蒸汽輔助重力泄油開發(fā)過程及機(jī)理研究綜述

余 洋， 劉尚奇， 劉 洋

(中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

蒸汽輔助重力泄油(steam assisted gravity drainage, SAGD)技術(shù)自問世以來，取得了長足的發(fā)展。該概念最初由Butler等[1]提出，至今已成為一項(xiàng)商業(yè)化應(yīng)用的成熟技術(shù)，并發(fā)展出不同形式的變種開采技術(shù)[2]，如非凝析氣輔助SAGD技術(shù)、溶劑輔助SAGD技術(shù)等。但這些新概念仍存在許多問題，特別是在低油價(jià)與復(fù)雜的地質(zhì)條件下，這些技術(shù)能否商業(yè)化應(yīng)用仍有待證明[3]。

縱觀關(guān)于SAGD技術(shù)已發(fā)表的文獻(xiàn)，以數(shù)值模擬相關(guān)的研究論文為主，其次為關(guān)于變種開采技術(shù)的研究論文，而關(guān)于SAGD理論方面的論文較少[4]。盡管SAGD技術(shù)的概念看起來很簡(jiǎn)單，但在為理解此過程而建立的理論中存在著諸多缺陷[5]。例如，多數(shù)論文假設(shè)蒸汽腔前緣的傳熱僅依賴熱傳導(dǎo)，并假設(shè)蒸汽腔邊緣的流體泄流為單相流等。如果對(duì)SAGD技術(shù)的機(jī)理未能有充分的理解，將限制對(duì)SAGD技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化，更遑論SAGD變種開采技術(shù)的理論發(fā)展了。

實(shí)際上，SAGD是一個(gè)多物理過程，涉及同時(shí)傳熱傳質(zhì)，具有顯著的熱、地質(zhì)力學(xué)和界面效應(yīng)等。為此，總結(jié)涉及SAGD機(jī)理的相關(guān)研究，并從SAGD的開發(fā)過程描述出發(fā)進(jìn)行論述，以期相關(guān)研究者能從中得到啟示。

1 SAGD模式

SAGD最基本的模式即雙水平井SAGD模式，在實(shí)際應(yīng)用中將一對(duì)水平井對(duì)上下平行部署在接近儲(chǔ)層底部的位置，上部水平井為蒸汽注入井，下部井為生產(chǎn)井，兩井間縱向距離通常為5～7 m。應(yīng)用時(shí)利用上部的注入井將蒸汽連續(xù)注入地層，蒸汽在地層中逐步擴(kuò)展形成蒸汽腔，蒸汽腔在擴(kuò)展的過程中與地層中的原油發(fā)生熱交換，被加熱的原油與蒸汽冷凝水在重力的作用下泄流到生產(chǎn)井中被采出[6-7]。

由SAGD模式的描述可看出，蒸汽腔的擴(kuò)展對(duì)于產(chǎn)油來說是必備的，蒸汽腔是SAGD開發(fā)過程中所蘊(yùn)含機(jī)理的一種物理表現(xiàn)形式，起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)被用來描述SAGD的開發(fā)過程。

2 SAGD開發(fā)過程

學(xué)者們通過解析模型分析[1]、數(shù)值模擬研究[8-10]、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[11-13]、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察[7,14-15]等手段逐步對(duì)蒸汽輔助重力泄油的開發(fā)過程有了清晰的認(rèn)識(shí)。根據(jù)蒸汽腔的主要擴(kuò)展方式，可將SAGD的開發(fā)過程分為以下4個(gè)階段：①注蒸汽循環(huán)預(yù)熱階段(即SAGD啟動(dòng)階段)；②蒸汽腔縱向擴(kuò)展階段；③蒸汽腔橫向擴(kuò)展階段；④蒸汽腔下降階段。后3個(gè)階段又可統(tǒng)稱為SAGD生產(chǎn)階段。

