稠油热采

稠油热采技术研究

姓名：张鑫

班级：油工084

学号：080201140424

2012年3月

摘要

石油资源存在于天然形成的油藏之中，其开采技术随油藏类型、原油特性不同而不同。稠油也称重油即高粘度重质原油，在油层中的粘度高，流动阻力大甚至不能流动，因而用常规的技术难以经济有效地开发稠油油田。最近10年我国采用注蒸汽热采技术有效地开发了一批稠油油田，打开了稠油开发的新局面。

稠油的基本定义

稠油是指在油层条件下原油粘度大于50mPa·s 或者在油层温度下脱气原油粘度大于100mPa·s、原油相对密度大于0.934（我国＞0.9200）的原油。我国一般采用稠油的定义，西方国家一般采用重油的定义，以原油重度（°API ）作为第一指标。原油重度与相对密度的换算关系为：

我国稠油的特点及稠油资源的分布

一、我国稠油的特点

（1）粘度高，而相对密度低（我国稠油胶质成分多，一般为20～40%，沥青含量少，一般为0～5%。）；

（2）含硫较低，一般仅为0.5%左右；

（3）轻质馏分少，300℃时轻质馏分约为10%；

（4）金属钒（V ）、镍（Ni ）含量低。

二、我国稠油资源的分布及特点

我国目前已在12个盆地发现了70多个稠油油田。我国陆上稠油油藏多数为中新生代陆相沉积，少量为古生代的海相沉积，储层以碎屑岩为主，具有高孔隙、高渗透、胶结疏松的特征。重质油主要分布在盆地边缘斜坡带、凸起边缘或凹陷中断裂背斜带的浅层。陆相重质油由于受成熟度较低的影响，沥青含量低而胶质含量高。目前，稠油储量最多的是东北的辽河油区，其次是东部的胜利油区和西北的克拉玛依油区。

稠油的一般特性

1、胶质沥青质含量高、轻质馏分少。高粘度和高相对密度是稠油最主要的特性；

2、硫、氧、氮等杂原子含量较多。例如：美国、加拿大、委内瑞拉的重油中含硫量高达3%～5%；

3、稠油中含有较多的稀有金属，如：Ni 、V 、Fe 、Mo 等；

4、稠油中石蜡含量一般较低，但也有极少数“双高原油”；

5、同一稠油油藏中，原油性质在垂向油层的不同井段及平面上各井之间常常很大的差别；在同一油田或油区，原油性质相差更大。

稠油的热特性

1、稠油的粘温特性（是稠油热采的理论基础）；

2、稠油的蒸馏特性（蒸汽驱、火驱采油机理之一）；

当温度升高到泡点（原油开始汽化时的最低温度）时，原油中的轻质组分将分离为气相，重组分仍保持为液相；

3、稠油的热裂解特性（在火烧油层过程中表现的比在蒸汽驱过程中更加突出）；

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稠油的热裂解是指当温度升高到某一程度时，稠油中的重质组分将裂解成焦炭和轻质组分；

4、稠油的热膨胀特性；

热采方式

按驱动方式，可将稠油注蒸汽开采分为蒸汽吞吐和蒸汽驱两个阶段，这是国外通常的做法。

蒸汽吞吐：方法简单，经济风险性小，每口井可进行5～8周期的吞吐作业，采油速度高达3% ～ 8%,但原油采收率仅10% ～ 20%，损失大量可采储量。蒸汽吞吐有效加热半径小于30m。（数模结果）

蒸汽驱(steam Drive)：高技术、高投入、高速度、高能耗，是否高收益、高水平取决于油藏地质条件和工艺技术的先进性。

蒸汽吞吐

一、蒸汽吞吐过程

蒸汽吞吐（Puff and Haff）是单井作业，每口井既是注汽井又是生产井。它有时又称油井激励处理(Steam Stimulation)、循环注蒸汽(Cyclic Steam Injection)、周期注蒸汽、蒸汽浸泡等。蒸汽吞吐这一工艺技术的每一循环包括三个步骤：

