杨　洪，何小东，李　畅，陈　森，游红娟



双水平井SAGD快速启动技术研究进展

杨洪，何小东，李畅，陈森，游红娟

（中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）

针对双水平井蒸汽辅助重力泄油（SAGD）启动阶段循环预热期长、蒸汽消耗量大的问题，介绍了溶剂辅助启动、泡沫辅助启动、电磁加热启动和应力扩容启动4种双水平井SAGD快速启动技术的作用机理及其在应用方面的优缺点。认为应力扩容启动具有明显优势，建议在现有基础上继续开展相关研究，提高双水平井SAGD快速启动技术适应性；将不同快速启动技术联合使用是改善启动阶段效果的一条有效途径。

双水平井；蒸汽辅助重力泄油；启动阶段；循环预热；快速启动

对于采用常规热采技术无法经济有效开采的油砂和超稠油而言，蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术是一种有效的开采技术。目前SAGD开发主要有双水平井、直井-水平井组合和单水平井3种布井方式，其中双水平井SAGD蒸汽腔发育体积大、驱油效率高，已在加拿大油砂矿区和中国新疆风城油田取得了广泛应用［1-2］。目前双水平井SAGD从预热启动到正常生产这一过程产油量很少，且通常需要3～6个月甚至更长时间，导致蒸汽消耗量大、能量利用率低及产出液处理难等一系列问题［3］。随着新开发油藏条件越来越差，从预热启动到正常生产所需的时间会更长，加之国际油价持续低位徘徊，超稠油开采的经济效益严重下滑。因此，如何实现双水平井SAGD的快速启动，提高启动阶段的效率和经济性是国内外双水平井SAGD开发油田亟需解决的难题。本文介绍了溶剂辅助启动、泡沫辅助启动、电磁加热启动和应力扩容启动4种双水平井SAGD快速启动技术在机理及其在国内外的研究应用情况，分析了各种启动技术的优点和目前存在的问题，旨在为双水平井SAGD的高效开发提供参考。

1　双水平井SAGD启动阶段特征

双水平井SAGD开发过程分为启动阶段（也称预热阶段）和生产阶段，启动阶段主要是为了在最短时间内实现注采井间的热力和水力连通，为转入生产阶段创造条件，是SAGD开发成功的必要条件［4］。

（1）预热启动方式双水平井SAGD开发主要有蒸汽吞吐预热启动和注蒸汽循环预热启动两种方式。虽然蒸汽吞吐预热启动方式蒸汽耗量小，但其水平段吸汽均匀性差，不利于均匀加热双水平井井间区域［5］，易造成双水平井井间中后段不连通的情况。因此，目前国内外双水平井SAGD开发主要采用注蒸汽循环预热启动方式：蒸汽在注采井内独立循环，通过热传导加热井间区域，根据国内外现场经验，当注采井水平段连通程度达到75%左右，才转入生产阶段。

（2）完井管柱结构最初，在双水平井SAGD循环预热启动阶段，注采井均为单管管柱结构，采用蒸汽从油管注到水平段趾端，油套环空排液的循环方式［6］。由于油套环空面积较大，滑脱现象严重，导致井底积液无法及时排替，不利于调控；反之，若蒸汽从油套环空注入，油管排液，则蒸汽将向地层和套管损失热量，导致蒸汽干度降低，热损失大（图1a）。因此，目前启动阶段注采井主要为双管管柱结构，采用长油管注汽、短油管排液的循环方式（图1b）。

图1　双水平井SAGD开发启动阶段管柱结构

2　双水平井SAGD快速启动技术

在双管管柱结构的基础上，国外已经开展了大量有关双水平井SAGD快速启动技术的试验研究和现场应用；而国内目前主要还是靠优化管柱结构和操作参数来改善启动阶段循环预热效果［7］。

