風城淺層油砂SAGD項目注汽壓力優(yōu)化

黃勇 張磊 何小東 楊洪 陳森 游紅娟

中國石油新疆油田公司工程技術研究院

風城淺層油砂SAGD項目注汽壓力優(yōu)化

黃勇 張磊 何小東 楊洪 陳森 游紅娟

中國石油新疆油田公司工程技術研究院

為加快風城淺層油砂SAGD循環(huán)預熱啟動速度，改善生產初期汽腔發(fā)育程度，優(yōu)化不同階段注汽壓力，在巖石力學實驗和地應力測試基礎上，分析了儲層彈性力學性質和地應力分布，根據Mohr-Coulomb準則，建立了注汽壓力與抗剪強度的關系，同時通過CT掃描實驗獲得了風城油砂剪切裂縫特征。研究表明，風城淺層油砂的剛度和剪脹程度隨溫度升高而減弱；提高注汽壓力能夠降低有效應力，促進油砂產生垂直微裂縫；SAGD過程中，抗剪強度為應力圓半徑1.5倍時可得出最小注汽壓力，應力圓極限狀態(tài)時可計算最大注汽壓力；循環(huán)預熱和生產初期階段采用高注汽壓力，穩(wěn)定生產階段采用低注汽壓力，優(yōu)化結果現場應用后效果良好。

淺層油砂；SAGD；注汽壓力；Mohr-Coulomb準則；巖石力學；抗剪強度；微裂縫

新疆風城淺層超稠油油藏采用雙水平井SAGD開發(fā)，由于儲層物性變化大，風城SAGD存在循環(huán)預熱周期長、水平段動用程度不均、汽腔發(fā)育慢等問題，前人在實踐中總結出不同開采階段的操作壓力策略［1-2］，形成了均勻配汽工藝［3］，進行了SAGD循環(huán)預熱啟動壓力數值模擬研究［4］，同時在裂縫改善SAGD蒸汽滲流能力［5］及SAGD加速連通的預熱模式［6］方面進行了有益探索。生產實踐和數值模擬研究表明，注汽壓力是縮短循環(huán)預熱周期、改善汽腔發(fā)育程度關鍵參數，而儲層巖石力學特征的研究是從另一角度出發(fā)，有助于設定合理的注汽壓力。筆者在風城淺層油砂彈性力學實驗基礎上，研究了儲層產生微裂縫的注汽壓力范圍，并對不同階段的注汽壓力進行了優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

General introduction to the study area

研究區(qū)目的層為J3q2層，油層中深150～350 m，油層厚度25.3 m，地層壓力系數0.93；主要巖性為細砂巖、中細砂巖、含礫砂巖和不穩(wěn)定分布的砂礫巖?？v向上油層連續(xù)性較好，以砂巖為主，層內夾層厚度小或不發(fā)育，目的層頂底部均發(fā)育穩(wěn)定的隔層，以泥巖為主。原油50 ℃下脫氣黏度平均22 200 mPa·s，油層分析孔隙度平均30.04%，油層分析滲透率平均1 478.99 mD。選取研究區(qū)巖心進行室內巖石力學實驗，獲取該區(qū)儲層巖石彈性力學參數見表1。

表1 風城油田儲層巖石彈性力學參數Table 1 Elastic mechanics of the reservoir rock in Fengcheng Oilfield

由表1可見，飽和巖心在20 ℃時，油砂的剛度略大，內摩擦角較小，黏聚力較大；當溫度增加到70℃時，油砂從剛性向流變性過渡，模量參數變小，黏聚力和剪脹角下降，油砂基質塑性增強使剪脹趨勢變小，而內摩擦角有所增加，說明油砂顆粒嵌合程度更加緊密，巖石強度有所上升。SAGD過程中，高干度蒸汽在注采水平井內循環(huán)，通過熱交換加熱地層與原油，根據儲層的溫度敏感性可知，隨著環(huán)境溫度的上升，風城油砂表現出巖石強度增加，剛度和剪脹程度降低的現象。高溫時，剪切引起的油砂顆?；频内厔轀p弱，油砂體積形變要小于常溫狀態(tài)，有利于形成微裂縫［7］。

在研究區(qū)某觀測直井采用水壓致裂法進行地應力測試，經過多輪次測試確定最大主應力在垂向，壓力梯度21 kPa/m，最小主應力在水平方向，其中油層的壓力梯度12.61 kPa/m，地應力及巖石強度分布見圖1，可以看出，儲層破裂壓力介于最大主應力與最小主應力之間；泥巖蓋層的最小主應力與抗剪強度（20 ℃）要大于目的層，具有良好的穩(wěn)定性；隨著溫度的增加，抗剪強度增大，油砂的強度得到提高。

圖1 研究區(qū)地應力及巖石強度分布Fig.1 Distribution of formation stress and rock strength in the study area

