SAGD 快速启动技术现状及前景展望

2020-10-21赵睿孙新革徐斌罗池辉孟祥兵

石油钻采工艺 2020年4期

赵睿孙新革徐斌罗池辉孟祥兵

1. 中国石油新疆油田公司勘探开发研究院；2. Origin Geomechanics Inc.；3. 东北大学土木工程系

SAGD 是超稠油开采的一项重要技术，该技术最早起源于加拿大，其开发对象是海相、海陆过渡相沉积的油砂矿藏，储层物性普遍较好。国内以新疆油田、辽河油田为代表，开发对象是陆相沉积的超稠油油藏，储层非均质性强，SAGD 开发面临着严峻挑战［1-2］。新疆油田多采用经典的双水平井SAGD方式，如何高效实现注采井间的均匀连通是采用SAGD 开发此类油藏的一个关键问题［3］。近年来，国内外学者开展了大量研究，探索了注蒸汽循环预热、液体挤注、快速启动(扩容法)和溶剂浸泡等多种方法。室内研究和现场实践表明，液体挤注法适应性较差，只适用于原油黏度较低，具有初始流动能力的油藏；溶剂浸泡法时效性低，耗时长且成本较高。因此，注蒸汽循环预热和快速启动技术逐步成为主流的SAGD 启动方法［4-5］。

注蒸汽循环预热的主要机理是热传导，效率低、能耗大，还要对返出液做进一步运输和处理，导致生产成本高且环保问题严重。SAGD 快速启动技术是一项基于弱固结砂岩岩石力学扩容原理的油藏改造方法，通过利用弱固结砂岩的扩容原理，在SAGD注汽井和生产井中实施水力扩容，形成沿水平井均匀分布、连接两井的体积扩容区，实现两井水平段的快速均匀连通(连通率一般可达90%以上)，可大幅缩短预热启动周期近50%，降低蒸汽能耗近50%，提高初期采油速度5%～10%。目前国内外已成功应用该技术扩容启动SAGD 井140 多对，形成相应的配套技术并在实践中持续改进和完善。通过对扩容流体的优化和扩容方式的改进，有望进一步扩大应用范围和增强SAGD 开发效果。目前该技术衍生出溶剂辅助扩容、边井辅助扩容、分段差异化扩容、脉冲式强化扩容等新技术，展现出广阔的应用前景。

1 SAGD 快速启动技术机理

1.1 油砂扩容机理

SAGD 快速启动技术机理是弱固结油砂储层的地质力学扩容现象。扩容是指孔隙介质岩体在所受总应力仍是压应力的状态下，受剪应力或孔隙流体压力增加的作用，其总体积增大的岩石变形现象。扩容行为微观上可被视为岩石颗粒的旋转、滚动和重新排列。

油砂扩容现象经过大量室内实验和现场验证。刘维国等人［6］通过对三轴实验中岩石体积应变与横波速度的分析，论证了抗压强度前岩石一定存在扩容现象。Wong 等人［7］通过油砂岩心的低围压三轴实验，研究了加拿大阿萨巴斯卡和冷湖油砂的地质力学特征，体积扩容率达到7%，电镜扫描分析显示岩心孔隙度明显增加。Gao 等人［8］针对风城油田油砂开展了三轴实验，实验岩心在0.5 MPa 低有效围压下出现了明显的剪切带(图1)。Beattie 等人［9］的监测数据表明，冷湖油砂储层在蒸汽吞吐注入期间地面隆起高度达到45 cm，且地层在施工后的吸水能力远大于基于原始储层物性的预测值。上述现象主要是由于在储层中形成的复杂剪裂缝网以及由此形成的扩容区导致的。通过油砂扩容区内岩心取样的实验室数据［10］和蒸汽吞吐井的重复井底成像数据［11］均可以观察到由微张性裂缝和微剪裂缝形成的复杂缝网。

图1 油砂试样在三轴试验前后微观结构的改变及剪切带［8］Fig. 1 Microstructural change and shearing zone of oil sand sample before and after the triaxial test［8］

根据已有的实验室和现场数据总结及数值仿真结果［12-13］，油砂中的扩容是剪切破坏和张性微裂缝相结合的现象。当发生剪切扩容作用时，岩石颗粒的原始结构因受到颗粒滑移和滚动的扰动而发生变化，但颗粒间仍然相互接触；而在张性破裂阶段，颗粒之间相互分离。油砂储层的扩容在井周产生一个大体积、高孔隙度和高渗透率的扩容区，该扩容区可以理解为一个包含无数微观张剪裂缝网的高渗区域。

