泡沫辅助SAGD开发特征

鹿 腾，李兆敏，孙晓娜，李宾飞，高永荣，王宝利

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580;2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083;3.青海油田勘探开发研究院，甘肃酒泉 736202)

蒸汽辅助重力泄油(SAGD)是将流体热对流与热传导相结合，以蒸汽作为加热介质，依靠原油的重力作用进行开发的稠油热采技术，因此SAGD过程中蒸汽腔的扩展发育对SAGD开发效果具有重要影响［1-5］。对于一些非均质性较强的储层，蒸汽由于易沿高渗层窜流而使蒸汽腔扩展较差，从而导致SAGD开发效果不理想［6-9］。泡沫流体可以改善不利的流度比、提高波及系数和扫油效率、延缓气体的突破时间，从而提高油气开采效率［10-15］。泡沫辅助SAGD开发技术(FA-SAGD)是采用蒸汽和起泡剂联合注入的方式对SAGD的工艺改进。笔者应用数值模拟方法对SAGD和FA-SAGD两种开发方式在均质油藏和非均质油藏的蒸汽腔扩展过程进行对比研究，利用Surfer制图软件制作不同开发阶段温度场分布，对两种开发方式的泄油特征进行更直观地分析。

1 均质油藏FA-SAGD开发特征

1.1 均质模型的建立

以辽河油田杜84块馆陶组一典型SAGD双水平井组单位为基础建立三维均质模型。三维模型尺寸为98 m×300 m×47 m，网格划分为49×1×47。油藏顶深750 m，有效厚度47 m，初始含油饱和度为0.65，初始油藏压力为7.4 MPa，油藏温度为48℃，水平渗透率为1.468 μm2，垂向渗透率与水平渗透率比值为0.38，孔隙度为26.7%，油藏岩石及流体物性参数均取自杜84块实际参数，油藏温度48℃下原油黏度为122.807 Pa·s，100℃下原油黏度为1.659 Pa·s，300 ℃ 下只有3.3 mPa·s。在三维模型中，设计生产井距油层底部2 m，注采井垂向间距5 m，水平井段长300 m。

1.2 不同开发方式温度分布

利用CMG-Stars数值模拟软件进行了SAGD和FA-SAGD数值模拟。目前有两种表征泡沫渗流机制的模型，一种是气体组分与起泡剂组分反应形成泡沫组分的动力学模型，该模型可模拟岩心试验中泡沫的形成、聚并等特征，但是该模型有大量未知的反应动力学参数，不适合大尺度的油藏数值模拟研究。另一种是通过降低气相流度来表征泡沫渗流特征的经验模型，该模型未知参数较少，更适应于对实际油藏的泡沫驱的研究。本次模拟选用经验模型来表征泡沫在多孔介质中的渗流特征。

在三维均质模型的基础上，首先进行了蒸汽吞吐，主要起到预热降压的作用，然后进行了SAGD与FA-SAGD开发，两者蒸汽注入温度均为280℃，井底蒸汽干度均为0.7，注汽速度均为200 t/d，产液速度均为300 t/d。为了对比两种开发方式在相同开发时刻蒸汽腔扩展情况，FA-SAGD中泡沫剂与蒸汽同时注入，起泡剂质量分数为0.5%。

随着蒸汽的持续注入，SAGD与FA-SAGD蒸汽腔在地层内沿不同方向逐渐扩展，油藏温度逐渐增大。为了研究两种开发方式蒸汽腔在地层内的扩展规律，对比了SAGD和FA-SAGD在不同开发阶段垂直于水平井筒剖面油藏温度分布，如图1所示。

图1 不同开发阶段SAGD与FA-SAGD温度分布Fig.1 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD at different development stages

可以看出，SAGD与FA-SAGD蒸汽腔的扩展都可以划分为泄油初期(蒸汽腔上升阶段)、泄油高峰期(蒸汽腔沿油层顶部向外扩展阶段)、泄油末期(蒸汽腔扩展到油藏侧边界或井组控制边界时，蒸汽腔沿边界下降阶段)3个阶段。

