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授课人 李健Email 03105406 稠油开采技术 稠油定义分类 稠油为什么稠 稠油怎么形成的 稠油开采技术有哪些 主要内容 第一节稠油概述 1 1稠油资源概述1 2稠油定义及分类标准1 3稠油的基本特征 第二节稠油开采技术 2 1蒸汽吞吐2 2蒸汽驱2 3火烧油层2 4SAGD 第一节稠油概述 1 1稠油资源概述1 2稠油定义及分类标准1 3稠油的基本特征 1 1稠油资源概述 稠油资源潜力巨大 约占全球剩余石油资源的70 以上 全球共有稠油盆地192个 地质储量约为4884 108t 第一节稠油概述 全球石油资源 西稠东稀 绝大部分稠油资源集中在10个主要的含稠油盆地中 西半球拥有约69 3 的稠油和约82 的天然沥青 东委内瑞拉盆地集中了全球约90 的超稠油 储量高达1809 108t 加拿大的艾尔伯塔省则集中了全球约81 的可采天然沥青 第一节稠油概述 中国稠油资源丰富 预计稠油资源约为226 108t 天然沥青资源的潜力更大 主要分布于东部的渤海湾盆地和西部的准噶尔盆地 第一节稠油概述 第一节稠油概述 2020年后我国石油消费量会达到5 63亿吨以上 2020 2030年石油年产量预计为1 8亿吨 对外依存度将达70 稠油资源量大 动用程度低 在未来石油产量中占比会显著提高 1 2 稠油定义及分类标准 稠油 在国际上又被称为重油 是非常规石油的统称 不同的国家有自己的习惯用法 如加拿大将重油和天然沥青统称为油砂 我国则习惯将重油称为稠油 根据稠油的粘度 将其分为普通稠油 特稠油 超稠油 石油地质界将其称为重质油 将天然沥青称为焦油砂或油砂 将重油及油砂分开研究 第一节稠油概述 1 3 稠油的基本特征 1 稠油的组成物性由轻质组分 饱和烃 芳香烃 和重质组分 胶质 沥青质 组成 稠油重质组分多 轻质组分少 稠油中的S O N等原子含量较多 稠油金属元素含量较多 稠油因重质组分含量高导致密度较大 稠油含蜡量较低 凝固点一般较低 第一节稠油概述 石油胶体模型 分散相是以沥青质为核心 以附于胶质溶剂化层而构成的胶束 分散介质主要由轻质组分和部分胶质组成 第一节稠油概述 胶质和沥青质的结构相似 均由多个带有烷基侧链的多环芳烃片层缔合而成 稠油重质组分结构模型 第一节稠油概述 2 稠油的热特性稠油粘度的温敏特性通常稠油温度升高10 其粘度会降低一半 热采法开采稠油的关键依据 稠油的蒸馏特性即当温度升高到或大于初馏点 原油开始气化时的最低温度 时 原油中的轻质组分分离为气相 而重质组分仍保持为液相 在有蒸汽存在时 相同温度下馏出的气相量将大大增加 蒸汽驱提高稠油采收率的重要机理之一 第一节稠油概述 稠油的热裂解特性指当温度升高到一定程度以后 稠油中的重质组分将裂解成焦炭和轻质组分 甲烷 乙烷 丙烷等气体及轻质油 热裂解生成的轻质组分可改善驱油效果 稠油的热膨胀特性稠油热采过程中 油层温度大幅度上升 升高到200 以上后 原油 水及岩石体积受热膨胀 将产生显著地驱油效果 第一节稠油概述 稠油根据其原始来源的不同可分为原生和次生两类 目前发现的绝大部分稠油都是次生成因的 次生稠油是指在原油的运移和储存过程中经过稠变作用发生了次生变化 从而变稠的原油 稠变作用 蒸发分馏作用生物降解作用边缘氧化作用水洗稠变作用 第一节稠油概述 总的来说 稠变作用就是原油中轻质组分在漫长时期里因上述作用机制而损失 导致重质组分含量增高 原油变稠 3 