水平井稠油热采技术及应用研究摘 要随着世界对石油需求量的迅速增长，稠油油藏的开发在石油开采中的地位变得愈加重要。但是由于稠油粘度高、流动性差的特性，常规方法很难经济有效地开采。利用直井注蒸汽开采稠油要对油藏进行压裂，而压裂使得采油过程难以预测，因此研究水平井稠油热采技术对于稠油的开采具有重要意义。本文从稠油及稠油油舱的特点入手，进一步介绍了国内外稠油热采技术发展研究现状，最后以某油藏为例，介绍了水平井技术在浅层稠油油藏热采中的应用。关键词：水平井；稠油热采；应用；研究i 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）2.2 国内研究现状1.蒸汽吞吐我国水平井蒸汽吞吐应用较国际上晚，到了 90 年代才开始应用，发展状况如下。1996 年，邱国清、吴光焕对胜利油田乐安油田水平井蒸汽吞吐开采特点及特征进行了阐述，水平井注汽速度高、压差小、吸汽能力强，与直井相比，水平井采液能力强，井口温度高，高温期长、综合热效率高、产量递减慢，分析了影响水平井生产的因素，发现主要影响因素是地质条件。2000 年，孙玉环，杨先勇等结合署一区杜 84 块现场试验，进行超稠油水平井蒸汽吞吐研究，对规律进行了分析，主要分析了单井各轮次生产变化特点及与直井吞吐的区别。对注采参数、电加热技术、举升工艺、防砂完井工艺、小炉子注汽等注采工艺的影响做了逐一分析。2002 年，张琪等人通过分析水平井蒸汽吞吐油层受热特征，包括油层受热体积、油藏受热区平均温度等，分析了水平井蒸汽吞吐油藏生产动态特征，并且以非稳态水侵理论为基础，推导出了油层压力和流体饱和度计算模型。结果表明，蒸汽吞吐油层受热区体积和平均温度可采用计算模式，蒸汽吞吐早期为强非稳态，中后期为拟稳态。2005 年，陈月明等人确立了水平井蒸汽吞吐加热区域，建立了水平井蒸汽吞吐时产能公式并基于质量守恒方程建立了水平井蒸汽吞吐产能预测解析模型，编制了水平井产能预测软件，该软件计算结果与数值模拟结果一致，具有可靠性和实用性。2006 年，姜汉桥等人应用数值模拟的方法分析了冀东油田蚕 2X1 小断块稠油油藏埋藏特点，提出了以蒸汽吞吐作为该块的开发方式，并对蒸汽吞7 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）吐进行了参数优化。研究结果表明，对该断块进行开发时，井底蒸汽干度 60%，注汽速度200t/d，最佳注汽强度 120～140t/m，最佳焖井时间 2d。2008 年，程林松等根据水平井变质量流和传热学原理，基于质量守恒、动量定理和能量守恒及镜像反映和势叠加原理，建立了水平井蒸汽吞吐加热模型，建立了饱和蒸汽沿水平段注入方程、质量流量与体积流量转换关系方程、微元加热半径计算方程、微元段加热温度、压力等方程并进行了求解。同时对该区块进行了数值模拟，结果发现，数值模拟结果与模型计算结果相一致，二者基本吻合，从而对模型的正确性以及实用性进行了验证。2.蒸汽辅助重力泄油我国 SAGD 技术的应用首例是辽河油田，辽河油田早在九十年代就在曙一区杜 84 块进行了第一个 SACD 技术试验区，该区块由 2 口水平井，4 口观察井组成；1997 年 5 月 SAGD 试验开始进入循环预热阶段，2 口水平井同时循环注蒸汽，同年 9 月，由循环阶段转入高压 SAGD 生产，至 10 月底，已累计生产 38 天，累积产油 925.9t，阶段油汽比达到 0.077。到了 2002年，经过多方认真分析论证和多次现场试验，专家提出目前的认识水平和技术实力已经达到重新试验的要求，可以解决一些关键性的技术问题，并于2005 年初形成《辽河油田曙一区 SAGD 先导实验方案》，通过了集团公司专家组审议后成为集团公司重大开发试验项目。2007 年 12 月，我国首例双水平井 SAGD 井组在辽河油田公司曙光采油厂杜 84—馆平 59 井组正式投入生产。该井组位于曙光油田绕阳河河套内，开发层系为下第三系馆陶组绕阳河油层Ⅳ组，控制含油面积约 0.062km2。8 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）该井组共有直井 6 口，水平井 3 口，其中 1 口上水平井、1 口下水平井，1口水平观察井。截至目前为止，该井组采用蒸汽吞吐预处理，水平井平均吞吐生产 3.8 周期，直井平均吞吐 13 周期。SAGD 生产阶段，注汽水平井—馆平 59 井是 2003 年投入开发的一口水平井，目前已进行了 8 轮蒸汽吞吐。张方礼等对国外超稠油开发方式进行调研，应用数值模拟技术对辽河油区超稠油油藏进行了蒸汽辅助重力泄油(SAGD)开发可行性研究及油藏工程方案设计，通过现场应用在杜 84 块馆陶组开展 4 个井组的直井与水平井组合 SAGD 试验，实际开采效果证明，SAGD 试验开采馆陶组具有可行性。该区块目前处在蒸汽腔扩展阶段，井组实施蒸汽辅助重力泄油后日产油较蒸汽吞吐阶段上升了 72t，数值模拟结果预测 SAGD 开发可以提高采收率高达27%。SAGD 技术经验证已成为超稠油油藏蒸汽吞吐后期的重要接替开采方式，可为类似稠油油藏的开发提供重要参考依据。