注氮气改善SAGD开发效果（SAGP）作用机理解析

解 鑫，魏立新，王伟伟，张 鸿，李思瑶

（1.东北石油大学，黑龙江大庆163318；2.中油辽河油田公司，辽宁盘锦124010；3.西安石油大学，陕西西安710065）

辽河油区的稠油开发，多数油井已经步入到了蒸汽吞吐生产的后期，而采收率受制于原油物性，只能达到20%～30%左右；因此，亟待研发与转换新的开发方式。

在此背景下，国外巴特勒的双水平井SAGD（steam assisted gravity drainage，蒸汽辅助重力泄油）技术、国内辽河油田公司的直井与水平井组合SAGD[1-3]（本文简称直-水组合“SAGD”）技术，作为两种新的特（超）稠油开发方式，其应用规模正在不断地扩大。与直井蒸汽吞吐生产方式相比，这两种SAGD开发方式还可以提高油藏的原油采收率20%～30%左右（模拟预测）。但在这两种SAGD 生产的实践中，也都出现了蒸汽的热效率降低、蒸汽腔扩展缓慢、油汽比下降等生产问题。

针对双水平井SAGD 生产过程中所出现的这些问题，国外的应对措施是在SAGD 生产过程中，通过添加N2（CO2，CH4，烟道气）等非凝析性气体予以改善[4，5]。该方式又称之为SAGP（Steam and Gas Push）或多介质SAGD。

直-水组合“SAGD”在初期增油过后，产能便开始出现了反复；转换到驱泄复合生产方式以后，又受到了直井之间、直井与水平井之间汽窜的困扰；为此，现场上正试图通过运行SAGP 模式、来改善直-水组合“SAGD”的开发效果。然而，国内目前对于直-水组合“SAGD”生产过程中注N2改善油藏开发效果（SAGP 模式）的作用机理的研究，还未取得共识。

对于SAGP 作用机理认知上的差异性，势必会给生产方案设计与实施带来困惑；因此，全面了解并准确把握SAGP 的操控机理，对于确保现场实施效果，具有十分重要的指导意义。

1 SAGP 作用机理研究的现状与存在的问题

1.1 SAGP 作用机理研究的内容

SAGP 作用机理研究的主要内容，就是要解读、分析：

（1）SAGD 生产过程中，注入N2等非凝析气体的目的是什么；

（2）什么时机注入N2；

（3）以什么方式注入N2；

（4）注入多大量的N2；

（5）注入N2以后（转到SAGP 模式），SAGD 的开发效果能否得到改善，改善幅度有多大。

1.2 研究现状

（1）目前，国内针对双水平井SAGD 加注N2的SAGP 作用机理、进行专题性研究的文献较少；邵吉玉[6]从开采机理分析入手，阐述了添加氮气的时机、方式以及对油藏开发效果的影响。

（2）针对直-水组合“SAGD”加注N2的SAGP作用机理，国内开展的相关研究工作较多[7-10]。代表性结论主要有：

①SAGP 生产模式下，采收率提高；油汽比提高。

②SAGP 生产模式下，采收率将降低；但油汽比提高、开发效果变好。

③SAGD生产过程中，注入N2的时机越早越好。

④SAGD 生产过程中注入N2等非凝析气体，能够扩大蒸汽腔在横向上的扩展，减缓蒸汽腔在纵向上的上升速度。

⑤N2溶解于原油后能降低原油的粘度、密度，增大原油体积系数，增强原油流动性。

⑥N2能够超覆到蒸汽腔上部，形成隔离层。

1.3 存在的问题

如果把SAGP 技术看作是针对SAGD 过程中所出现的系列生产问题、而开出的一张药方，那么搞清楚病因（生产问题）是如何产生、演变的，其意义不言而喻。

然而，目前的文献中，对于两种SAGD 的开采机理、特别是对其技术优势与局限性的形成机理，却少有给予正面的解读、分析。

1.4 注N2 改善SAGD 开发效果（SAGP）作用机理解析的意义

只有对SAGP 的作用机理，有了全面的了解和深度认识之后，才能准确地把握注入N2等非凝析气体的时机；在此基础上，才能对注入非凝析气体气体的方式、注入非凝析气体气体的体积，作出合理优化；最后，才能为现场有效实施，提供理论支持。

