隔夾層對雙水平井SAGD開發(fā)效果影響數(shù)值模擬研究

張 波，葉繼根，黃 磊

(1. 中國石油大學 石油與天然氣工程學院，北京 102249； 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

隔夾層對雙水平井SAGD開發(fā)效果影響數(shù)值模擬研究

張 波1，葉繼根2，黃 磊2

(1. 中國石油大學 石油與天然氣工程學院，北京 102249； 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

SAGD(蒸汽輔助重力泄油)技術是開采超稠油油藏的一項創(chuàng)舉，對于合適的超稠油油藏，采用此項技術，在開采指標和經濟效益上可獲得滿意的結果。超稠油油藏的儲層非均質性對SAGD(蒸汽輔助重力泄油)開發(fā)效果影響較大，尤其是儲層內發(fā)育的形態(tài)各異的夾層會對蒸汽腔的發(fā)育起到不同程度的阻擋作用，造成蒸汽腔發(fā)育遲緩。以加拿大麥凱河油砂區(qū)塊為基礎模型設計了非均質油藏不同位置、不同大小、不同厚度以及不同數(shù)量的隔夾層，確定了在不同的隔夾層發(fā)育情況下，區(qū)塊油藏的溫度、累計產油量、累計產液量和累計氣油比的不同變化以及與隔夾層之間的關系，詳細論述了隔夾層對雙水平井SAGD開發(fā)效果的影響，從而預測區(qū)塊油藏的注入蒸汽效果和對產量的影響，對于稠油開采具有十分重要的意義。

超稠油油藏；非均質性；夾層；SAGD；雙水平井

稠油資源粘度較大，在地層中流動困難，常規(guī)人工注水技術不能將稠油驅替出來，開采難度較大。稠油粘度對溫度敏感性很強，在稠油的開采和集輸過程中大多采用熱力降粘法，如蒸汽驅、熱水驅、火燒油層等[1-3]。SAGD是開發(fā)超稠油的一項前沿技術，首先對注入井和生產井附近的油層進行預熱，注采井之間形成熱連通后，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔與油層中的原油發(fā)生熱交換，加熱的原油和加熱后溫度降低形成的蒸汽冷凝水在重力作用下經過生產井中產出[4-8]。SAGD技術在加拿大油砂區(qū)已開展近20年商業(yè)開采應用，該區(qū)塊儲層非均質性嚴重，分布大量隔夾層，針對海相儲集層的SAGD技術趨于完善主要有3種布井方式：平行水平井方式、直井與水平井組合方式和單管水平井方式。目前國內外針對雙水平井SAGD技術的研究已經取得相關進展[9-12]。石油大學實驗室做過相關物理模擬實驗，以加拿大麥凱河油砂區(qū)塊為原型，設計并建立二維雙水平井蒸汽輔助重力泄油室內物理模擬裝置，開展4組室內物理模擬實驗，其中1組為均質模型，其他3組為存在隔夾層的非均質模型，研究非滲透性隔夾層對雙水平井的SAGD開發(fā)效果影響。得出結論：隔夾層離井越近，蒸汽腔發(fā)育越早，對生產指標影響較大；隔夾層位于注采井中間時，常規(guī)的蒸汽循環(huán)預熱方式失效，而生產井單井蒸汽輔助重力泄油預熱方式可以建立注采井間的連通[13-14]。

筆者認為，還需要從數(shù)值模擬等方面開展技術攻關，全面考慮國內外非均質性嚴重的儲層中隔夾層的不同特征。為此，我們以加拿大的麥凱河油砂區(qū)塊為原型，考察地層非均質性嚴重的儲層中，存在不同位置、大小、厚度、數(shù)量和滲透性的隔夾層對SAGD開發(fā)效果的影響。

1 模型介紹

本次研究以加拿大的麥凱河區(qū)塊為基礎，建立了模型。油層水平平均滲透率1 716.5 mD，垂向平均滲透率1 086.8 mD，初始含水飽和度19%，初始含油飽和度78%，初始含氣飽和度3%，地層壓力2 500 kPa，油藏溫度10℃，原油平均初始粘度524×104 MPa·s，粘溫曲線(log10)，圖1為水和油氣相滲曲線。

