非均質儲層內夾層對SAGD開發的影響及技術對策

劉衛東 張洪 都炳鋒 趙睿 潘永強

1. 克拉瑪依市富城能源集團有限公司；2. 新疆金戈壁油砂礦開發有限責任公司；3. 中國石油新疆油田公司勘探開發研究院

近年來，我國SAGD技術逐步從室內研究走向礦場試驗并成功實現工業化推廣［1-2］。與應用最廣泛的加拿大商業化SAGD項目不同，國內SAGD技術面對的多是陸相辮狀河沉積成因儲層，層內夾層廣泛發育，給SAGD生產帶來諸多挑戰［3］。隨著SAGD開發的深入，夾層對水平段動用、蒸汽腔發育、日產油和采收率的影響日益凸顯。以多年的室內研究和礦場實踐為基礎，以新疆風城SAGD開發為例，從地質油藏、生產動態及操作對夾層給SAGD開發帶來的影響進行分析，提出提高采收率技術對策，為同類油藏SAGD開發克服和減輕夾層帶來的影響及改善開發效果提供參考。

1 夾層特征及分布

1.1 夾層特征

針對新疆風城油田SAGD典型開發區A1區，基于巖心資料、野外露頭描述及現代沉積認識［4］，利用巖心標定測井，劃分出3種成因類型的夾層：泛濫平原沉積、泥質半充填與泥質充填辮狀河道、心灘壩內部落淤層、溝道沉積。現場實踐表明，夾層發育位置、規模、大小及滲透率均會影響SAGD開發效果。為精細表征夾層三維空間分布特征，采用嵌入式建模方法建立了A1區儲層構型模型(圖1)［5］。根據模型統計，單井組夾層數1～6個，夾層厚度0.3～1.5 m，展布范圍40～300 m，夾層滲透率一般在(2～15)×10?3μm2。根據夾層分布特征歸結為3類：夾層發育相對較少，覆蓋水平井范圍一般小于30%；夾層發育中等，覆蓋水平井范圍一般在30%～60%；夾層廣泛發育，垂向上發育較多，大多超過3個，覆蓋水平井范圍超過60%。

圖1 風城油田A1區夾層空間展布示意圖Fig. 1 Sketch of spatial distribution of interlayers in Block A1 of Fengcheng Oilfield

1.2 夾層分布模式

重點考慮夾層位置、大小和相互關系，從垂直水平井方向和沿水平井方向2個維度、井間有無夾層出發，總結出2大類夾層分布模式。第一類為注采井間或注采井間及注汽井上方發育夾層：井間發育范圍較大的夾層，注汽井上方無夾層(圖2a、2d)；井間發育規模不等的夾層，注汽井之上發育不同遮擋面積的夾層(圖2b、2c、2e、2f)。第二類為只在注汽井之上發育夾層：注汽井上方發育一個范圍較大的夾層，一般距離注汽井3 m以上(圖2g)；注汽井上方發育多個不同遮擋面積的夾層，垂向上錯落或疊置分布，單個夾層覆蓋面積10%～80%不等(圖2h、2i、2k、2l)。

2 夾層對SAGD開發的影響

2.1 對注采動態的影響

實際生產表明，夾層控制下的SAGD井組注采能力低，生產效果差。以風城油田A1區為例，統計結果如圖3所示。有夾層發育時，單井日產油和注汽速度均低于無夾層情況，當注汽井上方發育大規模夾層時對生產效果影響尤為顯著。對于注采矛盾而言，夾層產生了2個負面作用：夾層在注汽井上方成為“頂板式”的阻擋面，儲層吸汽能力急劇下降，造成同等操作壓力條件下注汽量大幅下降；夾層在井間直接形成滲流遮擋，垂向滲流阻力大大增加，有效泄流通道減少，造成相同水平段長條件下實際泄油能力大幅降低；夾層的垂向交錯與疊合，使得滲流路徑迂曲延長，等效增加滲流阻力。如圖4所示，為相鄰2口井的生產動態對比曲線，F1井組注汽井上方發育夾層，F2井組無夾層發育，F1井組在同等操作壓力條件下注汽量僅為F2井組的50%左右，產量也較F2低50%。

圖2 研究區SAGD水平井夾層分布模式Fig. 2 Distribution model of the interlayers in SAGD horizontal wells in the study area

圖3 SAGD開發區夾層與注汽速度及日產油的關系Fig. 3 Relationships of the interlayers of SAGD development area vs. steam injection rate and daily oil production

圖4 SAGD開發區典型井生產曲線對比Fig. 4 Comparison between the production curves of typical wells in the SAGD development area

