收稿日期:2006-06-06;改回日期:2006-07-31

基金项目:该项目受油气藏地质及开发工程国家重点实验室基金项目资助(项目编号:PLN0141

)

作者简介:曾玉强(1979-),男,2003年毕业于西南石油学院石油工程专业,现为该院在读博士研究生,主要研究方向为油气田开发。

文章编号:1006-6535(2006)06-0005-05

稠油蒸汽吞吐开采技术研究概述

曾玉强1,刘蜀知1,王　琴1,任　勇2,鲁小会3(11西南石油大学,四川　成都　610500;21中油长庆油田分公司,陕西　西安　710021;

31中油新疆油田分公司,新疆　克拉玛依　834000)

摘要:利用蒸汽吞吐开采稠油最早出现在20世纪50年代,作为一种相对简单和成熟的注蒸汽开采技术,目前仍在委内瑞拉、美国和加拿大广泛应用。在研究大量文献的基础上,回顾了蒸汽吞吐开采技术的发展和现状,总结了蒸汽吞吐采油原理和开采特征,热力模型的发展,以及现阶段存在的问题,展望了未来的发展方向。研究认为:蒸汽吞吐在稠油开发中仍然将继续占有重要的地位;其采油原理复杂,是一项复杂、技术难度大的系统工程;进入开采中后期,必须运用各种手段改善吞吐效果并适时地转入合理的二次热采方式。关键词:稠油;蒸汽吞吐技术;开采特征;概述中图分类号:TE35714 文献标识码:A

引　言研究表明,除南极洲外各大洲均蕴藏有十分可观的稠油。全球已探明的稠油资源储量超过3000

×10

8t,而可供开采的稀油资源仅剩下1700×108

t[1]。过去稠油开发主要集中在美洲大陆,近20a

来亚洲的稠油开发得到了发展。20世纪80年代初,我国的稠油资源才开始工业性开发,至2002年产量已达1300×10

4

t,占全国原油产量的8%。

2000年初,世界上强化采油的日产量大约是3616×10

4t,其中热力采油的日产量约为2017×104

t,约

占强化采油的5616%,可见稠油热采在强化采油中占有主导地位[2]。在热力采油中,注蒸汽开采的产量约占97%,其次为火烧油层,产量约占热力采油的212%,其它的热力采油方法(如蒸汽辅助重力泄油,热水驱,电加热等)还处在小规模的试验研究阶段[3]。我国目前稠油开发主要包括蒸汽吞吐(约占78%),蒸汽驱(约占10%)和常规水驱

(12%)等方法。

蒸汽吞吐工艺施工简单,收效快,不需要进行特别的试验研究,可以直接在生产井实施,边生产边试验,因而受到人们的普遍欢迎。尤其在某些油藏条件下,例如油层厚,油层埋藏浅,井距小,特别是重力排油能力达到经济产量时,蒸汽吞吐可以获得较高的采收率[4]。蒸汽吞吐是单井作业,对各种类型稠油油藏地质条件的适用范围较蒸汽驱广,经济上的风险比蒸汽驱开采小得多,因此蒸汽吞吐通常作为油田规模蒸汽驱开发之前的先导开发方式,以减少生产的阻力和增加注入能力。此外,对于井间连通性差、原油粘度过高以及含沥青砂,不适合蒸汽驱的油藏,仍将蒸汽吞吐作为一种独立的开发方式,因而它在稠油开发中将继续占有重要的地位。1　蒸汽吞吐采油原理和开采特征111　筛选标准稠油热采项目一般投资较高,风险也比普通油藏开发大,因此选择适宜于蒸汽吞吐的油藏就显得尤为重要。要做好这项工作,需要对油藏地质的各项参数进行研究评价。经综合研究,得出了我国的蒸汽吞吐开采筛选标准(表1)[5]　。112　蒸汽吞吐增油机理蒸汽吞吐过程中的传热介质包含物理的、化学的、热动力学的各种现象,是一个十分复杂的综合作用过程,同时也是一个具有不同流动梯度的非稳定渗流过程。蒸汽吞吐的采油原理主要包括[6～8]:(1)油层中原油加热后粘度大幅度降低,流动阻力大大减小。粘温敏感性是稠油热采的主要机理。

