直井輔助SAGD擴容及地質(zhì)力學(xué)-熱采耦合數(shù)值模擬

趙 睿，桑林翔，陳倫俊，徐 斌，羅池輝，孟祥兵

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2.Origin Geomechanics Inc.，Calgary AB T3H 0X6，Canada； 3.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

SAGD是超稠油開采的一項重要技術(shù)，新疆油田和遼河油田采用該技術(shù)實現(xiàn)了常規(guī)方式難以動用的超稠油油藏有效開發(fā)。雙水平井SAGD是一種經(jīng)典的布井方式，采用該方式可獲得較高采收率[1-2]，對于非均質(zhì)儲層而言，高效實現(xiàn)注采井間的均勻連通是一項挑戰(zhàn)。常規(guī)SAGD預(yù)熱啟動一般采用注蒸汽循環(huán)法，主要機理是蒸汽對儲層的熱傳導(dǎo)，但該方法效率低、耗汽量大。為此，發(fā)展了SAGD擴容啟動技術(shù)，并成功實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[3-5]，大幅縮短SAGD預(yù)熱周期(46%～65%)并降低蒸汽用量(50%)。

近年來，隨著開發(fā)的深入，儲層物性變差，沿SAGD水平段的儲層非均質(zhì)性增強，加之受水平段流動壓差分布影響，水平段動用不均勻的問題日益凸顯，嚴(yán)重影響了SAGD井的產(chǎn)量和儲量有效動用。針對該問題，提出一種新的擴容啟動方法，在水平井附近物性較差段或腳尖附近選取直井，分別對SAGD水平井和直井進行擴容，形成均勻連通水平井和直井的復(fù)合擴容通道，以改善和提高水平段動用的均勻性，提升SAGD開發(fā)效果。以準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城油田Z區(qū)為例，通過地質(zhì)力學(xué)耦合熱采數(shù)值模擬，分析SAGD井對和直井的擴容順序、擴容效果的影響因素及復(fù)合擴容后的生產(chǎn)效果，為同類油藏實施復(fù)合擴容提供借鑒和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城油田Z區(qū)為SAGD開發(fā)區(qū)，目的層侏羅系齊古組油藏屬陸相辮狀河沉積，儲層質(zhì)量差，非均質(zhì)性強，夾層廣泛分布，為典型的III類超稠油油藏(表1)。目的層油層厚度為12～35 m，平均為22 m，巖性為中細(xì)砂巖，膠結(jié)疏松中等，泥質(zhì)含量為8%～16%，孔隙度為23%～28%，含油飽和度為65%～75%，滲透率為500～1 000 mD。根據(jù)現(xiàn)場小型壓裂測試結(jié)果，研究區(qū)最小水平應(yīng)力梯度為16.8 kPa/m，最大水平應(yīng)力梯度為18.2 kPa/m。密度曲線計算垂向應(yīng)力梯度為21.3 kPa/m，主應(yīng)力方向約為NE 30 °[6]。

SAGD水平井段長度一般為400～600 m，井間距為4.0～6.0 m，注汽井與生產(chǎn)井均采用長短管結(jié)構(gòu)平行雙管完井，生產(chǎn)井采用熱電偶測溫。受儲層強非均質(zhì)性影響，SAGD水平井段往往物性變化較大，滲透率極差一般大于3，多數(shù)井轉(zhuǎn)SAGD生產(chǎn)后存在水平段動用不均勻和動用率低的問題。同時，受水平段壓差分布及單點采油影響，水平段后端多不動用或動用差。常規(guī)的擴容啟動技術(shù)已難以滿足生產(chǎn)要求，需要提出輔助擴容新方法，以改善生產(chǎn)效果。

2 直井輔助SAGD井?dāng)U容工藝及原理

根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)剪應(yīng)力或張應(yīng)力超過巖石強度時，巖石會出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。部分巖石，特別是弱固結(jié)砂巖，在剪切破壞或張性破壞下產(chǎn)生體積膨脹稱其為巖石擴容。大量實驗室研究和現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明[7-13]，通過擴容可實現(xiàn)以下作用：①巖石的孔隙度和滲透率增加；②巖石中產(chǎn)生微破裂帶；③注采井的注入和采油能力增加。

