当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

稠油开采方法


世界上稠油资源极为丰富,据统计,世界上证实的常规原油地质储量大约为 4200×10 m ,而稠油(包 8 3 括高凝油)油藏地质储量却高达 15500×10 m ;在我国,目前已在松辽盆地、渤海湾盆地、准葛尔盆地、 二连盆地等 15 个大中型含油盆地和地区发现了数量众多的稠油油藏,预测我国稠油(包括高凝油)油藏 8 3 地质储量却高达 80×10 m 以上。因此,稠油分布广,储量

大,开采潜力大。但是,由于原油粘度高,油层 渗流阻力过大,使得原油不能从地层流入井筒;即使原油能够流到井底,在从井底向井口流动过程中,由 于降压脱气和散热降温而使原油粘度进一步增加,都严重地影响原油的正常进行,使得稠油流动性差,开 采难度大。 我国稠油开采技术近二十年来发展迅速,已形成了胜利﹑辽河﹑新疆﹑河南﹑大港等稠油生产基地, 其产油量逐年提高,我国已成为目前世界稠油生产的主要国家之一。

8 3

第一章

稠油的性质

一、稠油的定义和标准 稠油是指粘度大的原油,重油是指密度大的原油,粘度越高的原油一般密度就越大。联合国训练署于 1979 年 6 月在加拿大召开了关于重油和沥青砂的标准: (1)重油是指在油藏原始温度下,脱气原油粘度为 100~10000mPa·s 或在 15.6℃(60℉)及 0.101MPa 3 条件下密度为 934~1000kg/m 。 (2)沥青砂是指在原始油藏温度下,脱气油粘度大于 10000mPa·s 或在 15.6℃(60℉) 及 0.101MPa 条 3 件下密度大于 1000kg/m 。 根据国际稠油分类标准, 我国石油工作在考虑我国稠油特性的同时, 按开发的现实及今后的潜在生产 2 4 能力,提出了中国稠油分类标准,即将粘度为 1×10 ~1×10 mPa·s,且相对密度大于 0.92 的原油称为普 4 4 4 通稠油;将粘度为 1×10 ~5×10 mPa·s ,且相对密度大于 0.95 的原油称为特稠油;将粘度大于 5×10 5000mPa·s,且相对密度大于 0.98 的原油称为超稠油(或天然沥青) 。 这里必须弄清稠油与高凝油的区别,高凝油是指原油的凝固点比较高,在开发过程主要由于当原油处 于凝固点以下温度状态时,原油中的某些重质组分(如石蜡)凝固析出,并沉积到油层岩石颗粒、抽油设备或 管线上,造成油层渗流阻力过高,或抽油设备正常工作困难。到目前为止,高凝油尚无统一的划分标准,我 国某些油田有自己的地区性划分方法,例如有的油田将凝固点大于 40℃ ,含蜡量超过 35%的原油定为高 凝油。 二、稠油的一般性质 我国发现的稠油油藏分布很广,类型很多,埋藏深度变化很大,一般在 10~2000m 之间,主要储层为 砂岩。中国稠油特性与世界各国的稠油特性大体相似,主要有以下特点。 (1)稠油中轻质馏分很少,而胶质沥青含量很多,而且随着胶质沥青含量增加,原油的相对密度及同 温度下的粘度随之增高。 常规油(即稀油)中沥青质含量一般不超过5%,但稠油中沥青质含量可达 10%~30%,个别特超稠油 可达 50%或更高。 (2)稠油随着密度增加其粘度增高,但线性关系较差。 众所周知, 原油密度的大小与其含金属元素的多少有关, 而原油粘度的高低主要取决于其含胶质量的 多少。我国稠油油藏属于陆相沉积,原油中金属元素含量较少,而沥青、胶质含量变化大,与其他国家相 比,沥青质含量较低,一般不超过 10%,而胶质含量较高,一般超过 20%。因此,原油密度较小,但原 油粘度较高。 (3)稠油中烃类组分低。稠油与稀油的重要区别是其烃类组分上的差异,我国陆相稀油中,烃的组成 (饱和烃+芳香烃)一般大于 60%,最高可达 95%,而稠油中烃的组成一般小于 60%,最少者在 20%以 下,稠油中随着非烃和沥青含量的增加,其密度呈规律性大。 (4)稠油中含硫量低,在我国已发现的大量稠油油藏中,稠油中的含硫量都比较低,一般小于 8%。 河南油田稠油中含硫量仅为 0.8%~0.38%,远低于国外含硫量(见表 1) 。

1

表1 参 油 数 田 高 升 风 城 井 楼 单驾寺 孤 岛 羊三木 冷 湖 和平河 Jobo Melones

典型稠油油田原油性质对比表 金属含量,mg/L 含硫 量% 凝固 点℃

粘度 胶质沥青 含蜡 相对密度 mPa·s 质含量% 量% 0.9500 0.9656 0.9425 0.9850 0.9650 0.9584 0.9940 1.0260 1.0200 2661 500000 23546 9200 2975 102.3 48.4 62.4 32.2 35.1 21.1 43.3 50.0 34.0 6 5.26 6 9.6

