KEY PARAMETERS OF RESERVE QUALITY EVALUATION FOR OIL SAND SAGD DEVELOPMENT IN CANADA
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摘要: 笔者立足于油砂SAGD开发的实际效果，分析影响油砂SAGD开发的主要地质因素，确定油砂储量品质评价的关键地质参数。研究结果表明HPVH、Facies1比例和Sw 3项参数是决定油砂SAGD开发储量品质的关键参数。明确了关键参数的界限：HPVH＞6 m3/m2，Facies1比例＞70%作为Ⅰ类储量划分界限；HPVH>＜4 m3/m2，Facies1比例＜70%作为Ⅲ类储量划分界限；Ⅱ类储量划分界限介于上述二者参数之间。依据含水饱和度和累积汽油比的关系将Ⅰ类储量进一步细分为Ⅰ-1和Ⅰ-2。储量品质评价关键参数研究结果为油砂SAGD开发储量品质评价奠定了基础，也为SAGD开发水平井井位部署提供了依据Abstract: Abstract: This paper is devoted to the study of main geological factors affecting SAGD development of oil sand in Canada and defining key geological parameters for reserve quality evaluation based on the performance in SAGD development. It is revealed that the key parameters for reserve quality evaluation include HPVH, Facies1 percentage and Sw. Criteria are established for defining each parameter mentioned above. There are three types of reserves. The type I is the reserve with HPVH higher than 6 m3/m2 and Facies1 percentage more than 70%, the type III is that with HPVH less than 4 m3/m2 and Facies1 percentage less than 70%, and the type II are those having the parameters between the typeⅠand type Ⅲ. The typeⅠcould be further divided into 2 sub-types based on Sw. The results mentioned above can be taken as the foundation of reserve quality evaluation, and used as the basis for well placement in un-development areas during SAGD production.
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Keywords:
- oilsand /
- biomarker /
- oil-source /
- correlation
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0. 概述
油砂是富含天然沥青的沉积砂，也称为“沥青砂”。油砂实质上是一种沥青、沙、富矿黏土和水的混合物。加拿大油砂资源丰富，约占世界油砂资源的85%以上，其沥青原油地质储量约为17 000×108 bbl，可采储量约为1 680×108 bbl(2013年12月)[1](图 1)。油砂资源主要分布在加拿大阿尔伯塔省的阿萨巴斯卡地区、冷湖地区、和平河地区[2](图 2)，分布面积分别为4.3×104 km2、0.73×104 km2和0.97×104 km2。
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图 1 世界各主要产油国石油储量统计图(据Oil & Gas Journal Dec．2013 and AER)Figure 1. Oil reserve statistical result for major oil producers in the world(According to Oil & Gas Journal Dec．2013and AER)加拿大阿萨巴斯卡地区油砂矿埋藏一般比较浅[3](约0～1000m)，含油层段为下白垩统的McMurray段[4](图 3)，属河口湾背景下受潮汐影响的曲流河沉积储层[5]，在前陆盆地EW向挤压作用下，相对海平面不断上升过程中形成的多期相互切叠的河道砂岩[6]。储层成岩作用弱，胶结差，平均厚度30～40m，平均孔隙度33%，平均渗透率2000×10-3μm2。油藏温度下沥青黏度(10～800)×104mPa·s，密度1.0071～1.0366g/cm3，密度比水大。
油砂的开采分为露天开采和原位开采。露天开采法适用于埋深＜75m的油砂矿；原位开采法适用于埋深75～1000m的油砂矿。原位开采包括循环蒸汽强化法(CSS)；蒸汽辅助重力泄油法(SAGD)；出砂冷采技术；地下水平井注气体溶剂萃取技术(VAPEX)；井下就地催化改质开采技术；水热裂解开采技术。原位开采是主要的油砂开采方式[7-9]。统计显示(表 1)，截至2015年底，阿尔伯塔省采用SAGD开发的油砂项目达到56个，SAGD是油砂开发的主要方式[10]。
表 1 加拿大油砂露天开采、CSS及SAGD方式开发的项目个数统计表Table 1. Statistics for oil sand mines in Canada开采方式 开发项目个数 阿萨巴斯卡 冷湖 和平河 合计 露天开采区 9 9 CSS 4 8 12 SAGD 48 5 3 56 SADG技术理论最早由罗杰·巴特勒博士于1978年提出，后被广泛应用于油砂开发工业领域[11-13]。其主要机理是向油藏注入高温蒸汽，在注采井对间形成热连通，注入的蒸汽向上扩散，在油藏中形成蒸汽腔，蒸汽腔向外扩展，与沥青油发生热交换，使固体沥青变为可流动的原油，与蒸汽冷凝水一起流入采油井中被采出(图 4)。
SAGD的主要布井方式为双水平井[14-17](图 4), 在靠近油层底部钻一对上下平行的水平井, 上部水平井注蒸汽, 下部水平井采油, 水平井对的垂直距离约5m, 下部水平采油井距离油层底的垂直距离5m.形成的蒸汽腔平面波及半径约４0m.平面上, 单个水平井长度一般在500~1200m, 多个井对(Pair)组成1个泄油区, 地面上组成1个井场(Pad), 共用1套井口集输设备(图 5).纵向上, 选择连续油层厚度最大的单元作为1个开发动用层段(单个泥岩层＜2m, 累计泥岩层厚度＜４m的储层段), 蒸汽腔在其中扩散.
