1、重力穩定泄油火燃油層機理及重力穩定泄油火燃油層機理及應用研究應用研究任韶然任韶然 中國石油大學（華東）中國石油大學（華東）2011年年1月月 內容提要內容提要 重力泄油火燒油層技術重力泄油火燒油層技術 研究目的研究目的 研究內容和技術路線研究內容和技術路線1.技術指標技術指標一、課題立項的必要性分析一、課題立項的必要性分析二、課題目標和任務二、課題目標和任務三、課題技術方案三、課題技術方案四、基礎條件和優勢四、基礎條件和優勢五、課題組織方式及管理機制五、課題組織方式及管理機制六、課題預算及籌資方案六、課題預算及籌資方案SAGD and Vapex 原原理：水平井組理：水平井組注井：水平井產油井

2、油水油水蒸汽或溶解油氣腔蒸汽或溶解油氣腔體體 ( steam or vapour chamber )Unswept zone未被驅替區未被驅替區火燒油層原理火燒油層原理注空氣井注空氣井燃燒區燃燒區生產井生產井冷油區冷油區油焦油焦高溫氧化400-600 C燃料(焦)稠油開發技術稠油開發技術火燒油層火燒油層工藝原理工藝原理Air Injection wellProducer well火燒油層火燒油層-機理機理Burger. J.G. et al: Thermal Methods of Oil Recovery, Insitut Fracncais du Petrole Publications,

3、(1985). Combustion front propagation最大波及最大波及效率效率 62%火燒油層火燒油層-機理機理9Air, O2, Air + H2O, Cycles, etc.Swept zoneCombustion zoneReaction zoneCool zoneOverride-氣頂竄氣頂竄ChannelingWell burnoutShearGas breakthrough現場經驗 (1965-1985)Old Combustion Concepts( Courtesy of Prof. M. Dusseault)9Oil bank(油聚集)反應降低-fail!傳

4、統火燒油層工藝傳統火燒油層工藝重力穩定泄油重力穩定泄油傳統的傳統的ISC井位布局：長井距井位布局：長井距Injection wellVerticalproducer wellSAGD and VAPEX：短井距：短井距Injection wellHorizontalproducer well水平井火燒油層新工藝水平井火燒油層新工藝t1t2t3t4Injection wellHorizontalproducer well水平井火燒油層水平井火燒油層Mobile oil zone (MOZ)Air & WaterCombustion zoneProducer wellInjection w

5、ellCold Heavy OilCoke zoneToeHeelCold Heavy Oil注氣井Air生產井ToeHeel水平井火燒油層水平井火燒油層Producer wellToeCold Heavy OilCoke zoneInjection wellMOZHeel水平井火燒油層水平井火燒油層起動點火Cold Heavy OilToeHeelInjection wellCoke zoneMOZProducer wellHeavy residual/coke水平井火燒油層水平井火燒油層注氣井注氣井-生產井生產井 井距短井距短重力穩定驅替重力穩定驅替減少氣竄頂減少氣竄頂適用于不流動的超稠油

6、適用于不流動的超稠油水平井火燒油層水平井火燒油層高效的燃燒過程高效的燃燒過程英國英國Bath大學大學THAI火燒油層實驗研究火燒油層實驗研究Gas AnalysersAirN2H2OControllerPCA/D interfaceD/A interfaceGas/LiquidSeparationSamples3-D cell火燒油層實驗火燒油層實驗0510152005101520253035404550556005油砂填充Injection well溫度測試0cm20cm40cm50cm60cm10cm Coke Zone53cm 60 cm油焦在油管內沉淀油焦在油管內沉淀實測的溫度場: 1

7、1 小時Horizontal producerInjection well水平井火燒油層實驗水平井火燒油層實驗Vertical mid-planeHorizontal mid-planeVertical mid-planeHorizontal producerCoke deposit水平井火燒油層實驗水平井火燒油層實驗(a) t = 35 min(b) t = 120 min(d) t = 600 min(c) t = 360 min水平井火燒油層實驗水平井火燒油層實驗Time (min)0100200300400500600Oil production rate (ml/min)024681