Ni

V

Fe

Cu

中 国

0.55 12.0 0.31 0.32 10.8 0.4 <15 0.29 -7 4.5 5.9 3.0

112.5 3.1 33.3 1.03 19.0 0.94 47.5 16.5 25.8 2.3 2.5 0.9

15.3 15.4 17.6

2.43

加拿 大 委内 瑞拉

94 87

405 395

7 14

(5)稠油中含蜡量低。我国的大多数稠油油田(如辽河高升、曙光、欢喜岭、新疆克九区、胜利单家 寺)原油中含蜡量在 5%左右。河南井楼稠油油田稠油中含蜡量虽然高与上述稠油油田,但远低于河南双 河等稀油油田的含蜡量(一般含蜡量在 30%以上) ,见表 1。 (6)稠油中的金属含量较低。 中国陆相稠油与国外海象稠油相比,稠油中镍、钒、铁及铜等金属元素 含量很低。特别是钒含量仅为国外稠油的 1/200~1/400(见表 1) ,这是中国稠油粘度较高,而密度较小 的重要原因之一。 (7)稠油凝固点较低。大多数稠油油藏属于次生油藏,由于石蜡的大量脱损,以及前部氧化作用强烈, 因此,稠油性质表现为胶质沥青含量高、含蜡量及凝固点低的特点(见表 1) 。 三、稠油的热特性 1.粘度对温度的敏感性 原油粘度随温度变化而变化的曲线,称为粘温曲线。对于常规原油而言,由于粘温曲线作用不大,往 往被人忽视。但对于稠油来说,稠油的粘度随温度变化十分敏感,温度升高,粘度急剧下降。这是稠油热 采的最主要的原理—加热降粘机理,也是决定是否进行热力开采的基础。 采用 ASTM(American Society for Testing and Meterials standards)标准坐标纸,对几乎所有 稠油都出现平行的斜直线(见图 1) ,即粘度与温度呈线性关系;一般温度升高 10℃,粘度下降近 60%。 过去几十年,有文献记载的粘温关系式超过 100 个,但是大多数学者公认,而且适用于稠油热采的表 达式有两个,其余表达式的适用范围较窄,或者误差较大。

图1

稠油粘温曲线

第一种表达式是 Walther 方程,其粘度与温度的关系式为:
2

lg lg( ? o ? ? ) ? A ? B lg( 1 . 8 t ? 492 )

(1)

式中

? o ——原油粘度,mPa·s;

t—— 温度, ℃; A、B—— 常数,分别为曲线的截距和斜率;
? ——经验系数,一般取 1.05。 另一种相关式由 Andrad 提出,即

? o ? ae

bT

*

(2)

式中

a 、b—— 常数;
T ——绝对温度,K。
*

该式比较简单,但在作为外推预测时不太可靠。 2.热膨胀性 在热力采油过程中,随着油层温度的升高,地下原油、水及岩石都将产生不同程度的膨胀,为驱动提 -3 -1 -4 -1 -4 -1 供能量。上述三种物质中,原油的热膨胀系数最大(10 ℃ ) ,其次是水(3×10 ℃ )岩石最小(10 ℃ ) 。 当温度由常温升高到 200℃时,原油体积将增加 20%。由此可见稠油的热膨胀性在热采中的作用。 3.热裂解性 当温度升高一定值时,稠油中的重质组分将会裂解成焦碳和轻质组分(轻质油和气体) 、热裂解生成 的轻质组分对改善地下稠油的驱油效果作用很大。 4.蒸馏性 随着温度上升,原油中开始出现汽化时的温度叫做原油的初馏点(又称泡点) 。当温度大于或等于初 馏点时原油中的轻质组分逐渐增多(见表 2) 。馏出量的多少除取决于蒸馏温度外,还与原油特性及总压力 有关。值得一提的是,在蒸汽驱过程中,蒸汽对原油的蒸馏过程有重要影响,即有蒸汽存在时,相同温度 下的馏出量将大大增加,这是蒸汽驱提高稠油采收率的重要机理之一。
表2 高升油田二、三区混合油的蒸馏特性

温度℃ 馏出量%

153.5 初馏点

160 1.0

180 1.5

200 2.1

220 2.9

240 4.0

260 5.3

280 6.8

300 9.5

由于稠油具有热特性,因此,热力开采稠油(包括热水驱、注蒸汽开采、火烧油层等)是目前提高稠 油开发效果的有效技术之一。 5.燃烧热 在稠油和沥青的开采和精制中,燃烧热是其能量平衡计算的重要参数之一。

第二章

稠油油层处理技术

稠油对温度敏感这一特征,国内外普遍认为热处理油层是较为理想的稠油开采方法。目前,广泛采 用的热处理油层的采油方法是注热流体(如蒸汽和热水) 、火烧油层两类方法,注热流体根据其采油工艺 特点主要包括蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方式。同时,在本世纪 80 年代末,90 年代初,世界上有关石油工 程技术人员利用稠油油藏开采过程中容易出砂的原理发展起来一项稠油开采新技术,即稠油出沙冷采技 术。 一、蒸汽吞吐 蒸汽吞吐采油方法又叫周期注气或循环蒸汽方法, 即将一定数量的高温高压下的湿饱和蒸汽注入油 层,焖井数天 ,加热油层中的原油,然后开井回采。我国多数新的稠油油藏,不论浅层(200m~300m) 还是深层(1000m~1600m) 。均首先采用这种技术,这是稠油开发中最普遍的采用方法。过去十年,依靠 蒸汽吞吐技术打开了我国稠油开采的新局面。在国外,从 1959 年第一口井蒸汽吞吐以来,到目前为止还 在普遍应用。 对于稠油油藏如果采用常规采油速度很低或根本无法采油时, 必需采用蒸汽吞吐方法开采。 而后在进行蒸汽驱开采。该方法的主要优点是投资少、工艺技术简单,增产快,经济效益好,对于普遍 稠油及特稠油油藏几乎没有技术及经济上的风险性。但是由于它是单井作业,虽然每口油井(包括预定 的蒸汽驱注气井)都要经过蒸汽吞吐采油,可是整个开发区的原油采收率不高,一般只为 8%~20%,我 国也有个别地区近 30%的实例,还需要接着进行蒸汽驱开采以提高最终的采收率。 蒸汽吞吐可分为注气、焖井及回采三个阶段如图 2 所示。 稠油油藏进行蒸汽吞吐开采的增产机理为:
3

(1)油层中原油加热后粘度大幅度降低,流动阻力大大减小,这是主要的增产机理。向油层注入高温 高压蒸汽后,近井地带相当距离内的地层温度升高,将油层及原油加热。虽然注入油层的蒸汽优先进入 高渗透层,而且由于蒸汽的密度很小,在重力作用下,蒸汽将向油层顶部超覆,如图 2 所示,油层加热 并不均匀,但由于热对流及热传导作用,注入蒸汽量足够多时,加热范围逐渐扩展,蒸汽带的温度仍保 持井底蒸汽温度Τ s(250~350℃) 。蒸汽凝结带,即热水带的温度Т w 虽有所下降,但仍然很高。形成 的加热带中的原油粘度将由几千到几万毫帕秒降低到几个毫帕秒。 这样, 原油流向井底的阻力大大减小, 流动系数(
kh

?

