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(fā)研究院；2. Origin Geomechanics Inc.；3. 東北大學(xué)土木工程系

SAGD 是超稠油開采的一項(xiàng)重要技術(shù)，該技術(shù)最早起源于加拿大，其開發(fā)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(nèi)以新疆油田、遼河油田為代表，開發(fā)對象是陸相沉積的超稠油油藏，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，SAGD 開發(fā)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1-2］。新疆油田多采用經(jīng)典的雙水平井SAGD方式，如何高效實(shí)現(xiàn)注采井間的均勻連通是采用SAGD 開發(fā)此類油藏的一個(gè)關(guān)鍵問題［3］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，探索了注蒸汽循環(huán)預(yù)熱、液體擠注、快速啟動(dòng)(擴(kuò)容法)和溶劑浸泡等多種方法。室內(nèi)研究和現(xiàn)場實(shí)踐表明，液體擠注法適應(yīng)性較差，只適用于原油黏度較低，具有初始流動(dòng)能力的油藏；溶劑浸泡法時(shí)效性低，耗時(shí)長且成本較高。因此，注蒸汽循環(huán)預(yù)熱和快速啟動(dòng)技術(shù)逐步成為主流的SAGD 啟動(dòng)方法［4-5］。

注蒸汽循環(huán)預(yù)熱的主要機(jī)理是熱傳導(dǎo)，效率低、能耗大，還要對返出液做進(jìn)一步運(yùn)輸和處理，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高且環(huán)保問題嚴(yán)重。SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)是一項(xiàng)基于弱固結(jié)砂巖巖石力學(xué)擴(kuò)容原理的油藏改造方法，通過利用弱固結(jié)砂巖的擴(kuò)容原理，在SAGD注汽井和生產(chǎn)井中實(shí)施水力擴(kuò)容，形成沿水平井均勻分布、連接兩井的體積擴(kuò)容區(qū)，實(shí)現(xiàn)兩井水平段的快速均勻連通(連通率一般可達(dá)90%以上)，可大幅縮短預(yù)熱啟動(dòng)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(nèi)外已成功應(yīng)用該技術(shù)擴(kuò)容啟動(dòng)SAGD 井140 多對，形成相應(yīng)的配套技術(shù)并在實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)和完善。通過對擴(kuò)容流體的優(yōu)化和擴(kuò)容方式的改進(jìn)，有望進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍和增強(qiáng)SAGD 開發(fā)效果。目前該技術(shù)衍生出溶劑輔助擴(kuò)容、邊井輔助擴(kuò)容、分段差異化擴(kuò)容、脈沖式強(qiáng)化擴(kuò)容等新技術(shù)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)機(jī)理

1.1 油砂擴(kuò)容機(jī)理

SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)機(jī)理是弱固結(jié)油砂儲層的地質(zhì)力學(xué)擴(kuò)容現(xiàn)象。擴(kuò)容是指孔隙介質(zhì)巖體在所受總應(yīng)力仍是壓應(yīng)力的狀態(tài)下，受剪應(yīng)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(xiàn)象。擴(kuò)容行為微觀上可被視為巖石顆粒的旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)和重新排列。

油砂擴(kuò)容現(xiàn)象經(jīng)過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證。劉維國等人［6］通過對三軸實(shí)驗(yàn)中巖石體積應(yīng)變與橫波速度的分析，論證了抗壓強(qiáng)度前巖石一定存在擴(kuò)容現(xiàn)象。Wong 等人［7］通過油砂巖心的低圍壓三軸實(shí)驗(yàn)，研究了加拿大阿薩巴斯卡和冷湖油砂的地質(zhì)力學(xué)特征，體積擴(kuò)容率達(dá)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(fēng)城油田油砂開展了三軸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)巖心在0.5 MPa 低有效圍壓下出現(xiàn)了明顯的剪切帶(圖1)。Beattie 等人［9］的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，冷湖油砂儲層在蒸汽吞吐注入期間地面隆起高度達(dá)到45 cm，且地層在施工后的吸水能力遠(yuǎn)大于基于原始儲層物性的預(yù)測值。上述現(xiàn)象主要是由于在儲層中形成的復(fù)雜剪裂縫網(wǎng)以及由此形成的擴(kuò)容區(qū)導(dǎo)致的。通過油砂擴(kuò)容區(qū)內(nèi)巖心取樣的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)［10］和蒸汽吞吐井的重復(fù)井底成像數(shù)據(jù)［11］均可以觀察到由微張性裂縫和微剪裂縫形成的復(fù)雜縫網(wǎng)。

