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1、胜利稠油热采技术,地质科学研究院,稠油热采技术,一、概述 二、热采的基础理论和基本参数 三、胜利油田稠油热采技术 四、地质院热采研究状况及发展方向,一、概述,（一）稠油的定义及分类,稠油：油层条件下粘度大于50mPas的原油。 重油：一般指重度小于20API的原油。 稠油是以原油粘度作为主要分类指标的，适用于油田开发；而重油是以原油密度作为主要分类指标的，适用于原油销售。,稠油的定义,一、概述,（一）稠油的定义及分类,由UNITER推荐的重质原油及沥青分类标准,指在油藏温度下的脱气原油粘度，用油样测定或计算出。,一、概述,（一）稠油的定义及分类,中国稠油分类标准,*指油藏条件下的原油粘度,世界
2、上多个国家发现稠油与沥青砂资源，其中加拿大和委内瑞拉是两个拥有稠油与沥青砂最多的国家。,一、概述,（二）世界稠油资源状况,一、概述,世界稠油资源的分布,世界稠油资源量40006000亿吨,一、概述,大庆,吉林,辽河,胜利,华北,大港,河南,克拉玛依,塔里木,吐哈,中国陆上主要稠油油区地理分布,一、概述,一、概述,（二）稠油热采发展史,1、国外,蒸汽驱：最早采用蒸汽驱是1931年在美国得克萨斯州伍德森（Woodson）附近的威尔森和斯旺（Swain）两个油矿中，但直到1945年新泽西标准石油公司开始中间试验前进展甚微，1958年壳牌在Yorba Linda油田开始正式实施第一个注汽工程。,火烧油
3、层：1933年代前苏联开始试验，60年代后后逐渐发展出干式火驱、湿式火驱和反向燃烧等技术。,一、概述,蒸汽吞吐：1960年委内瑞拉Mene Crande油田汽驱试验中，为释放地层压力，打开注汽井，意外获得15.931.8m3/d的产能，成为第一口蒸汽吞吐井，揭开了蒸汽吞吐开发稠油的序幕。,一、概述,SAGD：1978年帝国石油公司于冷湖油田开展试验，到80年代中期该技术逐渐走向成熟，并发展出多种改良技术。,出砂冷采(CHOPS)：1981年加拿大，主要机理是通过大压差生产，在疏松砂岩中大量出砂，形成蚯蚓洞；溶解气的存在可在井筒中形成泡沫油，增强携砂能力，使地层产出的砂易于通过井筒采出。,一、概
4、述,2、国内,1964年：大庆一区注蒸汽试验，因套管伸长等技术问题而终止。 1965年：新疆黑油山浅层油藏进行了蒸汽吞吐试验。自1965年下半年到1971年，在该油田8024井组蒸汽驱试验，该井组为一个7点法井组，井距40m，一口中心井与另外3口角井采油，油层井段99103m，原油粘度10000mPas，汽驱试验历时1年零5个月，原油采收率达68%，累积油汽比0.115，产量高峰期油汽比为0.148。,一、概述,2、国内,1966年1967年：胜坨油田、克拉玛依油田、吉林扶余油田火烧油层试验，均实现了油层条件下的高温燃烧，见到了明显增油效果，因文革终止。 1973年：胜坨油田宁4井(14371
5、444m)蒸汽吞吐试验，注汽121h，累积注蒸汽600t，产油10t，因注汽设备和井筒隔热问题，注汽质量差，为此进行了2年的攻关。 1975年1978年：胜坨油田胜三区胜22井(13751386m)蒸汽吞吐试验，吞吐2周期，累积注汽3425t，累积产油1121t，油汽比0.33，受当时的注汽设备、器材质量和工艺配套状况的限制，暂停现场试验，重点转入配套工艺研究。,一、概述,2、国内,1980年代初：在加快国内热力采油工艺技术研究的同时，通过学习和引进美国、加拿大等国外先进的热力采油技术、注汽设备及耗材，四大稠油油田蒸汽吞吐试验相继获得成功并迅速推广。 1990年代初：四大稠油油田蒸汽驱试验获得
6、成功，但未能大规模推广 1996年：辽河署一区SAGD试验 1997年：河南古城油田出砂冷采试验成功，未推广 1999年：辽河油田水热裂解试验，未推广,一、概述,稠油热采技术,一、概述 二、热采的基础理论和基本参数 三、胜利油田稠油热采技术 四、地质院热采研究状况及发展方向,二、热采的基础理论和基本参数,（一）基本原理,1、加热降粘这是注蒸汽开采稠油最重要的机理 温度升高使原油粘度降低，原油流度增加，从而大大降低原油在储层中的流动阻力、改善渗流能力。注蒸汽热采过程中，近井地带地层温度升高，将油层及原油加热。由于蒸汽的密度很小，在重力的作用下，蒸汽将向油层顶部超覆，但热的传导和辐射作用会使加热范