)成几十倍地增加,油井产量必然增加许多倍。

(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。 受热后的原油产生膨胀,原油中如果存在少量的溶解气,也将从原油中逸出,产生溶解气驱的作用。 这也是重要的增产机理。 在蒸汽吞吐数值模拟计算中即使考虑了岩石压缩系数、 含气原油的降粘作用等, 但生产中实际的产量往往比计算预测的产量高,尤其是第一周期,这说明加热油层后,放大压差生产时, 弹性能量、溶气驱及流体的热膨胀等作用发挥相当重要的作用。 (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;美国加州稠油油 田重力驱动便是主要的增产机理。 (4)带走大量热量,冷油补充入降压的加热带,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过程中,带走了大量热能,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。由于吸收油层顶盖层及夹层中的余热而将原油粘度下降,因而流向井底 的原油数量可以延续很长时间。尤其对普通稠油在油层条件下本来就具有一定的流动性,当原油加热温 度高于原始油层温度时,在一定的压力梯度下,流向井底的速度加快。但是,对于特稠油,非加热带的 原油进入供油区的数量减少,超稠油更是困难。

图2

蒸汽吞吐示意图

1-冷原油;2-加热带;3-蒸汽凝结带;4-蒸汽带;5-流动原油及蒸汽凝结水; 6-套管;7-隔热油管;8-隔热封隔器

(5)地层的压实作用是不可忽视的一种驱油机理 委内瑞拉马拉开湖岸重油区,实际观测到在蒸汽吞吐开采过程 30 年以来,由于地层压实作用,产生 严重的地面沉降。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。 (6)蒸汽吞吐过程中的油层解堵作用 稠油油藏在钻井完井、井下作业及采油过程中,入井液及沥青胶质很容易阻塞油藏,造成严中重油 层伤害。一旦造成油层伤害后,常规采油方法,甚至采用酸化,热洗等方法都很难清除堵塞物。这是由 于固形堵塞物受到稠油中沥青胶质成分的粘结作用,加上流速很低时,很难排出。例如辽河高升油田几 3 3 十口常规采油井产量低于 10m /d。进行蒸汽吞吐后,开井回采时能够自喷,放喷产量高达 200~300m /d 3 3 左右,正常自喷生产产量高达 50~100m /d,个别井超过 100m /d。我国其它油田也有同样情况。早在 60 年代美国加州许多重质油田蒸吞吐采油历史表明,蒸汽吞吐后的解堵增产油量高达倍 20 左右。
4

(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蒸汽,在回采过程中,蒸汽将大大膨胀,部分高压凝结热水由于突然降压闪蒸 为蒸汽。这也具有一定程度的驱动作用。 (8)高温下原油裂解,粘度降低 油层中的原油在高温蒸汽下产生蒸馏作用某种程度的裂解,使原油轻馏分增多,粘度有所降低。这 种油层中的原油裂解作用,无疑对油井增产起到了积极作用。 (9)油层加热后,油水相对渗透率变化,增加了流向井筒的可动油。 在油层中,注入湿蒸汽加热油层后,在高温下,油层对油与水的相对渗透率起了变化,砂粒表面的 沥青胶质极性油膜破坏,润湿性改变,由原来油层为亲油或强亲油,变为亲水或强亲水。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。而且热水吸入低渗透率油层,替换 出的油进入渗透孔道,增加了流向井筒的可动油。 (10)某些有边水的稠油油藏,在蒸汽吞吐过程中,随着油层压力下降,边水向开发区推进。如胜利 油区单家寺油田及辽河油区欢喜锦 45 区。在前几轮吞吐周期,边水推进在一定程度上补充了压力,即驱 动能量之一,有增产作用。但一旦边水推进到生产油井,含水率迅速增加,产油量受到影响。而且随着 油层条件下,油水粘度比的大小不同,其正、负效应也有不同,但总的看,弊大于利,尤其是极不利于 以后的蒸汽驱开采,应控制边水推进。 从总体上讲, 蒸汽吞吐开采属于依靠天然能量开采, 只不过在人工注入一定数量蒸汽, 加热油层后, 产生了一系列强化采油机理,而主导的是原油加热降粘的作用。 蒸汽吞吐开采效果的好坏,已经建立了较为成熟的技术评价指标,主要内容包括: 1)周期产油量及吞吐阶段累积采油量; 2)周期原油蒸汽比及吞吐阶段累积油汽比; 原油蒸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。如果油井吞 3 吐前有常规产油量,则按增产油量计算,称作增产油汽比。通常每烧一吨原油作燃料,可生产 15m 蒸汽; 3)采油速度,年采油量占开发区动用地质储量百分数; 4)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; 5)原油生产成本; 6)吞吐阶段原油采收率,即阶段累积产量占动用区块地质储量的百分数; 7)油井生产时率及油井利用率,按开发区计算; 8)阶段油层压力下降程度。 二、蒸汽驱 蒸汽驱开采是稠油油藏经过蒸汽吞吐开采以后接着为进一步提高原油采收率的热采阶段。因为进行 蒸汽吞吐开采时,只能采出各个油井井点附近油层中的原油,井间留有大量的死油区,一般原油采收率 为 10%~20% 。采用蒸汽驱开采时,由注入井连续注入高干度蒸汽,注入油层中的大量热能加热油层, 从而大大降低了原油粘度,而且注入的热流体将原油驱动至周围的生产井中采出,将采出更多的原油, 使原油采收率增加 20%~30% 。虽然蒸汽驱开采阶段的耗汽量远远大于蒸汽吞吐,原油蒸汽比低得多, 但它是主要的热采阶段。 在蒸汽驱动开采过程中,由注气井注入的蒸汽,加热原油并将它驱向生产井中,见图 3 所示。 注入油藏的蒸汽,由注入井推向生产井过程中,形成几个不同的温度区及油饱和度区。即蒸汽区、 凝结热水区、油带、冷水带及原始油层带。如图 4 及 5 所示。热水凝结带又可分为溶剂带及热水带。事 实上这些区带之间没有明显的区别的界限。这样划分便于描述蒸汽驱过程中油藏的各种变化。 由图 3 温度剖面图可以看出,当蒸汽注入油藏后,在注入的蒸汽使蒸汽带向前推进。在蒸汽带前面, 由于加热油层,蒸汽释放热量而凝结为热水凝结带(2) ,热水凝结带包括溶剂油及热水带,他的温度逐 渐降低。继续注入蒸汽,推进热水带并将蒸汽带前缘的热量加热距注入井更远的冷油区,凝结热水加热 油层损失热量后,它的温度逐渐降到原始油层温度(3) 。未加热的油层保持原始温度(4) 。 由于每个区带的驱替机理不同,因此注入井与生产井之间的油饱和度也不同(图 4) 。原油饱和度因 经受的温度最高而降至最低程度。它不取决于原油饱和度,而取决于温度及原油的组分。在蒸汽温度下, 原油中部分轻质馏分受到蒸汽的蒸馏作用,在蒸汽带前缘(1 与 2 之间)形成溶剂油带或轻馏分油带。 在热凝结带(2)中,这种轻馏分油带从油层中能抽提部分原油形成了油相混相驱替作用。同时热凝结带 的温度较高,使原油粘度大大降低,受热水驱扫后的油饱和度远低于冷水驱。 由于蒸汽带(1)及热水带(2)不断向前推进,将可动原油驱扫向前,热水带前面形成了原油饱和 度高于原始值的油带及冷水带(3) ,此处的驱油形式和水驱相同。在油层原始区(4) ,温度和油饱和度
5