1.2 油砂扩容的增产增注机理

Shafiei 等人［14］对砂岩稠油油藏热采过程中的地质力学作用做了总结，热采过程中伴随着压力、温度变化，储层的压缩系数、扩散系数、孔隙度、有效渗透率等关键参数均会变化，这些变化对于稠油油藏热采效果会产生显著影响。利用岩石力学扩容为稠油井增注增产的机理得

式中，m为流体在孔隙介质中的流度，μm2/(Pa · s)；ka为岩石的绝对渗透率，10−3μm2；krw和kro分别为水和油的相对渗透率；γw和γo分别为水和油的单位容重，N/m3；μw和μo分别为水和油的黏度，mPa · s。

由于稠油的原位黏度很高(μo＞μw)，因此式(1)右边的第二项可以忽略不计。水力扩容实质上增加了岩石的孔隙度和绝对渗透率(ka)。在利用冷水或热水进行油砂储层扩容的情况下，新增加的孔隙空间完全被注入的水填满，这增加了水的相对渗透率(krw)。以上现象均增加了水在油砂中的流度，从而增加了高温蒸汽在稠油储层中的流动性和注入能力。利用热-固-流耦合的有限元方法，Xu 等人［15］提出了针对弱固结油砂压裂和扩容现象的有限元模型和材料模型，并成功应用于SAGD 快速启动的现场施工设计。

1.3 扩容与水力压裂的区别

岩石的扩容从定义和形成机理上均区别于水力压裂(表1)。从定义上说，岩石的扩容是砂岩颗粒间的相互错动及分离而形成的孔隙度的增加，水力压裂则是流体压力克服岩石地应力的抗张强度后在地层中形成宏观张裂缝。压裂区域的渗透率随着孔隙度相对较小的增加而呈数量级的增加，而扩容则是渗透率和孔隙度增加程度相似，一般不到扩容前的50%［16］。在几何形态上，扩容区为大体积的孔隙度增加区域，而水力压裂通常为线性的张裂缝。在施工工艺上，区别于水力压裂，扩容区形成后无需加入支撑剂，砂岩颗粒的自支撑效应(或拱形效应)就能够维持扩容区的孔隙度和渗透性［17］。SAGD 快速启动目标是沿水平井段形成最大化的均匀扩容区，同时避免产生单一的宏观裂缝。

表1 扩容和水力压裂的区别Table 1 Difference between dilation and hydraulic fracturing

2 矿场实践与认识

2.1 技术发展历程

SAGD 快速启动技术于10 多年前诞生于加拿大。帝国石油公司在SAGD 油砂开采过程中偶然的高压操作下，发现压力对产量起到关键作用。随后，Xu［18］对弱固结砂岩的扩容现象进行了系统研究，2014 年该技术成为专利［6］，并开启了商业化运行。众多石油公司开展了室内设计和现场试验，其中Cenovus 公司的Christina Lake 项目试验取得了巨大成功。现场试验了2 对井，相比其他未实施快速启动的井组，快速预热井不仅转入SAGD 生产更快，初期产量及注入能力也较好，此后相继在Christina Lake 和Foster Creek SAGD 项目上推广使用60 对井，并将快速启动技术与溶剂辅助相结合，寻求更好的启动效果。此外，其他石油公司也相继开展了1～2 井组的小型试验，希望在SAGD 启动阶段实现快速均匀连通和对差物性段及近井地带夹层的改造。目前国外该技术仍处于小规模应用阶段。

SAGD 快速启动技术于国内2012 年开始引入新疆油田，目前已成功实现工业化应用。主要经历了4个阶段：(1)初步探索阶段。针对超稠油Ⅱ类油藏(渗透率＞1 μm2, 50 ℃原油黏度20 000～50 000 mPa · s)，优选风城重1 井区，通过室内岩石力学实验，现场原位地应力测试及数值仿真计算等地质力学研究，从理论上论证了技术可行性。(2)先导试验阶段。在重1 井区开展1 井组试验，水平井段连通率达到100%，顺利转入SAGD 生产。与同区块13 口常规循环预热井组相比，试验井组循环时间缩短了46%，蒸汽用量节约了53%，验证了快速启动技术的可行性。(3)扩大试验阶段。针对超稠油Ⅲ类油藏(渗透率＜1 μm2, 50 ℃原油黏度＞50 000 mPa · s)，优选风城重18 井区开展7 井组试验，6 井组取得成功。标志着SAGD 快速启动技术已具备成熟推广条件。(4)工业化配套与推广应用阶段。2015 年以来，大力推广应用SAGD 快速启动技术。风城油田超过70 对水平井组成功应用了快速启动技术，标志着快速启动技术走向成熟。

