SAGD水平段动用程度判断方法及动用模式分析

桑林翔，张家豪，宁 朦，徐乔南，李程辉，潘海峰

（1.中国石油新疆油田分公司风城油田作业区，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000；3.国勘石油技术有限公司，北京 100083）

超稠油SAGD 开发的本质是重力泄油［1-3］。双水平井SAGD 的布井方式为上部注汽水平井（I井）、下部生产水平井（P 井），其驱动过程和驱动机理为［4-6］：①重力泄油。SAGD 的主驱动力为重力作用，重力对油藏泄油量影响非常巨大。②弹性驱动。随着高温蒸汽的注入，岩石骨架及原油体积受热膨胀，油层渗透效果增强，有效提高了原油产量。

F 油田超稠油油藏具有埋藏浅、黏度高、储层非均质性强等特点，油藏50 ℃原油黏度大于2×104mPa·s，目前F 油田超稠油SAGD 双水平井布井模式主要应用于侏罗系齐古组二段（J3q2）和三段（J3q3），开发过程中主要存在SAGD 蒸汽腔发育不均衡、水平段动用程度低等问题［7-11］。由于水平段动用程度与井组产量成正相关，提高SAGD 井水平段动用程度是改善SAGD 开发效果的关键因素［12-14］。因此，准确合理判断SAGD水平段动用程度尤为重要。

目前，F 油田SAGD 双水平井中，在P 井下入井下多点测温系统［15］，实时监测井筒内流体温度。油田一般根据井下监测的温度，依据经验以P 井测温点温度能否达到120 ℃来判断对应的水平段是否动用。由于该方法没有考虑P井非趾端温度损失及热液补充的动态变化，因此不够全面和准确。一些学者也推导了水平管流温度变化和SAGD 循环预热阶段长油管温降变化［16-19］，但是未见SAGD 正常生产阶段P 井非趾端温降的相关研究报道，因此需要进一步探索和研究合理的水平段动用程度判断方法。

1 水平段动用程度判断方法

考虑到SAGD井组正常生产条件下，P井趾端温度主要受上方泄液控制，非趾端测温点温度则受上方泄液和后端热液水平管流补充及热量向地层散失的影响，为此对趾端和非趾端分别进行研究，提出水平段动用程度判断方法。

1.1 趾端动用程度判断方法

通过建立不同温度下油藏水平井开采的机理模型，进行油藏数值模拟计算，可以明确不同温度条件下水平井生产特征，从而确定油藏动用情况。在SAGD 实际生产过程中，由于趾端温度仅受上方泄液影响，若趾端对应井段油藏动用，则趾端温度产生响应。因此，可以借鉴机理模型油藏数值模拟研究进行趾端动用程度判断。

以油藏代表性黏度与温度关系曲线作为计算依据（图1），在150 ℃条件下，J3q2的原油黏度为74 mPa·s，J3q3的原油黏度为104 mPa·s。根据吴永彬等研究成果，双水平井SAGD 井间原油黏度降低到接近或者低于100 mPa·s 时，对应水平段为动用状态，并且温度越高，原油黏度越低，泄油能力越强［20-25］。为评价井下温度下水平段的动用程度，引入单位水平段无因次产能概念，其定义为：某温度条件下水平井平均日产油量与150 ℃油藏温度条件下的平均日产油量之比；其值越大，说明对应水平段动用程度越好。

图1 F油田不同层位原油黏度与温度关系曲线Fig.1 Relationship between viscosity and temperature of crude oil at different layers in F Oilfield

油藏数值模拟研究结果表明（图2），对于J3q2，SAGD 正常生产阶段，P 井生产1 个月，当油藏温度低于80 ℃时，单位水平段无因次产能非常低，基本可以忽略不计；当油藏温度为80～150 ℃时，单位水平段无因次产能为0.2～1，平均值为0.51，说明地层中原油具有一定的流动性，水平井具有一定的产量，水平段可视为弱动用；当油藏温度高于150 ℃，随着温度的升高，原油流动性增强，单位水平段无因次产能持续增加，但增幅明显降低，视为强动用井段。而对于J3q3，SAGD正常生产阶段，当P井趾端温度低于100 ℃时，视为未动用；100～150 ℃条件下，单位水平段无因次产能为0.2～1，平均值为0.43，水平段可视为弱动用；高于150 ℃，视为强动用。

