稠油油藏FAST-SAGD技術(shù)儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)

裴艷麗，姜漢橋，周 赫，李林凱，陸祥安

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

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稠油油藏FAST-SAGD技術(shù)儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)

裴艷麗1，2，姜漢橋1，2，周 赫1，2，李林凱1，2，陸祥安1，2

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

為加速FAST-SAGD技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)推廣，以阿爾伯塔冷湖先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用油藏?cái)?shù)值模擬軟件研究了地層韻律、頁巖夾層、漏失層等非均質(zhì)條件對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響，通過量化分析得到了FAST-SAGD的儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：正韻律FAST-SAGD開發(fā)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于反韻律FAST-SAGD，前者要求垂水滲透率之比大于0.15，滲透率級(jí)差在4左右，后者要求垂水滲透率之比大于0.25，滲透率級(jí)差小于3；注采井間的頁巖尺寸約為15 m時(shí)，蒸汽的竄流現(xiàn)象能夠得到有效控制，頁巖夾層位于上部?jī)?chǔ)層1/2及以上位置時(shí)，其對(duì)蒸汽腔發(fā)育的阻礙作用可以忽略；頂?shù)姿焕贔AST-SAGD的開發(fā)，但對(duì)于氣頂油藏，當(dāng)氣頂與油藏體積比為0.10～0.20時(shí)，保留氣頂開采效果較好。明確FAST-SAGD技術(shù)對(duì)于各種地質(zhì)因素的適用性，有利于現(xiàn)場(chǎng)稠油開采技術(shù)的篩選，規(guī)避開發(fā)效果欠佳區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)稠油油藏的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。

稠油油藏；FAST-SAGD；地層韻律；頁巖夾層；漏失層；篩選標(biāo)準(zhǔn)；阿爾伯塔冷湖油區(qū)

0 引 言

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)[1-3](SAGD)是開發(fā)稠油油藏的一種有效方法。SAGD主要依靠重力作用泄油，蒸汽腔橫向擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力不足，相鄰蒸汽腔之間容易形成三角形冷油滯留區(qū)，一般油層越厚，則冷油區(qū)面積越大。作為繼傳統(tǒng)SAGD的新一代稠油開采方法，F(xiàn)AST-SAGD技術(shù)[4]對(duì)蒸汽輔助重力泄油和蒸汽吞吐(CSS)進(jìn)行綜合，在原有SAGD井組間加鉆一口水平補(bǔ)償井，旨在加速蒸汽腔的橫向擴(kuò)展，消除厚油層的三角冷油區(qū)，實(shí)現(xiàn)稠油油藏的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。FAST-SAGD技術(shù)已在加拿大阿爾伯塔冷湖油區(qū)進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)[5]，并有望在中國(guó)遼河、新疆等稠油區(qū)塊展開應(yīng)用。前人已深入研究了頁巖夾層、氣頂以及底水等[6-15]地質(zhì)條件對(duì)SAGD開發(fā)效果的影響。類比于傳統(tǒng)SAGD，以加拿大阿爾伯塔冷湖先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)為例，研究非均質(zhì)儲(chǔ)層條件(如地層韻律、頁巖夾層以及漏失層等)對(duì)FAST-SAGD開發(fā)的影響，并分析總結(jié)FAST-SAGD的儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)，為稠油油藏FAST-SAGD技術(shù)的研究與推廣提供了理論指導(dǎo)。

1 油藏地質(zhì)概況

阿爾伯塔冷湖油區(qū)為典型的厚層稠油油藏。油藏平均埋深為400 m，平均有效厚度為50 m，中部油層最厚。原始地層溫度約為12 ℃，油藏壓力為3.1 MPa。冷湖油區(qū)儲(chǔ)層物性較好，屬于高孔、高滲儲(chǔ)層。表1為冷湖先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)模型的平均參數(shù)。

表1 冷湖先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

考慮井組的對(duì)稱性，網(wǎng)格劃分為101×20×25，步長(zhǎng)分別為1、50、2 m。生產(chǎn)井距油層底部1 m，注入井位于生產(chǎn)井上方5 m，補(bǔ)償井距SAGD井組50 m，且與SAGD生產(chǎn)井等深。井網(wǎng)設(shè)置如圖1所示。在SAGD對(duì)比模型中，只設(shè)2組SAGD井。

