SAGD 快速啟動技術現狀及前景展望

趙睿 孫新革 徐斌 羅池輝 孟祥兵

1. 中國石油新疆油田公司勘探開發研究院；2. Origin Geomechanics Inc.；3. 東北大學土木工程系

SAGD 是超稠油開采的一項重要技術，該技術最早起源于加拿大，其開發對象是海相、海陸過渡相沉積的油砂礦藏，儲層物性普遍較好。國內以新疆油田、遼河油田為代表，開發對象是陸相沉積的超稠油油藏，儲層非均質性強，SAGD 開發面臨著嚴峻挑戰［1-2］。新疆油田多采用經典的雙水平井SAGD方式，如何高效實現注采井間的均勻連通是采用SAGD 開發此類油藏的一個關鍵問題［3］。近年來，國內外學者開展了大量研究，探索了注蒸汽循環預熱、液體擠注、快速啟動(擴容法)和溶劑浸泡等多種方法。室內研究和現場實踐表明，液體擠注法適應性較差，只適用于原油黏度較低，具有初始流動能力的油藏；溶劑浸泡法時效性低，耗時長且成本較高。因此，注蒸汽循環預熱和快速啟動技術逐步成為主流的SAGD 啟動方法［4-5］。

注蒸汽循環預熱的主要機理是熱傳導，效率低、能耗大，還要對返出液做進一步運輸和處理，導致生產成本高且環保問題嚴重。SAGD 快速啟動技術是一項基于弱固結砂巖巖石力學擴容原理的油藏改造方法，通過利用弱固結砂巖的擴容原理，在SAGD注汽井和生產井中實施水力擴容，形成沿水平井均勻分布、連接兩井的體積擴容區，實現兩井水平段的快速均勻連通(連通率一般可達90%以上)，可大幅縮短預熱啟動周期近50%，降低蒸汽能耗近50%，提高初期采油速度5%～10%。目前國內外已成功應用該技術擴容啟動SAGD 井140 多對，形成相應的配套技術并在實踐中持續改進和完善。通過對擴容流體的優化和擴容方式的改進，有望進一步擴大應用范圍和增強SAGD 開發效果。目前該技術衍生出溶劑輔助擴容、邊井輔助擴容、分段差異化擴容、脈沖式強化擴容等新技術，展現出廣闊的應用前景。

1 SAGD 快速啟動技術機理

1.1 油砂擴容機理

SAGD 快速啟動技術機理是弱固結油砂儲層的地質力學擴容現象。擴容是指孔隙介質巖體在所受總應力仍是壓應力的狀態下，受剪應力或孔隙流體壓力增加的作用，其總體積增大的巖石變形現象。擴容行為微觀上可被視為巖石顆粒的旋轉、滾動和重新排列。

油砂擴容現象經過大量室內實驗和現場驗證。劉維國等人［6］通過對三軸實驗中巖石體積應變與橫波速度的分析，論證了抗壓強度前巖石一定存在擴容現象。Wong 等人［7］通過油砂巖心的低圍壓三軸實驗，研究了加拿大阿薩巴斯卡和冷湖油砂的地質力學特征，體積擴容率達到7%，電鏡掃描分析顯示巖心孔隙度明顯增加。Gao 等人［8］針對風城油田油砂開展了三軸實驗，實驗巖心在0.5 MPa 低有效圍壓下出現了明顯的剪切帶(圖1)。Beattie 等人［9］的監測數據表明，冷湖油砂儲層在蒸汽吞吐注入期間地面隆起高度達到45 cm，且地層在施工后的吸水能力遠大于基于原始儲層物性的預測值。上述現象主要是由于在儲層中形成的復雜剪裂縫網以及由此形成的擴容區導致的。通過油砂擴容區內巖心取樣的實驗室數據［10］和蒸汽吞吐井的重復井底成像數據［11］均可以觀察到由微張性裂縫和微剪裂縫形成的復雜縫網。

圖1 油砂試樣在三軸試驗前后微觀結構的改變及剪切帶［8］Fig. 1 Microstructural change and shearing zone of oil sand sample before and after the triaxial test［8］