2008 年，王志超等以杜 84 块油藏特点和开采现状为研究基础，应用数值模拟软件 CMG 中的 STARS 模块，采用不均匀、变深度网格进行数值模拟，对双水平井组合 SAGD 技术进行优化设计，设计内容包括布井方式、水平段长度、水平段在油层中的位置、注采参数等。该区块实验效果表明，采用双水平井组合 SAGD 技术来提高超稠油油藏原油采收率是经济可行的，适合该区块开发。该井组目前设计日注汽速度为 270t/d，并要求水汽分离器出口干度保证在 95％以上。9 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）10 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第三章 水平井技术在浅层稠油油藏热采中的应用3.1 油藏概况九六区齐古组超稠油油藏在区域构造上位于克-乌断裂二级构造带上盘超覆尖灭带上，构造形态单一，超覆不整合在石碳系，二叠系或中下侏罗统之上。油层平均孔隙度 30%，水平渗透率 2 .025 x 10-3μm2 ,原始含油饱和度76%，平均有效厚度 14.5m，油层系数 0.68，均属大容量高渗透储层，其主力油层为 G22层。3.2 完井及采油工艺配套技术3.2.1 完井方式表 3-1 水平井主要完井技术参数表名称井号HW905 HW906 HW907井深（m）650.0 653.0 648.0垂深（m）196.1 197.8 198.7水平位移（m）542.0 548.5 536.2水平段长（m）270.0 256.0 295.0最大井斜角（°）93.0 99.4 101.4方位角（°）311.42 311.17 312.3井口倾角（°）14.30 14.21 12.59最大变化率（%）14.30 14.21 12.59表层套管Φ339.7×60 Φ339.7×59 Φ339.7×5411 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）（mm×m）技术套管（mm×m）Φ244.5×396.7Φ244.5×402.9Φ244.5×384.9油层尾管（mm×m）Φ139.7×649.5Φ139.7×653.5Φ139.7×640.5井倾角（°）58.2 60.1 61.2根据该区地理位置的特殊性，以及原油粘度高产量变化大的特点，钻井方式采用水平设计部署，水平段长度根据含油面积设计在 250m。抽油机选型上综合考虑最大悬点载荷，以充分发挥油层生产潜力以满足油井最大排液量要求，认为五型抽油机是水平井的最佳机型。最佳工作参数为冲程 3m，冲次 6 次/min 的长冲程慢冲次模式。3 口水平井完井结构为绕丝筛管或割缝筛管完井，主要完井技术参数见表 3-1。3.3.2 采油工艺配套技术斜井泵是实现水平井超稠油高效采油的核心设备。为了适应井斜和高粘度条件下正常高效抽油，设计采用了高效斜抽凡尔。阀尔球被三根扶正杆扶正，阀尔球只能沿着阀尔罩的轴线运动，减少了阀尔球的自由度和摩擦力，同时增加了油流通道。1.斜井泵与普通泵流道面积对比斜抽阀尔的结构采用流线型结构，斜井泵在固定阀尔结构设计上，流通面积均大于普通泵，从而解决了泵倾斜而引起的阀尔球关闭滞后的影响，并减少了油流阻力等。表 3-2 斜井泵与普通泵流道面积对比表12 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）泵径 名称 斜井泵 普通泵 面积比Φ44mm固定阀尔967 722 1.34游动阀尔921 534 1.72Φ56mm固定阀尔3921 823 4.76游动阀尔1452 804 1.802.不同粘度不同井斜泵效表 3-3 不同粘度不同井斜角泵效表井液粘度（mPa·s）泵阀组合不同井斜角泵效（%）30° 45° 60° 70° 75° 90°55改造游动阀+新型固定阀97.699.196.393.591.90150改造游动阀+新型固定阀98.397.696.894.693.683.9350常规游动阀+新型固定阀98.498.197.896.996.834.83. 抽油杆防脱器抽油杆防脱器主要安放在抽油杆柱中易产生扭矩处，主要是柱塞前，光杆下，中合点下以及弯曲井段。4. 油管扶正器油管扶正器主要柱塞进入泵桶难，减少柱塞与泵之间的阻力，以及使管柱顺利下人目的段。13 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）5. 其它工艺匹配为了测试、注汽、转抽的方便，管柱采用双管结构，主管进行采油，副管进行注汽、测试、自喷等。为了提下管柱的方便和安全，每根油管接防喷引鞋。为了适应抽稠油的要求，解决杆柱下行困难的问题，经计算，在杆柱底部，拉杆上部接加重杆。一方面增杆柱的钢度，另一方面增加杆柱的重量，使柱塞下行与抽油机运转同步，保证工作正常运行。3.3 经济效益分析油田开采的投入与产出经济效果评价，是油田开发的重要组成部分。按实验井经济极限油汽比 0.20 测算，3 口水平井第一周期净赚油量可用下式表示:净赚油=总注汽量 x(周期油汽比一极限油汽比)。3 口 水 平 井 截 止 到 2010 年 7 月 累 计 注 汽 102812t ； 累 计 产 油43839t ； 综 合 含 水 45.1% ； 累 计 油 汽 比 0.4303 年 累 计 采 出 程 度15.114%，平均年井采油速度为 1.62%。