8、01214Wet combustion產油率： Athabasca Tar Sand BitumenTime (min)060120180240300360420480540600660720API point of the produced oil101214161820Run 984 Dry com bustionRun 985 W et Com bustion實測的產出油實測的產出油API 重度重度(干燒及濕燒干燒及濕燒) ：Wolf Lake oil (viscosity 50,000 mPa.s). Time (min)060120180240300360420480540600AP

9、I density of the Produced Oil10152025Run 2000-01Run 2000-02Wet Combustion 火燒油層過程中產油的火燒油層過程中產油的API重度變化：重度變化：Athabasca tar sand.CatalyticNon-catalytic油藏數值模擬油藏數值模擬 temperaturetemperature 模擬實驗室實驗：溫度場模擬實驗室實驗：溫度場 (600 min)oxygenoxygen實驗室實驗模擬：氧氣分布場實驗室實驗模擬：氧氣分布場oil recovery & in situ upgradingoil recove

10、ry & in situ upgrading實驗室實驗模擬：產油量及油重度變化實驗室實驗模擬：產油量及油重度變化油田模擬：溫度場油田模擬：溫度場燃燒過程穩定燃燒過程穩定 驅替效率高：驅替效率高： 80-85% OOIP80-85% OOIP產產 出出 油油 品品 位位 升級升級 ： 6-8 6-8 o oAPIAPI空氣可空氣可注性高，注性高， 產油率高產油率高可用于有氣頂和底水的油藏可用于有氣頂和底水的油藏水平井火燒油層工藝特點水平井火燒油層工藝特點現場試驗現場試驗 (Pilot)PetroBank Ltd. Canada現場試驗現場試驗, PetroBank Ltd. Canada

11、三組井, 100m間隔水平井段長水平井段長500m, 井井深深 500m油層厚油層厚10m19口口 觀察井觀察井：P/T瀝青質油砂瀝青質油砂, API o8設計產油設計產油 629 桶桶/天天產水產水189 桶桶/天天注氣量注氣量3百萬百萬ft3/天天空氣空氣/油比油比1500 m3/m3總投資總投資$3千萬千萬*地面設備：空氣壓縮機, 移動蒸汽發生器，分離裝置，管線風險及安全問題風險及安全問題n空氣突破到水平井？空氣突破到水平井？n高溫對生產井結構的影響？高溫對生產井結構的影響？n腐蝕腐蝕n點火點火及重新及重新點火點火n注氣井：可注性注氣井：可注性n生產井生產井: pump? 氣舉氣舉?n注

12、空氣安全？注空氣安全？加加PetroBnak公司公司THAI現場試驗設計現場試驗設計：設計了設計了3組井組井, 100m間隔間隔水平井段長水平井段長500m, 井深井深 500m油層厚油層厚10m19口口 觀察井：測試觀察井：測試P/T瀝青質油砂瀝青質油砂, API o8設計產油設計產油 629 桶桶/天天產水產水189 桶桶/天天注氣量注氣量 3百萬百萬ft3/天天預計空氣預計空氣/油比油比1500 m3/m3燃燒前注蒸汽燃燒前注蒸汽2個月，將地層溫度提高到個月，將地層溫度提高到200C， 同同時建立注入井和水平產井的通道。時建立注入井和水平產井的通道。現場試驗方案設計現場試驗方案設計現場試

13、驗現場試驗結果（結果（WHITESANDS THAI Field Pilot）總井數：三對總井數：三對目標油藏：砂厚大于目標油藏：砂厚大于20m；生產井：水平段長度生產井：水平段長度500-700m，井距，井距100m注入井：垂直井，與生產井距離注入井：垂直井，與生產井距離18m。其它井：其它井：10口觀測井，測量口觀測井，測量17處溫度及處溫度及2處壓力處壓力預熱階段：預熱階段：2006年年3月月7月，注采井均注，累積注入月，注采井均注，累積注入8000m3蒸汽蒸汽開發效果：開發效果：2006年年12月，空氣注入速率月，空氣注入速率90,000m3/day，燃燒前緣，燃燒前緣溫度溫度7008

