泥质薄夹层不同参数对油砂SAGD 开发效果的影响

孔令晓，齐 梅，张帅超，刘鹏程

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

0 引 言

SAGD(蒸汽辅助重力泄油，Steam Assisted Gravity Drainage，简称SAGD)技术是稠油和油砂开采最基本的方法之一，自2000年应用到加拿大阿尔伯达盆地油砂开采以来，取得了成功的商业化开采[1-3]。随着现场应用的不断普及，SAGD技术开发过程中遇到了一系列问题，例如SAGD技术开发的效果对储层的非均质性(如泥岩夹层、气顶、底水)十分敏感[4-15]。前人使用物理模拟实验和数值模拟手段针对SAGD开采效果影响因素进行了大量研究，并在现场得到了很好的试验效果。

国内外学者通过二维物理模拟实验分别对夹层的连续性[16]、分布类型[17]、长度[18]和分布模式[19]对SAGD开采效果影响进行了模拟和对比。也有学者使用数值模拟的手段研究了夹层的尺寸、相对生产井的垂向位置、泥岩含量以及分布位置[20]等对SAGD开采效果的影响。2008年，CHEN[21]将SAGD开发油藏划分为近井地带和井对之上两个流动区域，构建随泥岩随机分布模型，模拟研究了页岩夹层存在于油藏的不同区域对SAGD效果的影响。2009年SHIN等[19]利用数值模拟手段研究发现产量剖面特征可以反映油层内页岩夹层分布特征。2010年，DANG等[22]通过数值模拟研究发现水平夹层对SAGD影响比垂向夹层的影响大。2016年，魏绍蕾等[18]建立了二维物理模型，研究了夹层的分布模式对蒸汽腔发育和生产指标的影响。前人研究表明了夹层阻碍了地层流体的流动性，降低了蒸汽的热效率，对SAGD开采有不利影响。

前人研究的夹层厚度多为米级，然而，对于厘米级的泥质薄夹层对SAGD开采效果的影响研究较少。加拿大麦凯河广泛发育厚度多为厘米级的泥质薄夹层，泥岩夹层作为流体屏障，精细描述泥质薄夹层并研究其对油砂SAGD开发效果的影响具有重要意义。

本文以麦凯河油砂参数为基础，使用数值模拟的方法研究了厚度为厘米级的泥质薄夹层的大小、数量、垂向位置和渗透率对SAGD开发日产油量、累产油量以及蒸汽腔体积等指标的影响，对油砂SAGD开发的方案设计及布井方式具有重要的指导意义。

1 数值模拟模型

以加拿大麦凯河某油砂区块参数为基础，建立了二维精细网格单井组SAGD均质模型，如图1所示，由于井组是对称的，故选取半井。为了精细模拟地下流体渗流特征，I、J、K三个方向网格尺寸为1.0 m×2.0 m×0.05 m，模型总网格数为1×30×420=12 600。

图1 模拟的井组(左侧：全井；右侧：模拟用的半井)Fig.1 Well pattern used for simulation

注采水平井均采用双管循环预热150 d，后转入双管注汽、双管采油SAGD阶段，注入蒸汽温度为212.4 ℃，干度为95%，最大注汽压力为2.0 MPa。生产井长短管采用相同设置，最小井底压力为0.8 MPa，产汽速度为2 m3/d。麦凯河油藏模型参数见表1。

数值模拟中根据泥质薄夹层在地层中分布位置不同，引入两种泥质薄夹层模型——BIP(泥质薄夹层存在于注采井间)和AP(泥质薄夹层位于注入井上方)；Base表示在模型中不存在泥质薄夹层。如BIP3m_10-5表示长10 m厚5 cm的泥质薄夹层位于注采井间、注入井下方3 m；AP3m_10-5表示长10 m厚5 cm的泥质薄夹层位于注入井上方3 m。

表1 麦凯河油藏模型参数

2 模拟结果分析

2.1 泥质薄夹层的位置对SAGD生产效果的影响

利用CMG数值模拟软件模拟地层中泥质薄夹层在SAGD开采中与注入井的相对位置发育有一泥质薄夹层，首先考虑注入井所位于的层段不变，薄夹层不同位置对SAGD开发效果的影响。薄夹层的水平延展长度(沿I方向)为20 m，为井距的1/6，厚度为5 cm，其位置分别位于注入井上方1 m、5 m，注入井下方1 m、2 m、3 m、4 m，即为AP1m_20-5、AP5m_20-5、BIP1m_20-5、BIP2m_20-5、BIP3m_20-5、BIP4m_20-5。

不同位置下泥质薄夹层生产指标对比见图2，不同位置的泥质薄夹层不同时间温度场分布对比见图3。从图2和图3可以看出，当泥质薄夹层位于注入井上方时，离注入井越远，日产油峰值越高，蒸汽腔发育良好，泥质薄夹层起到天然隔层的作用，对SAGD的开采效果影响不大；当泥质薄夹层位于注采井间时，夹层阻碍了热蒸汽与油砂的接触，并且阻碍了原油的流动，因此对油砂SAGD开发效果影响较大，日产油峰值时间滞后，越接近油层的底部，累产油量越小，蒸汽腔发育较差。

