隔夹层对双水平井SAGD开发效果影响数值模拟研究

张 波，叶继根，黄 磊

(1. 中国石油大学 石油与天然气工程学院，北京 102249； 2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

隔夹层对双水平井SAGD开发效果影响数值模拟研究

张 波1，叶继根2，黄 磊2

(1. 中国石油大学 石油与天然气工程学院，北京 102249； 2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

SAGD(蒸汽辅助重力泄油)技术是开采超稠油油藏的一项创举，对于合适的超稠油油藏，采用此项技术，在开采指标和经济效益上可获得满意的结果。超稠油油藏的储层非均质性对SAGD(蒸汽辅助重力泄油)开发效果影响较大，尤其是储层内发育的形态各异的夹层会对蒸汽腔的发育起到不同程度的阻挡作用，造成蒸汽腔发育迟缓。以加拿大麦凯河油砂区块为基础模型设计了非均质油藏不同位置、不同大小、不同厚度以及不同数量的隔夹层，确定了在不同的隔夹层发育情况下，区块油藏的温度、累计产油量、累计产液量和累计气油比的不同变化以及与隔夹层之间的关系，详细论述了隔夹层对双水平井SAGD开发效果的影响，从而预测区块油藏的注入蒸汽效果和对产量的影响，对于稠油开采具有十分重要的意义。

超稠油油藏；非均质性；夹层；SAGD；双水平井

稠油资源粘度较大，在地层中流动困难，常规人工注水技术不能将稠油驱替出来，开采难度较大。稠油粘度对温度敏感性很强，在稠油的开采和集输过程中大多采用热力降粘法，如蒸汽驱、热水驱、火烧油层等[1-3]。SAGD是开发超稠油的一项前沿技术，首先对注入井和生产井附近的油层进行预热，注采井之间形成热连通后，蒸汽向上超覆在地层中形成蒸汽腔，蒸汽腔与油层中的原油发生热交换，加热的原油和加热后温度降低形成的蒸汽冷凝水在重力作用下经过生产井中产出[4-8]。SAGD技术在加拿大油砂区已开展近20年商业开采应用，该区块储层非均质性严重，分布大量隔夹层，针对海相储集层的SAGD技术趋于完善主要有3种布井方式：平行水平井方式、直井与水平井组合方式和单管水平井方式。目前国内外针对双水平井SAGD技术的研究已经取得相关进展[9-12]。石油大学实验室做过相关物理模拟实验，以加拿大麦凯河油砂区块为原型，设计并建立二维双水平井蒸汽辅助重力泄油室内物理模拟装置，开展4组室内物理模拟实验，其中1组为均质模型，其他3组为存在隔夹层的非均质模型，研究非渗透性隔夹层对双水平井的SAGD开发效果影响。得出结论：隔夹层离井越近，蒸汽腔发育越早，对生产指标影响较大；隔夹层位于注采井中间时，常规的蒸汽循环预热方式失效，而生产井单井蒸汽辅助重力泄油预热方式可以建立注采井间的连通[13-14]。

笔者认为，还需要从数值模拟等方面开展技术攻关，全面考虑国内外非均质性严重的储层中隔夹层的不同特征。为此，我们以加拿大的麦凯河油砂区块为原型，考察地层非均质性严重的储层中，存在不同位置、大小、厚度、数量和渗透性的隔夹层对SAGD开发效果的影响。

1 模型介绍

本次研究以加拿大的麦凯河区块为基础，建立了模型。油层水平平均渗透率1 716.5 mD，垂向平均渗透率1 086.8 mD，初始含水饱和度19%，初始含油饱和度78%，初始含气饱和度3%，地层压力2 500 kPa，油藏温度10℃，原油平均初始粘度524×104 MPa·s，粘温曲线(log10)，图1为水和油气相渗曲线。

预热阶段：两口水平井套管环空中注入蒸汽，油管产出，运行时间120 d，最终达到预热温度80℃左右。注入蒸汽的温度212.38℃，蒸汽干度0.95。生产阶段：注入井井底流压：2 000 kPa，生产井井底流压：800 kPa，运行时间20a。模型网格步长为2 m，I方向1～18，J方向1～377(油层126～180)，K方向1～17，总网格数为18×377×17=115 362，注入井I：1～17，J：158，K：9，生产井I：1～17，J：158，K：12。

图1 水和油气相对渗透率曲线

2 隔夹层的影响

K方向进行网格加密可以模拟厘米级隔夹层，更好观察蒸汽腔的发育情况。在隔夹层的位置、规模大小、厚度、数量和渗透性5种特征中分别选取几种情况，使用控制变量的方法进行模拟，对比蒸汽腔发育的温度场图和生产开发效果。