2.1溶剂辅助启动

溶剂辅助SAGD结合了SAGD与溶剂萃取技术采油的优点，通过溶剂-蒸汽的联合注入，降低采油过程的蒸汽需求量，同时降低制备蒸汽过程的燃料消耗，减少CO2的排放量。目前溶剂辅助SAGD在国内开展的研究工作有限，且大多处于数值模拟研究阶段。国外对其理论与试验研究不断深入，并进行了现场应用，认为溶剂在蒸汽腔边界凝结、蒸汽加热以及溶剂乳化稀释共同降黏是溶剂辅助SAGD的主要作用机理［8-9］。加入溶剂后，由于溶剂与稠油间的质量传递，使得孔隙中更多的稠油被乳化成水包油乳状液，产生部分热对流加快了传热速率，使稠油的流动性得到提高（图2）。

图2　溶剂辅助SAGD与常规SAGD开发过程孔隙流体分布（援引自文献［8］）

然而目前这些试验研究主要应用于SAGD生产阶段，对SAGD启动阶段的研究相对较少。如果在SAGD启动阶段也向蒸汽中添加少量对稠油具有良好稀释能力的溶剂，依靠溶剂的稀释作用和蒸汽的热作用，更加有效地降低稠油黏度，使重力能够克服毛细管力，加大稠油向生产井泄流的趋势，就可以缩短SAGD预热时间。

文献［10］提出了一种利用溶剂不断扩大储集层高渗区，加速井间形成渗流通道以实现快速启动的方法。此方法首先要求储集层具有天然的高渗区，否则需通过水力压裂制造部分高渗区域，为注入溶剂创造条件；然后分别由注采井多轮次注入溶解了大量CO2或N2等气体的芳烃溶剂，利用溶剂的稀释作用和溶解气驱，不断扩大高渗区，直到井间区域建立起高渗通道。但是此方法在压裂过程中难以实现对裂缝的控制，存在直接压通注采井的风险，可操作性差。

文献［11］通过室内物理模拟实验研究了裂化石脑油等与蒸汽混注对SAGD启动阶段的影响，结果表明，与常规的SAGD循环预热相比，溶剂辅助SAGD的产油速率更快，汽油比更小，还能够减小沥青质沉淀量，使蒸汽腔发育速度得到提升，进而缩短预热时间。

不同于溶剂+蒸汽混注的方法，文献［12］提出了一种用正己烷或柴油等溶剂预浸泡处理井筒，然后转挤注蒸汽加速SAGD启动阶段的方法。用CMG STARS模拟所得结果表明，SAGD注采井用溶剂预浸泡处理2～3个月后，转注蒸汽循环预热1个月就可实现井间连通，缩短了启动阶段时间，效果显著。

与文献［12］所用方法有所不同，文献［13］以数值模拟为基础，在加拿大Long Lake油砂SAGD开采项目区块13P06井实施溶剂预浸泡SAGD启动试验。注采井先经过近70 d的蒸汽循环预热，接着在不超过地层破裂压力下向井组注入70 m3二甲苯；然后注热水驱使溶剂向油层深处渗透，以保证浸泡阶段溶剂与沥青充分接触；最后进行高压蒸汽循环，进一步加速温度上升。试验结束后，13P06井较相同油藏条件下的其他井组预热时间明显缩短，且转生产阶段生产相同时间其累计产油量高出92%.

文献［14］采用与文献［13］相似的方法，通过室内降黏实验和沥青质沉淀实验，优选出柴油作为浸泡溶剂；结合数值模拟研究了柴油加速SAGD启动阶段的机理，并在新疆风城油田SAGD开发区开展现场试验。结果表明，采用柴油浸泡能够扩大降黏区，使井间更多的稠油流动起来，在较高的溶剂-稠油质量传递速率下减小流体流动阻力。试验井组最终预热时间160 d，比同区块其他7对常规SAGD蒸汽循环预热井组缩短20%的时间，同时具有较高的水平段连通程度和产油水平。

