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稠油開采技術

一

、國內外研究現狀在過去的時間里，全球工業化應用的稠油開采技術，一般只適用于粘度低于

a·

的普通稠油，目前國內外針對超稠油的開采技術發展較快，已進入礦場先導試驗階段或工業型試驗階段的技術有:蒸汽吞吐、蒸汽驅、水平井蒸汽輔助重力泄油技術、水平裂縫輔助蒸汽驅、火燒驅技術。從目前國內外稠油開采情況看，由于超稠油原油粘度高，油層條件下流動能力低，依靠壓差驅動的方式難以獲得成功。在國內，對蒸汽輔助重力泄油開發方式進行詳細研究的單位有遼河油田、新疆石油管理局、總公司研究院。

年遼河油田和總公司研究院曾與加拿大

公司合作，研究認為在杜

塊興隆臺油層興

V

工組、館陶油層可采用

開發，最終采收率為。在國外，蒸汽輔助重力泄油開發方式在加拿大和委內瑞拉獲得了商業化成功應用，尤其在加拿大在不同類型的油田中已經開展了

個商業化開采油田，其中兩個規模較大的油田已建成了日產

噸重油的產能，另一個油田已建成日產

噸產能，預計

年在加拿大依靠重力泄油開采方式的重油產量將超過每天

采重油，特別是超稠油的主要手段。重力泄油開采方式的最終采收率一般超過

，高的可以達到

以上。二

、

機理介紹蒸汽輔助重力泄油技術是開發超稠油的一項前沿技術，其理論首先是羅杰·巴特勒博士于

年提出的，最初的概念是基于注水采鹽

/

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稠油開采技術的原理，即注入的淡水將鹽層中的固體鹽溶解，濃度大的鹽溶液由于其密度大面向下流動，而密度相對較小的水溶液浮在上面，這樣可以通過持續在鹽層的上面注水，從鹽層的下部連續的將高濃度的鹽溶液采出。高濃度鹽溶液向下流動的動力就是水與含鹽溶液的密度差，將這一原理用于住蒸汽熱采過程中就產生力重力泄油的概念。對于在地層原始條件下沒有流動能力的高粘度原油，要實現注采井之間的熱連通，需經歷油層預熱階段。形成熱連通后，注入的蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側面移動，與油層中的原油發生熱交換，加熱的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的生產井中產出。目前

有三種布井方式，即在靠近油藏的底部鉆一對上下平行的水平井，上面水平井注汽，下面水平井采油；第二種是直井與水平井組合方式，即在油藏底部鉆一口水平井，在其上方鉆一口或幾口垂直井，垂直井注汽，水平井采油；第三種是單管水平井

，即使蒸汽腔沿水平井逆向擴展。

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稠油開采技術

過程有如下特征：①

利用重力作為驅動原油的主要動力，加熱原油不必驅動而直接流入生產井;②

主要利用蒸汽的汽化潛熱加熱油藏；③

通過重力作用利用水平井生產獲得相當高的采油速度；④

采收率高，油汽比高；⑤

除了大面積的頁巖夾層，對油藏非均質性不敏感。三

、

影響

的地質參數(l)油層厚度由于

重力作用越明顯，反之，若油層厚度太小，不但重力作用小，而且上下圍巖的熱損失增大，還會降低油比。另外，在井距一定的情況下，瀝青產量與油層厚度的平方根近似成比例。油層滲透率垂向滲透率K

主要影響蒸汽上升速度，因此在厚度大、滲透率低的油藏中更加重要

;水平滲透率

K

主要影響蒸汽室的側向擴展，因此在厚度較小的油藏中，且井對間距離又較大的情況下更加重要。原油粘溫關系由于

生產機理的特殊性，原油粘度不是一個主要因素，根據加拿大UTF

項目的經驗，在初期預熱的情況下，原油粘度高達

·

的瀝青砂仍可得到經濟有效的開發。但原油粘度隨溫度的變化關系將影響

蒸汽前緣瀝青的泄流速度，因此也影響蒸汽前緣推進速度與產油速度。

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稠油開采技術而且套管溫度升高超過安全極限也會受到破壞。因此，對于

