泡沫輔助SAGD開發特征

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.中國石油勘探開發研究院，北京 100083;3.青海油田勘探開發研究院，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合，以蒸汽作為加熱介質，依靠原油的重力作用進行開發的稠油熱采技術，因此SAGD過程中蒸汽腔的擴展發育對SAGD開發效果具有重要影響［1-5］。對于一些非均質性較強的儲層，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開發技術(FA-SAGD)是采用蒸汽和起泡劑聯合注入的方式對SAGD的工藝改進。筆者應用數值模擬方法對SAGD和FA-SAGD兩種開發方式在均質油藏和非均質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階段溫度場分布，對兩種開發方式的泄油特征進行更直觀地分析。

1 均質油藏FA-SAGD開發特征

1.1 均質模型的建立

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建立三維均質模型。三維模型尺寸為98 m×300 m×47 m，網格劃分為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均取自杜84塊實際參數，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，設計生產井距油層底部2 m，注采井垂向間距5 m，水平井段長300 m。

1.2 不同開發方式溫度分布

利用CMG-Stars數值模擬軟件進行了SAGD和FA-SAGD數值模擬。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動力學參數，不適合大尺度的油藏數值模擬研究。另一種是通過降低氣相流度來表征泡沫滲流特征的經驗模型，該模型未知參數較少，更適應于對實際油藏的泡沫驅的研究。本次模擬選用經驗模型來表征泡沫在多孔介質中的滲流特征。

在三維均質模型的基礎上，首先進行了蒸汽吞吐，主要起到預熱降壓的作用，然后進行了SAGD與FA-SAGD開發，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，產液速度均為300 t/d。為了對比兩種開發方式在相同開發時刻蒸汽腔擴展情況，FA-SAGD中泡沫劑與蒸汽同時注入，起泡劑質量分數為0.5%。

隨著蒸汽的持續注入，SAGD與FA-SAGD蒸汽腔在地層內沿不同方向逐漸擴展，油藏溫度逐漸增大。為了研究兩種開發方式蒸汽腔在地層內的擴展規律，對比了SAGD和FA-SAGD在不同開發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，FASAGD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 不同開發方式剩余油分布

圖2表示不同開發階段SAGD與FA-SAGD剩余油飽和度分布，可以看出:

(1)泄油初期，由于SAGD開發過程中蒸汽在儲層內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，因此儲層內垂向與水平方向原油均得到動用。

圖2 不同開發階段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 非均質油藏FA-SAGD開發特征

2.1 非均質模型的建立

ZHANG 等［8］在 Christina Lake油田通過四維地震成像技術(4D seismic imaging)發現儲層的非均質性會極大地影響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置2條高滲透帶，如圖3中條紋帶所示。三維非均質模型尺寸為98 m×300 m×47 m，網格劃分為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，模型其他油藏參數和流體參數與1.1中均質模型參數一致。在三維非均質模型中，設計生產井距油層底部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

在三維非均質模型的基礎上分別進行SAGD和FA-SAGD數值模擬。首先進行蒸汽吞吐，主要起到預熱降壓的作用，然后進行SAGD與FA-SAGD開發，注入參數與均質油藏兩種開發方式注入參數一致。圖3為SAGD與FA-SAGD開發5 a后蒸汽腔在儲層內沿水平井筒剖面方向溫度分布。可以看出SAGD開發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，說明非均質儲層SAGD開發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，FA-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揮調剖作用，改善非均質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部。

2.3 開發效果對比

圖5分別為非均質儲層SAGD與FA-SAGD開發過程中累積產出能量、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:非均質儲層FA-SAGD開發過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調控作用，蒸汽腔在地層內的擴展更為均勻，注入蒸汽能量能更有效地加熱原油，開發10 a后，累積產出能量要明顯低于SAGD，約為SAGD的70%。通過前面的分析可以看出，FA-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部原油，蒸汽腔與蓋層接觸面積較小，因此相對于 SAGD，FASAGD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%，有效地改善了開發效果。

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

通過對比SAGD與FA-SAGD在均質及非均質油藏中的開發特征，可以看出FA-SAGD開發機制為:

(1)注入蒸汽能量更有效地作用于油層內部。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部。

(2)改善非均質地層蒸汽不均勻擴展問題。在非均質油藏SAGD開發過程中，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開發過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調控作用，使得蒸汽腔在地層內的擴展更為均勻。

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

3 結論

(1)SAGD蒸汽腔發育呈“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蒸汽腔發育呈“碗”狀，蒸汽腔主要作用于油層內部，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開發過程中，由于泡沫對蒸汽沿高滲層竄流的調控作用，蒸汽腔在地層內的擴展更為均勻。

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

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