黃勇 張磊 何小東 楊洪 陳森 游紅娟

中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院

風(fēng)城淺層油砂SAGD項(xiàng)目注汽壓力優(yōu)化

黃勇 張磊 何小東 楊洪 陳森 游紅娟

中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院

為加快風(fēng)城淺層油砂SAGD循環(huán)預(yù)熱啟動速度，改善生產(chǎn)初期汽腔發(fā)育程度，優(yōu)化不同階段注汽壓力，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和地應(yīng)力測試基礎(chǔ)上，分析了儲層彈性力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力分布，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立了注汽壓力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，同時通過CT掃描實(shí)驗(yàn)獲得了風(fēng)城油砂剪切裂縫特征。研究表明，風(fēng)城淺層油砂的剛度和剪脹程度隨溫度升高而減弱；提高注汽壓力能夠降低有效應(yīng)力，促進(jìn)油砂產(chǎn)生垂直微裂縫；SAGD過程中，抗剪強(qiáng)度為應(yīng)力圓半徑1.5倍時可得出最小注汽壓力，應(yīng)力圓極限狀態(tài)時可計算最大注汽壓力；循環(huán)預(yù)熱和生產(chǎn)初期階段采用高注汽壓力，穩(wěn)定生產(chǎn)階段采用低注汽壓力，優(yōu)化結(jié)果現(xiàn)場應(yīng)用后效果良好。

淺層油砂；SAGD；注汽壓力；Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；巖石力學(xué)；抗剪強(qiáng)度；微裂縫

新疆風(fēng)城淺層超稠油油藏采用雙水平井SAGD開發(fā)，由于儲層物性變化大，風(fēng)城SAGD存在循環(huán)預(yù)熱周期長、水平段動用程度不均、汽腔發(fā)育慢等問題，前人在實(shí)踐中總結(jié)出不同開采階段的操作壓力策略［1-2］，形成了均勻配汽工藝［3］，進(jìn)行了SAGD循環(huán)預(yù)熱啟動壓力數(shù)值模擬研究［4］，同時在裂縫改善SAGD蒸汽滲流能力［5］及SAGD加速連通的預(yù)熱模式［6］方面進(jìn)行了有益探索。生產(chǎn)實(shí)踐和數(shù)值模擬研究表明，注汽壓力是縮短循環(huán)預(yù)熱周期、改善汽腔發(fā)育程度關(guān)鍵參數(shù)，而儲層巖石力學(xué)特征的研究是從另一角度出發(fā)，有助于設(shè)定合理的注汽壓力。筆者在風(fēng)城淺層油砂彈性力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究了儲層產(chǎn)生微裂縫的注汽壓力范圍，并對不同階段的注汽壓力進(jìn)行了優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

General introduction to the study area

研究區(qū)目的層為J3q2層，油層中深150～350 m，油層厚度25.3 m，地層壓力系數(shù)0.93；主要巖性為細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、含礫砂巖和不穩(wěn)定分布的砂礫巖?？v向上油層連續(xù)性較好，以砂巖為主，層內(nèi)夾層厚度小或不發(fā)育，目的層頂?shù)撞烤l(fā)育穩(wěn)定的隔層，以泥巖為主。原油50 ℃下脫氣黏度平均22 200 mPa·s，油層分析孔隙度平均30.04%，油層分析滲透率平均1 478.99 mD。選取研究區(qū)巖心進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲取該區(qū)儲層巖石彈性力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)城油田儲層巖石彈性力學(xué)參數(shù)Table 1 Elastic mechanics of the reservoir rock in Fengcheng Oilfield

由表1可見，飽和巖心在20 ℃時，油砂的剛度略大，內(nèi)摩擦角較小，黏聚力較大；當(dāng)溫度增加到70℃時，油砂從剛性向流變性過渡，模量參數(shù)變小，黏聚力和剪脹角下降，油砂基質(zhì)塑性增強(qiáng)使剪脹趨勢變小，而內(nèi)摩擦角有所增加，說明油砂顆粒嵌合程度更加緊密，巖石強(qiáng)度有所上升。SAGD過程中，高干度蒸汽在注采水平井內(nèi)循環(huán)，通過熱交換加熱地層與原油，根據(jù)儲層的溫度敏感性可知，隨著環(huán)境溫度的上升，風(fēng)城油砂表現(xiàn)出巖石強(qiáng)度增加，剛度和剪脹程度降低的現(xiàn)象。高溫時，剪切引起的油砂顆?；频内厔轀p弱，油砂體積形變要小于常溫狀態(tài)，有利于形成微裂縫［7］。

