CN110761781A - 一种fuse技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，在真三轴加载条件下进行，包括以下步骤：目标地层模拟、加载应力、水力扩容、蒸汽循环过程模拟和稠油抽采过程模拟。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，通过高压水泵和预埋的不锈钢管进行油砂储层水力扩容，并通过温度传感器采集不同时间和地层位置的温度数据，检测双水平井的连通性及扩容区发育情况，再利用蒸汽发生器进行注高温蒸汽循环作业，以及温度传感器采集温度数据，实现蒸汽腔扩展的实时监测，待储层温度达到转产温度后，通过外接的负压抽采系统进行稠油开采。本方法为研究FUSE技术开采超稠油藏的机理提供了一种有效的试验手段和方法。

Description

一种FUSE技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法

技术领域

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FUSE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。虽然相较于常规蒸汽吞吐的方法开采稠油，SAGD技术已经明显地提高了稠油开采的效率，但是常规的SAGD技术依然存在可以改进的方面：1、常规的SAGD井组需要6～12个月的蒸汽循环预热时间，转产之前的预热时间较长；2、在蒸汽循环阶段，一对常规SAGD井每天大约需要注入约150吨蒸汽，返出约100吨废弃热流体，不仅生产成本高而且环保处理花费也大；3、常规的SAGD井组初期产油量较低，还有可提升的空间；4、我国大多数稠油油藏非均质性较强，低渗透、低传热性的夹层限制蒸汽腔的发育，导致储层动用率降低。

针对常规SAGD技术存在的问题，学者们提出了SAGD快速预热启动的FUES技术，该技术通过短时间高压流体的注入，在SAGD井组的注气井和生产井之间产生高孔隙度、高渗透率的扩容区。该扩容区在竖向上连通注气井和生产井，沿水平井方向均匀分布。2009年，加拿大Cenovus能源公司完成了FUSE技术开采超稠油的先导性试验。从2010年开始，FUSE技术在加拿大的SAGD项目上得到了广泛的运用。该技术的主要特点是，极大地缩短蒸汽循环时间，减少蒸汽使用量，提高初期采收率，增加水平井筒的动用率。

FUSE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，其中包含水力扩容、热传导、多相流体渗流和热流固耦合等诸多科学问题。因此，需要对FUSE技术开采稠油中的各项科学问题进行系统性的研究，分析水力扩容增加油砂储层孔隙率、渗透性原理，揭示水力扩容击破低渗夹层、扩展扩容区的机理，为现场FUSE技术开采稠油施工方案的设计提供理论依据和技术支撑。

FUSE技术是近10年内兴起的一种开采超稠油油藏的新技术，现场的实践经验较少，基础性的研究较弱。现阶段对FUSE技术开采稠油的研究几乎集中于现场施工经验的分析，鲜有学者对FUSE技术进行系统性的研究，分析水力扩容后油砂储层内蒸汽运移规律，特别是缺乏研究储层的非均质性(夹层)对FUSE技术影响的试验手段。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中FUSE技术开采稠油的物理模拟方法中，难对储层的非均质性即夹层进行模拟，以及缺少地应力对模拟效果的影响因素的不足，提供一种FUSE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，从而可更直观地得到水力扩容油砂储层作业中扩容区的扩展规律，揭示水力扩容技术击破夹层的机理，分析FUSE技术降低蒸汽循环时间、增加初始采收率和克服储层非均质性的原理，为现场FUSE技术开采稠油施工方案的设计提供理论依据和技术支撑。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种FUSE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，水力扩容：依据FUSE技术水力扩容现场施工方案以及相似准则确定的水力扩容验方案，利用双水平井通过压力注水方式在油砂储层内形成含有大量微裂隙的区域，以增大储层内空隙的容积；

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参数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；