2.2 對蒸汽腔發育的影響

生產實踐表明，夾層會對SAGD蒸汽腔形成和擴展造成嚴重影響，進而降低SAGD生產效果。風城油田A1區M井組為井間和注汽井上方發育夾層的典型井組，該井組注汽井上方發育一條長度為150 m、寬度為65 m的物性夾層，為典型的第二類夾層，該井組平均日產油僅20.7 t/d，遠低于平均日產油41.6 t/d的相鄰井組。采用M井組實際地質模型，在對其進行生產動態歷史擬合后，開展蒸汽腔發育數值模擬，結果顯示如圖5所示。水平段不同位置流體流動能力差異較大。夾層發育處由于蒸汽腔發育有限，供流量較小，遠低于蒸汽腔發育好的部位。隨時間推移，蒸汽腔不斷擴展，但夾層處流體流動能力仍然受限，導致夾層上方形成一個含油飽和度較高的死油區。

2.3 夾層遮擋界限

受監測井資料的限制難以確定夾層物性、產狀等下限，而夾層遮擋下限的確定對于制定合理的開發方案至關重要。為此，結合研究區域的地質特征，以夾層滲透率、垂直水平段方向寬度作為影響蒸汽腔發育的主要因素，采用概念模型，通過數值模擬得到夾層不同滲透率、垂直水平段方向寬度條件下的溫度場，即得到夾層遮擋界限。模型網格大小5 m×2 m×0.5 m，油層孔隙度30%，滲透率1 500×10?3μm2，含油飽和度0.72，夾層分布于注汽井之上5 m和之下2 m。

圖5 夾層影響的SAGD井組流線模擬結果Fig. 5 Streamline simulation results of SAGD well group under the influence of interlayers

研究結果顯示，夾層滲透率小于10×10?3μm2，即儲層與夾層滲透率級差大于150時，夾層上方無法形成蒸汽腔，井間無泄油通道建立；夾層滲透率在(10～50)×10?3μm2，即儲層與夾層滲透率級差在30～150時，夾層嚴重阻礙蒸汽腔的擴展及泄油，夾層上方儲層無法動用；夾層滲透率在(50～500)×10?3μm2，即儲層與夾層滲透率級差在3～30時，夾層會阻礙蒸汽腔發育和泄油，但部分蒸汽可以穿過夾層向上擴展，夾層滲透率越大，阻礙作用越小；夾層滲透率大于500×10?3μm2，即儲層與隔夾層滲透率級差小于3時，夾層無阻礙作用。垂直水平段方向夾層延伸寬度影響顯示，寬度半徑小于10 m的夾層，蒸汽可以在2年內突破；沿構造上傾方向，蒸汽2年內可以突破寬度15 m，5年可以突破25 m，10年可突破47 m；沿構造下傾方向，蒸汽2年內可以突破寬度10 m，5年可突破19 m，10年可突破28 m。結合實際生產情況，垂直水平段方向半徑10～25 m的夾層對蒸汽腔擴展有影響，夾層半徑大于25 m時，有效生產期內很難突破。

根據上述研究，夾層對蒸汽腔擴展的影響分為3類，如表1所示。Ⅰ類為蒸汽無法突破的夾層，該類夾層滲透率小于10×10?3μm2，滲透率級差大于150，夾層半徑大于30 m；Ⅱ類為嚴重阻礙蒸汽腔發育的夾層，該類夾層滲透率(10～50)×10?3μm2，滲透率級差30～150，夾層半徑25～30 m；Ⅲ類為對蒸汽腔發育有影響的夾層，后期可以突破，該類夾層的滲透率大于50×10?3μm2，級差3～30，夾層半徑10～25 m。該界限與實際生產的觀察井中蒸汽腔的監測數據一致，表明結果較為可靠。

表1 夾層對SAGD開發蒸汽腔遮擋界限劃分標準Table 1 Classification standard of interlayer used as the barrier boundary of steam chamber in SAGD development

3 對策及應用實例

3.1 對策

前人已在夾層對SAGD開發的影響方面開展了一些研究［6-9］，但針對夾層影響下如何提高SAGD采收率的技術對策尚不明確。根據前述對夾層在SAGD開發過程中的影響認識，提出通過優化井網井型，引入新的增產機理強化泄油的對策，以消除和減輕夾層影響。該方式優點是從方案設計階段著手，一次部署全生命周期井網，全方位優化井網井型和操作參數，從成本及技術難度兩方面綜合考慮，均利于實現更高效的開發，目前已從室內研究走向礦場試驗和應用，進入了不斷完善和深化配套階段。以此對策為基礎，提出直井輔助SAGD、雙層立體井網SAGD、魚骨注汽井SAGD共3種提高采收率技術并在風城油田開展現場試驗，取得了較好效果。

3.2 應用實例

3.2.1 直井輔助SAGD

該技術采用觀察井作為輔助井，或在開發方案設計階段根據夾層發育情況設計輔助井，在適當的時機通過輔助井注汽動用夾層上部剩余油。A1區SAGD開發目的層夾層廣泛發育，油層厚度平均20 m，滲透率平均1 500×10?3μm2，50 ℃原油黏度平均2.5×104mPa · s，受夾層影響，SAGD水平段動用較差(一般在50%～70%)。試驗采用1口直井輔助2對SAGD井組模式，直井先吞吐后連續小汽量注汽。通過1輪吞吐生產后，輔助直井與2對SAGD水平井蒸汽腔均實現連通。吞吐過程中，水平段腳尖方向蒸汽腔迅速發育，并與腳跟方向蒸汽腔融合，井下溫度監測顯示水平段動用程度達到75%～90%，溫度分布更加均衡，生產效果顯著提升。如表2所示，對比輔助前，F4井組日產油提高10 t/d，達到30 t/d；油汽比提升0.12，達到0.31。F5井組日產油提高22 t/d，達到50 t/d；油汽比提升0.19，達到0.33。

