预注空气的采油方法技术领域
本发明涉及稠油开采领域，特别涉及一种预注空气的采油方法。
背景技术
稠油是指在地层温度和脱气的条件下，粘度大于100mPa.s(毫帕·秒)的高粘度重
质原油。按照粘度的大小可以分为普通稠油(100至10000mPa.s)、特稠油(10000至
50000mPa.s)和超稠油(大于50000mPa.s)。在油田的石油开采中，由于稠油具有特殊的高粘
度和高凝固点的特性，在储层和井筒中流动性差，常规开采采收率低，即无法保证正常的经
济产量。为了保证合理的采收率，往往通过降低原油的粘度来采油。
现有技术中的稠油开采技术包括热力开采技术、火驱开采技术以及热力开采技术
与火驱开采技术的结合等。
其中，一种典型的稠油开采方法为蒸汽吞吐转火驱开采。但是上述方式先利用蒸
汽吞吐进行多轮次地开采，原始主力产油层多处于水淹中。此时，如果下入电点火器进行火
驱开采，热空气加热的是大量的水体，无法达到理想的火驱开采效果。
因此，有必要针对上述热力开采转火驱开采的稠油油藏提出一种有效的开采方
式，以便能够将火驱开采有效应用在稠油油藏领域，实现对主力产油层处于水淹状态的稠
油油藏进行有效开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种预注空气的采油方法，能够将火驱开采有效应用在在稠
油油藏领域，实现对主力产油层处于水淹状态的稠油油藏进行有效开发。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种预注空气的采油方法，包括：
根据井底注入能量为顶底盖层损失能量与油层能的增加的能量平衡原理建立用
于确定最大注汽体积的第一模型；
利用气驱稠油时油与水的驱替差异，在忽略稠油移动的情况下建立用于确定最小
注汽体积的第二模型；
基于获取的指定油藏参数确定油藏开发对应的模型，其中，所述指定油藏参数包
括：孔隙度、渗透率、油层厚度及地层温度；
将获取的油藏参数代入确定的模型中，获得在标况下所需预注的空气量；
以第一预定注入速度向油层中注入空气；当所需预注的空气量注入结束后，在指
定位置下入点火器，进行点火。
进一步的，所述方法还包括：
检测生产井处产出的气体，当生产井预定时长内产出的气体满足预定条件时，关
闭对应的生产井。
进一步的，当生产井预定时长内产出的气体满足预定条件时，所述方法还包括：
将空气以注入-关井相间隔的段塞式注入方式进行注入。
进一步的，所述注入-关井相间隔的段塞式注入方式为以两天注气后半天关井的
周期重复进行。
进一步的，所述预定条件包括下述中的至少一个：
当生产井在7天内见到尾气；
或者，生产井中产出的气体含氧量大于3％。
进一步的，当所述指定油藏参数中的孔隙度>25％，渗透率>1500毫达西，油层厚度
>5米，地层温度>70摄氏度，选取所述第二模型确定在标况下所需预注的空气量；反之选用
所述第一模型。
进一步的，所述第一预定注入速度为400标方每米油层每天至600标方每米油层每
天。
进一步的，在以第一预定注入速度向油层中注入空气前，所述方法还包括
获取油藏的纵向渗透率极差，
当纵向渗透率极差大于3时，对所述油藏进行调剖，使纵向渗透率极差小于3。
进一步的，所述第一模型包含的用于确定标准状况下所需预注的空气量公式如
下：
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上式中：
V表示蒸汽吞吐区域地层孔隙体积，单位为立方米；r表示蒸汽吞吐半径，单位为
米；h表示小层厚度，单位为米；Φ表示孔隙度，小数；n表示空气的物质的量，单位为摩尔；Pr
表示地层压力，单位为兆帕；R表示通用气体常数；Z表示压缩因子；T表示地层绝对温度，单
位为卡尔文。
进一步的，所述第二模型包含的用于确定标准状况下所需预注的空气量公式如
下：
![]()
上式中：
r表示驱水半径，单位为米；R表示空气半径，单位为米；vg表示空气流动速度，单位
为米/秒；vw表示水流动速度，单位为米/秒；P1是地层压力，P2是标况压力，单位都是兆帕a；V
标是标况体积，单位是标方，V是地下实际体积，单位是立方米；h是油层厚度，单位为米；Φ
表示孔隙度，小数；Soi，是剩余油饱和度，小数；Swi是剩余水饱和度，小数。
本发明的特点和优点是：本申请所述的预注空气的采油方法，在进行火驱开发前，
向目标油藏中预先注入适量的空气，当冷空气进入热油层时，会与其接触发烧低温氧化放