開采，油藏深度一般小于。薄夾層的影響在厚層塊狀砂體中常有零星分布的低滲透或非滲透薄夾層，這些薄夾層對蒸汽室的擴展必將產生影響。然而如果夾層很小且在空間上廣泛分布，也不會嚴重地阻止質量轉換，實際上還會增加斜面數量有利于熱傳導。底水的影響一般油藏都存在有底水。底水的存在會降低

過程的原油采收率，但總的來說，影響并不大。這是因為

生產過程中，蒸汽壓力是穩定的，且水平井采油的生產壓差小，不會引起大的水錐，油水界面可基本保持穩定。四

、

注采工藝參數的影響 蒸汽干度蒸汽干度是

開發的重要指標,在

階段,注入蒸汽中只有潛熱部分用于汽腔的擴展和冷油區的加熱,而注入蒸汽的凝積水部分則以幾乎相同的溫度從生產井中采出,對冷油區的加熱作用很小。注汽干度過低,,

階段要求的井口蒸汽干度很高,,隨著蒸汽干度的提高,

時,采出程度維持較高水平,現場操作時應當盡可能提高井底干度

,要求的井口蒸汽干度達到以上,井底干度大于

。采用汽水分離器及高效真空隔熱管

+封隔器的組合管柱,增加注汽干度,降低井筒熱損失,井口注汽干度達到保證井下干度大于。

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稠油開采技術 蒸汽速率注汽速率取決于注入井的注入壓力、吸汽能力、生產井的排液能力和油層中蒸汽腔的大小

,注汽速率過低

,熱損失加大,井底干度低,井組含,水高、產油量低。為了保證穩定的蒸汽腔和汽液界面

階段一般,注汽速度為采液速度的

倍采注比

。在轉

初期,為了使蒸汽腔快速發育并連通,需多口注汽井參與注汽,同時也可通過優化注汽參數來調整水平段的動用程度。為了保證井底的高干度,單直井的注汽速率必須大于單水平井的注汽速率必須大于

。 生產井排液能力生產井排液能力對影響很大,生產井必須具備足夠的排液能力,,導致凝析液聚集在生產井上方,注采井間的蒸汽帶變成液相帶,,汽液界面就會下降,蒸汽被直接采出,液速度應該與蒸汽腔的泄油速度相匹配,使汽液界面恰好在生產井上方,使洗油效率和熱效率達到最高。數值模擬研究表明,當排液速度達到注汽速度的

倍時,產油量及油汽比增加的幅度最高,根據水平段長度計算單井采液量為

。因此,需要采用耐高溫大排量舉升系統及配套的工藝設備,滿足舉升要求。五

、

階段產量預測 成對水平井重力泄油產量預測經典的

面的水平井采油。從蒸汽腔的形成、沿頂部向外擴展到下降，可以將

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稠油開采技術生產過程劃分為三個階段:(i)蒸汽腔上升階段，油產量隨時間而增加，;(ii)蒸汽腔沿油層的;(iii)當蒸汽腔擴展到油藏邊界或井組的控制邊界時，蒸汽腔沿邊界下降，油井產量也隨之降低。當原油產量達到經濟極限時，開采過程結束。從技術的機理和預測理論進行了大量的相似物理模擬實驗和理論研究，得出了重力泄油各個不同階段的油產量預測公式:蒸汽腔上升階段:

mv

（）蒸汽腔上升至油層頂部并達到高峰穩定產量所需的時間：

mv

式中：mv

（）蒸汽腔向外擴展時的油產量可以用下式預測：q

L

mv

（）當蒸汽腔到達井組邊界或者油藏邊界時，其產量為：

/

q

L

Lq

L

L

h h

mv 式中：g——重力加速度，

m/

——生產井以上部分的純油層厚度，m

（）——油層中油相的有效滲透率，

m

L—一水平井水平段的有效長度，mm——原油粘度系數q——油產量，

m/d——時間，天——油層初始溫度，℃——蒸汽腔溫度，℃——水平生產井離泄油邊界的距離，m

——油層熱擴散系數，

m/dV——原油運動粘度，

m/d

油層孔隙度，小數

蒸汽溫度下的可動油飽和度（

直井注汽，水平井采油方式的油產量預測公式采用直井注汽時，由于蒸汽很快就充滿了整個油層高度，汽腔的發展主要是蒸汽的向外擴展。其油產量可以用下面的公式預測:

q

NL

mv

mv

i

（）其中

為垂直注入井的井數，

Li

為垂直注汽井之間的距離。采用

/

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稠油開采技術直井注汽，水平生產井達到高峰油產量所需要的時間可以預測如下