稠油成因 4 稠油油藏分布特点在纵向上一般分布在盆地的上部构造层或上覆较年轻地层中 稠油油藏通常埋深小于2000m 随着埋深变浅 逐渐趋近地表 原油生物降解程度增强 在平面上稠油油藏分布受盆地不同构造部位控制 如在断陷盆地中 凹陷边缘潜伏隆起倾没部位分布批覆背斜稠油油藏 在陡坡带分布地层超覆稠油油藏等 稠油油藏与常规油藏具有一定共生关系 由凹陷向边缘 常规油藏渐变为稠油油藏 由深至浅 常规油藏变为稠油油藏 第一节稠油概述 5 中国稠油油藏基本特征 1 油藏类型较多 2 油藏埋藏较深 3 储集层以粗碎屑岩为主 砂岩体类型多 油层胶结疏松 4 储层物性较好 具有高孔隙度 高渗透率的特点 但储集层非均质较严重 5 含油饱和度较低 一般在60 70 6 油水系统较为复杂 大多具有边底水 7 原油含气量少 饱和压力低 第一节稠油概述 第二节稠油开采技术 2 1蒸汽吞吐2 2蒸汽驱2 3火烧油层2 4SAGD 稠油开采方法 第二节稠油开采技术 国内外稠油开采技术应用现状 第二节稠油开采技术 2 1 蒸气吞吐 过程 向油层注入一定量的高温蒸汽 关井焖一段时间 待蒸汽的热量向油层扩散后 再开井投产 第二节稠油开采技术 蒸汽带 热水带 冷油带 注汽 焖井 产油 蒸汽吞吐一周期示意图 生产过程 第二节稠油开采技术 1 基本概念吞吐周期 指蒸汽吞吐生产阶段 从注汽开始到焖井 开井生产直到极限产量关井为止的全过程 蒸汽干度 指湿蒸汽气相质量与湿蒸汽总质量 气相十液相 的比值 它是衡量蒸汽质量的重要指标 油汽比 指采油量与注汽量 水当量 之比 即每吨注汽量的采油量 它是评价注蒸汽开采效果及经济效益的重要指标 净产油量 指采出油量与燃油消耗量之差 采注比 指采出液量与注入汽量 水当量 的比值 回采水率 指采出水量与注入汽量 水当量 的比值 纯总厚度比 指开采层段的有效厚度与开采层段的总厚度之比 它是评价油藏能否进行蒸汽吞吐 特别是蒸汽驱的重要参数 第二节稠油开采技术 2 生产过程 1 注汽阶段将设计的蒸汽注入到油层中去 注汽时间一般为1 3周 2 焖井阶段将蒸汽井关闭焖井 以便注入热量持续向井筒周围扩散 加热油层 降低原油粘度 一般来说 焖井时间为2 7天 3 采油阶段当焖井到一定时间后开井生产 当产量降低到经济极限产量时 停止采油进入下一周期的注汽 第二节稠油开采技术 3 采油机理 1 降低原油粘度 改善流度比 2 对于油层压力高的油层 油层的弹性能量在加热油层后也充分释放出来 成为驱油能量 3 厚油层 热原油流向井底时 除油层压力驱动外 重力驱动也是一种增产机理 4 当油井注汽后回采时 随着蒸汽加热的原油及蒸汽凝结水在较大的生产压差下采出 大量热能被带走 但加热带附近的冷原油将以极低的流速流向近井地带 补充入降压地加热带 5 地层的压实作用 委内瑞拉马拉开湖岸重油区 由于地层压实 产油区地面沉降达20m 30m 据研究 地层压实作用产生的驱出油量高达15 左右 第二节稠油开采技术 6 蒸汽吞吐过程中的油层解堵作用 7 注入油层的蒸汽回采时具有一定的驱动作用 分布在蒸汽加热带的部分高压凝结热水由于突然降压闪蒸为蒸汽 膨胀驱动 8 高温下原油裂解 粘度降低 油层中的原油在高温蒸汽下发生一定程度的裂解 使原油轻馏分增多 粘度有所降低 9 油层加热后 砂粒表面的沥青胶质极性油膜破坏 润湿性改变 由亲油变为亲水 在同样水饱和度条件下 油相渗透率增加 水相渗透率降低 束缚水饱和度增加 增加了流向井筒的可动油 10 有边水的稠油油藏 在蒸汽吞吐过程中 随着油层压力下降 