仍是原原始状态。 许多的学者对蒸汽驱采油的机理进行了大量的室内模拟实验。认为蒸汽驱采油的机理有: 1) 原油粘度加热后降低; 2) 蒸汽的蒸馏作用(包括气体脱油作用) : 3) 蒸汽驱动作用 4) 热膨胀作用; 5) 重力分离作用; 6) 相对渗透率及毛管内力的变化; 7) 溶解气驱作用; 8) 油相混相驱(油层中抽提轻馏分溶剂油) ; 9) 乳状液驱替作用等;

图3

蒸汽驱采油过程示意图

图 4

蒸汽驱采油过程中注采井间温度剖面示意图

这些机理作用在油层中各个区带中的作用程度是不一样的,而且主要取决于原油及油层的性质。在 蒸汽带中,蒸汽驱的主要机理是蒸汽的蒸馏作用及蒸汽驱油作用。在热凝结带中,主要是降粘、热膨胀、 高渗透率变化、重力分离及溶解气驱等作用。在原始带中,主要是常规水驱及重力分离作用。
6

图 5

蒸汽驱采油过程中注采井间油饱和度剖面示意图

三、火烧油层 火烧油层是较早使用的提高油田采收率方法之一。1947 年开始室内研究;50 年代进行了现场小型实 验;60 年代现场应用发展较快;70 年代由于受到注蒸汽开采冲击,曾一度进展缓慢;进入 80 年代后, 由于注氧火烧等先进技术的应用,火烧油层技术的得到较快发展和广泛应用。美国、前苏联、罗马尼亚、 加拿大等国 100 多个油田开展了大规模工业性开采实验。现场实验资料证实,火烧油层的采收率可以达 到 50%~80%。 火烧油层又称油层内燃烧驱油法,简称火驱。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。 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、气和燃烧烟气驱向前方,未被蒸馏的重质碳氢化合物在高温下产生裂解作用,最后留下裂 解产物—焦炭作为维持油层燃烧的燃料,使油层燃烧不断蔓延扩大。由于在高温下地层束缚水、注入水 及裂解生成氢气与注入空气的氧化合成水蒸气,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%。 从火烧油层的驱油机理看,它具有以下特点。 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,且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。 2 火烧油层采油适应范围广,既可用于深层(3500m)、薄层(<6m)、较细密(0.035μ m )、高含水(>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. 四、出砂冷采 稠油油藏一般埋藏较浅,压实成岩作用差,储层胶结疏松,开采过程中出砂现象十分普遍和严重, 给生产带来危害,采用各种防砂工艺技术后,虽然能收到一定的防砂效果,但是,这既影响了油井的产 油量,又增加了防砂工具的投资。 “出砂冷采” 正是能克服上述危害和不利而产生的一项稠油开采新技术, 它不需要向油层注入热量, 属于一次采油的范畴,允许油藏出砂,并通过出砂采油大幅度提高稠油常规产量。 (1)大量出砂形成“蚯蚓洞”网络,极大地提高了稠油的流动能力。 稠油油藏一般埋藏较浅,压实成岩作用差,储层胶结疏松,沙砾间的结合能力弱,在较高的压力梯 度作用下,砂粒容易发生脱落,而原油粘度较高,携沙能力强,致使砂粒随稠油一道采出,油层中形成 “蚯蚓洞”网络(据有关文献介绍, “蚯蚓洞”的形成主要依赖于砂粒间结合力的强弱差异来实现) ,从
7

而使油层空隙度和渗透率大幅度提高。一般情况下,空隙度可以从 30%提高到 50%以上;渗透率可从 1~ 2 2μ m 提高到上百平方微米,极大地提高了稠油的流动能力。 (2)稠油以泡沫油形式产出,减少了流动阻力。 3 3 与轻质油相比,尽管稠油中溶解气含量很低,但仍然含有 5~20m / m 的溶解气。在稠油从油层深处 向井筒流动过程中,随着油层压力的降低,地层原油中产生的大量微气泡形成泡沫油流动,且气泡不断 发生膨胀。由于稠油粘度高,胶质含量高,形成的油膜强度大,因此,泡沫油不易破裂,即使在非常低 的压力情况下,泡沫油仍能保持较长时间的稳定。泡沫油的形成,减少了原油流动阻力。 (3)溶解气膨胀,提供了驱油能量。 稠油中的溶解气以微气泡的形式存在于地层中,当含气原油向井筒流动时,由于孔隙压力降低,不 仅微气泡急剧发生膨胀,形成泡沫油,而且油层中的原油、水以及岩石骨架也会发生弹性膨胀。这些因 素的联合作用,为原油的流动提供了驱动能量。 (4)远距离的边、底水存在,提供了补充能量。 边底水对稠油出砂冷采的作用,国外存在不同的看法。有人认为,边底水的存在可以为驱动补充能 量,有利于稠油出砂冷采。也有人认为,稠油出砂冷采过程中必然形成蚯蚓洞网络,一旦蚯蚓洞网络延 伸到边底水区域,必然导致油井只产水不产油。