热，反应后的烟道气继续往前波及，由于气体的流动，强化了气体与油层的对流换热能力，
使低温氧化形成的热量得到扩散；同时，联合地层的导热作用，使油层整体升温。最终，气体
指进不仅连通了注采井的排泄通道，同时建立了注采井的热连通，利用气体能够对水和油
产生不同的驱替效果，能够实现对主力产油层处于水淹状态的稠油油藏有效开发。
整体上，本申请所述的预注空气的采油方法，在点火前，向目标油藏中预先注入适
量的空气，注采井建立热连通，油层温度提升5-10℃，含水升高，产液量增大；点火后，产液
产油大幅上升，尾气二氧化碳含量大于12％，迅速达到高温氧化燃烧状态，点火后1个月，产
液黏度大幅下降，降幅50％以上。
附图说明
图1是一种预注空气机理示意图；
图2是本申请一个实施方式提供的预注空气的采油方法的流程图。
附图标记说明：
1-空气流向，2-水流方向，3-稠油，4-油层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些
实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技
术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
下面结合附图对本申请所述的预注空气采油方法、装置进行详细的说明。图2是本
申请一个实施方式提供的预注空气采油方法的流程图。虽然本申请提供了如下述实施方式
或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或
装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块结构。在逻辑性上不存在必要因果关系的
步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本申请实施方式提供的执行
顺序或模块结构。所述的方法或模块结构的在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照
实施方式或者附图所示的方法或模块结构连接进行顺序执行或者并行执行(例如并行处理
器或者多线程处理的环境)。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上
或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、
“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
本发明提供一种针对上述热力开采转火驱开采的稠油油藏提出一种有效的开采
方式，以便能够将火驱开采有效应用在稠油油藏领域，实现对主力产油层处于水淹状态的
稠油油藏进行有效开发。
研究发现，在进行火驱开发点火前预注一定量的空气，可以降低近井地带含水，提
高含油饱和度，同时在点火阶段增加空气与原油接触的体积，提升油层温度，建立注采井排
泄通道。其中，含油饱和度指在油层中，原油所占孔隙的体积与岩石总孔隙体积之比。
具体的利用注空气开采的机理分析如下：
第一、利用气体驱压近井水体，可以提高含油饱和度。
空气的粘度是水的10-2左右，是普通稠油的10-5左右。因此，空气对水的驱替速度
要比油大的多，进入地层空气首先驱动水。如图1所示，空气进入油层，由于超覆作用，即空
气密度低，油水密度大，空气进入地层后，由于密度差，会向上移动，形成空气流向1；同时空
气对油水一个反作用力，压着油水向下运动。由于三者的粘度差别很大，加上渗流阻力，空
气向上向前运动的最快，水向下向前运动速度次之，稠油基本不动。具体的，受压的水/油则
会向斜下方运移，形成水流方向2；而油水的流度比差别很大，所以大量的水体向斜下方运
移时，稠油3运移很小，或基本不动。由此，经过向处于水淹状态的稠油油藏预注空气，可以
改善近井地带油水分布，使得油主要集中于油层4中下部，含水饱和度大幅度下降，含气(空
气)饱和度大幅度上升。
第二：利用指进原理，可以建立注采井连通通道。
流体在岩石孔隙中的速度(界面的移动速度)为：
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上式中：
(p1-p2)-毛管中外加压差；其中，P1表示注入井压力，P2表示生产井压力；
r-孔道半径；单位为m(米)，吼道的半径可以通过岩心测定；