2 针对双水平井SAGD 生产方式的SAGP 作用机理解析

2.1 双水平井SAGD 生产过程中蒸汽腔的扩展过程

双水平SAGD 的生产过程中，蒸汽腔的扩展过程，可以分为3 个阶段：

（1）蒸汽腔形成以后、由油层底部快速向上部油层扩展（图1a）；

（2）蒸汽腔沿油层顶部横向扩展（图1b）；

（3）蒸汽腔由油层顶部向下部油层缓慢扩展（图1c、d）。

图1 双水平井SAGD 蒸汽腔扩展过程示意Fig.1 Double horizontal well SAGD steam cavity extension process

2.2 双水平井SAGD 技术优势与局限性的形成机理

2.2.1 技术优势（部分） 当蒸汽腔沿水平井段由油层底部向上部油层扩展、以及沿油层顶部平面扩展阶段（图1a、b），蒸汽超覆作用被有效利用；蒸汽热效率高，蒸汽腔扩展速度快；主产油期开始。这也是双水平井SAGD 的重要技术优势之一。

此阶段应保持连续生产、而不受干扰。

2.2.2 局限性（部分）的形成机理

（1）当双水平井SAGD 生产步入到蒸汽腔由油层顶部向下部油藏扩展阶段（图1c,d）以后，受蒸汽超覆作用的影响，蒸汽与“冷油区”之间的换热方式以热传导为主；蒸汽热效率降低；蒸汽腔扩展缓慢，导致油藏的泄油速度急剧下降。

（2）在双水平井SAGD 生产的后期（图2c、d），一直重复着——蒸汽从注汽井上升到油层顶部、然后才能与下部油层进行热量交换这一过程。

①初期，这一过程有利用于顶部油层洗油效率的大幅度提高（技术优势之一）。

②当顶部油层的剩余油饱和度处于残余油状态以后，再重复这一过程，对于提高油藏采收率的贡献值，已微乎其微；但是，却造成了蒸汽注入量的浪费和蒸汽潜热损失的增加。

2.3 双水平井SAGD 转SAGP 生产模式的时机

如何确定注入N2的时机呢？这要取决于对SAGP 作用机理的认知。也就是注入N2所要达到的目的。

（1）注入N2是用来隔热，提高蒸汽热效率；

（2）减少蒸汽注入量；

（3）用来降低原油粘度，改善原油的流动性；

（4）抑制蒸汽在纵向上的超覆速度，促成在横向上扩展速度；

（5）亦或几者兼得。

基于对双水平井SAGD 局限性形成机理的解读：注入N2后，能够体现出来的作用，主要在于：在油层顶部形成隔热层以后，一方面可以减少确保SAGD 有效运行所必需的蒸汽注入量；另一方面能够降低蒸汽的热损失。这是确定双水平井SAGD 生产方式下注入N2时机的理论基础。

（1）如果注入N2的时机过早，将严重阻碍蒸汽腔向顶部油层的扩展；实质上是严重制约了双水平井SAGD 技术优势的发挥，导致油藏原油采收率降低。

（2）对于双水平井SAGD 生产转SAGP 的时机，是在蒸汽腔沿油层顶部平面扩展（图1C）完成以后。原因在于：

①此时峰值采油期即将过去，添加N2不会影响到SAGD 自身技术优势的发挥；

②此阶段，双水平井SAGD 的局限性已显现，并且特征越来越明显。

2.4 加注N2 的方式

有3 种注入N2的方式可选用：挤压液氮；段塞式注入N2；汽、气同注。

（1）段塞式挤压液氮：该方式虽然操作简单，但是，极易形成冷伤害；致使回采困难。

（2）将N2与蒸汽按一定比例同步注入到油层内：该方式的优点是蒸汽腔可以维持在较高的温度水平以上；N2对蒸汽的加热效果影响较小、压力波动幅度小，油井产能特征相对平稳。缺点是该方式需要优化最佳的气汽比，且操作较复杂。