第五步，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，从而可更直观地得到水力扩容油砂储层作业中扩容区的扩展规律，揭示水力扩容技术击破夹层的机理，分析FUSE技术降低蒸汽循环时间、增加初始采收率和克服储层非均质性的原理，为现场FUSE技术开采稠油施工方案的设计提供理论依据和技术支撑。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。通过水力扩容在油砂储层中形成大量微裂隙的区域，以增大储层内空隙的容积，从而可有效降低蒸汽循环时间、增加初始采收率和消除储层的非均质性；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，所述水力扩容包括洗井、地应力改造、初步扩容、扩容区扩展和水平热连通检验的步骤；其中，洗井用于清洗出双水平井中残留的稠油和沙砾，以免稠油和沙砾混入扩容液中，影响扩容液性质；地应力改造用于使双水平井周围产生的孔隙压力增加，有效应力降低，改变双井周围的原始地应力；初步扩容用于使双水平井之间形成含有大量微裂隙的水力扩容区，增加双水平井之间的连通性；扩容区扩展用于扩大双水平井周围的扩容区，使扩容区在沿双水平井的水平段均匀向外扩展；水平热连通检验利用油砂储层内布置的温度和压力等传感器监测储层物理参数的变化，判断双水平井的连通性以及扩容区的发育程度，检验水力扩容的施工效果。

进一步优选的，在所述初步扩容过程中，通过注气井的长管注水，并通过关闭短道出口进行憋压，其中，注水压力小于并接近油砂储层中夹层的破裂压力；以使两井充分连通，并避免夹层破裂，大大初步扩容目的。

进一步优选的，在所述扩容区扩展过程中，通过生产井和注气井的长管注水，并通过关闭短道出口进行憋压；其中，注水压力大于油砂储层中夹层的破裂压力。以达到以夹层破裂为标志的扩容效果，改善储层的非均质特性，以尽量形成相对均质的特性。

更进一步优选的，在所述注水过程中，还包括通过增压和减压的循环过程形成水力震荡作业。以加快夹层破裂速度化，缩短扩容时间。

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，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；且长管和短管均采用不锈钢管制成。通过大尺寸箱体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，并利用不锈钢管的耐腐蚀特性，延长使用寿命，以便用于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；在所述稠油抽采过程模拟步骤中，所述转产温度不低于80℃。从而形成良好的循环通道，确保储层快速、持续升温，使储层温度升高到足以降低超稠油黏度的程度，以提高流动性和抽采效率。

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高压水泵进行油砂储层水力扩容，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温度数据，检测双水平井的连通性及扩容区发育情况，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温度数据，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。该试验方法为研究FUSE技术开采超稠油藏的机理提供了一种有效的试验手段和方法。

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8为水力扩容用各阶段的注水方案图。

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FUSE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，水力扩容管路连接：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，按并联方式分别通过高压软管和控制阀门与高压水泵连接；

第四步，水力扩容模拟：通过控制注入流体的排量和压力，分阶段进行FUSE技术实验室水力扩容，水力扩容试验的流体注入方案如图8所示，具体分为五小步，分别为：

第一小步，洗井：洗井用于通过清水对两个水平井的清洗；通过高压水泵分别向双水平井的长管中注入清水，完全打开双水平井短管端的针阀，使注入的清水可以排除井筒。同时，通过调节短管端针阀的流量大小，调节孔井筒中的流体压力。由于洗井的主要目的是为了排除井筒中的堆积的原油和沙砾，所以洗井的压力不宜太大。如图8所示，进行洗井时，采用的压力和排量是水力扩容试验中最小的，本阶段具体的洗井压力限制根据现场的施工参数和相似准则计算得到。当双水平井短管流出的液态不再混有原油和沙砾时，即可停止本步骤。

第二小步，地应力改造：地应力改造用于改变双井周围的原始地应力；通过高压水泵向双水平井的长管中注入清水，关闭双水平井短管出口的针阀，使双水平井憋压。同时通过调整清水注入的排量，控制双水平井憋压的压力。双水平井地应力改造主要是通过提高井筒周边的孔隙压力，降低有效应力，因此需要一定的流体注入排量和压力。如图8所示，进行双水平井地应力改造时，控制双水平井的注入排量，使井筒内的流体压力缓慢上升，本阶段具体的注入压力和排量根据现场的施工参数和相似准则计算得到。通过停止高压水泵后的压降曲线，计算得到双水平井地应力改造的影响区域，当改造影响区域达到水力扩容作业要求后，即可停止本步骤。