根據已有的實驗室和現場數據總結及數值仿真結果［12-13］，油砂中的擴容是剪切破壞和張性微裂縫相結合的現象。當發生剪切擴容作用時，巖石顆粒的原始結構因受到顆?；坪蜐L動的擾動而發生變化，但顆粒間仍然相互接觸；而在張性破裂階段，顆粒之間相互分離。油砂儲層的擴容在井周產生一個大體積、高孔隙度和高滲透率的擴容區，該擴容區可以理解為一個包含無數微觀張剪裂縫網的高滲區域。

1.2 油砂擴容的增產增注機理

Shafiei 等人［14］對砂巖稠油油藏熱采過程中的地質力學作用做了總結，熱采過程中伴隨著壓力、溫度變化，儲層的壓縮系數、擴散系數、孔隙度、有效滲透率等關鍵參數均會變化，這些變化對于稠油油藏熱采效果會產生顯著影響。利用巖石力學擴容為稠油井增注增產的機理得

式中，m為流體在孔隙介質中的流度，μm2/(Pa · s)；ka為巖石的絕對滲透率，10?3μm2；krw和kro分別為水和油的相對滲透率；γw和γo分別為水和油的單位容重，N/m3；μw和μo分別為水和油的黏度，mPa · s。

由于稠油的原位黏度很高(μo＞μw)，因此式(1)右邊的第二項可以忽略不計。水力擴容實質上增加了巖石的孔隙度和絕對滲透率(ka)。在利用冷水或熱水進行油砂儲層擴容的情況下，新增加的孔隙空間完全被注入的水填滿，這增加了水的相對滲透率(krw)。以上現象均增加了水在油砂中的流度，從而增加了高溫蒸汽在稠油儲層中的流動性和注入能力。利用熱-固-流耦合的有限元方法，Xu 等人［15］提出了針對弱固結油砂壓裂和擴容現象的有限元模型和材料模型，并成功應用于SAGD 快速啟動的現場施工設計。

1.3 擴容與水力壓裂的區別

巖石的擴容從定義和形成機理上均區別于水力壓裂(表1)。從定義上說，巖石的擴容是砂巖顆粒間的相互錯動及分離而形成的孔隙度的增加，水力壓裂則是流體壓力克服巖石地應力的抗張強度后在地層中形成宏觀張裂縫。壓裂區域的滲透率隨著孔隙度相對較小的增加而呈數量級的增加，而擴容則是滲透率和孔隙度增加程度相似，一般不到擴容前的50%［16］。在幾何形態上，擴容區為大體積的孔隙度增加區域，而水力壓裂通常為線性的張裂縫。在施工工藝上，區別于水力壓裂，擴容區形成后無需加入支撐劑，砂巖顆粒的自支撐效應(或拱形效應)就能夠維持擴容區的孔隙度和滲透性［17］。SAGD 快速啟動目標是沿水平井段形成最大化的均勻擴容區，同時避免產生單一的宏觀裂縫。

表1 擴容和水力壓裂的區別Table 1 Difference between dilation and hydraulic fracturing

2 礦場實踐與認識

2.1 技術發展歷程

SAGD 快速啟動技術于10 多年前誕生于加拿大。帝國石油公司在SAGD 油砂開采過程中偶然的高壓操作下，發現壓力對產量起到關鍵作用。隨后，Xu［18］對弱固結砂巖的擴容現象進行了系統研究，2014 年該技術成為專利［6］，并開啟了商業化運行。眾多石油公司開展了室內設計和現場試驗，其中Cenovus 公司的Christina Lake 項目試驗取得了巨大成功。現場試驗了2 對井，相比其他未實施快速啟動的井組，快速預熱井不僅轉入SAGD 生產更快，初期產量及注入能力也較好，此后相繼在Christina Lake 和Foster Creek SAGD 項目上推廣使用60 對井，并將快速啟動技術與溶劑輔助相結合，尋求更好的啟動效果。此外，其他石油公司也相繼開展了1～2 井組的小型試驗，希望在SAGD 啟動階段實現快速均勻連通和對差物性段及近井地帶夾層的改造。目前國外該技術仍處于小規模應用階段。

