直井輔助SAGD擴容及地質力學-熱采耦合數值模擬

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，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

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

近年來，隨著開發的深入，儲層物性變差，沿SAGD水平段的儲層非均質性增強，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，嚴重影響了SAGD井的產量和儲量有效動用。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開發效果。以準噶爾盆地風城油田Z區為例，通過地質力學耦合熱采數值模擬，分析SAGD井對和直井的擴容順序、擴容效果的影響因素及復合擴容后的生產效果，為同類油藏實施復合擴容提供借鑒和指導。

1 研究區概況

準噶爾盆地風城油田Z區為SAGD開發區，目的層侏羅系齊古組油藏屬陸相辮狀河沉積，儲層質量差，非均質性強，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，巖性為中細砂巖，膠結疏松中等，泥質含量為8%～16%，孔隙度為23%～28%，含油飽和度為65%～75%，滲透率為500～1 000 mD。根據現場小型壓裂測試結果，研究區最小水平應力梯度為16.8 kPa/m，最大水平應力梯度為18.2 kPa/m。密度曲線計算垂向應力梯度為21.3 kPa/m，主應力方向約為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，注汽井與生產井均采用長短管結構平行雙管完井，生產井采用熱電偶測溫。受儲層強非均質性影響，SAGD水平井段往往物性變化較大，滲透率極差一般大于3，多數井轉SAGD生產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。常規的擴容啟動技術已難以滿足生產要求，需要提出輔助擴容新方法，以改善生產效果。

2 直井輔助SAGD井擴容工藝及原理

根據巖石力學理論，當剪應力或張應力超過巖石強度時，巖石會出現變形破壞現象。部分巖石，特別是弱固結砂巖，在剪切破壞或張性破壞下產生體積膨脹稱其為巖石擴容。大量實驗室研究和現場數據表明[7-13]，通過擴容可實現以下作用：①巖石的孔隙度和滲透率增加；②巖石中產生微破裂帶；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先擴容導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階段較為突出。從改善滲流條件和增加驅動機理2個方面出發，提出直井輔助SAGD井擴容啟動的復合擴容新方法。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水平井擴容以水力快速連通注汽井和生產井(圖1b)；③輔助直井注入高壓流體擴容并連接直井擴容帶與水平井擴容帶(圖1c)；④直井吞吐和水平井重力泄油實現復合增產(圖1d)。該方法可在預熱階段快速建立直井和SAGD水平井蒸汽腔的連通，生產階段直井局部蒸汽驅和水平井重力泄油同時發揮作用，直井可作為注入點及熱源，增加SAGD生產調控的靈活性。

圖1 直井輔助SAGD水平井擴容工藝示意圖(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 地質力學耦合熱采數值模擬

通過地質力學模擬研究現場施工方案明確儲層的地質力學性質對復合擴容帶擴展和連通的影響，利用油藏熱采模擬研究復合擴容帶對油井產量的影響。

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、熱傳導和巖石骨架變形/破壞行為耦合。地質力學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、流體流動和固體變形與破壞之間的相互作用。砂巖擴容采用連續介質力學模型框架下的本構模型[12]和傳統的有限元方法，分析巖石微觀屬性變化導致的宏觀行為變化，包括巖石的變形、破裂及相關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局部應變的網格依賴性。同時，在網格變形嚴重的區域，采用ABAQUS軟件中的拉格朗日-歐拉(ALE)網格劃分技術進行處理。

利用CMG STARS熱采模擬軟件，結合自編代碼，將地質力學模擬中得到的復合擴容帶從有限元網格映射到熱采數值模擬網格。儲層的主要地質參數及地質力學參數均來自風城油田Z區。地應力取自現場小型壓裂測試結果，儲層巖石力學性質參數(抗剪強度、膨脹角和彈性常數)通過巖心室內三軸實驗獲得(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場泵送設備規范和現場施工經驗。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 地質力學模型參數Table 2 The geomechanical model parameters

3.2 模擬結果討論

3.2.1 擴容順序

復合擴容的關鍵在于如何將直井的擴容區與SAGD水平井的擴容區連接。如果先對直井進行擴容，并通過擴容區連接SAGD水平井，則SAGD注入井和生產井之間會優先形成一個局部擴容區，導致水平井的局部汽竄，不利于SAGD生產。因此，現場施工應首先擴容SAGD水平井，在SAGD水平井上建立擴容帶，通過擴容連接SAGD注汽井與生產井后，再啟動直井擴容，通過精細控制，最終將SAGD水平井和直井擴容帶相連接。