μ1、μ2-流体粘度；单位为mPa.s，为空气、水、油中任意两个的粘度；
L为驱替距离；单位为m，即井距；
Lt-界面走过的距离；单位为m，可以通过室内实验确定。
从式中可以看出，速度v受两相的粘度差、孔道半径、走过的距离和总长度的影响；
同一半径的孔道中流速取决于粘度。水与气的粘度比数量级为102，稠油与气的粘度比数量
级为105，可见指进出现在两个位置：油层上部空气指进，油层下部水指进。通过气水指进可
以建立注采井连通通道。
具体的，上部形成的是空气/气体通道，后期火驱燃烧后的烟道气可通过上面排
泄，下部是粘度低的流体(油水)的通道，后期点火过程及点火后，近井流体不会堵塞导致流
体流不动。此外，在后期火驱过程中，烟道气是热的，在烟道气驱压力和加热条件下，也可以
提高中部稠油的流动性，使得稠油开始向下流动，从而提高火驱效果。
基于上述建立的注采井连通通道可以由通生热，由通传热，形成热连通通道。
当冷空气进入热油层时，会与其接触发烧低温氧化放热，反应后的烟道气继续往
前波及，由于气体的流动，强化了气体与油层的对流换热能力，使低温氧化形成的热量得到
扩散；同时，联合地层的导热作用，使油层整体升温。最终，气体指进不仅连通了注采井的排
泄通道，同时建立了注采井的热连通。
利用上述预注空气的建立注采井的排泄通道和注采井的热连通通道的原理，本申
请提供一种预注空气的采油方法。
请参阅图2，本申请实施方式中提供的一种预注空气的采油方法可以包括如下步
骤。
步骤S10：根据井底注入能量为顶底盖层损失能量与油层能的增加的能量平衡原
理建立用于确定最大注汽体积的第一模型；
步骤S12：利用气驱稠油时油与水的驱替差异，在忽略稠油移动的情况下建立用于
确定最小注汽体积的第二模型；
步骤S14：基于获取的指定油藏参数确定油藏开发对应的模型，其中，所述指定油
藏参数包括：孔隙度、渗透率、油层厚度及地层温度；
步骤S16：将获取的油藏参数代入确定的模型中，获得在标况下所需预注的空气
量；
步骤S18：以第一预定注入速度向油层中注入空气；当所需预注的空气量注入结束
后，在指定位置下入点火器，进行点火。
1、建立用于确定最大注汽体积的第一模型。
1.1最大加热半径的确定
预注空气的最大量可以根据蒸汽吞吐所动用的油藏半径来计算。
蒸汽吞吐动用半径模型采用marx-langenheim模型。根据能量平衡原理：井底注入
能量＝顶底盖层损失能量+油层能量的增加。其中顶底盖层可以指泥岩层，由于其不绝热，
因此会散失热量。
其中，能量注入速率可以根据下式确定：
Ei＝is·Hm (1)
上式中：
Ei-能量注入速率，kcal/h，(千卡/小时)，为输入参数；
is-蒸汽注入速率，kg/h(千克/小时)；为输入参数；
Hm-饱和蒸汽的焓，kcal/kg(千卡/千克)为已知。
顶底盖层的热损失速率可以根据下式确定：
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油层能量增加速率可以根据下式确定：
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能量平衡原理建立等式：
Ei＝Ec+ER (4)
将上述式(1)、(2)、(3)带入上述等式(4)可得加热面积公式：
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则动用半径为：
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上式中：Ei-能量注入速率，kcal/h；Ec-顶底盖层热损失速率，kcal/h.m.℃；ER-油
层能量增加速率，kcal/h；Ar-蒸汽加热面积，m2；r-蒸汽加热半径，m；is-蒸汽注入速率，kg/
h；Hm-饱和蒸汽的焓，kcal/kg；h-油层有效厚度，m；MR油层热容量，kcal/m3.℃；λS顶底层岩
石导热系数，kcal/h.m.℃；αS顶底层的热扩散系数，m2/h；Ts蒸汽温度，℃；Ti原始油层温度，
℃。tD表示无因次时间，t是蒸汽注入时间，h(小时)；h是油层厚度，m；αS顶底层的热扩散系
数，m2/h；其中，
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1.2预注空气量的确定
蒸汽吞吐区域地层孔隙体积：