第三章 井筒降粘技术
井筒降粘技术是指通过热力、化学、稀释等措施使得井筒中的流体保持低粘度,从而达到减少井筒 流动阻力,缓解抽油设备的不适应性,提高稠油及高凝油的开发效果等目的的采油工艺技术。该技术主 要与用于稠油粘度不很高或油层温度较高,所开采的原油能够流入井底,只需保持井筒流体有较低的粘 度和良好的流动性,采用常规开采方式就能进行开采的油藏。 目前常采用的井筒降粘技术主要包括化学降粘技术和热力降粘技术。 一、井筒化学降粘技术 井筒化学降粘技术是指通过向井筒流体中掺入化学药剂,从而使流体粘度降低的开采稠油及高粘油 的技术。其作用机理是:在井筒流体中加入一定量的水溶性表面活性剂溶液,使原油以微小油珠分散在 活性水中形成水包油乳状液或水包油型粗分散体系,同时活性剂溶液在油管壁和抽油杆柱表面形成一层 活性水膜,起到乳化降粘和润湿降阻的作用。 1.乳化剂的选择 乳化剂在化学降粘中起着重要作用,如乳状液的形成类型及稳定性都与乳化剂本身的性质有直接关 系, 选用乳化剂一般按其亲油亲水平衡值 (HLB) 来确定, 通常形成水包油型乳状液的HLB值为8~ 18。在实际应用中,为了满足开采要求,乳化剂选择标准有三条: 1) 活性剂比较容易与原油形成水包油型乳状液,具有好的稳定性和流动性; 2) 乳化剂用量少,室内试验浓度不高于 0.05%; 3) 原油采出后重力分离快,易于破乳脱水; 2.化学降粘工艺技术 乳化降粘开采工艺是在地面油气集输中建设降粘流程,根据加药地点不同,可分为单井乳化降粘、 计量站多井乳化降粘及大面积集中管理乳化降粘三种地面流程。根据化学剂与原油混合点的不同,又可 分为地面乳化降粘和井筒中乳化降粘技术。 单井乳化降粘是在油井井口加药,然后把活性水掺入油套环形空间;计量站多井乳化降粘是为了便 于集中管理,在计量站总管线完成加药、加压加热及水量计量,然后再分配到各井,达到降粘的目的; 而大面积集中管理乳化降粘则在接转站进行加药,这种方式设备简单、易于集中管理。 地面乳化降粘是使用于油井能够正常生产,地面集输管线中流动困难的油井。原油从油井产出后, 经井口油水混合器与活性剂溶液混合成乳状液,由输油管线输送到集油站。 井筒中乳化降粘工艺是由管柱装有封隔器和单流阀,活性剂溶液通过油管柱上的单流阀进入油管与 原油乳化,达到降粘的目的。根据单流阀与抽油泵的相对位置又可分为泵上乳化降粘和泵下乳化降粘, 其管柱如图 6 所示。

8

图 6 井筒中乳化降粘管柱结构示意图 a-泵上乳化降粘;b-泵下乳化降粘 1-掺液器;2-深井泵;3-封隔器;4-人工井底

化学降粘工艺一定要根据油井的实际情况进行选择,其设计中的主要参数包括活性剂溶液的浓度、 温度、水液比。 活性剂水溶液的浓度要适当,浓度过低不能形成水包油型乳状液,浓度过高时乳状液浓度进一步下 降幅度不大,采油成本提高,经济上不和算,而且有化学剂(如烧碱、水玻璃等) ,在高浓度时易形成油 包水型乳状液,反而会造成原油粘度的升高。温度对已形成的乳状液粘度影响不大,但它影响乳化效果。 实验证明,随着温度的提高,乳化效果变好。水液比是指活性水与产出液总量的比值,它直接影响乳状 液的类型、粘度和油井产油量。水液比应根据油井实际情况而定,某油田现场试验结果表明:在井口活 性剂溶液保持 60℃,活性剂浓度为 0.02~0.03 时,不同的原油粘度与水液比关系见表 3。
表 3 某油田原油粘度与水液比关系

原油粘度(mPa·s) 水液比

1000~2000 25~30%

2000~3000 30%

>3000 >35%

二、井筒热力降粘技术 井筒热力降粘技术是利用高粘油、稠油对温度敏感这一特点,通过提高井筒流体的温度,使井筒流 体粘度降低的工艺技术。目前常用的井筒热力降粘技术根据其加热介质可分为两大类:即热流体循环加 热降粘技术和电加热降粘技术。 1.热流体循环加热降粘技术 热流体循环加热降粘技术应用地面泵组,将高于井筒生产流体温度的油或水等热流体,以一定的流 量通过井下特殊管柱注入井筒中建立循环通道以伴热井筒生产流体, 从而达到提高井筒生产流体的温度、 降低粘度、改善其流动性目的的工艺技术。根据其井下管(杆)柱结构的不同主要分为以下四种形式: 1)开式热流体循环工艺:其井下管柱结构如图 7 所示。开式热流体循环根据循环流体的通道不同又 可分为正循环和反循环两种。开式热流体反循环工艺是油井产出的流体或地面其他来源的流体经过加热 后,以一定的流量通过油套环形空间注入井筒中,加热井筒生产流体及油管、套管和地层,然后在泵下 或泵上的某一深度上进入油管并与生产流体混合后一起采到地面。开式热流体正循环工艺则是指热流体 由油管注入井筒中,在油管的某一深度处进入油套环形空间与生产流体混合。这种工艺技术适用于自喷 井和抽油井等不同采油方式生产的高凝油及稠油油井。

