1 绪论
在当今的世界石油生产中，除了为数不多的几个产油国，多数国家的常规开采已经到了中期或中后期，具体表现为开采难度加大，开采成本上升，产量递减。为了今后的发展，世界上一些大的石油公司正在不断调整经营战略。在我国也同样面临常规油后备储量严重不足的情况，在今后的若干年,原油的供需矛盾将会更加突出，在无法发现新的常规储量的情况下，动用稠油资源是缓解未来原油短缺的重要手段。
根据联合国培训研究署(UNITAR)1982年2月在第二届国际重油及沥青砂学术会议上提出的稠油定义：重质原油是指在原始油藏温度下脱气原油粘度为100~10000mPas，或者在大气压力下、15.6℃(60℉)时密度为：934一l000kg/m3,的原油；沥青砂油是指在原始油藏温度下脱气原油粘度超过10000mPas，或者在大气压力下、15.6℃(60℉)时密度大于1000kg/m3(小于100API)的原油。
有研究表明，除了南极洲外各大洲均蕴藏有十分可观的稠油。全球己探明的稠油资源有3000亿吨以上的储量，仅加拿大就大约有400亿立方米的地质储量，委内瑞拉也是稠油十分丰富的国家。而可供开采的稀油资源仅剩下1700亿吨，可见稠油将是21世纪的重要资源。过去稠油开发主要集中在美洲大陆，近二十年来亚洲的稠油开发开始崛起。上世纪八十年代初，我国的稠油资源才开始工业性开发，至2002年产量己达1300万吨，占全国原油产量的8%。
我国目前己经探明和控制的稠油储量约为20亿吨，主要分布在辽河、新疆、胜利和河南油田，大港、江汉等油田也有部分稠油。仅中国石油天然气集团公司预测的稠油资源量就有198亿吨，已探明地质储量12亿吨,动用地质储量8亿吨。经过20年的研究与实践，现已形成1000万吨以上的生产能力。因此，经济高效的开发稠油对我国具有重要的现实和战略意义。
2000年初，世界上强化采油的日产量大约是36.6万吨，其中热力采油的日产量约为2.07万吨，约占强化采油的56.6%，可见稠油热采在强化采油中占的主导地位。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22%，其它的热力采油方法(比如说蒸汽辅助泄油，热水驱，电加热等)还处在小规模的试验研究阶段。
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。
2国内外发展现状
稠油热采早在20世纪初便开始了工业性试验。1931年在美国得克萨斯伍德森附近的威尔森，斯旺两个油矿进行了蒸汽驱现场试验，1934年在前苏联进行了火烧油层试验，1959年在委内瑞拉由壳牌公司在明格兰德油田进行了蒸汽吞吐。60年代后，由于热力开采的发展，稠油资源比较丰富的美国，加拿大，委内瑞拉等国陆续开始了工业化生产。
当今世界稠油开采主要以蒸汽吞吐，蒸汽驱，火烧油层，热水驱等热力开采为主。其中蒸汽吞吐约占78%,蒸汽驱约占10%和常规水驱约占12%。蒸汽吞吐开采在委内瑞拉的规模最大，其次是美国和哥伦比亚。
我国目前己在中国东部和西部15个大中型含油气盆地发现了这类资源，主要储集于碎屑岩，火山岩，变质岩及碳酸盐岩储层之中，绝大部分埋深1000~1500m。新疆克拉玛依的稠油在我国最早投入开发，1958年至1975年克拉玛依曾对6个稠油油田进行火烧油层试验，但未取得突破性进展。随后，进行小规模蒸汽吞吐试验，取得了良好效果，特别是1982年以来，在我国辽河油田经反复热采试验，使蒸汽吞吐获得成功，取得了长足的进展，稠油产量跃居全局中产油量的一半，居于全国首位。此后，胜利油田蒸汽热采成功，使稠油产量名列全国第二。1982年以前，中国东部的稠油资源基本上没有开发,从1982年以后，东部的稠油才得到迅速发展。
3热力模型的发展
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。
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，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。
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。1970～1973 年，H.L.Stone 和K. Azzlz 及Settair等人根据H.L.Remay 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。 1984 年，J.E.Gontijo 和K, Azzlz 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，R.P.Gros 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。
20 世纪80 年代后期，Gros 和Gontijo的蒸汽吞吐预测模型，已经考虑到了蒸汽吞吐中超覆现象和地层压力的变化，但未解决冷采阶段采油指数的问题。随着数模的完善，已经考虑裂缝的影响。
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。