第13卷第6期2006年12月 特种油气藏SpecialOilandGasReservoirs Vol113No16Dec12006表1　蒸汽吞吐开采筛选标准Tab11　Screeningcriteriaofcyclicsteamstimulation

油藏地质参数一等12二等(特殊吞吐技术)345原油粘度/mPa・s50～10000<50000<100000<10000<10000

相对密度>019200>019500>019800>019200>019200

油层深度/m15～1600<1000<5001600～1800<500

油层有效厚度/m>10>10>10>105～10

有效/总厚度比>014>014>014>014>014

<≥0120≥0120≥0120≥0120≥0120

Soi≥0150≥0150≥0150≥0150≥0150

<×S

oi≥0110≥0110≥0110≥0110≥0110

单储系数/(104m3・km-2・m

-1)≥10≥10≥10≥10≥10

渗透率/10-3μm

2≥200≥200≥200≥200≥200

(2)对于压力高的油层,油层的弹性能量在加热油层后充分释放出来,成为驱动能量。(3)解堵作用。高温蒸汽对岩石的冲刷可以解除近井地带的污染,尤其是第1周期,解堵起到了非常重要的作用。(4)降低界面张力,改善液阻和气阻效应(贾敏效应),降低流动阻力。(5)流体和岩石的热膨胀作用(例如回采过程中,蒸汽的膨胀,以及部分高压凝结水由于突然降压闪蒸为蒸汽),使得孔隙体积减小,增加产出量。(6)开井生产后,带走大量热量,但油层、盖顶层及夹层中蓄留一定的余热,对下一周期的吞吐起到预热作用;加热带附近的冷油缓慢补充进入降压的加热带过程中,余热将降低冷油的粘度,使原油向井底的流动可以延续很长时间,尤其是对于普通稠油(粘度小于10000mPa・s),在原始油层条件下本来就具有一定的流动性,当加热温度大于原始油层温度时,在一定压力梯度下,流向井底的速度加快。(7)吞吐降压后,地层的压实作用也是一种不可忽视的驱油机理,在委内瑞拉马拉开波湖岸重油区(压实作用驱出的油量高达15%左右)和美国加州重油区(增产的油量约5%～7%来自压实作用)该作用明显,中国尚未作系统观测和研究。(8)地层中的原油在高温蒸汽下产生某种程度的蒸馏裂解作用,使得原油轻馏分增加,起到一定的溶剂抽提作用。(9)对于厚油层,热原油流向井底时,除了油层压力驱动外,还受到重力驱动作用。(10)高温蒸汽改变岩石的润湿性,油水相对渗透率变化,增加了流向井底的可动油。(11)某些有边水的稠油油藏,在蒸汽吞吐采油过程中,随着油层压力下降,边水向开发区推进,

这虽然补充了驱动能量,但是一旦边水突破,含水率将大幅度增加,因此总的来说这种作用是弊大于利的,尤其是极不利于以后的蒸汽驱开采,因而应控制边水推进。(12)放大压差作用,这是蒸汽吞吐开采机理

发挥效力的必要条件。

113　开采特征蒸汽吞吐的开采机理和技术措施决定了蒸汽吞吐开采总的趋势是逐步衰减。无论是周期内或周期间,由于油层压力下降、井筒附近油层温度、含水饱和度、渗流条件的变化,油井的产液量、产油量、油汽比随着生产时间的增加而递减。油藏类型不同、技术措施不同、生产历史不同,递减规律有所差异。此外还有以下一些主要特点[9,10]:

(1)蒸汽吞吐注入的热量仅使井筒周围一定

范围的油层加热,加热半径一般为10～30m,很难超过50m;以原油加热降粘、改善油的流动性为主,强化了天然驱动能量的作用。因此蒸汽吞吐阶段采收率较低,一般为10%～15%,最大约为30%。(2)采油速度很高。一般为地质储量的4%～

6%,甚至更高。(3)开采中每个周期内的产量变化幅度较大。

有初期的峰值期,有递减期。峰值期为主要产油期,如果油层达到30m,产量可达100t/d以上,因而有足够的人工举升能力是很关键的。

2　热力模型的发展注蒸汽热力采油是一项复杂、技术难度大的系

6 特种油气藏 第13卷统工程,它涉及到油藏地质、油藏工程、采油工程、传热学、经济分析等多门学科。因此,要科学、经济、高效地管理好蒸汽吞吐井必须要从油层的实际出发,研究蒸汽吞吐的全过程,包括地面管线和井筒的压力降及热损失,焖井和开井生产过程中的动态预测,以及生产方式的选择和合理工作制度的确定。国内外在这些方面做了大量的研究工作。早在20世纪50年代,Marx-Langenheim就利用能量平衡关系来计算油层的加热面积。1966年,Boberg和Lantz[11]提出了蒸汽吞吐产油预测模型,该模型比较简单,可以反映出蒸汽吞吐中加热降粘增产原理,但不能计算油藏压力的变化。计算时假设,从井底到计算范围内的油层受热是均匀的,计算受热区范围时,考虑了上下盖层的热损失,并假设可按一维径向流来计算采出量。计算的第1步是研究温度和受热区的范围,然后计算产能。但是,计算中需要求出冷采阶段的采油指数。而很多稠油油藏由于油太稠而不能进行冷采,所以不能得到冷采阶段的采油指数;同时该计算方法没有考虑厚油层中注入蒸汽的超覆现象,使得加热区的范围较小,也没有考虑温度和饱和度对相对渗透率的影响。1967年,Martin提出了非传导解析模型,即只通过流体流动传送热量的模型。模型分析了若干重要变量对理想化蒸汽吞吐井动态的影响,比如油水比、油层污染、注入的热量、油层厚度等,得到了以下结论:①最佳的注入量不仅取决于原油的粘度,也取决于所考虑的经济因素;②在多数情况下,吞吐期间降低井底附近油的粘度,足以有效地克服油层污染的影响;③在注汽强度不变的情况下,吞吐产油量随着油层厚度的增加而增加。但是,该方法中最大的问题是采用一个忽略热传导的理想化模型来描述注汽期间的油井动态。1968年,Kuo[12]等人研究了前人未曾考虑的重力泄油问题,但未提到每一注汽周期间的特殊动态。到了20世纪70年代,开始应用三维三相注蒸汽模型,但这些模拟器要求输入比较多的参数,对计算机性能要求高并且需要专业人员来操作。1970～1973年,H1L1Stone和K1Azzlz[13]　及Settair等人根据H1L1Remay所提出的相渗透率计算方法,提出了油、气、水相渗透率的Stone模型以及修正的Stone模型。该模型考虑问题全面,但过于复杂,不易推广运用。20世纪80年代以来,以陈月明教授为代表,对蒸汽吞吐注采参数优化设计进行了广泛的研究。1984年,J1E1Gontijo和K1Azzlz等人提出锥形重力泄油机理。研究考虑了蒸汽超覆现象、重力泄油、弹性驱动等问题,由此计算了加热半径、径向垂向热损失以及液体携带热量随时间的变化关系,结果与现场吻合较好。1985年,R1P1Gros[14]利用物质平衡方程得到

随时间变化的平均饱和度,并利用随时间变化的相渗透率关系来计算动态指标,在计算过程中考虑了地层压力的变化情况。1986年,国内的陈月明针对胜利油田单家寺油藏的具体情况,进行了蒸汽吞吐产能计算分析,

在该地区应用效果较好。20世纪80年代后期,Gros和Gontijo[15]的蒸汽