劉彥成王健劉彥武孟建勛蔣曙鴻

(1.西南石油大學(xué);2.西安石油大學(xué))

稠油出砂冷采后VAPEX提高采收率技術(shù)的可行性研究

劉彥成1王健1劉彥武2孟建勛1蔣曙鴻1

(1.西南石油大學(xué);2.西安石油大學(xué))

目前我國常規(guī)油氣田大多數(shù)處于開采后期,隨著常規(guī)原油的大量開采和儲(chǔ)量增長的限制,開采稠油油藏顯得十分重要。稠油出砂冷采技術(shù) (CHOPS)是被實(shí)踐證明的一種高效稠油開采技術(shù),是上世紀(jì)80年代末90年代初在加拿大率先發(fā)展起來的一種稠油開采新方法。但是CHOPS屬于一次采油,所以出砂冷采后,仍然有大量的原油滯留在地下 (大約90%左右),如何進(jìn)一步開采這些剩余油還有待研究。本文針對(duì)目前可行的幾種后續(xù)提高采收率技術(shù)展開對(duì)比研究,并綜合分析得出了VAPEX是最有潛力的一種提高采收率技術(shù)。同時(shí)對(duì)于進(jìn)一步做好CHOPS后油井的生產(chǎn)管理工作和科學(xué)開發(fā)稠油油藏,提出了筆者的建議。

稠油出砂冷采 CO2驅(qū) 蒸汽驅(qū) 溶劑蒸氣抽提 可行性

稠油是石油能源中重要的組成部分,我國有著豐富的稠油資源,全國稠油 (包括瀝青)地質(zhì)儲(chǔ)量在80×108t以上,其中陸上稠油、瀝青資源約占石油總資源量的20%以上,多數(shù)為中生代陸相沉積,少量為古生代的海相沉積,儲(chǔ)層以碎屑巖為主,具有高孔隙度,高滲透率,膠結(jié)疏松的特征[1-4]。適合出砂冷采技術(shù),但是出砂冷采的采收率一般只有8%～15%,仍有90%左右的資源留在地下[5]。因此如何進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)有效地提高稠油出砂冷采后的原油采收率,關(guān)系到油田的可持續(xù)發(fā)展和我國能源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

為了有效地提高稠油出砂冷采后的采收率,筆者調(diào)研了大量的資料進(jìn)行對(duì)比研究,認(rèn)為出砂冷采后可行的技術(shù)主要有兩大類:熱采 (主要是注蒸汽技術(shù))和冷采 (主要是注CO2和VAPEX技術(shù))。在我國熱采技術(shù)比較成熟,應(yīng)用也比較廣泛,但是熱采在井筒內(nèi)的熱損失和地層內(nèi)加熱不含稠油巖層帶來的熱損失,導(dǎo)致油汽比小、效果差、采收率低等不足。為了克服熱采過程中的熱損失問題,本文提出了稠油出砂冷采后最有潛力的一種方法——溶劑蒸氣抽提法 (VAPEX)。其開采機(jī)理與使用蒸汽極為相似,但比蒸汽泄油和注CO2提高采收率技術(shù)優(yōu)點(diǎn)多,具有很好的應(yīng)用前景。

1 注CO2提高采收率技術(shù)

由于CO2氣體的大量排放所引起的全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻。為減少CO2的排放,石油工作者積極地探索著CO2的科學(xué)處理,其中一些學(xué)者提出利用CO2來提高原油采收率的方法。該方法既實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的埋存又提高了原油采收率,但是在理論方面和礦場應(yīng)用中存在一系列問題,有待進(jìn)一步的解決。

1.1 注CO2提高采收率機(jī)理[6]

儲(chǔ)層中注入CO2提高采收率的機(jī)理主要表現(xiàn)在:降低原油黏度,增加原油的膨脹,降低界面張力,溶解氣驅(qū)的作用,改善流度比,以及提高儲(chǔ)層滲透率等,都使得原油黏度大幅度降低,從而使原油流動(dòng)性增強(qiáng),達(dá)到驅(qū)油的目的。