V＝πr2hφ(1-Soi-Swi) (7)
上述式中：
V—蒸汽吞吐区域地层孔隙体积，m3；r—蒸汽吞吐半径，m；h—小层厚度，m；Φ—孔
隙度，小数；Soi，是剩余油饱和度，小数；Swi是剩余水饱和度，小数，可以从测井资料中查
的，r是计算值。
蒸汽吞吐波及范围内滞留的空气的物质的量：
![]()
上式中：
V—蒸汽吞吐区域地层孔隙体积，m3；n—空气的物质的量，mol；Pr—地层压力，MPa；
R—通用气体常数；Z—压缩因子；T—地层绝对温度，K(℃+273)。
标况(标况：标准状况的简称，通常指温度为0℃即273.15开和压强为101.325千帕
即1标准大气压的情况)条件下需要的空气体积：
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将(6)式带入(9)式，得
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上式中：
V—蒸汽吞吐区域地层孔隙体积，m3(立方米)；r—蒸汽吞吐半径，m(米)；h—小层
厚度，m(米)；Φ—孔隙度，小数；n—空气的物质的量，mol(摩尔)；Pr—地层压力，MPa(兆
帕)；R—通用气体常数；Z—压缩因子；T—地层绝对温度，K(℃+273)(开尔文)；V标—标况下
空气体积，m3(立方米)。
2、建立用于确定最小注汽体积的第二模型
最小空气注入量为排水半径为0.6m～1.2m时空气的圆台体积。由于空气和油水的
密度差导致空气注入地层后向上超覆，水受到空气的驱压向斜下方流动，空气驱替水所形
成的圆台上即为空气的最小充填体积。根据达西公式，在压差、横截面积、长度一致的岩心
中，流体流度正比于其渗透率，反比于其黏度，对于渗透率的关系，室内实验测定气体渗透
率是液体3-5倍。由此，可计算驱替参数，见表1。
表1
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从表1可以看出，气驱稠油相对于气驱水数量级为3，而水驱稠油相对于气驱水数
量级为2，当水移动距离为1m时，5-10m，空气移动距离为稠油移动距离仅为0.01m左右，因
此，在预注空气过程中，可忽略稠油的移动。可推导计算最小预注空气量。
驱替水后，空气填充圆台体积为：
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标况体积为V标：
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水驱半径r：
r＝0.6～1.2m (13)
空气最大半径R：
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由(11)～(14)可推出计算预注空气的标况体积为：
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上式中：
r-驱水半径，m，通常为0.6～1.2m；R-空气半径，m；vg表示空气流动速度，m/s；vw水
流动速度，m/s；P1是地层压力，P2是标况压力，单位都是MPa；V标是标况体积，单位是标方，V是
地下实际体积，单位是立方米；h是油层厚度，m；Φ—孔隙度，小数；Soi是剩余油饱和度，小
数；Swi是剩余水饱和度，小数。
当根据井底注入能量为顶底盖层损失能量与油层能的增加的能量平衡原理建立
好用于确定最大注汽体积的第一模型；以及利用气驱稠油时油与水的驱替差异，在忽略稠
油移动的情况下建立好用于确定最小注汽体积的第二模型后，可以基于获取的指定油藏参
数确定油藏开发对应的模型。其中，所述指定油藏参数包括：孔隙度、渗透率、油层厚度及地
层温度。
具体的，当所述指定油藏参数中的孔隙度>25％，渗透率>1500Md(毫达西)，油层厚
度>5m，地层温度>70℃，选取所述第二模型确定在标况下所需预注的空气量；反之选用所述
第一模型。
通过上述指定油藏参数包括：孔隙度、渗透率、油层厚度及地层温度等可以建立不
同注气量需求的界限。当油层厚度大、孔隙度、渗透率高，表示该油藏容易气窜；油层温度
低，生产井容易含氧量超标。因此，当油藏厚度大、孔隙度、渗透率高，地层温度低时，可以选
用用于确定最大注汽体积的第一模型。
此外，对于没有开发过的原始油藏可以选用用于确定最小注汽体积的第二模型确
定所需预注的空气量。由于没开发的油藏含水低，仅用少量的气通入即可，从而将点火半径