SAGD 快速啟動技術于國內2012 年開始引入新疆油田，目前已成功實現工業化應用。主要經歷了4個階段：(1)初步探索階段。針對超稠油Ⅱ類油藏(滲透率＞1 μm2, 50 ℃原油黏度20 000～50 000 mPa · s)，優選風城重1 井區，通過室內巖石力學實驗，現場原位地應力測試及數值仿真計算等地質力學研究，從理論上論證了技術可行性。(2)先導試驗階段。在重1 井區開展1 井組試驗，水平井段連通率達到100%，順利轉入SAGD 生產。與同區塊13 口常規循環預熱井組相比，試驗井組循環時間縮短了46%，蒸汽用量節約了53%，驗證了快速啟動技術的可行性。(3)擴大試驗階段。針對超稠油Ⅲ類油藏(滲透率＜1 μm2, 50 ℃原油黏度＞50 000 mPa · s)，優選風城重18 井區開展7 井組試驗，6 井組取得成功。標志著SAGD 快速啟動技術已具備成熟推廣條件。(4)工業化配套與推廣應用階段。2015 年以來，大力推廣應用SAGD 快速啟動技術。風城油田超過70 對水平井組成功應用了快速啟動技術，標志著快速啟動技術走向成熟。

2.2 施工工藝

2.2.1 地質工程設計

經過10 余年的室內研究和現場試驗，SAGD 快速啟動已形成了“基于地質目標描述—風險識別—參數設計—效果預測”的地質工程一體化設計方法。地質目標描述包括孔隙度、滲透率、飽和度等儲層物性參數；巖性、孔隙結構、泥質含量等骨架參數；儲層巖石力學參數和原位地應力數據。此外還有井眼軌跡變化以及是否存在微裂縫、底水等。這些數據可用于風險評估、數值模擬，優化擴容操作參數并預測生產效果。

(1)地質力學-熱采耦合模擬。巖石變形采用非線性超彈性本構模型，熱采數值模擬與巖石力學模型之間的耦合參數通常為孔隙度和滲透率。孔隙度為溫度、壓力及巖石總應變的函數，滲透率則為體積應變的函數，通過這2 項參數耦合巖石力學模型與熱采數值模型，可進行快速啟動參數的優化設計［19］。油砂在地層條件下原油黏度極高，地層溫度下呈固態，水的有效滲透率很低。采用有限元法模擬時，考慮儲層擴容過程與注蒸汽循環的滲流差異，在權衡成本和數據精度的前提下，建議采用水的有效滲透率，以獲得更合理的模擬結果［20］。原位地應力數據可通過小型壓裂法(試注法)、大極距偶極橫波測井以及巖心應變測量等多種方法獲取。現場一般采用小型壓裂法直接進行應力測量，在需要建立全區應力模型的情況下，可用實測數據進一步標定偶級橫波測井及巖心數據后插值計算。

(2)完井和地面設備。包括完井結構和溫壓測試設備，地面注采工藝等。目前SAGD 一般采用同心雙管、平行雙管完井結構，注汽井和生產井均能實現同時注排的循環功能。生產井水平段一般布置等距的熱電偶測溫(測點間隔40～50 m)或全井段光纖測溫，井口布置有專門的流量計量設備，可為連通判斷提供必要數據?？紤]SAGD 井場管網密布，空間受限因素，目前SAGD 快速啟動地面注采工藝已基本實現撬裝化、模塊化，便于低成本高效利用。此外，注入流體首選熱污水(20～80 ℃)，在油藏具有較高的可注入性情況下，也可采用較高黏度的流體，如聚合物水溶液，以減少流體損失。

