一种SAGD技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法与流程

本发明涉及超稠油藏开采方法模式试验技术领域，具体涉及一种sagd技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟试验方法。

背景技术：

我国稠油资源丰富，新疆、辽河、胜利、塔里木等油区均有进行稠油的开采。超稠油砂储层是一种特殊的油藏，稠油粘度极高，流动性极差，采用常规的油气开采技术难以高效地开发稠油油藏。加热油砂储层可以降低稠油粘度，增加其流动性，提高稠油开采效率，但常规蒸汽吞吐的方法开采稠油的效率极低，不能满足稠油开采的需求。1978年，加拿大bulter博士提出了蒸汽辅助重力泄油(sagd)技术，并在加拿大的稠油开采中得到了广泛应用。

sagd技术在稠油储层中布置上下两口水平井，上部水平井为注汽井，下部水平井为生产井。通过向注汽井和生产井中注入高温蒸汽，进行蒸汽循环，加热储层，形成蒸汽腔。当注汽井与生产井间建立有效泄油通道后，达到转产需求时，注汽井依然持续注入蒸汽，生产井停止注汽并进入产油阶段。

在新疆、辽河、胜利等油田已引进sagd技术开采稠油，并取得了一定的效果。但我国大多数稠油油藏属于河流沉积，储层非均质性强，导致水平井动用不均匀。并且由于储层中低渗透、低传热性的夹层的存在，使注入的蒸汽被夹层阻隔，限制蒸汽腔的发育。sagd技术开采稠油是一个多场耦合条件下极为复杂的物理化学过程，其中包含热传导、多相流体渗流、热流固耦合和气体、流体、固体相变等诸多科学问题。因此，需要对sagd技术开采稠油中的各项科学问题进行系统性的研究，分析蒸汽循环过程中蒸汽腔的发育规律，揭示该技术开采稠油的机理，为现场sagd技术开采稠油施工方案的设计提供理论依据和技术支撑。

我国实施sagd技术开采稠油的时间较短，针对该技术在我国稠油储层适用性的基础研究较少。现阶段对sagd技术开采稠油的研究通常采用现场分析、数值模拟和物理模拟等方法。尽管已有一些学者进行了sagd的物理模拟试验，但大多数物理模拟方法尺度较小，难以对储层的非均质性(夹层)进行模拟，并且现有的模拟方法中鲜有考虑地应力对模拟效果的影响。为此，需要进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术中sagd技术开采稠油的物理模拟方法中，难对储层的非均质性(夹层)进行模拟，以及缺少地应力对模拟效果的影响因素的不足，提供一种sagd技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，该方法在真三轴条件下进行，通过真三轴试验条件形成地应力的影响因素，从而更加直观地得到该技术开采稠油过程中各项物理参数的变化规律，便于分析该技术开采稠油的机理。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种sagd技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，在真三轴加载条件下进行，并包括以下步骤：

第一步，目标地层模拟：包括试样制备和线缆连接；所述试样准备包括根据现场钻取的岩芯性质，在真三轴加载的试件箱的箱体内，由下至上依次压制底层、含夹层的油砂储层和盖层的模拟地层，并在压制含夹层的油砂储层过程中，埋设两根筛管用于分别模拟sagd技术中的注汽井和生产井，以及在油砂储层中埋入用于监测sagd技术开采超稠油过程中至少包括温度和压力的物理参数的温度传感器和压力等传感器；其中，底层、油砂储层中的夹层，以及盖层采用相似材料模拟，油砂储层中的含油砂层由原始地层取出的油砂或稠油饱和的石英砂模拟；两根筛管形成模拟的双水平井生产系统，筛管两端封闭，且每根筛管内均布置一根长管和一根短管，长管和短管均伸出箱体外部；所述线缆连接包括在试样制备完成后，封闭试件箱体；并将各传感器和数据采集仪连接；

