改善蒸汽輔助重力泄油技術(shù)研究進(jìn)展*

舒 展，裴海華，張貴才，葛際江，蔣 平，曹 旭

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術(shù)是通過注汽井注入高溫蒸汽加熱地層，原油加熱降黏后在重力作用主導(dǎo)下泄油，流入注汽井下方的生產(chǎn)井［1-3］。目前SAGD技術(shù)是一種有效的超稠油開采方式，在超稠油油藏開采得到了廣泛的應(yīng)用［4-6］。然而隨著SAGD技術(shù)的應(yīng)用，其不足之處也顯現(xiàn)出來。由于地層的非均質(zhì)性導(dǎo)致汽竄的發(fā)生，降低蒸汽的波及系數(shù)；在稠油油藏開采的中后期，蒸汽的用量大幅上升、油氣比高、熱利用率低、后期的含水量上升等一系列問題，最終會(huì)導(dǎo)致成本上升，開采效果變差［7-10］。為了改善SAGD技術(shù)，近年來研究人員也提出了很多改進(jìn)措施以及一些新型SAGD技術(shù)［11-16］，比如添加非凝析氣體、溶劑、泡沫等輔助SAGD技術(shù)。本文綜述了近年來改善SAGD開發(fā)稠油效果方法的研究進(jìn)展，總結(jié)了各種方法的優(yōu)勢和存在的問題，最后提出相應(yīng)的建議和應(yīng)用前景。

1 氣體輔助SAGD技術(shù)

氣體輔助 SAGD（SAGP，Steam and Gas Push）技術(shù)即蒸汽輔助重力泄油過程中加入氣體驅(qū)動(dòng)的開采方式［17-18］。該生產(chǎn)過程是在SAGD注入蒸汽過程中加入少量的非凝析氣體，如N2、CO2和煙道氣等。雖然只添加了少量的非凝析氣體，但與傳統(tǒng)的SAGD相比，SAGP過程中蒸汽腔的溫度、壓力以及形態(tài)和泄油過程都有了很大的變化。不同非凝析氣的加入對改善SAGD開發(fā)效果的影響及其作用機(jī)理如下。

1.1 氮?dú)廨o助SAGD技術(shù)

氮?dú)廨o助SAGD技術(shù)近年來得到了廣泛關(guān)注，其作用機(jī)理主要包括：形成隔熱層，降低熱損失，提高熱效率；維持系統(tǒng)壓力，改善流度比。針對氮?dú)廨o助SAGD技術(shù)的機(jī)理及可行性，國內(nèi)外學(xué)者展開了研究。高永榮等［19］利用物理模擬及數(shù)值模擬方法研究了在SAGD過程中添加氮?dú)馓岣唔斔碛陀筒亻_發(fā)效果的生產(chǎn)機(jī)理［20-21］，優(yōu)選出了氮?dú)庾⑷敕绞?、氮?dú)馀c蒸汽比和氮?dú)饪傋⑷肓?。研究結(jié)果表明：（1）氮?dú)庾⑷牒笾饕植荚谡羝坏纳喜?，形成熱隔層。因此熱量向頂部巖石的傳遞減少，熱利用效率明顯提高；（2）氮?dú)獾淖⑷肽苡行Ы档驮宛ざ?，增大超稠油的流?dòng)能力；（3）蒸汽腔中因?yàn)樽⑷肓说獨(dú)庠跈M向上得到擴(kuò)展，蒸汽所能波及到的體積增大；（4）在優(yōu)選的氮?dú)?蒸汽注入比、氮?dú)怏w積和蒸汽注入速度條件下，SAGD階段生產(chǎn)時(shí)間和最終采收率都得到了提高。