依靠溶剂降黏和热降黏，虽能在一定程度上加速原油降黏。但在溶剂-蒸汽混注过程中，溶剂在不同油藏操作条件下显示出不同的相态特征及其在气相、液相中溶解度和扩散度的差异会影响试验效果。因此，需要保持相对稳定的操作条件，并依据具体的油藏原油类型筛选匹配的溶剂。最理想的溶剂是能够在蒸汽腔中保持汽态，并且要先于蒸汽在蒸汽腔的边界冷凝，使其有足够的时间和稠油混合。而在实际混注时，大量溶剂不能有效地渗入油层与稠油接触，便随循环液由井口返出。若采用溶剂浸泡的方法，则溶剂用量太大，注入成本高。这两种方法都只能降低近井区域的稠油黏度，作用范围有限，无法解决油层非均质性对预热时间的影响，且都存在溶剂损耗、回收循环利用、产出液后续处理以及沥青质沉淀导致油层渗透率伤害等一系列问题。

2.2泡沫辅助启动

文献［15］提出了泡沫辅助SAGD的概念，泡沫辅助SAGD采用蒸汽和起泡剂混注方式，利用泡沫的贾敏效应进行流度控制，抑制汽窜，改善蒸汽腔发育形态，提高SAGD生产阶段的采油效果。研究结果表明，泡沫辅助SAGD具有2个优势：一是能在井间区域聚集大量高强度泡沫，而蒸汽腔顶部的泡沫强度低，数量也少，腔体发育呈“碗状”而非传统的“倒三角”形。使蒸汽腔主要作用于油层中部，与盖层接触面积较小，减少了盖层热损失；二是泡沫可封堵高渗孔道，抑制蒸汽窜流，使蒸汽沿水平段均匀扩展。

双水平井的实际井身轨迹难免存在不同程度的弯曲，加上储集层非均质性的影响，SAGD启动阶段，当井间区域预热到一定程度，原油具有一定的流动性后，在井间纵向距离最近、渗透率较高或者存在裂缝的区域，就容易形成局部优势通道，甚至发生汽窜。使得井间压差消失，大量注入蒸汽直接由生产井产出，导致预热速度变慢，井间水平段热连通率低。针对此问题，文献［16］提出了一种利用泡沫建立附加压力差缩短SAGD启动阶段时间的方法。当井间预热过程形成局部优势通道或发生汽窜时，从注汽井随蒸汽一同注入1%～2%的非离子表面活性剂SD-1020，同时加入摩尔比为1%的氮气。表面活性剂溶液通过优势通道的多孔介质时，就地形成泡沫，选择性地对优势通道进行封堵，增加优势通道蒸汽流动阻力。让已经建立起热连通的井间区域预热速度变慢，蒸汽能够沿着水平段更加快速均匀的扩散。研究还发现，即使增加很小的附加压力差，也能显著加快泄油速率，在附加压力差与重力的共同作用下，泄油速率更快，进而缩短启动阶段时间。

要充分利用泡沫产生的贾敏效应，泡沫的稳定性至关重要，而泡沫的稳定性与多种因素有关，其中最重要的是温度的影响［17］。在SAGD启动阶段，井下流体温度一般高于250℃，压力也较高。因此，研发出耐高温、封堵性能优良的泡沫体系以及确定合适的注泡沫时机，是泡沫辅助SAGD应用的难点。此外，高温下泡沫流体与蒸汽在地层中的多相渗流规律也亟待研究。

2.3电磁加热启动

SAGD常规启动方式，热量主要靠热传导由表及里进行传递，加热效率低且不均匀，同时受储集层岩石导热系数影响较大。因此，国外开展了电磁加热SAGD（EM-SAGD）缩短启动阶段时间的研究，主要包括感应加热、微波加热和射频加热等［18］。其中微波加热和射频加热是一种通过被加热体在微波和射频作用下内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热体温度同时升高的加热方式。具有加热效率高、穿透能力强、均匀性好及选择性加热等诸多优点。目前微波加热和射频加热在稠油降黏开采、油页岩地下转化工艺（ICP）开采等方面已有较多研究及应用。

