蒸汽輔助重力泄油開發過程及機理研究綜述

余 洋， 劉尚奇， 劉 洋

(中國石油勘探開發研究院， 北京 100083)

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

縱觀關于SAGD技術已發表的文獻，以數值模擬相關的研究論文為主，其次為關于變種開采技術的研究論文，而關于SAGD理論方面的論文較少[4]。盡管SAGD技術的概念看起來很簡單，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，多數論文假設蒸汽腔前緣的傳熱僅依賴熱傳導，并假設蒸汽腔邊緣的流體泄流為單相流等。如果對SAGD技術的機理未能有充分的理解，將限制對SAGD技術的應用與優化，更遑論SAGD變種開采技術的理論發展了。

實際上，SAGD是一個多物理過程，涉及同時傳熱傳質，具有顯著的熱、地質力學和界面效應等。為此，總結涉及SAGD機理的相關研究，并從SAGD的開發過程描述出發進行論述，以期相關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，在實際應用中將一對水平井對上下平行部署在接近儲層底部的位置，上部水平井為蒸汽注入井，下部井為生產井，兩井間縱向距離通常為5～7 m。應用時利用上部的注入井將蒸汽連續注入地層，蒸汽在地層中逐步擴展形成蒸汽腔，蒸汽腔在擴展的過程中與地層中的原油發生熱交換，被加熱的原油與蒸汽冷凝水在重力的作用下泄流到生產井中被采出[6-7]。

由SAGD模式的描述可看出，蒸汽腔的擴展對于產油來說是必備的，蒸汽腔是SAGD開發過程中所蘊含機理的一種物理表現形式，起著至關重要的作用，應被用來描述SAGD的開發過程。

2 SAGD開發過程

學者們通過解析模型分析[1]、數值模擬研究[8-10]、室內實驗[11-13]、現場試驗觀察[7,14-15]等手段逐步對蒸汽輔助重力泄油的開發過程有了清晰的認識。根據蒸汽腔的主要擴展方式，可將SAGD的開發過程分為以下4個階段：①注蒸汽循環預熱階段(即SAGD啟動階段)；②蒸汽腔縱向擴展階段；③蒸汽腔橫向擴展階段；④蒸汽腔下降階段。后3個階段又可統稱為SAGD生產階段。

(1)注蒸汽循環預熱階段：在SAGD井對投入生產前，必須通過注汽井和生產井間的蒸汽循環充分加熱地層。注蒸汽循環預熱的目的是加熱鄰近水平井井筒的區域，在兩井間建立連通的流動通道[16]。

(2)蒸汽腔縱向擴展階段：隨著SAGD井對投入生產，蒸汽腔以一個相對不規律的方式快速向上擴展，直至蒸汽腔上升到油藏頂部。向上移動的蒸汽界面趨向于數個蒸汽指的形狀，原油在它們間以一個無規律的方式流動[6]，在主要的上升階段蒸汽腔的側向并沒有顯示出顯著的寬度擴展[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]，原油產量不斷上升。

(3)蒸汽腔橫向擴展階段：一旦當蒸汽腔擴展到油藏頂部，由于蒸汽超覆的作用蒸汽腔從油藏上部開始向兩側橫向擴展[11]。蒸汽與蒸汽腔外的原油發生熱交換，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井。在蒸汽腔邊緣冷凝水驅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一樣，呈現出一個統一的前緣[18]。在該階段，蒸汽腔已擴展到油藏頂部，熱損失增大，原油產量較為平穩[19]，斜面泄油為唯一的泄油方式[17]。

(4)蒸汽腔下降階段：當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展，最終與相鄰井對的蒸汽腔聚并、融合[20]。在該階段，產量不斷下降，油汽比不斷降低[7]。

3 SAGD開發機理

SAGD的基本原理是以蒸汽作為加熱介質，通過流體熱傳導和熱對流作用的結合，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泄油是它最主要的兩項開發機理，當然在開發過程中也存在其余起作用的因素。

3.1 蒸汽降黏

SAGD技術通常被應用在超稠油、瀝青砂油藏的開發過程中。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，這時就需要一種開發機理：降低其黏度使其達到可輕松流向生產井的程度[22]。

在SAGD過程中，通過向地層中連續注入高干度蒸汽來降低原油黏度，這是SAGD技術能夠得以有效實施的基礎，貫穿SAGD開發的全過程。當高干度蒸汽被注入地層后，熱量可通過傳導、對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，在加熱至蒸汽溫度后其黏度往往能降低數個數量級，如圖1[23]所示。