L

N

i

mv

當蒸汽腔到達井組邊界或者油藏邊界時，其產量可以用公式（）預測。可以看出采用直井注汽時，油井達到高峰產量的時間與注入井的井數和垂直井之間的距離有關。現階段開展直井與水平井組合

試驗具備很多有利條件采取直井與水平井組合方式具有以下有利條件:(l)利用現有的直井作為注汽井，可大大節約鉆井費用;吞吐階段降低了地層壓力，吞吐井之間的汽竄有助于加快水平生產井和注汽直井之間的熱連通;

采取直井與水平井組合方式能夠克服平行水平井鉆井技術難題;在直井與水平井組合方式下，通過調節各直井的注汽量能夠保持蒸汽沿水平段均勻分布;在直井與水平井組合方式下，通過優選注汽井及優化直井射孔井段可以達到減少油層非均質性如夾層影響的目的。六

、

稠油開采余熱綜合方案及其實施

技術開采稠油的采出液溫度在

—℃之間，屬于中低溫余熱源。中低溫余熱的利用共有三種途徑:余熱的直接利用、余熱的動力回收利以及余熱的綜合利用。 余熱直接利用方案的分析研究

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稠油開采技術

技術采油區的產出液中，多余熱量最佳的利用途徑是用于油田的自身用熱，這種方式大大節省了油田利用其它方式來產生熱量的投資。余熱用于油田自身主要有以下幾個方面。一、原油伴熱在原油的集輸和儲運過程中，由于原油粘度較大，需進行加溫來維持一定的流動性，以便輸送、儲存或拉運。傳統方法是在儲油罐內部設置帶有絕緣套管的電加熱棒對單井儲油罐內原油進行加溫，此種電加熱棒加溫的方式存在極大的弊端，當電加熱棒外部絕緣套管破損后，極易與儲油罐內的可燃性氣體相接觸，引起儲油罐爆炸:同時，采用電加熱棒為輸油管線及儲油罐加溫還存在電能消耗量大以及成本高等問題。因此，可利用

℃的產出液通過換熱器換熱.將熱水輸送到其它需要伴熱輸送的原油處。應用該技術后，無需在油罐內部安裝電加熱器裝置，避免了儲油罐電加熱器因腐蝕漏電而引起爆炸等安全問題，安全系數大大提高。二、注汽鍋爐用熱

技術的開采方式是連續注汽、連續采油，生產蒸汽的注汽鍋爐是不可缺少的設備。注汽鍋爐即是產生熱量的設備，又是消耗大量熱量的設備。因此，若將采出液中的余熱用于鍋爐以產生蒸汽，不僅可以提高鍋爐的經濟效益，而且節省了大量的燃料，減少了環境污染。注汽鍋爐用熱主要有空氣預熱、鍋爐給水預熱以及燃料油預熱等。空氣預熱:燃料油燃燒時需要消耗大量的空氣，若將高溫的產出液通過換熱器對進入爐內的空氣進行預熱，則進入爐內的熱空氣，不僅加速了燃料油的干燥、著火和燃燒過程，起著改善、強化燃燒的作

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稠油開采技術用，而且還可以強化爐內輻射傳熱，降低燃料油的化學不完全燃燒損失。此外，熱空氣還可作為燃料油的干燥劑，提高燃燒效率。鍋爐給水預熱

:除對進入爐內的空氣預熱外，還可通過一種鍋爐外置預熱裝置對鍋爐給水進行預熱，再將預熱后的給水引入鍋爐進行加熱。這樣，不僅縮短了給水產生蒸汽的時間，還可以減少由于爐管內外溫差較大而引起結垢現象的發生。燃料油預熱:對進入爐內的燃料油進行預熱，可以改善并強化燃燒，使燃料油充分燃燒，減少了燃料油的用量，可節省大量的資金。三、采暖和生活用熱水遼河油田