(1)注蒸汽循環(huán)預(yù)熱階段：在SAGD井對(duì)投入生產(chǎn)前，必須通過注汽井和生產(chǎn)井間的蒸汽循環(huán)充分加熱地層。注蒸汽循環(huán)預(yù)熱的目的是加熱鄰近水平井井筒的區(qū)域，在兩井間建立連通的流動(dòng)通道[16]。

(2)蒸汽腔縱向擴(kuò)展階段：隨著SAGD井對(duì)投入生產(chǎn)，蒸汽腔以一個(gè)相對(duì)不規(guī)律的方式快速向上擴(kuò)展，直至蒸汽腔上升到油藏頂部。向上移動(dòng)的蒸汽界面趨向于數(shù)個(gè)蒸汽指的形狀，原油在它們間以一個(gè)無規(guī)律的方式流動(dòng)[6]，在主要的上升階段蒸汽腔的側(cè)向并沒有顯示出顯著的寬度擴(kuò)展[11]。在該階段，蒸汽腔未接觸到油藏頂部，熱損失較小，在頂部泄油和斜面泄油的共同作用下[17]，原油產(chǎn)量不斷上升。

(3)蒸汽腔橫向擴(kuò)展階段：一旦當(dāng)蒸汽腔擴(kuò)展到油藏頂部，由于蒸汽超覆的作用蒸汽腔從油藏上部開始向兩側(cè)橫向擴(kuò)展[11]。蒸汽與蒸汽腔外的原油發(fā)生熱交換，在蒸汽腔邊緣處冷凝下來，以冷凝水的形式與被加熱的原油一同泄流向生產(chǎn)井。在蒸汽腔邊緣冷凝水驅(qū)替原油不是蒸汽指的形式，而是像在砂巖顆粒中冷凝水流向水膜的流動(dòng)一樣，呈現(xiàn)出一個(gè)統(tǒng)一的前緣[18]。在該階段，蒸汽腔已擴(kuò)展到油藏頂部，熱損失增大，原油產(chǎn)量較為平穩(wěn)[19]，斜面泄油為唯一的泄油方式[17]。

(4)蒸汽腔下降階段：當(dāng)蒸汽腔在水平方向上延伸到一定程度后，蒸汽腔底部明顯開始向下擴(kuò)展，最終與相鄰井對(duì)的蒸汽腔聚并、融合[20]。在該階段，產(chǎn)量不斷下降，油汽比不斷降低[7]。

3 SAGD開發(fā)機(jī)理

SAGD的基本原理是以蒸汽作為加熱介質(zhì)，通過流體熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用的結(jié)合，依靠重力作用開采原油[21]。SAGD，顧名思義，蒸汽輔助降黏和重力主導(dǎo)泄油是它最主要的兩項(xiàng)開發(fā)機(jī)理，當(dāng)然在開發(fā)過程中也存在其余起作用的因素。

3.1 蒸汽降黏

SAGD技術(shù)通常被應(yīng)用在超稠油、瀝青砂油藏的開發(fā)過程中。在這些油藏的原始地層溫度下，原油黏度很高，幾乎不可流動(dòng)，這時(shí)就需要一種開發(fā)機(jī)理：降低其黏度使其達(dá)到可輕松流向生產(chǎn)井的程度[22]。

在SAGD過程中，通過向地層中連續(xù)注入高干度蒸汽來降低原油黏度，這是SAGD技術(shù)能夠得以有效實(shí)施的基礎(chǔ)，貫穿SAGD開發(fā)的全過程。當(dāng)高干度蒸汽被注入地層后，熱量可通過傳導(dǎo)、對(duì)流和蒸汽潛熱等方式來傳遞，地層迅速升溫，通常情況下蒸汽腔的溫度非常接近注入蒸汽的溫度，此溫度遠(yuǎn)高于原始地層溫度。由于超稠油、瀝青黏度的溫度敏感性非常強(qiáng)，在加熱至蒸汽溫度后其黏度往往能降低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖1[23]所示。

