海上稠油多元熱流體開采技術(shù)

孫濤 (中海石油 (中國) 有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

我國渤海海域蘊(yùn)藏的油氣資源特別是稠油十分豐富，主要分布在綏中、埕北、旅大等區(qū)塊，通常存在密度大、粘度高等特點(diǎn)，而且原油流動阻力大，難以經(jīng)濟(jì)有效進(jìn)行開發(fā)[1]。為保障國家能源安全供給，海上稠油、特稠油區(qū)塊的有效動用變得尤其重要。由于海上采油平臺環(huán)境十分特殊，作業(yè)空間狹小，設(shè)備尺寸及擺放受到了相當(dāng)大的限制。加之受經(jīng)濟(jì)制約的影響，陸地油田的較為成熟的開采技術(shù)難以直接在海上推廣實(shí)施。多元熱流體技術(shù)是近年來發(fā)展的海上稠油油藏開采新技術(shù)，在渤海油田稠油開發(fā)中取得了較為成功的應(yīng)用，為渤海油田的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

1 稠油常用開發(fā)方式

目前稠油油藏的開發(fā)方式主要有冷采、熱采、熱復(fù)合三種[2]。冷采技術(shù)主要用于開發(fā)低粘度油藏，而開發(fā)高粘度油藏主要采用熱采技術(shù)和熱復(fù)合技術(shù)。

1.1 稠油冷采技術(shù)

稠油油藏常用的冷采工藝主要包括有水驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、出砂冷采等。對于低粘度稠油油藏，水驅(qū)技術(shù)操作性較強(qiáng)，成本相對較低，而且安全可靠。化學(xué)驅(qū)技術(shù)可以有效改善油-層間吸水不均的問題，并且防止含水率過快上升，對稠油油藏水驅(qū)后期的采收率提高有顯著效果。出砂冷采技術(shù)是通過油層大量出砂大幅提高滲透率的開采方式，國內(nèi)已在大港油田和遼河油田等中取得應(yīng)用[3]。

冷采技術(shù)雖操作簡便成本較低，但利用衰竭開采、水驅(qū)等冷采方式開發(fā)，普遍存在產(chǎn)能低、采出程度低、后期大量剩余油未能采出等問題。

1.2 稠油熱采技術(shù)

稠油常用的比較成熟的熱采技術(shù)主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油等體系，并得到油田現(xiàn)場規(guī)?；瘧?yīng)用[4]。

蒸汽吞吐就是先向井內(nèi)注入一定壓力的蒸汽然后關(guān)井。關(guān)井后，蒸汽攜帶著熱量向油層中逐漸擴(kuò)散，原油受熱粘度降低后，再開井將原油采出。蒸汽吞吐依次包括注汽、燜井及回采等三個作業(yè)流程。

蒸汽驅(qū)采油是通過注入井向油層中注入高干度高溫的蒸汽，通過蒸汽不斷加熱油層降低了原油的粘度并驅(qū)動原油至生產(chǎn)井的周圍。由于蒸汽吞吐采油僅能采出油井近井筒地帶的原油，儲層中存在大量無法波及的死油區(qū)。注氣井注入的蒸汽在地層中將稠油驅(qū)至采出井采出，是一種進(jìn)一步有效提高采收率而采取的熱采方法。

蒸汽輔助重力泄油（steam assisted gravity drainage）采油技術(shù)是通過油藏底部附近的水平生產(chǎn)井上方的一口注入井注入蒸汽，蒸汽冷凝液與被加熱的原油由于重力的原因，會流入油藏底部的生產(chǎn)井。這種方法采油能力較好，最終的采收率也較高，并且能夠降低井間相互干擾。該技術(shù)已在國外加拿大油田現(xiàn)場獲得較好的效益，同時(shí)遼河油田實(shí)施的先導(dǎo)試驗(yàn)也獲得很好的應(yīng)用。

但在目前的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，海上能實(shí)現(xiàn)成熟開采技術(shù)接替的油藏范圍較小，注蒸汽開采存在現(xiàn)熱損失大、熱利用率低、井底干度低等難題，且普通熱采技術(shù)在海上經(jīng)濟(jì)性難以得到保證，急需研發(fā)新的接替技術(shù)。

1.3 稠油熱復(fù)合技術(shù)

熱復(fù)合開采技術(shù)是指在蒸汽攜帶熱量的同時(shí)利用熱-化學(xué)協(xié)同作用提高稠油采收率的手段。常見的包括水平井油溶性復(fù)合降粘劑二氧化碳蒸汽技術(shù)、氮?dú)?二氧化碳輔助蒸汽技術(shù)以及多元熱流體技術(shù)[5]。HDCS是一種在水平井蒸汽吞吐基礎(chǔ)上利用二氧化碳和高效油溶性降粘劑的技術(shù)。勝利油田經(jīng)過多年的試驗(yàn)攻關(guān)，目前已在中深層特超稠油開發(fā)領(lǐng)域形成一套有效的HDCS強(qiáng)化采油技術(shù)。多元熱流體技術(shù)通過熱降粘以及波及系數(shù)增大等協(xié)同增產(chǎn)機(jī)理，國內(nèi)已在新疆油田、勝利油田、遼河油田以及渤海油田開展現(xiàn)場試驗(yàn)且增油效果明顯。由于其能夠較好地適用于海上稠油油藏經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，已在渤海油田的稠油開發(fā)中發(fā)揮著日益重要的作用。

