CN109594969A - 蒸汽腔的解析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蒸汽腔的解析方法，该解析方法依次包括以下步骤：步骤S10：建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型；步骤S20：沿蒸汽腔的延伸方向，将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层；步骤S30：将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，以得到吸汽剖面层的横向发育距离，其中，测量参数包括吸汽剖面层的实测温度。通过本发明提供的技术方案，能够解决现有技术中获取蒸汽腔的参数不方便并且成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体而言，涉及一种蒸汽腔的解析方法。
背景技术
稠油(或称为重质原油)是一种高粘度、高密度的原油。稠油在石油资源中所占比例较大，同时稠油的开采难度较大。如何开采稠油，使之成为可动用储量，是石油领域人员一直探究的问题。自20世纪60年代以来，稠油的开采技术有了突飞猛进的发展，到目前为止，已形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱等为主要开采方式的稠油热采技术，以及以碱驱、聚合物驱、混相驱等为主要开采方式的稠油冷采技术。
目前，稠油开采主要以热采为主，即通过向地层注入高温高压蒸汽的方式开采稠油。其中，蒸汽吞吐是提高稠油采收率的重要手段之一。水蒸汽注入地层稠油中后，整个过程的传热、流动方式十分复杂，了解水蒸汽在稠油中的变化规律对于稠油热采具有重要意义。其中，蒸汽吞吐井吸收水蒸汽产生的蒸汽腔的大小变化是工程上非常关心的物理量。但是，由于受地下环境的限制，无法对蒸汽腔的各个位置进行测量并且测量成本高，因此现有技术中获取蒸汽吞吐井的蒸汽腔的参数不方便并且成本高。
发明内容
本发明提供一种蒸汽腔的解析方法，以解决现有技术中获取蒸汽腔的参数不方便并且成本高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种蒸汽腔的解析方法，该解析方法依次包括以下步骤：步骤S10：建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型；步骤S20：沿蒸汽腔的延伸方向，将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层；步骤S30：将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，以得到吸汽剖面层的横向发育距离Rh，其中，测量参数包括吸汽剖面层的实测温度Ts。
进一步地，步骤S10包括以下步骤：步骤S11：将蒸汽腔简化为倒三棱柱结构；步骤S12：将用于平板结构的边界条件用于倒三棱柱结构中，以得到数学模型。
进一步地，数学模型为：
其中，T0为蒸汽腔内蒸汽的初始温度，为倒三棱柱的x方向因子，为倒三棱柱的y方向因子，为倒三棱柱的z方向因子。
进一步地，的计算公式分别为：
其中，y为吸汽剖面层延伸方向的长度，h为吸汽剖面层沿地层深度方向的厚度，ar为地层热扩散系数。
进一步地，ar由以下公式计算得到：
其中，φ为孔隙度、Sw为吸汽剖面层的含水率，Tk为吸汽剖面层外的地层的温度，Mr为吸汽剖面层的比热容。
进一步地，Mr由以下公式获得：
Mr＝φSoρocp,o+φSwρwcp,w+(1-φ)ρrcp,r，
其中，So为吸汽剖面层的含油率，ρo、ρw、ρr分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的密度，cp,o、cp,w、cp,r分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的比热。
进一步地，ρo、cp,o、ρw分别由以下公式获得：
进一步地，Mr由以下公式获得：
Mr＝20857[32.5+(4.6φ0.32-2)(10Sw-1.5)]。
进一步地，在步骤S30之后，解析方法还包括以下步骤：步骤S40：计算蒸汽腔沿延伸方向的分布参数。