圖1 油砂試樣在三軸試驗(yàn)前后微觀結(jié)構(gòu)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(jù)已有的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)總結(jié)及數(shù)值仿真結(jié)果［12-13］，油砂中的擴(kuò)容是剪切破壞和張性微裂縫相結(jié)合的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生剪切擴(kuò)容作用時(shí)，巖石顆粒的原始結(jié)構(gòu)因受到顆粒滑移和滾動(dòng)的擾動(dòng)而發(fā)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(kuò)容在井周產(chǎn)生一個(gè)大體積、高孔隙度和高滲透率的擴(kuò)容區(qū)，該擴(kuò)容區(qū)可以理解為一個(gè)包含無數(shù)微觀張剪裂縫網(wǎng)的高滲區(qū)域。

1.2 油砂擴(kuò)容的增產(chǎn)增注機(jī)理

Shafiei 等人［14］對砂巖稠油油藏?zé)岵蛇^程中的地質(zhì)力學(xué)作用做了總結(jié)，熱采過程中伴隨著壓力、溫度變化，儲層的壓縮系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、孔隙度、有效滲透率等關(guān)鍵參數(shù)均會變化，這些變化對于稠油油藏?zé)岵尚Ч麜a(chǎn)生顯著影響。利用巖石力學(xué)擴(kuò)容為稠油井增注增產(chǎn)的機(jī)理得

式中，m為流體在孔隙介質(zhì)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(xiàng)可以忽略不計(jì)。水力擴(kuò)容實(shí)質(zhì)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(jìn)行油砂儲層擴(kuò)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(xiàn)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(dòng)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(jié)油砂壓裂和擴(kuò)容現(xiàn)象的有限元模型和材料模型，并成功應(yīng)用于SAGD 快速啟動(dòng)的現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)。

1.3 擴(kuò)容與水力壓裂的區(qū)別

巖石的擴(kuò)容從定義和形成機(jī)理上均區(qū)別于水力壓裂(表1)。從定義上說，巖石的擴(kuò)容是砂巖顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)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(yīng)力的抗張強(qiáng)度后在地層中形成宏觀張裂縫。壓裂區(qū)域的滲透率隨著孔隙度相對較小的增加而呈數(shù)量級的增加，而擴(kuò)容則是滲透率和孔隙度增加程度相似，一般不到擴(kuò)容前的50%［16］。在幾何形態(tài)上，擴(kuò)容區(qū)為大體積的孔隙度增加區(qū)域，而水力壓裂通常為線性的張裂縫。在施工工藝上，區(qū)別于水力壓裂，擴(kuò)容區(qū)形成后無需加入支撐劑，砂巖顆粒的自支撐效應(yīng)(或拱形效應(yīng))就能夠維持?jǐn)U容區(qū)的孔隙度和滲透性［17］。SAGD 快速啟動(dòng)目標(biāo)是沿水平井段形成最大化的均勻擴(kuò)容區(qū)，同時(shí)避免產(chǎn)生單一的宏觀裂縫。

表1 擴(kuò)容和水力壓裂的區(qū)別Table 1 Difference between dilation and hydraulic fracturing