技術采油地區冬天氣候較為寒冷，油田生產部門需要進行采暖，以保證工作環境的舒適。因此，可利用換熱器將溫度較高的采出液進行換熱，為生產部門提供采暖和熱水用熱，也可用于周邊地區的采暖和生活用水。鑒于油田生產現場距離周邊用熱地區較

℃以上變成過熱水，使得熱輸送密度增大，這樣可適用于遠距離輸送以實現大規模地域的供熱。與蒸汽相比，過熱水的熱損失少，容易敷設管線。四、制冷這些余熱冬季可供取暖，而夏季除了油田自用外，沒有什么特別好的用途，大部分也將會被廢棄掉，若采用溴化鋰制冷則為夏季余熱提高全年的綜合經濟效益，而且可減少夏季制冷用電負荷，具有節能、節電綜合利用的雙重效益。溴化鋰利用余熱吸收制冷可以利用已有的供熱管網和換熱器滿足取暖和制冷需要，不需另建大量管網，具有較

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稠油開采技術大的應用前景。溴化鋰吸收式制冷機是基于溴化鋰水溶液在常溫下特別是在溫度較低時強烈地吸收水蒸氣，而在高溫下將其吸收的水蒸氣釋放出來這一理論而提出的。利用嗅化鏗水溶液吸收水蒸氣的特性，讓它在吸收器中將水蒸氣吸收掉，變稀的溴化鋰溶液進入發生器，在故溶液中的水分重新蒸發出來。在冷凝器中被冷卻，放出汽化潛熱而凝結為水，形成的水通過節流器進入蒸發器中再蒸發吸熱，如此周而復始，達到制冷的目的。

余熱動力回收利用方案特點及分析中低溫發電系統有閃蒸發電系統和雙循環發電系統兩種。一、余熱閃蒸發電系統余熱源為中低溫熱水時，這種熱水不能直接進入汽輪機做功，需要經過擴容器，把壓力較高的熱水在壓力較低的擴容器內閃蒸成為飽和蒸汽，然后進入汽輪機做功。降壓擴容器分為一次擴容和二次擴容，見圖

所示。

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稠油開采技術二、雙工質循環發電系統有機工質在低溫下吸熱蒸發產生的高壓氣體驅動汽輪機工作的循環方式稱為有機工質朗肯循環。由于這種循環系統是采用中低溫熱源去加熱有機介質，因而又稱為雙工質循環系統，朗肯循環是一種簡單的蒸汽動力循環，其循環示意圖如

所示。

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稠油開采技術溫度較高

如氟里昂等，使之變成蒸汽，推動汽輪機做功發電。采出液加熱低沸點物質在蒸發器中進行，兩者只換熱不直接接觸。低沸點物質被加熱后變成蒸汽，變成蒸汽的低沸點物質在汽輪機內作功，乏汽在冷凝器中冷凝成液體，經工質泵再打回蒸發器加熱，重復使用。這種方式的發電裝置由蒸發器、汽輪發電機組、冷凝器、蒸發器等設備和工質泵用管道連接起來。發電裝置與常規的蒸汽發電裝置的熱力循環原理相同，只是循環的工質不同而己。雙循環系統比較常用的中間介質是氟里昂，該物質不燃不爆、毒性低、腐蝕性也小，在眾多低沸點工質中是一種較為安全的工質，很適宜中低溫余熱發電。采用這種方式發電對中低溫范圍的余熱利用有顯著優點，余熱物流與工質不直接接觸，工質蒸汽比容小，管道尺寸小，汽輪機通流面積小，設備緊湊，單位功率可以做得較大。因此對于中低溫范圍內的余熱利用，中間介質法的發電是一種很有前途的應用技術。

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稠油開采技術

技術余熱利用方案研究隨著

技術在遼河油田的應用，大大緩解了稠油開采難的壓力，但是油田采出液井口溫度達

—℃，如何充分利用這部分熱量，是目前保證

技術開采稠油經濟效益的關鍵。

技術開采稠油時，一方面井口產出液所攜帶的大量熱能得不到充分的利用，另一方面開采稠油時又要消耗大量的電能和熱能。因此，利用中低溫余熱