圖1 井網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

FAST-SAGD生產(chǎn)過程分為3個(gè)階段：①SAGD井組生產(chǎn)階段，蒸汽腔縱向擴(kuò)展至油層頂部，歷時(shí)2.5 a，蒸汽腔溫度維持在240 ℃左右；②SAGD井組生產(chǎn)+補(bǔ)償井蒸汽吞吐階段，補(bǔ)償井進(jìn)行至少2個(gè)周期的高壓蒸汽吞吐，每次注汽時(shí)間為6～9個(gè)月，燜井時(shí)間約為2周；③SAGD井組+補(bǔ)償井生產(chǎn)階段，當(dāng)相鄰2個(gè)蒸汽腔形成熱聯(lián)通，補(bǔ)償井轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)井，SAGD生產(chǎn)過程繼續(xù)[16]。SAGD生產(chǎn)階段注汽速度為400 m3/d，補(bǔ)償井蒸汽吞吐階段注汽速度為800 m3/d，蒸汽注入溫度為242 ℃，蒸汽干度為0.9，定產(chǎn)液量生產(chǎn)。

3 非均質(zhì)儲(chǔ)層條件的影響因素

3.1 地層韻律的影響

受沉積環(huán)境和沉積方式的控制，單砂層內(nèi)碎屑顆粒的粒度在縱向上分布不均勻，從而導(dǎo)致垂向滲透率差異顯著。對(duì)于注蒸汽開發(fā)，地層韻律會(huì)嚴(yán)重影響蒸汽腔的發(fā)育過程。基于正、反韻律儲(chǔ)層，研究垂水滲透率之比(KV/KH，KV、KH分別代表垂向、水平滲透率)和滲透率級(jí)差(Jk)對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響。

3.1.1 垂水滲透率之比研究

為了研究垂水滲透率之比對(duì)FAST-SAGD的影響，選擇垂水滲透率之比為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45進(jìn)行數(shù)值模擬模型平均滲透率為2 500×10-3μm2，平均孔隙度為32%，滲透率級(jí)差為4。

圖2為不同垂水滲透率之比對(duì)FAST-SAGD開發(fā)指標(biāo)的影響。由圖2可知，正韻律地層FAST-SAGD的采出程度約為反韻律地層FAST-SAGD采出程度的2倍。對(duì)于正韻律地層，由于注入井位置的孔滲條件好，蒸汽注入能力強(qiáng)，蒸汽腔發(fā)育程度高，垂水滲透率之比大于0.15時(shí)采出程度增幅不大；對(duì)于反韻律地層，儲(chǔ)層下部滲透率低，導(dǎo)致蒸汽注入困難，垂水滲透率之比小于0.25時(shí)采出程度驟減。因此，要求正韻律FAST-SAGD的垂水滲透率之比應(yīng)大于0.15，反韻律FAST-SAGD的垂水滲透率之比應(yīng)大于0.25。

圖2 不同垂水滲透率之比下的采出程度對(duì)比

3.1.2 滲透率級(jí)差的影響

選擇滲透率級(jí)差為2、3、4、5、6進(jìn)行數(shù)值模擬，研究滲透率級(jí)差對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響(圖3)。模型平均滲透率為2 500×10-3μm2，平均孔隙度為32%，垂水滲透率之比為0.35。

圖3 不同滲透率級(jí)差下的采出程度對(duì)比

由圖3可知，對(duì)于同一滲透率級(jí)差，正韻律地層的采出程度高于反韻律地層的采出程度，且隨著滲透率級(jí)差的增大，正韻律FAST-SAGD的優(yōu)勢(shì)更加明顯。原因在于：正韻律地層的滲透率級(jí)差越大，表明儲(chǔ)層下部物性越好，蒸汽越容易注入，蒸汽腔擴(kuò)展越快，級(jí)差大于4以后采出程度基本不變。而在反韻律條件下，滲透率級(jí)差越大，儲(chǔ)層下部物性越差，蒸汽注入越困難，蒸汽腔發(fā)育受阻，級(jí)差大于3時(shí)采出程度急劇下降。因此，正韻律FAST-SAGD的滲透率級(jí)差應(yīng)在4左右，反韻律FAST-SAGD的滲透率級(jí)差應(yīng)小于3。