由图1(a)和(b)可以看出，在泄油初期，FASAGD蒸汽腔垂向扩展速度要小于SAGD，而横向扩展速度要大于SAGD。这是由于SAGD开发过程中蒸汽密度明显低于原油密度，在重力分异作用下注入蒸汽主要在油层中沿垂向向上扩展。FA-SAGD开发过程中，蒸汽与起泡剂溶液同时注入形成泡沫，由于泡沫流体可以降低气相流度［16-17］，因此可以减弱蒸汽在垂向的扩展速度，从而增大蒸汽横向扩展速度。

由图1(c)和(d)可以看出，在泄油高峰期，SAGD开发过程中，随着蒸汽腔沿垂向的不断向上扩展，蒸汽主要聚集在油层上部，由于蒸汽腔与盖层接触面积较大，因此盖层热损失较大;而FASAGD开发过程中，由于蒸汽腔横向扩展速度大于SAGD，蒸汽主要存在于油层中部，由蒸汽腔携带的热量主要加热油层内部原油，蒸汽腔与盖层接触面积较小，盖层热损失较小。

由图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”状，而FA-SAGD蒸汽腔在平面上呈“碗”状，储层中下部蒸汽腔加热范围更大。

1.3 不同开发方式剩余油分布

图2表示不同开发阶段SAGD与FA-SAGD剩余油饱和度分布，可以看出:

(1)泄油初期，由于SAGD开发过程中蒸汽在储层内沿垂向扩展速度大于水平方向扩展速度，因此储层垂向泄油效果较好，水平方向泄油效果较差;而FA-SAGD开发过程中，由于蒸汽垂向扩展速度减弱，水平扩展速度增大，因此储层内垂向与水平方向原油均得到动用。

图2 不同开发阶段SAGD与FA-SAGD剩余油饱和度分布Fig.2 Residual oil saturation distribution of SAGD and FA-SAGD at different development stages

(2)泄油高峰期，SAGD开发过程中，由于蒸汽重力分异作用，蒸汽主要作用于储层顶部，顶部剩余油较少，储层中下部剩余油较多;FA-SAGD开发过程中，蒸汽主要作用于储层中间部位，因此储层上下部剩余油分布比较均匀。

(3)泄油末期，两种开发方式剩余油分布相近，但是FA-SAGD储层中下部泄油程度好于SAGD。

2 非均质油藏FA-SAGD开发特征

2.1 非均质模型的建立

ZHANG 等［8］在 Christina Lake油田通过四维地震成像技术(4D seismic imaging)发现储层的非均质性会极大地影响SAGD蒸汽腔的扩展，由于水平井段较长，水平井钻遇的地层发育情况不同，有些位置储层物性较好，渗透率较高，而有些位置储层物性较差，渗透率较低，这种情况会导致蒸汽腔的不均匀发育。为了模拟该种情况对于蒸汽腔扩展的影响，模型在沿水平井筒方向设置2条高渗透带，如图3中条纹带所示。三维非均质模型尺寸为98 m×300 m×47 m，网格划分为49×20×47，高渗条带渗透率为2.0 μm2，其他位置处渗透率为1.0 μm2，模型其他油藏参数和流体参数与1.1中均质模型参数一致。在三维非均质模型中，设计生产井距油层底部2 m，注采井垂向间距5 m，水平井段长300 m。

2.2 蒸汽腔扩展对比

在三维非均质模型的基础上分别进行SAGD和FA-SAGD数值模拟。首先进行蒸汽吞吐，主要起到预热降压的作用，然后进行SAGD与FA-SAGD开发，注入参数与均质油藏两种开发方式注入参数一致。图3为SAGD与FA-SAGD开发5 a后蒸汽腔在储层内沿水平井筒剖面方向温度分布。可以看出SAGD开发5a后，仅高渗条带附近地层存在蒸汽腔波及，其他位置处温度仍为油藏初始温度，说明非均质储层SAGD开发过程中蒸汽沿高渗透层窜流严重，蒸汽腔沿水平井筒方向不均匀扩展，从而造成蒸汽能量利用效率降低。相对于SAGD，FA-SAGD蒸汽腔沿水平井剖面方向扩展比较均匀，说明注入的泡沫可以发挥调剖作用，改善非均质储层蒸汽腔扩展不均问题，从而提高了注入蒸汽能量利用效率。