1.注汽阶段(吞蒸汽)；

2.关井（焖井）阶段；

3.采油阶段（先自喷，后下泵转抽，当抽油生产达经济极限后开始下一循环。）

1.注汽阶段

注汽阶段是油层吞入蒸汽的过程。根据设计要求的施工参数（注入压力、注汽速度、蒸汽干度、周期注气量），把高温高压饱和蒸汽注入油层。注入蒸汽优先进入高渗透带，而且由于蒸汽与油藏流体的密度差，蒸汽占据油层的上部。油层内的温度分布并不均匀，靠近井眼处的地层及油层的上部温度相对较高，随着注汽过程的进行，被蒸汽加热的区域越来越大。当注入蒸汽量达到设计的周期蒸汽注入量时，油层平均温度达到最高。

2.关井阶段

注完所设计的蒸汽量后，停止注汽，关井，也叫焖井，焖井的时间一般为2～7天。焖井的目的在于：

（1）使注入近井地带的蒸汽尽可能地扩散到油层深部，加热那里的原油；

（2）腾出时间准备回采条件，如下泵等。

在焖井阶段，由于蒸汽的热损失（上下盖层油层深部）导致蒸汽扩散区域的蒸汽冷凝，变成热水带，该热水带温度较高（有一定的压力）仍然可以加热地层和原油。

3.回采阶段

油井注完蒸汽关井达到设计的焖井时间后，开井生产进入回采阶段，在回采阶段，由于

油层压力较高，一般油井能够自喷生产（尤其是首轮蒸汽吞吐），装上较大的油嘴以防止油层出砂，开井生产最初几天，通常是含水率很高，有的甚至全是热水，但很快出现产油峰值，气产量为常规产量的几十倍。当油井不能自喷时，立即下泵生产。

随着回采时间延长，由于注入地层的热量损失及产出液带出大量的热量，被加热的油层逐渐降温，流向井筒的原油粘度逐渐升高，原油产量逐渐下降。当产量降至某一极限产量时，结束该周期的生产，重新进行下一周期的周期吞吐，如此多周期地吞吐作业，最后转入蒸汽驱开采。

在多周期吞吐中，前一周期回采结束时留在油层中的余热对下一周期的吞吐将起到预热作用，有利于下一周期的增产。

蒸汽驱

蒸汽驱提高采收率的机理

一、蒸汽驱过程

蒸汽驱是指从注汽井持续注汽而从相邻生产井持续产油的过程。Steamdriver和Steamflood都是指的蒸汽驱

二、蒸汽驱提高采收率的机理

对于蒸汽驱过程中的每一个区带，其驱替机理都不同，因此，由注入井到生产井，形成了一个含油饱和度和温度不同的剖面。

蒸汽驱过程中的含油饱和度主要取决于它的热力学性质，蒸汽带中的残余油因经受的温度最高而降至最低的饱和度；凝结带中，由于蒸汽带前缘形成的溶剂油带的抽提作用以及蒸汽带的温度也较高，因此，其残余油饱和度远远低于冷水驱。蒸汽带和凝结带的不断推进，推动可动原油前进，因而形成了前面原油饱和度高于原始值的油带及冷水带，此处的驱油方式和水驱相同，在油层原始区，温度和含油饱和度仍是最初状态。

蒸汽驱机理有降粘作用、蒸汽的蒸馏作用、热膨胀作用、重力分离作用、相对渗透率及毛管压力的变化、溶解气驱作用、油相混相驱动、以及乳状液驱替作用。这些机理的作用程度主要取决于原油及油层的特性。

1、降粘作用

向地层中注入热的蒸汽，油层温度升高，原油粘度下降，大大地改善了稠油流动能力，这是蒸汽驱开采稠油的主要机理。高粘度的重质原油在孔隙介质中流动困难，主要原因就是粘度过高，粘滞力即渗流阻力过大，在油层的原始温度下，高粘度原油具有不同于达西渗流的流变特性，甚至于根本流不动，只有在油层压力与井底压力的压力差大于一定的压力（启动压力）时，高粘度原油的流动才符合径向流动或才开始流动。在蒸汽驱过程中，油层的温度升高，原油粘度大幅度下降，启动压力减小甚至消失。