圖1 加拿大和委內(nèi)瑞拉主要稠油油田的黏溫關(guān)系[23]Fig.1 Viscosity-temperature relationships for the major viscous oil deposits in Canada and Venezuela[23]

控制SAGD項(xiàng)目生產(chǎn)能力的一個(gè)關(guān)鍵因素就是在蒸汽腔前緣處油藏的加熱范圍，即蒸汽降黏機(jī)理能夠作用的范圍，這與地層中的傳熱機(jī)理息息相關(guān)。通常情況下，傳熱的方式有3種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射。根據(jù)學(xué)者們的研究，在SAGD注蒸汽循環(huán)預(yù)熱階段，主要存在2種傳熱機(jī)理[24-25]：在蒸汽腔形成之前，熱傳導(dǎo)起主要作用；在蒸汽腔形成之后，蒸汽腔前緣外熱傳導(dǎo)仍起主要作用(因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)的大部分液體沒有被加熱到足以流動(dòng)的程度)，但在蒸汽腔內(nèi)，熱對(duì)流的作用開始超越熱傳導(dǎo)的作用。SAGD蒸汽腔縱向擴(kuò)展階段的傳熱機(jī)理與注蒸汽循環(huán)預(yù)熱階段類似，在上升的蒸汽腔之上熱傳導(dǎo)起主要作用，而蒸汽腔內(nèi)熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流這兩種傳熱方式同時(shí)存在[26-27]。

隨著開發(fā)過程的不斷進(jìn)行，蒸汽沿著蒸汽腔的邊緣流動(dòng)并凝結(jié)成冷凝水。在后續(xù)的蒸汽腔擴(kuò)展階段，對(duì)于蒸汽腔邊緣(汽油界面)前的傳熱，即冷凝水向蒸汽腔外冷油層的傳熱，在早期的研究中學(xué)者們只考慮了熱傳導(dǎo)作用[1,28-30]。實(shí)際上，在該過程中熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流的作用同時(shí)存在。熱傳導(dǎo)是一種在物質(zhì)內(nèi)部通過分子擾動(dòng)而產(chǎn)生的傳熱過程，物質(zhì)是一個(gè)整體而沒有任何運(yùn)動(dòng)，蒸汽腔邊緣存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象是因?yàn)檫吘壧幵秃蜕傲５臏囟缺冗h(yuǎn)離邊緣處的原油和砂粒要高；熱對(duì)流是通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，將熱量從一個(gè)地方傳遞到另外一個(gè)地方的傳熱方式，由于蒸汽腔邊緣處壓力梯度的存在，當(dāng)蒸汽冷凝水發(fā)生移動(dòng)時(shí)，熱對(duì)流就產(chǎn)生了。學(xué)者們通過解析模型分析、物模實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬研究等手段分析了該過程中熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用的相對(duì)貢獻(xiàn)大小(表1)，但結(jié)論存在一定爭(zhēng)議。

在SAGD過程中，由于原油是在蒸汽腔周圍流動(dòng)，被加熱的原油在流向生產(chǎn)井的過程中，仍然保持著熱量，也就是說蒸汽降黏機(jī)理持續(xù)在起作用，這是SAGD技術(shù)區(qū)別于常規(guī)蒸汽驅(qū)技術(shù)的一項(xiàng)重大優(yōu)勢(shì)[38]。

3.2 重力泄油

油藏中的天然驅(qū)油能量一般包括油藏中巖石和流體的彈性能、原油中溶解氣的膨脹能、邊底水的壓能和彈性能、氣頂氣的膨脹能、重力勢(shì)能。其中，依靠原油自身的重力勢(shì)能將其驅(qū)向井底的驅(qū)油方式即為重力泄油。重力泄油是油藏開發(fā)時(shí)非常有效的機(jī)理之一，這種機(jī)理出現(xiàn)在油藏內(nèi)部，是由于油藏流體間的密度差異引起的。