9

图 7

开式热流体循环工艺管柱结构示意图

a-反循环;b-正循环 1-掺入流体;2-产液;3-套管;4-油管;5-油层

2)闭式热流体循环工艺:其井下管柱结构如图 8 所示。闭式热流体循环工艺循环的热流体与从油层 采出的流体不相混合,而且循环流体也不会对油层产生干扰。图 7 中列出了三种闭式热流体循环的基本 井下管柱结构:a 为加热管同心安装,从油套环形空间采油,该管柱的最大优点是不需要封隔器,井下 作业方便,相当于井筒中悬挂了一个加热器,在循环方式上热流体可从中间油管进入,两油管环形空间 返出,也可相反循环。由于其从套管采油,因而不能用于抽油井;b 为加热管同心安装,油管上安装有 封隔器,热流体从两油管环形空间进入井筒,由油套环形空间返回地面,油层采出流体由中心油管举升 到地面,此结构不如 a 加热效果好,但它适用于自喷井和抽油井;c 为加热油管与生产油管平行安装, 在油管下部装有封隔器,热流体由热油管注入井筒,由油套环形空间返回地面,油层采出流体经油管举 升到地面,这种结构需有较大的套管空间,且井下作业困难。 3)空心抽油杆开式热流体循环工艺:其井下管柱结构如图 9(a)所示。它是将空心抽油杆与地面掺热 流体管线连接,热流体从空心抽油杆注入,经杆底部凡尔流到油管内与油层采出流体混合后一同被举升 到地面。 4)空心抽油杆闭式热流体循环工艺:其井下管柱结构如图 9(b)所示。油层流体进入油管后,经特定 的换向设备进入空心抽油杆流向地面,而热流体由杆与油管的环形空间进入井筒,然后由油套环形空间 返回地面。 除此之外,热流体循环加热降粘技术的管柱结构变形很多,其基本的原理是相似的,在实际应用中 应根据具体情况确定,目标是使得所开采的原油具有低的开采成本。热流体循环加热降粘技术的关键在 于确定循环流体的量、循环深度、井口循环流粘度、含蜡量等的制约和流体在循环通道中流动时与管壁、 井筒及地层岩石换热的影响。循环深度的确定主要取决于油层采出流体沿井筒的温度和粘度分布,循环 深度确定后要求使得井筒中的流体具有足够低的粘度和较好的流动性,满足油井正常生产的换热过程研 究的基础上,这两个参数是影响加热效果的主要因素,同时热流体循环量往往会受到井口注入压力的限 制,在一定循环量的条件下,井口注入压力必须能保证循环的顺利进行,相反在地面限定井口注入压力 的情况下,循环量将受到制约。因此要保证达到加热效果,应根据油井的条件在优化井筒管柱结构的基 础上,合理选择热流体循环的四个关键参数。 2.加热降粘技术 电加热降粘技术是利用电热杆或伴电缆,将电能转化为热能,提高井筒生产流体温度,以降低其粘 度和改善其流动性。目前常用方法有电热杆采油工艺和伴热电缆采油工艺两种技术: 1)电热杆采油工艺:井筒杆柱和管柱结构如图 10(a)所示。其工作原理是交流电从悬接器输送到电 热杆的终端,使得空心抽油杆内的电杆发热或利用电缆线与空心抽油杆杆体形成回路,根据集肤效应原
10

理将空心抽油杆杆体加热,通过传热提高井筒生产流体的温度、降低粘度、改善其流动性。 2)伴热电缆采油工艺:井筒管柱结构如图 10(b)所示,伴热电缆分为恒功率伴热电缆与恒温(自控 温)伴热电缆两种,后者节约电能,但价格昂贵,前者则相反。再生产高凝油和稠油的油井中,将伴热 电缆利用卡箍固定在油管外部,通电后电缆发热加热井筒中的生产流体。

图 8 闭式热流体循环工艺管柱结构示意图 1-掺入流体;2-产液;3-套管;4-油管 1;5-油管 2;6-油层;7-封隔器

图 9 空心抽油杆热流体循环工艺管柱结构示意图 1-产液;2-掺入流体;3-空心抽油杆;4-油管;5-套管; 6-抽油泵;7-油层;8-动液面;9-动密封;10-封隔器

在电加热降粘技术的工艺设计中关键是确定加热深度和加热功率两个主要的参数。 加热深度根据井
11

筒中生产流体的温度,粘度分布及流体特性等为基础确定,加热功率的大小取决于所需的温度增值,要 通过设计使得井筒内的生产流体具有低粘度和较好的流动性,同时考虑到节省材料和节省能源,因此要 根据具体情况确定合理的加热深度和经济的加热功率。

图 10 电加热降粘工艺井筒管柱结构示意图
1-产液;2-动液面;3-油管;4-套管;5-油层;6-电热杆;7-实心杆;8-抽油泵;9-拌热电缆

电加热降粘技术对电缆和电缆杆制造工艺要求比较高,要去其质量稳定,工作可靠,温度调节容易。 在工艺实施过程中,其地面设备简单,生产管理方便,温度调节和控制容易、快速,沿程加热均匀,停 电凝管处理容易,热效率高,便于实现自动控制,且对环境无污染,使用安全。电热杆采油工艺还具有 井下作业和维修施工方便、简单,一次性投资少,资金回收快的特点,且电热杆的重量加在悬点上,只 适于有杆抽油系统采油的油井。而伴热电缆则井下作业和维修施工复杂,且一次性投资较高,但其应用 不受采油方式的影响,因而适用范围更广。