图2 不同层位单位水平段无因次产能与温度关系曲线Fig.2 Relationship curves of dimensionless productivity per unit horizontal section and temperature of different layers

1.2 非趾端动用程度判断方法

SAGD正常生产阶段，流体在P井井筒流动近似为水平流动，主要受流体压力、温度及热损失沿管线长度变化等因素影响，满足流体沿轴线方向稳定流动、管线中流体流动过程中无漏失及流体影响范围为井筒周围3 m等假设条件，具体判断方法如下。

第一步，热损失计算方法。SAGD 生产过程中P井产液，基于以上假设，总热阻主要包括管壁热阻和地层热阻，其表达式为：

热流体在地层管线流动过程中，总热阻的存在导致发生热损失，流体到井筒周围地层的热流量梯度表达式为：

第二步，压力梯度计算方法。SAGD 井组生产时，井口采出热液，为简化计算，地层管线中流体流动过程的压力梯度按照单向流体流动压力计算，热液水平流动过程中不考虑重力压降和动能压降，因此仅有管壁摩擦阻力引起的压降项，由动量守恒方程可知：

第三步，压力和温度耦合模型。对于单相热流体地层水平管线流动过程，其压力和温度动态模拟过程采用单相流体相关理论计算。流体在管线内流动考虑为一维稳定流动过程，对井筒长度取微元段，得：

由热力学基本方程可以导出热液比焓方程：

将（4）式和（5）式相结合，可得流体的温度梯度为：

对于液体来说，其压缩系数很小，可近似认为不可压缩，则液体焦耳汤姆逊系数可表示为：

不考虑水平段的倾角问题，温度梯度可表示为：

第四步，温度梯度计算。通过大量的文献调研，结合F 油田实际开发状况，参数取值如下：单相流体摩阻系数为0.033，单相流体密度为1.0 g/cm3，热液流量为60 t/d，筛管内径为0.18 m，筛管外径为0.20 m，注入热流体温度为200 ℃，周围地层环境温度为50 ℃，流体比热为2 000 J/（kg·℃），受热流体影响的地层厚度为3 m，地层导热系数为1.730 5 W/（m·℃），管壁（钢材）导热系数为43.3 W/（m·℃）。

根据上述计算方法和耦合模型，计算可得温度梯度为-0.5 ℃/m。

第五步，温降幅度计算。F 油田水平段平均长度约为400 m，分布10个测温点，各测温点之间的距离约为40 m，计算可得，热液流量为60 t/d 时，两个相邻测温点之间的温降幅度为0.1。

通过计算获得20，40，60，80，100，120，140 和160 t/d 热液流量条件下的温降幅度，并回归得出不同产液量下温降幅度图版中的公式，通过该回归公式可以计算任一热液流量条件下的温降幅度（图3）。考虑到工程需要，将温降幅度简化为：

温降幅度取值与热液流量有关，具体取值图版如图4所示。

图3 不同产液量下温降幅度图版Fig.3 Chart of temperature drop amplitude under different liquid production

图4 温降幅度取值图版Fig.4 Value of temperature drop amplitude

因此，在SAGD 正常生产过程中，如果P 井中的流动仅为从趾端向根端的热液流动，无上方泄液，那么两个相邻测温点之间的温降幅度约为A，当温降幅度大于A，可确定测温点井段上方未动用。反之，若P 井中的流动为从趾端向根部的热液流动和上方泄液，那么两个相邻测温点之间的温降幅度将低于A，测温点井段上方可视为弱动用；若温降梯度小于或者等于0，可确定测温点井段上方液量充足，视为强动用。