第二步，地应力加载：根据现场地层实测的地应力，利用真三轴加载系统、通过试件箱对模拟地层施加模拟地应力；

第三步，蒸汽循环过程模拟：依据现场蒸汽循环方法和相似准则确定的蒸汽注入速率和循环时间向两个井中注入高温蒸汽，进行蒸汽循环，模拟油砂储层中两个水平井之间热连通的建立；

第四步，稠油抽采过程模拟：在油砂储层内蒸汽腔温度达到转产温度后，停止蒸汽循环，解除生产井与蒸汽发生器的连接关系，并将其与负压抽采系统连接，通过负压抽采超稠油。

采用前述技术方案的本发明，通过目标地层模拟，在真三轴条件下进行地应力加载、蒸汽循环过程模拟和在设定温度条件下进行稠油抽采过程模拟等步骤，通过真三轴试验条件形成地应力的影响因素，从而更加直观地得到该技术开采稠油过程中各项物理参数的变化规律，便于分析该技术开采稠油的机理。其中，蒸汽发生器必须满足试验的注汽要求，包括温度、压力和排量等参数要求，具体的试验注汽参数由现场的注汽参数和相似准则计算得到；蒸汽腔是指在注汽井注入蒸汽向上超覆，注入的蒸汽将油层加热并向上和侧面驱散，从而形成一个充满蒸汽且稠油可流动的区域；蒸汽腔温度达到设定值条件是指在蒸汽循环过程中，利用预埋入模拟储层中的传感器进行相关数据的监测；并根据温度传感器监测得到的油砂储层内蒸汽腔温度，判断储层是否达到转产标准；是，则执行稠油抽采过程模拟，否，则继续进行判层是否达到转产标条件断储。在管线，在各传感器和数据采集仪连接后，还应通过测试进行各传感器已可靠连通的确认。其中，油砂储层由至少两个含油砂层和夹在相邻含有砂层之间的夹层构成，夹层通常理解为硬质层。在抽采管路上设置计量设备可以统计抽采量。油砂储层模拟可采用原始地层取出的油砂和稠油饱和的石英砂两种方式，当采用原始地层的油砂模拟储层时，直接将油砂粉碎后放入试件箱体内压制成型即可，其便于获得；当采用稠油饱和的石英砂模拟储层时，需要先将石英砂压制成型，然后用水饱和石英砂，再用稠油驱替石英砂中的水。由于稠油饱和石英砂的过程较为复杂，可能引起较大的误差，因此，通常采用原始地层油砂模拟储层。

优选的，在所述目标地层模拟步骤中，现场钻取的岩芯性质通过以下方法确定，包括采用单轴压缩试验测试油砂储层、储层中的夹层以及盖层和底层四种地层岩芯的抗压强度、弹性模量和泊松比；采用三轴压缩试验测试四种地层岩芯的三轴抗压强度和剪胀性；采用巴西劈裂试验测试四种地层岩芯的抗拉强度。以获得全面、准确的现场岩芯性质，为进行更加逼真的模拟试验提供保障。

优选的，在所述目标地层模拟步骤中，所述相似材料包括河沙、水泥和石膏，并通过调节材料之间的配比改变相似材料的力学特性，以模拟除含油砂层之外的不同地层岩芯。其中，河沙、水泥和石膏为主要材料，除此以外，还包括粘合剂，以及根据岩芯性质需要强化某种特性的其他材料；以获得更加接近真实岩心的模拟试样。

优选的，在所述目标地层模拟步骤中，所述模拟地层的压制成型在成型压机上进行；其中，成型压机包括加载系统和箱体侧向变形限制装置，加载系统通过反力架设置；压制相似材料模拟地层前，先将试验箱体通过变形限制装置安装在成型压机的压制平台上，以防止压制过程中箱体的侧向变形；再向箱体中加入预先配制好的对应层的相似材料；逐层压制，加载系统的系统压力不小于10mpa。成型压机是真三轴实验室必备的试样制备常用设施，以充分利用实验室现有设施进行模拟试验的准备工作，提高模拟效率，节省试验经费。