第四章

螺杆泵在稠油开采中的应用

螺杆泵作为一种油田采输工艺技术,是一种行之有效的人工采输手段,不但广泛应用于采油生产, 而且被广泛应用于油日地面油气集输系统.这一切均取决于其对于输送介质物性有着优越的适应性,尤 其是对于气液混合物的输送,能很好的解决普通容积泵所面临的“气蚀”“气锁”问题,达到很高的输 , 送效率.实际上螺杆泵的应用不过 20 多年历史.到目前,国外以及国内的各大油田已经开始较为广泛的 使用. 一、螺杆泵采油装置结构及其工作原理 螺杆泵采油装置是由井下螺杆泵和地面驱动装置两部分组成。二者由加强级抽油杆作为绕轴,把井 口驱动装置的动力通过抽油杆的旋转运动传递到井下,从而驱动螺杆泵工作.螺杆泵一般分为单螺杆泵 和双螺杆泵两种。由于国内油田采油工艺普遍使用的是单螺杆泵,在此仅就单螺杆泵的结构原理及性能 作如下介绍.单螺杆泵结构如图 11 所示,井下单螺杆泵是由一个单头转子和一个双头定子组成,在两件 之间形成一个个密闭的空腔,当转子在定子内转动时,这些空腔沿轴向由吸入端向排出端方向运动,密 封腔在排出端消失,同时在吸入端形成新的密封腔,其中被吸入的液体也随着运动由吸入端被推挤到排 出端,螺杆泵地面驱动装置为电力机械驱动,地面驱动装置由可自动调 4 的推力向心球面滚子轴承承受 泵的轴向负荷;螺杆泵转子转速的调节,通过更换地面驱动装置传动皮带轮的方法来加以实现。 二、螺杆泵性能及采油工艺应用条件 采油工程师经过多年的实践和探索,在选择螺杆泵开采稠油方面,形成了较完善的工艺应用条件, 概况起来主要有以下几方面: 1) 原油粘度(50℃) ≤15000mPa·s; 2) 工作环境温度≤90℃; 3) 不适用与高 H2S 产出的油井; 0 4) 井斜要求<3 ;
12

5) 适用于高含砂、高油气比、高粘度的三高油井; 6) 泵挂深度不宜过深,一般不超过 900m; 7) 产层必须有充足的供液能力,防止螺杆泵使用过程中出现空抽,间歇抽等情况; 8) 沉没度一般至少保持在 200m 以上。



11 螺杆泵结构图

1、光杆;2、螺杆泵转动装置;3、卡箍法兰;4、套管;5、油管;6、 抽油杆;7、井下单螺杆泵;8、定子;9、转子

三、螺杆泵在稠油出砂井中的应用 在我国,螺杆泵开采稠油在华北油田、胜利油田等稠油油藏取得了较完善的经验。以胜利油田东辛 油田开采为例。 东辛油田营十三断块东二段由于油稠、出砂、粘土膨胀堵塞油层等原因,于 1987 年新钻的 12 口油 井,有 11 口投产不成功。曾采取压裂、酸化、防砂和防粘土膨胀等多项新工艺措施,均无效果。1994 年对该断块油井采取二次射孔。不洗井方法,并运用螺杆泵举升稠油新工艺配合金属棉、陶瓷防砂管防 3 砂新技术使长期停产的营十三断块东二段的 6 口油井恢复了正常生产,日产油量由原来的 1.6 m 增加到 3 3 51 m ,检泵周期由原来的 30 天延长到 135 天,截至 1994 年底,累计增产原油 6418 m 。 第一口试验井营 13—32 选择沈阳新阳机器制造公司制造的 LBJl50—15 型螺杆泵,其技术参数见表 3 3 4。经过严格的现场施工,营 13—32 井试机一举成功,初产液量为 15 m /d,产油量为 14 m /d,生产 参数 93r/min。 表4
双速电动机功 率(KW) 15,22 工作转速 (r/min) 93,186

LBJ150—15 型螺杆泵技术参数
理论排量 3 (m /d) 20,40 举升高度 (m) 1500 适 用 油 井 最 适用油井含砂 高温度(℃) 量(%) 150 2.5
3

适用油井 最大粘度 (mPa·s) 2000
3

以后, 相继在该层位 6 口油井进行了试验, 口油井平均单井日产液量 23.3 m , 6 平均日产油量 8.5 m , 取得了较好的经济效益。 四、螺杆泵及配套工艺在稠油开采中的应用 在应用螺杆泵过程中,由于不同油井的开采状况、地质特点、原油物性差异较大,单一的工艺不能 满足开采需要,为此我国胜利油田、华北油田等油田结合自身油田实际,加强了配套工艺方面的研究与 应用工作。 1. 螺杆泵与地层化学处理工艺配套使用 因油稠停产多年的油井,井筒和近井地带常有稠油及其它污物堵塞,给施工带来了困难,也严重影 响油井的供液能力。为此在下螺杆泵时,多数油田普遍使用了化学助剂处理近井地带,达到了降粘及疏
13