表2 F4、F5井組直井輔助SAGD效果統計表Table 2 Statistical effects of vertical well assisted SAGD in F4 and F5 well groups

3.2.2 雙層立體井網SAGD

風城Z區塊SAGD開發目的層油層厚度平均40 m，滲透率平均1 200×10?3μm2，50 ℃原油黏度平均2.0×104mPa · s。夾層廣泛發育，厚度在0.5～4.5 m之間，平均2.0 m，采用常規SAGD方式部署夾層上部儲量損失大，因此采用雙層立體井網部署［10］。SAGD井部署采用上下兩層平面等距交錯方式，下層井網部署在油層底部，距離底部1～2 m，井距80 m，上層井網與下層井網平行交錯部署，夾層不發育部位部署在油層中部，夾層發育部位部署在距離夾層底界1～2 m處，井距80 m，與下層井網構成40 m井距的立體井網。

Z區塊26組試驗井投產后取得了顯著效果，與同區塊單層常規部署相比，初期采油速度提高50%，儲量損失減小30%，這是由于夾層上部常規方式無法動用的儲量在雙層井網方式下有效動用，上下蒸汽腔同時發育形成了立體開發模式。此外，由于上層井網位于儲層中上部，儲層條件較好，生產效果更好，日產油量與油汽比均較下層井網高(表3)。數值模擬預測該方式最終采收率可由常規單層井網SAGD部署的60.0% 提高到68.4%；年采油速度可達到8.4%，有效加快了蒸汽腔發育速度和提高剩余油動用程度。開發后期，考慮開發的綜合效益，還可在上部井組繼續小汽量注蒸汽及氮氣等非凝析氣，調整SAGD蒸汽腔，形成水平井汽驅輔助與重力泄油的雙重開發效果。

表3 Z區塊雙層SAGD生產效果統計表Table 3 Statistical effects of double-layer SAGD in Block Z

3.2.3 魚骨注汽井SAGD

風城油田C井區SAGD開發區油層有效厚度平均18.0 m，滲透率平均900×10?3μm2，50 ℃原油黏度平均5.4×104mPa · s，受夾層影響，普通SAGD方式開發效果較差。針對油藏特點，提出魚骨注汽井SAGD，該方式為生產水平井保持不變，將注汽水平井改為帶有分支的魚骨井，通過分支深入儲集層，增強儲集層吸汽能力、提高流體的滲流能力和減少夾層上方的剩余油［11］。

在風城油田C井區開展1井組試驗。設計注采井垂向間距5 m，水平段長度為450 m；注汽井為4分支水平井，分支交錯對稱分布，單分支長度100 m，平面上分支偏移主井眼最大距離為15 m，垂向上偏移主井眼最大距離5 m，分支鉆穿夾層。試驗井組生產310 d，日產油12.4 t，油汽比0.14，與同區塊儲集層相似的正常生產5井組對比，平均日產油多2.3 t/d，油汽比高0.02(表4)。

表4 魚骨注汽井SAGD與同區塊常規SAGD井組效果對比表Table 4 Effect comparison between fish-bone steam injector SAGD and conventional SAGD in the same block

4 結論

(1)新疆SAGD開發區夾層分布：夾層發育相對較少，覆蓋水平井范圍一般小于30%；夾層發育中等，覆蓋水平井范圍在30%～60%；夾層廣泛發育，垂向上發育個數較多，大多超過3個，覆蓋水平井范圍超過60%。

(2)夾層對蒸汽腔擴展影響分3類：Ⅰ類為蒸汽無法突破的夾層，該類夾層滲透率小于10×10?3μm2，滲透率級差大于150，夾層半徑大于30 m；Ⅱ類為嚴重阻礙蒸汽腔發育的夾層，該類夾層滲透率(10～50)×10?3μm2，滲透率級差30～150，夾層半徑25～30 m；Ⅲ類為對蒸汽腔發育有影響的夾層，后期可以突破，該類夾層的滲透率大于50×10?3μm2，級差3～30，夾層半徑10～25 m。

(3)夾層發育時，單井日產油和注汽速度均低于無夾層情況。夾層發育部位流體的流動能力較弱，遠低于無夾層蒸汽腔發育好的部位，夾層上方形成一個含油飽和度較高的死油區。基于引入新的增產機理強化泄油對策的直井輔助SAGD、雙層立體井網SAGD和魚骨注汽井SAGD三種提高采收率技術現場應用效果顯著，可有效克服和減輕夾層影響，進一步提高SAGD采收率。