3.2 頁巖夾層的影響

低滲透頁巖層的存在會(huì)不同程度地影響蒸汽腔的發(fā)育，分別基于BIP模型(頁巖位于注采井間)和AP模型(頁巖位于注采井組上方)研究頁巖尺寸、頁巖位置對(duì)FAST-SAGD的影響。頁巖厚度為2 m，相鄰頁巖橫向間距為5 m，沿油藏延伸方向均布2個(gè)300 m的頁巖單元。

3.2.1 頁巖厚度

選擇頁巖厚度為5、10、15、20、25 m，基于BIP模型研究頁巖尺寸對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響。參照夾層分布密度的概念，定義夾層體積密度 為單位體積儲(chǔ)層內(nèi)非滲透性頁巖夾層的體積，則上述5種情況的夾層體積密度分別為0.30、0.36、0.45、0.48、0.45 m3/m3。

前人研究指出，頁巖夾層位于注采井間會(huì)嚴(yán)重影響蒸汽腔的發(fā)育程度[17]。同時(shí)由于雙水平井的垂向距離較近，蒸汽注入過程中又容易形成一些熱通道，導(dǎo)致蒸汽無效循環(huán)并直接經(jīng)生產(chǎn)井產(chǎn)出[18]。

數(shù)模結(jié)果(圖4)表明，隨著頁巖厚度的增加，采出程度先增大后減小，累計(jì)汽油比先減小后增大。當(dāng)頁巖厚度為15 m左右即夾層體積密度約為0.45時(shí)，F(xiàn)AST-SAGD開發(fā)效果最佳。因此，注采井間的頁巖夾層并非一直產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，當(dāng)夾層體積密度落在合理區(qū)間內(nèi)時(shí)，在不影響蒸汽腔發(fā)育的情況下，頁巖夾層對(duì)蒸汽竄流能起到一定的屏蔽作用。

圖4 不同頁巖尺寸下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

圖5為不同頁巖厚度下FAST-SAGD生產(chǎn)結(jié)束后蒸汽腔發(fā)育情況：15 m頁巖對(duì)應(yīng)的蒸汽腔發(fā)育程度最高，三角冷油區(qū)面積最??；當(dāng)頁巖尺寸增至20 m時(shí)，蒸汽腔發(fā)育開始受到夾層的限制。說明當(dāng)頁巖夾層位于注采井間時(shí)，需綜合考慮蒸汽腔發(fā)育和蒸汽竄流2個(gè)因素的影響。

圖5 不同頁巖尺寸下蒸汽腔發(fā)育對(duì)比

3.2.2 頁巖位置研究

定義垂向距離比γ為夾層與注汽井垂向距離占注汽井以上儲(chǔ)層厚度的比例，選擇頁巖夾層位于注汽井以上4、10、16、24、32 m(即垂向距離比分別為1/10、1/5、1/3、1/2、2/3)，基于AP模型研究頁巖位置對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響，頁巖尺寸取25 m。

由圖6可知，頁巖夾層越靠近注汽井，采出程度越低且累計(jì)汽油比越高。當(dāng)頁巖夾層位于注汽井上方24 m即垂向距離比為1/2時(shí)，夾層對(duì)蒸汽腔發(fā)育的阻礙作用減小，在補(bǔ)償井作用下夾層以上儲(chǔ)層仍然能夠被加熱。因此，當(dāng)頁巖夾層的垂向距離比大于1/2時(shí)，其對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響可以忽略不計(jì)。