2.2 施工工艺

2.2.1 地质工程设计

经过10 余年的室内研究和现场试验，SAGD 快速启动已形成了“基于地质目标描述—风险识别—参数设计—效果预测”的地质工程一体化设计方法。地质目标描述包括孔隙度、渗透率、饱和度等储层物性参数；岩性、孔隙结构、泥质含量等骨架参数；储层岩石力学参数和原位地应力数据。此外还有井眼轨迹变化以及是否存在微裂缝、底水等。这些数据可用于风险评估、数值模拟，优化扩容操作参数并预测生产效果。

(1)地质力学-热采耦合模拟。岩石变形采用非线性超弹性本构模型，热采数值模拟与岩石力学模型之间的耦合参数通常为孔隙度和渗透率。孔隙度为温度、压力及岩石总应变的函数，渗透率则为体积应变的函数，通过这2 项参数耦合岩石力学模型与热采数值模型，可进行快速启动参数的优化设计［19］。油砂在地层条件下原油黏度极高，地层温度下呈固态，水的有效渗透率很低。采用有限元法模拟时，考虑储层扩容过程与注蒸汽循环的渗流差异，在权衡成本和数据精度的前提下，建议采用水的有效渗透率，以获得更合理的模拟结果［20］。原位地应力数据可通过小型压裂法(试注法)、大极距偶极横波测井以及岩心应变测量等多种方法获取。现场一般采用小型压裂法直接进行应力测量，在需要建立全区应力模型的情况下，可用实测数据进一步标定偶级横波测井及岩心数据后插值计算。

(2)完井和地面设备。包括完井结构和温压测试设备，地面注采工艺等。目前SAGD 一般采用同心双管、平行双管完井结构，注汽井和生产井均能实现同时注排的循环功能。生产井水平段一般布置等距的热电偶测温(测点间隔40～50 m)或全井段光纤测温，井口布置有专门的流量计量设备，可为连通判断提供必要数据。考虑SAGD 井场管网密布，空间受限因素，目前SAGD 快速启动地面注采工艺已基本实现撬装化、模块化，便于低成本高效利用。此外，注入流体首选热污水(20～80 ℃)，在油藏具有较高的可注入性情况下，也可采用较高黏度的流体，如聚合物水溶液，以减少流体损失。

2.2.2 施工流程

如图2 所示，现场施工包括预热洗井、应力调整、开始扩容、扩容带扩展、连通判断5 个阶段。(1)预热洗井。通过蒸汽和低压热水循环，预热井筒和解除水平段筛管上的原油污染。(2)应力调整。注汽井和生产井的注水压力逐渐升高至原位最小主应力，该阶段为扩容预处理阶段，目的是通过孔隙介质弹性力学及热弹性力学机制调整井周应力、孔压状态以及井周地层的含水饱和度，以便在垂直方向形成大体积的扩容区。该阶段主要依赖于流体压力前缘的扩散，扩散速度越快，则具备扩容条件的时间越短。因此可采用任何能够提高储层渗透率和降低原油黏度的方式来提高流体流度，加快调整，如注入蒸汽、热水、化学降黏剂辅助等［21］。在预处理阶段，现场通过频繁的压降和瞬态压力分析来监测预处理区域的大小及渗透率，对于流量及压力等数据，则可通过地质力学历史拟合实时优化。当计算注汽井和生产井形成的预处理区域相交时，具备扩容条件。(3)开始扩容。逐步增加井口注水量，通过排量控制，进行扩容作业。当两井中的压力互相响应时，标志着两井之间已形成扩容区。(4)扩容带扩展。进行大排量注水，扩展扩容区，以形成在垂直方向从注汽井到生产井、水平方向均匀扩展的扩容区。(5)连通判断。通过温压关联情况及生产井温度分布判断水力连通程度。通过扩容，井周及井间形成剪切扩容带和相互独立的张性微裂缝区域，大幅提高蒸汽注入能力和热扩散面积。

2.2.3 施工过程控制与监测

图2 SAGD 快速启动施工阶段划分及压力变化Fig. 2 Stage division and pressure change of SAGD quick start construction