對于強非均質(zhì)儲層，物性差的井段往往存在選擇性擴容情況(比如在物性較好的井段優(yōu)先擴容導(dǎo)致物性差的井段無法動用)，擴容效果差，從而影響連通均勻性[14]。此外，受雙水平井間壓差分布影響，腳尖不動用問題在生產(chǎn)階段較為突出。從改善滲流條件和增加驅(qū)動機理2個方面出發(fā)，提出直井輔助SAGD井?dāng)U容啟動的復(fù)合擴容新方法。工藝過程如圖1所示：①在水平井附近鉆直井或選擇合適的觀察井作為輔助直井，并射孔以注入流體(圖1a)；②SAGD水平井?dāng)U容以水力快速連通注汽井和生產(chǎn)井(圖1b)；③輔助直井注入高壓流體擴容并連接直井?dāng)U容帶與水平井?dāng)U容帶(圖1c)；④直井吞吐和水平井重力泄油實現(xiàn)復(fù)合增產(chǎn)(圖1d)。該方法可在預(yù)熱階段快速建立直井和SAGD水平井蒸汽腔的連通，生產(chǎn)階段直井局部蒸汽驅(qū)和水平井重力泄油同時發(fā)揮作用，直井可作為注入點及熱源，增加SAGD生產(chǎn)調(diào)控的靈活性。

圖1 直井輔助SAGD水平井?dāng)U容工藝示意圖(垂直于SAGD水平井方向的二維剖面)Fig.1 The schematic diagram of vertical well assisted SAGD horizontal well dilation process (2D profile perpendicular to the direction of SAGD horizontal well)

3 地質(zhì)力學(xué)耦合熱采數(shù)值模擬

通過地質(zhì)力學(xué)模擬研究現(xiàn)場施工方案明確儲層的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)對復(fù)合擴容帶擴展和連通的影響，利用油藏?zé)岵赡M研究復(fù)合擴容帶對油井產(chǎn)量的影響。

3.1 耦合模擬方法

利用ABAQUS軟件和FORTRAN用戶子程序模擬砂巖擴容前后流體流動特性，模擬器與流體流動、熱傳導(dǎo)和巖石骨架變形/破壞行為耦合。地質(zhì)力學(xué)模擬采用完全耦合的熱-水-固體變形(T-H-M)比奧方程，考慮熱傳導(dǎo)、流體流動和固體變形與破壞之間的相互作用。砂巖擴容采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型框架下的本構(gòu)模型[12]和傳統(tǒng)的有限元方法，分析巖石微觀屬性變化導(dǎo)致的宏觀行為變化，包括巖石的變形、破裂及相關(guān)流體流動能力的增強。采用流度模型來模擬疏松砂巖儲層的膨脹行為。模型考慮了對局部應(yīng)變的捕捉，使用正則化算法緩解材料在塑性變形增加時出現(xiàn)局部應(yīng)變的網(wǎng)格依賴性。同時，在網(wǎng)格變形嚴(yán)重的區(qū)域，采用ABAQUS軟件中的拉格朗日-歐拉(ALE)網(wǎng)格劃分技術(shù)進行處理。

利用CMG STARS熱采模擬軟件，結(jié)合自編代碼，將地質(zhì)力學(xué)模擬中得到的復(fù)合擴容帶從有限元網(wǎng)格映射到熱采數(shù)值模擬網(wǎng)格。儲層的主要地質(zhì)參數(shù)及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)均來自風(fēng)城油田Z區(qū)。地應(yīng)力取自現(xiàn)場小型壓裂測試結(jié)果，儲層巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(抗剪強度、膨脹角和彈性常數(shù))通過巖心室內(nèi)三軸實驗獲得(表2)。模擬SAGD水平段長為600 m，SAGD水平井和直井的注入速率取自現(xiàn)場泵送設(shè)備規(guī)范和現(xiàn)場施工經(jīng)驗。SAGD單井的最大泵速為250 L/min，直井為150 L/min，擴容液通過SAGD水平井的長管注入井底。