在SAGD启动阶段，蒸汽干度直接影响启动阶段预热效果。干度越高，蒸汽释放的汽化潜热越多，储集层加热效果越好。但随着储集层埋深或水平段长度的增加，井筒热损失变大，蒸汽干度逐渐下降，井间区域吸收的热量随之大幅减少，导致预热时间变长。文献［19］发明了一种用射频对井底低干度蒸汽二次加热，加速SAGD启动阶段的方法。通过沿水平井水平段布置一定数量的射频加热器，进一步加热蒸汽和井筒，提高井底蒸汽干度，使高干度的蒸汽到达水平段后端和地层更深处，实现加速并均匀预热的目的。应用此方法，还可以使SAGD井水平段更长，从而减少钻井和地面设施的数量，降低开发成本。

文献［20］发明了一种无需注蒸汽循环，直接利用微波或射频与注入地层中的极性物质发生作用而产生热量，来实现SAGD快速启动的方法。此方法由SAGD注采井同时向地层中注入与微波或射频具有较高耦合效率的无机卤化物离子，然后用适当频率的微波或射频与注入的离子和地层中原本存在的水、沥青质等极性物质相互作用，产生大量的热，降低稠油黏度，以快速建立井间连通。

与常规SAGD的蒸汽循环预热相比，电磁加热SAGD具有一定的优势，但实际操作过程存在较多难点：①需要根据SAGD井井深及地层性质优化出水平段布置加热器的位置及数量；②地层流体性质（含油饱和度、含水饱和度、沥青质等极性物质含量等）直接影响加热效率及穿透深度，而在启动阶段地层流体性质是在不断变化的，要实现加热效率和穿透深度的最大化，如何控制加热频率是难点；③电力消耗较大，使用成本高。

2.4应力扩容启动

早在1982年，岩石变形理论就已被提出来解释蒸汽注入过程中形成的微孔道现象［21］。文献［22］通过数值模拟研究发现SAGD过程储集层地质力学的变化非常重要。文献［23］的研究结果表明疏松砂岩储集层中孔隙压力和温度变化引起的储集层扩容变形会改变储集层的绝对渗透率、孔隙度和水相相对渗透率。一方面储集层受热膨胀，产生剪切应力，处于不同剪切平面的砂粒和基质产生滑动或错位，储集层发生剪胀扩容（图3a）；另一方面，由于孔隙压力的增加，部分砂粒间相互分离，形成微裂缝，储集层发生张性扩容（图3b）。这两种作用共同导致储集层渗透率和孔隙度永久性增加，注入能力得到提高，使蒸汽腔发育速度加快，有利于提高SAGD开发效果［24］。

图3　疏松油砂地质力学扩容现象（援引自文献［23］）

文献［25］应用试验和数值模拟方法研究了裂缝性油藏SAGD过程。分析认为垂直裂缝对SAGD有利，尤其在启动阶段，垂直裂缝可以增加产油速度，利于热量的传递，还可以有效地减小井间热连通时间，加快蒸汽腔扩张速度。

文献［26］研究了原始地应力、孔隙压力、注入蒸汽温度及压力等因素对SAGD启动阶段和生产阶段的影响。认为在SAGD生产阶段，重力泄油是其主要驱替机理，因此储集层的压缩性对最终的产量影响很小。但在SAGD启动阶段，蒸汽以一个较小的压差在注采井内同时循环，高温高压蒸汽的注入会导致岩石受热膨胀，孔隙压力也发生变化，此时地质力学的作用会影响启动阶段的原油产量，进而影响此阶段两井循环预热的效果。

基于以上认识，2010年加拿大BitCan公司开发了一种SAGD快速均匀启动技术（Fast and Uniform SAGD Start-up Enhancement）。通过向SAGD注采水平井内同时循环注入热流体（热水、蒸汽或溶剂等），并控制井底压力在最小地应力和地层破裂压力之间，以充分利用疏松砂岩特有的地质力学扩容机理，在井间形成一个相对均匀的垂向高渗透率和孔隙度的扩容带，提高吸汽能力，产生热对流，从而实现快速均匀建立井间水力、热力连通的目的［27］。目前国外正在对SAGD快速均匀启动技术进行现场试验与评价。

文献［28］通过现场试验，对比了加拿大Alberta油砂矿SAGD开发B01区块3对常规启动井组与2对快速均匀启动技术启动井组的效果。试验结果表明，注热水扩容启动和注蒸汽扩容启动的井组比常规启动井组启动时间分别缩短75%和52%，预热蒸汽耗量分别减少83%和68%，且试验井组转生产3个月后累计汽油比较常规井组分别减小28%和53%.

