直井辅助SAGD扩容及地质力学-热采耦合数值模拟

赵 睿，桑林翔，陈伦俊，徐 斌，罗池辉，孟祥兵

(1.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000； 2.Origin Geomechanics Inc.，Calgary AB T3H 0X6，Canada； 3.东北大学，辽宁 沈阳 110000)

0 引 言

SAGD是超稠油开采的一项重要技术，新疆油田和辽河油田采用该技术实现了常规方式难以动用的超稠油油藏有效开发。双水平井SAGD是一种经典的布井方式，采用该方式可获得较高采收率[1-2]，对于非均质储层而言，高效实现注采井间的均匀连通是一项挑战。常规SAGD预热启动一般采用注蒸汽循环法，主要机理是蒸汽对储层的热传导，但该方法效率低、耗汽量大。为此，发展了SAGD扩容启动技术，并成功实现工业化应用[3-5]，大幅缩短SAGD预热周期(46%～65%)并降低蒸汽用量(50%)。

近年来，随着开发的深入，储层物性变差，沿SAGD水平段的储层非均质性增强，加之受水平段流动压差分布影响，水平段动用不均匀的问题日益凸显，严重影响了SAGD井的产量和储量有效动用。针对该问题，提出一种新的扩容启动方法，在水平井附近物性较差段或脚尖附近选取直井，分别对SAGD水平井和直井进行扩容，形成均匀连通水平井和直井的复合扩容通道，以改善和提高水平段动用的均匀性，提升SAGD开发效果。以准噶尔盆地风城油田Z区为例，通过地质力学耦合热采数值模拟，分析SAGD井对和直井的扩容顺序、扩容效果的影响因素及复合扩容后的生产效果，为同类油藏实施复合扩容提供借鉴和指导。

1 研究区概况

准噶尔盆地风城油田Z区为SAGD开发区，目的层侏罗系齐古组油藏属陆相辫状河沉积，储层质量差，非均质性强，夹层广泛分布，为典型的III类超稠油油藏(表1)。目的层油层厚度为12～35 m，平均为22 m，岩性为中细砂岩，胶结疏松中等，泥质含量为8%～16%，孔隙度为23%～28%，含油饱和度为65%～75%，渗透率为500～1 000 mD。根据现场小型压裂测试结果，研究区最小水平应力梯度为16.8 kPa/m，最大水平应力梯度为18.2 kPa/m。密度曲线计算垂向应力梯度为21.3 kPa/m，主应力方向约为NE 30 °[6]。

SAGD水平井段长度一般为400～600 m，井间距为4.0～6.0 m，注汽井与生产井均采用长短管结构平行双管完井，生产井采用热电偶测温。受储层强非均质性影响，SAGD水平井段往往物性变化较大，渗透率极差一般大于3，多数井转SAGD生产后存在水平段动用不均匀和动用率低的问题。同时，受水平段压差分布及单点采油影响，水平段后端多不动用或动用差。常规的扩容启动技术已难以满足生产要求，需要提出辅助扩容新方法，以改善生产效果。

2 直井辅助SAGD井扩容工艺及原理

根据岩石力学理论，当剪应力或张应力超过岩石强度时，岩石会出现变形破坏现象。部分岩石，特别是弱固结砂岩，在剪切破坏或张性破坏下产生体积膨胀称其为岩石扩容。大量实验室研究和现场数据表明[7-13]，通过扩容可实现以下作用：①岩石的孔隙度和渗透率增加；②岩石中产生微破裂带；③注采井的注入和采油能力增加。

对于强非均质储层，物性差的井段往往存在选择性扩容情况(比如在物性较好的井段优先扩容导致物性差的井段无法动用)，扩容效果差，从而影响连通均匀性[14]。此外，受双水平井间压差分布影响，脚尖不动用问题在生产阶段较为突出。从改善渗流条件和增加驱动机理2个方面出发，提出直井辅助SAGD井扩容启动的复合扩容新方法。工艺过程如图1所示：①在水平井附近钻直井或选择合适的观察井作为辅助直井，并射孔以注入流体(图1a)；②SAGD水平井扩容以水力快速连通注汽井和生产井(图1b)；③辅助直井注入高压流体扩容并连接直井扩容带与水平井扩容带(图1c)；④直井吞吐和水平井重力泄油实现复合增产(图1d)。该方法可在预热阶段快速建立直井和SAGD水平井蒸汽腔的连通，生产阶段直井局部蒸汽驱和水平井重力泄油同时发挥作用，直井可作为注入点及热源，增加SAGD生产调控的灵活性。