边水向开发区推进 第二节稠油开采技术 4 开采特征 1 采油速度高 采收率较低 目前稠油油藏蒸汽吞吐开采年采油速度约为2 一6 吞吐采收率一般为15 一20 2 周期峰值产量高 递减快 随着吞吐周期增加 日产油量及油汽比迅速下降 3 同一周期内 初期含水高 下降快 随着周期数增加 综合含水上升快 4 周期产油量及油汽比随着油层厚度增加而增加 第二节稠油开采技术 5 影响开采效果的因素 1 油层厚度油层越厚 效果越好 蒸汽吞吐开采的油层厚度下限是5m 2 油层渗透率油层渗透率高 油层吸汽 产液能力就强 蒸汽吞吐效果就好 3 原油粘度在蒸汽温度下 原油粘度愈低 蒸汽吞吐效果愈好 4 蒸汽干度蒸汽干度越高 蒸汽吞吐效果愈好 第二节稠油开采技术 5 注汽速度注汽速度过低 地面 井筒及地层热损失大 降低蒸汽干度 注汽速度过高 注汽压力升高 容易压破油层 形成汽窜 一个具体油藏需要合理的注汽速度 6 周期注汽量注汽量过低 达不到加热油层的目的 注汽量过高 会将井筒附近的原油驱向远处 不利于吞吐采油 特定的油藏条件需要合理的周期注汽量 在油层物性参数确定的条件下 各因素影响次序 井底干度 周期注汽量 注汽速度 第二节稠油开采技术 6 技术评价指标 1 周期产油量及吞吐阶段累积采油量 2 周期油汽比及吞吐阶段累积油汽比 3 油汽比定义为采出油量与注入蒸汽量 水当量 之比 即每注一吨蒸汽的采油量 通常每烧一吨原油作燃料 可生产15m3蒸汽 4 采油速度 年采油量占开发区动用地质储量百分数 5 周期回采水率及吞吐阶段回采水率 回采水率定义为采出水量占注入蒸汽的水当量百分数 6 原油生产成本 7 阶段原油采收率 阶段累积产量占动用区块地质储量的百分数 8 油井生产时率及油井利用率 按开发区计算 9 阶段油层压力下降程度 第二节稠油开采技术 31 蒸汽吞吐井普遍采用 实现不动管柱注汽 转抽 油管既作为生产管柱 又作为注汽通道 避免了频繁作业对稠油储层的冷伤害 减少了热损失 延长了油井的生产周期 油层 抽稠泵 油层 蒸汽 抽油杆 不动管柱转抽技术 7 配套工艺技术 第二节稠油开采技术 8 蒸汽吞吐复合式开采 1 蒸汽吞吐 降粘剂 2 蒸汽吞吐 CO2 3 蒸汽吞吐 CO2 表活剂 4 蒸汽吞吐 水平井 5 蒸汽吞吐 水平井 CO2 6 蒸汽吞吐 水平井 CO2 降粘剂 HDCS 7 蒸汽吞吐 水平井 N2 降粘剂 HDNS 8 蒸汽吞吐 非凝析气体 耐高温起泡剂 第二节稠油开采技术 指油层条件下原油粘度 其余为脱气原油粘度 9 我国稠油蒸汽吞吐开采油藏筛选标准 第二节稠油开采技术 34 配套抽稠泵 可实现提光杆注汽 放喷 放下光杆转抽 减少了作业环节 提高了热利用率 第二节稠油开采技术 2 2 蒸汽驱 过程 不同于蒸汽吞吐 蒸汽驱采油原理类似于水驱 即蒸汽从注汽井中注入 原油从采油井中采出 第二节稠油开采技术 36 蒸汽带 热水带 冷油带 注汽井 生产井 生产井 生产过程 第二节稠油开采技术 温度场分布 第二节稠油开采技术 2020 3 18 38 可编辑 1 采油机理 1 通过注入高温高干度蒸汽加热油层 降低原油粘度 增加原油流动性 2 裂解蒸馏得到的轻质组分 轻质油和气体 来稀释原油 降低原油粘度 3 温度升高 原油 水及岩石发生膨胀 为驱动提供能量 4 温度升高 岩石亲水性增强 束缚水饱和度升高 残余油饱和度降低 5 温度升高 水相相对渗透率降低 油相相对渗透率增加 第二节稠油开采技术 2 蒸汽吞吐转汽驱条件及时机 1 蒸汽吞吐转汽驱的条件1 