表1 不同作者對(duì)于傳熱觀點(diǎn)的研究結(jié)論

在油藏的混合作用中，由于重力與浮力的驅(qū)使，油藏內(nèi)部流體按照密度差異，自上而下逐漸形成氣頂、油柱和底水(或邊水)的分異分布，在油柱內(nèi)部也同樣呈現(xiàn)出自上而下原油密度逐漸增加的分異分布現(xiàn)象，稱為重力分異，或密度分異[39]。

地層中油水、油氣間都存在密度差異，即都存在重力分異作用，但油氣密度差比油水密度差大得多，油氣間所產(chǎn)生的重力分異作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油水間的重力分異作用。稠油和氣體間的重力差對(duì)加熱后原油的重力泄油作用來說是非常有利的，此時(shí)的重力差相當(dāng)于原油開采的一種驅(qū)動(dòng)力，若不考慮氣體在油、水中的溶解，該值可以利用如下公式簡(jiǎn)單計(jì)算[40]：

Gog=(ρo-ρg)ghst

(1)

式(1)中：hst為蒸汽腔的厚度，m；ρo與ρg分別為原油和氣體的密度，氣體可能為蒸汽、CO2、N2等，kg/m3；g為重力加速度，m2/s。

圖2 稠油與不同氣體間的重力差計(jì)算值Fig.2 Calculation results of gravity difference between heavy oil and different gases

若考慮原油密度為950 kg/m3，蒸汽腔厚度為20 m，可繪制出稠油與不同氣體間重力差圖版如圖2所示(圖2中出現(xiàn)了負(fù)值是由于蒸汽在低溫下轉(zhuǎn)化成了水，油水間重力差的不同促使原油向上運(yùn)移；N2、CO2與原油間的重力差不同是由于壓縮性的差異)。從圖2中可以看出，在SAGD開發(fā)過程中(高溫、低壓)，稠油與氣體間的重力差是非?？捎^的。當(dāng)油藏壓力為5 MPa時(shí)，在 300 ℃下注入蒸汽，此時(shí)的重力差接近0.2 MPa，對(duì)泄油的貢獻(xiàn)很大。同時(shí)，若考慮其余非凝析氣體(如N2、CO2)輔助SAGD的技術(shù)，也能很好地利用重力泄油的機(jī)理。

重力泄油作用貫穿SAGD開發(fā)階段的全過程。在蒸汽腔上升階段，由于重力分異的作用，蒸汽將向上運(yùn)動(dòng)，而被加熱的原油與蒸汽冷凝水沿著蒸汽腔的邊緣通過重力作用泄流進(jìn)生產(chǎn)井中，隨著原油的泄流和采出，蒸汽腔不斷擴(kuò)展；在后續(xù)開發(fā)階段，蒸汽腔擴(kuò)展到油藏頂部，此時(shí)連續(xù)注入的蒸汽繼續(xù)沿上覆巖層下面的四周擴(kuò)散，被加熱的原油與蒸汽冷凝水仍沿著蒸汽腔的邊緣通過重力作用泄流進(jìn)生產(chǎn)井中[14]。

在SAGD過程中，由密度差引起的重力差必須要保持相對(duì)于壓力差(ΔP)的優(yōu)勢(shì)地位，這樣在垂向上非混相間的重力分異作用才能在產(chǎn)生流量方面占據(jù)支配地位，藉此消除ΔP引起的不穩(wěn)定性[23]，如黏性指進(jìn)與竄流等現(xiàn)象，這是SAGD技術(shù)非常重要的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。通常情況下ΔP為20～40 kPa，是要小于蒸汽腔邊緣重力差的。值得一提的是，一些學(xué)者認(rèn)為注采壓差對(duì)SAGD開采也起著不可忽略的作用，即在SAGD開發(fā)過程中壓差驅(qū)油的機(jī)理也起到重要作用[41]。

3.3 地質(zhì)力學(xué)效應(yīng)