2 礦場實(shí)踐與認(rèn)識

2.1 技術(shù)發(fā)展歷程

SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)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(fā)現(xiàn)壓力對產(chǎn)量起到關(guān)鍵作用。隨后，Xu［18］對弱固結(jié)砂巖的擴(kuò)容現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，2014 年該技術(shù)成為專利［6］，并開啟了商業(yè)化運(yùn)行。眾多石油公司開展了室內(nèi)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場試驗(yàn)，其中Cenovus 公司的Christina Lake 項(xiàng)目試驗(yàn)取得了巨大成功?，F(xiàn)場試驗(yàn)了2 對井，相比其他未實(shí)施快速啟動(dòng)的井組，快速預(yù)熱井不僅轉(zhuǎn)入SAGD 生產(chǎn)更快，初期產(chǎn)量及注入能力也較好，此后相繼在Christina Lake 和Foster Creek SAGD 項(xiàng)目上推廣使用60 對井，并將快速啟動(dòng)技術(shù)與溶劑輔助相結(jié)合，尋求更好的啟動(dòng)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(yàn)，希望在SAGD 啟動(dòng)階段實(shí)現(xiàn)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(shù)仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段。

SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)于國內(nèi)2012 年開始引入新疆油田，目前已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。主要經(jīng)歷了4個(gè)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(yōu)選風(fēng)城重1 井區(qū)，通過室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場原位地應(yīng)力測試及數(shù)值仿真計(jì)算等地質(zhì)力學(xué)研究，從理論上論證了技術(shù)可行性。(2)先導(dǎo)試驗(yàn)階段。在重1 井區(qū)開展1 井組試驗(yàn)，水平井段連通率達(dá)到100%，順利轉(zhuǎn)入SAGD 生產(chǎn)。與同區(qū)塊13 口常規(guī)循環(huán)預(yù)熱井組相比，試驗(yàn)井組循環(huán)時(shí)間縮短了46%，蒸汽用量節(jié)約了53%，驗(yàn)證了快速啟動(dòng)技術(shù)的可行性。(3)擴(kuò)大試驗(yàn)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(yōu)選風(fēng)城重18 井區(qū)開展7 井組試驗(yàn)，6 井組取得成功。標(biāo)志著SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)已具備成熟推廣條件。(4)工業(yè)化配套與推廣應(yīng)用階段。2015 年以來，大力推廣應(yīng)用SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)。風(fēng)城油田超過70 對水平井組成功應(yīng)用了快速啟動(dòng)技術(shù)，標(biāo)志著快速啟動(dòng)技術(shù)走向成熟。

2.2 施工工藝

2.2.1 地質(zhì)工程設(shè)計(jì)

經(jīng)過10 余年的室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，SAGD 快速啟動(dòng)已形成了“基于地質(zhì)目標(biāo)描述—風(fēng)險(xiǎn)識別—參數(shù)設(shè)計(jì)—效果預(yù)測”的地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)方法。地質(zhì)目標(biāo)描述包括孔隙度、滲透率、飽和度等儲層物性參數(shù)；巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)含量等骨架參數(shù)；儲層巖石力學(xué)參數(shù)和原位地應(yīng)力數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)可用于風(fēng)險(xiǎn)評估、數(shù)值模擬，優(yōu)化擴(kuò)容操作參數(shù)并預(yù)測生產(chǎn)效果。

(1)地質(zhì)力學(xué)-熱采耦合模擬。巖石變形采用非線性超彈性本構(gòu)模型，熱采數(shù)值模擬與巖石力學(xué)模型之間的耦合參數(shù)通常為孔隙度和滲透率。孔隙度為溫度、壓力及巖石總應(yīng)變的函數(shù)，滲透率則為體積應(yīng)變的函數(shù)，通過這2 項(xiàng)參數(shù)耦合巖石力學(xué)模型與熱采數(shù)值模型，可進(jìn)行快速啟動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［19］。油砂在地層條件下原油黏度極高，地層溫度下呈固態(tài)，水的有效滲透率很低。采用有限元法模擬時(shí)，考慮儲層擴(kuò)容過程與注蒸汽循環(huán)的滲流差異，在權(quán)衡成本和數(shù)據(jù)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(jié)果［20］。原位地應(yīng)力數(shù)據(jù)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(yīng)變測量等多種方法獲取?，F(xiàn)場一般采用小型壓裂法直接進(jìn)行應(yīng)力測量，在需要建立全區(qū)應(yīng)力模型的情況下，可用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步標(biāo)定偶級橫波測井及巖心數(shù)據(jù)后插值計(jì)算。