根據研究區(qū)地應力分布，儲層具備產生垂直裂縫的地應力條件。垂直裂縫有助于雙水平井井間連通，加快滲流速度，促進汽腔垂向擴展，提高SAGD開發(fā)效果。對于循環(huán)預熱階段，注汽壓力要使水平井在近井帶產生剪切微裂縫，蒸汽通過垂直微裂縫擴大波及范圍，從而提高預熱效率。對于生產階段，注汽壓力需要保持微裂縫張開，促進蒸汽腔發(fā)育，加快泄油速度。

2 基于M-C準則的注汽壓力確定

Determination of the steam-injection pressure based on Mohr-Coulomb Theory

2.1 剪切破壞原理

Mechanisms of shear failure

低應力情況下，風城油砂抗剪強度近似服從Mohr-Coulomb準則［8］。研究區(qū)為淺層超稠油油藏，假設孔隙流體不可壓縮，孔隙壓力能夠抵抗圍壓變化，依據M-C準則進行儲層穩(wěn)定性分析。注汽過程中存在地層流體壓力，根據有效應力的定義，流體壓力僅減小任一截面的有效正應力，對該截面上的剪應力無影響，故M-C準則可以寫成

式中，|τf|為巖石剪切面的抗剪強度，MPa；τ0為黏聚力，MPa；f為巖石內摩擦系數，f=tanφ；φ為內摩擦角，°；α=π/4+φ/2；σ為有效應力，MPa；σn為剪切面上的正應力，MPa；τ為剪切面上的剪應力，MPa；pf為地層流體壓力，MPa；r為應力圓半徑，MPa；σmax為最大主應力，MPa；σmin為最小主應力，MPa。

由式（1）～（5）可知，注汽過程中，流體壓力只降低有效應力和巖石抗剪強度，對剪切面上的剪應力和應力圓半徑無影響。由圖2和式（1）、（2）可知，隨著注汽壓力增加，應力圓逐漸從穩(wěn)定狀態(tài)向臨界破壞狀態(tài)移動，在移動的過程中，儲層巖石抗剪強度不斷降低，并伴隨有微破裂和粒間滑移產生。當應力圓與抗剪強度直線相切時，微裂縫趨于飽和，油砂處于臨界破壞狀態(tài)。故隨著有效應力的降低，巖石易產生剪切微裂縫，甚至發(fā)生破壞。

圖2 應力圓剪切破壞示意圖Fig.2 Shear failure of stress circle

取研究區(qū)目的層普通飽和油砂巖心，在5 MPa有效圍壓下進行剪切實驗，實驗后巖心柱體沿軸向等分得到40個截面，從第一端面順序排列到最后一端面，進行CT掃描實驗。由圖3可見，普通油砂呈現較均勻的擾動，即剪脹擴容較均勻發(fā)育且貫穿整個巖心，擴容表現為孔隙數目增多和尺寸增大，未見任何較大尺寸的線性剪切裂縫。對于SAGD過程，水平段出現的大尺寸線性裂縫將會形成優(yōu)勢通道，不利于水平井均衡動用。因此，注汽壓力應低于使油砂發(fā)生破壞的壓力。

2.2 注汽壓力的確定

Determination of steam injection pressure

根據M-C準則，應力圓與抗剪強度線相切時，儲層處于臨界狀態(tài)，此時微裂縫趨于飽和，由方程（1）～（5），可計算地層流體壓力為

圖3 油砂剪切后CT掃描截面圖（5.0 MPa飽和）Fig.3 Section of CT scan upon shearing of oil sand （5.0 MPa saturated）

由圖2可見，當內摩擦角φ較小時，臨界狀態(tài)下抗剪強度與應力圓半徑接近，可近似用應力圓半徑代替抗剪強度計算地層流體壓力，此時地層流體壓力為最大注汽壓力pfmax。若內摩擦角逐漸增大，應力圓半徑將大于臨界狀態(tài)下抗剪強度，計算的地層流體壓力有偏差。由于低溫時內摩擦角偏小，故采用常溫狀態(tài)下彈性力學參數計算，得到的注汽壓力比較精確。

當抗剪強度為應力圓半徑的1.5倍時，大量微裂縫生成并擴展［9］，該判別準則適用于圍壓較低的淺層油砂。此時地層流體壓力為開始產生微裂縫的最小注汽壓力pfmin。綜上，根據M-C準則，注汽壓力介于pfmin與pfmax之間，能夠產生大量剪切微裂縫，有助于井間快速連通。