表2 地質(zhì)力學(xué)模型參數(shù)Table 2 The geomechanical model parameters

3.2 模擬結(jié)果討論

3.2.1 擴容順序

復(fù)合擴容的關(guān)鍵在于如何將直井的擴容區(qū)與SAGD水平井的擴容區(qū)連接。如果先對直井進行擴容，并通過擴容區(qū)連接SAGD水平井，則SAGD注入井和生產(chǎn)井之間會優(yōu)先形成一個局部擴容區(qū)，導(dǎo)致水平井的局部汽竄，不利于SAGD生產(chǎn)。因此，現(xiàn)場施工應(yīng)首先擴容SAGD水平井，在SAGD水平井上建立擴容帶，通過擴容連接SAGD注汽井與生產(chǎn)井后，再啟動直井?dāng)U容，通過精細(xì)控制，最終將SAGD水平井和直井?dāng)U容帶相連接。

數(shù)值模型中水平井軌跡與水平最小主應(yīng)力平行，直井與水平井平面距離為21 m，距水平井腳尖80 m。模擬擴容步驟如下：①采用250 L/min的注入速度，對SAGD注入井和生產(chǎn)井進行擴容，期間直井關(guān)井，持續(xù)2.0 d；②以150 L/min的注入速度對直井進行擴容，SAGD水平井通過長油管和短油管循環(huán)，保持井底壓力低于擴容壓力但高于水平最小主應(yīng)力，持續(xù)2.0 d。形成的復(fù)合擴容帶三維場圖如圖2所示，由圖2可知，腳尖區(qū)域的復(fù)合擴容帶將直井和水平井對均勻連接。擴容帶的孔隙度平均增加1.33 個百分點，最大增加2.72 個百分點；滲透率平均增加480 mD，最大增加983 mD；流體流度平均增加330 mD/(mPa·s)，擴容程度由井附近向外逐步降低。

圖2 復(fù)合擴容帶孔隙度三維場圖Fig.2 The 3D porosity field map of composite dilation zone

3.2.2 水平井軌跡的影響

為提高產(chǎn)量，SAGD水平井部署一般平行油層底部砂體構(gòu)造，地應(yīng)力方向與水平井軌跡之間的夾角隨機。而擴容帶一般沿著最大水平應(yīng)力方向擴展。已有研究表明[5]，通過對SAGD井進行適當(dāng)?shù)目讐侯A(yù)處理調(diào)節(jié)，可以形成垂向連接SAGD注采井并沿SAGD井均勻分布的擴容帶。在復(fù)合擴容過程中，即使地應(yīng)力方向不利于形成垂直于水平井軌跡擴展的擴容帶，也要保證從直井位置產(chǎn)生的擴容帶能與SAGD水平井的擴容帶相連。為分析水平井軌跡方向?qū)?fù)合擴容帶的影響，模擬了3個水平井軌跡方向：①軌跡平行于最小水平主應(yīng)力；②軌跡平行于最大水平主應(yīng)力；③軌跡與最大水平主應(yīng)力方向呈40 °夾角。以垂直于直井且在生產(chǎn)水平井之上2.5 m的剖面進行分析。

根據(jù)模擬結(jié)果取得如下3點認(rèn)識。

(1) 直井?dāng)U容帶寬度對于水平井軌跡與地應(yīng)力方向夾角敏感。隨最大水平主應(yīng)力方向與水平井軌跡夾角逐步增大(0 °～90 °)，擴容帶寬度逐漸變小，寬度范圍為70～150 m。當(dāng)水平井軌跡平行于最大水平主應(yīng)力時，直井?dāng)U容帶較大，達到150 m，且形態(tài)為均勻?qū)ΨQ的扁橢圓形(圖3a)，地應(yīng)力方向促進了擴容帶平行于水平井方向擴展；當(dāng)水平井軌跡與最大水平主應(yīng)力方向呈40 °夾角時，直井?dāng)U容帶為130 m，受地應(yīng)力方向影響，擴容帶呈不對稱的窄條形(圖3b)；當(dāng)水平井軌跡平行于最小水平應(yīng)力時，地應(yīng)力方向促進擴容帶沿垂直于水平井的方向傳播，直井?dāng)U容帶的寬度最小，為70 m，擴容孔隙度變化區(qū)域近似三角形(圖3c)。