1.3 水平段动用程度判断标准

结合F 油田实际生产数据，选取最新的SAGD正常生产阶段的生产数据，根据P 井井底温度进行水平段动用程度判断，具体标准如下。

①趾端温度：对于J3q2，趾端温度大于150 ℃，对应水平段强动用；80～150 ℃，对应水平段弱动用；小于80 ℃，对应水平段未动用。对于J3q3，大于150 ℃，对应水平段强动用；100～150 ℃，对应水平段弱动用；小于100 ℃，对应水平段未动用。

②非趾端温度：根据温度变化趋势判断。若Tn-1点与Tn点相比，呈上升或者持平趋势，对应水平段强动用；若Tn-1点与Tn点相比，呈下降趋势，且温降幅度小于A，为弱动用；下降趋势，且温降幅度大于A，为未动用。

③强动用井段和弱动用井段视为有效动用；未动用井段、汽窜井段（通过Subcool判断）均认为是无效动用。

④有效动用程度=强动用程度×a+弱动用程度×b（a取值为1；参考80～150 ℃油藏平均无因次产油量，J3q2的b取值为0.51，J3q3的b取值为0.43）。

2 实例应用

选取F 油田SAGD 正常生产且温度监测无异常的井组温度曲线，根据以上方法进行动用程度判断；并统计155 个井组在所选取温度曲线对应日期前后30 d 的平均生产状况，其中Z1 井区共计37 个井组，Z32 井区共计25 个井组，Z18 井区J3q3共计59个井组，Z18井区J3q2共计20个井组。

2.1 动用程度判断与分析

首先对每个井组的动用位置、动用程度、产液量等参数进行分析与对比。例如J3q3的SAGD-1 井组，从根端到趾端依次平均分布10 个测温点T3—T12，根据日产液量为44 t/d，A取值为0.13，b取值为0.43，根据P 井温度数据从趾端向根端逐点判断水平段动用情况。趾端T12 温度为215 ℃，对应水平段强动用；T9—T11 温度均超过250 ℃，根据Subcool判断为汽窜段；T8相对于T9，温降幅度为0.30，超过0.13，判断对应水平段未动用；T7 相对于T8，温度变化呈上升趋势，判断对应水平段为强动用；T6 相对于T7，温降幅度为0.17，超过0.13，判断对应水平段未动用；T3—T5 温度变化呈上升或者持平趋势，对应水平段强动用。根据动用水平段的位置可以看出，整个水平段分散动用，其中强动用段占比为50%，弱动用段占比为0，汽窜段占比为30%，未动用段占比为20%，井组动用程度为50%。

通过F 油田155 个井组正常SAGD 生产阶段的生产数据分析可得，整体平均动用程度为66%，平均渗透率为1 584 mD，平均日产液量为66.4 t/d；Z1井区平均动用程度为72%，平均渗透率为1 687 mD，平均日产液量为77.9 t/d；Z32 井区平均动用程度为78%，平均渗透率为2 727 mD，平均日产液量为81.1 t/d；Z18 井区J3q3平均动用程度为52%，平均渗透率为947 mD，平均日产液量为49.1 t/d；Z18 井区J3q2平均动用程度为73%，平均渗透率为1 909 mD，平均日产液量为63.0 t/d。

2.2 动用模式划分及产能评价

根据水平段动用程度判断方法，对趾端和非趾端动用程度进行判断，明确强动用段、弱动用段和未动用段所在位置，总结出水平段不同动用模型。结果显示，F 油田SAGD 井组可划分为5 种动用模式（图5）：①全段动用式，即整个SAGD 水平段全部动用。②前部动用式，即SAGD 水平井根部动用或者根部和中部同时动用。③后部动用式，即SAGD 水平井趾端动用或者趾端和中部同时动用。④中部动用式，即仅SAGD 水平段中部动用。⑤分散动用式，即动用部位不连续，分成两段或者两段以上。