3 現場實例

Field applications

在研究區(qū)SAGD生產井A001進行小型壓裂測試，施工曲線見圖4，實際破裂壓力為5 670 kPa。結合M-C準則和儲層巖石力學參數（20 ℃飽和）計算注汽壓力范圍。當應力圓與抗剪強度線相切時，抗剪強度|τf|等于應力圓半徑r，用式（3）和（6）可得最大注汽壓力，pfmax為5 510 kPa；當抗剪強度|τf|是應力圓半徑r的1.5倍時，同理可得最小注汽壓力，pfmin為4 720 kPa。因此，該井理論注汽壓力介于4 720 kPa與5 510 kPa之間。

當注汽壓力大于pfmin時，垂直微裂縫逐漸形成并擴展，促進了蒸汽的滲流；當注汽壓力趨近于pfmax時，微裂縫趨于飽和，繼續(xù)增加注汽壓力將使儲層破裂，形成較大尺寸線性裂縫，產生優(yōu)勢通道，不利于水平井均衡啟動。對于SAGD水平井循環(huán)預熱啟動階段，注汽壓力應介于pfmin與pfmax之間，有助于注采井間快速熱連通；在生產初期階段，注汽壓力應接近pfmax，促進汽腔發(fā)育；當穩(wěn)定生產時，注汽壓力可接近pfmin，并建立合理的注采關系。

圖4 SAGD水平井小型壓裂測試曲線Fig.4 Test curves of minor fracturing operation in horizontal well with SAGD

A001生產運行曲線見圖5，該井循環(huán)預熱階段的I井注汽壓力基本控制在4 720～5 510 kPa，循環(huán)預熱98 d后，快速形成井間連通，比區(qū)塊平均啟動時間縮短110 d；轉生產后，I井保持100 d的高壓，即接近最大注汽壓力，以提高蒸汽在微裂縫中滲流能力，有利于蒸汽腔的擴展和形成；生產超過100 d后，I井注汽壓力保持在最小注汽壓力附近，使微裂縫處于張開狀態(tài)，促進汽腔發(fā)育、提高泄油能力，穩(wěn)定生產。該井轉SAGD生產后水平段動用程度100%，截止目前累計生產445 d，產液量79 t/d，產油量22 t/d，油氣比0.27，生產效果好于區(qū)塊平均水平。

圖5 SAGD水平井生產運行曲線Fig.5 Production curves of horizontal well with SAGD

4 結論

Conclusions

（1）風城淺層稠油油砂隨溫度的增加，模量參數降低，內摩擦角增大，黏聚力減小，儲層巖石表現出剛度降低、強度增加、剪脹程度降低的現象。SAGD過程中，通過高溫高壓蒸汽改造，剪脹擴容形成的微裂縫有助于增大蒸汽波及范圍，提高泄油能力。

（2）低應力情況下，風城油砂服從莫爾-庫倫準則，應力圓極限狀態(tài)時的地層流體壓力為最大注汽壓力；抗剪強度為應力圓半徑的1.5倍時，地層流體壓力為最小注汽壓力。合理控制注汽壓力，能夠加快連通速度，避免水平段形成優(yōu)勢通道。

（3）根據莫爾-庫倫準則和SAGD泄油機理，對循環(huán)預熱啟動、生產初期、穩(wěn)定生產階段進行了注汽壓力優(yōu)化，達到了較好的生產效果。

References:

［1］孫新革，何萬軍，胡筱波，吳永強，張建華，張偉.超稠油雙水平井蒸汽輔助重力泄油不同開采階段參數優(yōu)化［J］.新疆石油地質，2012，33（6）：697-699.SUN Xinge,HE Wanjun,HU Xiaobo,WU Yongqiang,ZHANG Jianhua,ZHANG Wei.Paramaters optimization of different production stages by dual horizontal well SAGD process for super heavy oil reservoir［J］.Xinjiang Petroleum Geology,2012,33（6）:697-699.

［2］ 霍進，桑林翔，楊果，蘇長強，郤一臻，馬鑫，童玉寶.蒸汽輔助重力泄油循環(huán)預熱階段優(yōu)化控制技術［J］.新疆石油地質，2013，34（4）：455-457.HUO Jin,SANG Linxiang,YANG Guo,SU Changqiang,XI Yizhen,MA Xin,TONG Yubao.Optimization and control techniques for circulating preheating stage by steam assisted gravity drainage （SAGD） process ［J］.Xinjiang Petroleum Geology,2013,34（4）:455-457.

［3］陳森，竇升軍，游紅娟，牛麗，宋曉.風城SAGD水平井均勻配汽工藝研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2012，34（2）：114-116.CHEN Sen,DOU Shengjun,YOU Hongjuan,NIU Li,SONG Xiao.Research and application of uniform steam injection in SAGD horizontal wells of Fengcheng Oilfield［J］.Oil Drilling &Production Technology,2012,34（2）:114-116.

［4］席長豐，馬德勝，李秀巒.雙水平井超稠油SAGD循環(huán)預熱啟動優(yōu)化研究［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（4）：103-108.XI Changfeng,MA Desheng,LI Xiuluan.Study on SAGD technology for ultra heavy oil in dual horizonal wells［J］.Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2010,32（4）:103-108.