图1 直井辅助SAGD水平井扩容工艺示意图(垂直于SAGD水平井方向的二维剖面)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 地质力学耦合热采数值模拟

通过地质力学模拟研究现场施工方案明确储层的地质力学性质对复合扩容带扩展和连通的影响，利用油藏热采模拟研究复合扩容带对油井产量的影响。

3.1 耦合模拟方法

利用ABAQUS软件和FORTRAN用户子程序模拟砂岩扩容前后流体流动特性，模拟器与流体流动、热传导和岩石骨架变形/破坏行为耦合。地质力学模拟采用完全耦合的热-水-固体变形(T-H-M)比奥方程，考虑热传导、流体流动和固体变形与破坏之间的相互作用。砂岩扩容采用连续介质力学模型框架下的本构模型[12]和传统的有限元方法，分析岩石微观属性变化导致的宏观行为变化，包括岩石的变形、破裂及相关流体流动能力的增强。采用流度模型来模拟疏松砂岩储层的膨胀行为。模型考虑了对局部应变的捕捉，使用正则化算法缓解材料在塑性变形增加时出现局部应变的网格依赖性。同时，在网格变形严重的区域，采用ABAQUS软件中的拉格朗日-欧拉(ALE)网格划分技术进行处理。

利用CMG STARS热采模拟软件，结合自编代码，将地质力学模拟中得到的复合扩容带从有限元网格映射到热采数值模拟网格。储层的主要地质参数及地质力学参数均来自风城油田Z区。地应力取自现场小型压裂测试结果，储层岩石力学性质参数(抗剪强度、膨胀角和弹性常数)通过岩心室内三轴实验获得(表2)。模拟SAGD水平段长为600 m，SAGD水平井和直井的注入速率取自现场泵送设备规范和现场施工经验。SAGD单井的最大泵速为250 L/min，直井为150 L/min，扩容液通过SAGD水平井的长管注入井底。

表2 地质力学模型参数Table 2 The geomechanical model parameters

3.2 模拟结果讨论

3.2.1 扩容顺序

复合扩容的关键在于如何将直井的扩容区与SAGD水平井的扩容区连接。如果先对直井进行扩容，并通过扩容区连接SAGD水平井，则SAGD注入井和生产井之间会优先形成一个局部扩容区，导致水平井的局部汽窜，不利于SAGD生产。因此，现场施工应首先扩容SAGD水平井，在SAGD水平井上建立扩容带，通过扩容连接SAGD注汽井与生产井后，再启动直井扩容，通过精细控制，最终将SAGD水平井和直井扩容带相连接。

数值模型中水平井轨迹与水平最小主应力平行，直井与水平井平面距离为21 m，距水平井脚尖80 m。模拟扩容步骤如下：①采用250 L/min的注入速度，对SAGD注入井和生产井进行扩容，期间直井关井，持续2.0 d；②以150 L/min的注入速度对直井进行扩容，SAGD水平井通过长油管和短油管循环，保持井底压力低于扩容压力但高于水平最小主应力，持续2.0 d。形成的复合扩容带三维场图如图2所示，由图2可知，脚尖区域的复合扩容带将直井和水平井对均匀连接。扩容带的孔隙度平均增加1.33 个百分点，最大增加2.72 个百分点；渗透率平均增加480 mD，最大增加983 mD；流体流度平均增加330 mD/(mPa·s)，扩容程度由井附近向外逐步降低。

图2 复合扩容带孔隙度三维场图Fig.2 The 3D porosity field map of composite dilation zone

3.2.2 水平井轨迹的影响

为提高产量，SAGD水平井部署一般平行油层底部砂体构造，地应力方向与水平井轨迹之间的夹角随机。而扩容带一般沿着最大水平应力方向扩展。已有研究表明[5]，通过对SAGD井进行适当的孔压预处理调节，可以形成垂向连接SAGD注采井并沿SAGD井均匀分布的扩容带。在复合扩容过程中，即使地应力方向不利于形成垂直于水平井轨迹扩展的扩容带，也要保证从直井位置产生的扩容带能与SAGD水平井的扩容带相连。为分析水平井轨迹方向对建立复合扩容带的影响，模拟了3个水平井轨迹方向：①轨迹平行于最小水平主应力；②轨迹平行于最大水平主应力；③轨迹与最大水平主应力方向呈40 °夹角。以垂直于直井且在生产水平井之上2.5 m的剖面进行分析。