优选的，用于制备试样的所述试件箱体的长×宽×高几何尺寸为1050mm×400mm×400mm，箱体的一个侧面具有供各类传感器线缆穿设的多个通道，箱体前端开有一个圆形孔，该圆形孔能够用于构成模拟sagd双水平井生产系统的两组长管和短管穿设。以获得试样尺寸相对更大的模拟试验，提高模拟的准确性和可靠性。

优选的，所述长管和短管均采用不锈钢管制成。以利用不锈钢管的耐腐蚀特性，延长使用寿命，以便用于再次构建试样时重复利用，降低试验成本。

优选的，所述真三轴加载系统的y向具有4个压头、x向具有4个压头，y向和x向的压头均能够提供4000kn的压力，z向具有1个压头，z向的压头能够提供2000kn的压力；其中，x向和z向模拟水平加载，y向模拟垂直加载；各压头分别通过试件箱体中对应的加载板对模拟地层施加模拟地应力。以确保能够充分满足试样的地应力加载要求，从而获得更加接近实际的实验数据。

优选的，在所述稠油抽采过程模拟步骤中，所述转产温度不低于80℃。以降低超稠油黏度，提高流动性和抽采效率。

优选的，在所述蒸汽循环步骤前，还包括将构成注汽井和生产井的两个筛管中的两根长管伸出箱体外部的管段，按并联方式与蒸汽发生器连接；所述蒸汽循环是指在注汽井与生产井中，按确定的速度通过长管注入高温蒸汽加热油砂储层，通过短管排出低温冷凝水，并持续确定的时间的过程。从而形成良好的循环通道，确保储层快速、持续升温。

优选的，所述模拟地层外周包覆有隔热棉和锡箔纸。以防止高温蒸汽加热试件箱体，烫伤试验人员，确保安全。

本发明具有以下有益效果：本发明采用相似材料和天然油砂模拟地层，并进行应力加载还原真实储层应力环境，通过模拟地层中预埋的不锈钢管和蒸汽发生器进行注高温蒸汽循环作业，根据模拟地层中埋设的温度传感器采集不同时间和地层位置的数据，实现蒸汽腔扩展的实时监测，待温度达到转产标准后，通过外设的负压抽采系统进行稠油的开采。该试验方法具有还原程度高、采集信号丰富、操作安全等优点，为研究sagd技术开采超稠油藏提供新的试验手段和方法。

附图说明

图1为本发明模拟试验的流程图。

图2为本发明中试件箱体及传感器布置结构示意侧视图。

图3为本发明中试件箱体及传感器布置结构示意主视图。

图4为本发明中试件箱体前端圆孔布置结构示意图。

图5为本发明中试件箱体及传感器布置结构示意俯视图。

图6为模拟地层的坐标示意图。

图7为传感器的布置示意图。

图中附图标记与部件名称对应关系为：竖直压头1、第一水平压头2、竖直加载板3、隔热棉和锡箔纸4、模拟盖层5、温度传感器6、模拟夹层7、模拟油砂储层8、模拟底层9、生产筛管10、生产长管11、注汽长管12、生产短管13、注汽短管14、注汽筛管15、箱盖16、第一水平加载板17、第二水平压头18、第二水平加载板19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明型作进一步的说明，实施例是示例性的，仅用于揭示和解释本发明型，以便充分理解本发明型，但并不因此将本发明型限制在所述的实施例范围之内。

参见图1，一种sagd技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，在真三轴加载条件下进行，并包括以下步骤：