处含水降低，保证不影响点火即可。
当确定好计算模型后，可以将获取的油藏参数代入确定的模型中，以获得在标况
下所需预注的空气量。
具体的，上述计算过程本申请在此不再赘述。
当通过代入相应的模型获得在标况下所需预注的空气量后，以第一预定注入速度
向油层中注入空气。其中，所述第一预定注入速度具体可以为400标方每米油层每天至600
标方每米油层每天。一般的预注空气速度与含水和油层厚度有关，含水>70％，油层厚度>5m
的，可以取较大值，其余取小值。
此外，所述第一预定注入速度也可以根据生产参数进行调整，例如当注采井连通
速度慢，无气窜，注气压力变化不大时可以相应增大注入速度；当注采井连通率达到75％以
上，部分井出现气窜或注气压力增幅1倍以上时可以相应减小注入速度，具体的本申请在此
并不作具体的限定。
当所需预注的空气量注入结束后，在指定位置下入电点火器，进行点火，从而实现
有效的火驱开发作业。
本申请所述的预注空气的采油方法，在进行火驱开发前，向目标油藏中预先注入
适量的空气，当冷空气进入热油层时，会与其接触发烧低温氧化放热，反应后的烟道气继续
往前波及，由于气体的流动，强化了气体与油层的对流换热能力，使低温氧化形成的热量得
到扩散；同时，联合地层的导热作用，使油层整体升温。最终，气体指进不仅连通了注采井的
排泄通道，同时建立了注采井的热连通，利用气体能够对水和油产生不同的驱替效果，能够
实现对主力产油层处于水淹状态的稠油油藏有效开发。
整体上，本申请所述的预注空气的采油方法，在点火前，向目标油藏中预先注入适
量的空气，注采井建立热连通，油层温度提升5-10℃，含水升高，产液量增大；点火后，产液
产油大幅上升，尾气二氧化碳含量大于12％，迅速达到高温氧化燃烧状态，点火后1个月，产
液黏度大幅下降，降幅50％以上。
在一个实施方式中，在以第一预定注入速度向油层中注入空气前，所述方法还可
以包括如下步骤：
获取油藏的纵向渗透率极差，当纵向渗透率极差大于3时，对所述油藏进行调剖，
使纵向渗透率极差小于3。
在本实施方式中，所述纵向渗透率极差为在纵向上，最大渗透率与最小渗透率的
比值。当待开发的油藏的纵向渗透率极差小于3时，表示该油藏在纵向上渗透率相对较为均
匀，有利于进行注气开发，从而避免由于渗透率相差太大而造成气蹿，导致开发效果较差。
在一个实施方式中，所述方法还可以包括：检测生产井处产出的气体，当生产井预
定时长内产出的气体满足预定条件时，关闭对应的生产井。
在本实施方式中，在注气过程中可以检测生产井处产出的气体，通过分析该气体
成分可以判断出油藏中的注气情况。
当基于生产井中的气体确定出该生产井发生气蹿时，可以将该生产井关闭，以保
证注入的气体能够达到理想的驱替效果。
其中，所述预定条件可以包括下述中的至少一个：当生产井在7天内见到尾气；或
者，生产井中产出的气体含氧量大于3％。
也就是说，当生产井中在短时间内出现尾气或者含氧量较高时，表示，此时已经发
生气蹿，注入的气体没有被有效利用。
进一步的，当生产井预定时长内产出的气体满足预定条件时，所述方法还包括：将
空气以注入-关井相间隔的段塞式注入方式进行注入。
也就是说，当生产井预定时长内产出的气体满足预定条件时，可以调整注气方式，
从而提高气体的利用率。
其中，所述注入-关井相间隔的段塞式注入方式为以两天注气后半天关井的周期
重复进行。
具体的，采用段塞式注入方式进行注气时，可以先注入两天气体，然后再关井半
天，使得注入的空气能够被充分利用，而不会从生产井中蹿出。接着重复上述注气和关井的
过程。
在本实施方式中，在单个周期内注气的时间和关井的时间可以根据实际油藏的储
层参数(如孔隙度、渗透率、油层厚度、地层温度)的不同而不同，本申请在此并不作具体限
定。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同
相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所
述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所
属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式
的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求
书所界定的范围为准。