加拿大M區(qū)塊淺層油砂SAGD開采蓋層穩(wěn)定性研究

劉劍波，黃繼新，郭二鵬

(1.密蘇里科技大學(xué)，密蘇里羅拉 65409；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術(shù)是開發(fā)超稠油與油砂經(jīng)濟(jì)有效的方式[1_3]，在國內(nèi)外已得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用[4_6]。在SAGD開采過程中存在的一個(gè)重要問題是，在高溫高壓條件下上覆蓋層對注入的蒸汽能否起到有效封堵作用。

在熱采過程中，需要注入大量高溫高壓蒸汽，導(dǎo)致蒸汽腔內(nèi)溫度升高、巖石體積膨脹，從而引起蒸汽腔及周圍地層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化[7]。由于油砂儲(chǔ)層埋藏淺(埋深一般小于200 m)，地層應(yīng)變與變形可能使蓋層發(fā)生剪切或拉伸破壞[8]，造成注入的高溫蒸汽及熱流體泄漏到上覆地層，甚至地面。蒸汽泄露一方面會(huì)造成能量損失，降低開發(fā)效果;另一方面可能引起嚴(yán)重的環(huán)保問題。為確保SAGD生產(chǎn)的有效性與安全性，蓋層必須對注入的蒸汽具有良好的封堵能力，且在整個(gè)生命周期保持完整，不會(huì)發(fā)生塑性變形與破壞，避免注入的蒸汽及熱流體發(fā)生泄漏。因此，在實(shí)施注蒸汽熱采項(xiàng)目之前，必須對蓋層的穩(wěn)定性進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)與評價(jià)[9_11]。國外特別是加拿大研究人員在這方面進(jìn)行了較多的試驗(yàn)與模擬研究，討論了高溫高壓蒸汽的注入對油砂儲(chǔ)層應(yīng)力的影響，以及引起的物性參數(shù)(如孔隙度和滲透率)的改變、地層形變及破壞機(jī)理與破壞形式[7]；研究了SAGD不同泄流區(qū)域的地質(zhì)力學(xué)行為以及蒸汽腔形成與擴(kuò)展對地層形變的影響[9]；在油砂生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了一系列小型壓裂試驗(yàn)，確定了地層破裂壓力與閉合壓力[10]。但是這些研究都只集中在某一方面，沒有形成從基礎(chǔ)測試、模擬研究到現(xiàn)場試驗(yàn)的完整的評價(jià)方法。

M油砂區(qū)塊位于加拿大阿爾伯塔省阿薩巴斯卡油砂區(qū)北部，油砂儲(chǔ)層埋藏淺。為了在該區(qū)塊應(yīng)用SAGD技術(shù)時(shí)對開發(fā)方案設(shè)計(jì)與安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，在儲(chǔ)、蓋層地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，通過礦物成分分析、CT掃描、試驗(yàn)分析與現(xiàn)場測試，明確了蓋層巖石的微觀結(jié)構(gòu)、黏土礦物成分及其含量，獲得了蓋層的熱力學(xué)與地質(zhì)力學(xué)參數(shù)；利用油藏流體力學(xué)與地質(zhì)力學(xué)耦合的數(shù)值模擬方法與巖石破壞準(zhǔn)則，研究了SAGD生產(chǎn)過程中地層的應(yīng)力分布與蓋層的完整性，最終形成了油砂SAGD開采蓋層穩(wěn)定性評價(jià)方法。

1 礦物成分分析

巖石礦物成分及其含量反映巖石的力學(xué)參數(shù)與強(qiáng)度大小。從M區(qū)塊2口井的巖心中選取了2塊蓋層巖心，利用X射線衍射儀定量分析了這2塊巖心的礦物成分及含量(見表1和表2)。

表1 礦物成分及含量X射線衍射分析結(jié)果Table 1 XDR analysis results of mineral types and contents