(2)完井和地面設(shè)備。包括完井結(jié)構(gòu)和溫壓測試設(shè)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(jié)構(gòu)，注汽井和生產(chǎn)井均能實(shí)現(xiàn)同時(shí)注排的循環(huán)功能。生產(chǎn)井水平段一般布置等距的熱電偶測溫(測點(diǎn)間隔40～50 m)或全井段光纖測溫，井口布置有專門的流量計(jì)量設(shè)備，可為連通判斷提供必要數(shù)據(jù)?？紤]SAGD 井場管網(wǎng)密布，空間受限因素，目前SAGD 快速啟動(dòng)地面注采工藝已基本實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場施工包括預(yù)熱洗井、應(yīng)力調(diào)整、開始擴(kuò)容、擴(kuò)容帶擴(kuò)展、連通判斷5 個(gè)階段。(1)預(yù)熱洗井。通過蒸汽和低壓熱水循環(huán)，預(yù)熱井筒和解除水平段篩管上的原油污染。(2)應(yīng)力調(diào)整。注汽井和生產(chǎn)井的注水壓力逐漸升高至原位最小主應(yīng)力，該階段為擴(kuò)容預(yù)處理階段，目的是通過孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)及熱彈性力學(xué)機(jī)制調(diào)整井周應(yīng)力、孔壓狀態(tài)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(kuò)容區(qū)。該階段主要依賴于流體壓力前緣的擴(kuò)散，擴(kuò)散速度越快，則具備擴(kuò)容條件的時(shí)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(diào)整，如注入蒸汽、熱水、化學(xué)降黏劑輔助等［21］。在預(yù)處理階段，現(xiàn)場通過頻繁的壓降和瞬態(tài)壓力分析來監(jiān)測預(yù)處理區(qū)域的大小及滲透率，對于流量及壓力等數(shù)據(jù)，則可通過地質(zhì)力學(xué)歷史擬合實(shí)時(shí)優(yōu)化。當(dāng)計(jì)算注汽井和生產(chǎn)井形成的預(yù)處理區(qū)域相交時(shí)，具備擴(kuò)容條件。(3)開始擴(kuò)容。逐步增加井口注水量，通過排量控制，進(jìn)行擴(kuò)容作業(yè)。當(dāng)兩井中的壓力互相響應(yīng)時(shí)，標(biāo)志著兩井之間已形成擴(kuò)容區(qū)。(4)擴(kuò)容帶擴(kuò)展。進(jìn)行大排量注水，擴(kuò)展擴(kuò)容區(qū)，以形成在垂直方向從注汽井到生產(chǎn)井、水平方向均勻擴(kuò)展的擴(kuò)容區(qū)。(5)連通判斷。通過溫壓關(guān)聯(lián)情況及生產(chǎn)井溫度分布判斷水力連通程度。通過擴(kuò)容，井周及井間形成剪切擴(kuò)容帶和相互獨(dú)立的張性微裂縫區(qū)域，大幅提高蒸汽注入能力和熱擴(kuò)散面積。

2.2.3 施工過程控制與監(jiān)測

圖2 SAGD 快速啟動(dòng)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(fā)油藏多為淺層，操作壓力控制一直備受關(guān)注。SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)作為一種高壓儲層改造工藝，對于蓋層完整性具有一定風(fēng)險(xiǎn)，面對如具有頂水、底水或裂縫性復(fù)雜油藏時(shí)，還存在局部溝通優(yōu)勢層位的風(fēng)險(xiǎn)，都可能導(dǎo)致施工失敗。加拿大Cenovus 能源公司最早在Christina Lake SAGD 項(xiàng)目上的先導(dǎo)試驗(yàn)，就由于預(yù)處理時(shí)間過短，過早進(jìn)行大排量擴(kuò)容，導(dǎo)致井間形成張性裂縫并溝通底水層，轉(zhuǎn)生產(chǎn)效果較差，后經(jīng)工藝改進(jìn)取得成功。