1. 油砂SAGD开发效果分类
油砂SAGD开发生产动态显示，单井高峰日产油量30～400 m3/d，平均累积汽油比(消耗的蒸汽量与生产的沥青油的体积比，该蒸汽量为折算到单位体积液态水的体积计量)3.5 m3/m3。单井产量和汽油比的高低是决定油砂开发效益的关键指标。以A油田为例，该油田主力储层平均埋深260 m，储层属受潮汐影响的曲流河点坝砂体[18-22]，储层平均厚度30 m，孔隙度28.9%，水平渗透率4 545×10-3μm2，垂向渗透率3 500×10-3μm2，平均含水饱和度36%。该油田已开发10年以上，共有开发井对93个，平均水平井段长度800 m，平均井距75 m。根据生产动态将生产井开发效果分为3类(表 2、图 6)：①单井日产油量＜60 m3/d(约为8 (m3/d)/100 m)、汽油比＞6 m3/m3的井的数量占比超过了1/3，此类井产油量低、生产单位体积沥青油消耗的蒸汽量大、生产效果差，被认为是低产低效井；②介于高产井和低产低效井参数范围之间的井被认为是生产效果中等的井；③单井日产油量>120 m3/d(约为16(m3/d)/100 m)、平均汽油比<4 m3/m3的井被界定为高产井，高产井单井日产油量高、生产单位体积沥青油消耗的蒸汽量小、生产效果好。
表 2 A油田生产井开发效果分类表Table 2. Classification of development status forOilfieldA类型 单井高峰日产量/
((m3/d)/100m)累积汽油比/
(m3/m3)好 ≥16 ≤４ 中 8~16 4~6 查 ≤8 ≥6 ![]()
图 6 A油田SAGD开发不同开发效果典型井生产曲线Figure 6. Well location map for Oilfield A under SAGD development除生产作业和操作等因素外, 低产低效井产生的主要原因是储层因素.SAGD开发单井产油量的高低受控于储层厚度和净毛比等参数, 而汽油比的高低则受控于储层含水饱和度的高低.
与常规油气资源开发相比，油砂SAGD开发效果主要决定于蒸汽腔在空间扩展的范围。理想条件下，蒸汽腔在均质介质中扩展的范围呈下部略窄上部略宽型的腔体，但实际地质条件下，储层内部非均质性强[23]，隔夹层和层间高含水饱和度层(油砂储层内部发育含水饱和度>50%的层内高含水层)广泛发育，蒸汽腔的扩展形态受到影响(图 7)。蒸汽腔发育形态决定了SAGD开发的效果，分析影响蒸汽腔发育的地质因素及关键参数的界限是油砂SAGD开发研究的关键。
2. 储量品质研究与应用
油砂SAGD开发过程中, 蒸汽腔发育的形态受多种地质因素综合影响.基于开发效果的分类结果表明单井高峰日产油量和累积汽油比是决定分类的主要动态指标.通过单因素分析和多因素综合分析相结合的方法, 建立各主要地质参数与单井高峰日产油、累积汽油比的关系.根据各地质参数与生产动态参数的关系, 确定影响开发效果的关键地质参数.经过数据统计和地质分析, 影响油砂SAGD开发效果的关键地质参数分别是HPVH(储量丰度参数)、Facies1比例(纯砂岩比例)、Sw(含水饱和度).
