泡沫輔助SAGD開發(fā)特征

鹿 騰，李兆敏，孫曉娜，李賓飛，高永榮，王寶利

(1.中國石油大學石油工程學院，山東青島 266580;2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;3.青海油田勘探開發(fā)研究院，甘肅酒泉 736202)

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)是將流體熱對流與熱傳導相結(jié)合，以蒸汽作為加熱介質(zhì)，依靠原油的重力作用進行開發(fā)的稠油熱采技術(shù)，因此SAGD過程中蒸汽腔的擴展發(fā)育對SAGD開發(fā)效果具有重要影響［1-5］。對于一些非均質(zhì)性較強的儲層，蒸汽由于易沿高滲層竄流而使蒸汽腔擴展較差，從而導致SAGD開發(fā)效果不理想［6-9］。泡沫流體可以改善不利的流度比、提高波及系數(shù)和掃油效率、延緩氣體的突破時間，從而提高油氣開采效率［10-15］。泡沫輔助SAGD開發(fā)技術(shù)(FA-SAGD)是采用蒸汽和起泡劑聯(lián)合注入的方式對SAGD的工藝改進。筆者應(yīng)用數(shù)值模擬方法對SAGD和FA-SAGD兩種開發(fā)方式在均質(zhì)油藏和非均質(zhì)油藏的蒸汽腔擴展過程進行對比研究，利用Surfer制圖軟件制作不同開發(fā)階段溫度場分布，對兩種開發(fā)方式的泄油特征進行更直觀地分析。

1 均質(zhì)油藏FA-SAGD開發(fā)特征

1.1 均質(zhì)模型的建立

以遼河油田杜84塊館陶組一典型SAGD雙水平井組單位為基礎(chǔ)建立三維均質(zhì)模型。三維模型尺寸為98 m×300 m×47 m，網(wǎng)格劃分為49×1×47。油藏頂深750 m，有效厚度47 m，初始含油飽和度為0.65，初始油藏壓力為7.4 MPa，油藏溫度為48℃，水平滲透率為1.468 μm2，垂向滲透率與水平滲透率比值為0.38，孔隙度為26.7%，油藏巖石及流體物性參數(shù)均取自杜84塊實際參數(shù)，油藏溫度48℃下原油黏度為122.807 Pa·s，100℃下原油黏度為1.659 Pa·s，300 ℃ 下只有3.3 mPa·s。在三維模型中，設(shè)計生產(chǎn)井距油層底部2 m，注采井垂向間距5 m，水平井段長300 m。

1.2 不同開發(fā)方式溫度分布

利用CMG-Stars數(shù)值模擬軟件進行了SAGD和FA-SAGD數(shù)值模擬。目前有兩種表征泡沫滲流機制的模型，一種是氣體組分與起泡劑組分反應(yīng)形成泡沫組分的動力學模型，該模型可模擬巖心試驗中泡沫的形成、聚并等特征，但是該模型有大量未知的反應(yīng)動力學參數(shù)，不適合大尺度的油藏數(shù)值模擬研究。另一種是通過降低氣相流度來表征泡沫滲流特征的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，該模型未知參?shù)較少，更適應(yīng)于對實際油藏的泡沫驅(qū)的研究。本次模擬選用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠肀碚髋菽诙嗫捉橘|(zhì)中的滲流特征。

在三維均質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，首先進行了蒸汽吞吐，主要起到預(yù)熱降壓的作用，然后進行了SAGD與FA-SAGD開發(fā)，兩者蒸汽注入溫度均為280℃，井底蒸汽干度均為0.7，注汽速度均為200 t/d，產(chǎn)液速度均為300 t/d。為了對比兩種開發(fā)方式在相同開發(fā)時刻蒸汽腔擴展情況，F(xiàn)A-SAGD中泡沫劑與蒸汽同時注入，起泡劑質(zhì)量分數(shù)為0.5%。

隨著蒸汽的持續(xù)注入，SAGD與FA-SAGD蒸汽腔在地層內(nèi)沿不同方向逐漸擴展，油藏溫度逐漸增大。為了研究兩種開發(fā)方式蒸汽腔在地層內(nèi)的擴展規(guī)律，對比了SAGD和FA-SAGD在不同開發(fā)階段垂直于水平井筒剖面油藏溫度分布，如圖1所示。

圖1 不同開發(fā)階段SAGD與FA-SAGD溫度分布Fig.1 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD at different development stages

可以看出，SAGD與FA-SAGD蒸汽腔的擴展都可以劃分為泄油初期(蒸汽腔上升階段)、泄油高峰期(蒸汽腔沿油層頂部向外擴展階段)、泄油末期(蒸汽腔擴展到油藏側(cè)邊界或井組控制邊界時，蒸汽腔沿邊界下降階段)3個階段。