2.1 隔夹层位置的影响

2.1.1 隔夹层位于双水平井上面

对坐标为I：3～15，J：141～173的网格在K=3、5、7分别进行3次加密，最终形成长度是26 m、宽度是66 m、厚度是0.074 m、渗透率是0、从上到下层数分别为7、5、3的3个隔夹层情况，分别进行模拟。

蒸汽腔未接触到隔夹层，温度变化基本相同，而且与有无隔夹层无关。没有遇到隔夹层，温度将持续均匀上升，遇到隔夹层，温度从两侧绕上去，隔夹层上方的温度基本不变；生产后期温度突破隔夹层，温度变化基本相同，而且与有无隔夹层无关。

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，生产指标基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层位置越高，生产指标越大；生产后期，变化基本相同，累计产油和产液量趋于平缓，油气比平缓降低(如图2所示)。

2.1.2 隔夹层位于双水平井中间

对坐标为I：3～15，J：141～173的网格在K=7、10、11分别进行3次加密，最终形成长度是26 m、宽度是66 m、厚度是0.074 m、渗透率是0、从上到下层数分别为7、10、11的3个隔夹层，分别进行模拟。

图2 区域累计油气比

1) 温度变化

隔夹层位于双水平井上方时，隔夹层上面温度基本没有变化，下方温度升高；位于中间时，下方温度基本没有升高，两侧温度向上下延伸升高，上方温度升高(如图3所示)。

图3 从左至右隔夹层k=11、10、7

2) 生产指标的变化规律

双水平井上方存在隔夹层时生产指标大于双水平井中间存在隔夹层的情况，而且双水平井中间存在隔夹层的生产指标情况基本相同(如图4所示)。

2.2 隔夹层大小的影响

因为隔夹层大小主要有长度和宽度决定，所以需要采用控制变量法。

2.2.1 隔夹层宽度不变

对坐标为J：141～173的网格在K=5进行3次加密，然后在I方向上分别截取出7～11、5～13、3～15、1～18，最终形成宽度是66 m，第5层厚度是0.074 m，渗透率是0，长度分别为10，18，26，36 m的4个隔夹层，分别进行模拟。

图4 累计产液量

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，温度将持续均匀上升；当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度从两侧绕上去，隔夹层上方的温度基本不变，隔夹层长度越小，温度上升越快，当隔夹层将整个隔开时候，隔夹层上方温度基本不变。

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，生产指标基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层长度越小，生产指标越大；生产后期，趋于一致(如图5所示)。

图5 隔夹层宽度不变累计油气比

2.2.2 隔夹层长度不变

对坐标为I：3～15的网格在K=5进行3次加密，然后在J方向上分别截取出151～163、141～173、131～183、126～190，最终形成长度是26 m，第5层厚度是0.074 m，渗透率是0，宽度分别为26，66，106，128 m的4个隔夹层，分别进行模拟。

当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度先从隔夹层两侧绕上去，然后慢慢向中间蔓延，j越小，隔夹层宽度越小，温度上升越快，当隔夹层将整个隔开时候，温度绕不上去，下方温度高于上方温度。

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，生产指标基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层宽度越小，累计产油和产液量越高；宽度为26 m的隔夹层曲线油气比较高，宽度为66 m的隔夹层曲线有较大幅度的升高，2025年达到峰值；生产后期，累计油汽比变化基本相同，平缓降低(如图6所示)。

图6 隔夹层长度不变累计油气比

2.3 隔夹层厚度的影响

对坐标为I：3～15 J：141～173的网格在K方向上进行7次截取，最终形成长度是26 m，宽度是66 m，第5层渗透率是0，厚度分别为0.074，0.222，0.667，2.000，4.000，6.000，8.000 m的7个隔夹层，分别进行模拟。

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，温度将持续均匀上升；当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度从两侧绕上去，隔夹层上方的温度基本不变，而且隔夹层厚度越小，温度上升越快。

对于薄隔夹层的情况，蒸汽腔接触到隔夹层前后，累计产油量基本相同；对于厚隔夹层的情况，当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层厚度越大，累计产油量越小。但是，蒸汽腔接触到隔夹层前后，累计产液量基本相同，说明随着时间增长，不同厚度的隔夹层对累计产液量影响不大，见图7。

对于薄隔夹层的情况，蒸汽腔接触到隔夹层前后，累计油气比基本相同；对于厚隔夹层的情况，当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层厚度越大，累计油气比越小。

2.4 隔夹层数量的影响

对坐标为I：3～15，J：141～173的网格在K=3、5、7分别进行3次加密，然后形成长度是26 m，宽度是66 m，厚度是0.074 m，层数分别为7、5、3的3个隔夹层，最后选出0个、1个、3个隔夹层进行对比。