7、围逐渐扩展，这样形成的加热带的原油粘度急剧降低，原油流向井底的流动阻力大大减小，油井产量成倍增加。,单60-3井原油粘温曲线,2、高温下岩石润湿性变化 在高温作用下，储层润湿性一般由亲油向亲水、由弱亲水向强亲水方向转化。在稠油中胶质、沥青质以及金属离子等极性物质的含量丰富，低温状态时，这些物质易于附着在岩石表面，使储层岩石处于亲油状态，当温度升高时，沙砾表面的胶质沥青质极性油膜被破坏，这些极性物质的吸附能力降低，岩石的润湿性向亲水方向转化，油相的渗透率增加，水相渗透率降低，束缚水饱和度增加。,温度与注入介质对束缚水残余油饱和度的影响,二、热采的基础理论和基本参数,3、改善油相渗透率 随着温度升
8、高，束缚水饱和度增加，残余油饱和度降低，油相相渗曲线右移，向有利于改善油相渗透率、提高油相流动能力方向变化。高温下油相渗透率改善的主要原因是稠油的升温降粘、油水粘度比大幅度降低、岩石润湿性向亲水方向转化等综合作用的结果。,二、热采的基础理论和基本参数,4、热膨胀作用 高温水蒸汽注入油层后，油层温度上升，岩石骨架及孔隙中的流体均会产生热膨胀作用，骨架膨胀造成孔隙体积降低及流体膨胀产生的弹性能成为驱油能量，有利于生产。热膨胀弹性能量比降压开采的弹性能量大得多。,二、热采的基础理论和基本参数,我国部分原油热膨胀系数数据表,不同岩石热膨胀系数数据表,5、水蒸汽对稠油的蒸馏、热裂解作用 注入水蒸汽的高温
9、会使油层中的轻质组分产生蒸馏分离作用；高温水蒸汽对稠油中的重组分还有热裂解作用大分子稠油分解为分子量较小的烃类。这些均有利于稠油的开发。,二、热采的基础理论和基本参数,加热对原油粘度的影响图,330,274,6、地层的压实作用 稠油油藏一般胶结疏松，多为稠油胶结。当原油采出程度较高、交接物大量采出、油层压力下降时，储层的压实作用明显。据国外研究，蒸汽吞吐过程中往往伴随着地面沉降，蒸汽吞吐过程中增产油量的5%7%来自地层的压实机理。,二、热采的基础理论和基本参数,7、溶解气驱 高温条件下，原油中的溶解气脱出，形成溶解气驱机理。 8、弹性能量驱动 稠油注蒸汽吞吐开发为降压开采，因此弹性能量驱动机理
10、同样存在于蒸汽吞吐中；如果有边底水，那么边底水能量驱动同样是其机理之一。,二、热采的基础理论和基本参数,9、油层解堵 稠油油藏在钻井、完井、井下作业及采油过程中，入井液及胶质沥青质很容易堵塞油层，造成一定程度的油层伤害。常规冷采、甚至采用酸化、热洗都难以清除堵塞物，这是由于堵塞物受原油中具有极性的高分子胶质、沥青质的粘结作用造成的，很难排出。蒸汽吞吐的解堵机理在于，注入蒸汽加热油层是原油粘度大幅度降低，还可产生某种程度的裂解作用，在开井回采时改变了液流方向，油、蒸汽及凝结水在大生产压差下高速流入井筒，将近井地带的堵塞物排出，能够大大改善油井的渗流条件。,二、热采的基础理论和基本参数,二、热采的
11、基础理论和基本参数,（二）基础理论,1、三相二组分数学模型,一般来说，稠油的溶解气油比较小，且饱和压力较低，因此可以不考虑溶解气的分离，模拟计算时将溶解气考虑在粘温关系中，这样简化成三相二组分数学模型。二组分为：油组分和水组分。,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,（1）水组分渗流方程,（2）油组分渗流方程,（3）能量守恒方程,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,So+Sw+Sg=1 Pcow=Po-Pw Pcgo=Pg-Po Pg=Ps(T),（4）辅助方程,三相二组分数学模型共有7个方程，未知数为 Po、Pg、Pw、So、Sg、Sw、T等7个。,二、热采的基础理论和基本