计算结果表明，3 口水平井截止到 2010 年 7 月净赚油 23646t，虽然水平井在钻井投资、注汽费用等方面较普通井高，但其增产油扣出投人费用后，最终净收入仍比普通井高。可见，利用水平井较高的速度采油，可获得显著的经济效益。14 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）参考文献[1] 徐兆畅．当前中国石油供需形势分析．广州市经济管理干部学院学报，2004 ；4(6) ：1～7． [2] 盛杨怿．我国石油供给、需求现状及战略分析．经济前沿，2005．[3] 陈中涛．石油市场波动对我国经济安全的影响．中国能源，2003．[4] 李涛．国内外常规稠油油藏开发综述. 西部探矿工程，2005.[5] 王鸿勋.采油工艺原理. 北京：石油工业出版社，1987.[6] 王鸿勋.稠油常规开采的几个问题.石油钻采工艺，1985.[7] 刘文章. 热采稠油油藏开发模式，北京:石油工业出版社，2006..[8] 张锐. 稠油热采技术.北京：石油工业出版社，2004.[9] 张朝晖.国内外稠油开发现状及稠油开发技术发展趋势. 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文，2005.[10] 凌建军.国外水平井稠油热力开采技术.石油钻探技术，2007.15 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 稠油及稠油油藏的特点....................................................................................................................................11.1 稠油定义...............................................................................................................................................................11.2 稠油组成及分类...................................................................................................................................................11.3 稠油的分类...........................................................................................................................................................21.4 稠油开采难度.......................................................................................................................................................2第二章 稠油热采国内外研究现状................................................................................................................................32.1 国外研究现状.......................................................................................................................................................32.2 国内研究现状.......................................................................................................................................................5第三章 水平井技术在浅层稠油油藏热采中的应用....................................................................................................83.1 油藏概况...............................................................................................................................................................83.2 