（3）段塞式注入N2：相比以上两种方式，不定期地注入一定体积的N2段塞，该方式操控简单；也不会对SAGD 的生产效果，产生大的影响。

因此，加注N2可以选择段塞式注入方式；在确定了段塞体积之后，一次注入到位。

2.5 N2 注入量（地层温度、压力条件下的体积）的确定方法

如何确定注入N2段塞体积的大小，同样取决于对SAGP 作用机理的认知。

在确定了注入N2的时机以后（为蒸汽腔沿油层顶部平面扩展（图1C）完成以后），每次注入N2的体积，应以蒸汽腔扩展的体积（参考原油产量）作为依据。原因在于：

（1）如果N2的注入体积过小，将无法形成有效的隔热层；

（2）如果单次注入N2的体积过大，将导致下水平井气窜；严重的气窜将使大量的热量被油水热液携带到地面，整个蒸汽腔的温度将降低。

（3）另外，过多的N2“喧宾夺主”以后，要想恢复原油的降粘效果，“蒸汽腔”还得需要一个重新升温、发育的过程。

适宜的N2注入体积（油层条件下）为：首次加注蒸汽腔体积的15%～20%（图2）；然后，汽腔体积每增加10%左右，加注一次；到生产结束，注气总量达到蒸汽腔体积的50%～60%。

图2 双水平井SAGD 转SAGP 作用原理示意Fig.2 Double horizontal well SAGD to SAGP process

3 针对直-水组合“SAGD”生产方式的SAGP 作用机理解析

3.1 直-水组合“SAGD”蒸汽腔扩展过程与生产阶段划分

高温高压三维比例物理模拟试验表明：直-水组合“SAGD”生产过程中，蒸汽腔的扩展过程可以分为3 个阶段[11]：

（1）注采井之间形成了热连通以后，蒸汽腔沿渗流通道在较薄的剖面范围内多向扩展（图3a、b）的重力辅助蒸汽驱阶段（VIHP）。

（2）蒸汽腔在油层顶部沿平面扩展（图3c）的直井-直井-水平井组合蒸汽驱阶段（VI-VI-HP）。

（3）蒸汽腔由油层顶部向下部油层缓慢扩展的“鸡肋”生产阶段（图3d）。

图3 直-水组合“SAGD”蒸汽腔扩展过程示意Fig.3 Combination of vertical and horizontal wells SAGD steam cavity extension process

3.2 直-水组合“SAGD”产能变化的原因

（1）在以注汽压力为主要驱油动力的重力辅助蒸汽驱阶段（图3b），当注采井之间汽窜以后，如果不能得到及时调整，水平井将高含水率运行。这也是直-水组合“SAGD”初期增油过后，产能出现了反复的直接原因。

（2）驱泄复合生产生产模式以后（图4），直井增油来自：“SAGD”阶段在油层底部与水平井未能形成连通的直井、在连续注汽过程中其周围所加热的区域。

图4 驱泄复合生产后期转SAGP 作用原理示意Fig.4 Drive drain composite production period to SAGP process

（3）当这部分储量动用结束以后，直井之间、直井与水平井之间不可避免地开始汽窜；当蒸汽外泄成为常态以后，增油效果便缺乏连续性。

3.3 直-水组合“SAGD”加注N2 的时机

造成直-水组合“SAGD”目前开发现状的原因是多方面的，这与双水平SAGD 的局限性有着较大的区别（略）。

本文将直-水组合“SAGD”生产过程中注N2、运行SAGP 模式的作用机理归结为：可以减少蒸汽的注入量以及减少蒸汽的热损失。

（1）直-水组合“SAGD”蒸汽腔的扩展过程比较复杂。转SAGP 的时机，是在驱泄复合生产过程结束以后（回采直井高含水率运行为标志）（图4）。

（2）至于一个时期内所担心的顶水下泄的问题，现在看来，无需过多考虑。原因是截至目前，长时间的驱泄复合生产过程中，并没有发现有顶水下泄的迹象。

3.4 加注N2 的方式

相对于“挤压液氮”与“汽、气同注”两种方式，段塞式注入N2，操控简单；效果稳定。

3.5 N2 注入量（地层温度、压力条件下的体积）的确定方法

综合考虑，注入N2的体积，以驱泄复合生产阶段、直井产量的100%～120%作为参考依据；一次注入到位。

4 几点认识

（1）优化设计SAGP 技术参数，离不开对SAGP作用机理的全面了解和深度认识；因此，首先应该搞清楚SAGD 过程中，油藏开发效果变差的内在原因、也就是局限性的形成机理是什么，才能对症下药。