第一步，目标地层模拟：包括试样制备和线缆连接；所述试样准备包括根据现场钻取的岩芯性质，在真三轴加载的试件箱的箱体内，由下至上依次压制底层、含夹层的油砂储层和盖层的模拟地层，并在压制含夹层的油砂储层过程中，埋设两根筛管用于分别模拟sagd技术中的注汽井和生产井，以及在油砂储层中埋入用于监测sagd技术开采超稠油过程中至少包括温度和压力的物理参数的温度传感器和压力等传感器；其中，底层、油砂储层中的夹层，以及盖层采用相似材料模拟，油砂储层中的含油砂层由原始地层取出的油砂岩芯粉碎获得；两根筛管形成模拟的双水平井生产系统，筛管两端封闭，且每根筛管内均布置一根长管和一根短管，长管和短管均伸出箱体外部；所述线缆连接包括在试样制备完成后，将试件箱从成型机中提出，合盖封闭试件箱体；并将各传感器和数据采集仪连接；

第二步，地应力加载：根据现场地层实测的地应力，利用真三轴加载系统、通过试件箱对模拟地层施加模拟地应力；

第三步，蒸汽循环管路连接：将构成注汽井和生产井的两个筛管中的两根长管伸出箱体外部的管段，按并联方式分别与蒸汽发生器连接；

第四步，蒸汽循环过程模拟：依据现场蒸汽循环方法和相似准则确定的蒸汽注入速率和循环时间，并按确定的速度通过注汽井与生产井的长管向两个井中注入高温蒸汽加热油砂储层，通过短管排出低温冷凝水，并持续确定的时间，从而形成蒸汽循环过程，模拟油砂储层中两个水平井之间热连通的建立；

在本步骤中，根据现场蒸汽循环的程序，先关闭短管，从长管中以恒定的速度注入蒸汽，当蒸汽压力达到目标值后，打开短管，排除加热油砂储层后已冷却的水，并通过调节短管出口端的流量，控制注入油砂储层的蒸汽压力；

试验中蒸汽注入参数包括速度和压力，其通过相似准则和现场的注汽参数计算得到；蒸汽循环过程中，监测油砂储层的温度，并每隔一段时间在绘图软件上画出模拟地层中的温度分布云图，得到油砂储层蒸汽腔的发育情况，为sagd技术开采稠油转入生产阶段提供基础数据。

第五步，稠油抽采过程模拟：在油砂储层内蒸汽腔温度大于或等于80℃的转产温度后，停止蒸汽循环，解除生产井与蒸汽发生器的连接关系，并将其与负压抽采系统连接，通过负压抽采超稠油。

其中，在所述目标地层模拟步骤中，包括试验材料准备：

s11，岩芯性质确定：现场钻井过程中，分别取出油砂储层、底层、盖层和夹层的岩芯，采用单轴压缩试验测试油砂储层、储层中的夹层以及盖层和底层四种地层岩芯的抗压强度、弹性模量和泊松比；采用三轴压缩试验测试四种地层岩芯的三轴抗压强度和剪胀性；采用巴西劈裂试验测试四种地层岩芯的抗拉强度。

s12，配比相似材料：其中，相似材料包括河沙、水泥和石膏，并通过调节材料之间的配比改变相似材料的力学特性，以模拟除含油砂层之外的不同地层岩芯。

s13，筛管加工：加工两根筛管，一根为生产筛管10，另一根为注汽筛管15，筛管的长度根据sagd双井水平段的长度以及相似准则计算得到；两根筛管的内部分别安装长短两根不锈钢管，模拟sagd双水平井内的长管和短管，具体是在生产筛管10内设置生产长管11和生产短管13；在注汽筛管15设置注汽长管12和注汽短管14；长管和短管从筛管的一端露出，并将筛管两端封闭。

在所述目标地层模拟步骤中，所述模拟地层的压制成型在成型压机上进行；其中，成型压机包括加载系统和箱体侧向变形限制装置，加载系统通过反力架设置；压制相似材料模拟地层前，先将试验箱体通过变形限制装置安装在成型压机的压制平台上，以防止压制过程中箱体的侧向变形；再向箱体中加入预先配制好的对应层的相似材料；逐层压制，加载系统的系统压力不小于10mpa。