SAGD 开发油藏多为浅层，操作压力控制一直备受关注。SAGD 快速启动技术作为一种高压储层改造工艺，对于盖层完整性具有一定风险，面对如具有顶水、底水或裂缝性复杂油藏时，还存在局部沟通优势层位的风险，都可能导致施工失败。加拿大Cenovus 能源公司最早在Christina Lake SAGD 项目上的先导试验，就由于预处理时间过短，过早进行大排量扩容，导致井间形成张性裂缝并沟通底水层，转生产效果较差，后经工艺改进取得成功。

为保障成功实施，施工前和施工过程应对所有风险点及井节点数据进行连续监测分析，如井口流量、井下压力、温度等数据，及时标定和校正地质力学模型，优化操作参数，动态调整。对于盖层和底水层，可采用微地震、观察井的方式获取数据进行监测［22］。SAGD 快速启动施工过程的精细控制要求较高，需要实时分析流体注入量、返排速度、压力及渗流场的变化，各个阶段环环相扣，处理不得当都会影响扩容效果。尤其是在储层非均质性较强、黏度更高的目的层，实现全井段均匀连通面临更多挑战。为降低实施风险，OGI 公司研发了一套实时计算预处理区体积大小和有效渗透率的软件(FUSS Field Pressure Analysis)。该软件基于流体压力瞬态分析，通过预处理过程中的压降曲线，实时计算和反演预处理区的大小和渗透率，以便确定对预处理区进行高排量注水扩容的准确时机，实现了现场施工参数的实时跟踪拟合与施工过程可视化，大大降低了施工风险。

2.3 影响因素及主要挑战

2.3.1 储层物性及非均质性

较差的储层物性对扩容启动仍具有较大挑战。Du 等人［23］通过数值模拟研究了砂质泥岩在注蒸汽过程中的地质力学响应，发现当注汽井之上2 m处存在1 m 厚的砂质泥岩夹层时，蒸汽就很难进入，形成应力遮挡。相比加拿大Athabasca 海相沉积油砂储层，新疆风城油田的稠油储层物性较差，非均质性严重，表现为低孔隙度，低渗透率以及广泛分布的泥/页岩夹层［24］。较差的储层物性不仅导致蒸汽循环预热时间长(超过10 个月)、蒸汽用量大(单井组大于37 600 m3)，还会导致转生产后较差的水平段动用率等问题。在高排量向地层注入流体的条件下，易造成地层提前扩容，沿水平井组形成局部张性水力裂缝。在蒸汽流动压力梯度极小的条件下，这些线性裂缝可能会直接导致SAGD 井组水平段局部汽窜。

非均质储层条件下，沿水平段存在选择性扩容现象。耦合地质力学参数及地应力条件下的数值模拟研究结果表明［25］：渗透率非均质性(级差)、岩性两项主要因素变化可导致SAGD 快速启动过程中出现选择性扩容现象。不同岩性储层的地质力学特性不同，扩容效果亦不相同。扩容过程中，当沿水平段储层渗透率非均质性较强时，高渗透率段孔隙度、渗透率增加范围更大，井间更容易建立连通，而低渗透段储层物性难以改善或改善较少［26］。当SAGD 井对间或注汽水平井上方附近岩性变化时(出现差物性带或夹层遮挡)，快速启动效果必然会受到影响。这种选择性扩容特性容易形成“好储层越好、差储层仍然差”的现象(图3)，影响生产阶段水平井段动用程度并增加汽窜风险。这对SAGD 快速启动技术的适应性提出了挑战。

图3 储层非均质性对扩容带形成的影响［26］Fig. 3 Influence of reservoir heterogeneity on the formation of dilation zone［26］

2.3.2 地质力学参数及原位地应力条件

储层地质力学参数和原位地应力是影响快速启动效果的关键参数，在水力扩容过程中对流体注入能力及扩容带延展具有决定性作用［27］。这些参数可通过室内实验、现场测试或岩石物理参数计算获得［28］，其影响主要表现为2 个方面：岩石扩容性能以及储层地应力各向异性影响扩容区的产生和扩展；岩石强度和储层地应力大小影响扩容压力、排量以及扩容预处理时间和注液量。