如果不能对两种SAGD 运行过程中、油藏的动用过程（蒸汽腔扩展态势），作出全面的了解和深度认识，也就难以准确地把握其技术优势与局限性产生的原因；当然也就更无法把握好加注N2的时机、方式、注气总量，等等。

（2）转SAGP 的目的在于化解SAGD 的局限性，又不能影响其技术优势的发挥。如果加注N2的时机把握不当，不但不能化解SAGD 的局限性；还将扼杀其技术优势的发挥。导致采收率降低。

（3）稠油注蒸汽过程中加注N2（或空气）改善热采效果的SAGP 模式，还有待于大力推广（不仅仅限于SAGD 生产过程中）。

（4）由于两种SAGD 在运行过程中，油藏的动用顺序（蒸汽腔扩展态势）是不同的；确保两种SAGD 有效运行的支撑条件也不同；制约两种SAGD 产能变化的主控因素也不尽相同；因此，两种SAGD 转SAGP 生产模式的时机也是不同的；转换效果也将存在着较大的差异性。

现阶段，改善双水平井SAGD 开发效果的SAGP 生产模式，还无法从根本上改变直-水组合“SAGD”的开发现状（如：蒸汽严重外泄、底部油层动用缓慢等）。

5 结论

（1）当N2在油层顶部（而不是蒸汽腔顶部）形成隔离层以后，可以起到减少蒸汽注入量、降低蒸汽热损失的作用；但是，SAGP 模式无法从根本上改变SAGD 生产过程中、底部油层动用缓慢的局限性。

（2）注入N2的时机如果把握不当，不但不能化解SAGD 的局限性，还将扼杀其技术优势的发挥，采收率降低。且SAGP 注汽量过小，难以达到改善SAGD 开发效果的目的。

（3）超稠油双水平井SAGD 注入N2的时机，应选在蒸汽腔由油层顶部向下部油层扩展开始以后；超稠油直-水组合“SAGD”注入N2的时机，应选在驱泄复合生产完成以后。

（4）改善双水平井SAGD 开发效果的SAGP 生产模式，在现阶段还无法从根本上改变直-水组合“SAGD”的开发现状。

致谢

在本文的完成过程中，得到了中油辽河油田公司勘探开发研究院孙而杰工程师的大力支持和帮助，在此致以崇高的敬意和衷心的感谢！

［1］刘尚奇，王晓春，等.超稠油油藏直井与水平井组合SAGD 技术研究［J］.石油勘探与开发，2007，34（2）：234-238

［2］张方礼，张丽萍，等.蒸汽辅助重力泄油技术在超稠油开发中的应用［J］.特种油气藏，2007，14（2）:70-72.

［3］杨立强，陈月明，等.超稠油直井-水平井组合蒸汽辅助重力泄油物理和数值模拟［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（4）：64-69.

［4］JIANG,Q.,BUTLER,R.M.,and YEE,C.,Development of Steamand Gas Push（SAGP）Process;paper 059,7th UNITAR International Conference on Heavy Crude and Tar Sands,Beijing,China,1998，23-31.

［5］JIANG,Q.,BUTLER,R.M.,and YEE,C.-T.,Steam and Gas Push（SAGP）-2;paper 98-143,presented at the 49th Annual Thenical Meeting of the Petroleum Society Calgary,AB,1998，（7）：8-10.

［6］邵吉玉.超稠油双水平井SAGD 注氮气机理探析［C］.石油工业出版社，2013，354-361.

［7］高永荣，刘尚奇，等.氮气辅助SAGD 开采技术优化研究［J］.石油学报，2009，30（5）：717-721.

［8］纪佑军，程林松，等.SAGD 过程注氮气改善开发效果实验研究［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2010，32（2）：108-112.

［9］张勇.直井-水平井组合多介质辅助重力泄油实验研究［J］.化学工程师，2012，196（1）：25-27

［10］李兆敏，王勇，等.烟道气辅助SAGD 数值模拟研究［J］.特种油气藏，2011，18（1）:58-60

［11］孙而杰，刘其成，等.直井与水平井组合生产开采机理三维物模研究［C］.《第五届全国特种油气藏技术研讨会优秀论文集》（2012年）石油工业出版社，2012，378-381.