进一步地，步骤S40包括以下步骤：步骤S41：根据吸汽剖面层的Rh值计算吸汽剖面层的加热面积；步骤S42：根据吸汽剖面层的加热面积计算吸汽剖面层的吸汽量以及吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比Ii，百分比为分布参数。
进一步地，在步骤S42中，采用如下公式计算Ii：
在蒸汽腔内有多个注汽点，多个注汽点与多个吸汽剖面层一一对应，N表示注汽点的个数，i表示第i个注汽点。
进一步地，在步骤S12中，边界条件为：
其中，ar为地层热扩散系数，T0为周围地层温度，z为平板结构的厚度。
应用本发明的技术方案，建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型，然后将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层，将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，就可计算得到吸汽剖面层的横向发育距离。与现有技术中的测量方法相比，本发明的技术方案通过数学计算就能够获取蒸汽腔内不同位置的参数，从而能够提高获取蒸汽腔参数的便捷性并降低获取蒸汽腔参数的成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明中将蒸汽腔简化为倒三棱柱结构的示意图；
图2示出了FHW12230号井在265m深时的参数变化图；
图3示出了FHW12230号井在290m深时的参数变化图；
图4示出了FHW12236号井在265m深时的参数变化图；
图5示出了FHW12236号井在340m深时的参数变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供了一种蒸汽腔的解析方法，该解析方法依次包括以下步骤：步骤S10：建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型；步骤S20：沿蒸汽腔的延伸方向，将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层；步骤S30：将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，以得到吸汽剖面层的横向发育距离Rh，其中，测量参数包括吸汽剖面层的实测温度TS。
应用本实施例的技术方案，建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型，然后将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层，将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，就可计算得到吸汽剖面层的横向发育距离Rh。与现有技术中的测量方法相比，本实施例的技术方案通过数学计算就能够获取蒸汽腔内不同位置的参数，从而能够提高获取蒸汽腔参数的便捷性并降低获取蒸汽腔参数的成本。计算得到吸汽剖面层的横向发育距离Rh后，便可根据Rh的值进一步计算得到其他需要的参数，以对蒸汽吞吐井的蒸汽腔进行分析。
在热采过程中，当水蒸汽注入油藏并且蒸汽腔形成一定体积后，不再注入蒸汽，此后这个阶段称为焖井阶段。由传热学的知识可以知道，由于没有新的蒸汽注入，原来注入蒸汽形成的高温蒸汽腔随着油藏的导热其热量将不断散失，因此蒸汽腔的温度将不断降低。蒸汽腔温度的变化和蒸汽腔原来的大小、油藏初始条件以及油藏的物性参数等密切相关。在本实施例的技术方案中，将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层能够便于参数的计算。实测温度TS是指随时间变化实时测量的温度值。使用较容易获得并且较准确的吸汽剖面层的实测温度TS等参数计算吸汽剖面层的横向发育距离Rh，不但能够提高获取蒸汽腔参数的便捷性，还能够提高计算结果的准确性。