針對氮?dú)廨o助SAGD技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用也開展了諸多實(shí)驗(yàn)。為提高遼河油田杜84塊館陶油藏SAGD開發(fā)的效果，劉振宇等［22］開展了針對注N2輔助SAGD開發(fā)技術(shù)的研究，對SAGP開發(fā)中的氮?dú)庾⑷敕绞健⒌獨(dú)?蒸汽注入比、段塞尺寸和注入位置等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場實(shí)施結(jié)果表明：SAGP技術(shù)有效解決了蒸汽熱損失嚴(yán)重的問題，提高了蒸汽利用率；充填氣腔的蒸汽量減少，克服了蒸汽冷凝所造成的含水量增加的問題，降低了含水率。相比于SAGD開發(fā)，采收率基本不變的情況下，成本下降，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

氮?dú)廨o助SAGD技術(shù)可以有效減少蒸汽的熱損失，維持系統(tǒng)壓力；在稠油油藏中，氮?dú)獾淖⑷肟梢越档驮宛ざ龋岣咴烷_采速度，這項(xiàng)技術(shù)早已被推廣普及。

1.2 煙道氣輔助SAGD技術(shù)

原油開采過程中產(chǎn)生的煙道氣若直接排入大氣會(huì)造成嚴(yán)重的污染，因此對于煙道氣的處理一直是油田生產(chǎn)中所面臨的問題。研究人員提出了煙道氣輔助SAGD技術(shù)，在改善SAGD開發(fā)效果的同時(shí)充分利用好煙道氣也符合環(huán)保要求。煙道氣輔助SAGD技術(shù)的主要機(jī)理為：（1）煙道氣溶于稠油后能大幅降低稠油黏度；（2）在蒸汽腔上部形成隔熱層，減少熱量損失，提高熱利用率；（3）加快蒸汽腔的橫向擴(kuò)展；（4）充分利用煙道氣，減少環(huán)境污染。

李兆敏等［23］研究了煙道氣在超稠油中的溶解度以及超稠油的體積系數(shù)、黏度等物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度下煙道氣體積系數(shù)較小，在超稠油中的溶解度較??；并且在溶于超稠油之后，油氣混合物黏度大幅下降，降黏率基本線性增加。此研究對今后的數(shù)值模擬技術(shù)提供了較為可靠的物性參數(shù)。針對遼河油田杜84塊館陶油層進(jìn)行煙道氣輔助SAGD技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用常規(guī)SAGD技術(shù)可使采收率由30.06%提高到38.06%［24］；而使用煙道氣輔助SAGD技術(shù)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，注入量為75 m3/d，煙道氣/蒸汽注入比為1∶1，蒸汽腔的擴(kuò)展范圍明顯擴(kuò)大，最終采收率達(dá)到47.39%，延長了開采時(shí)間。在優(yōu)化的煙道氣輔助SAGD注入?yún)?shù)條件下，使用煙道氣輔助SAGD技術(shù)的累計(jì)采油量比常規(guī)SAGD技術(shù)增加了2000 t，采收率提高了7%，汽油比增加了0.7%［25］。煙道氣輔助SAGD的開發(fā)效果好于常規(guī)SAGD。

煙道氣輔助SAGD技術(shù)中，煙道氣的注入可以在蒸汽腔上部形成隔熱層，提高熱利用率；加快蒸汽腔的橫向擴(kuò)展，提高蒸汽波及體積，提高采收率；最重要的是能減少環(huán)境污染，與國家的環(huán)保要求相呼應(yīng)，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

1.3 二氧化碳輔助SAGD技術(shù)

二氧化碳能改善SAGD的開發(fā)效果，主要機(jī)理如下：能保持蒸汽腔壓力；能在蒸汽腔上部形成隔熱層有效減少熱量損失；二氧化碳能溶于油中，降低原油黏度，提高開采速度；能有效減少溫室氣體的排放。