［5］鹿騰，李兆敏，韓繼超，林日億，高永榮.頁巖夾層及壓裂裂縫對蒸汽輔助重力泄油蒸汽腔擴展的影響［J］.石油鉆采工藝，2012，34（1）：95-99.LU Teng,LI Zhaomin,HAN Jichao,LIN Riyi,GAO Yongrong.The influence of shale interlayer and fracturingfracture on steam chamber expansion of SAGD［J］.Oil Drilling &Production Technology,2012,34（1）:95-99.

［6］趙睿，楊智，吳永彬，張瑞強，羅池輝，郤一臻.SAGD 循環(huán)預熱階段加速連通方法的研究及應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：67-69.ZHAO Rui,YANG Zhi,WU Yongbin,ZHANG Ruiqiang,LUO Chihui,XI Yizhen.Research and application of accelerated intercommunication method in SAGD cyclic pre-heating period［J］.Oil Drilling &Production Technology,2015,37（2）:67-69.

［7］林伯韜，陳森，潘竟軍，金衍，張磊，龐惠文.風城陸相超稠油油砂微壓裂擴容機理實驗研究［J］ .石油鉆采工藝，2016，38（3）：359-364，408.LIN Botao,CHEN Sen,PAN Jingjun,JIN Yan,ZHANG Lei,PANG Huiwen.Experimental study on dilation mechanism of micro-fracturing in continental ultra-heavy oil sand reservoir,Fengcheng Oilfield ［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38（3）:359-364,408.

［8］王俊，謝凌志，謝和平，李存寶.風城油砂三軸力學特性及其本構模型研究［J］.四川大學學報：工程科學版，2015，47（5）：1-9.WANG Jun,XIE Lingzhi,XIE Heping,LI Cunbao.Triaxial mechanical characteristics and constitutive model of oil sand in Fengcheng［J］.Journal of Sichuan University:Engineering Science Edition,2015,47（5）:1-9.

［9］張流，周永勝.儲層裂縫發(fā)育程度的判別準則［J］.石油學報，2004，25（4）：33-37.ZHANG Liu,ZHOU Yongsheng.Evaluation criteria for development degree of micro cracks in oil and gas reservoir［J］.Acta Petrolei Sinica,2004,25（4）:33-37.

（修改稿收到日期 2016-08-25）

〔編輯 朱 偉〕

Optimization of steam-injection pressures in Fengcheng shallow oil sand SAGD Project

HUANG Yong,ZHANG Lei,HE Xiaodong,YANG Hong,CHEN Sen,YOU Hongjuan
Engineering Technology Research Institute of PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Kelamay,Xinjiang 834000,China

To accelerate pre-heating and initialization of SAGD circulation for development of Fengcheng shallow oil sand,enhance development of steam chambers during initial production and optimize steam injection pressure in different stages,elastic mechanics and distribution of stress in reservoir formation were analyzed based on geomechanic and formation stress tests,the correlation between steam injection pressure and shear strength was determined in accordance with the Mohr-Coulomb Theory,and features of shear fractures in Fengcheng oil sand were highlighted through CT scanning.Research results show that shallow Fengcheng oil sand has rigidity and shear dilation decreasing with temperature.By enhancing steam injection pressure,it is possible to reduce effective stress and accelerate formation of vertical micro-fractures in oil sand.During SAGD,the minimum steam injection pressure can be determined with shear strength at 1.5 times of the stress circle,whereas the maximum steam injection pressure can be determined at upper limit of the stress circle.In conclusion,it is proposed to use high steam injection pressure during pre-heating and initial production stages,whereas lower steam injection pressure can be used during peak production stages.Field application results show satisfactory performances can be achieved through process optimization.

SAGD;steam injection pressure;Mohr-Coulomb Theory;geomechanics;shear strength; shallow oil sand;micro-fracture

黃勇，張磊，何小東，楊洪，陳森，游紅娟.風城淺層油砂SAGD項目注汽壓力優(yōu)化［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：848-851，858.

TE357.4

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0848-04

10.13639/j.odpt.2016.06.026

:HUANG Yong,ZHANG Lei,HE Xiaodong,YANG Hong,CHEN Sen,YOU Hongjuan.Optimization of steam-injection pressures in Fengcheng shallow oil sand SAGD Project［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):848-851,858.

“十三五”國家科技重大專項“油砂高效開發(fā)與提高SAGD效果新技術研究與應用”（編號：2016ZX05031002）。

黃勇（1986-），2012年畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，工學碩士，現從事稠油開采技術研究工作，工程師。通訊地址：（834000）新疆克拉瑪依市勝利路87號。電話：0990-6883305。E-mail:xjhy@petrochina.com.cn