在SAGD開發(fā)過程中，流體流動(dòng)行為是與油藏的地質(zhì)力學(xué)行為相耦合的，因?yàn)檫B續(xù)的蒸汽注入改變了油藏的孔隙壓力和溫度，這將會(huì)改變?cè)赜行?yīng)力，導(dǎo)致孔隙度和滲透率的動(dòng)態(tài)變化。

Agar[42]通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出了在升高的溫度下油砂的有效滲透率增加的結(jié)論，此外，由于熱膨脹導(dǎo)致的有效應(yīng)力變化使得體積應(yīng)變很大。Settari[43]研究了疏松多孔介質(zhì)中熱流和土壤力學(xué)的物理特征并建立了模型，研究結(jié)果表明伴隨著體積應(yīng)變的擴(kuò)容是非常重要的特征，將導(dǎo)致孔隙度和滲透率的增加。Chalaturnyk[44]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析評(píng)估了UTF SAGD礦場(chǎng)試驗(yàn)過程中的地質(zhì)力學(xué)影響。他建立了絕對(duì)滲透率和體積應(yīng)變間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，表明由于體積應(yīng)變的變化，絕對(duì)滲透率增加了約30%，同時(shí)總結(jié)了應(yīng)力-應(yīng)變行為(剪切擴(kuò)容、孔隙度、滲透率和有效封閉應(yīng)力的變化)是并行的過程，改變了蒸汽腔邊緣前的油藏條件。

Bao[45]通過在SAGD過程中耦合地質(zhì)力學(xué)模型研究了帶有頂水層的油藏案例，他將地層中地質(zhì)力學(xué)的變化分為3個(gè)階段。第1次卸載過程：由于注入蒸汽使得平均有效應(yīng)力減少，發(fā)生擴(kuò)容，此時(shí)SAGD過程中的應(yīng)力跡線是孔隙壓力和熱效應(yīng)混合作用的結(jié)果。由于蒸汽的注入孔隙壓力增加，降低了平均有效應(yīng)力；同時(shí)，熱膨脹導(dǎo)致應(yīng)力差和平均應(yīng)力的增加。應(yīng)力跡線向破壞包絡(luò)線移動(dòng)，隨著蒸汽腔上升垂向位移開始增加。體積應(yīng)變從初始位置向反方向移動(dòng)，增加了有效孔隙度和滲透率。在卸載階段，垂向位移開始增加直至蒸汽腔到達(dá)頂水層。

再加載過程：當(dāng)蒸汽接近頂水層時(shí)，注入壓力由初始的2 000 kPa下降到1 000 kPa，模擬結(jié)果顯示重大的壓力降將導(dǎo)致頂水泄流到蒸汽腔。此外，增加的產(chǎn)水量導(dǎo)致油藏壓力進(jìn)一步降低到850 kPa。結(jié)果是，有效應(yīng)力增加，地層中產(chǎn)生重壓實(shí)作用并能觀察到陷落現(xiàn)象，與之前的卸載過程相比體積應(yīng)變的方向相反。應(yīng)力跡線向增加有效應(yīng)力的方向移動(dòng)，偏離破壞包絡(luò)線，在這期間內(nèi)孔隙度和滲透率都減小。

第2次卸載過程：當(dāng)蒸汽腔接近油藏的頂部，第二次卸載期出現(xiàn)。此時(shí)擴(kuò)容重新開始，并主要發(fā)生在油藏中部(蒸汽突破發(fā)生的地方)，推走頂水和氣體。最終，當(dāng)蒸汽腔到達(dá)油藏頂部并向側(cè)向擴(kuò)展時(shí)，油藏壓力穩(wěn)定在950 kPa，垂直有效應(yīng)力保持為一個(gè)常數(shù)，而由于熱膨脹作用水平應(yīng)力增加。此階段可以觀察到垂直位移的微小增加，這是由垂直方向的熱膨脹造成的。模擬結(jié)果顯示在注入壓力1 000 kPa 下，孔隙度和滲透率沒有進(jìn)一步增加了。