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

控制SAGD項目生產能力的一個關鍵因素就是在蒸汽腔前緣處油藏的加熱范圍，即蒸汽降黏機理能夠作用的范圍，這與地層中的傳熱機理息息相關。通常情況下，傳熱的方式有3種，即熱傳導、熱對流與熱輻射。根據學者們的研究，在SAGD注蒸汽循環預熱階段，主要存在2種傳熱機理[24-25]：在蒸汽腔形成之前，熱傳導起主要作用；在蒸汽腔形成之后，蒸汽腔前緣外熱傳導仍起主要作用(因為該區域內的大部分液體沒有被加熱到足以流動的程度)，但在蒸汽腔內，熱對流的作用開始超越熱傳導的作用。SAGD蒸汽腔縱向擴展階段的傳熱機理與注蒸汽循環預熱階段類似，在上升的蒸汽腔之上熱傳導起主要作用，而蒸汽腔內熱傳導與熱對流這兩種傳熱方式同時存在[26-27]。

隨著開發過程的不斷進行，蒸汽沿著蒸汽腔的邊緣流動并凝結成冷凝水。在后續的蒸汽腔擴展階段，對于蒸汽腔邊緣(汽油界面)前的傳熱，即冷凝水向蒸汽腔外冷油層的傳熱，在早期的研究中學者們只考慮了熱傳導作用[1,28-30]。實際上，在該過程中熱傳導與熱對流的作用同時存在。熱傳導是一種在物質內部通過分子擾動而產生的傳熱過程，物質是一個整體而沒有任何運動，蒸汽腔邊緣存在熱傳導現象是因為邊緣處原油和砂粒的溫度比遠離邊緣處的原油和砂粒要高；熱對流是通過流體的宏觀運動，將熱量從一個地方傳遞到另外一個地方的傳熱方式，由于蒸汽腔邊緣處壓力梯度的存在，當蒸汽冷凝水發生移動時，熱對流就產生了。學者們通過解析模型分析、物模實驗觀察和數值模擬研究等手段分析了該過程中熱傳導和熱對流作用的相對貢獻大小(表1)，但結論存在一定爭議。

在SAGD過程中，由于原油是在蒸汽腔周圍流動，被加熱的原油在流向生產井的過程中，仍然保持著熱量，也就是說蒸汽降黏機理持續在起作用，這是SAGD技術區別于常規蒸汽驅技術的一項重大優勢[38]。

3.2 重力泄油

油藏中的天然驅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、重力勢能。其中，依靠原油自身的重力勢能將其驅向井底的驅油方式即為重力泄油。重力泄油是油藏開發時非常有效的機理之一，這種機理出現在油藏內部，是由于油藏流體間的密度差異引起的。

表1 不同作者對于傳熱觀點的研究結論

在油藏的混合作用中，由于重力與浮力的驅使，油藏內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，在油柱內部也同樣呈現出自上而下原油密度逐漸增加的分異分布現象，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，油氣間所產生的重力分異作用將遠遠大于油水間的重力分異作用。稠油和氣體間的重力差對加熱后原油的重力泄油作用來說是非常有利的，此時的重力差相當于原油開采的一種驅動力，若不考慮氣體在油、水中的溶解，該值可以利用如下公式簡單計算[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中出現了負值是由于蒸汽在低溫下轉化成了水，油水間重力差的不同促使原油向上運移；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開發過程中(高溫、低壓)，稠油與氣體間的重力差是非常可觀的。當油藏壓力為5 MPa時，在 300 ℃下注入蒸汽，此時的重力差接近0.2 MPa，對泄油的貢獻很大。同時，若考慮其余非凝析氣體(如N2、CO2)輔助SAGD的技術，也能很好地利用重力泄油的機理。

重力泄油作用貫穿SAGD開發階段的全過程。在蒸汽腔上升階段，由于重力分異的作用，蒸汽將向上運動，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生產井中，隨著原油的泄流和采出，蒸汽腔不斷擴展；在后續開發階段，蒸汽腔擴展到油藏頂部，此時連續注入的蒸汽繼續沿上覆巖層下面的四周擴散，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生產井中[14]。

在SAGD過程中，由密度差引起的重力差必須要保持相對于壓力差(ΔP)的優勢地位，這樣在垂向上非混相間的重力分異作用才能在產生流量方面占據支配地位，藉此消除ΔP引起的不穩定性[23]，如黏性指進與竄流等現象，這是SAGD技術非常重要的一項優勢。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，一些學者認為注采壓差對SAGD開采也起著不可忽略的作用，即在SAGD開發過程中壓差驅油的機理也起到重要作用[41]。

3.3 地質力學效應

在SAGD開發過程中，流體流動行為是與油藏的地質力學行為相耦合的，因為連續的蒸汽注入改變了油藏的孔隙壓力和溫度，這將會改變原地有效應力，導致孔隙度和滲透率的動態變化。