14、00，氧氣含量，氧氣含量0%，未未“短路短路”竄出，含水率竄出，含水率85%降至降至70%后逐漸降至后逐漸降至50%，日產液量，日產液量159m3，出砂率低于，出砂率低于1%。FIVE RIVER PHASE PROJECT：1、地質情況：、地質情況： 孔隙度孔隙度 34% ， 滲透率滲透率 50008000md，垂向滲透率，垂向滲透率0.9倍倍IJ方方向向 飽和度飽和度80%2 2、點火方式、點火方式- -加熱后加熱后自燃：注蒸汽自燃：注蒸汽3 3個月加熱地層（個月加熱地層（ 100100), ), 注空氣自燃注空氣自燃3、 布井方式布井方式總井數總井數18對，對，4個平臺個平臺生產井：生產

15、井：18口，水平井段長口，水平井段長500-700m，間距，間距125m；距油層底部；距油層底部2m；射孔；射孔210到到215m注入井：注入井：18口，距油層底部口，距油層底部20m；射孔；射孔225 到到235m四、注入設計四、注入設計預熱階段：蒸汽預熱階段：蒸汽75m3/day 3個月個月燃燒生產階段：生產井注蒸汽燃燒生產階段：生產井注蒸汽10m3/day維持井溫；空氣注入速率：隨燃燒維持井溫；空氣注入速率：隨燃燒面積擴大，由面積擴大，由10,000 m3/day升高至升高至125,000m3/day；1 1、 注氣井注氣井- -生產井井距短，聯通性好，生產井井距短，聯通性好，適合于高粘

16、（不流動）稠油；適合于高粘（不流動）稠油；2 2、重力穩定泄油（驅替），減少氣竄和超覆；、重力穩定泄油（驅替），減少氣竄和超覆；有助于維持高效的燃燒過程；有助于維持高效的燃燒過程；3. 3. 與水平井結合，單井控油和泄油空間大，與水平井結合，單井控油和泄油空間大，油藏綜合采收率高油藏綜合采收率高工藝特點：工藝特點：研究要點研究要點研究目標研究目標1、 針對目標區塊，根據火燒油層機理和工藝要求，針對目標區塊，根據火燒油層機理和工藝要求，通過加速熱力計（通過加速熱力計（ARC）、燃燒管和三維模型實驗，）、燃燒管和三維模型實驗，測定原油燃燒反應動力學參數及反應熱焓，建立目標測定原油燃燒反應動力學參數

17、及反應熱焓，建立目標區塊燃燒反應動力學模型，進行可燃性評價。區塊燃燒反應動力學模型，進行可燃性評價。2、 根據室內實驗結果，進行目標區塊的油藏數值模根據室內實驗結果，進行目標區塊的油藏數值模擬研究，模擬和監測燃燒前緣的發展及油藏動態，提擬研究，模擬和監測燃燒前緣的發展及油藏動態，提出水平采油井設計、采油工藝和火燒前緣監測方案，出水平采油井設計、采油工藝和火燒前緣監測方案，為礦場方案制定提出指導性的意見。為礦場方案制定提出指導性的意見。主要研究內容：主要研究內容：目標油藏原油可燃性和高溫氧化反應可持續性評價目標油藏原油可燃性和高溫氧化反應可持續性評價 2. 燃燒燃燒-高溫氧化機理研究高溫氧化機理

18、研究 高溫氧化反應動力學及數值模擬方法高溫氧化反應動力學及數值模擬方法火燒前緣監測技術火燒前緣監測技術油藏篩選和適應性研究油藏篩選和適應性研究1. 重力穩定泄油火燒油層工藝設計和方案優化重力穩定泄油火燒油層工藝設計和方案優化主要研究內容：主要研究內容：目標油藏原油可燃性評價和高溫氧化反應可持續性評價目標油藏原油可燃性評價和高溫氧化反應可持續性評價 通過加速熱力計（通過加速熱力計（ARC）在近絕熱條件下，進行目標油藏的可燃性）在近絕熱條件下，進行目標油藏的可燃性評價實驗，評價目標油藏原油的可燃性和高溫氧化反應的可持續性，即評價實驗，評價目標油藏原油的可燃性和高溫氧化反應的可持續性，即對一定量原油