其中，用于制备试样的所述试件箱体的长×宽×高几何尺寸为1050mm×400mm×400mm，箱体的一个侧面具有供各类传感器线缆穿设的多个通道，箱体前端开有一个圆形孔，该圆形孔能够用于构成模拟sagd双水平井生产系统的两组长管和短管穿设。

如图2～5所示，具体步骤为：

s14，将试件箱体置于成型压机的压制平台上，并将侧向变形限制装置与箱体相连接。然后将模拟底层9的相似材料放入试件箱体底部，用成型机压制相似材料至预定的高度。

s15，将模拟油砂储层8的油砂放置于底层9上，并根据夹层7在油砂储层中的位置和厚度，在油砂中埋入相应层数的模拟夹层7相似材料，同时，将生产筛管10、注汽筛管15和温度传感器6埋置于油砂中的预定位置，且将两根筛管中的长管和短管从箱体端部的圆孔中穿出；利用加载系统压制油砂和夹层相似材料至预定的高度。

s16，将模拟盖层5的相似材料放置于模拟油砂储层8上，利用加载系统压制油砂和夹层相似材料至预定的高度，并通过箱盖16将模拟地层封闭在箱体内形成试样。

参见图6和图7，温度传感器6设有396个，具体设置方式为，以模拟地层靠近第一水平压头2一端下方的一个直角为原点，以模拟地层水平长度方向为z轴，竖直方向为y轴、与第二水平压头18施加压力的相同方向为x轴建立坐标系，所述温度传感器竖直方向上分别布置在y＝100mm、y＝150mm、y＝200mm、y＝250mm、y＝300mm、y＝350mm六个断面上；水平x轴方向上分别布置在x＝57mm、x＝114mm、x＝171mm、x＝228mm、x＝285mm、x＝342mm六个断面上；水平z轴方向上分别布置在z＝60mm、z＝145mm、z＝230mm、z＝315mm、z＝400mm、z＝485mm、z＝570mm、z＝655mm、z＝740mm、z＝825mm、z＝910mm十一个断面上。

而模拟地层的压制至少需要分3次进行，按底层-含夹层的油砂储层-盖层，但由于在各地层中需要布置各类传感器以及sagd双水平井生产系统，特别是油砂储层8内的生产及监测系统较为复杂，因此地层的压制次数通常会超过3次，具体的压制层数要以双水平井生产系统和传感器的布置为依据。如图5所示，各类传感器沿高程布置了6层，这时油砂储层8的压制分层数至少为7层。

在模拟应力加载步骤中，所采用的真三轴加载系统，其y向具有4个压头、x向具有4个压头，y向和x向的压头均能够提供4000kn的压力，z向具有1个压头，z向的压头能够提供2000kn的压力；其中，x向和z向模拟水平加载，y向模拟垂直加载；各压头分别通过试件箱体中对应的加载板对模拟地层施加模拟地应力。y向的4个压头构成4个竖直压头1，z向的一个压头构成第一水平压头2，x向的4个压头构成4个第二水平压头18；竖直压头1通过竖直加载板3、第一水平压头2通过第一水平加载板17、第二水平压头18通过第二水平加载板19对模拟地层施加模拟地应力。

其中，在目标地层模拟步骤中，在将模拟底层9的相似材料放入试件箱体底部前，还包括在箱体内设置第一水平加载板17和第二水平加载板19，将隔热棉和锡箔纸4铺设在箱体内，并覆盖第一水平加载板17、第二水平加载板19以及箱体的其余内壁；在模拟盖层5压制完成后，用隔热棉和锡箔纸4覆盖模拟盖层5，再在模拟盖层5上方的隔热棉和锡箔纸覆盖层上面一次设置竖直加载板3和箱盖16。

生产井和注气井中的长管和短管均在箱体内斜向上延伸后，再从箱体端部的圆形孔穿出。其中，注气井位于生产井上方，两井中的长管位于下方，短管位于上方，以形成与实际生产现场相同的布局结构，便于热连通和排水。

以上详细描述了本发明型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。