為保障成功實(shí)施，施工前和施工過程應(yīng)對所有風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測分析，如井口流量、井下壓力、溫度等數(shù)據(jù)，及時(shí)標(biāo)定和校正地質(zhì)力學(xué)模型，優(yōu)化操作參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整。對于蓋層和底水層，可采用微地震、觀察井的方式獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測［22］。SAGD 快速啟動(dòng)施工過程的精細(xì)控制要求較高，需要實(shí)時(shí)分析流體注入量、返排速度、壓力及滲流場的變化，各個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣，處理不得當(dāng)都會影響擴(kuò)容效果。尤其是在儲層非均質(zhì)性較強(qiáng)、黏度更高的目的層，實(shí)現(xiàn)全井段均勻連通面臨更多挑戰(zhàn)。為降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，OGI 公司研發(fā)了一套實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)處理區(qū)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(tài)分析，通過預(yù)處理過程中的壓降曲線，實(shí)時(shí)計(jì)算和反演預(yù)處理區(qū)的大小和滲透率，以便確定對預(yù)處理區(qū)進(jìn)行高排量注水?dāng)U容的準(zhǔn)確時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場施工參數(shù)的實(shí)時(shí)跟蹤擬合與施工過程可視化，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 影響因素及主要挑戰(zhàn)

2.3.1 儲層物性及非均質(zhì)性

較差的儲層物性對擴(kuò)容啟動(dòng)仍具有較大挑戰(zhàn)。Du 等人［23］通過數(shù)值模擬研究了砂質(zhì)泥巖在注蒸汽過程中的地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注汽井之上2 m處存在1 m 厚的砂質(zhì)泥巖夾層時(shí)，蒸汽就很難進(jìn)入，形成應(yīng)力遮擋。相比加拿大Athabasca 海相沉積油砂儲層，新疆風(fēng)城油田的稠油儲層物性較差，非均質(zhì)性嚴(yán)重，表現(xiàn)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(dǎo)致蒸汽循環(huán)預(yù)熱時(shí)間長(超過10 個(gè)月)、蒸汽用量大(單井組大于37 600 m3)，還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)生產(chǎn)后較差的水平段動(dòng)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(kuò)容，沿水平井組形成局部張性水力裂縫。在蒸汽流動(dòng)壓力梯度極小的條件下，這些線性裂縫可能會直接導(dǎo)致SAGD 井組水平段局部汽竄。

非均質(zhì)儲層條件下，沿水平段存在選擇性擴(kuò)容現(xiàn)象。耦合地質(zhì)力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力條件下的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明［25］：滲透率非均質(zhì)性(級差)、巖性兩項(xiàng)主要因素變化可導(dǎo)致SAGD 快速啟動(dòng)過程中出現(xiàn)選擇性擴(kuò)容現(xiàn)象。不同巖性儲層的地質(zhì)力學(xué)特性不同，擴(kuò)容效果亦不相同。擴(kuò)容過程中，當(dāng)沿水平段儲層滲透率非均質(zhì)性較強(qiáng)時(shí)，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(dāng)SAGD 井對間或注汽水平井上方附近巖性變化時(shí)(出現(xiàn)差物性帶或夾層遮擋)，快速啟動(dòng)效果必然會受到影響。這種選擇性擴(kuò)容特性容易形成“好儲層越好、差儲層仍然差”的現(xiàn)象(圖3)，影響生產(chǎn)階段水平井段動(dòng)用程度并增加汽竄風(fēng)險(xiǎn)。這對SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)的適應(yīng)性提出了挑戰(zhàn)。

圖3 儲層非均質(zhì)性對擴(kuò)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(zhì)力學(xué)參數(shù)及原位地應(yīng)力條件