2 多元熱流體開采工藝流程

陸地稠油熱采所使用蒸汽鍋爐通常占地面積大且重量較重，無法在海上直接使用。經(jīng)過不斷探索與實(shí)踐，海上平臺利用多元熱流體發(fā)生器取代了傳統(tǒng)鍋爐。該發(fā)生器基于航空火箭發(fā)動機(jī)燃燒噴射技術(shù)，將燃料、空氣、水注入高壓燃燒室中，生成由CO2、N2、水蒸氣等所組成的高壓多元熱流體混合物，然后將多元熱流體混合物注入到熱采井井筒內(nèi)，既能夠降低稠油粘度，又能增加油層的壓力，可以有效提高稠油開采率[6]。由于多元熱流體中的CO2、N2等氣體與水蒸汽可以產(chǎn)生非常顯著的協(xié)同效應(yīng)，因此與注蒸汽吞吐技術(shù)中水蒸汽單獨(dú)加熱油層相比，能更為有效降低稠油粘度，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)與采收率的大幅提升。多元熱流體開采技術(shù)原理示意圖如圖1所示。

圖1 多元熱流體開采技術(shù)原理示意圖

3 多元熱流體技術(shù)開采機(jī)理

3.1 稠油的熱流變特性

稠油的粘溫特性和流變特性對海上稠油開發(fā)具有重要意義。稠油粘度不僅與溫度有關(guān)，而且與剪切速率有關(guān)，其流變模型的劃分存在臨界剪切速率以及臨界溫度[7]。在加熱過程中，稠油內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)并沒有明顯的相變點(diǎn)，而是逐漸發(fā)生變化，在低溫區(qū)需要的活化能會較高。溫度較低時(shí)，稠油具有明顯的剪切稀釋性，是由于膠質(zhì)瀝青質(zhì)膠團(tuán)的體積變大以及蠟晶的析出導(dǎo)致體系具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 多元熱流體技術(shù)增產(chǎn)及提高采收率作用

多元熱流體工藝具有注入流體高效、熱力發(fā)生裝備高效等特點(diǎn)，其增產(chǎn)機(jī)理是由各種熱流體共同作用的結(jié)果，主要包括：

（1）加熱降粘作用。多元熱流體攜帶大量熱量，通過加熱油層可顯著降低原油的粘度，改善原油的流動性。

（2）彈性膨脹作用。多元熱流體攜帶的大量能量使得巖石骨架和孔隙流體受熱膨脹，促進(jìn)原油的排出。多元熱流體中的CO2、N2的壓縮系數(shù)都比較大，在生產(chǎn)過程中膨脹驅(qū)油，可有效補(bǔ)充地層能量達(dá)到增產(chǎn)目的。

（3）降低界面張力。多元熱流體中的CO2，可以不同程度的溶解于油相和水相之中，降低油水兩相的差異性，從而提高油相的滲透率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升。

3.3 多元熱流體技術(shù)特點(diǎn)

目前，稠油熱采技術(shù)發(fā)展較快，且各種技術(shù)都有其獨(dú)到之處，但是針對海上油田地質(zhì)情況復(fù)雜的特點(diǎn)，多元熱流體技術(shù)更具優(yōu)勢。多元熱流體具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

無論是熱水、蒸汽還是多元熱流體，對原油粘度較高的油田，都能使稠油的粘溫特性符合二次函數(shù)形式，能顯著改善原油的流動特性，但多元熱流體的效果最佳。在高溫作用下，多元熱流體對滲透率影響較大，對孔隙度影響較小。多元熱流體開采與熱水驅(qū)、蒸汽驅(qū)相比，注采井實(shí)現(xiàn)熱連通用時(shí)更短，壓力場下降幅度更顯著，溫度場影響范圍更廣，壓力推進(jìn)更為均勻，能夠有效擴(kuò)大波及體積，降低注采井之間剩余油飽和度，大幅提高原油采收率。

4 結(jié)語

4.1 結(jié)論

（1）多元熱流體通過熱/物理/化學(xué)機(jī)理，打破芳香烴-膠質(zhì)-瀝青質(zhì)體系的平衡，降低稠油粘度，改善流動性能，進(jìn)而提高原油的采出程度。

（2）相比于熱水驅(qū)、蒸汽驅(qū)等傳統(tǒng)技術(shù)手段，多元熱流體開發(fā)效果最好，更適合海上稠油油藏。

4.2 展望

多元熱流體油藏的流動與傳熱過程比較復(fù)雜，因此有必要建立精確的油藏注入流動與傳熱模型，系統(tǒng)地分析多元熱流體的流動與傳熱過程。同時(shí)，由于影響熱損失的因素很多，需要引入經(jīng)濟(jì)分析方法優(yōu)化海上熱采井井筒結(jié)構(gòu)和注入?yún)?shù)，進(jìn)一步深入分析和優(yōu)化海上熱采井的熱量使用效率，從而為后續(xù)海上稠油開采做出指導(dǎo)。