針對二氧化碳改善SAGD技術(shù)的機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)注入二氧化碳?xì)怏w可以提高蒸汽的熱利用效率，并且不會(huì)明顯降低采收率；注入的二氧化碳?xì)怏w可以在蒸汽之前進(jìn)入瀝青質(zhì)，給瀝青質(zhì)帶來熱量和壓力降低瀝青質(zhì)的黏度［26］；對于小井距，隨著二氧化碳注入量的增加，蒸汽凝析溫度和汽油比降低，開發(fā)效果得以改善［27］。Law［28］發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行二氧化碳和蒸汽混注的前3年中，油藏的平均壓力從初始的800 kPa逐步增至2500 kPa，并且穩(wěn)定在2.5 MPa，表明注入的二氧化碳?xì)怏w可以用于保持油藏壓力。在注入二氧化碳?xì)怏w3、4、5年后，油藏平均溫度分別降至106、137、160℃。如果不進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w混注，油藏溫度可以維持在220℃，但是在相對低的溫度下蒸汽腔沒有坍塌，主要原因是二氧化碳?xì)怏w和蒸汽在蒸汽腔中分壓［29-30］。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過程中注入二氧化碳比注入煙道氣和純氮?dú)馑貌墒章识几摺?/p>

在該項(xiàng)技術(shù)中，二氧化碳能在蒸汽腔中分壓，避免蒸汽腔的坍塌；二氧化碳的注入也能給稠油油層帶去熱量和壓力，降低稠油黏度，提高開采速度，同時(shí)降低溫室氣體的排放，滿足環(huán)保要求，應(yīng)大力推廣。但是二氧化碳屬于酸性氣體，會(huì)對設(shè)備管線造成腐蝕，應(yīng)提前做好防腐措施。

1.4 空氣輔助SAGD技術(shù)

隨著對SAGD技術(shù)研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)在SAGD開發(fā)后期向成熟的蒸汽腔中注入空氣能有效開發(fā)殘余油，同時(shí)還能減少蒸汽損失。高永榮等［31］利用3D實(shí)驗(yàn)儀對SAGD開發(fā)后的空氣注入進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)燃燒現(xiàn)象從注入井開始沿著蒸汽腔向前推進(jìn)。通過填砂管實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了空氣輔助SAGD技術(shù)的機(jī)理：（1）燃燒過程中在蒸汽腔周圍形成連續(xù)的硬焦殼，可以有效地阻止蒸汽的損失；（2）在注入后期，燃燒產(chǎn)生的熱量有效降低了原油黏度，提高了其流動(dòng)性進(jìn)而提高采收率。Rahnema等［32］研究了SAGD開發(fā)后期注空氣開發(fā)的可行性及開發(fā)效果，發(fā)現(xiàn)在SAGD后期采用注空氣高溫燃燒方法可以有效避免熱損失，提高采收率，延長油藏開發(fā)時(shí)間，具有較強(qiáng)的可行性。Belgrave等［33］首先使用常規(guī)SAGD方法預(yù)熱油層，隨后注入空氣，發(fā)現(xiàn)注入空氣后體積波及系數(shù)增加，原油采收率提高。作者認(rèn)為空氣在油層中經(jīng)過高溫氧化會(huì)生成二氧化碳，再加上空氣中原有的氮?dú)?，?shí)際上反應(yīng)后的空氣起到了和煙道氣一樣的效果；在蒸汽腔中，空氣的加入使殘余油進(jìn)入蒸汽腔，可以有效驅(qū)替加熱的油。

空氣輔助SAGD技術(shù)中，空氣的注入可以使蒸汽腔中發(fā)生燃燒，彌補(bǔ)SAGD過程中的熱損失，同時(shí)產(chǎn)生的熱量能降低原油黏度，提高開采速度；其次空氣自身的氮?dú)饨M分以及燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳使得空氣輔助SAGD技術(shù)同時(shí)起到氮?dú)夂投趸驾o助SAGD技術(shù)的效果。但是空氣的注入會(huì)對管線設(shè)備造成較為嚴(yán)重的氧化腐蝕，應(yīng)當(dāng)做好防腐措施。

2 溶劑輔助SAGD技術(shù)