表2巖心中黏土礦物成分及含量

Table2Claymineralcomponentsandcontentsofthecore

巖心伊利石,%伊/蒙混層,%高嶺石,%綠泥石,%114.035.037.014.0238.017.025.020.0

從表1和表2可以看出，2塊巖心的石英含量都接近50%，其中巖心1不含白云石，巖心2含有少量白云石。黏土礦物中伊/蒙混層含量較高，說明巖心遇水有發(fā)生膨脹、巖石強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)。

2 非均質(zhì)性分析

CT成像儀的工作原理是，利用X射線在不同介質(zhì)中衰減程度的不同，在成像的感光平面上形成具有灰度差異的透射圖像。通過樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，可以形成一系列透射圖像。利用儀器內(nèi)置的層析成像算法，可以得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的灰度三維圖像?；叶缺碚髁嗽摌悠穬?nèi)部相應(yīng)點(diǎn)的介質(zhì)對X光的衰減程度，其與物質(zhì)密度正相關(guān)，通常以高亮度表示高密度物質(zhì)。

CT掃描的主要目的是觀察巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判斷其非均質(zhì)性和各向異性。2塊巖心的CT掃描結(jié)果見圖1和圖2。在圖1(a)與圖2(a)的三維切片灰度圖中，顏色深淺反映密度的差異，顏色越深，物質(zhì)密度越??；黑色條帶狀部分為弱面或裂縫存在區(qū)域。

通過計(jì)算機(jī)軟件處理后，可進(jìn)一步識(shí)別巖心中的低密度區(qū)分布情況，見圖1(b)與圖2(b)，從而可以分析巖石中的孔隙、裂縫的分布情況。圖中的黃色部分是巖心中的低密度區(qū)，即裂縫或弱面。

2塊巖心內(nèi)部呈現(xiàn)出不同的非均質(zhì)性及各向異性。由圖1可知，巖心1內(nèi)部的低密度區(qū)分布較多，結(jié)合巖心觀察，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，所以低密度區(qū)主要為弱面，該巖心表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性及各向異性。

圖1 巖心1 CT掃描圖像Fig.1 CT scaning images of No.1 core

圖2 巖心2 CT掃描圖像Fig.2 CT scaning images of No.2 core

從圖2可以看出，巖心2的低密度區(qū)主要分布在巖心一端，整體較完好，巖心的非均質(zhì)性及各向異性相對較弱。

2塊巖心的CT掃描分析結(jié)果表明，M區(qū)塊油砂的蓋層巖石沒有裂縫或微裂縫，但可能存在弱面區(qū)，巖石物性表現(xiàn)出非均質(zhì)性，需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)研究，確保熱采過程中蓋層的有效封閉性。

3 巖心物性參數(shù)測試

3.1 熱力學(xué)參數(shù)測試

巖石熱力學(xué)參數(shù)包括熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等，可以用穩(wěn)態(tài)平板法測試巖心熱力學(xué)參數(shù)及其隨溫度的變化。其測試原理為在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的熱流量與平板兩面的溫差及導(dǎo)熱系數(shù)成正比、與平板的厚度成反比。測試結(jié)果見表3。

表3 巖心熱力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果Table 3 Thermal parameter testing results of the core

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)測試

利用巖石三軸壓縮試驗(yàn)可以得到蓋層巖石的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)及溫度對這些參數(shù)的影響。

巖石力學(xué)參數(shù)測試的主要流程為：1)按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范準(zhǔn)備待測試巖心試件；2)向圍壓筒內(nèi)注入液壓油(耐高溫硅油)，直至充滿為止；3)通過纏繞在不銹鋼圍壓筒表面的導(dǎo)電線圈，對圍壓筒及筒內(nèi)硅油進(jìn)行加熱，并通過圍壓筒內(nèi)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測硅油溫度；4)當(dāng)圍壓筒內(nèi)硅油加熱至50 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)加熱線圈至恒溫模式；5)施加圍壓及軸壓，在50 ℃溫度條件下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄巖心應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值；6)重復(fù)上述過程，分別在100和150 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)；7)分析試驗(yàn)結(jié)果。

