舒 展，裴海華，張貴才，葛際江，蔣 平，曹 旭

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術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下泄油，流入注汽井下方的生產井［1-3］。目前SAGD技術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用［4-6］。然而隨著SAGD技術的應用，其不足之處也顯現出來。由于地層的非均質性導致汽竄的發(fā)生，降低蒸汽的波及系數；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，最終會導致成本上升，開采效果變差［7-10］。為了改善SAGD技術，近年來研究人員也提出了很多改進措施以及一些新型SAGD技術［11-16］，比如添加非凝析氣體、溶劑、泡沫等輔助SAGD技術。本文綜述了近年來改善SAGD開發(fā)稠油效果方法的研究進展，總結了各種方法的優(yōu)勢和存在的問題，最后提出相應的建議和應用前景。

1 氣體輔助SAGD技術

氣體輔助 SAGD（SAGP，Steam and Gas Push）技術即蒸汽輔助重力泄油過程中加入氣體驅動的開采方式［17-18］。該生產過程是在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理如下。

1.1 氮氣輔助SAGD技術

氮氣輔助SAGD技術近年來得到了廣泛關注，其作用機理主要包括：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。針對氮氣輔助SAGD技術的機理及可行性，國內外學者展開了研究。高永榮等［19］利用物理模擬及數值模擬方法研究了在SAGD過程中添加氮氣提高頂水超稠油油藏開發(fā)效果的生產機理［20-21］，優(yōu)選出了氮氣注入方式、氮氣與蒸汽比和氮氣總注入量。研究結果表明：（1）氮氣注入后主要分布在蒸汽腔的上部，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）氮氣的注入能有效降低原油黏度，增大超稠油的流動能力；（3）蒸汽腔中因為注入了氮氣在橫向上得到擴展，蒸汽所能波及到的體積增大；（4）在優(yōu)選的氮氣/蒸汽注入比、氮氣體積和蒸汽注入速度條件下，SAGD階段生產時間和最終采收率都得到了提高。

針對氮氣輔助SAGD技術的現場應用也開展了諸多實驗。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)技術的研究，對SAGP開發(fā)中的氮氣注入方式、氮氣/蒸汽注入比、段塞尺寸和注入位置等參數進行了優(yōu)化設計?，F場實施結果表明：SAGP技術有效解決了蒸汽熱損失嚴重的問題，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，取得較好的經濟效益。

氮氣輔助SAGD技術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，氮氣的注入可以降低原油黏度，提高原油開采速度，這項技術早已被推廣普及。

1.2 煙道氣輔助SAGD技術

原油開采過程中產生的煙道氣若直接排入大氣會造成嚴重的污染，因此對于煙道氣的處理一直是油田生產中所面臨的問題。研究人員提出了煙道氣輔助SAGD技術，在改善SAGD開發(fā)效果的同時充分利用好煙道氣也符合環(huán)保要求。煙道氣輔助SAGD技術的主要機理為：（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、黏度等物性參數，發(fā)現實驗溫度下煙道氣體積系數較小，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。此研究對今后的數值模擬技術提供了較為可靠的物性參數。針對遼河油田杜84塊館陶油層進行煙道氣輔助SAGD技術的模擬實驗結果表明，使用常規(guī)SAGD技術可使采收率由30.06%提高到38.06%［24］；而使用煙道氣輔助SAGD技術并進行參數優(yōu)化，注入量為75 m3/d，煙道氣/蒸汽注入比為1∶1，蒸汽腔的擴展范圍明顯擴大，最終采收率達到47.39%，延長了開采時間。在優(yōu)化的煙道氣輔助SAGD注入參數條件下，使用煙道氣輔助SAGD技術的累計采油量比常規(guī)SAGD技術增加了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，應大力推廣應用。

1.3 二氧化碳輔助SAGD技術

二氧化碳能改善SAGD的開發(fā)效果，主要機理如下：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技術的機理研究發(fā)現注入二氧化碳氣體可以提高蒸汽的熱利用效率，并且不會明顯降低采收率；注入的二氧化碳氣體可以在蒸汽之前進入瀝青質，給瀝青質帶來熱量和壓力降低瀝青質的黏度［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)現在進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氣體可以用于保持油藏壓力。在注入二氧化碳氣體3、4、5年后，油藏平均溫度分別降至106、137、160℃。如果不進行二氧化碳氣體混注，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氣體和蒸汽在蒸汽腔中分壓［29-30］。同時還發(fā)現在這個過程中注入二氧化碳比注入煙道氣和純氮氣所得采收率都高。