溶劑輔助 SAGD（ES-SAGD，Expanding Solvent-SAGD Process）技術(shù)是將蒸汽和溶劑混合注入SAGD的過程，蒸汽作為溶劑的載體，將溶劑攜帶進(jìn)入地層，隨后溶劑會(huì)在蒸汽腔邊界發(fā)生凝析，從而降低原油黏度。ES-SAGD技術(shù)除了具有SAGP的改善油氣比、低能耗和低耗水（與SAGD相比）的優(yōu)點(diǎn)，還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是溶劑以液相或者氣相的形式與原油結(jié)合起到輔助降黏的作用，可有效改善SAGD開發(fā)的效果。

研究人員針對溶劑輔助SAGD技術(shù)提高采收率的機(jī)理以及相較于常規(guī)SAGD技術(shù)的優(yōu)勢展開了研究。針對國內(nèi)某超稠油藏，王連剛［34］通過二維試驗(yàn)裝置進(jìn)行了ES-SAGD試驗(yàn)，研究了溶劑輔助SAGD技術(shù)對蒸汽腔的發(fā)育特征以及采收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶劑中的氣相組分和液相組分共存，溶劑的濃度越高，氣相的含量也越高；氣相組分在油藏中可以有效減少蒸汽在上覆巖層的熱損失，提高蒸汽腔擴(kuò)展的均勻性。因此，溶劑輔助SAGD技術(shù)相較于常規(guī)SAGD技術(shù)能顯著提高采收率并且降低能耗，具有很大的應(yīng)用潛力。在2013年，Souraki等［35］針對Athabasca瀝青儲(chǔ)層性質(zhì)進(jìn)行了幾項(xiàng)模擬試驗(yàn)，以比較SAGD與ES-SAGD的開采效果。利用阿薩巴斯卡和Cold Lake瀝青的實(shí)驗(yàn)黏度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，另外對注入溶劑的時(shí)間間隔和溶劑的濃度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。結(jié)果表明兩種技術(shù)的采收率和油氣比相差不大，但隨著注入溶劑濃度的增加，原油黏度越低，采油速度越快，汽油比越低。李魏［36］針對溶劑輔助SAGD技術(shù)對原油的降黏效果展開研究，通過加入溶劑對遼河油田的超稠油進(jìn)行降黏實(shí)驗(yàn)得到稠油的降黏規(guī)律。隨著溶劑的注入比例增加，降黏率呈線性增加。正戊烷，正己烷和異己烷3種實(shí)驗(yàn)溶劑中，正戊烷的降黏效果最好。在優(yōu)化的ES-SAGD注入?yún)?shù)條件下，最終采收率達(dá)到74.91%，比常規(guī)SAGD的采收率提高了14%，說明ES-SAGD技術(shù)在稠油開采領(lǐng)域具有較高的可行性。不同類型的溶劑對ES-SAGD技術(shù)開采效果的影響不同。賈江濤等［37］研究了不同分子質(zhì)量的輕質(zhì)溶劑對ES-SAGD技術(shù)的影響機(jī)理。對C2H6和C9H20兩種輕質(zhì)溶劑的研究結(jié)果表明：注入C2H6可以有效保持蒸汽腔的壓力，但總體上無法明顯降低原油黏度，提高采收率的整體效果較差；而C9H20能充分溶解于稠油中，從而大幅降低稠油黏度，增強(qiáng)稠油的流動(dòng)能力，降低能耗，有效地提高了稠油的開采速度，提高了最終采收率。注C9H20輔助SAGD技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并且對加快稠油開采具有重要的意義。除了這些室內(nèi)實(shí)驗(yàn)之外，針對ES-SAGD技術(shù)也展開了一些現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)。EnCana公司于2004年在Christina Lake地區(qū)進(jìn)行了ES-SAGD現(xiàn)場試驗(yàn)［38］。在加入溶劑后，汽油比從5降至1.6，日產(chǎn)油量從167 m3增至240 m3，產(chǎn)量提升超過40%［39］。

溶劑輔助SAGD技術(shù)提高采收率的關(guān)鍵是溶劑能降低原油黏度，提高洗油效率進(jìn)而提高原油開采速度和采收率?？梢钥紤]在氣體輔助SAGD過程中加入溶劑，兩者協(xié)同輔助SAGD技術(shù)，可大幅提高采收率。