具体地，步骤S10包括以下步骤：步骤S11：将蒸汽腔简化为倒三棱柱结构；步骤S12：将用于平板结构的边界条件用于倒三棱柱结构中，以得到数学模型。当蒸汽注入油藏后，在重力的作用下，蒸汽腔将形成一个上部宽、下部逐渐收缩的形状。如图1所示，为了便于采用传热学理论模型进行分析，对该结构进行简化，将蒸汽腔的形状简化为倒三棱柱结构。将蒸汽腔简化为结构比较相似倒三棱柱结构，使蒸汽腔成为形状规则的结构，能够在保证计算结果准确的同时便于计算，以便于建立数学模型并降低技术难度和计算量。
将蒸汽腔简化为倒三棱柱结构并将用于平板结构的边界条件用于倒三棱柱结构中后，得到的数学模型为：
其中，Tavg表示蒸汽腔内平均温度随焖井时间的变化规律，T0为蒸汽腔内蒸汽的初始温度，为倒三棱柱的x方向因子，为倒三棱柱的y方向因子，为倒三棱柱的z方向因子。 均可由积分与平均方法推倒得到。
在本实施例中，的计算公式分别为：
其中，y为吸汽剖面层延伸方向的长度，h为吸汽剖面层沿地层深度方向的厚度，ar为地层热扩散系数，t是指与时间相关的参数。上述公式联立起来后，给定某一吸汽剖面层的长度y、厚度h的值以及地层热扩散系数ar、蒸汽腔内蒸汽初始温度T0、吸汽剖面层的实测温度Ts，便可以算出该吸汽剖面层的横向发育距离Rh。
蒸汽腔随着时间的变化会发育和变化，吸汽剖面层也相应地发展和变化。吸汽剖面层的实测温度Ts是测量的吸汽剖面层中部的温度。为了得到较精确的横向发育距离值，需获得吸汽剖面层发育后的其他位置的温度。然而一些位置难以伸入传感器进行测量。通过上述公式，能够计算得出吸汽剖面层内在不同时间不同位置的温度。这样一方面可以解决蒸汽腔内一些位置的温度难以测量的问题，另一方面又能够根据得到的温度计算得出较精确的横向发育距离值。
进一步地，ar可由以下公式计算得到：
其中，φ为孔隙度、Sw为吸汽剖面层的含水率，Tk为吸汽剖面层外的地层的温度，Mr为吸汽剖面层的比热容。孔隙度是指岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值。
在本实施例中，Mr可由以下公式获得：
Mr＝φSoρocp,o+φSwρwcp,w+(1-φ)ρrcp,r。
其中，So为对应的吸汽剖面层的含油率，ρo、ρw、ρr分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的密度，cp,o、cp,w、cp,r分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的比热。
在本实施中，ρo、cp,o、ρw可分别由以下公式获得：
其中，cp,w＝4300，当然cp,w也可以根据需要选取为其他数值。ρr、cp,r可根据地质资料查表得到，例如可从《稠油技术手册》中获得。API表示稠油的密度，蒸汽腔中稠油的密度可以测量或计算得到。得到上述参数的值后，可进一步计算得到吸汽剖面层的横向发育距离Rh。
为了简化计算过程，或当相应的地质资料不充足时，Mr可由以下公式获得：
Mr＝20857[32.5+(4.6φ0.32-2)(10Sw-1.5)]。
通过该公式可在资料不充足或计算能力受限制的条件下同样能够使用解析方法获取蒸汽腔的参数，从而能够提高获取蒸汽腔参数的便捷性并降低获取蒸汽腔参数的成本。
在本实施例中，在步骤S30之后，该解析方法还包括以下步骤：步骤S40：计算蒸汽腔沿延伸方向的分布参数。在计算得到吸汽剖面层的横向发育距离之后，可通过计算蒸汽腔沿延伸方向的分布参数进一步了解蒸汽腔的发育情况，从而为提高稠油的产量或生产效率提供更详细和准确的依据。
具体地，步骤S40包括以下步骤：步骤S41：根据吸汽剖面层的Rh值计算吸汽剖面层的加热面积；步骤S42：根据吸汽剖面层的加热面积计算吸汽剖面层的吸汽量，以及吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比Ii，百分比即为上述分布参数。这样可获得蒸汽腔在不同位置或不同时间的发育情况，从而可以根据需要调整生产工艺，以提高稠油的产量或生产效率。
在本实施例中，采用如下公式计算Ii：
在蒸汽腔内具有多个注汽点，多个注汽点与多个吸汽剖面层一一对应，即吸汽剖面层是根据注汽点的个数和位置进行划分的。其中，N表示注汽点个数，i表示第i个注汽点。当分别计算得到每一个吸汽剖面层的横向发育距离Rh后，便可以通过该公式分别计算得到每一个吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比，从而可以清楚地知道蒸汽腔在不同位置的发育情况。而且，将不同时间的测量参数带入公式进行计算，可以得到蒸汽腔随时间的变化情况。使用本实施例的技术方案可有效提高获取蒸汽腔参数的便捷性并降低获取蒸汽腔参数的成本。