總的來說，地質(zhì)力學(xué)效應(yīng)對(duì)SAGD的開發(fā)產(chǎn)生了積極的作用，并且可以觀察到在埋深較淺的油藏中該作用更為顯著[46]。其實(shí)，油藏本身的彈性能量是除了重力驅(qū)動(dòng)外的另一種驅(qū)油動(dòng)力，在高溫蒸汽的作用下，地質(zhì)力學(xué)效應(yīng)使得這部分能量得到了更有效的利用。在具體開發(fā)指標(biāo)方面，原油產(chǎn)量增加，汽油比降低，這意味著蒸汽腔在更短的時(shí)間內(nèi)占據(jù)了油藏中更大的范圍。

值得注意的是，耦合模型中地質(zhì)力學(xué)屬性的動(dòng)態(tài)變化不僅和蒸汽注入以及熱膨脹有關(guān)，也和地層中存在的賊層有關(guān)。

3.4 熱效應(yīng)

3.4.1 蒸汽蒸餾作用

在稠油熱采過程中，由于向地層中注入高溫蒸汽，地層的溫度逐漸上升，稠油的溫度也隨之升高，一旦溫度大于或等于初餾點(diǎn)時(shí)，原油中的輕質(zhì)組分就將分離為氣相，而重質(zhì)組分仍保持為液相。隨著蒸餾溫度的增加，餾出的輕質(zhì)組分增多[47]。蒸汽存在的情況下，蒸汽和稠油處于同一系統(tǒng)，此時(shí)蒸汽與原油發(fā)生蒸汽蒸餾作用。蒸汽能大大降低稠油輕質(zhì)組分的分壓，使原油中的餾分在遠(yuǎn)低于正常飽和溫度的溫度下沸騰，隨著蒸汽餾出，所以相同溫度下稠油輕質(zhì)組分的餾出量遠(yuǎn)高于沒有蒸汽注入的油藏[48-49]。

在蒸汽腔上升及擴(kuò)展階段，蒸汽在與油層及油層中的原油進(jìn)行熱交換的同時(shí)也和原油中的輕質(zhì)組分發(fā)生蒸汽蒸餾作用。當(dāng)蒸汽腔的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，蒸汽腔內(nèi)部的多孔介質(zhì)中仍存在大量殘余油，這些殘余油與蒸汽有很大的接觸面積，注入的高溫蒸汽會(huì)與這些殘余油繼續(xù)發(fā)生蒸汽蒸餾作用。原油的蒸汽蒸餾過程完成后，餾出的組分以高溫氣相的形態(tài)通過多孔介質(zhì)到達(dá)蒸汽腔邊緣，這些輕質(zhì)組分可產(chǎn)生以下2種作用[49]。

(1)一種作用是和水蒸氣類似的傳熱作用。高溫氣相餾出組分在蒸汽腔邊緣與周邊的冷油發(fā)生熱交換，放熱導(dǎo)致溫度降低，繼而冷凝形成輕質(zhì)油。由于重力的作用，這些輕質(zhì)油將與冷凝水一起沿著蒸汽腔邊緣泄流向位于油藏底部的生產(chǎn)井，在這個(gè)過程中這些輕質(zhì)油會(huì)像化學(xué)驅(qū)過程中的化學(xué)劑一樣和流經(jīng)孔道中的殘余油融合，使得部分殘余油被采出，提高 SAGD 的最終采收率。

(2)另一種作用是和溶劑類似的改質(zhì)作用。高溫氣相餾出組分在蒸汽腔邊緣與被加熱的原油發(fā)生混合，溶解于這部分原油中，在原油內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)散，從而改變了原油的組成，起到了原位改質(zhì)的效果。