3 泡沫輔助SAGD技術(shù)

將蒸汽和表面活性劑溶液一起注入后，在井間區(qū)域產(chǎn)生非常強(qiáng)的泡沫聚集，但是在蒸汽腔頂部卻是相對較弱的泡沫，因此，泡沫輔助SAGD（FA-SAGD）技術(shù)的蒸汽腔的形狀更像一個(gè)大碗。FA-SAGD技術(shù)機(jī)理如下：（1）產(chǎn)生的泡沫對大孔道進(jìn)行封堵，可以控制蒸汽的汽竄現(xiàn)象，從而提高蒸汽的波及體積，取得比常規(guī)SAGD更好的開發(fā)效果；（2）蒸汽腔內(nèi)泡沫的存在可以降低蒸汽的流度，削弱重力泄油作用；（3）由于井間區(qū)域存在很強(qiáng)的泡沫，可以增加蒸汽的流動(dòng)阻力，從而延緩蒸汽的突破時(shí)間，降低蒸汽的采出量。FA-SAGD的熱效率高于SAGD，但其采油速度明顯降低。

Chen等［40］在蒸汽中加入起泡劑，在地下生成泡沫，對蒸汽進(jìn)行流度控制并研究泡沫的生成、破滅和運(yùn)移機(jī)理，嘗試讓大量穩(wěn)定的泡沫在井內(nèi)生成并聚集。結(jié)果表明產(chǎn)生的泡沫蒸汽有效地抑制了汽竄現(xiàn)象，提高了蒸汽波及系數(shù)；相較于常規(guī)SAGD技術(shù)，F(xiàn)A-SAGD技術(shù)提高采收率近30%，有較高的經(jīng)濟(jì)效益；參數(shù)敏感性分析表明這種方法有較強(qiáng)的可行性。任寶銘［41］通過二維可視化模型研究注入的氮?dú)馀菽姆舛聶C(jī)理，發(fā)現(xiàn)由于油水黏度差異較大以及地層的非均質(zhì)性，注采井間易發(fā)生竄流，產(chǎn)生明顯的主流通道，注入的氮?dú)馀菽紫冗M(jìn)入大孔道，在喉道處形成大量氣泡，泡沫沿竄流通道運(yùn)移并聚集，起到封堵大孔道的作用，有利于抑制井間汽竄，提高蒸汽波及系數(shù)。鹿騰等［42］利用數(shù)值模擬方法得出常規(guī)SAGD和FA-SAGD在油藏中的溫度場分布圖，對這兩種不同技術(shù)下的蒸汽腔擴(kuò)展過程進(jìn)行描述，并對比開發(fā)效果。相較于常規(guī)SAGD，F(xiàn)A-SAGD的蒸汽腔橫向擴(kuò)展速度更快，縱向擴(kuò)展速度較慢，在非均質(zhì)儲(chǔ)層的SAGD開發(fā)過程中，蒸汽易沿高滲透層竄流，導(dǎo)致蒸汽腔在水平井筒方向擴(kuò)展不均勻，波及面積較小。而在FA-SAGD開發(fā)過程中，由于泡沫對蒸汽流度的控制作用，蒸汽腔在地層內(nèi)的擴(kuò)展更加均勻，可以降低能耗，減少熱損失，提高采收率。

在FA-SAGD技術(shù)中，起泡劑在地層中形成泡沫，能有效提高蒸汽流動(dòng)的阻力，改善蒸汽流度，并且能封堵大孔道進(jìn)而減緩汽竄現(xiàn)象，提高蒸汽波及系數(shù)，提高采收率。

4 化學(xué)添加劑輔助SAGD技術(shù)