国内外学者针对油砂地质力学参数及原位地应力条件已开展了大量研究。国外主要集中于加拿大阿尔伯达地区的SAGD 油砂开发区，国内主要是新疆风城超稠油油藏。Settari 等人［29］通过拟合实验室数据和数值模拟，指出实验室测量应该在低应力下进行，并遵从油田现场预期的应力路径。油砂在低有效应力下的摩擦属性控制了扩容区域大小，进而影响注入能力。加拿大阿尔伯达油砂具有冰川作用形成的互锁结构［30-31］，具有较大的摩擦强度，一旦剪切滑动将表现出优越的扩容性能。Gao 等人［8］从扫描电镜、三轴压缩实验、现场测试多个尺度分析了新疆风城油砂扩容与渗透率变化之间的关系，并综合评价了扩容性能及潜力，认为新疆风城油砂具有较大的扩容潜力，但如何在油田现场充分发挥这一潜力仍需深入研究。此外，Fan 等人［32］和Yuan 等人［33］对风城油田重18 井区、重1 井区进行了岩石力学三轴测试和小型压裂地应力测试。结果显示，不同区块超稠油储层岩石力学性质(强度和扩容能力)和原位地应力梯度均不同。多次小型压裂地应力测试表明，即使是同一区块，原位地应力的大小也存在较大差异。因此，在没有对某一开发区地质力学性质进行系统研究的前提下，不宜将其它开发区的地质力学性质盲目借用于新的开发区。在快速启动施工前，必须准确测量目的层的岩石力学强度，扩容性能以及地应力的大小和各向异性，并通过流-固-热耦合的数值模拟来设计施工参数。盲目施工将导致过早扩容，形成井间张性裂缝，导致蒸汽循环阶段发生汽窜。

2.3.3 面临的主要挑战

从油藏条件和技术适应性出发，快速启动技术仍面临着一系列挑战性问题待攻关解决：如何进一步减少蒸汽预热时间从而降低蒸汽用量；如何进一步增强储层物性从而提高初期采油速度；如何克服选择性扩容特性，进一步提高水平段动用率；如何在不破坏盖层的前提下快速动用注汽井上方的储层。要解决以上问题，实践中必须以储层地质精细描述为基础，深入认识储层非均质性，系统测取储层及盖层地质力学关键参数，在制定科学方案的基础上实施扩容。以节能、降本、增效为原则，突破常规思维，通过扩容注剂的优化和扩容方式的创新，加快推动SAGD 快速启动技术的升级换代。

3 技术发展方向与展望

近年来，SAGD 快速启动技术在实践中持续改进和完善。技术适应性和改造效果不断提高，总体呈现出多元化发展趋势。

(1)溶剂辅助扩容。以达到最佳扩容性能为目的，通过化学注剂的添加，实现进一步降黏，促进流体流动。如挤注降黏剂、表活剂或催化剂等溶剂段塞等，可在已形成的扩容带基础上更加均匀地促进扩展。目前新疆油田已开展了现场试验，在扩容启动过程中注入降黏催化剂(激活温度约为100 ℃，最大降黏比55%)，取得了显著效果，应用超过10 对井。

(2)边井辅助扩容。针对水平段动用不均和动用差的问题，优选水平段适当位置钻直井或直接利用观察井，射孔后与SAGD 水平井开展组合扩容，从而改善差物性段连通，提高水平段动用程度。该方式通过扩容快速建立直井和水平井组的连通。相比常规吞吐促进连通的方法，增强了渗流通道，提高了驱泄复合效率。目前数值模拟研究已展现出良好的应用前景。

(3)分段差异化扩容。针对水平段储层非均质性的影响，对原有的快速启动施工过程进行改进，在充分认识储层地质剖面的情况下，通过高温暂堵的方式，对水平井进行分段扩容。考虑水平段物性及地质力学特性的差异，分段设计扩容压力及流量控制，实现更均匀连通。该技术已试验1 井次，目前处于跟踪评价阶段，一旦突破，将大幅提升快速预热技术在强非均质超稠油油藏中的应用界限。

(4)脉冲式强化扩容。近年来，鱼骨井SAGD 成为一个发展趋势。针对鱼骨注汽水平井SAGD［34］，为强化鱼骨分支对夹层的改造作用并有效促进分支蒸汽腔的发育，提出脉冲式强化扩容方法。通过压力脉冲式的强化扩容操作，大幅改善分支区域的渗流能力，充分发挥鱼骨注汽井分支的重力泄油作用。目前该技术已开展室内物理模拟实验，有望成为针对差储层超稠油油藏的主导技术。

随着SAGD 开发的深入，快速启动技术的目标不仅局限于促进两井之间连通，开始针对井上方更大范围的储层进行强化改造，显示出多学科融合、多技术综合的发展趋势，未来具有较大的发展潜力。