井下电加热蒸汽发生系统的注水-储层协调特性及运行决策方法

《Geoenergy Science and Engineering》：Injection-Reservoir Coordination Characteristics and Operational Decision Method for Downhole Electrical Heating Steam Generation Systems

　　•喷射器式热液模型用于描述电加热产生的蒸汽。•井筒-储层注入-吸入法用于分析协同运行状态。•参数选择需在蒸汽品质、低品质风险和能耗之间取得平衡。•代理优化框架可快速筛选并给出推荐方案。

引言
重油资源在全球剩余可开采石油储备中占比相当大。包括蒸汽驱、循环蒸汽刺激法和蒸汽辅助重力泄油法在内的热采技术，依然是开发重油储层的主要方法（Temizel等人，2018；Gomaa等人，2024）。随着重油开采逐渐向深层及超深层储层延伸，保持足够的井底蒸汽品质变得愈发重要。蒸汽品质不足会降低传递到储层的有效热量，减弱热刺激强度，还可能限制加热区的稳定发展。因此，井底蒸汽品质与蒸汽注入效率已成为制约热采效果进一步提升的关键工程因素。

在传统的井口蒸汽注入方案中，蒸汽由地面锅炉产生，通过地面管道输送，再通过井筒注入储层（Gwak和Bae，2010；Al-Ajmi等人，2018）。在这一过程中，尤其是在深层和高压注入井中，地面管道及井筒沿线会出现大量热量损失（Wang等人，2010；Al-Mashrafi等人，2021）。这就导致井底蒸汽品质显著下降，使得注入储层的有效热量不足，无法满足深层重油储层对注入强度和稳定性的要求。为克服这些局限，人们提出了利用电加热实现井下蒸汽生成的技术。在这种工艺中，电能会在注入井内转化为热能，注入的水或低品质蒸汽在进入储层前就在加热段被加热。这种方法将部分蒸汽生成或再热功能从地面设施转移到了井下区域，从而减少了深井中长距离蒸汽输送带来的不利影响（Al-Mashrafi等人，2021）。近期在重油储层中的现场应用表明，井下电加热能够有效提升井底蒸汽品质（Zhong等人，2013；L. L. Yang等人，2024a），并提高产量（Zhu等人，2015；Zhang等人，2025b），显示出其在深层重油热采中的实用潜力（Castrogiovanni等人，2011）。

几十年来，人们一直在研究井下电加热在重油开采中的应用，主要涉及生产井电加热、井口附近粘度降低、热前沿传播以及电辅助提高采收率等方面。在这些研究中，电能通常被视为作用于地层或井口附近区域的热源。核心建模任务是描述热量在储层中的传导或分布方式，以及由此产生的温度升高如何提升油的流动性及采收效果。Vinsome等人（1994）将电加热纳入热储层模拟器中，用于评估井口附近的加热效果及产量提升情况，为将电能输入与储层热响应相结合提供了早期框架。Karanikas等人（2020）研究了配备井下电加热装置的长水平生产井，并结合实际生产数据，展示了电加热如何促进热前沿传播并提升产量。关于电磁加热和电辅助采收的更广泛研究则进一步探讨了如何将电能或电磁能与溶剂、气体或其他采收工艺结合，以提升石油产量并实现碳储存（Yadali Jamaloei，2022；Zhang等人，2025a）。这些研究证明了电加热在重油开采中的可行性和价值。不过，这些研究主要关注地层或生产井附近的加热效果，其目标在于提升油的流动性和采收效果。

本研究所探讨的注入井井下蒸汽生成问题，在传热路径和运行目标上都与上述应用有所不同。在注入井井下蒸汽生成过程中，电能会在注入井内转化为热能，然后直接传递给注入的水或低品质蒸汽，使其在进入储层之前就被加热。因此，电能输入的直接影响就是井筒内流体的焓值、相态以及井底蒸汽品质的变化。这个问题需要对井筒流动、传热、相变以及蒸汽品质演变进行准确描述。经典的井筒传热模型为评估蒸汽注入过程中的热量损失奠定了基础，同时也明确了径向热阻以及周围地层中的瞬态热传导所带来的影响（Ramey，1962；Willhite，1967）。后续的研究则引入了两相流、非等温效应以及蒸汽品质计算方法，用于预测蒸汽注入井内的压力、温度和品质分布情况（Hasan和Kabir，1994；Bahonar等人，2011；Cao和Gu，2015）。最近，人们又开发出了电加热式井下蒸汽生成模型，并通过现场规模的加热试验对其进行了验证，为分析深井中的蒸汽品质提升问题提供了重要依据（L. Yang等人，2024b）。这些研究为井下蒸汽生成问题的井筒计算提供了物理基础。不过，大多数这类研究都是用于在给定的操作参数下预测热力和水力分布情况。