3.4.2 熱裂解作用

所謂稠油的熱裂解，是指當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，稠油中的重質(zhì)組分將裂解成焦炭和輕質(zhì)組分(甲烷、乙烷、丙烷等氣體及輕質(zhì)油)，熱裂解生成的輕質(zhì)組分可改善驅(qū)油效果[47]。對(duì)于大多數(shù)SAGD項(xiàng)目來說，注入蒸汽的溫度范圍在200～260 ℃之間，在這種條件下，地層中的稠油/瀝青會(huì)產(chǎn)生熱裂解作用[50]，這將提高地下原油品位，改善驅(qū)油效果。值得注意的是，該作用所產(chǎn)生的伴生氣可能給SAGD項(xiàng)目帶來負(fù)面影響[51]。

3.4.3 熱膨脹作用

SAGD過程中，油層溫度將大幅度升高，原油、水及巖石的體積膨脹將產(chǎn)生不可忽視的驅(qū)油作用。其中原油的熱膨脹系數(shù)最大，通常情況下，它相當(dāng)于水的3倍多，巖石的10倍多。當(dāng)溫度增加200 ℃時(shí)，原油體積將增加20%，由此可看出稠油的熱膨脹特性在SAGD開發(fā)中的作用[47]。

3.5 蒸汽腔的聚并融合作用

通常情況下，實(shí)施SAGD項(xiàng)目的平臺(tái)中不止一組井對(duì)。相對(duì)更大平臺(tái)(5組井對(duì)或更多)通常情況下效率更高，是因?yàn)樗軌蚶貌煌畬?duì)間蒸汽腔的聚并融合作用，采出在井對(duì)之間原先未能泄流的原油。這種有效的泄油是以下兩方面共同作用的結(jié)果：一是熱源的疊加使得井對(duì)間原油熱的更快，二是成熟平臺(tái)中蒸汽腔聚并的地方驅(qū)泄原油到生產(chǎn)井的能力增強(qiáng)[20]。我國的新疆油田根據(jù)這種機(jī)理提出了淺層超稠油雙水平井 SAGD的立體井網(wǎng)開發(fā)模式[52]，取得了顯著的開發(fā)效果。

3.6 原地乳化作用

在SAGD開發(fā)過程中，地層中存在原地乳化現(xiàn)象，因此更好地理解乳狀液的流動(dòng)對(duì)于為SAGD設(shè)計(jì)更精確的模型、更好的測(cè)試防砂設(shè)備和解釋SAGD操作所涉及的物理變化是至關(guān)重要的[53]。

Sasaki等[54]完成了室內(nèi)SAGD實(shí)驗(yàn)，觀察到實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)出流體包含單相冷凝水和油包水乳狀液，產(chǎn)出乳狀液的連續(xù)相是可動(dòng)油，其中水滴的直徑為0.01～0.07 mm。此外，Mohammadzadeh等[19]所做的孔隙尺度研究證明在SAGD過程中同時(shí)存在蒸汽、冷凝水和可動(dòng)油的三相流動(dòng)。根據(jù)Mohammadzadeh等[19]的流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在SAGD過程中會(huì)有油包水乳狀液在原地形成，實(shí)驗(yàn)中水滴的大小為1.1～5 μm，而原地油包水乳化現(xiàn)象主要是由蒸汽腔邊緣處蒸汽的冷凝造成的。

Azom等[55]在CMG模擬器中模擬乳狀液在多孔介質(zhì)中的產(chǎn)生、擴(kuò)展、聚并，研究了SAGD過程中乳化作用的影響。研究表明這些乳狀液滴向?yàn)r青相中的運(yùn)動(dòng)將促進(jìn)對(duì)流傳熱作用，提高采收率。因此，盡管乳化作用導(dǎo)致瀝青黏度增加，產(chǎn)油量仍然得到了提高。Ezeuko等[56]通過模擬手段來研究SAGD過程中乳化作用的影響，研究結(jié)果表明乳化作用增加了瀝青的流動(dòng)性，而且降低了累積汽/油比。