HPVH是计算SAGD动用层段(EBIP段)储量丰度的参数，计算方法由公式(1)得到。在单井上计算HPVH的大小，HPVH数值决定于SAGD动用层段的厚度、孔隙度和含油饱和度的大小；在平面上通过井间插值得到HPVH平面分布图。一般情况不动用HPVH<3 m3/m2区域的储量[1]。HPVH数值越高，储量丰度越高，单井高峰产油量越高。如图 8，HPVH与平均单井高峰产量的关系相关性较好(平均单井高峰日产量是A油田实际生产数据，受各方面因素影响)，SAGD井位一般部署在HPVH>3 m3/m2的区域。
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图 8 HPVH 、Facies1参数与高峰产量的关系图Figure 8. Correlation between HPVH, Facies1and average oil peak$$ HPVH = \Sigma PHIE \times So \times 0.1m(采样间隔) $$ (1) 式中：HPVH为储量丰度；
PHIE为孔隙度；
So为含油饱和度。
Facies1比例为SAGD动用层段纯砂岩的厚度比例, 纯砂岩定义为岩心上为分选磨圆好的细砂岩或粉砂岩(图 9), 测井特征为泥质含量＜10％的砂岩段.井点计算SAGD动用层段的FaＧcies1比例的大小, 井间进行插值, 得到Facies1比例平面分布图.Facies1比例越高表示该层段的泥岩隔夹层厚度比例越小, 蒸汽腔在其中扩展的速度越快, 蒸汽腔形态越完整;相反, Facies1比例越小, 该层段的泥岩隔夹层厚度比例越大, 蒸汽腔在其中扩展的速度就会越慢, 蒸汽腔形态越复杂.统计结果表明, Facies1比例与平均单井高峰日产量具有一定的正相关性(图８), 研究结果表明, Facies1比例的数值＞70％的区域储层质量好, 有利于蒸汽腔发育
Sw为SAGD动用层段含水饱和度, 该参数与常规油气资源的含水饱和度概念一致.SAGD动用层段含水饱和度越高, 同等条件下加热该层段需要的蒸汽量就越大, 汽油比越高.因此含水饱和度越高的层段, 其SAGD开发过程中的累积汽油比则越大(图 10), 开发效果越差.
在开发效果分类的基础上，通过单因素和多因素敏感性分析，明确了影响SAGD开发效果的关键地质因素，确定了不同品质储量类型评价的关键参数，建立了关键参数的定量界限(图 10)。Ⅰ类品质储量的参数界限为HPVH≥6 m3/m2，Facies1比例≥70%，该类储量开发效果最好(表 3)；Ⅲ类品质储量的参数界限为HPVH<4 m3/m2，Facies1比例<70%，该类储量开发效果最差(表 3)；介于二者间的储量为Ⅱ类品质的储量，该类储量开发效果中等(表 3)。
表 3 油砂储量品质类型参数界限划分表Table 3. Oil sands reserve quality classification类型 Facies1 比例 HPVH/
(m3/m2)Sw 单井每百米高峰日产
油量/((m3/d)/100m)累积汽油
比 CSOR分类 Ⅰ类 ≥70％ ≥6 ＜30％ ＞16 ＜3．5 I-1 ＜30％ ＞3．5 I-2 Ⅱ类 - ４~6 - ８~16 ４~6 Ⅱ Ⅲ类 ＜70％ ＜４ - ＜８ ＞6 Ⅲ 累积汽油比与含水饱和度呈正相关关系(图 10)，随着含水饱和度的增加，汽油比增大。油砂SAGD开发行业把累积汽油比作为评价开发效果的重要参数。通常情况累积汽油比的平均值为3.5 m3/m3，＞3.5 m3/m3时开发效益较差。累积汽油比3.5 m3/m3对应的含水饱和度是0.3。将上述Ⅰ类品质储量进一步划分为累积汽油比＜3.5 m3/m3和＞3.5 m3/m3 两类，分别是Ⅰ-1、Ⅰ-2类，其对应的SAGD动用层段的平均含水饱和度分别是<30%和>30%。
依据上述关键参数，将油砂SAGD开发储量品质类型划分为3类，其中Ⅰ类可进一步细分为Ⅰ-1、Ⅰ-2类，各类的动静态参数界限如表 3所示。
将上述关键参数划分结果应用于B区块，得到各关键参数平面分布图，根据关键参数界限确定不同品质类型的储量分布平面范围，为SAGD开发井的部署提供依据。以探井测井解释的EBIP层段HPVH、Facies1比例和Sw参数为基础，通过井间插值方法(一般是收敛的插值算法)得到各参数平面分布图(图 11)。以表 3中储量不同品质类型划分界限确定平面范围内不同位置所属的类型(图 12)，图 12中绿颜色区域属于Ⅰ-1类储量分布区、粉颜色区域属于Ⅰ-2类储量分布区、黄颜色区域属于Ⅱ类储量分布区、粉颜色区域属于Ⅲ类储量分布区。选择储量品质最优的Ⅰ-1、Ⅰ-2类分布区域优先部署SAGD开发井对。