完井及采油工艺配套技术...................................................................................................................................83.3 经济效益分析.....................................................................................................................................................10参考文献........................................................................................................................................................................11 ii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）iii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第一章 稠油及稠油油藏的特点1.1 稠油定义稠油，国际上定义为重质油或重油。严格地讲，“稠油”和“重油”的概念在性质上并不相同。“重油”的分类标准是原油密度的大小，而其金属、机械混合物及硫含量的多少往往决定着原油密度的大小。“稠油”的分类标准是粘度的高低，而原油粘度的高低由原油中胶质、沥青质及蜡含量的多少决定。国内是这样定义稠油的：稠油是指地层条件下粘度大于 50mPa·s(地层温度下脱气原油粘度大于 100mPa·s)、原油相度密度大于 0.92 的原油。联合国训练研究所关于稠油的定义及分类标准是：重油和油砂是天然存在于孔隙介质中的石油或类似石油的液体或半固体，可以用粘度和密度来表示其特性。重油是指在原始油藏温度下脱气原油为 100~10000mPa·s 或在15.6℃及大气压下密度为 0.934~1.000g/cm3 (20°API~10°API)的原油；在原始油藏温度下脱气原油粘度大于 10000mPa·s 或在 15.6℃(60℉)及大气压下密度大于 1.0g/cm3(小于 10°API)的原油为沥青或油砂。1.2 稠油组成及分类稠油是一种复杂的、多组分的均质有机混合物，主要是由烷烃、芳烃、胶质和沥青质组成的，胶质和沥青含量高，轻质馏分很少，颜色呈黑褐色或深褐色，这些沉淀物使得原油粘度很高，高含蜡原油的流变特性随温度变化较大，在不同温度下表现出不同的流变特性。当油温由析蜡点降至异常点过程中，粘度是油温的单值函数，表现为牛顿流体的特性。当油温低于异常点1 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）时，原油粘度不再是温度的单值函数，而与剪切速率也有关系，表现为假塑性流体特性，并且伴随有触变性。当油温降至失流点或凝固点以下时，蜡晶析出量大大增加，此时的原油具有触变、屈服假塑性流体特性。由稠油的组成可以总结出稠油的主要特点是：(1) 稠油具有粘度高、密度大、流动性差的特点，这些特点不仅增加了稠油开采的难度和成本，而且导致油田的最终采收率非常低。(2) 温度对稠油粘度影响极大，随着周围温度的升高，稠油粘度显著降低，大量的实验证明，温度每升高 10℃，原油粘度约降低 1 倍。1.3 稠油的分类据我国现行规定，把原油比重大于 0.934，粘度在 100mPa·s 以定为稠油或称重油。我国稠油的特点是胶质含量高达 20%~40%，沥青质含量较少，按照油层条件下或油层温度下脱气原油粘度为主将稠油划分为三种类型，分述如下：普通稠油：脱气油粘度为 150~10000mPa·s，密度大于 0.92g/cm3 (22°API)，除进行常规注水开发外，主要还是采用热力开采，目前注蒸汽技术已在这类油藏取得最好的效果。特稠油：粘度在 10000~50000 mPa·s 之间，密度大于 0.95g/cm3(15°API)，采用单井蒸汽吞吐热采。超稠油或天然沥青：粘度在 50000mPa·s，密度大于 0.98g/cm3(13°API)以上，这种稠油在油层中实际上是不流动的。开采这类油藏的技术难度很大，注蒸汽开发经济效益很差，目前主要是采用 SAGD 技术，并在很多油田取得了成功。2 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）1.4 稠油开采难度在开采稠油时，原油粘度过高，含蜡量大，堵塞油管油流通道，增加了抽油杆柱的上、下行阻力，上冲程时驴头负荷增加，下冲程时易出现驴头“打架”现象，严重时抽油杆会卡死在油管中，甚至造成抽油杆断裂等井下事故。另外，如果油层温度较低，粘度较大，在抽油泵固定阀、固定阀罩及其以下部位由于压力低，在生产过程中也容易形成堵井，而要被迫进行修井。对于电潜泵生产井，由于其排量大，吸入口处压力低，加上油层温度较低，容易结蜡并造成叶导轮流道堵塞，增加井液阻力，大大降低泵的排量，同时会增加电机负荷，严重的可造成电机频繁停机，使电泵机组不能正常运转。稠油的性质造成开采中的井下事故，这些事故会使采油成本大幅度上升，同时增加了稠油开采过程中的困难，因此，稠油降粘开采方法的研究对于减小井下事故的发生及降低稠油开采成本具有重要意义。