提高直井與水平井組合SAGD泄油速率技術(shù)研究

李　巍， 劉永建

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

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提高直井與水平井組合SAGD泄油速率技術(shù)研究

李巍， 劉永建

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

摘要：針對遼河油田直井與水平井組合SAGD井組在開發(fā)過程中存在泄油速率低、蒸汽腔擴(kuò)展不均勻等問題，以R.M.Bulter建立的雙水平井泄油模型為理論基礎(chǔ)，將直井與水平井簡化為雙水平井，在考慮端點(diǎn)效應(yīng)有限長度水平井日產(chǎn)量方程的基礎(chǔ)上,建立了水平井的泄油速率模型，并得到直井與注汽水平井組合SAGD上產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)階段的泄油速率方程。分析泄油速率方程發(fā)現(xiàn)，直井與水平井組合SAGD井組泄油速率的主控因素為泄油井點(diǎn)數(shù)和蒸汽腔縱向擴(kuò)展高度，結(jié)合遼河油田稠油開發(fā)實(shí)踐，給出了直井與水平井組合SAGD井組提高泄油速率的技術(shù)措施，即水平段跟部注汽井增加2口，并將注汽井注汽排量提高20%，同時(shí)將最佳射孔位置設(shè)在靠近低物性段處，補(bǔ)孔長度確定為8 m。該技術(shù)在遼河油田6井組進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，日產(chǎn)油量均呈現(xiàn)不同程度的上升，取得階段性成功，為進(jìn)一步提高SAGD井組泄油速率奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：直井；水平井；蒸汽；重力泄油；泄油速率

蒸汽輔助重力泄油(steam assisted gravity draining，SAGD)是一項(xiàng)開發(fā)超稠油的技術(shù)，R.M.Butler于1978年首次提出該理論，經(jīng)典的SAGD井網(wǎng)組合方式為雙水平井組合，其注汽井位于生產(chǎn)井正上方，在國外已成功進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用[1-3]。為提高中深層超稠油采收率，2005年遼河油田在國內(nèi)首次開展了SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)，為有效利用原有蒸汽吞吐直井井網(wǎng)，在原吞吐直井中間用水平生產(chǎn)井進(jìn)行加密，使注汽直井位于生產(chǎn)井的斜上方，采用直井與水平井組合方式實(shí)施SAGD(以下簡稱直平組合SAGD)，并取得成功[4-6]。在提高直平組合SAGD井組泄油速率研究方面，國內(nèi)進(jìn)行了大量相關(guān)研究：武毅等人[7]應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測手段對直平組合SAGD井組蒸汽腔的形成及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究；楊立強(qiáng)等人[8]研究了中深層超稠油油藏在直井蒸汽吞吐中后期，用直井注汽水平井采油方式轉(zhuǎn)SAGD開發(fā)的可行性，并優(yōu)化了關(guān)鍵參數(shù)；張孝燕等人[9]于2010年通過深入研究館陶組SAGD井組的開發(fā)歷程和目前頂水的狀況并制訂合理的排水方案，以提高泄油速率。截止目前，遼河油田已將48個(gè)井組轉(zhuǎn)入SAGD開發(fā)，但隨著SAGD井組的轉(zhuǎn)入，如何提高單井組泄油速率成為階段開發(fā)中面臨的主要問題。為此，對遼河油田直平組合SAGD井組的開發(fā)機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了影響該類井組泄油速率的主要因素，并采取了針對性技術(shù)措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)注采參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了提高泄油速率的目的。

1泄油速率模型的建立

1.1考慮端點(diǎn)效應(yīng)的有限長度水平井日產(chǎn)量方程

對于直平組合SAGD井組而言，注汽直井位于水平生產(chǎn)井的斜上方，注汽井與水平生產(chǎn)井為“點(diǎn)”式接觸(見圖1(a))，不同于雙水平井SAGD注采井間的“線”式接觸(見圖1(b))。

圖1　直平組合SAGD井組與雙水平井SAGD井組井位對比示意Fig.1　The sketch of well location comparison of vertical-horizontal well group SAGD with dual horizontal well group SAGD