圖6 不同頁巖位置下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

3.3 漏失層的影響

頂?shù)姿?、氣頂?shù)嚷┦拥拇嬖跁?huì)增加蓋層熱損失，影響注蒸汽開發(fā)效果。為了研究漏失層對(duì)FAST-SAGD的影響，分別在基礎(chǔ)模型中加入6 m頂水、6 m底水以及5 m氣頂進(jìn)行模擬。模型運(yùn)行4 a后，不同油藏條件下蒸汽腔發(fā)育情況差別顯著(圖7)?；A(chǔ)模型補(bǔ)償井形成的蒸汽腔呈紡錘形，腔內(nèi)溫度維持在280 ℃左右；氣頂和頂水油藏形成的蒸汽腔呈高瘦漏斗狀，但前者蒸汽腔平均溫度高于后者；底水油藏補(bǔ)償井對(duì)應(yīng)的蒸汽腔呈短粗的倒漏斗狀，腔內(nèi)平均溫度約為260 ℃，略低于頂水油藏。

圖7 不同油藏條件蒸汽腔溫度分布

數(shù)模結(jié)果表明，氣頂模型采出程度最高(45.98%)，累計(jì)汽油比最低(2.82 m3/m3)；頂水模型采出程度為30.08%，底水模型的采出程度為18.93%，均低于基礎(chǔ)模型的采出程度(40.93%)。說明頂?shù)姿焕贔AST-SAGD開發(fā)且底水影響更大，而氣頂存在則可能有利于FAST-SAGD開發(fā)。

進(jìn)一步研究氣頂大小對(duì)FAST-SAGD開發(fā)效果的影響，設(shè)置氣頂厚度為0.0、2.5、5.0、7.5、10.0 m，即氣頂與油藏體積比分別為0.00、0.05、0.10、0.20、0.25。如圖8所示，當(dāng)氣頂與油藏體積比小于0.10時(shí)，由于氣頂相對(duì)體積小且氣體壓縮系數(shù)高，注入的高溫高壓蒸汽大部分侵入到上覆漏失層，此時(shí)氣頂熱損失占主導(dǎo)，導(dǎo)致氣頂油藏采出程度偏低；當(dāng)氣頂與油藏體積比為0.10～0.20時(shí)，氣頂?shù)牧鲃?dòng)性強(qiáng)且壓力較高，加速了蒸汽腔的橫向擴(kuò)展，在氣體傳熱和氣頂驅(qū)動(dòng)的共同作用下氣頂油藏采出程度高于基礎(chǔ)模型；當(dāng)氣頂與油藏體積比大于0.20時(shí)，保留氣頂開采時(shí)原油采出程度變化幅度不大，此時(shí)應(yīng)考慮油藏氣藏分采。

圖8 不同體積比下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

4 FAST-SAGD儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)

儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)注汽開發(fā)效果的影響很大，因此FAST-SAGD技術(shù)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前，需綜合考察地層韻律、頁巖夾層及漏失層的作用。垂水滲透率之比和滲透率級(jí)差是儲(chǔ)層宏觀非均質(zhì)性的重要表征，夾層分布的密度和位置主要影響層內(nèi)非均質(zhì)性程度，氣頂、頂?shù)姿畡t與蓋層的熱損失息息相關(guān)?；谝陨嫌绊懸蛩?，歸納FAST-SAGD的儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 FAST-SAGD儲(chǔ)層篩選標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，F(xiàn)AST-SAGD技術(shù)可以加速蒸汽腔的橫向擴(kuò)展，消除相鄰蒸汽腔之間的三角冷油滯留區(qū)，延長(zhǎng)厚層稠油油藏的開發(fā)時(shí)間，改善稠油開發(fā)效果。

(2) 正韻律地層的原油流動(dòng)阻力相對(duì)較小，應(yīng)優(yōu)先考慮將FAST-SAGD技術(shù)應(yīng)用于正韻律地層，同時(shí)應(yīng)保證正反韻律地層中FAST-SAGD技術(shù)對(duì)于垂水滲透率之比和滲透率級(jí)差的要求。

(3) 當(dāng)注采井間的夾層體積密度為0.45左右時(shí)，F(xiàn)AST-SAGD技術(shù)的開發(fā)效果最佳。當(dāng)頁巖夾層位于上部?jī)?chǔ)層1/2及以上位置時(shí)，其對(duì)蒸汽腔發(fā)育的限制作用可以忽略。