在本实施例中，步骤S12中的边界条件为：
其中，ar为地层热扩散系数，T0为周围地层温度，z为平板结构的厚度。
由热力学理论可知，在焖井阶段蒸汽腔平均温度的变化过程近似非稳态散热问题的解。时间t＝0时，周围地层温度等于T0，蒸汽腔内的温度为Ts，在其他时刻，无限远处的地层温度始终保持T0，而蒸汽腔内的温度将随时间递减。因此，对于无限大且具有一定厚度h的水平板非稳态导热问题，可通过上述公式得到整个平板的平均温度为：
其中，
利用上述公式对本实施例中的倒三棱柱结构的蒸汽腔进行求解，需考虑x方向和y方向的影响，经过一系列推导计算得到本实施例中的数学模型。
为了了解本实施例中的解析方法的准确性，下面通过实际油田中两个蒸汽吞吐井的测量数据对该数学模型进行验证。
下表为FHW12230号井的具体参数：
| 油气田或区块名称 | 重32井区 | 井号 | FHW12230 |
| 完钻日期 | 2015.05.11 | 完井日期 | 2015.5.12 |
| 人工井底(m) | 374.77 | 完钻井深(m) | 377.0 |
| 补心高(m) | 4.70 | 水平段长度(m) | 271.36 |
| 最大井斜(°) | 93.91 | 垂深(m) | |
| 造斜点(m) | 25 | 筛管长度(m) | 128.59 |
如图2和图3所示，分别为FHW12230号井在265m深和290m深时的参数变化图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示吸汽剖面层的温度，圆圈表示实际测量值，曲线表示用本实施例的解析方法得到的拟合值。由如图2和图3可知，拟合得出的温度与实际测量值比较吻合，因此能够表明本发明的技术方案具有较高的可靠性和可行性。这样，由测量温度和拟合温度进一步计算便可得出吸汽剖面层的横向发育距离和吸汽量的百分比。
根据焖井阶段温度变化情况，可以计算出FHW12230号井的吸汽剖面层的横向发育距离和吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比。计算结果如下表所示：
由上表可以看出：蒸汽腔在246.2-270.0m、270.0-295.0m井段的横向发育距离(即加热半径)较大，吸汽能力较强，吸汽量的百分比比共占总吸汽量的63.9％；300.0-330.0m井段的横向发育距离较小，吸汽能力一般，吸汽量的百分比比占总吸汽量的28.9％；335.0-340.0m井段的吸汽能力最小，吸汽百分比占总吸汽量的7.15％。因此，通过本发明的技术方案能够以快捷和低成本的方式获得蒸汽腔的情况，从而更好地指导生产。
下表为FHW12236号井的具体参数：
如图4和图5所示，分别为FHW12236号井在265m深和340m深时的参数变化图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示吸汽剖面层的温度，圆圈表示实际测量值，曲线表示用本实施例的解析方法得到的拟合值。由如图4和图5可知，拟合得出的温度与实际测量值比较吻合，因此能够表明本发明的技术方案具有较高的可靠性和可行性。这样，由测量温度和拟合温度进一步计算便可得出吸汽剖面层的横向发育距离和吸汽量的百分比。
根据焖井阶段温度变化情况，可以计算出FHW12236号井的吸汽剖面层的横向发育距离和吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比。计算结果如下表所示：
由上表可知：蒸汽腔在265.0-280.0m和340.0-350.0m井段的横向发育距离较大，均在10m以上，吸汽能力较强，吸汽量的百分比均在总吸汽量的5％以上；285.0-335.0m井段的横向发育距离较小，吸汽能力一般，吸汽量的百分比均在总吸汽量的5％以下。因此，通过本发明的技术方案能够以快捷和低成本的方式获得蒸汽腔的情况，从而更好地指导生产。