從圖1可以看出，兩種井網(wǎng)組合方式的重力泄油模式不同，因此雙水平井SAGD井組的產(chǎn)量公式不適用于直平組合SAGD井組。

對直平組合模型進(jìn)行簡化處理：將注汽直井到水平生產(chǎn)井的距離視為1口水平井水平段的長度，整個(gè)直井與水平井組合井組中的生產(chǎn)井段簡化虛擬為N個(gè)長度不等的小水平井，用Li(i=1,2,3,…,N)表示某注汽直井到水平生產(chǎn)井的最短距離。這樣，直平組合井組產(chǎn)量實(shí)際就可以認(rèn)為是N個(gè)小水平井泄油量的總和，理論上只要直平組合SAGD井組實(shí)際水平生產(chǎn)井井段足夠長，那么水平井泄油水平段也將無限長。簡化等效后的直平組合SAGD如圖2所示。

圖2　直平組合SAGD簡化等效圖Fig.2　The simplified equivalent diagram of vertical-horizontal well group SAGD

對于油層厚度一定且水平方向上油層長度可以無限延伸的油藏中一口長為L的水平生產(chǎn)井，在蒸汽腔上升過程中，如果蒸汽腔高度為油藏厚度，假設(shè)可利用的壓頭在任何時(shí)間都小于蒸汽腔的高度h，定義一個(gè)與有效壓頭有關(guān)的系數(shù)β,定義SAGD過程中的日產(chǎn)量為泄油速率。由于泄油來自2個(gè)斜面，那么根據(jù)R.M.Bulter的經(jīng)典SAGD理論，側(cè)向擴(kuò)展的蒸汽腔周圍泄油速率q的預(yù)測公式為[10]：

(1)

式中：L為水平井水平段長度，m；h為蒸汽腔高度，m；g為重力加速度，m/s2；Ko為滲透率，m2；m為無因次黏溫指數(shù)；νs為蒸汽腔溫度下原油運(yùn)動(dòng)黏度，m2/d；ΔSo為剩余含油飽和度變化；α為熱擴(kuò)散率計(jì)算因子；β為有效壓頭系數(shù)；φ為孔隙度。

有限長度水平井的泄油速率高于無限長度水平井同樣長度水平段的泄油速率，其原因是一部分原油流向井的端點(diǎn)，一部分流向邊部。無限大地層垂直裂縫中單相穩(wěn)態(tài)流的平均流量是原油向油井中心流動(dòng)平均流量的π/2倍[11]。

假設(shè)：SAGD井組中有限水平井的總流量可以通過式(1)等號左端乘上π/2來進(jìn)行估計(jì)，即假設(shè)方程(1)可以用來描述無限井中心的流動(dòng)形態(tài)，而端點(diǎn)效應(yīng)則相當(dāng)于裂縫[12]。式(1)平方根中的系數(shù)β取值為1.3，即可利用壓頭為65%[13]。通過以上假設(shè)，能夠更加準(zhǔn)確地反映出界面處的熱穩(wěn)態(tài)分布情況。因此，考慮端點(diǎn)效應(yīng)下有限長度水平井的日產(chǎn)量方程為：

(2)

(3)

式(3)中，q*為考慮端點(diǎn)效應(yīng)下有限長度水平井日產(chǎn)量q的無因次變量形式。式(2)中之所以用π代替式(1)中的系數(shù)2，主要是考慮假設(shè)條件下，原油向油井端點(diǎn)處的流動(dòng)狀態(tài)與原油在長度為L的裂縫中的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是等效的[14]。當(dāng)原油流向油井端點(diǎn)處的流態(tài)發(fā)展不是很充分時(shí)，這樣的估計(jì)顯得過于樂觀，實(shí)際上該常數(shù)隨著蒸汽腔的擴(kuò)展逐漸從2增加到π。同樣，如果邊界作用對該流態(tài)產(chǎn)生干擾，常數(shù)也可能小于π。

1.2泄油速率模型

直井注汽水平井生產(chǎn)的泄油速率可以應(yīng)用式(3)計(jì)算。引入水平井動(dòng)用長度Le，代替式(2)中水平井水平段長度L，得到：

(4)

如果水平井的動(dòng)用長度Le為時(shí)間的函數(shù)，且隨時(shí)間線性增加，那么生產(chǎn)速率也隨時(shí)間線性增加，并且累計(jì)產(chǎn)油量是時(shí)間的二次函數(shù)[15]。

其中，日產(chǎn)量q寫成無因次變量形式為：

(5)

式(5)從SAGD早期擴(kuò)展理論的界面位置方程得到，其無因次形式為：

(6)

(7)

(8)

因此，在考慮端點(diǎn)效應(yīng)的有限長度水平井的產(chǎn)量模型基礎(chǔ)上建立的水平井泄油速率方程為：

(9)