另外，為了測試巖心在未飽和流體和飽和流體條件下的巖石力學(xué)參數(shù)，每一個(gè)巖心試件都按照大、小2種加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。由于壓縮試驗(yàn)所用巖心滲透率小，在快速加載時(shí)，巖心孔隙所含流體無法排出，即形成飽和流體條件；而當(dāng)加載速率較小時(shí)，巖心孔隙流體可以緩慢排出，即形成未飽和流體條件。

表4和表5分別為巖心孔隙未飽和流體與飽和流體時(shí)彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化。

表4巖心孔隙未飽和流體條件下巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

Table4Geomechanicalparameterstestingresultsforcoresampleswithnon-saturatedporesfluid

溫度/℃彈性模量/MPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa503230.324.11004000.304.51504200.315.3

表5巖心孔隙飽和流體條件下巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

Table5Geomechanicalparameterstestingresultsforcoresampleswithsaturatedporesfluid

溫度/℃彈性模量/MPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa503900.263.81002840.292.91502150.342.3

從表4和表5可以看出，在巖心孔隙未飽和流體條件下，除個(gè)別溫度點(diǎn)外，巖石的彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度均大于飽和流體條件下的測試結(jié)果。同時(shí)可以看出，在孔隙未飽和流體條件下，巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，而泊松比隨溫度的變化不明顯；在孔隙飽和流體條件下，巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而減小，而泊松比則有所增大。這些巖石力學(xué)參數(shù)為了解蓋層巖石性質(zhì)提供了依據(jù)，也為蓋層穩(wěn)定性數(shù)值模擬與評價(jià)、確定SAGD最大施工壓力提供了基礎(chǔ)。

4 最小地應(yīng)力的確定

小型水力壓裂試驗(yàn)已被廣泛用于測量地應(yīng)力分布，是目前確定最小地應(yīng)力最可靠的方法。為了確定油砂儲(chǔ)層及其蓋層巖石最小地應(yīng)力與地層破裂壓力梯度，在油田現(xiàn)場進(jìn)行了小型水力壓裂試驗(yàn)。選取2口試驗(yàn)井，其中1口井在油砂儲(chǔ)層(垂深183.00 m)中進(jìn)行測試，另外1口井在蓋層段(垂深171.00 m)進(jìn)行測試。

通過周期性地向地層泵注高壓水，在地層中產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展一定距離。在現(xiàn)場用地面和井下壓力傳感器監(jiān)測井底壓力，并記錄注入過程中的壓力和注入速率數(shù)據(jù)。地面壓力傳感器記錄數(shù)據(jù)加上井筒靜水柱壓力可得到井底壓力，根據(jù)密度測井曲線可計(jì)算上覆巖層壓力。最小地應(yīng)力或裂縫閉合壓力可由2種壓力數(shù)據(jù)解釋方法得到：一種是壓力與時(shí)間的平方根關(guān)系曲線，另一種是關(guān)井后回流測試數(shù)據(jù)分析[12]。

圖3與圖4分別為這2口井測試期間壓力、注入速率變化曲線與壓力分析解釋結(jié)果。通過壓力分析，油砂儲(chǔ)層在井深183.00 m的上覆巖層壓力為3.88 MPa，閉合壓力上限為3.02 MPa，閉合壓力下限為2.42 MPa，判斷最小主應(yīng)力為3.02 MPa，油層破裂壓力梯度為16.5 kPa/m。

圖3 油砂儲(chǔ)層小型壓裂試驗(yàn)曲線及壓力解釋結(jié)果Fig.3 Mini-fracturing test results and stress analysis results of oil sand reservoir

圖4 油砂蓋層小型壓裂試驗(yàn)曲線及壓力解釋結(jié)果Fig.4 Mini-fracturing test results and stress analysis results of cap rock