在高温下代表地层渗流能力的流动系数Koh/μo发生很大的变化：一方面由于μo大幅度下降；另一方面，随着温度的升高，油层有效厚度h中进入产油状态的实际动用厚度增加了，此外，油的相对渗透率（后面要讨论的内容）Kro也增加，这样，流动系数Kroh/μo大大增加，故油井产量大幅增加。

2、热膨胀作用

地层中的油、水、岩石在注入的热蒸汽作用下，温度升高，体积膨胀。其中，油水的体积膨胀系数分别为1×10-3和3×10-4，相对而言，岩石的体积膨胀系数非常小，相对于油水体积随温度的变化，岩石的体积随温度变化可忽略不计。油水体积的膨胀驱动流体流向生产井，而油相的体积膨胀较水相的体积膨胀明显得多，因此，大大降低了残余油饱和度。当温度增加150℃，原油体积将增加15%，残余油饱和度将减少10%～30%，从而提高了原油的采收率。轻质油的热膨胀系数较稠油大，因此，热膨胀作用对轻质原油油藏的蒸汽驱替开采更具优越性。

3、蒸汽蒸馏作用

蒸汽蒸馏是指某种液态混合物中的挥发性组分在直接引入蒸汽时，可以在低于其沸点的温度下蒸发为气态，也称“汽提”作用。在汽提过程中蒸汽从原油中把比较轻的组分抽出，被汽提的轻烃蒸汽与水蒸汽混合后一道向前流动，这种混合蒸汽在凝析带内凝结为液态的水和轻质油，轻烃与当地原油混合，原油粘度降低，被驱向下游，导致异常低的残余油饱和度，从而增加了原油的采收率。

火烧油层

一、火烧油层法驱油机理

火烧油层法（火驱法）是向储层注空气给燃烧前缘供氧，当开始注空气时，注入井眼附近的原油开始氧化，如氧化反应快，原油将自燃点火，并开始燃烧；如氧化反应慢，用下入加热器到注入井底加热空气的方法使其点燃。点火成功后，继续注空气使燃烧前缘从注入井沿油层向外移动。燃烧废气在前方流动，与油和水一起在生产井排出。

在燃烧前缘处发生的热量把靠近前缘的地层水汽化，并在燃烧前的前方形成一蒸汽带，燃烧反应中生成的水分也有助于这个蒸汽带的形成和发展。紧靠燃烧前缘处的高温使留下的少量原油蒸馏和裂解，蒸馏和裂解出来的轻油蒸气与燃烧废气一起向前流动，被蒸汽前缘下游的原油吸收，并在那里逐渐形成一个富油带。火烧油层的采油机理异常复杂。但目前可以肯定的是原油的高温裂解、热驱、冷凝蒸汽驱、混相驱以及气驱都是火烧油层提高采收率的机理。

二、燃烧带

注入的空气或氧气在井底附近形成燃烧带，燃烧带产生的热量加热地层、蒸发原油中的轻质组分和地层中的间隙水，燃烧产生二氧化碳、一样化碳、水蒸气等气体产物。

（2）燃烧前缘

在燃烧前缘留下的重质原油被高温碳化，并沉积在沙粒表面上，构成燃烧过程的主要燃料，留在燃烧前缘后面的是干净的砂和大量的热能。这些砂温度很高，高温一方面可以加热尚未达到燃烧温度的空气或氧气，另一方面为湿式燃烧方法中注入水的蒸发提供热能。

（3）蒸发带

在蒸发带中有少量的间隙水受热产生的水蒸汽、注入空气中的氮气、燃烧产物中的二氧化碳、一氧化碳等气体，另外还有被蒸发的轻质油以及沉积在沙粒表面上的固态重烃或焦炭。

蒸发带中的各种气体与前面的冷油层组相接触形成凝析带。

（4）凝析带

在凝析带，轻质原油与冷原油产生混相，降低地层中冷原油的粘度，并使原油体积产生膨胀，蒸汽加热地层原油及地层间隙水，提高油层水温度，形成热水驱。二氧化碳、氮气等与原油接触产生混相气体驱，进一步抽提原油中的轻质组分，降低原油粘度并膨胀原油。