图7 累计油气比

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，温度将持续均匀上升；当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度从两侧绕上去，隔夹层上方的温度基本不变；有3个或者以上的隔夹层，下面隔层之间的温度变化比上面的温度变化大，最上面温度几乎没有变化；隔夹层数量越少，温度上升越快。

初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，生产指标基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，隔夹层数量越少，生产指标越大；生产后期，1个隔层最大，没有隔夹层的最小，生产指标趋于一致。

2.5 隔夹层渗透性的影响

2.5.1 水平渗透率的影响

对坐标为I：3～15，J：141～173，K=5的网格在K方向上分别进行3次加密，最终形成长度是26 m，宽度是66 m，第5层厚度是0.074 m，垂向渗透率是25 mD，水平渗透率分别为100，500，1 000，1 500，2 000 mD的5个隔夹层，分别进行模拟。

当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度突破隔夹层升高，温度变化基本相同，说明不同隔夹层水平渗透率的大小对温度变化基本没有影响。

生产指标完全相同，说明水平渗透率变化对生产指标没有影响。

2.5.2 垂向渗透率的影响

对坐标为I：3～15，J：141～173，K=5的网格在K方向上分别进行3次加密，最终形成长度是26 m、宽度是66 m、第5层、厚度是0.074 m、渗透率分别为0，10，25，50，75，100，500，1 000 mD的8个隔夹层，分别进行模拟。

存在渗透率100 mD以下隔夹层的情况，初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，生产指标基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，前期渗透率越大，生产指标越高；中期渗透率越大，生产指标越小，非渗透隔夹层的一直是最小的；生产后期，趋于一致。渗透率100 mD以上的，渗透率对生产指标影响不大。

3 结 论

1) 生产初期，蒸汽腔未接触到隔夹层，温度变化基本相同；当蒸汽腔接触到隔夹层时，温度从隔夹层两侧绕上去；生产后期，温度突破隔夹层，温度变化也基本相同，而且与有无隔夹层无关。

2) 当蒸汽腔接触到隔夹层时，水平渗透率对温度没有影响；隔夹层位置越高，长度越小，宽度越小，厚度越小，数量越少，垂向渗透率越大，温度升高越快，而且渗透率越小，差异越大，逐渐递减。

3) 蒸汽腔未接触到隔夹层和接触到隔夹层的后期，隔夹层的位置、大小、数量、厚度和渗透率大小对累计产油量、累计产液量和累计油气比等生产指标影响不大。

4) 隔夹层在双水平井上方时，蒸汽腔发育良好，生产指标较高。

5) 薄隔夹层对生产指标影响不大，厚隔夹层的厚度越小，累计产油量越大，累计油气比越高，但是对累计产液量影响不大；隔夹层位置越高，长度越小，宽度越小，数量越少，垂向渗透率越大，累计产油量、累计产液量和累计油气比等生产指标越高。但是，垂向渗透率100 mD以上的隔夹层，对生产指标影响不大。

6) 研究结果能有效指导双水平井在存在隔夹层的非均质油藏中的布井方式，实现油藏的经济有效开发。

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Numerical Simulation of Interlayer Effect on SAGD Development by Double Horizontal Well

ZHANG Bo1, YE Jigen2, HUANG Lei2

(1.CollegeofPetroleumandNaturalGasEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.ChinaPetroleumExplorationandDevelopmentResearchInstitute,Beijing100083,China)

Steam assisted gravity drainage (SAGD) technology is an innovation in the exploitation ofultraheavy oil reservoir. For suitable heavy oil reservoir in this technology, the satisfactory results can be obtained on the production indexes and economic benefit. The reservoir heterogeneity of the ultra heavy oil reservoir will have a greater influence on SAGD development. Especially when different kinds of interlayers form in the reservoir, they will affect to degrees of resistance on the development of steam chamber. It will cause stunting. In this paper, the author, by establishing the model designed of heterogeneous reservoir with different location in different sizes, has tried different thickness and different number of interlayer insulation to identify the different situations of interlayer insulation case, including the temperature of the block reservoir, the cumulative oil productionand cumulative fluid production and cumulative oil to gas variations and the relationship between the interlayers. The interlayer effects are discussed in detail on SAGD development by double horizontal well to predict the steam inject effect of the block reservoir and influence on production. It has a great significance for heavy oil development.

Ultra heavy oil reservoir；Heterogeneity; Interlayer; SAGD; The double horizontal well

2017-02-28

国家重大专项大型油气田及煤层气开发(2016ZX05016-006)

张波(1993-)，男，辽宁盘锦人，在读硕士研究生，研究方向：油气田开发，手机：18810430160，E-mail：991332164@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.045