与国外油藏条件相比，新疆风城油田SAGD开发区油藏物性更差、非均质性更强。文献［29］在三轴试验和小型压裂测试的基础上，研究了SAGD快速均匀启动技术在风城油田的适用性。试验结果表明，风城油砂在低有效围压下具有一定的扩容性，且地层最小地应力分布于水平方向，易形成垂向扩容带，有利于SAGD快速均匀启动技术的顺利实施。随后在SAGD井组FHW302井上开展现场试验，研究发现通过注水扩容可以突破井间的泥岩夹层，实现快速建立井间连通的目的，施工结束转蒸汽循环25 d其水平段连通程度达到73%.FHW302井最终预热时间85 d，蒸汽耗量0.9×104t，较同区块同期开发的其他13对常规SAGD预热井组预热时间缩短46%，蒸汽耗量减少55%.目前SAGD快速均匀启动技术在风城油田已得到广泛推广应用。

应力扩容启动能大幅缩短启动时间，但要求油层必须具有扩容性，即油层砂粒胶结疏松，且油层的最小地应力应为水平方向，才能保证扩容效果。同时应力扩容启动不适用于与高渗流通道有连通的井，对于存在边底水的油层，扩容启动过程有连通边底水的风险。此外，对于不同油层物性条件（如渗透率、原油黏度、井间垂距和地应力状态等）的井组，扩容效果存在较大差异。

3　结语

上述4种双水平井SAGD快速启动技术，能在一定程度上改善SAGD启动阶段效果。其中溶剂可以通过乳化稀释加快井间稠油降黏速率；泡沫可利用其贾敏效应封堵井间优势通道，实现水平段蒸汽的均匀分布；电磁加热均匀性好，能量利用率高，可实现对特定位置的定点加热；应力扩容可以从根本上增大油层渗透率和孔隙度，减小井间非均质性对启动效果的影响。

与其他双水平井SAGD快速启动技术相比，应力扩容启动具有明显优势，建议在现有基础上继续开展相关研究工作提高其技术适应性。此外，不同SAGD快速启动技术联合使用也不失为进一步改善启动阶段效果的有效途径。如将溶剂降黏与电磁加热相结合，将溶剂降黏与应力扩容相结合等。

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（编辑杨新玲）

Advances of Fast Start-Up Technologies of SAGD Process for Dual Horizontal Wells

YANG Hong，HE Xiaodong，LI Chang，CHEN Sen，YOU Hongjuan
（Research Institute of Engineering Technology，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang 834000，China）

Focusing on the long circulating preheating time and large steam consumption of dual horizontal wells during the start-up phase by steam assisted gravity drainage（SAGD）process，this paper introduces the mechanisms of 4 fast start-up technologies of SAGD process for dual horizontal wells，which include solvent assisted start-up，foam assisted start-up，electromagnetic heating start-up and stress expanding start-up，and also analyzes each advantages and existing problems in their applications.It is suggested that the stress expanding startup technology has obvious advantages and further related researches should be made to improve its technical adaptability，and the combination of these fast start-up technologies will be an effective way for improving the effects of start-up phase.

dual horizontal well；SAGD；start-up phase；circulating preheating；fast start-up

TE345

A

1001-3873（2016）04-0489-05

10.7657/XJPG20160420

2016-03-03

2016-04-20

国家科技重大专项（2016ZX05031）

杨洪（1988-），男，重庆人，硕士，油气田开发，（Tel）15739719188（E-mail）yanghong892@126.com