蒸汽驱的起始含油饱和度要高 2 注采井间要形成热连通 但不能出现汽窜 3 地层压力应有所下降 2 蒸汽吞吐转汽驱的合理时机1 对于普通稠油 蒸汽吞吐的目的是降低油层压力 清除井筒附近污染 为蒸汽驱作准备 这类油藏主要靠蒸汽驱采油 吞吐转汽驱的时间宜早 2 对于特超稠油油藏 吞吐转汽驱时机的选择应根据井网 井距 考虑注蒸汽开采全过程 蒸汽吞吐十蒸汽驱 的采收率和油汽比 第二节稠油开采技术 3 注采参数对蒸汽驱效采的影响 1 蒸汽干度蒸汽干度越高 对稠油加热降粘效果越明显 2 注汽速度对于一个特定油藏 注汽速度要合理 过高会造成注汽压力过大 压破地层 引起汽窜 影响汽驱效果 过低会造成地面 井筒及地层热损失大 导致井底及地层蒸汽干度低 而合理的注汽速度与油层厚度 井网井距等因素有关 3 采液速度在确保蒸汽干度 优化注汽速度的条件下 各类稠油油藏蒸汽驱开采都存在一个最低采液速度和合理采液速度 只有达到最低采液速度以上 才能实现有效蒸汽驱 第二节稠油开采技术 4 常见问题 1 汽窜指从注汽井注入的蒸汽 以蒸汽或高温热水闪蒸后从邻近生产井中产出 汽窜常常导致生产井井口温度及产液 特别是产水量急剧上升 有时含水率达到100 井口出液温度达到l00 以上 产油量明显下降 解决措施 1 降低注汽速度2 关闭汽窜井3 封堵汽窜通道4 间歇汽驱 第二节稠油开采技术 2 油井汽驱见效差异大由于受油层非均质性的影响 蒸汽吞吐转汽驱后 有些油井见到汽驱反应的时间短 汽驱效果好 而有些油井转汽驱后较长时间都见不到汽驱反应 3 出砂严重稠油油藏储层胶结疏松 经常因油井出砂严重 致使井下泵堵塞 地面设备受到损坏 油井不能正常生产 通常采用井下防砂和地面大罐沉降除砂的办法 目前国内井下防砂工艺主要有绕丝筛管砾石充填防砂技术 不锈钢金属棉防砂技术和烧结成型微孔筛管防砂技术 第二节稠油开采技术 5 注汽工艺技术 1 高温注汽 采油两用井口对于井口而言 除了满足耐高温 耐高压的要求外 还要具有既能注蒸汽 又能采油的技术功能 如KR21 370型高温注汽 采油两用井口技术指标 最大工作压力 21MPa最高工作温度 370 强度试验压力 42MPa 第二节稠油开采技术 2 井筒隔热技术注蒸汽开采过程中 采用井筒隔热技术的主要目的是降低井筒热损失 提高井底蒸汽干度和注蒸汽开采效果 防止套管温度超过安全极限 避免套管热应力破坏 1 隔热油管隔热油管是将两个薄壁管套在一起 内外管之间充填隔热材料 如超细玻璃棉 硅酸铝棉 珍珠岩粉等 2 热采封隔器它可以防止流体上窜到油套环形空间 保护套管 减少热损失 或者实现分注分采 包括卡瓦式隔热封隔器和热敏封隔器 第二节稠油开采技术 3 隔热液隔热液的工作原理是将隔热液注入油套环空 利用隔热液具有较低的视导热系数 达到减少注汽过程中的井筒热损失和保护套管的目的 类型 膨润土型和硅石粉型 特点 不受井径条件的严格限制 如有的井井径弯曲 套管变形 就不适合采用隔热油管而可以用隔热液 深井用隔热液 管柱轻 便于施工 隔热液隔热均匀 有利于保护套管 隔热液对井下工具设备可起到减少工作压差 冷却 润滑的作用 与隔热油管配合使用 有利于实现深井注汽井的井筒隔热要求 第二节稠油开采技术 3 分注选注技术我国稠油油藏多为多层油藏 纵向上非均质性十分严重 注汽时吸汽不均 蒸汽波及效率低 油层纵向动用程度差 为此 开发了分注选注新工艺 1 全局密封封隔分注技术在密封的金属腔内装有扩张剂 扩张剂在注入蒸汽的高温下迅速汽化升压 内腔压力升高 使扩张体与套管内壁贴紧 实现自封的目的 