过数值模拟和实验研究可知，THAI技术的驱油机理是11：燃烧前缘形成一个狭窄的移动油带，由于重力辅助泄油，在移动带内的可动油和燃烧气将流入水平生产井射孔段，从而实现短距离驱替。氧气的扩散会使稳定的地层产生扩散梯度，由于重力辅助作用，油藏泄油段与水平生产井间存在压力梯度，燃烧前缘的所有燃烧气和流动液向下流到了水平生产井射孔段，因此注入的空气会优先移动到燃烧前缘。燃烧前缘移动油带的高粘油升温改质需要两个条件：首先油藏冷油区的油粘度要高。理想状态下冷稠油粘度很高，基本不流动，沿水平井形成了一道天然挡板，阻挡气体进入，冷稠油形成了粘性阻挡层，阻挡气体流入下游区域，这正好与传统的油藏开采技术相反。另外，为确保流动油带和燃烧前缘的工艺操作条件稳定不变，必须在燃烧前缘的每个单元提供恒定的氧气量。THAI技术与常规火烧驱油技术相比较，THAI技术实施过程中，高温区与燃烧前缘垂直。常规火烧驱油技术如今被分为高温氧化-气驱和高温氧化-混相气驱，其中由于气体上窜，造成燃烧油层下移。然而，THAI过程中的强制流动机理和重力辅助机理可以完全控制或减弱这种现象，这使得THAI技术在稠油开采中的应用前景更加广阔。与常规火烧驱油技术相比，THAI方法可以获得更高的采收率，这是因为它只在油藏中要求的地方释放能量，避免了在设备与管线上的热量损失。实验证明，注入井的注气位置对采收率的影响也很大14。在其他条件不变的情况下，通过控制直井射孔的位置，将注气位置选在油层上部一定的区间内，利用空气轻注入后首先向上流动的性质，获得的最终采收率较其他位置更高15，如图2.12所示。图2.12 将注气位置选为油层上部效果最好需要注意的是，高温可动油经水平井产出会使水平井段所处条带的温度升高，当该处温度升高到一定程度后，一旦氧气从水平段突破，发生高温氧化（燃烧）则难以避免。要实现稳定泄油并保证燃烧前缘不从水平井突破，就必须使空气中的氧气全部在结焦带之前消耗掉。换句话说，既要保证注入空气中的氮气、燃烧生成的二氧化碳从水平井排泄出去（否则就会就地成为灭火剂），又要保证注入空气中的氧气不从水平井排泄出去。THAI技术是稠油和重质油油藏开采中一种非常有效的方法，可获得非常高的原油采收率。该技术只在燃烧前缘形成窄的可动油带，可动油带沿水平生产井的方向，其大小主要由冷而粘的稠油的密封性能决定。THAI技术是一种重力辅助层内燃烧法，主要受水平生产井射孔段确立的压力梯度的影响。另外，生产井中还装有移动式内套筒，通过调整内套筒可维持生产井射孔段长度不变。该方法应用在窄的移动带，可大大减小整个储层非均质性的敏感性。2.4.2 水平井-水平井组合在传统的火烧油层技术中，已经存在水平井-水平井组合下将水平作为注入井的开采方法，但是传统的火烧油层技术并不能很好的发挥水平注入井的优势，加上实施的技术很复杂，所以收效甚微。随着开采技术的发展，尤其是重力泄油原理在火烧油层技术中的应用，将水平井用作注入井再次被提出来，水平注入井较直井注入井的优势终于可以充分发挥出来。图2.13 利用重力泄油原理的水平井-水平井组