儲層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和原位地應(yīng)力是影響快速啟動(dòng)效果的關(guān)鍵參數(shù)，在水力擴(kuò)容過程中對流體注入能力及擴(kuò)容帶延展具有決定性作用［27］。這些參數(shù)可通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場測試或巖石物理參數(shù)計(jì)算獲得［28］，其影響主要表現(xiàn)為2 個(gè)方面：巖石擴(kuò)容性能以及儲層地應(yīng)力各向異性影響擴(kuò)容區(qū)的產(chǎn)生和擴(kuò)展；巖石強(qiáng)度和儲層地應(yīng)力大小影響擴(kuò)容壓力、排量以及擴(kuò)容預(yù)處理時(shí)間和注液量。

國內(nèi)外學(xué)者針對油砂地質(zhì)力學(xué)參數(shù)及原位地應(yīng)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(dá)地區(qū)的SAGD 油砂開發(fā)區(qū)，國內(nèi)主要是新疆風(fēng)城超稠油油藏。Settari 等人［29］通過擬合實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，指出實(shí)驗(yàn)室測量應(yīng)該在低應(yīng)力下進(jìn)行，并遵從油田現(xiàn)場預(yù)期的應(yīng)力路徑。油砂在低有效應(yīng)力下的摩擦屬性控制了擴(kuò)容區(qū)域大小，進(jìn)而影響注入能力。加拿大阿爾伯達(dá)油砂具有冰川作用形成的互鎖結(jié)構(gòu)［30-31］，具有較大的摩擦強(qiáng)度，一旦剪切滑動(dòng)將表現(xiàn)出優(yōu)越的擴(kuò)容性能。Gao 等人［8］從掃描電鏡、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場測試多個(gè)尺度分析了新疆風(fēng)城油砂擴(kuò)容與滲透率變化之間的關(guān)系，并綜合評價(jià)了擴(kuò)容性能及潛力，認(rèn)為新疆風(fēng)城油砂具有較大的擴(kuò)容潛力，但如何在油田現(xiàn)場充分發(fā)揮這一潛力仍需深入研究。此外，F(xiàn)an 等人［32］和Yuan 等人［33］對風(fēng)城油田重18 井區(qū)、重1 井區(qū)進(jìn)行了巖石力學(xué)三軸測試和小型壓裂地應(yīng)力測試。結(jié)果顯示，不同區(qū)塊超稠油儲層巖石力學(xué)性質(zhì)(強(qiáng)度和擴(kuò)容能力)和原位地應(yīng)力梯度均不同。多次小型壓裂地應(yīng)力測試表明，即使是同一區(qū)塊，原位地應(yīng)力的大小也存在較大差異。因此，在沒有對某一開發(fā)區(qū)地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究的前提下，不宜將其它開發(fā)區(qū)的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)盲目借用于新的開發(fā)區(qū)。在快速啟動(dòng)施工前，必須準(zhǔn)確測量目的層的巖石力學(xué)強(qiáng)度，擴(kuò)容性能以及地應(yīng)力的大小和各向異性，并通過流-固-熱耦合的數(shù)值模擬來設(shè)計(jì)施工參數(shù)。盲目施工將導(dǎo)致過早擴(kuò)容，形成井間張性裂縫，導(dǎo)致蒸汽循環(huán)階段發(fā)生汽竄。

2.3.3 面臨的主要挑戰(zhàn)

從油藏條件和技術(shù)適應(yīng)性出發(fā)，快速啟動(dòng)技術(shù)仍面臨著一系列挑戰(zhàn)性問題待攻關(guān)解決：如何進(jìn)一步減少蒸汽預(yù)熱時(shí)間從而降低蒸汽用量；如何進(jìn)一步增強(qiáng)儲層物性從而提高初期采油速度；如何克服選擇性擴(kuò)容特性，進(jìn)一步提高水平段動(dòng)用率；如何在不破壞蓋層的前提下快速動(dòng)用注汽井上方的儲層。要解決以上問題，實(shí)踐中必須以儲層地質(zhì)精細(xì)描述為基礎(chǔ)，深入認(rèn)識儲層非均質(zhì)性，系統(tǒng)測取儲層及蓋層地質(zhì)力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)，在制定科學(xué)方案的基礎(chǔ)上實(shí)施擴(kuò)容。以節(jié)能、降本、增效為原則，突破常規(guī)思維，通過擴(kuò)容注劑的優(yōu)化和擴(kuò)容方式的創(chuàng)新，加快推動(dòng)SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)的升級換代。