在該項技術中，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，同時降低溫室氣體的排放，滿足環(huán)保要求，應大力推廣。但是二氧化碳屬于酸性氣體，會對設備管線造成腐蝕，應提前做好防腐措施。

1.4 空氣輔助SAGD技術

隨著對SAGD技術研究的深入，研究人員發(fā)現在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，同時還能減少蒸汽損失。高永榮等［31］利用3D實驗儀對SAGD開發(fā)后的空氣注入進行動態(tài)模擬，發(fā)現燃燒現象從注入井開始沿著蒸汽腔向前推進。通過填砂管實驗結果分析了空氣輔助SAGD技術的機理：（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，燃燒產生的熱量有效降低了原油黏度，提高了其流動性進而提高采收率。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)時間，具有較強的可行性。Belgrave等［33］首先使用常規(guī)SAGD方法預熱油層，隨后注入空氣，發(fā)現注入空氣后體積波及系數增加，原油采收率提高。作者認為空氣在油層中經過高溫氧化會生成二氧化碳，再加上空氣中原有的氮氣，實際上反應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入蒸汽腔，可以有效驅替加熱的油。

空氣輔助SAGD技術中，空氣的注入可以使蒸汽腔中發(fā)生燃燒，彌補SAGD過程中的熱損失，同時產生的熱量能降低原油黏度，提高開采速度；其次空氣自身的氮氣組分以及燃燒后產生的二氧化碳使得空氣輔助SAGD技術同時起到氮氣和二氧化碳輔助SAGD技術的效果。但是空氣的注入會對管線設備造成較為嚴重的氧化腐蝕，應當做好防腐措施。

2 溶劑輔助SAGD技術

溶劑輔助 SAGD（ES-SAGD，Expanding Solvent-SAGD Process）技術是將蒸汽和溶劑混合注入SAGD的過程，蒸汽作為溶劑的載體，將溶劑攜帶進入地層，隨后溶劑會在蒸汽腔邊界發(fā)生凝析，從而降低原油黏度。ES-SAGD技術除了具有SAGP的改善油氣比、低能耗和低耗水（與SAGD相比）的優(yōu)點，還有一個突出優(yōu)點就是溶劑以液相或者氣相的形式與原油結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技術提高采收率的機理以及相較于常規(guī)SAGD技術的優(yōu)勢展開了研究。針對國內某超稠油藏，王連剛［34］通過二維試驗裝置進行了ES-SAGD試驗，研究了溶劑輔助SAGD技術對蒸汽腔的發(fā)育特征以及采收率的影響。實驗結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，提高蒸汽腔擴展的均勻性。因此，溶劑輔助SAGD技術相較于常規(guī)SAGD技術能顯著提高采收率并且降低能耗，具有很大的應用潛力。在2013年，Souraki等［35］針對Athabasca瀝青儲層性質進行了幾項模擬試驗，以比較SAGD與ES-SAGD的開采效果。利用阿薩巴斯卡和Cold Lake瀝青的實驗黏度數據進行研究，另外對注入溶劑的時間間隔和溶劑的濃度進行參數敏感性分析。結果表明兩種技術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行降黏實驗得到稠油的降黏規(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種實驗溶劑中，正戊烷的降黏效果最好。在優(yōu)化的ES-SAGD注入參數條件下，最終采收率達到74.91%，比常規(guī)SAGD的采收率提高了14%，說明ES-SAGD技術在稠油開采領域具有較高的可行性。不同類型的溶劑對ES-SAGD技術開采效果的影響不同。賈江濤等［37］研究了不同分子質量的輕質溶劑對ES-SAGD技術的影響機理。對C2H6和C9H20兩種輕質溶劑的研究結果表明：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，增強稠油的流動能力，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技術具有一定的經濟價值，并且對加快稠油開采具有重要的意義。除了這些室內實驗之外，針對ES-SAGD技術也展開了一些現場先導試驗。EnCana公司于2004年在Christina Lake地區(qū)進行了ES-SAGD現場試驗［38］。在加入溶劑后，汽油比從5降至1.6，日產油量從167 m3增至240 m3，產量提升超過40%［39］。