2.2.2 施工流程

如圖2 所示，現場施工包括預熱洗井、應力調整、開始擴容、擴容帶擴展、連通判斷5 個階段。(1)預熱洗井。通過蒸汽和低壓熱水循環，預熱井筒和解除水平段篩管上的原油污染。(2)應力調整。注汽井和生產井的注水壓力逐漸升高至原位最小主應力，該階段為擴容預處理階段，目的是通過孔隙介質彈性力學及熱彈性力學機制調整井周應力、孔壓狀態以及井周地層的含水飽和度，以便在垂直方向形成大體積的擴容區。該階段主要依賴于流體壓力前緣的擴散，擴散速度越快，則具備擴容條件的時間越短。因此可采用任何能夠提高儲層滲透率和降低原油黏度的方式來提高流體流度，加快調整，如注入蒸汽、熱水、化學降黏劑輔助等［21］。在預處理階段，現場通過頻繁的壓降和瞬態壓力分析來監測預處理區域的大小及滲透率，對于流量及壓力等數據，則可通過地質力學歷史擬合實時優化。當計算注汽井和生產井形成的預處理區域相交時，具備擴容條件。(3)開始擴容。逐步增加井口注水量，通過排量控制，進行擴容作業。當兩井中的壓力互相響應時，標志著兩井之間已形成擴容區。(4)擴容帶擴展。進行大排量注水，擴展擴容區，以形成在垂直方向從注汽井到生產井、水平方向均勻擴展的擴容區。(5)連通判斷。通過溫壓關聯情況及生產井溫度分布判斷水力連通程度。通過擴容，井周及井間形成剪切擴容帶和相互獨立的張性微裂縫區域，大幅提高蒸汽注入能力和熱擴散面積。

2.2.3 施工過程控制與監測

圖2 SAGD 快速啟動施工階段劃分及壓力變化Fig. 2 Stage division and pressure change of SAGD quick start construction

SAGD 開發油藏多為淺層，操作壓力控制一直備受關注。SAGD 快速啟動技術作為一種高壓儲層改造工藝，對于蓋層完整性具有一定風險，面對如具有頂水、底水或裂縫性復雜油藏時，還存在局部溝通優勢層位的風險，都可能導致施工失敗。加拿大Cenovus 能源公司最早在Christina Lake SAGD 項目上的先導試驗，就由于預處理時間過短，過早進行大排量擴容，導致井間形成張性裂縫并溝通底水層，轉生產效果較差，后經工藝改進取得成功。

為保障成功實施，施工前和施工過程應對所有風險點及井節點數據進行連續監測分析，如井口流量、井下壓力、溫度等數據，及時標定和校正地質力學模型，優化操作參數，動態調整。對于蓋層和底水層，可采用微地震、觀察井的方式獲取數據進行監測［22］。SAGD 快速啟動施工過程的精細控制要求較高，需要實時分析流體注入量、返排速度、壓力及滲流場的變化，各個階段環環相扣，處理不得當都會影響擴容效果。尤其是在儲層非均質性較強、黏度更高的目的層，實現全井段均勻連通面臨更多挑戰。為降低實施風險，OGI 公司研發了一套實時計算預處理區體積大小和有效滲透率的軟件(FUSS Field Pressure Analysis)。該軟件基于流體壓力瞬態分析，通過預處理過程中的壓降曲線，實時計算和反演預處理區的大小和滲透率，以便確定對預處理區進行高排量注水擴容的準確時機，實現了現場施工參數的實時跟蹤擬合與施工過程可視化，大大降低了施工風險。

2.3 影響因素及主要挑戰

2.3.1 儲層物性及非均質性

較差的儲層物性對擴容啟動仍具有較大挑戰。Du 等人［23］通過數值模擬研究了砂質泥巖在注蒸汽過程中的地質力學響應，發現當注汽井之上2 m處存在1 m 厚的砂質泥巖夾層時，蒸汽就很難進入，形成應力遮擋。相比加拿大Athabasca 海相沉積油砂儲層，新疆風城油田的稠油儲層物性較差，非均質性嚴重，表現為低孔隙度，低滲透率以及廣泛分布的泥/頁巖夾層［24］。較差的儲層物性不僅導致蒸汽循環預熱時間長(超過10 個月)、蒸汽用量大(單井組大于37 600 m3)，還會導致轉生產后較差的水平段動用率等問題。在高排量向地層注入流體的條件下，易造成地層提前擴容，沿水平井組形成局部張性水力裂縫。在蒸汽流動壓力梯度極小的條件下，這些線性裂縫可能會直接導致SAGD 井組水平段局部汽竄。