图5 水平段动用模式划分Fig.5 Division of producing modes of horizontal section

统计和分析不同动用模式相关生产数据，结果表明（图6）：水平段动用程度越高，则SAGD 井组的日产液水平越高。不同水平段动用模式井组的产能由大到小为全段动用模式、前部动用和分散动用模式、中部动用模式、后部动用模式。全段动用模式的SAGD井组日产液量高达101.4 t/d，生产状况良好；而中部动用模式和后部动用模式的SAGD 井组日产液量分别为41.7和38.6 t/d，生产状况差。

图6 水平段不同动用模式下的生产特征Fig.6 Production characteristics under different producing modes in horizontal section

2.3 SAGD生产效果主控因素分析

为明确SAGD 生产效果的影响因素，以动用程度（x1）和对应的储层渗透率（x2），对日产液量（y）进行二元回归，分别建立Z1 井区、Z32 井区、Z18 井区J3q3层和Z18 井区J3q2层SAGD 井组日产液量和动用程度与储层渗透率的关系式（表1）。根据建立的关系式，得到如下认识：①各井区二元回归的相关系数均高于0.7，表明日产液量与动用程度和储层渗透率之间具有较高的正相关性，即在明确水平段动用程度和储层渗透率情况下，可以利用回归所得公式进行产液量的相关计算，同时验证了所建立水平段动用程度判断方法的可靠性。②J3q3的二元回归相关系数低于J3q2，这是由于J3q3的非均质性强所导致，非均质性越强，用单一数值进行井组渗透率的表征误差越大，同时井组日产液量的影响因素也越多，导致二元回归相关系数降低。③回归公式中动用程度系数远高于渗透率系数，说明有效动用程度对SAGD 井组日产液量影响比渗透率的影响大，因此，提高水平段动用程度是提高SAGD 生产效果的关键。

表1 不同井区日产液量、动用程度与储层渗透率的二元回归计算结果Table1 Binary regression calculation results of daily liquid production，producing degree and reservoir permeability in different well areas

3 结论

从水平井热量补充和损失角度入手，明确了在SAGD 井组正常生产条件下，P井趾端温度主要受上方泄液控制，而非趾端测温点温度则受上方泄液和后端热液水平管流补充及热量向地层散失的影响。结合黏温曲线和油藏数值模拟研究，以单位水平段无因次产能为依据，确定了趾端动用程度的判断方法。基于P井非趾端温度损失及补充，根据热力学、水平管流和能量守恒方程等，推导了SAGD 水平井管流温度梯度的计算公式，确定了非趾端部位动用程度判断方法。综合趾端和非趾端动用程度判断方法，提出了水平段动用程度判断方法。通过现场井组应用，证实该方法简便、快捷，易于现场应用，且可靠性强。

通过水平段动用程度判断方法在F 油田155 个SAGD正常生产阶段井组的现场应用，建立了5种动用模式，并对各类模式的生产特征进行了分析，结果表明日产液量与动用程度和储层渗透率之间的相关系数较高，且动用程度是影响产能的最主要因素，明确了提高水平段动用程度是提高SAGD 生产效果的关键。

符号解释

A——温降幅度；

cp——流体比热，J/（kg·℃）；

d——筛管内径，m；

fl——单相流体摩阻系数；

g——重力加速度，m/s2；

h——受管内热流体影响的地层厚度，m；

H——流体比焓，J/kg；

Ke——地层导热系数，W/（m·℃）；

Kg——管壁导热系数，W/（m·℃）；

Mt——注入热流体质量流量，kg/s；

n——第n个测温点；

p——热流体压力，MPa；

q——热流体热流量，J/kg；

rgi——筛管内半径，m；

rgo——筛管外半径，m；

Ta——周围地层环境温度，℃；

Tf——筛管内流体开始流动温度，℃；

Tn——第n个测温点温度，℃；

Ts——注入热流体温度，℃；

Ugo——总导热系数，W/（m·℃）；

v——单相流体流速，m/s；

z——管线长度，m；

αj——焦耳汤姆逊系数，℃/MPa；

θ——水平段相对于水平面的倾角，°；

ρ——单相流体密度，kg/m3。