溶劑輔助SAGD技術提高采收率的關鍵是溶劑能降低原油黏度，提高洗油效率進而提高原油開采速度和采收率。可以考慮在氣體輔助SAGD過程中加入溶劑，兩者協(xié)同輔助SAGD技術，可大幅提高采收率。

3 泡沫輔助SAGD技術

將蒸汽和表面活性劑溶液一起注入后，在井間區(qū)域產生非常強的泡沫聚集，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）技術的蒸汽腔的形狀更像一個大碗。FA-SAGD技術機理如下：（1）產生的泡沫對大孔道進行封堵，可以控制蒸汽的汽竄現象，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)域存在很強的泡沫，可以增加蒸汽的流動阻力，從而延緩蒸汽的突破時間，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，對蒸汽進行流度控制并研究泡沫的生成、破滅和運移機理，嘗試讓大量穩(wěn)定的泡沫在井內生成并聚集。結果表明產生的泡沫蒸汽有效地抑制了汽竄現象，提高了蒸汽波及系數；相較于常規(guī)SAGD技術，FA-SAGD技術提高采收率近30%，有較高的經濟效益；參數敏感性分析表明這種方法有較強的可行性。任寶銘［41］通過二維可視化模型研究注入的氮氣泡沫的封堵機理，發(fā)現由于油水黏度差異較大以及地層的非均質性，注采井間易發(fā)生竄流，產生明顯的主流通道，注入的氮氣泡沫首先進入大孔道，在喉道處形成大量氣泡，泡沫沿竄流通道運移并聚集，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。鹿騰等［42］利用數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，對這兩種不同技術下的蒸汽腔擴展過程進行描述，并對比開發(fā)效果。相較于常規(guī)SAGD，FA-SAGD的蒸汽腔橫向擴展速度更快，縱向擴展速度較慢，在非均質儲層的SAGD開發(fā)過程中，蒸汽易沿高滲透層竄流，導致蒸汽腔在水平井筒方向擴展不均勻，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，蒸汽腔在地層內的擴展更加均勻，可以降低能耗，減少熱損失，提高采收率。

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

4 化學添加劑輔助SAGD技術

采用化學添加劑輔助SAGD技術是超稠油熱采技術的重要發(fā)展方向。在此項技術中，蒸汽作為載體攜帶化學添加劑進入油藏，使化學劑與地層流體和巖石發(fā)生相互作用，可以改變巖石與儲層流體之間的界面性質，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，抑制蒸汽超覆現象，減少熱損失從而提高經濟效益。

在油砂的開發(fā)過程中，由于其黏度較大，導致開采難度增加，僅僅通過SAGD技術也無法較好地采出油砂中的瀝青。Srivastava等［43］發(fā)現在蒸汽中加入化學添加劑，可以大幅提高瀝青的采收率。在實驗室中模擬利用SAGD技術熱采油砂的過程，將200℃、2000 kPa的蒸汽和1000 mg/L的化學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移這些乳狀液，使油砂中瀝青的采收率相較于無添加劑時提高13.5%，經濟效益提高。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)過程中同時加入泡沫和其他化學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)定擴展［45］，有效提高了蒸汽波及系數，減少了蒸汽超覆現象造成的熱損失。

在化學添加劑輔助SAGD技術中，化學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，提高洗油效率進而提高采收率。同時化學添加劑也適合與起泡劑或其他溶劑一同輔助SAGD技術。

5 結論與建議

針對SAGD存在較為嚴重的熱損失問題，以及在蒸汽冷凝后蒸汽腔壓力降低導致腔體坍塌的問題，可以選擇使用氣體輔助SAGD技術。氮氣、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，并且可以彌補蒸汽冷凝后腔體內壓力的缺失。同時，二氧化碳、煙道氣的注入也能滿足環(huán)保要求，應大力推廣應用。

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

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

不同的油藏地質條件與施工條件差異較大，應綜合考慮成本、地質特征和儲層分布等因素選擇不同的輔助SAGD技術使經濟效益最大化。