在研究區(qū)某觀測直井采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試，經(jīng)過多輪次測試確定最大主應(yīng)力在垂向，壓力梯度21 kPa/m，最小主應(yīng)力在水平方向，其中油層的壓力梯度12.61 kPa/m，地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度分布見圖1，可以看出，儲層破裂壓力介于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間；泥巖蓋層的最小主應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度（20 ℃）要大于目的層，具有良好的穩(wěn)定性；隨著溫度的增加，抗剪強(qiáng)度增大，油砂的強(qiáng)度得到提高。

圖1 研究區(qū)地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度分布Fig.1 Distribution of formation stress and rock strength in the study area

根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力分布，儲層具備產(chǎn)生垂直裂縫的地應(yīng)力條件。垂直裂縫有助于雙水平井井間連通，加快滲流速度，促進(jìn)汽腔垂向擴(kuò)展，提高SAGD開發(fā)效果。對于循環(huán)預(yù)熱階段，注汽壓力要使水平井在近井帶產(chǎn)生剪切微裂縫，蒸汽通過垂直微裂縫擴(kuò)大波及范圍，從而提高預(yù)熱效率。對于生產(chǎn)階段，注汽壓力需要保持微裂縫張開，促進(jìn)蒸汽腔發(fā)育，加快泄油速度。

2 基于M-C準(zhǔn)則的注汽壓力確定

Determination of the steam-injection pressure based on Mohr-Coulomb Theory

2.1 剪切破壞原理

Mechanisms of shear failure

低應(yīng)力情況下，風(fēng)城油砂抗剪強(qiáng)度近似服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則［8］。研究區(qū)為淺層超稠油油藏，假設(shè)孔隙流體不可壓縮，孔隙壓力能夠抵抗圍壓變化，依據(jù)M-C準(zhǔn)則進(jìn)行儲層穩(wěn)定性分析。注汽過程中存在地層流體壓力，根據(jù)有效應(yīng)力的定義，流體壓力僅減小任一截面的有效正應(yīng)力，對該截面上的剪應(yīng)力無影響，故M-C準(zhǔn)則可以寫成

式中，|τf|為巖石剪切面的抗剪強(qiáng)度，MPa；τ0為黏聚力，MPa；f為巖石內(nèi)摩擦系數(shù)，f=tanφ；φ為內(nèi)摩擦角，°；α=π/4+φ/2；σ為有效應(yīng)力，MPa；σn為剪切面上的正應(yīng)力，MPa；τ為剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；pf為地層流體壓力，MPa；r為應(yīng)力圓半徑，MPa；σmax為最大主應(yīng)力，MPa；σmin為最小主應(yīng)力，MPa。

由式（1）～（5）可知，注汽過程中，流體壓力只降低有效應(yīng)力和巖石抗剪強(qiáng)度，對剪切面上的剪應(yīng)力和應(yīng)力圓半徑無影響。由圖2和式（1）、（2）可知，隨著注汽壓力增加，應(yīng)力圓逐漸從穩(wěn)定狀態(tài)向臨界破壞狀態(tài)移動，在移動的過程中，儲層巖石抗剪強(qiáng)度不斷降低，并伴隨有微破裂和粒間滑移產(chǎn)生。當(dāng)應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度直線相切時，微裂縫趨于飽和，油砂處于臨界破壞狀態(tài)。故隨著有效應(yīng)力的降低，巖石易產(chǎn)生剪切微裂縫，甚至發(fā)生破壞。

圖2 應(yīng)力圓剪切破壞示意圖Fig.2 Shear failure of stress circle

取研究區(qū)目的層普通飽和油砂巖心，在5 MPa有效圍壓下進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后巖心柱體沿軸向等分得到40個截面，從第一端面順序排列到最后一端面，進(jìn)行CT掃描實(shí)驗(yàn)。由圖3可見，普通油砂呈現(xiàn)較均勻的擾動，即剪脹擴(kuò)容較均勻發(fā)育且貫穿整個巖心，擴(kuò)容表現(xiàn)為孔隙數(shù)目增多和尺寸增大，未見任何較大尺寸的線性剪切裂縫。對于SAGD過程，水平段出現(xiàn)的大尺寸線性裂縫將會形成優(yōu)勢通道，不利于水平井均衡動用。因此，注汽壓力應(yīng)低于使油砂發(fā)生破壞的壓力。