當(dāng)有多口直井同時(shí)注汽、一口水平井生產(chǎn)時(shí)，現(xiàn)場實(shí)際中各注汽直井的分布不均勻且注汽直井到水平生產(chǎn)井的距離不等。為便于利用筆者所建立的泄油速率方程進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)注汽直井到水平生產(chǎn)井的距離相等(均為Li)，則圖2中垂直于水平生產(chǎn)井方向上水平井兩側(cè)且不在同一直線上的2口注汽直井可簡化為在同一直線上。簡化后，水平生產(chǎn)井兩側(cè)垂直于該水平井的直線上的2口注汽直井可以等效于1口水平井的水平段(長度2Li)，如圖3所示。

圖3　直平組合SAGD向雙水平井組合SAGD簡化等效圖Fig.3　The simplified equivalent diagram of dual horizontal well group SAGD converted from vertical-horizontal well group SAGD

因此將式(6)和式(7)代入式(9)后，可得到N口直井注汽與水平井生產(chǎn)組合SAGD井組上產(chǎn)階段和穩(wěn)產(chǎn)階段的泄油速率qcum的預(yù)測方程為：

(10)

1.3現(xiàn)場驗(yàn)證

為驗(yàn)證筆者所建立的直平組合SAGD井組泄油速率模型的可靠性及適用性，以遼河油田SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)平45井為例進(jìn)行了驗(yàn)證。垂直注汽井井?dāng)?shù)N為4，注汽直井到水平生產(chǎn)井的距離Li為37.5 m，油層滲透率Ko為4.86 D，熱擴(kuò)散率計(jì)算因子α為0.04，含油飽和度變化值ΔSo為0.4，油層有效厚度為70 m，水平井水平段長度L為400 m，原油黏溫指數(shù)m為3.223，重力加速度g為9.8 m/s2，蒸汽溫度下原油運(yùn)動(dòng)黏度νs為6.04 m2/d，孔隙度φ為0.36%。

采用直井注汽，水平生產(chǎn)井達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)所需要的時(shí)間可表示為[17]：

(11)

直平組合SAGD井組上產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)階段泄油速率預(yù)測需要滿足的條件為：根據(jù)式(11)計(jì)算的水平生產(chǎn)井達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)所需要的時(shí)間為臨界時(shí)間tc；當(dāng)SAGD井組生產(chǎn)時(shí)間t

圖4為平45井實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與筆者建立的泄油速率模型計(jì)算值的對比情況。其中，實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為每天測得的數(shù)據(jù)，而模型值僅為典型日期的泄油速率計(jì)算值。

圖4　平45井實(shí)際動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與泄油速率模型值的對比Fig.4　The comparison of simulated oil drainage rate with actual dynamic data from Well Ping 45

由圖4可知，泄油速率模型計(jì)算值基本與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相匹配，可見該泄油速率模型可用于指導(dǎo)直平組合SAGD井組生產(chǎn)實(shí)踐。

2泄油速率的影響要素

由開發(fā)實(shí)踐以及直平組合SAGD井組泄油速率預(yù)測公式可知，SAGD井組泄油速率的主控因素為泄油井點(diǎn)數(shù)及蒸汽腔高度。

2.1泄油井點(diǎn)數(shù)

從直平組合SAGD井組上產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)階段的泄油速率預(yù)測公式(式(10))可以看出，泄油井點(diǎn)數(shù)N(垂直注汽井井?dāng)?shù))和與泄油速率線性正相關(guān)，即在式(10)中其他油藏物性參數(shù)以及流體參數(shù)確定的情況下，隨著泄油井點(diǎn)數(shù)N的增加，虛擬長度為2Li的水平井?dāng)?shù)量越多，表現(xiàn)出的蒸汽腔橫向連通面積越大，泄油速率也隨之提高，如圖5所示。

因此，泄油井點(diǎn)數(shù)的多少主要體現(xiàn)在蒸汽腔沿水平方向上擴(kuò)展范圍的大小，沿生產(chǎn)井水平段蒸汽腔擴(kuò)展得越均勻，那么泄油井點(diǎn)數(shù)越多，泄油速率越高，日產(chǎn)量越高。但在實(shí)際開發(fā)中，受限于水平生產(chǎn)井水平段長度以及SAGD開發(fā)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，泄油井點(diǎn)不可能無限增多，只能不斷將現(xiàn)有注汽井點(diǎn)開發(fā)成為泄油井點(diǎn)。