（5）集油带

在凝析带前面的就是集油带，也叫油墙（Oil Bank），集油带中有部分气体（N2，CO2，蒸汽）束缚水及原油。集油带温度仍高于地层原油温度。

（6）原始油带

在集油带前面就是原始油带，它尚处于原始状况，未受火烧的影响。

三、火烧油层的采油机理：

1、原油的热裂解

在燃烧前缘，油层温度高达300～650℃，高温一是促使原油中较轻质组分蒸发向前推进，二是使留在沙粒上较重质组分产生热裂解，形成气态烃和焦油，气态烃进入蒸发带，而焦油沉积在油砂上称为燃烧过程中的燃料。

2、冷凝蒸汽驱

注入的空气于燃烧带与剩余在沙粒上的焦油燃料起燃烧反应时，生成的蒸汽与燃烧前缘高温使地层共存水产生的蒸汽一道向前推进，并和前面较冷的油层接触。蒸汽把热量迅速地传给地层，使原油粘度迅速降低，增加原油的流动能力，因而提高了原油的驱动能力。

3、烃类混相驱

蒸发带正常蒸馏作用产生的气态烃与燃烧前缘热裂解作用产生的气态烃混合进入凝析带中，由于温度较低而冷凝下来，冷凝的轻质油与地层原油混相，同时传递热量，改善原油的流动性能。

4、气驱作用

在燃烧带中形成了一种十分有效的气体驱动。注入的空气与焦油燃烧，生成的气体主要有CO2、N2进入蒸发带，一方面与原油达到混相和非混相，降低原油粘度，改善原油特性；另一方面，可以大大增加油层能量，提高原油的驱动力。

5、热驱作用

由于油层流体的对流以及地层岩石的传导，热能可以从燃烧前缘一直传递到集油带，同时热量还可以传递到油层下部，使油层均匀加热，这种传递方式有利于蒸汽驱，并可以大大提高油层的纵向扫油效率。此外，燃烧带留下了大量的热为后继注入提高了必要条件。

火烧油层施工中存在的问题及对策

1、注入能力和生产能力低,注入井氧化铁、沥青质、乳化液、BaSO4、SrSO4垢等堵塞；

对策：酸化、挤入溶剂、注破乳剂，使用有机磷酸盐。

2、腐蚀（特别是在湿式燃烧中）

酸腐蚀（低温氧化产物包括醇、醛、酮、羧酸、过氧化酸等）；高温氧化穿孔；S、O和CO2造成的腐蚀。

3、磨蚀（出砂使孔眼部位的油管受损）；

我国稠油热采技术的发展历程

从1980年到目前，我国稠油开发技术的发展大致经历了三个阶段，即（1）1980～1985（六·五）：以稠油蒸汽吞吐开采技术为目标；（2）1986 ～1990（七·五）：以稠油蒸汽吞吐技术推广应用与稠油蒸汽驱先导试验为目标；（3）1991 ～1995（八·五）：以改善蒸汽吞吐、蒸汽驱开采效果为目标。

另外，1966 ～1967年在克拉玛依油田、胜坨油田及扶余油田开展了三个火烧油层的先导试验，由于“文革”而中途停止。

主要技术成就

总结起来，稠油热采有十项重大技术成就：

一、油藏描述技术取得很大进展；

二、热采数值模拟及物理模拟技术在稠油开发中发挥重要作

用；

三、深井井筒隔热及保护套管技术；

四、丛式定向井及水平井钻采技术；

五、稠油油井防砂技术（机械防砂、高温化学防砂）；

六、分层注汽及注入化学剂助排技术；

七、稠油热采井机械采油技术；

八、井下高温测试技术（辽河油田研制的温度、压力双参数测

试仪）；

九、注蒸汽专用锅炉及热采井口设备；

十、稠油集输、计量、脱水及输送技术。

参考文献

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