反相乳液同樣也會(huì)出現(xiàn)在SAGD生產(chǎn)過程中。一般地，體積分?jǐn)?shù)更小的相為分散相，另一相為連續(xù)相，如果兩相在數(shù)量上相同，其余因素將決定乳狀液的類型[57]。特別是當(dāng)水相體積分?jǐn)?shù)大于80%時(shí)，油包水乳狀液可以轉(zhuǎn)化為水包油乳狀液。值得注意的是，蒸汽干度在乳化過程中起著至關(guān)重要的作用[56-57]。Azom[58]聲明當(dāng)蒸汽干度很高時(shí)，地層中將形成油包水乳狀液。

關(guān)于SAGD過程中乳狀液的流動(dòng)特性研究仍存在許多空白，亟待進(jìn)一步深入研究，如理解乳狀液的對(duì)流傳熱機(jī)理，乳化流下出砂的評(píng)估等[53]。

4 關(guān)于SAGD變種形式的簡(jiǎn)單討論

基于不同的目的，學(xué)者們提出了許多原始SAGD模式的變種形式[59-60]。例如，Butler提出了可以將非凝析氣體與蒸汽一同注入來維持蒸汽腔壓力，降低蒸汽注入量，同時(shí)還可起到在蒸汽腔頂部隔熱降低熱損失的作用。但在一些油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過程中，出現(xiàn)了不好的結(jié)果，大量的氣體趨向于聚集在溫度最高的區(qū)域，如蒸汽腔的邊緣位置，如此將降低瀝青的相對(duì)滲透率，降低產(chǎn)量。

學(xué)者們提出了許多添加溶劑的SAGD變種形式，其中的一些實(shí)踐在增加瀝青產(chǎn)量方面成功了，但未展示有關(guān)溶劑成本效益分析的數(shù)據(jù)。通常情況下，溶劑輔助SAGD的成本較高，且溶劑向?yàn)r青的傳質(zhì)受擴(kuò)散和機(jī)械彌散混合控制，是一個(gè)緩慢的過程，添加溶劑帶來的瀝青可動(dòng)化過程至少比通過傳熱要慢3倍[3]。

還有一種典型的SAGD的變種形式是用溶劑結(jié)合電加熱來開采油藏，目的是減少溫室氣體(greenhouse gas,GHG)排放，同時(shí)也減少用水量(不需注入蒸汽)。這樣的概念存在諸多問題，如生產(chǎn)溶劑和發(fā)電所帶來的GHG排放量都超過了生產(chǎn)蒸汽帶來的GHG排放量；至于用水問題，常規(guī)SAGD模式中超過90%的產(chǎn)出水都是可以循環(huán)利用的。

未來針對(duì)SAGD變種形式的應(yīng)用研究一定要在明晰常規(guī)SAGD開發(fā)機(jī)理的基礎(chǔ)上，深入展開進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

SAGD技術(shù)是開采瀝青/稠油油藏的一種行之有效的技術(shù)，相對(duì)于蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)等其他熱采技術(shù)來說有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。SAGD是一個(gè)多物理過程，涉及同時(shí)傳熱傳質(zhì)，開發(fā)機(jī)理相對(duì)復(fù)雜。SAGD的開發(fā)過程可以分為以下4個(gè)階段：①注蒸汽循環(huán)預(yù)熱階段；②蒸汽腔縱向擴(kuò)展階段；③蒸汽腔橫向擴(kuò)展階段；④蒸汽腔下降階段。SAGD的開發(fā)機(jī)理主要有蒸汽降黏、重力泄油、地質(zhì)力學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、蒸汽腔的聚并融合作用以及原地乳化作用等。其中部分機(jī)理仍待深化研究，且機(jī)理間可能存在相互耦合的作用，今后在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮各項(xiàng)機(jī)理的綜合作用，形成更為有效的解析、實(shí)驗(yàn)、數(shù)模模型等，為進(jìn)行油田大規(guī)模SAGD開發(fā)提供有效的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)手段，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的SAGD開采。

此外，關(guān)于SAGD變種形式的研究，也應(yīng)從充分理解常規(guī)SAGD的開發(fā)過程與機(jī)理出發(fā)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。