預熱階段：兩口水平井套管環(huán)空中注入蒸汽，油管產出，運行時間120 d，最終達到預熱溫度80℃左右。注入蒸汽的溫度212.38℃，蒸汽干度0.95。生產階段：注入井井底流壓：2 000 kPa，生產井井底流壓：800 kPa，運行時間20a。模型網格步長為2 m，I方向1～18，J方向1～377(油層126～180)，K方向1～17，總網格數(shù)為18×377×17=115 362，注入井I：1～17，J：158，K：9，生產井I：1～17，J：158，K：12。

圖1 水和油氣相對滲透率曲線

2 隔夾層的影響

K方向進行網格加密可以模擬厘米級隔夾層，更好觀察蒸汽腔的發(fā)育情況。在隔夾層的位置、規(guī)模大小、厚度、數(shù)量和滲透性5種特征中分別選取幾種情況，使用控制變量的方法進行模擬，對比蒸汽腔發(fā)育的溫度場圖和生產開發(fā)效果。

2.1 隔夾層位置的影響

2.1.1 隔夾層位于雙水平井上面

對坐標為I：3～15，J：141～173的網格在K=3、5、7分別進行3次加密，最終形成長度是26 m、寬度是66 m、厚度是0.074 m、滲透率是0、從上到下層數(shù)分別為7、5、3的3個隔夾層情況，分別進行模擬。

蒸汽腔未接觸到隔夾層，溫度變化基本相同，而且與有無隔夾層無關。沒有遇到隔夾層，溫度將持續(xù)均勻上升，遇到隔夾層，溫度從兩側繞上去，隔夾層上方的溫度基本不變；生產后期溫度突破隔夾層，溫度變化基本相同，而且與有無隔夾層無關。

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，生產指標基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層位置越高，生產指標越大；生產后期，變化基本相同，累計產油和產液量趨于平緩，油氣比平緩降低(如圖2所示)。

2.1.2 隔夾層位于雙水平井中間

對坐標為I：3～15，J：141～173的網格在K=7、10、11分別進行3次加密，最終形成長度是26 m、寬度是66 m、厚度是0.074 m、滲透率是0、從上到下層數(shù)分別為7、10、11的3個隔夾層，分別進行模擬。

圖2 區(qū)域累計油氣比

1) 溫度變化

隔夾層位于雙水平井上方時，隔夾層上面溫度基本沒有變化，下方溫度升高；位于中間時，下方溫度基本沒有升高，兩側溫度向上下延伸升高，上方溫度升高(如圖3所示)。

圖3 從左至右隔夾層k=11、10、7

2) 生產指標的變化規(guī)律

雙水平井上方存在隔夾層時生產指標大于雙水平井中間存在隔夾層的情況，而且雙水平井中間存在隔夾層的生產指標情況基本相同(如圖4所示)。

2.2 隔夾層大小的影響

因為隔夾層大小主要有長度和寬度決定，所以需要采用控制變量法。

2.2.1 隔夾層寬度不變

對坐標為J：141～173的網格在K=5進行3次加密，然后在I方向上分別截取出7～11、5～13、3～15、1～18，最終形成寬度是66 m，第5層厚度是0.074 m，滲透率是0，長度分別為10，18，26，36 m的4個隔夾層，分別進行模擬。

圖4 累計產液量

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，溫度將持續(xù)均勻上升；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度從兩側繞上去，隔夾層上方的溫度基本不變，隔夾層長度越小，溫度上升越快，當隔夾層將整個隔開時候，隔夾層上方溫度基本不變。

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，生產指標基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層長度越小，生產指標越大；生產后期，趨于一致(如圖5所示)。

圖5 隔夾層寬度不變累計油氣比

2.2.2 隔夾層長度不變

對坐標為I：3～15的網格在K=5進行3次加密，然后在J方向上分別截取出151～163、141～173、131～183、126～190，最終形成長度是26 m，第5層厚度是0.074 m，滲透率是0，寬度分別為26，66，106，128 m的4個隔夾層，分別進行模擬。

當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度先從隔夾層兩側繞上去，然后慢慢向中間蔓延，j越小，隔夾層寬度越小，溫度上升越快，當隔夾層將整個隔開時候，溫度繞不上去，下方溫度高于上方溫度。

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，生產指標基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層寬度越小，累計產油和產液量越高；寬度為26 m的隔夾層曲線油氣比較高，寬度為66 m的隔夾層曲線有較大幅度的升高，2025年達到峰值；生產后期，累計油汽比變化基本相同，平緩降低(如圖6所示)。