2.2 泥质薄夹层的延展长度对SAGD生产效果的影响

由于研究区泥质薄夹层的厚度较薄，其位于注采井间时对SAGD开采效果的影响较大。研究区内普遍发育的泥质薄夹层长度小于30 m。泥质薄夹层的厚度为5 cm，位于注入井上方1 m处，长度沿着J方向扩展，分别为模型J方向长度的1/12、1/6，对应的长度为10 m、20 m,即为AP1m_10-5, AP1m_20-5。注入井下方2 m处，长度沿着J方向扩展，分别为模型J方向长度的1/12、1/8、1/6、5/24，对应的长度为10 m、15 m、20 m、25 m，即BIP2m_10-5，BIP2m_15-5，BIP2m_20-5，BIP2m_25-5。

不同延展长度下的泥质薄夹层生产指标对比见图4，由图4可以看出：当泥质薄夹层位于注入井上方时，采出程度和蒸汽腔的发育情况与均质模型的差别不大，泥质薄夹层起到类似“盖层”的作用，对SAGD的开采效果影响不大；当泥质薄夹层位于注采井间时，随着泥质薄夹层延展长度的增加，日产油峰值时间滞后，且延展长度越大，泥质薄夹层阻隔原油的流动的作用越显著，日产油峰值时间滞后的时间越长，采出程度越低。

从以上研究结果可以看出，泥质薄夹层位于注入井上方时，对油砂SAGD的影响较小，而位于注采井间对SAGD影响很大，因此下面的研究重点考虑注采井间发育泥质薄夹层的情况。

2.3 泥质薄夹层的渗透率对SAGD生产效果的影响

注入井下方2 m处，泥质薄夹层的厚度为5 cm，延展长度为20 m，改变泥质薄夹层的渗透率，水平渗透率分别为0、1×10-3μm2、10×10-3μm2、50×10-3μm2。垂向渗透率与水平渗透率的比值为0.8。

不同渗透率下生产指标对比见图5，从图5可以看出，泥质薄夹层位于注采井间且泥质薄夹层的渗透率大于10×10-3μm2时，与均质模型差别不大；而泥质薄夹层的渗透率小于10×10-3μm2时，随着渗透率的降低，日产油峰值滞后时间越长，日产油峰值越大；采出程度及蒸汽腔的体积降低。这是由于随着泥质薄夹层渗透率降低，其对热蒸汽的阻碍作用增加，对蒸汽腔发育的阻碍程度加重，因而对SAGD开采效果产生严重影响。

2.4 泥质薄夹层的厚度对SAGD生产效果的影响

图2 不同位置下泥质薄夹层生产指标对比Fig.2 Comparison of production performance among different locations

图3 不同位置的泥质薄夹层的不同时间温度场分布对比Fig.3 Comparison of temperature distributions for different locations at the different time

泥质薄夹层沿着K方向均匀分布，沿着K方向上分别发育厚度为5 cm、10 cm、15 cm(研究区泥质薄夹层的厚度不超过20 cm)。泥质薄夹层的厚度变化保持一定的原则：长度一样均为20 m，均发育在注入井下方2 m处，即为BIP2m_20-5、BIP2m_20-10、BIP2m_20-15。

不同厚度下生产指标对比见图6，从图6可以看出，夹层厚度的差异对热蒸汽的阻碍作用影响较小，因此储层中单条泥质薄夹层的厚度差异对SAGD开采效果影响不大。研究区中泥质薄夹层多呈群组状分布，因此研究多条泥质薄夹层对SAGD的开采效果非常有意义。

2.5 泥质薄夹层的条数对SAGD生产效果的影响

图4 不同延展长度下的泥质薄夹层生产指标对比Fig.4 Comparison of production performance among different lengths

图5 不同渗透率下生产指标对比图Fig.5 Comparison of production performance among different permeabilities

图6 不同厚度下生产指标对比图Fig.6 Comparison of production performance among different thickness

图7 不同条数下生产指标对比图Fig.7 Comparison of production performance among different numbers

泥质薄夹层沿着K方向均匀分布，以注入井为起点，沿每隔0.5 m分别发育1条；注入井下方分别发育3、5、7、9条。泥质薄夹层的条数变化保持一定的原则：厚度均为5 cm，长度均为20 m。

不同条数下生产指标对比见图7，从图7可以看出，随着注采井间泥质薄夹层数量的增多，日产油峰值时间滞后，累积产油量减少，当泥质薄夹层的条数超过7条时，日产油骤降、累积产油量接近零。结果表明泥质薄夹层的条数的越多，其充当流动屏障的作用越明显，对蒸汽腔发育阻碍越强，当薄夹层条数超过7条时严重影响了SAGD开采效果。

3 结 论

通过对泥质薄夹层不同参数对油砂SAGD 开发效果的影响研究，取得了以下结论。

(1)泥质薄夹层位于注入井上方(AP)时，由于厚度较薄，泥质薄夹层的延展长度、渗透率对SAGD的开发效果影响较小。

(2)泥质薄夹层位于注采井间(BIP)时，蒸汽腔发育差，日产油峰值滞后，对SAGD生产效果有较大影响；随着泥质薄夹层延展长度和条数的增加，日产油峰值滞后，累积产油量降低，且当泥质薄夹层延展长度超过20 m或条数超过7条时，日产油骤降、累积产油量接近零，蒸汽腔几乎不发育。但泥质薄夹层的厚度及渗透率对SAGD的影响较小。

(3)SAGD 实际开发布井时，应尽量避免泥质薄夹层位于注采井中间(无泄流通道)的情况。

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