由圖1(a)和(b)可以看出，在泄油初期，F(xiàn)ASAGD蒸汽腔垂向擴展速度要小于SAGD，而橫向擴展速度要大于SAGD。這是由于SAGD開發(fā)過程中蒸汽密度明顯低于原油密度，在重力分異作用下注入蒸汽主要在油層中沿垂向向上擴展。FA-SAGD開發(fā)過程中，蒸汽與起泡劑溶液同時注入形成泡沫，由于泡沫流體可以降低氣相流度［16-17］，因此可以減弱蒸汽在垂向的擴展速度，從而增大蒸汽橫向擴展速度。

由圖1(c)和(d)可以看出，在泄油高峰期，SAGD開發(fā)過程中，隨著蒸汽腔沿垂向的不斷向上擴展，蒸汽主要聚集在油層上部，由于蒸汽腔與蓋層接觸面積較大，因此蓋層熱損失較大;而FASAGD開發(fā)過程中，由于蒸汽腔橫向擴展速度大于SAGD，蒸汽主要存在于油層中部，由蒸汽腔攜帶的熱量主要加熱油層內(nèi)部原油，蒸汽腔與蓋層接觸面積較小，蓋層熱損失較小。

由圖1(e)和(f)可以看出，在泄油末期，SAGD蒸汽腔在平面上呈“倒三角”狀，而FA-SAGD蒸汽腔在平面上呈“碗”狀，儲層中下部蒸汽腔加熱范圍更大。

1.3 不同開發(fā)方式剩余油分布

圖2表示不同開發(fā)階段SAGD與FA-SAGD剩余油飽和度分布，可以看出:

(1)泄油初期，由于SAGD開發(fā)過程中蒸汽在儲層內(nèi)沿垂向擴展速度大于水平方向擴展速度，因此儲層垂向泄油效果較好，水平方向泄油效果較差;而FA-SAGD開發(fā)過程中，由于蒸汽垂向擴展速度減弱，水平擴展速度增大，因此儲層內(nèi)垂向與水平方向原油均得到動用。

圖2 不同開發(fā)階段SAGD與FA-SAGD剩余油飽和度分布Fig.2 Residual oil saturation distribution of SAGD and FA-SAGD at different development stages

(2)泄油高峰期，SAGD開發(fā)過程中，由于蒸汽重力分異作用，蒸汽主要作用于儲層頂部，頂部剩余油較少，儲層中下部剩余油較多;FA-SAGD開發(fā)過程中，蒸汽主要作用于儲層中間部位，因此儲層上下部剩余油分布比較均勻。

(3)泄油末期，兩種開發(fā)方式剩余油分布相近，但是FA-SAGD儲層中下部泄油程度好于SAGD。

2 非均質(zhì)油藏FA-SAGD開發(fā)特征

2.1 非均質(zhì)模型的建立

ZHANG 等［8］在 Christina Lake油田通過四維地震成像技術(shù)(4D seismic imaging)發(fā)現(xiàn)儲層的非均質(zhì)性會極大地影響SAGD蒸汽腔的擴展，由于水平井段較長，水平井鉆遇的地層發(fā)育情況不同，有些位置儲層物性較好，滲透率較高，而有些位置儲層物性較差，滲透率較低，這種情況會導致蒸汽腔的不均勻發(fā)育。為了模擬該種情況對于蒸汽腔擴展的影響，模型在沿水平井筒方向設(shè)置2條高滲透帶，如圖3中條紋帶所示。三維非均質(zhì)模型尺寸為98 m×300 m×47 m，網(wǎng)格劃分為49×20×47，高滲條帶滲透率為2.0 μm2，其他位置處滲透率為1.0 μm2，模型其他油藏參數(shù)和流體參數(shù)與1.1中均質(zhì)模型參數(shù)一致。在三維非均質(zhì)模型中，設(shè)計生產(chǎn)井距油層底部2 m，注采井垂向間距5 m，水平井段長300 m。

2.2 蒸汽腔擴展對比

在三維非均質(zhì)模型的基礎(chǔ)上分別進行SAGD和FA-SAGD數(shù)值模擬。首先進行蒸汽吞吐，主要起到預(yù)熱降壓的作用，然后進行SAGD與FA-SAGD開發(fā)，注入?yún)?shù)與均質(zhì)油藏兩種開發(fā)方式注入?yún)?shù)一致。圖3為SAGD與FA-SAGD開發(fā)5 a后蒸汽腔在儲層內(nèi)沿水平井筒剖面方向溫度分布?？梢钥闯鯯AGD開發(fā)5a后，僅高滲條帶附近地層存在蒸汽腔波及，其他位置處溫度仍為油藏初始溫度，說明非均質(zhì)儲層SAGD開發(fā)過程中蒸汽沿高滲透層竄流嚴重，蒸汽腔沿水平井筒方向不均勻擴展，從而造成蒸汽能量利用效率降低。相對于SAGD，F(xiàn)A-SAGD蒸汽腔沿水平井剖面方向擴展比較均勻，說明注入的泡沫可以發(fā)揮調(diào)剖作用，改善非均質(zhì)儲層蒸汽腔擴展不均問題，從而提高了注入蒸汽能量利用效率。

