蒸汽吞吐（單井吞吐）與蒸汽驅是現如今廣泛應用于稠油油井開采的采油技術，其中蒸汽吞吐是指將一定量的高溫高壓飽和蒸汽注入油井，然后燜井幾天，加熱油層及其原油，然后開井回采的循環采油方法；而蒸汽驅是指通過適當井網（一般采用五點、七點井網，井距70-100M）在注汽井中連續注入蒸汽驅替油流向其周圍井進行開采稠油的開采方式。兩者本質區別在于蒸汽吞吐完后要采油，蒸汽驅本井不采油，而其他井生產。另外如產層太厚無法進行常規泵抽時，也可進行蒸汽吞吐。

蠕變是指固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象，其不同于塑性變形，塑性變形通常在應力超過彈性極限之后才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，其在應力小于彈性極限加載時也能出現。油氣儲層生產周期長，大量研究結果表明儲層具有一定的蠕變特性，同時，對于蒸汽吞吐開發的稠油井，儲層溫度反復變化導致其蠕變特性更加顯著，因此本文將基于ABAQUS有限元軟件對考慮了蠕變的稠油儲層蒸汽吞吐開發過程進行數值模擬。

幾何模型與網格劃分

• 幾何模型
  

該模擬簡化油井和周圍地層為軸對稱模型，如圖1所示，產層深度為335米至732米，該垂直井深度為1463米。

圖1 地層幾何模型

• 網格劃分

整個地層劃分為11個不同的層位，其中具有孔隙壓力的軸對稱縮減積分單元CAX8RP用于模擬井附近的巖層，當使用二階單元時，一般采用縮減積分，因為它通常提供更準確的結果并且比完全積分具有更小的計算成本；遠場區域則使用軸對稱無限單元CINAX5R建模，以提供橫向剛度。網格劃分后的有限元模型如圖2所示。

圖2 地層有限元模型

模擬參數

• 地表土層與泥巖層

對地表土層S1、T1與深部泥巖層U1和L1使用Drucker-Prager塑性模型建模，其彈性和非彈性材料屬性均列于表1中。本例使用沒有中間主應力效應的Drucker-Prager模型的線性形式，因此流應比，即三軸拉伸強度與三軸壓縮強度之比k=1；該模型假設為流動法則非關聯，即在式（1）塑性本鉤矩陣中屈服面、加載面（后續加載面）與塑性勢面不同，即材料剛度矩陣不對稱，因此，使用非對稱矩陣存儲和非對稱求解器解可以顯著改善該非線性解的收斂性；硬化/軟化行為是Drucker-Prager塑性材料定義的擴展，其數據列于表1中。因為這些層位遠離頻繁加載，所以可不考慮蠕變。

式（1）

表1 地表土層與泥巖層Drucker-Prager模型參數

• 蠕變特性顯著的中間層

D1到D7使用改進的Drucker-Prager Cap塑性模型模擬，材料屬性數據列于表2中。因其考慮蠕變，因此須k=1.0，且剪切破壞面與蓋帽間不可有過渡區域（即0）；硬化/軟化行為通過屈服應力與體積應變的關系曲線定義，數據列于表2中；初始蓋帽屈服面的位置設定為0.02，如果應力位于蓋表面之外，Abaqus會自動調整蓋屈服面的位置。 

表2 D1到D7層Drucker-Prager Cap模型參數

使用式（2）所示Singh-Mitchell蠕變模型對固結蠕變進行模擬。 蠕變模型參數表3所示，其為溫度的函數，在cap creep model中指定，如圖3所示。

式（2）

式中:

表3 蠕變模型參數

圖3 蠕變模型參數定義

儲層滲透系數定義為溫度的函數，另外為了實現熱力耦合，還需要定義熱膨脹系數，本例熱膨脹系數定義為：5.76E–6 1/°C (3.2E–6 1/°F)，對于熱膨脹系數的含義，以線性膨脹為例如圖4所示。

圖4 線性膨脹

初始條件

為分析地應力場變化，將初始地應力定義為地層重力密度在對應深度上積分，同時橫向應力系數為0.85，定義inp語句如圖5所示；在所有層中使用1.5作為初始孔隙比，初始均勻溫度場為10℃（50°F）。

圖5 初始地應力

模擬方法 | 分析步與荷載

為研究蠕變特性，將一個蒸汽吞吐開發周期分析步分為五步進行，即初始地應力平衡、平衡后為期一個月的蠕變平衡期、注入蒸汽、燜井然后開井回采，本例中未進行燜井，注完蒸汽后直接進行回采。

• 初始分析步：初始地應力平衡

初始地應力平衡是平衡有限元模型的地應力載荷，該分析步還確定了孔隙壓力的初始分布。本例中由于重力荷載定義為分布荷載類型為BZ的體力而非重力荷載類型GRAV，因此ABAQUS輸出的孔隙流體壓力為超孔隙壓力而非總孔隙壓力，超孔壓是指超過支撐孔隙流體重量位于某高于海拔高度所需的靜水壓力。對于在流固耦合分析中使用BZ與GRAV定義體力的區別在文末視頻有詳細介紹。

• 第一分析步：蠕變平衡

第一步是巖層瞬態固結分析步，以平衡從初始地應力加載引起的蠕變效應。

• 第二分析步：注入蒸汽

分析的第二步模擬將蒸汽注入井中深度為366米至732米的地層，該區域由圖1中的陰影區域表示。 分析步仍然為瞬態土壤固結分析，該過程中該區域節點被加熱到100°C（212°F），inp語句為：

*TEMPERATURE,OP=MOD
 TARGET, 212.

蒸汽的注入增加了地層滲透性并增加了蠕變行為。

• 第三分析步：開井回采

第三步通過在位于地表下方427米至550米深度的節點處設定超孔壓-1.2MPa（-170psi）來模擬油的泵抽過程。設定為期五年，以研究油井附近的泵抽和蠕變效應引起的沉降。

inp語句為：

*BOUNDARY, OP=MOD
 1001,8,8,-170
 1201,8,8,-170

模擬結果

初始地應力平衡后顯示可忽略不計的變形，如圖6所示，表明該模型基本處于地質平衡狀態。 圖7為為期31天的地層蠕變引起的地層沉降，對比圖6可見蠕變特性較顯著。圖8顯示了五年后固結引起的地層沉降的等高線圖，可見預計的地表沉降量為0.13米（0.4英尺），同時可見在注入蒸汽的區域中發生顯著的蠕變。

圖9顯示了超孔隙壓力的等高線圖，井眼附近負孔隙壓力代表泵的吸力，同時可對注入節點輸出變量RVT，并進行開發時間積分可得該井累計產液量。

整個蒸汽吞吐開發過程中地層超孔壓變化如圖10所示，產層井眼周圍超孔壓如圖11所示。

本例采用英制單位：inches, pounds, 和 days.

由于部分參數偏離實際，模擬結果不符合實際，未考慮高壓蒸汽注入本身對儲層壓力的影響，但模擬過程大部分可借鑒，如感興趣可借鑒本文件進行準確詳細的模擬，本文文件來自幫助文檔，自行查找下載使用。

圖6 初始地應力平衡后垂向沉降量

圖7 為期31天蠕變后的垂向沉降量

圖8 開發5年后的垂向沉降量

圖9 開發5年后的超孔隙壓力的等高線圖

圖10 蒸汽吞吐過程中地層超孔隙壓力的等高線圖

圖11 蒸汽吞吐過程中井眼附近超孔隙壓力的等高線圖

來源：ABAQUS大世界