由圖4可知，蓋層在井深171.00 m處的上覆巖層壓力為3.65 MPa，閉合壓力上限為3.92 MPa，閉合壓力下限為3.52 MPa，因此最小主應(yīng)力等于上覆巖層壓力(3.65 MPa)，即最小主應(yīng)力沿垂直方向。相應(yīng)地，地層破裂壓力梯度為21.3 kPa/m，說明即使形成裂縫，也是水平裂縫，這對蓋層封堵性是有利的。因此，該油田油砂上覆地層可以作為SAGD開采的有效蓋層。

5 地質(zhì)力學(xué)模擬

5.1 地質(zhì)模型的建立

地質(zhì)力學(xué)模擬采用加拿大CMG公司的STARS軟件Geomechanics地質(zhì)力學(xué)模塊，該模塊能夠模擬SAGD熱采過程中上覆蓋層在設(shè)計(jì)的操作壓力和溫度下發(fā)生塑性形變、甚至破壞的可能性。另外，該模塊能夠與STARS軟件油藏?cái)?shù)值模擬功能結(jié)合實(shí)現(xiàn)流體模擬與應(yīng)力模擬的耦合，在模擬地層溫度、壓力及流體飽和度變化的同時(shí)，還能模擬溫度與壓力造成的應(yīng)力應(yīng)變場、油藏形變、地面隆起及儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的變化。

M區(qū)塊研究區(qū)由5套地層組成，由下至上分別為石炭系灰?guī)r基底、白堊系Mcmurray油砂儲(chǔ)層、Wabiskaw砂泥巖互層、Clearwater泥巖層與第四系上覆地層(見圖5)。為了準(zhǔn)確地模擬SAGD生產(chǎn)過程中地應(yīng)力分布及其變化情況和巖石塑性變形的可能性，根據(jù)地層層序分布，建立了包含4套地層在內(nèi)的地質(zhì)模型，模型大小為一對SAGD水平井的泄油面積，長900.00 m(水平井段長850.00 m)、寬125.00 m(水平井排距125.00 m)。圖6所示為從地質(zhì)模型中截取的一個(gè)剖面單元，用于表示二維地質(zhì)力學(xué)模型的網(wǎng)格劃分情況，水平方向網(wǎng)格大小為1.00 m，垂直方向根據(jù)地層而不同：油砂儲(chǔ)層網(wǎng)格大小為1.00 m，其余地層為2.00 m。

該油砂儲(chǔ)層厚度為21.00 m，平均中深為192.50 m，原始地層壓力與溫度分別為1.0 MPa與10 ℃，油藏溫度下原油黏度高達(dá)5×106mPa·s，油層平均滲透率為4 000 mD，平均孔隙度為32%。模型的熱力學(xué)與巖石力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)測得(見表3—表5)。SAGD注采參數(shù)設(shè)計(jì)為蒸汽注入壓力2.0 MPa，注入溫度212 ℃，地面井口蒸汽干度大于95%，單井平均生產(chǎn)時(shí)間9.5年。

圖5 M區(qū)塊地層層序Fig.5 Stratigraphic sequence of M Block

圖6 地質(zhì)模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Gelogical model and its griding

在應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算過程中，油砂儲(chǔ)層與Wabiskaw層的本構(gòu)模型采用孔隙彈性模型，上覆蓋層采用彈塑性D-P(Drucker-Prager)本構(gòu)模型，用于模擬應(yīng)力變化對網(wǎng)格形狀的影響。

5.2 地層應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變

在SAGD生產(chǎn)過程中，儲(chǔ)層溫度的變化將通過傳導(dǎo)和對流傳遞到上覆蓋層。當(dāng)蓋層完整且儲(chǔ)層流體不能流動(dòng)時(shí)，傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位；如果蓋層遭到破壞，儲(chǔ)層流體得以進(jìn)入上覆蓋層，則對流就變得更重要。根據(jù)SAGD生產(chǎn)不同時(shí)間油藏壓力與溫度分布，模擬計(jì)算出了地層Mises應(yīng)力變化及其對塑性應(yīng)變的影響。圖7、圖8所示分別為SAGD生產(chǎn)5 a與生產(chǎn)結(jié)束(9.5 a)時(shí)的Mises應(yīng)力分布與塑性應(yīng)變。