非均質儲層條件下，沿水平段存在選擇性擴容現象。耦合地質力學參數及地應力條件下的數值模擬研究結果表明［25］：滲透率非均質性(級差)、巖性兩項主要因素變化可導致SAGD 快速啟動過程中出現選擇性擴容現象。不同巖性儲層的地質力學特性不同，擴容效果亦不相同。擴容過程中，當沿水平段儲層滲透率非均質性較強時，高滲透率段孔隙度、滲透率增加范圍更大，井間更容易建立連通，而低滲透段儲層物性難以改善或改善較少［26］。當SAGD 井對間或注汽水平井上方附近巖性變化時(出現差物性帶或夾層遮擋)，快速啟動效果必然會受到影響。這種選擇性擴容特性容易形成“好儲層越好、差儲層仍然差”的現象(圖3)，影響生產階段水平井段動用程度并增加汽竄風險。這對SAGD 快速啟動技術的適應性提出了挑戰。

圖3 儲層非均質性對擴容帶形成的影響［26］Fig. 3 Influence of reservoir heterogeneity on the formation of dilation zone［26］

2.3.2 地質力學參數及原位地應力條件

儲層地質力學參數和原位地應力是影響快速啟動效果的關鍵參數，在水力擴容過程中對流體注入能力及擴容帶延展具有決定性作用［27］。這些參數可通過室內實驗、現場測試或巖石物理參數計算獲得［28］，其影響主要表現為2 個方面：巖石擴容性能以及儲層地應力各向異性影響擴容區的產生和擴展；巖石強度和儲層地應力大小影響擴容壓力、排量以及擴容預處理時間和注液量。

國內外學者針對油砂地質力學參數及原位地應力條件已開展了大量研究。國外主要集中于加拿大阿爾伯達地區的SAGD 油砂開發區，國內主要是新疆風城超稠油油藏。Settari 等人［29］通過擬合實驗室數據和數值模擬，指出實驗室測量應該在低應力下進行，并遵從油田現場預期的應力路徑。油砂在低有效應力下的摩擦屬性控制了擴容區域大小，進而影響注入能力。加拿大阿爾伯達油砂具有冰川作用形成的互鎖結構［30-31］，具有較大的摩擦強度，一旦剪切滑動將表現出優越的擴容性能。Gao 等人［8］從掃描電鏡、三軸壓縮實驗、現場測試多個尺度分析了新疆風城油砂擴容與滲透率變化之間的關系，并綜合評價了擴容性能及潛力，認為新疆風城油砂具有較大的擴容潛力，但如何在油田現場充分發揮這一潛力仍需深入研究。此外，Fan 等人［32］和Yuan 等人［33］對風城油田重18 井區、重1 井區進行了巖石力學三軸測試和小型壓裂地應力測試。結果顯示，不同區塊超稠油儲層巖石力學性質(強度和擴容能力)和原位地應力梯度均不同。多次小型壓裂地應力測試表明，即使是同一區塊，原位地應力的大小也存在較大差異。因此，在沒有對某一開發區地質力學性質進行系統研究的前提下，不宜將其它開發區的地質力學性質盲目借用于新的開發區。在快速啟動施工前，必須準確測量目的層的巖石力學強度，擴容性能以及地應力的大小和各向異性，并通過流-固-熱耦合的數值模擬來設計施工參數。盲目施工將導致過早擴容，形成井間張性裂縫，導致蒸汽循環階段發生汽竄。