根据模拟结果取得如下3点认识。

(1) 直井扩容带宽度对于水平井轨迹与地应力方向夹角敏感。随最大水平主应力方向与水平井轨迹夹角逐步增大(0 °～90 °)，扩容带宽度逐渐变小，宽度范围为70～150 m。当水平井轨迹平行于最大水平主应力时，直井扩容带较大，达到150 m，且形态为均匀对称的扁椭圆形(图3a)，地应力方向促进了扩容带平行于水平井方向扩展；当水平井轨迹与最大水平主应力方向呈40 °夹角时，直井扩容带为130 m，受地应力方向影响，扩容带呈不对称的窄条形(图3b)；当水平井轨迹平行于最小水平应力时，地应力方向促进扩容带沿垂直于水平井的方向传播，直井扩容带的宽度最小，为70 m，扩容孔隙度变化区域近似三角形(图3c)。

图3 不同地应力方向下的二维扩容孔隙度剖面

(2) 较宽的直井扩容区需要较大的注入液量。在相同的扩容注入速度下，当水平井轨迹平行于最小水平主应力时，直井需注入2.0 d；当轨迹平行于最大水平主应力时，直井需注入3.5 d；当水平井轨迹与最大水平主应力方向呈40 °夹角时，直井需注入3.0 d。扩容带越宽，需要注入更多流体以占据因岩石扩容而新增加的孔隙空间，由此进一步强化扩容作用和改善储层物性。

(3) 直井扩容带与水平井扩容带能否连接，和水平井眼轨迹与地应力方向的夹角无直接关系。复合扩容带形成的物理机制可以用孔隙弹性应力变化引起的水力裂缝偏移或应力干扰裂缝转向机理[18]来解释。注入井的扩容带会受附近另一口井的扩容带引起的孔隙弹性应力变化影响而偏移，已有的扩容带对附近新形成的扩容带具有牵引作用，使得新扩容带向着附近已经有的扩容带扩展。

3.2.3 直井与SAGD水平井距离的影响

在其他参数相同的情况下，研究直井与SAGD水平井距离对复合扩容的影响，设水平井轨迹平行于水平最大主应力方向，模拟辅助直井距离水平井平面距离为21、35、50 m的情况，并以垂直于直井且在生产水平井之上2.5 m的剖面进行分析(图4)。由图4可知，直井和SAGD水平井之间的距离越大，扩容带连接越困难，井距大于35 m时很难形成有效连接。实际应用过程中，建议选取已有观察井作为辅助启动井时井距不大于35 m，新部署直井则可设计在距离水平井35 m以内。

图4 直井与水平井不同距离下的二维扩容孔隙度剖面

3.2.4 辅助扩容后的生产效果预测

将扩容带的结果导入CMG STARS油藏热采模拟器。对SAGD循环预热、SAGD生产、辅助直井蒸汽吞吐过程进行模拟，以得到复合扩容带、直井蒸汽吞吐和SAGD水平井重力泄油作用对开发效果的综合影响。根据现场实际，考虑2种情形：①常规SAGD生产，热连通率只有70%；②直井辅助SAGD扩容的井组生产，即在SAGD水平井重力泄油生产的同时，辅助直井进行蒸汽吞吐生产。结果如图5所示。由图5可知：与传统的SAGD工艺相比，经辅助扩容的井初期产油上升速度明显加快，日产油峰值时间提前2 000 d，日产油峰值提高4.8 t/d；生产6 000 d，累计产油量提高约26 000 t，生产效果显著改善。

图5 直井辅助扩容下井组生产曲线Fig.5 The production curve of well group under vertical well assisted dilation

4 结 论

(1) 直井辅助SAGD水平井复合扩容可有效实现岩石孔隙度和渗透率增加、岩石产生微破裂带、注采井的注入和采油能力增加。

(2) 通过有限元方法与热采油藏数值模拟模型的完全耦合，可实现疏松砂岩地质力学扩容储层物性参数变化、流体流动行为变化以及注蒸汽热采过程的有效模拟。

(3) 直井辅助SAGD水平井扩容应先进行水平井扩容，再进行直井扩容，以保证形成均匀连通的复合扩容带；已有的扩容带对附近新形成的扩容带的牵引作用是复合扩容带连接的关键。经过适当直井辅助扩容操作的SAGD井组，可有效利用直井蒸汽吞吐、SAGD生产的多重增产机理，发挥油井最大产能。