圖5　泄油井點(diǎn)數(shù)與泄油速率關(guān)系示意Fig.5　Relationship between quantity of drainage well points and drainage rate

2.2蒸汽腔高度

建立的泄油速率方程中代表油層有效厚度的參數(shù)h可視為SAGD過程中蒸汽腔的高度。由式(11)中時(shí)間t與蒸汽腔高度h的指數(shù)關(guān)系可以看出，隨著時(shí)間增長，蒸汽腔高度h不斷增加，且數(shù)值模擬結(jié)果顯示蒸汽腔不斷向油層頂部發(fā)育擴(kuò)展。以泄油井井?dāng)?shù)N等于4為例，在油藏物性參數(shù)以及流體參數(shù)確定的情況下，蒸汽腔上升過程中，泄油速率與蒸汽腔高度間存在非線性正相關(guān)的關(guān)系，即蒸汽腔高度增加，泄油速率也隨之增加，如圖6所示。

圖6　蒸汽腔高度與泄油速率關(guān)系示意Fig.6　Relationship between the height of steam cavity and drainage rate

因此，增加蒸汽腔高度可有效提高原油日產(chǎn)量，一旦蒸汽腔到達(dá)油層頂部后進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段，蒸汽腔高度將相對停止變化，其高度等于油藏厚度，此后與井組原油日產(chǎn)量大小的相關(guān)性減弱。

3提高泄油速率的主要措施

通過建立的直井水平井泄油速率預(yù)測模型，結(jié)合遼河油田SAGD開發(fā)實(shí)踐可知，影響SAGD井組泄油速率的主要因素為蒸汽腔高度及泄油井點(diǎn)數(shù)，而實(shí)施低物性段改造可以提高蒸汽腔橫向和縱向的擴(kuò)展速度，為此，增加泄油井點(diǎn)數(shù)和實(shí)施低物性段改造是提高SAGD井組泄油速率的主要技術(shù)措施。

3.1增加泄油井點(diǎn)數(shù)

通過沿水平井部署的觀察井監(jiān)測蒸汽腔發(fā)育狀況，同時(shí)結(jié)合微地震、四維地震等監(jiān)測資料綜合分析，目標(biāo)井組區(qū)域水平段跟部蒸汽腔發(fā)育較差，注采井間汽腔發(fā)育較弱，需采取重點(diǎn)措施對該處蒸汽腔發(fā)育動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)控[18]。

對水平段跟部重點(diǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)控，在水平段跟部增加2口注汽井，并將原有注汽井注汽排量提高20%，單井日注汽量達(dá)到150 t/d，逐步提高區(qū)域動(dòng)用程度，同時(shí)適度提高生產(chǎn)井排液速度。

3.2低物性段改造

SAGD開發(fā)油層內(nèi)部沒有純的泥巖隔夾層，但普遍發(fā)育低物性夾層，一般厚0.2～2.0 m，表現(xiàn)為泥質(zhì)含量較高的泥石流成因的礫巖或泥巖含量較高的砂巖，對蒸汽腔縱向擴(kuò)展影響較大。借鑒先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在受低物性段遮擋蒸汽腔嚴(yán)重的井組實(shí)施注汽直井低物性段上下補(bǔ)孔注汽，以提高蒸汽腔縱向擴(kuò)展速度。

為提高補(bǔ)孔效果及針對性，通過建立典型井組數(shù)值模型，對注汽直井補(bǔ)孔位置及補(bǔ)孔長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將靠近低物性段射孔處的補(bǔ)孔長度分別取為1，5，9，13和17 m，得到相對應(yīng)的泄油速率分別為59.0，58.6，57.3，57.1和56.9 t/d；同時(shí)選取距低物性段的距離(即補(bǔ)孔位置)為2，4，6，8和12 m，相對應(yīng)的采出程度分別為47%、52%、55%、57%和53%。最終確定最佳射孔位置為靠近低物性段處，最佳補(bǔ)孔長度為8 m，此時(shí)可得到最佳的采油速度及最高的采收率。