应用本发明的技术方案，建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型，然后将蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层，将吸汽剖面层的测量参数输入数学模型中，就可计算得到吸汽剖面层的横向发育距离。与现有技术中的测量方法相比，本发明的技术方案通过数学计算就能够获取蒸汽腔内不同位置的参数，从而能够提高获取蒸汽腔参数的便捷性并降低获取蒸汽腔参数的成本。而且，通过本发明中的公式能够计算得出吸汽剖面层内在不同时间不同位置的温度。这样一方面可以解决蒸汽腔内一些位置的温度难以测量的问题，另一方面又能够根据得到的温度计算得出较精确的横向发育距离值。得到吸汽剖面层的横向发育距离后，可通过计算蒸汽腔沿延伸方向的分布参数，例如吸汽剖面层的吸汽量占蒸汽腔的总吸汽量的百分比，进一步了解蒸汽腔的发育情况，从而为提高稠油的产量或生产效率提供更详细和准确的依据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
Claims (12)
1.一种蒸汽腔的解析方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
步骤S10：建立蒸汽吞吐井的蒸汽腔的数学模型；
步骤S20：沿所述蒸汽腔的延伸方向，将所述蒸汽腔划分为多个吸汽剖面层；
步骤S30：将所述吸汽剖面层的测量参数输入所述数学模型中，以得到所述吸汽剖面层的横向发育距离Rh，其中，所述测量参数包括所述吸汽剖面层的实测温度Ts。
2.根据权利要求1所述的解析方法，其特征在于，所述步骤S10包括以下步骤：
步骤S11：将所述蒸汽腔简化为倒三棱柱结构；
步骤S12：将用于平板结构的边界条件用于所述倒三棱柱结构中，以得到所述数学模型。
3.根据权利要求2所述的解析方法，其特征在于，所述数学模型为：
其中，T0为所述蒸汽腔内蒸汽的初始温度，为所述倒三棱柱的x方向因子，为所述倒三棱柱的y方向因子，为所述倒三棱柱的z方向因子。
4.根据权利要求3所述的解析方法，其特征在于，的计算公式分别为：
其中，y为所述吸汽剖面层延伸方向的长度，h为所述吸汽剖面层沿地层深度方向的厚度，ar为地层热扩散系数。
5.根据权利要求4所述的解析方法，其特征在于，ar由以下公式计算得到：
其中，φ为孔隙度、Sw为所述吸汽剖面层的含水率，Tk为所述吸汽剖面层外的地层的温度，Mr为所述吸汽剖面层的比热容。
6.根据权利要求5所述的解析方法，其特征在于，Mr由以下公式获得：
Mr＝φSoρocp,o+φSwρwcp,w+(1-φ)ρrcp,r，
其中，So为所述吸汽剖面层的含油率，ρo、ρw、ρr分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的密度，cp,o、cp,w、cp,r分别为地层条件下油、水、地层岩石基质的比热。
7.根据权利要求6所述的解析方法，其特征在于，ρo、cp,o、ρw分别由以下公式获得：
8.根据权利要求5所述的解析方法，其特征在于，Mr由以下公式获得：
Mr＝20857[32.5+(4.6φ0.32-2)(10Sw-1.5)]。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的解析方法，其特征在于，在所述步骤S30之后，所述解析方法还包括以下步骤：
步骤S40：计算所述蒸汽腔沿延伸方向的分布参数。
10.根据权利要求9所述的解析方法，其特征在于，所述步骤S40包括以下步骤：
步骤S41：根据所述吸汽剖面层的Rh值计算所述吸汽剖面层的加热面积；
步骤S42：根据所述吸汽剖面层的加热面积计算所述吸汽剖面层的吸汽量以及所述吸汽剖面层的吸汽量占所述蒸汽腔的总吸汽量的百分比Ii，所述百分比为所述分布参数。
11.根据权利要求10所述的解析方法，其特征在于，在所述步骤S42中，采用如下公式计算Ii：
在所述蒸汽腔内有多个注汽点，多个所述注汽点与多个所述吸汽剖面层一一对应，N表示所述注汽点的个数，i表示第i个所述注汽点。
12.根据权利要求2所述的解析方法，其特征在于，在步骤S12中，所述边界条件为：
其中，ar为地层热扩散系数，T0为周围地层温度，z为所述平板结构的厚度。
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