2 投球选注技术耐高温堵球 直径大于射孔孔眼 随蒸汽进入油层 封堵吸汽能力强的高渗透层 使其压力升高 达到中 低渗透层吸汽压力 使蒸汽注向中 低渗透层 从而达到调整吸汽剖面 封堵汽窜通道的目的 第二节稠油开采技术 6 开采条件及筛选标准 1 原油粘度100000一200000mPa s 2 油层深度RIPED针对我国稠油油藏埋深进行了研究 结果表明 按现行技术 蒸汽驱的油层埋深应大于150m 而小于1400m 3 油层纯厚度 纯厚度与总厚度比值实践经验表明 为确保蒸汽驱油汽比不小于0 15 目前技术条件下 蒸汽驱油层纯厚度应不小于l0m 而纯厚度与总厚度的比值大于0 5 最好大于0 7 第二节稠油开采技术 4 孔隙度 含油饱和度及储量系数研究结果表明 对于10m厚的油层 为确保蒸汽驱油汽比不小于0 15 孔隙度大于20 起始含油饱和度大于50 即孔隙度与含油饱和度的乘积大于0 1 储量系数大于7 104t km2 m 5 渗透率我国目前推荐的渗透率下限值为0 25 m2 第二节稠油开采技术 2 3 火烧油层 又称火驱 它是利用油层本身的部分重质裂化产物作燃料 不断燃烧生热 依靠热力 汽驱等多种综合作用 实现提高原油采收率的目的 第二节稠油开采技术 1 采油机理通过适当井网 选择点火井 将空气或氧气注入油层 并用点火器将油层点燃 然后继续向油层注入氧化剂 空气或氧气 助燃形成移动的燃烧前缘 又称燃烧带 燃烧带前方的原油受热降粘 蒸馏 蒸馏的轻质油 气和燃烧烟气驱动作用 未被蒸馏的重质碳氢化合物的裂解产物 焦炭作为燃料 使油层燃烧不断蔓延扩大 高温下地层束缚水 注入水及反应生成水形成高温蒸汽 携带大量的热量传递给前方油层 从而形成一个多种驱动的复杂过程 把原油驱向生产井 被烧掉的裂解残渣约占储量的10 15 第二节稠油开采技术 2 采油特点 1 具有注蒸汽 热水驱的作用 热利用率和驱油效率更高 同时由于蒸馏和裂解作用 提高了产物的轻质成分 2 具有注汽 注水保持油层压力的特点 波及系数及洗油效率均较高 3 具有注二氧化碳和混相驱的性质 驱油效率更高 见效更快 且无须专门制造各种介质及配套设备 4 适应范围广 既可用于深层 3500m 薄层 75 的水驱稀油油藏 又可用于稠油油藏 既可用于一 二次采油 又可用于三次采油 还被认为是开采残余油的重要方法 第二节稠油开采技术 3 火烧油层方式 1 干式正向燃烧注入气中不含水 点火是在注气井进行 燃烧前缘从注气井向生产井方向移动 并从生产井采油 2 反向燃烧从注气井注气 在生产井点火 使燃烧前缘逐渐从生产井推向注气井 由于其燃烧前线移动方向与流体流动方向相反 故称为反向燃烧 3 湿式正向燃烧正向燃烧和水驱相结合 采用干式正向燃烧方法时 地下产生的总热量大部分存在于注气井和燃烧前缘之间 而湿式燃烧法可以利用水的高比热和高汽化潜热的特点 将这部分热量传送到燃烧带的前面 第二节稠油开采技术 4 点火方法 1 自燃点火在正向燃烧过程中 原油是自燃点火的 其过程如下 当向油层注入空气时 原油在油层下发生一定程度的氧化作用 并引起温度逐渐上升 温度升高后又加速了原油的氧化速度 从面导致温度进一步升高 这一过程一直持续到原油自燃点火为止 2 人工点火点火器 包括电点火器 气点火器和催化点火器 以及点火器与供电线路的井下对接技术是点火的关键技术 第二节稠油开采技术 5 主要技术难点 对地下真实燃烧状态的控制 对燃烧带前缘的调整与控制 点火 注气 举升工艺及其装备的可靠性 产出流体组分在线监测与安全预警 