4現(xiàn)場應(yīng)用效果

筆者所提出的提高直平組合SAGD井組泄油速率的技術(shù)措施在遼河油田6個(gè)井組進(jìn)行了實(shí)施，日產(chǎn)油量均呈現(xiàn)不同程度的上升，日產(chǎn)油達(dá)到620 t以上，整體區(qū)塊日產(chǎn)油達(dá)到2 300 t以上，技術(shù)措施實(shí)施取得階段性成功。通過井組周邊觀察井歷史井溫與目前井溫的對比，可以發(fā)現(xiàn)措施實(shí)施前后水平段跟部汽腔在縱向上擴(kuò)展20 m左右，同一口生產(chǎn)井其他部位觀察井對比發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)井平面上蒸汽腔基本已發(fā)育連通。以某SAGD井組為例，對周邊4口注汽直井低物性段部位實(shí)施補(bǔ)射孔后堅(jiān)持連續(xù)注汽，并適當(dāng)提高單井注汽排量。注汽4個(gè)月后，通過目標(biāo)井組周邊觀察井的井溫持續(xù)監(jiān)測結(jié)果(見圖7)可知，措施實(shí)施后蒸汽腔快速越過低物性段發(fā)育，在一年內(nèi)縱向擴(kuò)展20 m，而且目標(biāo)井組日產(chǎn)油量由50 t上升至82 t，實(shí)現(xiàn)了泄油速率的大幅度提高。

圖7　生產(chǎn)井周邊觀察井的井溫監(jiān)測曲線Fig.7　The temperature monitoring curve of observation well around production wells

5結(jié)論

1) 以R.M.Bulter建立的雙水平井日產(chǎn)量方程為理論基礎(chǔ)，將每一口注汽直井與生產(chǎn)水平井視為一個(gè)小的雙水平井井組，在考慮端點(diǎn)效應(yīng)有限長度水平井日產(chǎn)量方程的基礎(chǔ)上，建立了直井與水平井組合SAGD井組日產(chǎn)量(即泄油速率)方程。

3) 分析建立的直井與水平井組合SAGD井組泄油速率方程得出：泄油速率的大小主要受泄油井點(diǎn)數(shù)及蒸汽腔高度的影響，在相關(guān)參數(shù)確定的情況下，泄油速率隨泄油井點(diǎn)數(shù)和蒸汽腔高度的增加而增大。

3) 建立的泄油速率方程含有雙水平井日產(chǎn)量方程中的隱性參數(shù)，即蒸汽腔擴(kuò)展角。建議進(jìn)行蒸汽腔擴(kuò)展角對泄油速率的影響研究，以制定更為合理的提高泄油速率的技術(shù)措施。

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[編輯令文學(xué)]

Technologies for Raising the Oil Drainage Rate with Vertical- Horizontal Well Combinations in SAGD Mode

LI Wei，LIU Yongjian

(SchoolofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang,163318,China)

Abstract:Due to the low drainage rate and the uneven expansion of steam cavity appearing in the development of the Liaohe Oilfield which utilizes a vertical-horizontal well combination by steam assisted gravity drainage (SAGD), a horizontal-well drainage rate model was developed. It focused on a daily output equation for horizontal wells which have limited length and take into account the point effect (following the theory of R. M. Butler). With a dual-horizontal-well drainage model, and the vertical-horizontal well group was simplified as dual horizontal wells, finally, the drainage rate equation that was used for vertical well and horizontal steam injection well in SAGD. The drainage model was developed and applied to the stages of initial production and stable production. It is shown from the analysis on drainage rate equation that the drainage rate of vertical-horizontal well group SAGD is mainly controlled by the quantity of oil drainage wells and the vertical expansion height of the steam cavity. Combined with the heavy oil development practice in Liaohe Oilfield, the technical measures for increasing the drainage rate of vertical-horizontal well group SAGD were proposed. The approach involved drilling another two steam injection wells at the heel of the horizontal section and to increase the steam injection rate by 20%. Meanwhile, the best perforation position was set near the sections with low physical properties, with reperforation length of 8 m. These technical measures were applied to 6 well groups in the Liaohe Oilfield, and as a result, the daily oil production increased by different percentages. This research with field test provides the good basis for further improving the drainage rate of SAGD well groups.

Key words:vertical well；horizontal well；steam；gravity drainage；oil drainage rate

中圖分類號：TE357.44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-0890(2016)02-0087-06

doi:10.11911/syztjs.201602015

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“提高稠油蒸汽驅(qū)效率技術(shù)”(編號：2011ZX05012-003)資助。

作者簡介：李巍(1986—)，男，遼寧盤錦人，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)熱能工程專業(yè)，油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事提高稠油采收率方面的研究工作。E-mail：pavel_nedved58@163.com。

收稿日期：2015-10-13；改回日期：2016-02-19。