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图 12 B区块不同品质类型储量平面分布范围图Figure 12. The distribution map of different type of reserve quality for Oil field B3. 结论
1)立足动静态参数对油砂储量品质进行综合评价是进行油砂SAGD开发井位部署和指标预测的基础和关键。
(2)HPVH、Facies1比例和Sw是油砂SAGD开发储量品质评价的3个关键参数。
3)根据单井高峰日产量和累积汽油比参数可将油砂SAGD开发生产井开发效果划分为3类。单井高峰日产>16 (m3/d)/100 m，累积汽油比<4 m3/m3的井开发效果最好，效益最好；单井高峰日产<8 m3/d/100 m，累积汽油比>6 m3/m3的井开发效果最差，效益最差；介于二者之间的井开发效果中等。
(4)动静结合确定关键地质参数的类型和界限。HPVH≥6 m3/m2，Facies1比例≥70%作为Ⅰ类储量划分界限；HPVH<4 m3/m2，Facies1比例<70%作为Ⅲ类储量划分界限；Ⅱ类储量划分界限介于上述二者参数之间。依据含水饱和度和累积汽油比的关系将Ⅰ类储量进一步细分为Ⅰ-1和Ⅰ-2。
(5)储量品质类型与开发效果具有很好的对应关系。一类开发效果的井对应于Ⅰ类储量，二类和三类开发效果的井分别对应于Ⅱ类和Ⅲ类储量。
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图 1 世界各主要产油国石油储量统计图(据Oil & Gas Journal Dec．2013 and AER)
Figure 1. Oil reserve statistical result for major oil producers in the world(According to Oil & Gas Journal Dec．2013and AER)
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图 6 A油田SAGD开发不同开发效果典型井生产曲线
Figure 6. Well location map for Oilfield A under SAGD development
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图 8 HPVH 、Facies1参数与高峰产量的关系图
Figure 8. Correlation between HPVH, Facies1and average oil peak
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图 12 B区块不同品质类型储量平面分布范围图
Figure 12. The distribution map of different type of reserve quality for Oil field B
表 1 加拿大油砂露天开采、CSS及SAGD方式开发的项目个数统计表
Table 1 Statistics for oil sand mines in Canada
开采方式 开发项目个数 阿萨巴斯卡 冷湖 和平河 合计 露天开采区 9 9 CSS 4 8 12 SAGD 48 5 3 56 
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表 2 A油田生产井开发效果分类表
Table 2 Classification of development status forOilfieldA
类型 单井高峰日产量/
((m3/d)/100m)累积汽油比/
(m3/m3)好 ≥16 ≤４ 中 8~16 4~6 查 ≤8 ≥6
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表 3 油砂储量品质类型参数界限划分表
Table 3 Oil sands reserve quality classification
类型 Facies1 比例 HPVH/
(m3/m2)Sw 单井每百米高峰日产
油量/((m3/d)/100m)累积汽油
比 CSOR分类 Ⅰ类 ≥70％ ≥6 ＜30％ ＞16 ＜3．5 I-1 ＜30％ ＞3．5 I-2 Ⅱ类 - ４~6 - ８~16 ４~6 Ⅱ Ⅲ类 ＜70％ ＜４ - ＜８ ＞6 Ⅲ
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