12、参数,（二）基础理论,2、解析模型,能量平衡方程的马克斯-兰根海姆解析解,基本假设： 1、油层均质 2、油层物性及流体饱和度不随温度变化 3、油层中无垂向温度差 4、油层及围岩中，水平方向的热传导为“0” 5、注入速度及温度为常数 6、油层中热水带的温度不变，为注入温度,温度 ,距井底距离,Ts,Ti,Rs,Rw,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,（1）计算加热半径及热水带半径,其中：,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,（2）计算热水带半径,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,（3）计算焖井结束时的平均地层温度,其中：,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础
13、理论,（4）计算焖井结束时的平均地层压力,其中：,二、热采的基础理论和基本参数,（二）基础理论,（5）计算产量,初期出水预测,油水同出期产量计算,其中：,其中：,（三）基本参数,二、热采的基础理论和基本参数,1、水蒸汽,未饱和液(unsaturated liquid) 温度低于所处压力下饱和温度的液体：tts, tts=d称过 热度(degree of superheat)。 干度（dryness） 湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用x表示,水定压加热汽化过程,预热,汽化,过热,tts,t=ts,t=ts,t=ts,tts,二、热采的基础理论和基本参数,二、热采的基础理论和基本参数,二、热采的基
14、础理论和基本参数,2、原油,二、热采的基础理论和基本参数,原油的粘温关系,适用范围：凝固点-正常沸点,Andrade方程：,Walther方程：,ASTM标准坐标纸,二、热采的基础理论和基本参数,含气原油粘度计算,KD521井原油粘温曲线,溶解油气比对原油粘度的影响曲线,二、热采的基础理论和基本参数,原油的流变特性,二、热采的基础理论和基本参数,剪切应力与剪切速率关系,（S-1), (Pa),膨胀体,牛顿流体,拟塑性流体,宾哈塑性流体,原油的导热系数计算,o导热系数，w/(mK); t温度， ; o原油的相对密度,o导热系数，w/(mK); T绝对温度，K; Tb沸点温度，K,另外一个计算公式
15、：,二、热采的基础理论和基本参数,原油的比热计算,Co原油的比热，KJ/(KgK); T温度，； o原油的相对密度,原油比热随温度变化曲线,原油的导热系数计算,o导热系数，w/(mK); t温度， ; o原油的相对密度,二、热采的基础理论和基本参数,含水原油粘度计算,（fw0.12）,Richardson方程：,（适用于油包水型） （适用于水包油型，fw0.74）,含水率对原油粘度的影响图,二、热采的基础理论和基本参数,3、岩石,热容与比热 热容：单位体积温度升高1所需的热量 比热：单位重量温度升高1所需的热量,一个混合物的比热，等于混合物各组分比热的几何平均 饱和油岩样的热容大致是饱和水岩样
16、的一半,典型参数取值： 油层导热系数范围： 1.271.6 W/(mk) 体积热容：油层：2300KJ/(m3K)左右 顶底层：2800KJ/(m3K)左右 热扩散系数：0.0037m2/h左右,二、热采的基础理论和基本参数,岩石的导热系数,s岩石的导热系数，w/(mk)； 孔隙度，f； SL液体饱和度，f； 干燥岩石的密度，g/cm3,（1.7-2.4）,（0.675左右）,（0.117左右）,（0.012-0.014（常温、常压）,典型参数取值： 油层导热系数范围： 1.271.7 W/(mk) 体积热容：油层2300KJ/(m3K)左右，顶底层2800KJ/(m3K)左右 热扩散系数：0.0037m2/h左右,二、热采的基础理论和基本参数,不同温度压力下单家寺疏松砂岩的导热系数表,随着温度的升高，疏松砂岩的导热系数降低