3 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第二章 稠油热采国内外研究现状2.1 国外研究现状最新文献显示，截止到 1995 年底，美国完成的水平井用来开采稠油占全世界总水平井井数的 10%，加拿大完成的水平井总数比美国多 21%。美国的稠油水平井总产量是垂直井产量的 3.7 倍，加拿大稠油油藏水平井平均产量是垂直井产量的 5.6 倍。美国所有应用的稠油水平井开采项目在经济上都是可行以及成功的，而加拿大有 8%的稠油水平井开采项目是失败的，得益于水平井稠油热采技术，美国的原油比以往每年多采出约 9%(稠油项目经营者报告称可采储量年增加 8%)，加拿大的原油可采储量年平均增加约10%。近年来，我国稠油开采技术吸取了美国和加拿大的良好经验，基于我国实际地质条件以及技术水平，开发了一套适合我国油田应用的水平井相关技术，并取得了较快的发展，有效缓解了石油资源紧缺的危机。1.蒸汽吞吐水平井蒸汽吞吐是水平井热采开采稠油方法中先行方法之一，国外的水平井蒸汽吞吐发展较早，具体发展过程如下。1984 年，Coats 提出了水平井蒸汽吞吐的物理模拟法，建立了两口水平井平行布井的物理模型；同年，Gussis 为了模拟蒸汽吞吐动态研究了水平井蒸汽吞吐的数值模拟方法，通过对比直井与水平井蒸汽吞吐的动态，发现水平井累积采油量大约是直井的 5倍，继续吞吐下去效果逐渐变差。第二年，Gussis 又接着对蒸汽吞吐进行了进一步研究，转变了水平井的布井方式，共设计了 4 种布井方式并对其进行4 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）了比较，他发现布井方式对吞吐效果影响很大。1984 年，Coats 为研究水平井蒸汽吞吐增产原油提出了一种物理模拟法，成功地模拟了水平井蒸汽吞吐这种工艺技术；Gussis 用数值研究的方法，比较了直井与水平井进行蒸汽吞吐的动态，研究结果表明当一个周期终了时，水平井累积采油量约是直井的数倍，但在随后的蒸汽吞吐周期中，这一差别将逐步缩小。1989 年，Petit 等人用数值模拟方法研究了加拿大和委内瑞拉两个具有代表性的油藏，模拟结果表明，加拿大油田实例，两轮蒸汽吞吐时效果最好，再进行吞吐下去效果也没有很大的改善；而在委内瑞拉区块中，进行一轮短期吞吐和两轮长期吞吐效果最好；结论认为，对吞吐次数和持续时间进行优化能够有效地提高开采效果。1991 年，Adegbesan 根据 Esso 资源公司的第一次热采水平井先导试验研制出了一口垂直井注汽和一口水平井生产的模型。利用水平井蒸汽吞吐开采稠油，其改善结果是明显的。1999 年，J.M.Rajtar 和 Gemini Solutions 等人对加利福尼亚稠油油藏进行了实验模拟，采取了几种方案进行模拟，结果表明：水平井加密是完成统一加热的有效方法，井必须在油水界面以上。这种加密方法导致了最有效的油藏加热地点在水平井周围，并且减少了到底水界面的热损失。2000 年，E.Escobar 和 P.Valko 等人针对 Bachaquero 油藏进行水平井蒸汽吞吐数值模拟，该油藏平均深度为 3000 米，油的 API 重度为11.7，粘度在原始状态 1360psia，128°F 下为 365cp。并使用建立在拟牛顿法有限差分梯度近似基础上的最优化方法对直井和水平井进行优化设计。5 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）结论表明，低压油藏第一次大量注蒸汽比简单的重复注气效果好。2006 年，SPE 的 ChunhongWang 等人提出了底水侵入水平段后，将水平段残余油采出的不同于传统的方法，使用参数控制，将整个水平井段都考虑进去，并考虑滞后现象，结果表明，不考虑滞后现象会导致高估采收率。2.蒸汽辅助重力泄油蒸汽辅助重力泄油工艺是 1981 年由 Butler 等人提出的，经过模拟表明，它比单井吞吐或蒸汽驱的采收率都要高些。SAGD 技术首先在加拿大AOSTRA 的 UTF 项目试验中获得成功，加拿大阿萨巴斯卡油藏及和平河等地区在其引领下又进行了地面钻水平井 SAGD 试验。水平井与直井组合SAGD 技术于 1988 年开始在加拿大 Tangle Flags 油田现场试验取得良好效果，它是由 1 口水平井和 4 口垂直井组成的。1994 年 ，R.M.Butter 总结了 SAGD 的 原 理 及 发 展 动 态 ， 提 出了SAGD 方法的主要原理是利用位于注汽井上方不断扩展的热蒸汽加热原油，与其周围驱 排 出来 的冷 凝液 一起 ，靠 重力作 用流向下面 的水 平生 产井 。SAGD 方法的原理已在现场生产试验区的应用中逐步得到发展和完善，其计算方程式也有所修正。2002 年 R.Sasaki 等开展了蒸汽辅助重力泄油开采方法的物理模型和数值模拟研究，研究中应用了计算机模拟集团(CMG)的 STARS 热采模拟器。数模结果表明产油速度和累计产油量与实验室物理模拟结果一致，并且研究了不同参数：蒸汽注入压力、注采井之间的垂直距离、油层厚度等对 SAGD开采效果的影响，结果表明，这些参数对物模和数模结果的影响是一致的。6