(4) 頂?shù)姿焕贔AST-SAGD技術(shù)的開發(fā)，且底水對(duì)蒸汽腔發(fā)育影響更大。當(dāng)氣頂與油藏體積比介于0.10～0.20時(shí)，氣頂?shù)拇嬖谟欣贔AST-SAGD技術(shù)開發(fā)。

(5) 通過分析非均質(zhì)條件對(duì)FAST-SAGD技術(shù)開發(fā)效果的影響，可以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中充分考慮各種地質(zhì)因素的作用，規(guī)避不必要的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)FAST-SAGD技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

致謝：特別感謝加拿大卡爾加里大學(xué)陳掌星教授的支持與幫助。

[1] 耿立峰.遼河油區(qū)超稠油雙水平井SAGD技術(shù)研究[J].特種油氣藏，2007，14(1)：55-57.

[2] BUTLER R M. Thermal recovery of oil and bitumen[M].New Jersey：Prentice Hall， 1991：285-359.

[3] 楊乃群，常斌，程林松.超常規(guī)稠油油藏改進(jìn)的蒸汽輔助重力泄油方式應(yīng)用研究[J].中國(guó)海上油氣(地質(zhì))，2003，17(2)：123-127.

[4] POLIKAR M， CYR T J， COATES R M. FAST-SAGD： half the wells and 30% less steam[C]. SPE65509，2000：1-6.

[5] DANG Cuong T Q， CHEN Zhangxin (John)， NGUYEN Ngoc T B. FAST-SAGD vs.SAGD：a comparative numerical simulation in three major formations of Alberta’s oil sands[C]. SPE144149， 2012：1-17.

[6] YAMG G， BUTLER R M. Effects of reservoir heterogeneities on heavy oil recovery by steam-assisted gravity drainage [J]. The Journal of Canadian Petroleum Technology， 1992，31(8)：37-43.

[7] CHEN Q， GERRITSEN M G， KOVSCEK A R. Effects of reservoir heterogeneities on the steam-assisted gravity-drainage process[J]. Society of Petroleum Engineers， 2008，11(5)：921-932.

[8] POOLADI-DARVISH M， MATTAR L. SAGD operations in the presence of overlying gas cap and water layer-effect of shale layers [J]. Journal of Canadian Petroleum Technology， 2002，41(6)：40-51.

[9] NASR T N， LAW D H-S，BEAULIEU G，et al. SAGD application in gas cap and top water oil reservoirs [J]. Journal of Canadian Petroleum Technology，2003，42(1)：32-38.

[10] BUTLER R M. Steam-assisted gravity drainage：concept， development performance and future[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology， 1994， 33(2)：44-50.

[11] 楊陽，劉慧卿，龐占喜，等.孤島油田底水稠油油藏注氮?dú)廨o助蒸汽吞吐的選區(qū)新方法[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21(3)：58-61.

[12] 趙松.稠油油藏水平井井網(wǎng)與沉積相匹配方式[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2013，32(4)：53-56.

[13] REIS J C. A steam-assisted gravity drainage model for tar sands： linear geometry [J]. Journal of Canadian Petroleum Technology， 1992， 31(10)：14-20.

[14] 李延杰，張艷玉，張賢松，等. 海上稠油油藏蒸汽吞吐周期注汽量?jī)?yōu)化研究[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21(5)：87-89，93.

[15] 程紫燕.水平井蒸汽驅(qū)影響因素及作用機(jī)理[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2015，34 (3)：147-151.

[16] COSKUNER G. A new process combing cyclic steam stimulation and steam-assisted gravity drainage：hybrid SAGD [J]. Journal of Canadian Petroleum Technology， 2009，48(1)：8-13.

[17] SHIN Hyundon， CHOE Jonggeun. Shale barrier effects on the SAGD performance[C]. SPE125211，2009：1-10.

[18] STALDER J L. Cross SAGD (XSAGD)-an accelerated bitumen recovery alternative [J]. Society of Petroleum Engineers， 2007，10(1)：12-18.

編輯 劉 巍

20150726；改回日期：20160110

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”項(xiàng)目)“致密油高效開發(fā)油藏工程理論與方法研究”(2015CB250905)

裴艷麗(1991-)，女，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣藏開發(fā)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.028

TE357

A

1006-6535(2016)02-0115-05