數值模型中水平井軌跡與水平最小主應力平行，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注入井和生產井進行擴容，期間直井關井，持續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，保持井底壓力低于擴容壓力但高于水平最小主應力，持續2.0 d。形成的復合擴容帶三維場圖如圖2所示，由圖2可知，腳尖區域的復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

為提高產量，SAGD水平井部署一般平行油層底部砂體構造，地應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力方向擴展。已有研究表明[5]，通過對SAGD井進行適當的孔壓預處理調節，可以形成垂向連接SAGD注采井并沿SAGD井均勻分布的擴容帶。在復合擴容過程中，即使地應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對建立復合擴容帶的影響，模擬了3個水平井軌跡方向：①軌跡平行于最小水平主應力；②軌跡平行于最大水平主應力；③軌跡與最大水平主應力方向呈40 °夾角。以垂直于直井且在生產水平井之上2.5 m的剖面進行分析。

根據模擬結果取得如下3點認識。

(1) 直井擴容帶寬度對于水平井軌跡與地應力方向夾角敏感。隨最大水平主應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。當水平井軌跡平行于最大水平主應力時，直井擴容帶較大，達到150 m，且形態為均勻對稱的扁橢圓形(圖3a)，地應力方向促進了擴容帶平行于水平井方向擴展；當水平井軌跡與最大水平主應力方向呈40 °夾角時，直井擴容帶為130 m，受地應力方向影響，擴容帶呈不對稱的窄條形(圖3b)；當水平井軌跡平行于最小水平應力時，地應力方向促進擴容帶沿垂直于水平井的方向傳播，直井擴容帶的寬度最小，為70 m，擴容孔隙度變化區域近似三角形(圖3c)。

圖3 不同地應力方向下的二維擴容孔隙度剖面

(2) 較寬的直井擴容區需要較大的注入液量。在相同的擴容注入速度下，當水平井軌跡平行于最小水平主應力時，直井需注入2.0 d；當軌跡平行于最大水平主應力時，直井需注入3.5 d；當水平井軌跡與最大水平主應力方向呈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) 直井擴容帶與水平井擴容帶能否連接，和水平井眼軌跡與地應力方向的夾角無直接關系。復合擴容帶形成的物理機制可以用孔隙彈性應力變化引起的水力裂縫偏移或應力干擾裂縫轉向機理[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

在其他參數相同的情況下，研究直井與SAGD水平井距離對復合擴容的影響，設水平井軌跡平行于水平最大主應力方向，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，新部署直井則可設計在距離水平井35 m以內。

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 輔助擴容后的生產效果預測

將擴容帶的結果導入CMG STARS油藏熱采模擬器。對SAGD循環預熱、SAGD生產、輔助直井蒸汽吞吐過程進行模擬，以得到復合擴容帶、直井蒸汽吞吐和SAGD水平井重力泄油作用對開發效果的綜合影響。根據現場實際，考慮2種情形：①常規SAGD生產，熱連通率只有70%；②直井輔助SAGD擴容的井組生產，即在SAGD水平井重力泄油生產的同時，輔助直井進行蒸汽吞吐生產。結果如圖5所示。由圖5可知：與傳統的SAGD工藝相比，經輔助擴容的井初期產油上升速度明顯加快，日產油峰值時間提前2 000 d，日產油峰值提高4.8 t/d；生產6 000 d，累計產油量提高約26 000 t，生產效果顯著改善。

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

4 結 論

(1) 直井輔助SAGD水平井復合擴容可有效實現巖石孔隙度和滲透率增加、巖石產生微破裂帶、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值模擬模型的完全耦合，可實現疏松砂巖地質力學擴容儲層物性參數變化、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水平井擴容應先進行水平井擴容，再進行直井擴容，以保證形成均勻連通的復合擴容帶；已有的擴容帶對附近新形成的擴容帶的牽引作用是復合擴容帶連接的關鍵。經過適當直井輔助擴容操作的SAGD井組，可有效利用直井蒸汽吞吐、SAGD生產的多重增產機理，發揮油井最大產能。