第二节稠油开采技术 SL 型电点火工艺 电缆绑在油管外壁 通过井下连接器与点火器连接 油管正注 1 点火工艺 6 配套工艺 第二节稠油开采技术 第二节稠油开采技术 2 注气工艺 基本要求 连续性 两套以上的压缩机组 单向性 单向流动控制装置 递增性 额定功率 最高工作压力 最大排气量选择 国产空气压缩机可以达到的主要技术参数 1 最大排气量75Nm3 min 2 最大排气压力32MPa 3 排气温度 60 4 电机功率1250kW 监测内容 常规油 气 水产量 生产井产出气体组分 判断燃烧状况 监测氧气突破 生产井井底流温流压 判断燃烧带前缘位置 产出水PH值 硫酸盐 原油组分等 第二节稠油开采技术 3 监测工艺 抽油井温度 压力测试图 自喷井温度 压力测试图 目前国内研制的生产井产出气遥测预警系统 可以实现气体含量显示 安全等级处理分析结果和预警三者同步 第二节稠油开采技术 4 完井及举升工艺 完井 生产井热采完井 固井质量至关重要 注气井 生产井都要防砂 举升 火驱生产井油气比高 井筒举升效率低 机械开启式阀式抽油泵和气锚举升工艺 降低气体对泵效的影响 第二节稠油开采技术 5 防腐技术 生产井防腐 注气井防腐 地面管线及流程防腐 生产井及地面流程主要防止CO2腐蚀 注气井主要防止长期高压注气情况下的富氧腐蚀 第二节稠油开采技术 7 火驱技术的应用前景 火驱技术可应用于多种油藏类型和不同采油阶段 在某些情况下可能成为首选开发方式 不适合注蒸汽开发的深层 超深层稠油油藏不适合注水 注蒸汽的水敏性油藏 注水开发后期的普通稠油油藏 蒸汽吞吐后期不适合蒸汽驱的油藏 不适合注蒸汽或注汽效果差的薄层 薄互层油藏 带有底水的稠油油藏 沙漠等水源缺乏地区的稠油油藏 第二节稠油开采技术 8 稠油火驱油藏筛选标准 第二节稠油开采技术 2 4 SAGD 蒸汽辅助重力泄油 过程 注汽井注入的蒸汽向上超覆在地层中形成蒸汽腔 蒸汽腔向上及侧面移动 与油层中的原油发生热交换 加热的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的生产井中产出 第二节稠油开采技术 1 在靠近油藏的底部钻一对上下平行的水平井 上面水平井注汽 下面水平井采油 2 直井与水平井组合方式 即在油藏底部钻一口水平井 在其上方钻一口或几口垂直井 垂直井注汽 水平井采油 3 单管水平井SAGD 即在同一水平井井口下入注汽管柱 通过注汽管柱向水平井最顶端注汽 使蒸汽腔沿水平井逆向扩展 1 布井方式 第二节稠油开采技术 1 利用重力作为驱动原油的主要动力 2 利用水平井可获得相当高的采油速度 3 加热原油不必驱动冷油而直接流入生产井 4 见效快 采收率高 累积油汽比高 5 除大面积页岩夹层外 对油藏非均质性不敏感 2 采油特征 第二节稠油开采技术 3 影响SAGD的地质参数 1 油层厚度由于SAGD过程是以流体的重力作用作为动力 因此 油层厚度越大 重力作用越明显 反之 油层厚度太小 不但重力作用小 而且上下围岩的热损失增大 另外 在井距一定的情况下 产油量与油层厚度的平方根近似成比例 2 油层渗透率垂向渗透率Kv主要影响蒸汽上升速度 因此在厚度大 渗透率低的油藏中更加重要 水平渗透率Kh主要影响蒸汽室的侧向扩展 因此在厚度较小的油藏中 且井对间距离又较大的情况下更加重要 第二节稠油开采技术 3 原油粘温关系原油粘度不是一个主要因素 但原油粘度随温度的变化关系将影响SAGD蒸汽前缘沥青的泄流速度 因此也影响蒸汽前缘推进速度与产油速度 4