Agar[42]通過實驗室試驗得出了在升高的溫度下油砂的有效滲透率增加的結論，此外，由于熱膨脹導致的有效應力變化使得體積應變很大。Settari[43]研究了疏松多孔介質中熱流和土壤力學的物理特征并建立了模型，研究結果表明伴隨著體積應變的擴容是非常重要的特征，將導致孔隙度和滲透率的增加。Chalaturnyk[44]通過實驗和數值分析評估了UTF SAGD礦場試驗過程中的地質力學影響。他建立了絕對滲透率和體積應變間的經驗關系，表明由于體積應變的變化，絕對滲透率增加了約30%，同時總結了應力-應變行為(剪切擴容、孔隙度、滲透率和有效封閉應力的變化)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過程中耦合地質力學模型研究了帶有頂水層的油藏案例，他將地層中地質力學的變化分為3個階段。第1次卸載過程：由于注入蒸汽使得平均有效應力減少，發生擴容，此時SAGD過程中的應力跡線是孔隙壓力和熱效應混合作用的結果。由于蒸汽的注入孔隙壓力增加，降低了平均有效應力；同時，熱膨脹導致應力差和平均應力的增加。應力跡線向破壞包絡線移動，隨著蒸汽腔上升垂向位移開始增加。體積應變從初始位置向反方向移動，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頂水層。

再加載過程：當蒸汽接近頂水層時，注入壓力由初始的2 000 kPa下降到1 000 kPa，模擬結果顯示重大的壓力降將導致頂水泄流到蒸汽腔。此外，增加的產水量導致油藏壓力進一步降低到850 kPa。結果是，有效應力增加，地層中產生重壓實作用并能觀察到陷落現象，與之前的卸載過程相比體積應變的方向相反。應力跡線向增加有效應力的方向移動，偏離破壞包絡線，在這期間內孔隙度和滲透率都減小。

第2次卸載過程：當蒸汽腔接近油藏的頂部，第二次卸載期出現。此時擴容重新開始，并主要發生在油藏中部(蒸汽突破發生的地方)，推走頂水和氣體。最終，當蒸汽腔到達油藏頂部并向側向擴展時，油藏壓力穩定在950 kPa，垂直有效應力保持為一個常數，而由于熱膨脹作用水平應力增加。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。模擬結果顯示在注入壓力1 000 kPa 下，孔隙度和滲透率沒有進一步增加了。

總的來說，地質力學效應對SAGD的開發產生了積極的作用，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，油藏本身的彈性能量是除了重力驅動外的另一種驅油動力，在高溫蒸汽的作用下，地質力學效應使得這部分能量得到了更有效的利用。在具體開發指標方面，原油產量增加，汽油比降低，這意味著蒸汽腔在更短的時間內占據了油藏中更大的范圍。

值得注意的是，耦合模型中地質力學屬性的動態變化不僅和蒸汽注入以及熱膨脹有關，也和地層中存在的賊層有關。

3.4 熱效應

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時，原油中的輕質組分就將分離為氣相，而重質組分仍保持為液相。隨著蒸餾溫度的增加，餾出的輕質組分增多[47]。蒸汽存在的情況下，蒸汽和稠油處于同一系統，此時蒸汽與原油發生蒸汽蒸餾作用。蒸汽能大大降低稠油輕質組分的分壓，使原油中的餾分在遠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組分的餾出量遠高于沒有蒸汽注入的油藏[48-49]。

在蒸汽腔上升及擴展階段，蒸汽在與油層及油層中的原油進行熱交換的同時也和原油中的輕質組分發生蒸汽蒸餾作用。當蒸汽腔的區域進一步擴大，蒸汽腔內部的多孔介質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，注入的高溫蒸汽會與這些殘余油繼續發生蒸汽蒸餾作用。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通過多孔介質到達蒸汽腔邊緣，這些輕質組分可產生以下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生熱交換，放熱導致溫度降低，繼而冷凝形成輕質油。由于重力的作用，這些輕質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井，在這個過程中這些輕質油會像化學驅過程中的化學劑一樣和流經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作用。高溫氣相餾出組分在蒸汽腔邊緣與被加熱的原油發生混合，溶解于這部分原油中，在原油內部繼續擴散，從而改變了原油的組成，起到了原位改質的效果。

3.4.2 熱裂解作用

所謂稠油的熱裂解，是指當溫度升高到一定程度時，稠油中的重質組分將裂解成焦炭和輕質組分(甲烷、乙烷、丙烷等氣體及輕質油)，熱裂解生成的輕質組分可改善驅油效果[47]。對于大多數SAGD項目來說，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/瀝青會產生熱裂解作用[50]，這將提高地下原油品位，改善驅油效果。值得注意的是，該作用所產生的伴生氣可能給SAGD項目帶來負面影響[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生不可忽視的驅油作用。其中原油的熱膨脹系數最大，通常情況下，它相當于水的3倍多，巖石的10倍多。當溫度增加200 ℃時，原油體積將增加20%，由此可看出稠油的熱膨脹特性在SAGD開發中的作用[47]。