2.3.3 面臨的主要挑戰

從油藏條件和技術適應性出發，快速啟動技術仍面臨著一系列挑戰性問題待攻關解決：如何進一步減少蒸汽預熱時間從而降低蒸汽用量；如何進一步增強儲層物性從而提高初期采油速度；如何克服選擇性擴容特性，進一步提高水平段動用率；如何在不破壞蓋層的前提下快速動用注汽井上方的儲層。要解決以上問題，實踐中必須以儲層地質精細描述為基礎，深入認識儲層非均質性，系統測取儲層及蓋層地質力學關鍵參數，在制定科學方案的基礎上實施擴容。以節能、降本、增效為原則，突破常規思維，通過擴容注劑的優化和擴容方式的創新，加快推動SAGD 快速啟動技術的升級換代。

3 技術發展方向與展望

近年來，SAGD 快速啟動技術在實踐中持續改進和完善。技術適應性和改造效果不斷提高，總體呈現出多元化發展趨勢。

(1)溶劑輔助擴容。以達到最佳擴容性能為目的，通過化學注劑的添加，實現進一步降黏，促進流體流動。如擠注降黏劑、表活劑或催化劑等溶劑段塞等，可在已形成的擴容帶基礎上更加均勻地促進擴展。目前新疆油田已開展了現場試驗，在擴容啟動過程中注入降黏催化劑(激活溫度約為100 ℃，最大降黏比55%)，取得了顯著效果，應用超過10 對井。

(2)邊井輔助擴容。針對水平段動用不均和動用差的問題，優選水平段適當位置鉆直井或直接利用觀察井，射孔后與SAGD 水平井開展組合擴容，從而改善差物性段連通，提高水平段動用程度。該方式通過擴容快速建立直井和水平井組的連通。相比常規吞吐促進連通的方法，增強了滲流通道，提高了驅泄復合效率。目前數值模擬研究已展現出良好的應用前景。

(3)分段差異化擴容。針對水平段儲層非均質性的影響，對原有的快速啟動施工過程進行改進，在充分認識儲層地質剖面的情況下，通過高溫暫堵的方式，對水平井進行分段擴容?？紤]水平段物性及地質力學特性的差異，分段設計擴容壓力及流量控制，實現更均勻連通。該技術已試驗1 井次，目前處于跟蹤評價階段，一旦突破，將大幅提升快速預熱技術在強非均質超稠油油藏中的應用界限。

(4)脈沖式強化擴容。近年來，魚骨井SAGD 成為一個發展趨勢。針對魚骨注汽水平井SAGD［34］，為強化魚骨分支對夾層的改造作用并有效促進分支蒸汽腔的發育，提出脈沖式強化擴容方法。通過壓力脈沖式的強化擴容操作，大幅改善分支區域的滲流能力，充分發揮魚骨注汽井分支的重力泄油作用。目前該技術已開展室內物理模擬實驗，有望成為針對差儲層超稠油油藏的主導技術。

隨著SAGD 開發的深入，快速啟動技術的目標不僅局限于促進兩井之間連通，開始針對井上方更大范圍的儲層進行強化改造，顯示出多學科融合、多技術綜合的發展趨勢，未來具有較大的發展潛力。

4 結論

(1) SAGD 快速啟動方面的理論認識與關鍵技術取得了重要突破，施工工藝成熟，成功實現了工業化推廣。實踐中形成了地質工程一體化設計、施工流程標準化、關鍵參數可視化的配套技術。SAGD 快速啟動技術相比常規預熱技術具有顯著優勢，對強化差儲層的SAGD 開發具有重要意義。

(2)儲層地質力學參數和原位地應力條件是影響快速啟動效果的關鍵參數，成功實施快速啟動技術需要注重2 個重要環節，一是施工前對地質力學性質進行系統研究；二是施工過程中進行應力預處理以調整地層應力和孔壓狀態，以便擴容階段形成大體積的均勻垂向擴容區。

(3)針對差儲層的有效擴容仍需持續攻關和完善；如何進一步減少蒸汽循環時間、永久性增強儲層物性、克服選擇性擴容特性、動用注汽井上方的儲層等問題仍需持續攻關。溶劑輔助擴容、邊井輔助擴容、分段差異化擴容、脈沖式強化擴容等快速啟動衍生技術的研發和推廣將進一步增強該技術的適應性，應用前景廣闊。