1986 年，陈月明针教授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。
1996 年，刘慧卿、陈月明等人根据Vogel 的研究思路，提出了一种蒸汽吞吐流入动态方法，利用数模方法模拟不同注入和生产动态，回归出各参数项的系数，得到产能关系、井底流动温度以及含水率变化3 种流入动态关系。
1997年,侯健和陈月明在前人的基础上提出了一种改进的蒸汽吞吐产能模型,考虑了多层油藏的能量分配及相互影响,并引入了形状系数,修正了蒸汽注入过程中超覆现象的影响。
1998年,蒲海洋以周期注汽量、蒸汽干度、注汽速度和废弃产量等注汽参数为优化变量,对多个生产指标进行优化设计。
近年来,人们开始考虑加热动态边界问题,并对注入参数进行了相当多的优化研究,但多应用统计中的正交设计方法,比较繁琐。
4 研究目标及技术路线
本
5本文主要工作
第二章 蒸汽吞吐开采稠油研究概况
蒸汽吞吐开采稠油经过近几十年的发展，工艺技术逐渐成熟,增油机理也日渐明朗，取得了很好的生产效果，因此，广泛应用于各大油田的稠油开采。为了扩大蒸汽吞吐的应用范围,分析吞吐的开采潜力，各油田根据自己的实际情况，总结了一系列的筛选标准，同时，随着开采进行，也出现了一些问题。
1稠油蒸汽吞吐的筛选标准
蒸汽吞吐工艺施工简单，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。 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。 早期在研究蒸汽吞吐开发筛选标准的过程中，主要考虑了以下几个方面，进行定性筛选：
(1)油层要有足够的储量。不仅要有一定的面积、有效厚度和储量丰度,而且孔隙、原始含油饱和度也要大于某一数值。
(2)油层条件下要有一定的流度，即油层绝对渗透率要大于某一数值。
(3)尽量减少热损失,即油层深度要小于某一数值,油层有效厚度要大于某一数值，有效厚度与总厚度之比要大于某一数值。
(4)没有强烈的边、底水和气顶作用。
随着研究的深入，人们逐步认识到影响稠油蒸汽吞吐效果的因素非常多，包括油藏地质参数及原油流体性质等，这些参数又相互影响，通过对这些参数进行细致的定量分析，人们逐步得到了一些针对不同油藏的定量筛选标准。如表2-1所示为目前我国稠油油藏开发中比较常用的蒸汽吞吐筛选标准，表2-2所示为胜利油田稠油油藏所用的蒸汽吞吐筛选标准，表2-3为运用数值模拟方法，根据经济优化原则研究不同油价下得出的蒸汽吞吐筛选标准，表2-4为在原有稠油蒸汽吞吐筛选标准的基础上，根据裂缝性稠油油藏的地质特征，利用数值模拟技术和经济评价方法，提出的适合于裂缝性稠油油藏的筛选标准。随着科学技术的进步，筛选标准的限制条件将逐渐放宽[1-4]。
稠油热采项目一般投资较高，开发风险大，选择适宜于蒸汽吞吐的油藏尤为重要。研究表明：我国的蒸汽吞吐开采筛选标准如下：
2-1 中国稠油蒸汽吞吐开采筛选标准
油藏地质参数 一等 二等（特殊吞吐技术）
1 2 3 4 5
原油粘度，mPa*s 50～10000 ＜50000 ＜100000 ＜100000 ＜100000
相对密度 ＞0.9200 ＞0.9500 ＞0.9800 ＞0.9200 ＞0.9200
油层深度，m 150～1600 ＜1000 ＜500 1600～1800 ＜500
油层有效厚度，m ＞10 ＞10 ＞10 ＞10 5～10
有效/总厚度比 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4
孔隙度,％ ≥20 ≥20 ≥20 ≥20 ≥20
含油饱和度,％ ≥50 ≥50 ≥50 ≥50 ≥50
oS ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10
储量系数,104t/(k㎡*m) ≥10 ≥10 ≥10 ≥10 ≥5
渗透率，10-3㎡ ≥200 ≥200 ≥200 ≥200 ≥200
2-2胜利油田稠油蒸汽吞吐开采筛选
油藏地质参数 一等 二等
1 2 3 4 5
原油粘度，mPa*s 50～10000 100000～50000 ＜100000 ＜100000 50～100000
相对密度 0.92～0.95 0.95～0.98 ＞0.98 0.92～0.95 0.92～0.95
油层深度，m 150～1600 ＜1000 ＜500 1600～1800 ＜500
油层有效厚度，m ＞10 ＞10 ＞10 ＞10 5～10
有效/总厚度比 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4 ＞0.4
孔隙度,％ ≥20 ≥20 ≥20 ≥20 ≥20
含油饱和度,％ ≥50 ≥50 ≥50 ≥50 ≥50
oS ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10 ≥0.10
储量系数,104t/(k㎡*m) ≥10 ≥10 ≥10 ≥10 ≥5
渗透率，10-3㎡ ≥200 ≥200 ≥200 ≥200 ≥200