3.5 蒸汽腔的聚并融合作用

通常情況下，實施SAGD項目的平臺中不止一組井對。相對更大平臺(5組井對或更多)通常情況下效率更高，是因為它能夠利用不同井對間蒸汽腔的聚并融合作用，采出在井對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果：一是熱源的疊加使得井對間原油熱的更快，二是成熟平臺中蒸汽腔聚并的地方驅泄原油到生產井的能力增強[20]。我國的新疆油田根據這種機理提出了淺層超稠油雙水平井 SAGD的立體井網開發模式[52]，取得了顯著的開發效果。

3.6 原地乳化作用

在SAGD開發過程中，地層中存在原地乳化現象，因此更好地理解乳狀液的流動對于為SAGD設計更精確的模型、更好的測試防砂設備和解釋SAGD操作所涉及的物理變化是至關重要的[53]。

Sasaki等[54]完成了室內SAGD實驗，觀察到實驗中的產出流體包含單相冷凝水和油包水乳狀液，產出乳狀液的連續相是可動油，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過程中同時存在蒸汽、冷凝水和可動油的三相流動。根據Mohammadzadeh等[19]的流動可視化實驗，發現在SAGD過程中會有油包水乳狀液在原地形成，實驗中水滴的大小為1.1～5 μm，而原地油包水乳化現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中的產生、擴展、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瀝青相中的運動將促進對流傳熱作用，提高采收率。因此，盡管乳化作用導致瀝青黏度增加，產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，研究結果表明乳化作用增加了瀝青的流動性，而且降低了累積汽/油比。

反相乳液同樣也會出現在SAGD生產過程中。一般地，體積分數更小的相為分散相，另一相為連續相，如果兩相在數量上相同，其余因素將決定乳狀液的類型[57]。特別是當水相體積分數大于80%時，油包水乳狀液可以轉化為水包油乳狀液。值得注意的是，蒸汽干度在乳化過程中起著至關重要的作用[56-57]。Azom[58]聲明當蒸汽干度很高時，地層中將形成油包水乳狀液。

關于SAGD過程中乳狀液的流動特性研究仍存在許多空白，亟待進一步深入研究，如理解乳狀液的對流傳熱機理，乳化流下出砂的評估等[53]。

4 關于SAGD變種形式的簡單討論

基于不同的目的，學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。但在一些油田現場實踐過程中，出現了不好的結果，大量的氣體趨向于聚集在溫度最高的區域，如蒸汽腔的邊緣位置，如此將降低瀝青的相對滲透率，降低產量。

學者們提出了許多添加溶劑的SAGD變種形式，其中的一些實踐在增加瀝青產量方面成功了，但未展示有關溶劑成本效益分析的數據。通常情況下，溶劑輔助SAGD的成本較高，且溶劑向瀝青的傳質受擴散和機械彌散混合控制，是一個緩慢的過程，添加溶劑帶來的瀝青可動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，如生產溶劑和發電所帶來的GHG排放量都超過了生產蒸汽帶來的GHG排放量；至于用水問題，常規SAGD模式中超過90%的產出水都是可以循環利用的。

未來針對SAGD變種形式的應用研究一定要在明晰常規SAGD開發機理的基礎上，深入展開進一步研究。

5 結論

SAGD技術是開采瀝青/稠油油藏的一種行之有效的技術，相對于蒸汽吞吐、蒸汽驅等其他熱采技術來說有著獨特的優勢。SAGD是一個多物理過程，涉及同時傳熱傳質，開發機理相對復雜。SAGD的開發過程可以分為以下4個階段：①注蒸汽循環預熱階段；②蒸汽腔縱向擴展階段；③蒸汽腔橫向擴展階段；④蒸汽腔下降階段。SAGD的開發機理主要有蒸汽降黏、重力泄油、地質力學效應、熱效應、蒸汽腔的聚并融合作用以及原地乳化作用等。其中部分機理仍待深化研究，且機理間可能存在相互耦合的作用，今后在實際應用時需考慮各項機理的綜合作用，形成更為有效的解析、實驗、數模模型等，為進行油田大規模SAGD開發提供有效的評價、預測和設計手段，最終實現經濟有效的SAGD開采。

此外，關于SAGD變種形式的研究，也應從充分理解常規SAGD的開發過程與機理出發，在此基礎上進行優化與改進。