第三小步，初步扩容：初步扩容用于增加双水平井之间的连通性；通过高压水泵向注汽井的长管中注入清水，关闭注汽井短管出口的针阀，使注汽井憋压。同时通过调整清水注入的排量，控制注汽平井憋压的压力。根据水力扩容的原理，注汽井筒中的憋压需要接近油砂储层的破裂压力。如图8所示，进行初步水力扩容时，注汽井的压力在油砂储层破裂压力附近，本阶段具体的注入压力和排量根据现场的施工参数和相似准则计算得到。随着流体的不断注入注汽井，微裂隙带从注汽井逐渐发育至生产井，双水平井间的扩容区形成，当注汽井中的压力发生下降、生产井的压力出现上升时，说明双水平井间的扩容区连通，即可停止本步骤。

第四小步，扩容区扩展：扩容区扩展用于使扩容区在沿双水平井的水平段均匀向外扩展；通过高压水泵向双水平井的长管中注入清水，关闭双水平井短管出口的针阀，使双水平井憋压。采用大排量、高压力的流体注入方式，击破储层中的夹层，使扩容区在水平段均匀向外扩展，根据试验需求可选择进行水力震荡作业。如图8所示，进行扩展水力扩容区时，需要双井同时大排量、高压力注水，本阶段具体的注入压力和排量根据现场的施工参数和相似准则计算得到。当大排量、高压力流体注入达到水力扩容时间要求时，即可停止本步骤。

第五小步，水平热连通检验：水平热连通检验利用油砂储层内布置的温度和压力类传感器监测储层物理参数的变化；通过高压水泵向注汽井的长管中注入加有示踪剂的热水，关闭注汽井短管出口的针阀，使注汽井憋压。采用较低的注水压力，使热水从注汽井流向周围流动，通过布置于储层内部的传感器监测双水平井的热连通性，以及双水平井周围扩容区的分布。在试验结束后，示踪剂用于直观地观察模拟地层中的扩容区发育情况。如图8所示，进行水平热连通检验时，需要的热水注入压力较低，本阶段具体的注入压力和排量根据现场的施工参数和相似准则计算得到。当双水平井周围的传感器示数发生明显变化，可以完成水平热连通检验时，即可停止本步骤。

第四步，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，解除与水泵的连接后，再按并联方式分别与蒸汽发生器连接；

第五步，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参数和循环时间，并按确定的参数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，排出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。

第六步，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。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。

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FUSE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FUSE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。

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FUSE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FUSE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，在所述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。

Claims (10)

1.一种FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，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，水力扩容：依据FUSE技术水力扩容现场施工方案以及相似准则确定的水力扩容验方案，利用双水平井通过压力注水方式在油砂储层内形成含有大量微裂隙的区域，以增大储层内空隙的容积；

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参数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；

第五步，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。

2.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，所述水力扩容包括洗井、地应力改造、初步扩容、扩容区扩展和水平热连通检验的步骤；其中，洗井用于通过清水对两个水平井的清洗；地应力改造用于改变双井周围的原始地应力；初步扩容用于增加双水平井之间的连通性；扩容区扩展用于使扩容区在沿双水平井的水平段均匀向外扩展；水平热连通检验利用油砂储层内布置的温度和压力类传感器监测储层物理参数的变化。

3.根据权利要求2所述的FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，在所述初步扩容过程中，通过注气井的长管注水，并通过关闭短道出口进行憋压，其中，注水压力小于并接近油砂储层中夹层的破裂压力。

4.根据权利要求2所述的FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，在所述扩容区扩展过程中，通过生产井和注气井的长管注水，并通过关闭短道出口进行憋压；其中，注水压力大于油砂储层中夹层的破裂压力。

5.根据权利要求4所述的FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，在所述注水过程中，还包括通过增压和减压的循环过程形成水力震荡作业。

6.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的三维模拟方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，其特征在于，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，且长管和短管均采用不锈钢管制成，并在短管上设置针阀。

8.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，其特征在于，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。

9.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，其特征在于，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，按并联方式分别通过对应的第一控制阀与蒸汽发生器连接；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；在所述稠油抽采过程模拟步骤中，所述转产温度不低于80℃。

10.根据权利要求1所述的FUSE技术开采超稠油藏的大尺度三维模拟方法，其特征在于，所述模拟地层外周包覆有隔热棉和锡箔纸。

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