2.2 注汽壓力的確定

Determination of steam injection pressure

根據(jù)M-C準(zhǔn)則，應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線相切時，儲層處于臨界狀態(tài)，此時微裂縫趨于飽和，由方程（1）～（5），可計算地層流體壓力為

圖3 油砂剪切后CT掃描截面圖（5.0 MPa飽和）Fig.3 Section of CT scan upon shearing of oil sand （5.0 MPa saturated）

由圖2可見，當(dāng)內(nèi)摩擦角φ較小時，臨界狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度與應(yīng)力圓半徑接近，可近似用應(yīng)力圓半徑代替抗剪強(qiáng)度計算地層流體壓力，此時地層流體壓力為最大注汽壓力pfmax。若內(nèi)摩擦角逐漸增大，應(yīng)力圓半徑將大于臨界狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度，計算的地層流體壓力有偏差。由于低溫時內(nèi)摩擦角偏小，故采用常溫狀態(tài)下彈性力學(xué)參數(shù)計算，得到的注汽壓力比較精確。

當(dāng)抗剪強(qiáng)度為應(yīng)力圓半徑的1.5倍時，大量微裂縫生成并擴(kuò)展［9］，該判別準(zhǔn)則適用于圍壓較低的淺層油砂。此時地層流體壓力為開始產(chǎn)生微裂縫的最小注汽壓力pfmin。綜上，根據(jù)M-C準(zhǔn)則，注汽壓力介于pfmin與pfmax之間，能夠產(chǎn)生大量剪切微裂縫，有助于井間快速連通。

3 現(xiàn)場實(shí)例

Field applications

在研究區(qū)SAGD生產(chǎn)井A001進(jìn)行小型壓裂測試，施工曲線見圖4，實(shí)際破裂壓力為5 670 kPa。結(jié)合M-C準(zhǔn)則和儲層巖石力學(xué)參數(shù)（20 ℃飽和）計算注汽壓力范圍。當(dāng)應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度線相切時，抗剪強(qiáng)度|τf|等于應(yīng)力圓半徑r，用式（3）和（6）可得最大注汽壓力，pfmax為5 510 kPa；當(dāng)抗剪強(qiáng)度|τf|是應(yīng)力圓半徑r的1.5倍時，同理可得最小注汽壓力，pfmin為4 720 kPa。因此，該井理論注汽壓力介于4 720 kPa與5 510 kPa之間。

當(dāng)注汽壓力大于pfmin時，垂直微裂縫逐漸形成并擴(kuò)展，促進(jìn)了蒸汽的滲流；當(dāng)注汽壓力趨近于pfmax時，微裂縫趨于飽和，繼續(xù)增加注汽壓力將使儲層破裂，形成較大尺寸線性裂縫，產(chǎn)生優(yōu)勢通道，不利于水平井均衡啟動。對于SAGD水平井循環(huán)預(yù)熱啟動階段，注汽壓力應(yīng)介于pfmin與pfmax之間，有助于注采井間快速熱連通；在生產(chǎn)初期階段，注汽壓力應(yīng)接近pfmax，促進(jìn)汽腔發(fā)育；當(dāng)穩(wěn)定生產(chǎn)時，注汽壓力可接近pfmin，并建立合理的注采關(guān)系。

圖4 SAGD水平井小型壓裂測試曲線Fig.4 Test curves of minor fracturing operation in horizontal well with SAGD

A001生產(chǎn)運(yùn)行曲線見圖5，該井循環(huán)預(yù)熱階段的I井注汽壓力基本控制在4 720～5 510 kPa，循環(huán)預(yù)熱98 d后，快速形成井間連通，比區(qū)塊平均啟動時間縮短110 d；轉(zhuǎn)生產(chǎn)后，I井保持100 d的高壓，即接近最大注汽壓力，以提高蒸汽在微裂縫中滲流能力，有利于蒸汽腔的擴(kuò)展和形成；生產(chǎn)超過100 d后，I井注汽壓力保持在最小注汽壓力附近，使微裂縫處于張開狀態(tài)，促進(jìn)汽腔發(fā)育、提高泄油能力，穩(wěn)定生產(chǎn)。該井轉(zhuǎn)SAGD生產(chǎn)后水平段動用程度100%，截止目前累計生產(chǎn)445 d，產(chǎn)液量79 t/d，產(chǎn)油量22 t/d，油氣比0.27，生產(chǎn)效果好于區(qū)塊平均水平。