圖6 隔夾層長度不變累計油氣比

2.3 隔夾層厚度的影響

對坐標為I：3～15 J：141～173的網格在K方向上進行7次截取，最終形成長度是26 m，寬度是66 m，第5層滲透率是0，厚度分別為0.074，0.222，0.667，2.000，4.000，6.000，8.000 m的7個隔夾層，分別進行模擬。

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，溫度將持續(xù)均勻上升；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度從兩側繞上去，隔夾層上方的溫度基本不變，而且隔夾層厚度越小，溫度上升越快。

對于薄隔夾層的情況，蒸汽腔接觸到隔夾層前后，累計產油量基本相同；對于厚隔夾層的情況，當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層厚度越大，累計產油量越小。但是，蒸汽腔接觸到隔夾層前后，累計產液量基本相同，說明隨著時間增長，不同厚度的隔夾層對累計產液量影響不大，見圖7。

對于薄隔夾層的情況，蒸汽腔接觸到隔夾層前后，累計油氣比基本相同；對于厚隔夾層的情況，當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層厚度越大，累計油氣比越小。

2.4 隔夾層數(shù)量的影響

對坐標為I：3～15，J：141～173的網格在K=3、5、7分別進行3次加密，然后形成長度是26 m，寬度是66 m，厚度是0.074 m，層數(shù)分別為7、5、3的3個隔夾層，最后選出0個、1個、3個隔夾層進行對比。

圖7 累計油氣比

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，溫度將持續(xù)均勻上升；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度從兩側繞上去，隔夾層上方的溫度基本不變；有3個或者以上的隔夾層，下面隔層之間的溫度變化比上面的溫度變化大，最上面溫度幾乎沒有變化；隔夾層數(shù)量越少，溫度上升越快。

初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，生產指標基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，隔夾層數(shù)量越少，生產指標越大；生產后期，1個隔層最大，沒有隔夾層的最小，生產指標趨于一致。

2.5 隔夾層滲透性的影響

2.5.1 水平滲透率的影響

對坐標為I：3～15，J：141～173，K=5的網格在K方向上分別進行3次加密，最終形成長度是26 m，寬度是66 m，第5層厚度是0.074 m，垂向滲透率是25 mD，水平滲透率分別為100，500，1 000，1 500，2 000 mD的5個隔夾層，分別進行模擬。

當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度突破隔夾層升高，溫度變化基本相同，說明不同隔夾層水平滲透率的大小對溫度變化基本沒有影響。

生產指標完全相同，說明水平滲透率變化對生產指標沒有影響。

2.5.2 垂向滲透率的影響

對坐標為I：3～15，J：141～173，K=5的網格在K方向上分別進行3次加密，最終形成長度是26 m、寬度是66 m、第5層、厚度是0.074 m、滲透率分別為0，10，25，50，75，100，500，1 000 mD的8個隔夾層，分別進行模擬。

存在滲透率100 mD以下隔夾層的情況，初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，生產指標基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，前期滲透率越大，生產指標越高；中期滲透率越大，生產指標越小，非滲透隔夾層的一直是最小的；生產后期，趨于一致。滲透率100 mD以上的，滲透率對生產指標影響不大。

3 結 論

1) 生產初期，蒸汽腔未接觸到隔夾層，溫度變化基本相同；當蒸汽腔接觸到隔夾層時，溫度從隔夾層兩側繞上去；生產后期，溫度突破隔夾層，溫度變化也基本相同，而且與有無隔夾層無關。

2) 當蒸汽腔接觸到隔夾層時，水平滲透率對溫度沒有影響；隔夾層位置越高，長度越小，寬度越小，厚度越小，數(shù)量越少，垂向滲透率越大，溫度升高越快，而且滲透率越小，差異越大，逐漸遞減。

3) 蒸汽腔未接觸到隔夾層和接觸到隔夾層的后期，隔夾層的位置、大小、數(shù)量、厚度和滲透率大小對累計產油量、累計產液量和累計油氣比等生產指標影響不大。

4) 隔夾層在雙水平井上方時，蒸汽腔發(fā)育良好，生產指標較高。

5) 薄隔夾層對生產指標影響不大，厚隔夾層的厚度越小，累計產油量越大，累計油氣比越高，但是對累計產液量影響不大；隔夾層位置越高，長度越小，寬度越小，數(shù)量越少，垂向滲透率越大，累計產油量、累計產液量和累計油氣比等生產指標越高。但是，垂向滲透率100 mD以上的隔夾層，對生產指標影響不大。

6) 研究結果能有效指導雙水平井在存在隔夾層的非均質油藏中的布井方式，實現(xiàn)油藏的經濟有效開發(fā)。

[1] 王大為, 周耐強, 牟凱. 稠油熱采技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 西部探礦工程, 2008(12): 129-131.