圖3 不同地應(yīng)力方向下的二維擴容孔隙度剖面

(2) 較寬的直井?dāng)U容區(qū)需要較大的注入液量。在相同的擴容注入速度下，當(dāng)水平井軌跡平行于最小水平主應(yīng)力時，直井需注入2.0 d；當(dāng)軌跡平行于最大水平主應(yīng)力時，直井需注入3.5 d；當(dāng)水平井軌跡與最大水平主應(yīng)力方向呈40 °夾角時，直井需注入3.0 d。擴容帶越寬，需要注入更多流體以占據(jù)因巖石擴容而新增加的孔隙空間，由此進一步強化擴容作用和改善儲層物性。

(3) 直井?dāng)U容帶與水平井?dāng)U容帶能否連接，和水平井眼軌跡與地應(yīng)力方向的夾角無直接關(guān)系。復(fù)合擴容帶形成的物理機制可以用孔隙彈性應(yīng)力變化引起的水力裂縫偏移或應(yīng)力干擾裂縫轉(zhuǎn)向機理[18]來解釋。注入井的擴容帶會受附近另一口井的擴容帶引起的孔隙彈性應(yīng)力變化影響而偏移，已有的擴容帶對附近新形成的擴容帶具有牽引作用，使得新擴容帶向著附近已經(jīng)有的擴容帶擴展。

3.2.3 直井與SAGD水平井距離的影響

在其他參數(shù)相同的情況下，研究直井與SAGD水平井距離對復(fù)合擴容的影響，設(shè)水平井軌跡平行于水平最大主應(yīng)力方向，模擬輔助直井距離水平井平面距離為21、35、50 m的情況，并以垂直于直井且在生產(chǎn)水平井之上2.5 m的剖面進行分析(圖4)。由圖4可知，直井和SAGD水平井之間的距離越大，擴容帶連接越困難，井距大于35 m時很難形成有效連接。實際應(yīng)用過程中，建議選取已有觀察井作為輔助啟動井時井距不大于35 m，新部署直井則可設(shè)計在距離水平井35 m以內(nèi)。

圖4 直井與水平井不同距離下的二維擴容孔隙度剖面

3.2.4 輔助擴容后的生產(chǎn)效果預(yù)測

將擴容帶的結(jié)果導(dǎo)入CMG STARS油藏?zé)岵赡M器。對SAGD循環(huán)預(yù)熱、SAGD生產(chǎn)、輔助直井蒸汽吞吐過程進行模擬，以得到復(fù)合擴容帶、直井蒸汽吞吐和SAGD水平井重力泄油作用對開發(fā)效果的綜合影響。根據(jù)現(xiàn)場實際，考慮2種情形：①常規(guī)SAGD生產(chǎn)，熱連通率只有70%；②直井輔助SAGD擴容的井組生產(chǎn)，即在SAGD水平井重力泄油生產(chǎn)的同時，輔助直井進行蒸汽吞吐生產(chǎn)。結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：與傳統(tǒng)的SAGD工藝相比，經(jīng)輔助擴容的井初期產(chǎn)油上升速度明顯加快，日產(chǎn)油峰值時間提前2 000 d，日產(chǎn)油峰值提高4.8 t/d；生產(chǎn)6 000 d，累計產(chǎn)油量提高約26 000 t，生產(chǎn)效果顯著改善。

圖5 直井輔助擴容下井組生產(chǎn)曲線Fig.5 The production curve of well group under vertical well assisted dilation

4 結(jié) 論

(1) 直井輔助SAGD水平井復(fù)合擴容可有效實現(xiàn)巖石孔隙度和滲透率增加、巖石產(chǎn)生微破裂帶、注采井的注入和采油能力增加。

(2) 通過有限元方法與熱采油藏數(shù)值模擬模型的完全耦合，可實現(xiàn)疏松砂巖地質(zhì)力學(xué)擴容儲層物性參數(shù)變化、流體流動行為變化以及注蒸汽熱采過程的有效模擬。

(3) 直井輔助SAGD水平井?dāng)U容應(yīng)先進行水平井?dāng)U容，再進行直井?dāng)U容，以保證形成均勻連通的復(fù)合擴容帶；已有的擴容帶對附近新形成的擴容帶的牽引作用是復(fù)合擴容帶連接的關(guān)鍵。經(jīng)過適當(dāng)直井輔助擴容操作的SAGD井組，可有效利用直井蒸汽吞吐、SAGD生產(chǎn)的多重增產(chǎn)機理，發(fā)揮油井最大產(chǎn)能。