3 技術(shù)發(fā)展方向與展望

近年來，SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)在實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)和完善。技術(shù)適應(yīng)性和改造效果不斷提高，總體呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。

(1)溶劑輔助擴(kuò)容。以達(dá)到最佳擴(kuò)容性能為目的，通過化學(xué)注劑的添加，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降黏，促進(jìn)流體流動(dòng)。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(kuò)容帶基礎(chǔ)上更加均勻地促進(jìn)擴(kuò)展。目前新疆油田已開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，在擴(kuò)容啟動(dòng)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(yīng)用超過10 對井。

(2)邊井輔助擴(kuò)容。針對水平段動(dòng)用不均和動(dòng)用差的問題，優(yōu)選水平段適當(dāng)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(kuò)容，從而改善差物性段連通，提高水平段動(dòng)用程度。該方式通過擴(kuò)容快速建立直井和水平井組的連通。相比常規(guī)吞吐促進(jìn)連通的方法，增強(qiáng)了滲流通道，提高了驅(qū)泄復(fù)合效率。目前數(shù)值模擬研究已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

(3)分段差異化擴(kuò)容。針對水平段儲層非均質(zhì)性的影響，對原有的快速啟動(dòng)施工過程進(jìn)行改進(jìn)，在充分認(rèn)識儲層地質(zhì)剖面的情況下，通過高溫暫堵的方式，對水平井進(jìn)行分段擴(kuò)容?？紤]水平段物性及地質(zhì)力學(xué)特性的差異，分段設(shè)計(jì)擴(kuò)容壓力及流量控制，實(shí)現(xiàn)更均勻連通。該技術(shù)已試驗(yàn)1 井次，目前處于跟蹤評價(jià)階段，一旦突破，將大幅提升快速預(yù)熱技術(shù)在強(qiáng)非均質(zhì)超稠油油藏中的應(yīng)用界限。

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

隨著SAGD 開發(fā)的深入，快速啟動(dòng)技術(shù)的目標(biāo)不僅局限于促進(jìn)兩井之間連通，開始針對井上方更大范圍的儲層進(jìn)行強(qiáng)化改造，顯示出多學(xué)科融合、多技術(shù)綜合的發(fā)展趨勢，未來具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)論

(1) SAGD 快速啟動(dòng)方面的理論認(rèn)識與關(guān)鍵技術(shù)取得了重要突破，施工工藝成熟，成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化推廣。實(shí)踐中形成了地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)、施工流程標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)鍵參數(shù)可視化的配套技術(shù)。SAGD 快速啟動(dòng)技術(shù)相比常規(guī)預(yù)熱技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，對強(qiáng)化差儲層的SAGD 開發(fā)具有重要意義。

(2)儲層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和原位地應(yīng)力條件是影響快速啟動(dòng)效果的關(guān)鍵參數(shù)，成功實(shí)施快速啟動(dòng)技術(shù)需要注重2 個(gè)重要環(huán)節(jié)，一是施工前對地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究；二是施工過程中進(jìn)行應(yīng)力預(yù)處理以調(diào)整地層應(yīng)力和孔壓狀態(tài)，以便擴(kuò)容階段形成大體積的均勻垂向擴(kuò)容區(qū)。

(3)針對差儲層的有效擴(kuò)容仍需持續(xù)攻關(guān)和完善；如何進(jìn)一步減少蒸汽循環(huán)時(shí)間、永久性增強(qiáng)儲層物性、克服選擇性擴(kuò)容特性、動(dòng)用注汽井上方的儲層等問題仍需持續(xù)攻關(guān)。溶劑輔助擴(kuò)容、邊井輔助擴(kuò)容、分段差異化擴(kuò)容、脈沖式強(qiáng)化擴(kuò)容等快速啟動(dòng)衍生技術(shù)的研發(fā)和推廣將進(jìn)一步增強(qiáng)該技術(shù)的適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊。