泥質(zhì)薄夾層不同參數(shù)對(duì)油砂SAGD 開發(fā)效果的影響

孔令曉，齊 梅，張帥超，劉鵬程

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

SAGD(蒸汽輔助重力泄油，Steam Assisted Gravity Drainage，簡(jiǎn)稱SAGD)技術(shù)是稠油和油砂開采最基本的方法之一，自2000年應(yīng)用到加拿大阿爾伯達(dá)盆地油砂開采以來(lái)，取得了成功的商業(yè)化開采[1-3]。隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷普及，SAGD技術(shù)開發(fā)過(guò)程中遇到了一系列問(wèn)題，例如SAGD技術(shù)開發(fā)的效果對(duì)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性(如泥巖夾層、氣頂、底水)十分敏感[4-15]。前人使用物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段針對(duì)SAGD開采效果影響因素進(jìn)行了大量研究，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了很好的試驗(yàn)效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)二維物理模擬實(shí)驗(yàn)分別對(duì)夾層的連續(xù)性[16]、分布類型[17]、長(zhǎng)度[18]和分布模式[19]對(duì)SAGD開采效果影響進(jìn)行了模擬和對(duì)比。也有學(xué)者使用數(shù)值模擬的手段研究了夾層的尺寸、相對(duì)生產(chǎn)井的垂向位置、泥巖含量以及分布位置[20]等對(duì)SAGD開采效果的影響。2008年，CHEN[21]將SAGD開發(fā)油藏劃分為近井地帶和井對(duì)之上兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域，構(gòu)建隨泥巖隨機(jī)分布模型，模擬研究了頁(yè)巖夾層存在于油藏的不同區(qū)域?qū)AGD效果的影響。2009年SHIN等[19]利用數(shù)值模擬手段研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量剖面特征可以反映油層內(nèi)頁(yè)巖夾層分布特征。2010年，DANG等[22]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)水平夾層對(duì)SAGD影響比垂向夾層的影響大。2016年，魏紹蕾等[18]建立了二維物理模型，研究了夾層的分布模式對(duì)蒸汽腔發(fā)育和生產(chǎn)指標(biāo)的影響。前人研究表明了夾層阻礙了地層流體的流動(dòng)性，降低了蒸汽的熱效率，對(duì)SAGD開采有不利影響。

前人研究的夾層厚度多為米級(jí)，然而，對(duì)于厘米級(jí)的泥質(zhì)薄夾層對(duì)SAGD開采效果的影響研究較少。加拿大麥凱河廣泛發(fā)育厚度多為厘米級(jí)的泥質(zhì)薄夾層，泥巖夾層作為流體屏障，精細(xì)描述泥質(zhì)薄夾層并研究其對(duì)油砂SAGD開發(fā)效果的影響具有重要意義。

本文以麥凱河油砂參數(shù)為基礎(chǔ)，使用數(shù)值模擬的方法研究了厚度為厘米級(jí)的泥質(zhì)薄夾層的大小、數(shù)量、垂向位置和滲透率對(duì)SAGD開發(fā)日產(chǎn)油量、累產(chǎn)油量以及蒸汽腔體積等指標(biāo)的影響，對(duì)油砂SAGD開發(fā)的方案設(shè)計(jì)及布井方式具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬模型

以加拿大麥凱河某油砂區(qū)塊參數(shù)為基礎(chǔ)，建立了二維精細(xì)網(wǎng)格單井組SAGD均質(zhì)模型，如圖1所示，由于井組是對(duì)稱的，故選取半井。為了精細(xì)模擬地下流體滲流特征，I、J、K三個(gè)方向網(wǎng)格尺寸為1.0 m×2.0 m×0.05 m，模型總網(wǎng)格數(shù)為1×30×420=12 600。

圖1 模擬的井組(左側(cè)：全井；右側(cè)：模擬用的半井)Fig.1 Well pattern used for simulation

注采水平井均采用雙管循環(huán)預(yù)熱150 d，后轉(zhuǎn)入雙管注汽、雙管采油SAGD階段，注入蒸汽溫度為212.4 ℃，干度為95%，最大注汽壓力為2.0 MPa。生產(chǎn)井長(zhǎng)短管采用相同設(shè)置，最小井底壓力為0.8 MPa，產(chǎn)汽速度為2 m3/d。麥凱河油藏模型參數(shù)見表1。

數(shù)值模擬中根據(jù)泥質(zhì)薄夾層在地層中分布位置不同，引入兩種泥質(zhì)薄夾層模型——BIP(泥質(zhì)薄夾層存在于注采井間)和AP(泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方)；Base表示在模型中不存在泥質(zhì)薄夾層。如BIP3m_10-5表示長(zhǎng)10 m厚5 cm的泥質(zhì)薄夾層位于注采井間、注入井下方3 m；AP3m_10-5表示長(zhǎng)10 m厚5 cm的泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方3 m。

表1 麥凱河油藏模型參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泥質(zhì)薄夾層的位置對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的影響

利用CMG數(shù)值模擬軟件模擬地層中泥質(zhì)薄夾層在SAGD開采中與注入井的相對(duì)位置發(fā)育有一泥質(zhì)薄夾層，首先考慮注入井所位于的層段不變，薄夾層不同位置對(duì)SAGD開發(fā)效果的影響。薄夾層的水平延展長(zhǎng)度(沿I方向)為20 m，為井距的1/6，厚度為5 cm，其位置分別位于注入井上方1 m、5 m，注入井下方1 m、2 m、3 m、4 m，即為AP1m_20-5、AP5m_20-5、BIP1m_20-5、BIP2m_20-5、BIP3m_20-5、BIP4m_20-5。

不同位置下泥質(zhì)薄夾層生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見圖2，不同位置的泥質(zhì)薄夾層不同時(shí)間溫度場(chǎng)分布對(duì)比見圖3。從圖2和圖3可以看出，當(dāng)泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方時(shí)，離注入井越遠(yuǎn)，日產(chǎn)油峰值越高，蒸汽腔發(fā)育良好，泥質(zhì)薄夾層起到天然隔層的作用，對(duì)SAGD的開采效果影響不大；當(dāng)泥質(zhì)薄夾層位于注采井間時(shí)，夾層阻礙了熱蒸汽與油砂的接觸，并且阻礙了原油的流動(dòng)，因此對(duì)油砂SAGD開發(fā)效果影響較大，日產(chǎn)油峰值時(shí)間滯后，越接近油層的底部，累產(chǎn)油量越小，蒸汽腔發(fā)育較差。

2.2 泥質(zhì)薄夾層的延展長(zhǎng)度對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的影響

由于研究區(qū)泥質(zhì)薄夾層的厚度較薄，其位于注采井間時(shí)對(duì)SAGD開采效果的影響較大。研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的泥質(zhì)薄夾層長(zhǎng)度小于30 m。泥質(zhì)薄夾層的厚度為5 cm，位于注入井上方1 m處，長(zhǎng)度沿著J方向擴(kuò)展，分別為模型J方向長(zhǎng)度的1/12、1/6，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為10 m、20 m,即為AP1m_10-5, AP1m_20-5。注入井下方2 m處，長(zhǎng)度沿著J方向擴(kuò)展，分別為模型J方向長(zhǎng)度的1/12、1/8、1/6、5/24，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為10 m、15 m、20 m、25 m，即BIP2m_10-5，BIP2m_15-5，BIP2m_20-5，BIP2m_25-5。

不同延展長(zhǎng)度下的泥質(zhì)薄夾層生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見圖4，由圖4可以看出：當(dāng)泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方時(shí)，采出程度和蒸汽腔的發(fā)育情況與均質(zhì)模型的差別不大，泥質(zhì)薄夾層起到類似“蓋層”的作用，對(duì)SAGD的開采效果影響不大；當(dāng)泥質(zhì)薄夾層位于注采井間時(shí)，隨著泥質(zhì)薄夾層延展長(zhǎng)度的增加，日產(chǎn)油峰值時(shí)間滯后，且延展長(zhǎng)度越大，泥質(zhì)薄夾層阻隔原油的流動(dòng)的作用越顯著，日產(chǎn)油峰值時(shí)間滯后的時(shí)間越長(zhǎng)，采出程度越低。

從以上研究結(jié)果可以看出，泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方時(shí)，對(duì)油砂SAGD的影響較小，而位于注采井間對(duì)SAGD影響很大，因此下面的研究重點(diǎn)考慮注采井間發(fā)育泥質(zhì)薄夾層的情況。

2.3 泥質(zhì)薄夾層的滲透率對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的影響

注入井下方2 m處，泥質(zhì)薄夾層的厚度為5 cm，延展長(zhǎng)度為20 m，改變泥質(zhì)薄夾層的滲透率，水平滲透率分別為0、1×10-3μm2、10×10-3μm2、50×10-3μm2。垂向滲透率與水平滲透率的比值為0.8。

不同滲透率下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見圖5，從圖5可以看出，泥質(zhì)薄夾層位于注采井間且泥質(zhì)薄夾層的滲透率大于10×10-3μm2時(shí)，與均質(zhì)模型差別不大；而泥質(zhì)薄夾層的滲透率小于10×10-3μm2時(shí)，隨著滲透率的降低，日產(chǎn)油峰值滯后時(shí)間越長(zhǎng)，日產(chǎn)油峰值越大；采出程度及蒸汽腔的體積降低。這是由于隨著泥質(zhì)薄夾層滲透率降低，其對(duì)熱蒸汽的阻礙作用增加，對(duì)蒸汽腔發(fā)育的阻礙程度加重，因而對(duì)SAGD開采效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.4 泥質(zhì)薄夾層的厚度對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的影響

圖2 不同位置下泥質(zhì)薄夾層生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比Fig.2 Comparison of production performance among different locations

圖3 不同位置的泥質(zhì)薄夾層的不同時(shí)間溫度場(chǎng)分布對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature distributions for different locations at the different time

泥質(zhì)薄夾層沿著K方向均勻分布，沿著K方向上分別發(fā)育厚度為5 cm、10 cm、15 cm(研究區(qū)泥質(zhì)薄夾層的厚度不超過(guò)20 cm)。泥質(zhì)薄夾層的厚度變化保持一定的原則：長(zhǎng)度一樣均為20 m，均發(fā)育在注入井下方2 m處，即為BIP2m_20-5、BIP2m_20-10、BIP2m_20-15。

不同厚度下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見圖6，從圖6可以看出，夾層厚度的差異對(duì)熱蒸汽的阻礙作用影響較小，因此儲(chǔ)層中單條泥質(zhì)薄夾層的厚度差異對(duì)SAGD開采效果影響不大。研究區(qū)中泥質(zhì)薄夾層多呈群組狀分布，因此研究多條泥質(zhì)薄夾層對(duì)SAGD的開采效果非常有意義。

2.5 泥質(zhì)薄夾層的條數(shù)對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的影響

圖4 不同延展長(zhǎng)度下的泥質(zhì)薄夾層生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比Fig.4 Comparison of production performance among different lengths

圖5 不同滲透率下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of production performance among different permeabilities

圖6 不同厚度下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of production performance among different thickness

圖7 不同條數(shù)下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of production performance among different numbers

泥質(zhì)薄夾層沿著K方向均勻分布，以注入井為起點(diǎn)，沿每隔0.5 m分別發(fā)育1條；注入井下方分別發(fā)育3、5、7、9條。泥質(zhì)薄夾層的條數(shù)變化保持一定的原則：厚度均為5 cm，長(zhǎng)度均為20 m。

不同條數(shù)下生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見圖7，從圖7可以看出，隨著注采井間泥質(zhì)薄夾層數(shù)量的增多，日產(chǎn)油峰值時(shí)間滯后，累積產(chǎn)油量減少，當(dāng)泥質(zhì)薄夾層的條數(shù)超過(guò)7條時(shí)，日產(chǎn)油驟降、累積產(chǎn)油量接近零。結(jié)果表明泥質(zhì)薄夾層的條數(shù)的越多，其充當(dāng)流動(dòng)屏障的作用越明顯，對(duì)蒸汽腔發(fā)育阻礙越強(qiáng)，當(dāng)薄夾層條數(shù)超過(guò)7條時(shí)嚴(yán)重影響了SAGD開采效果。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)泥質(zhì)薄夾層不同參數(shù)對(duì)油砂SAGD 開發(fā)效果的影響研究，取得了以下結(jié)論。

(1)泥質(zhì)薄夾層位于注入井上方(AP)時(shí)，由于厚度較薄，泥質(zhì)薄夾層的延展長(zhǎng)度、滲透率對(duì)SAGD的開發(fā)效果影響較小。

(2)泥質(zhì)薄夾層位于注采井間(BIP)時(shí)，蒸汽腔發(fā)育差，日產(chǎn)油峰值滯后，對(duì)SAGD生產(chǎn)效果有較大影響；隨著泥質(zhì)薄夾層延展長(zhǎng)度和條數(shù)的增加，日產(chǎn)油峰值滯后，累積產(chǎn)油量降低，且當(dāng)泥質(zhì)薄夾層延展長(zhǎng)度超過(guò)20 m或條數(shù)超過(guò)7條時(shí)，日產(chǎn)油驟降、累積產(chǎn)油量接近零，蒸汽腔幾乎不發(fā)育。但泥質(zhì)薄夾層的厚度及滲透率對(duì)SAGD的影響較小。

(3)SAGD 實(shí)際開發(fā)布井時(shí)，應(yīng)盡量避免泥質(zhì)薄夾層位于注采井中間(無(wú)泄流通道)的情況。

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