圖3 開發(fā)5 a后SAGD與FA-SAGD溫度分布Fig.3 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD after 5 years of development

圖4 開發(fā)5 a后高、低滲層SAGD與FA-SAGD溫度分布Fig.4 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD in high and low permeability formation after 5 years of development

圖4為SAGD和FA-SAGD開發(fā)5 a后高、低滲透層在垂直水平井筒方向的溫度分布。由圖4可以直觀地看出，SAGD蒸汽腔在高滲層擴展效果較好，已達到泄油末期，蒸汽腔與蓋層接觸面積較大，蓋層熱損失嚴重，而低滲層幾乎沒有蒸汽波及，泄油效果較差。FA-SAGD開發(fā)過程中，高、低滲層均有蒸汽波及，并且蒸汽腔擴展程度相近，呈“橢圓狀”，注入蒸汽腔能量有效作用于儲層內(nèi)部。

2.3 開發(fā)效果對比

圖5分別為非均質(zhì)儲層SAGD與FA-SAGD開發(fā)過程中累積產(chǎn)出能量、累積蓋層熱損失、油汽比、采出程度對比曲線。

由圖5可以看出:非均質(zhì)儲層FA-SAGD開發(fā)過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調(diào)控作用，蒸汽腔在地層內(nèi)的擴展更為均勻，注入蒸汽能量能更有效地加熱原油，開發(fā)10 a后，累積產(chǎn)出能量要明顯低于SAGD，約為SAGD的70%。通過前面的分析可以看出，F(xiàn)A-SAGD蒸汽主要存在于油層中部，由蒸汽腔攜帶的熱量主要加熱儲層內(nèi)部原油，蒸汽腔與蓋層接觸面積較小，因此相對于 SAGD，F(xiàn)ASAGD蓋層熱損失明顯減少了5.5×109kJ。由于FA-SAGD注入蒸汽能量利用效率更高，油層受熱情況更好，因此油汽比提高了約0.04，采收率提高了約4.5%，有效地改善了開發(fā)效果。

圖5 SAGD與FA-SAGD開發(fā)效果對比Fig.5 Development efficient comparison of SAGD and FA-SAGD

通過對比SAGD與FA-SAGD在均質(zhì)及非均質(zhì)油藏中的開發(fā)特征，可以看出FA-SAGD開發(fā)機制為:

(1)注入蒸汽能量更有效地作用于油層內(nèi)部。泡沫流體可以增大氣相表觀黏度，降低氣相流度，從而降低了SAGD開發(fā)過程中蒸汽沿垂向擴展速度，增大了蒸汽沿橫向擴展速度，使蒸汽能量更多地作用于油層內(nèi)部。

(2)改善非均質(zhì)地層蒸汽不均勻擴展問題。在非均質(zhì)油藏SAGD開發(fā)過程中，蒸汽腔易沿高滲透層竄流，造成蒸汽在水平井筒方向不均勻擴展。FASAGD開發(fā)過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調(diào)控作用，使得蒸汽腔在地層內(nèi)的擴展更為均勻。

(3)提高注入蒸汽能量的利用效率。由于FASAGD開發(fā)過程中，蒸汽能量更好地作用于油層內(nèi)部，以及蒸汽腔在地層內(nèi)的擴展更為均勻，因此相對于SAGD，F(xiàn)A-SAGD注入蒸汽能量利用效率更高。

3 結(jié)論

(1)SAGD蒸汽腔發(fā)育呈“倒三角”狀，蒸汽腔與蓋層接觸面積較大，蓋層熱損失較大，而 FASAGD蒸汽腔發(fā)育呈“碗”狀，蒸汽腔主要作用于油層內(nèi)部，與蓋層接觸面積較小，蓋層熱損失較小。

(2)SAGD蒸汽腔易沿高滲透層竄流，蒸汽在水平井筒方向不均勻擴展。FA-SAGD開發(fā)過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調(diào)控作用，蒸汽腔在地層內(nèi)的擴展更為均勻。

(3)相對于SAGD，F(xiàn)A-SAGD可以抑制蒸汽竄流，減小產(chǎn)出能量和蓋層熱損失，提高了生產(chǎn)油汽比和采收率，說明FA-SAGD是一種有效改善SAGD開發(fā)效果的開發(fā)方式。

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