图3 开发5 a后SAGD与FA-SAGD温度分布Fig.3 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD after 5 years of development

图4 开发5 a后高、低渗层SAGD与FA-SAGD温度分布Fig.4 Temperature distribution of SAGD and FA-SAGD in high and low permeability formation after 5 years of development

图4为SAGD和FA-SAGD开发5 a后高、低渗透层在垂直水平井筒方向的温度分布。由图4可以直观地看出，SAGD蒸汽腔在高渗层扩展效果较好，已达到泄油末期，蒸汽腔与盖层接触面积较大，盖层热损失严重，而低渗层几乎没有蒸汽波及，泄油效果较差。FA-SAGD开发过程中，高、低渗层均有蒸汽波及，并且蒸汽腔扩展程度相近，呈“椭圆状”，注入蒸汽腔能量有效作用于储层内部。

2.3 开发效果对比

图5分别为非均质储层SAGD与FA-SAGD开发过程中累积产出能量、累积盖层热损失、油汽比、采出程度对比曲线。

由图5可以看出:非均质储层FA-SAGD开发过程中，由于泡沫对蒸汽沿高渗层窜流的调控作用，蒸汽腔在地层内的扩展更为均匀，注入蒸汽能量能更有效地加热原油，开发10 a后，累积产出能量要明显低于SAGD，约为SAGD的70%。通过前面的分析可以看出，FA-SAGD蒸汽主要存在于油层中部，由蒸汽腔携带的热量主要加热储层内部原油，蒸汽腔与盖层接触面积较小，因此相对于 SAGD，FASAGD盖层热损失明显减少了5.5×109kJ。由于FA-SAGD注入蒸汽能量利用效率更高，油层受热情况更好，因此油汽比提高了约0.04，采收率提高了约4.5%，有效地改善了开发效果。

图5 SAGD与FA-SAGD开发效果对比Fig.5 Development efficient comparison of SAGD and FA-SAGD

通过对比SAGD与FA-SAGD在均质及非均质油藏中的开发特征，可以看出FA-SAGD开发机制为:

(1)注入蒸汽能量更有效地作用于油层内部。泡沫流体可以增大气相表观黏度，降低气相流度，从而降低了SAGD开发过程中蒸汽沿垂向扩展速度，增大了蒸汽沿横向扩展速度，使蒸汽能量更多地作用于油层内部。

(2)改善非均质地层蒸汽不均匀扩展问题。在非均质油藏SAGD开发过程中，蒸汽腔易沿高渗透层窜流，造成蒸汽在水平井筒方向不均匀扩展。FASAGD开发过程中，由于泡沫对蒸汽沿高渗层窜流的调控作用，使得蒸汽腔在地层内的扩展更为均匀。

(3)提高注入蒸汽能量的利用效率。由于FASAGD开发过程中，蒸汽能量更好地作用于油层内部，以及蒸汽腔在地层内的扩展更为均匀，因此相对于SAGD，FA-SAGD注入蒸汽能量利用效率更高。

3 结论

(1)SAGD蒸汽腔发育呈“倒三角”状，蒸汽腔与盖层接触面积较大，盖层热损失较大，而 FASAGD蒸汽腔发育呈“碗”状，蒸汽腔主要作用于油层内部，与盖层接触面积较小，盖层热损失较小。

(2)SAGD蒸汽腔易沿高渗透层窜流，蒸汽在水平井筒方向不均匀扩展。FA-SAGD开发过程中，由于泡沫对蒸汽沿高渗层窜流的调控作用，蒸汽腔在地层内的扩展更为均匀。

(3)相对于SAGD，FA-SAGD可以抑制蒸汽窜流，减小产出能量和盖层热损失，提高了生产油汽比和采收率，说明FA-SAGD是一种有效改善SAGD开发效果的开发方式。

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