19、從低溫到高溫連續加熱，測試氧化反應產生的溫度變化，對一定量原油從低溫到高溫連續加熱，測試氧化反應產生的溫度變化，分析從低溫氧化到高溫氧化的轉化的可持續性，計算放熱量，評價高溫分析從低溫氧化到高溫氧化的轉化的可持續性，計算放熱量，評價高溫燃燒的穩定性。燃燒的穩定性。2. 燃燒燃燒-高溫氧化機理研究：高溫氧化機理研究： 結合結合ARC實驗結果，進行靜態氧化反應實驗，分析原油燃燒前后的實驗結果，進行靜態氧化反應實驗，分析原油燃燒前后的組分（采用色譜和組分（采用色譜和4組分方法組分方法-飽和烴、芳香烴、膠質和瀝青，分析參與飽和烴、芳香烴、膠質和瀝青，分析參與燃燒的組分。燃燒的組分。 通過進行一維燃燒管

20、或三維填砂模型實驗，研究原油高溫氧化反應通過進行一維燃燒管或三維填砂模型實驗，研究原油高溫氧化反應的產物和反應中溫度變化，分析燃燒機理、反應物和產物、反應熱焓。的產物和反應中溫度變化，分析燃燒機理、反應物和產物、反應熱焓。 單組分反應實驗：進行不同飽和烴、蠟和瀝青的氧化實驗，在不斷單組分反應實驗：進行不同飽和烴、蠟和瀝青的氧化實驗，在不斷加溫過程中，測試其低溫氧化加溫過程中，測試其低溫氧化-高溫氧化轉化的過程，評價保持穩定燃燒高溫氧化轉化的過程，評價保持穩定燃燒的可行性，分析參入高溫氧化反應的組分。的可行性，分析參入高溫氧化反應的組分。主要研究內容：主要研究內容：3. 3. 高溫氧化反應動力學

21、及數值模擬方法高溫氧化反應動力學及數值模擬方法 根據物理模擬實驗的擬合，確定數學模型中的裂解和氧化反根據物理模擬實驗的擬合，確定數學模型中的裂解和氧化反應相關參數；提出適用于重力穩定泄油火驅技術油藏數值模擬應相關參數；提出適用于重力穩定泄油火驅技術油藏數值模擬的燃燒動力學模型。的燃燒動力學模型。 建立目標區塊的油藏數值模擬模型，研究重力穩定泄油火驅建立目標區塊的油藏數值模擬模型，研究重力穩定泄油火驅技術對地質參數（合理厚度界限、油品性質、不同物性技術對地質參數（合理厚度界限、油品性質、不同物性Kv/KhKv/Kh等）的敏感性；進行注采系統優化研究（注采井平面、縱向匹等）的敏感性；進行注采系統優

22、化研究（注采井平面、縱向匹配關系優化、注采參數優化），研究試驗井組的開發指標：包配關系優化、注采參數優化），研究試驗井組的開發指標：包括泄油空間大小、火燒前緣溫度、水平井段溫度、產液和產氣括泄油空間大小、火燒前緣溫度、水平井段溫度、產液和產氣量等，為采油工藝設計提供依據。量等，為采油工藝設計提供依據。4. 4. 火燒前緣監測技術火燒前緣監測技術 研究不同的火燒前緣監測技術的應用，包括監測井測試、物研究不同的火燒前緣監測技術的應用，包括監測井測試、物質平衡分析、失蹤劑測試分析、微地震監測等技術，結合油藏質平衡分析、失蹤劑測試分析、微地震監測等技術，結合油藏數值模擬結果，提出現場監測方案。數值模擬結果，提出現場監測方案。主要研究內容：主要研究內容：5. 5. 油藏篩選和適應性研究油藏篩選和適應性研究 通過調研、室內實驗和現場經驗，提出通過調研、室內實驗和現場經驗，提出重力穩定泄油火燒油重力穩定泄油火燒油層工藝的層工藝的油藏評價及選擇方法，研究油藏評價及選擇方法，研究其其油藏適應范圍和條件，油藏適應范圍和條件，包括包括油藏類型、油藏類型、6. 6. 重力穩定泄油火燒油層工藝設計和方案優化重力穩定泄油火燒油層工藝設計和方案優化 根據油藏數值模擬結果，提出空氣注入