[2] 賈學軍. 高粘度稠油開采方法的現(xiàn)狀與研究進展[J]. 石油學報, 2008, 30(2): 529-531.

[3] 于連東. 世界稠油資源的分布及其開采技術的現(xiàn)狀與展望[J]. 特種油氣藏, 2001(2): 98-103.

[4] 鄭小雄. 蒸汽輔助重力泄油技術的優(yōu)化設計[D]. 北京: 中國石油大學, 2007.

[5] 武毅, 張麗萍, 李曉漫, 等. 超稠油SAGD開發(fā)蒸汽腔形成及擴展規(guī)律研究[J]. 特種油氣藏, 2007, 16(6): 40-44.

[6] 劉寶良. 薄層稠油油藏SAGD物理模擬研究[J]. 化學工程師, 2010(8): 15-18.

[7] 劉勇. 蒸汽輔助重力泄油技術提高超稠油采收率研究[D]. 黑龍江: 大慶石油學院, 2008.

[8] 王佩虎. 蒸汽輔助重力泄油開發(fā)超稠油研究[D]. 黑龍江: 大慶石油學院, 2006.

[9] 何萬軍, 王延杰, 王濤, 等. 儲集層非均質性對蒸汽輔助重力泄油開發(fā)效果的影響[J]. 新疆石油地質, 2014(5): 574-577.

[10] 郭肖, 杜志敏. 非均質性對水平井產能的影響[J]. 石油勘探與開發(fā), 2004(1): 91-93.

[11] 顧文歡, 劉月田, 劉立成, 等. 油藏非均質性對水平井蒸汽吞吐效果的影響[J]. 油氣井測試, 2012(1): 32-34.

[12] 孫新革. 淺層超稠油雙水平井SAGD技術油藏工程優(yōu)化研究與應用[D]. 成都: 西南石油大學, 2012.

[13] Butler R M. A new approach to the modeling of steam-assisted gravity drainage[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2013, 24(3): 42-51.

[14] Kuo C H, Shain S A, Phocas D M, et al. A gravity drainage model for the steam-soak process[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1970, 10(2): 119-126.

Numerical Simulation of Interlayer Effect on SAGD Development by Double Horizontal Well

ZHANG Bo1, YE Jigen2, HUANG Lei2

(1.CollegeofPetroleumandNaturalGasEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.ChinaPetroleumExplorationandDevelopmentResearchInstitute,Beijing100083,China)

Steam assisted gravity drainage (SAGD) technology is an innovation in the exploitation ofultraheavy oil reservoir. For suitable heavy oil reservoir in this technology, the satisfactory results can be obtained on the production indexes and economic benefit. The reservoir heterogeneity of the ultra heavy oil reservoir will have a greater influence on SAGD development. Especially when different kinds of interlayers form in the reservoir, they will affect to degrees of resistance on the development of steam chamber. It will cause stunting. In this paper, the author, by establishing the model designed of heterogeneous reservoir with different location in different sizes, has tried different thickness and different number of interlayer insulation to identify the different situations of interlayer insulation case, including the temperature of the block reservoir, the cumulative oil productionand cumulative fluid production and cumulative oil to gas variations and the relationship between the interlayers. The interlayer effects are discussed in detail on SAGD development by double horizontal well to predict the steam inject effect of the block reservoir and influence on production. It has a great significance for heavy oil development.

Ultra heavy oil reservoir；Heterogeneity; Interlayer; SAGD; The double horizontal well

2017-02-28

國家重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2016ZX05016-006)

張波(1993-)，男，遼寧盤錦人，在讀碩士研究生，研究方向：油氣田開發(fā)，手機：18810430160，E-mail：991332164@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.045