圖7 SAGD生產(chǎn)不同時(shí)間Mises應(yīng)力分布Fig.7 Mises stress distribution at different periods of SAGD production

由圖7可知，隨著SAGD開采過程中蒸汽的連續(xù)不斷注入，地層溫度逐漸升高，蒸汽腔逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致油藏發(fā)生溶脹，最大Mises應(yīng)力分布范圍逐漸擴(kuò)大(見圖中暗紅色區(qū)域)，而且主要集中在蒸汽腔上部的蓋層內(nèi)，但最大值并沒有明顯變化。整個(gè)SAGD開采期蓋層的Mises應(yīng)力最大值始終低于最小主應(yīng)力，即在安全范圍之內(nèi)。

圖8表明，在SAGD開采期間地層塑性應(yīng)變主要發(fā)生在油砂儲(chǔ)層，蓋層沒有出現(xiàn)塑性應(yīng)變。

5.3 蓋層應(yīng)力變化曲線

根據(jù)前面模擬計(jì)算的地層Mises應(yīng)力分布，得到了在SAGD生產(chǎn)過程中蓋層應(yīng)力集中區(qū)一點(diǎn)處的Mises應(yīng)力與平均有效應(yīng)力(上覆巖層壓力與孔隙流體壓力之差)的變化曲線(見圖9)。因?yàn)樯w層主要為頁巖，表現(xiàn)為彈塑性特征，因此，根據(jù)DP(Drucker-Prager)破壞準(zhǔn)則[13]，在SAGD生產(chǎn)期內(nèi)應(yīng)力變化始終沒有達(dá)到DP剪切破壞線(DP內(nèi)摩擦角為51°、粘聚力為1.6 MPa)，說明在設(shè)計(jì)溫度和壓力下蓋層不會(huì)發(fā)生形變，保持了較好的穩(wěn)定性。

圖8 SAGD生產(chǎn)不同時(shí)間地層塑性應(yīng)變Fig.8 Formation plastic strain at different periods of SAGD production

圖9 SAGD生產(chǎn)過程中蓋層Mises應(yīng)力變化Fig.9 Variation of cap rock Mises stress during SAGD production

6 結(jié)論與建議

1) 巖心礦物成分分析結(jié)果表明，蓋層巖心黏土礦物中伊/蒙混層含量較高，說明巖心遇水有強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)；油砂蓋層CT掃描圖像沒有發(fā)現(xiàn)裂縫或微裂縫，但存在明顯的低密度區(qū)，即弱面區(qū)，而且不同巖心低密度區(qū)分布差異較大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，提示需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)研究。

2) 礦場小型水力壓裂試驗(yàn)與分析得到了該區(qū)塊最小地應(yīng)力及破裂壓力梯度，為設(shè)計(jì)SAGD操作壓力提供了依據(jù)。研究結(jié)果表明，該區(qū)塊蓋層的最小主應(yīng)力沿垂直方向，說明即使形成裂縫，也是水平裂縫，對儲(chǔ)層流體的封堵是有利的。儲(chǔ)層與蓋層的破裂壓力梯度分別為16.5 kPa/m與21.3 kPa/m。

3) 地質(zhì)力學(xué)模擬研究結(jié)果表明，M區(qū)塊油砂蓋層在整個(gè)SAGD生產(chǎn)期間沒有進(jìn)入塑性變形模式；在設(shè)計(jì)的操作溫度與壓力條件下，蓋層不會(huì)發(fā)生形變，能夠保持穩(wěn)定性與完整性。

4) 淺層稠油油藏?zé)岵砷_發(fā)過程中，熱效應(yīng)與高壓流體共同作用，會(huì)引起地層應(yīng)力發(fā)生變化，甚至?xí)斐蓭r石變形。因此，建議研究熱采工藝優(yōu)化過程中溫度對地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的影響，進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模擬研究，以確保蓋層的穩(wěn)定性與生產(chǎn)的安全性。