通地层的目的。对于地层出砂严重、泥质含量高的油井,采用挤粘土稳定剂的方法,抑制粘土膨胀,取 得了较好的应用效果。如胜利油田的孤岛油田东 37—23 井,由于油稠、粘土膨胀严重,停产多年。1995 3 年,对该井应用螺杆泵开采并配套应用了降粘剂、粘土稳定剂后,使该井一次开井成功,日产油 10.5 m , 到目前已连续生产 367 天,增油效果比较明显。 2.螺杆泵与井下管柱配套使用 1)杆、管合理配套 抽油杆和油管是螺杆泵最基本的配套设备。以前只考虑节约材料费用,下螺杆泵时大多使用原井的 油管和抽油杆,如胜利油田的孤岛油田常用的是Φ 62mm 油管和Φ 22mm 抽油杆。由于抽油杆偏细,扭 矩传递能力小、效率低、断脱率高,杆管间隙小、摩阻大,易造成油管脱扣。针对这种情况,工程技术 人员将与螺杆泵配套使用的油管全部换成Φ 76mm,抽油杆使用Φ 25mmD 级杆,从而大大减少了这类故 障。 2)配套锚定装置 泵体的锚定装置是螺杆泵配套工艺中的一个关键环节,直接影响着施工的成败。1994 年,胜利油田 的孤岛油田试验了液压全包式油管锚,由于打压坐封时,油管受力伸长,降压时油管收缩,锚自动解封, 效果不太理想。他们又应用了 Y211 卡瓦式封隔器进行锚定试验,发现只要坐封 6—8t,即可达到锚定效 果。1995 年孤岛油田施工的螺杆泵大部分采用卡瓦式封隔器,从没有出现锚定失效现象。但是,当用滤 砂管防砂管柱坐封时,无法锚定。他们又自行研制开发了一种旋转式油管锚,这种油管锚在螺杆泵正常 工作时,其卡瓦在弹簧片的作用下与套管摩擦自动坐封,当螺杆泵停机时该油管锚自动解封。他们在 12 口井上使用了该油管锚,除两口井沙埋油层关井外,到 1996 年 10 口井生产正常,其中 12—7 井至 1996 年 1 2 月已连续生产 468 天.通过现场应用证明,配套锚定装置结构简单,坐封、解封方便的优点,在 螺杆泵井中应用效果比较明显。 3)防砂工艺技术的配套 我国大部分稠油油田油层结构疏散,出砂严重。虽然螺杆泵在一定程度上有耐砂能力,但对于出砂 严重的油井,应与防砂工艺技术相配套并采取不同的防砂方法。经过多年的实践,对于一般出砂井采用 滤砂管防砂工艺;对斜井采用复膜砂防砂工艺或绕丝管防砂工艺;对新井采取先混排、挤粘土稳定剂后 再用滤砂管等复合防砂工艺;如孤岛油田 Ngl+2 层的油井采用充填绕丝防砂工艺,效果较好。如 1995 年 9 月,对 1 3—71 井(老大难井),用充填绕丝防砂后,采用螺杆泵生产。施工时,在抽油杆柱上安装了 3 3 抽油杆扶正器,开井后产液 11 m /d,产油 10 m /d,至目前已正常生产 478 天。对于高压出砂油层,采 用螺杆泵与滤砂管及 Y411—1 52 防顶封隔器配套工艺技术,来解决高低压层的压差问题,也见到了较好 的效果。 4)井口降粘输送 对于稠油井,采用螺杆泵采油与地面掺水降粘工艺相配套,降低了回压,保证了原油集输系统的正 常运行,见到了良好的效果. 实践证明,螺杆泵在局部稠油井中应用有以下几个优点: 1)螺杆泵运动件少,地面设备简单,安装方便。因此地面维护工作量少,便于生产管理,可减小劳 动强度。 2)由于螺杆泵的转子和定子是软接触,具有一定的嵌砂能力,而抽油泵柱塞和泵筒是硬接触,两者 相比,螺杆泵具有较强的耐砂能力,所以在同等条件下,螺杆泵不易砂卡。 3)因为单螺杆泵所输送的油液同时作为转子和定子的润滑油,在最优的几何条件和过盈值条件下, 油液就自动保持一层薄润滑油膜,将转子和定子的接触表面完全隔开,形成液体摩擦,使两个摩擦面几 乎不产生磨损。 4)螺杆泵排量、压力平稳,油流扰动小,有利于保持地层能量和保护油层。 5)螺杆泵系统效率高,应用螺杆泵具有节能降耗的优点。 6)螺杆泵及其配套工艺,对于不能进行大面积注蒸汽热采的局部稠油井来说是成功的、有效的。

14


相关文章:
稠油的开采
因为粘度较大,所以其开 采方法与普通原油的开采方法不同, 这是由稠油的特点决定的。 稠油的粘度过高, 和水的流度比过高,使用常规的原油开采方法开采稠油效果...
稠油开采最前沿
稠油开采最前沿_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。稠油开采最前沿 【摘要】 随着油田稠油开发的不断深入, 沿用注湿蒸汽的常规吞吐方法已不能满足稠油采收 率的提高和...
稠油开采相关论文
因为粘度较大,所以其开采 方法与普通原油的开采方法不同,这是由稠油的特点决定的。稠油的粘度过高, 和水的流度比过高,使用常规的原油开采方法开采稠油效果微乎...
SAGD稠油开采技术
SAGD 技术开采稠油一 、国内外研究现状 在过去的时间里,全球工业化应用的稠油...传统方法是在储油罐内 部设置带有绝缘套管的电加热棒对单井储油罐内原油进行...
稠油油藏开采技术研究
本文通过调研国内外稠油开采技术,叙述 了稠油开发的几种技术和方法及发展趋势, 稠油油藏开采技术研究 【摘要】稠油粘度高,流动阻力大,采用常规开采方式开采效率低,...
稠油油藏注蒸汽开采方法研究
一些稠油 油藏的埋藏较深,常规的开采方法难以实现稠油油藏的高效开发,注蒸汽开发的方式可以有 效的提高稠油油藏的开发效率。目前稠油油藏的注蒸汽开发技术的研究还不...
稠油油田提高采收率的方法
中国 大学(华东)现代远 教 毕业设计(论文) 题 目:稠油油田提高采收率的方法 学习中心: 年级专业: 学生姓名: 指导教师: 导师单位: 学号: 职称: 中国石油大学(...
稠油热采技术
4 稠油降粘开采的几种方法 1 火烧油层 用电、 化学等的方法使油层温度达到原油燃点, 并向油层注入空气或氧气使油层稠油持 续燃烧,这就是火烧油层。用这种方法...
稠油、特稠油油藏提高采收率的新思路
图4 稠油冷采无砂开采示意图(据Wagg 和Fang,2007) 四、结论 通过论文研究,稠油、超稠油强化采油、改善开发效果的新技术、方法和思 路主要有以下几个方面: (1...
稠油综述
稠油开采、处理、 稠油开采、处理、集输降粘方法概述一 稠油油藏特征 ... 2 二 稠油开采方法 ......
更多相关标签:
稠油开采技术 | 稠油开采 | 稠油开采蒸汽发生器 | 稠油开采理论与技术 | 露天煤矿开采方法 | 煤矿开采方法 | 露天开采方法 | 煤矿开采方法试题库 |