采用化學(xué)添加劑輔助SAGD技術(shù)是超稠油熱采技術(shù)的重要發(fā)展方向。在此項(xiàng)技術(shù)中，蒸汽作為載體攜帶化學(xué)添加劑進(jìn)入油藏，使化學(xué)劑與地層流體和巖石發(fā)生相互作用，可以改變巖石與儲(chǔ)層流體之間的界面性質(zhì)，在一定程度上可以降低原油的黏度和油水界面張力，提高洗油效率；也可以在井下生成泡沫在一定程度控制蒸汽汽竄，提高蒸汽波及系數(shù)，抑制蒸汽超覆現(xiàn)象，減少熱損失從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

在油砂的開發(fā)過程中，由于其黏度較大，導(dǎo)致開采難度增加，僅僅通過SAGD技術(shù)也無法較好地采出油砂中的瀝青。Srivastava等［43］發(fā)現(xiàn)在蒸汽中加入化學(xué)添加劑，可以大幅提高瀝青的采收率。在實(shí)驗(yàn)室中模擬利用SAGD技術(shù)熱采油砂的過程，將200℃、2000 kPa的蒸汽和1000 mg/L的化學(xué)添加劑注入油砂樣品。在加入添加劑后形成水包油的乳狀液，大幅降低原油黏度，并且蒸汽的冷凝水可以運(yùn)移這些乳狀液，使油砂中瀝青的采收率相較于無添加劑時(shí)提高13.5%，經(jīng)濟(jì)效益提高。針對加拿大阿爾伯塔地區(qū)的稠油開發(fā)，Li等［44］提出了在蒸汽開發(fā)過程中同時(shí)加入泡沫和其他化學(xué)添加劑比如表面活性劑的方法來改善稠油開發(fā)效果。該方法有效降低了原油的黏度，形成了水包油乳狀液，提高了洗油效率；同時(shí)泡沫的形成對于蒸汽的流度控制起到很大的作用，較為穩(wěn)定的泡沫在蒸汽腔邊緣處聚集使蒸汽腔穩(wěn)定擴(kuò)展［45］，有效提高了蒸汽波及系數(shù)，減少了蒸汽超覆現(xiàn)象造成的熱損失。

在化學(xué)添加劑輔助SAGD技術(shù)中，化學(xué)添加劑的注入能在地下與原油形成水包油乳狀液，大幅降低界面張力，提高洗油效率進(jìn)而提高采收率。同時(shí)化學(xué)添加劑也適合與起泡劑或其他溶劑一同輔助SAGD技術(shù)。

5 結(jié)論與建議

針對SAGD存在較為嚴(yán)重的熱損失問題，以及在蒸汽冷凝后蒸汽腔壓力降低導(dǎo)致腔體坍塌的問題，可以選擇使用氣體輔助SAGD技術(shù)。氮?dú)?、煙道氣、二氧化碳和空氣等氣體的注入可以在蒸汽腔上部形成隔熱層減少熱損失，并且可以彌補(bǔ)蒸汽冷凝后腔體內(nèi)壓力的缺失。同時(shí)，二氧化碳、煙道氣的注入也能滿足環(huán)保要求，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

對于SAGD技術(shù)開發(fā)較為成熟的稠油油藏，建議采用溶劑輔助SAGD（ES-SAGD）技術(shù)或化學(xué)添加劑輔助SAGD技術(shù)來大幅降低原油黏度，以提高產(chǎn)量和采油速度，選用效果好并且成本較低的化學(xué)劑是此項(xiàng)技術(shù)可行性的關(guān)鍵。

針對部分地層SAGD中存在的較為嚴(yán)重的汽竄現(xiàn)象，可以采用泡沫輔助SAGD（FA-SAGD）技術(shù)。起泡劑在地層中形成泡沫，可有效提高蒸汽流動(dòng)的阻力，改善蒸汽流度，并能封堵大孔道進(jìn)而減緩汽竄現(xiàn)象。

不同的油藏地質(zhì)條件與施工條件差異較大，應(yīng)綜合考慮成本、地質(zhì)特征和儲(chǔ)層分布等因素選擇不同的輔助SAGD技術(shù)使經(jīng)濟(jì)效益最大化。