在实际作业中，仅依靠井筒正向计算是不够的，因为生成的蒸汽还必须能够在现有的压力和注入能力条件下被储层接纳。这一要求就带来了井底协调问题。在井底节点，井筒会以一定的压力、温度、注入速率和蒸汽品质输送加热后的流体，而储层则根据其压力和注入能力决定自身的吸收能力。如果这两方面不能合理匹配，井筒产生的蒸汽可能无法被储层有效接纳，或者储层要求的注入条件可能无法满足蒸汽品质的要求。人们已经运用耦合井筒-储层分析方法和节点分析概念，来描述热采系统中的蒸汽注入性能以及供需匹配情况。Duncan等人（2015）通过考虑热效应和闪蒸效应，为SAGD系统开发了耦合井筒-储层模型，证明了井底作为供需耦合节点的关键作用。Li等人（2015）则建立了用于分析水平蒸汽注入井的耦合模型，以研究井筒热量损失及非均匀注入分布情况。然而，现有的耦合分析主要侧重于压力-速率匹配或井筒热分布预测，而井底蒸汽品质通常只是作为计算结果出现，而非在操作参数选择时的工程可行性标准。

在实际作业中，必须通过调整操作参数来实现注入井与储层之间的协调。基于物理原理的协调模型本质上是一种正向模型。对于给定的电加热功率、井口注入速率和井口压力，该模型可以计算出相应的井底状态和蒸汽品质。但实际作业则需要反向决策——对于给定的储层压力和注入能力条件，操作人员需要确定是否存在可行的注入状态，进而选择既能满足蒸汽品质要求又能避免不必要的能量消耗的加热功率和注入速率。由于不同的加热功率、注入速率和井口压力组合可能会产生可行的注入状态，因此参数选择实际上就是在工程目标指导下，对最优操作方案进行的受限搜索。在热采过程中的蒸汽注入参数设计中，优化方法和代理辅助方法越来越被广泛应用。以往的研究曾运用响应面模型、粒子群优化以及数据驱动的代理模型，来优化注入温度、压力或速率，从而减少重复模拟带来的计算负担（Swadesi等人，2021；Monteiro等人，2022；Mir和Siavashi，2023）。这些方法充分体现了优化和代理建模在复杂注入系统中的应用价值。在本研究中，优化步骤用于在可行的解空间中，通过平衡蒸汽品质裕度和电能消耗，选出基于物理原理的操作参数方案。随后引入代理模型作为加速工具，用于学习从储层状态到可行性以及推荐操作参数的映射关系。因此，代理模型并非仅仅替代井筒计算功能，而是在将物理协调和工程偏好纳入操作参数方案之后，用于快速做出决策的工具。

本研究提出了一种基于物理原理的注入井井下电加热蒸汽生成协调与参数选择方法。首先，建立井筒井下蒸汽生成模型，描述电加热功率如何影响多相流、传热、相变以及井底蒸汽品质。其次，将井筒模型与井底节点处的储层注入能力关系相耦合，从而实现蒸汽生成能力与储层吸收能力的协调。第三，引入参数选择流程，通过考虑蒸汽品质裕度、低品质风险以及电能消耗，从协调可行的操作空间中筛选出操作参数方案。最后，基于物理模型生成的合成模拟案例，构建代理辅助优化框架，用于在不同储层状态下快速进行可行性筛选和操作参数推荐。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍该方法，包括基于物理原理的注入-储层协调模型、参数选择流程以及两阶段代理决策模型。第3节阐述案例设置，并讨论相关结果，包括模型验证、不同储层状态下的协调行为、可行性分类、操作参数预测以及计算效率评估。第4节总结主要结论，并探讨所提框架的适用性及局限性。

方法论
在注入作业过程中，井底注入条件是由井筒内的蒸汽生成情况以及储层的注入能力共同决定的。为捕捉这种耦合行为，本研究建立了在井下电加热条件下的井筒流动、传热、相变、蒸汽品质演变以及储层吸收的统一物理描述。基于这一物理模型，将协调的注入过程整合为一个方法论框架。

结果与讨论
本节介绍并分析在井下电加热蒸汽生成条件下的研究结果，重点关注注入-储层协调行为以及所提出的代理决策模型的性能。结果从两个互补的角度进行分析：一是基于物理原理的模型所反映的协调特征及其对操作条件的影响；二是代理模型在操作可行性方面的表现。

总结与结论
本研究解决了井下电加热蒸汽生成系统的操作参数设计问题，其中井底蒸汽品质受到加热功率、注入条件、井筒蒸汽生成行为以及储层吸收能力等多方面因素的共同影响。本研究开发了基于物理原理的模型以及代理辅助优化设计框架，用于模拟系统运行状态、分析注入-储层协调情况，并为快速确定操作参数提供支持。

CRediT作者贡献说明
韩国清：写作——审阅与编辑、监督、方法论。吴青霞：概念构建、数据整理、方法论、可视化、写作——初稿撰写。梁兴远：写作——审阅与编辑、调研、资金获取、数据整理。朱志勇：写作——审阅与编辑、方法论、概念构建。

未引用参考文献
Zhang等人，2025年。

数据可用性
数据将应要求提供。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国石油大学（北京）科学基金会（编号2462023YJRC019）以及国家自然科学基金委员会（编号52204059）的支持。

吴青霞|韩国清|朱志勇|梁兴远