圖5 SAGD水平井生產(chǎn)運(yùn)行曲線Fig.5 Production curves of horizontal well with SAGD

4 結(jié)論

Conclusions

（1）風(fēng)城淺層稠油油砂隨溫度的增加，模量參數(shù)降低，內(nèi)摩擦角增大，黏聚力減小，儲層巖石表現(xiàn)出剛度降低、強(qiáng)度增加、剪脹程度降低的現(xiàn)象。SAGD過程中，通過高溫高壓蒸汽改造，剪脹擴(kuò)容形成的微裂縫有助于增大蒸汽波及范圍，提高泄油能力。

（2）低應(yīng)力情況下，風(fēng)城油砂服從莫爾-庫倫準(zhǔn)則，應(yīng)力圓極限狀態(tài)時的地層流體壓力為最大注汽壓力；抗剪強(qiáng)度為應(yīng)力圓半徑的1.5倍時，地層流體壓力為最小注汽壓力。合理控制注汽壓力，能夠加快連通速度，避免水平段形成優(yōu)勢通道。

（3）根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則和SAGD泄油機(jī)理，對循環(huán)預(yù)熱啟動、生產(chǎn)初期、穩(wěn)定生產(chǎn)階段進(jìn)行了注汽壓力優(yōu)化，達(dá)到了較好的生產(chǎn)效果。

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（修改稿收到日期 2016-08-25）

〔編輯 朱 偉〕

Optimization of steam-injection pressures in Fengcheng shallow oil sand SAGD Project

HUANG Yong,ZHANG Lei,HE Xiaodong,YANG Hong,CHEN Sen,YOU Hongjuan
Engineering Technology Research Institute of PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Kelamay,Xinjiang 834000,China

To accelerate pre-heating and initialization of SAGD circulation for development of Fengcheng shallow oil sand,enhance development of steam chambers during initial production and optimize steam injection pressure in different stages,elastic mechanics and distribution of stress in reservoir formation were analyzed based on geomechanic and formation stress tests,the correlation between steam injection pressure and shear strength was determined in accordance with the Mohr-Coulomb Theory,and features of shear fractures in Fengcheng oil sand were highlighted through CT scanning.Research results show that shallow Fengcheng oil sand has rigidity and shear dilation decreasing with temperature.By enhancing steam injection pressure,it is possible to reduce effective stress and accelerate formation of vertical micro-fractures in oil sand.During SAGD,the minimum steam injection pressure can be determined with shear strength at 1.5 times of the stress circle,whereas the maximum steam injection pressure can be determined at upper limit of the stress circle.In conclusion,it is proposed to use high steam injection pressure during pre-heating and initial production stages,whereas lower steam injection pressure can be used during peak production stages.Field application results show satisfactory performances can be achieved through process optimization.

SAGD;steam injection pressure;Mohr-Coulomb Theory;geomechanics;shear strength; shallow oil sand;micro-fracture

黃勇，張磊，何小東，楊洪，陳森，游紅娟.風(fēng)城淺層油砂SAGD項(xiàng)目注汽壓力優(yōu)化［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：848-851，858.

TE357.4

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0848-04

10.13639/j.odpt.2016.06.026

:HUANG Yong,ZHANG Lei,HE Xiaodong,YANG Hong,CHEN Sen,YOU Hongjuan.Optimization of steam-injection pressures in Fengcheng shallow oil sand SAGD Project［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):848-851,858.

“十三五”國家科技重大專項(xiàng)“油砂高效開發(fā)與提高SAGD效果新技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：2016ZX05031002）。

黃勇（1986-），2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事稠油開采技術(shù)研究工作，工程師。通訊地址：（834000）新疆克拉瑪依市勝利路87號。電話：0990-6883305。E-mail:xjhy@petrochina.com.cn