1.2 注CO2提高采收率缺陷

1.2.1 氣源

氣源是注氣的首要問題,沒有充足的氣源是很難實(shí)現(xiàn)注氣采油的。國內(nèi)注CO2提高采收率技術(shù)發(fā)展較晚的最根本原因是CO2氣源不足,不像國外(主要是美國、加拿大等國)在油田附近就有大的CO2氣藏,不需要長輸管線的鋪設(shè)和建設(shè) (這方面就是很大的投資),可以直接利用。近年來,隨著國內(nèi)一些油田相繼發(fā)現(xiàn)一定規(guī)模的CO2氣藏,使我國的注CO2技術(shù)有了很大的發(fā)展。

1.2.2 腐蝕

干燥的CO2氣體對(duì)金屬材料沒有腐蝕性,但當(dāng)CO2遇到水時(shí),會(huì)促進(jìn)鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕。其主要反應(yīng)式如下:

碳酸第一步水解:H2CO3→H++HCO3-

碳酸第二步水解:HCO3-→H++CO32-

溶液中的H2CO3和Fe的反應(yīng)促使了Fe的腐蝕。其中,

陽極反應(yīng)為:Fe→Fe2++2e

陰極反應(yīng)為:H++e→H

隨后2H→H2

實(shí)際上CO2的腐蝕作用受多種因素影響,所以很難控制,給油田的長期開發(fā)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.3 投入大

首先是管線和壓縮機(jī)問題,需要鋪設(shè)從氣源到油田的輸氣管線,還需要配套的壓縮機(jī)設(shè)備,所以注CO2技術(shù)一次性投資大。

1.2.4 氣竄

其中注CO2采油過程中,不管混相還是非混相,都存在CO2黏度低而發(fā)生竄流問題。并且CO2趨向流入高滲透地層和水驅(qū)后油藏中油氣飽和度低的地層,使得注CO2提高采收率的利用率降低,加之油氣密度差引起的重力分異,致使CO2過早突破含油帶,影響驅(qū)掃效率。

2 稠油注蒸汽提高采收率技術(shù)

2.1 稠油注蒸汽提高采收率機(jī)理[7-8]

2.1.1 加熱降黏作用

蒸汽對(duì)稠油的加熱降黏作用是注蒸汽采油的主要機(jī)理。而蒸汽注入油層,同時(shí)將大量的熱量攜帶進(jìn)油層,使原油黏度大大降低,流動(dòng)性變好,流動(dòng)阻力降低,流動(dòng)系數(shù)增加,從而使大量稠油采出油層。

2.1.2 改善油相滲透率的作用

在高溫條件下,注入地層中的蒸汽與巖石發(fā)生作用,一定條件下可以使油層對(duì)油與水的相對(duì)滲透率發(fā)生變化,也可以使?jié)櫇裥愿淖儭崴氲蜐B透率油層替換出儲(chǔ)層內(nèi)的稠油,促進(jìn)了可動(dòng)油向井筒的流動(dòng)。

2.1.3 流體及巖石的熱膨脹作用

注入高溫蒸汽,蒸汽膨脹的驅(qū)動(dòng)和熱量的傳遞使稠油受熱膨脹,資料表明:一般在200℃時(shí)體積膨脹10%左右。此外,高溫蒸汽注入也會(huì)使巖石發(fā)生膨脹,孔隙體積縮小,從而提高稠油的產(chǎn)出量。

2.1.4 溶劑抽提作用

地下稠油在高溫蒸汽下會(huì)發(fā)生一定程度的水熱裂解,使原油重質(zhì)組分降低,輕質(zhì)餾分增多,起到一定的溶劑抽提作用,也使稠油流動(dòng)能力增強(qiáng)。

2.2 稠油注蒸汽開采技術(shù)缺陷

2.2.1 蒸汽的利用率低

注入的蒸汽對(duì)稠油加熱,從而達(dá)到降黏的目的。但是在蒸汽驅(qū)過程中較小黏度的熱油推動(dòng)較大黏度的冷油,容易產(chǎn)生指進(jìn)現(xiàn)象。

注蒸汽提高采收率過程中不僅加熱了原油,還加熱了蒸汽波及區(qū)內(nèi)的巖石、水、以及油藏上面的上覆巖層。礦場表明這方面的熱損失相當(dāng)嚴(yán)重。

蒸汽熱量大部分用于加熱巖石和向上覆蓋層的散熱,投入產(chǎn)出比小,這是注蒸汽方法最大的缺陷,其根本原因在于注入的蒸汽在加熱過程中沒有選擇性。

2.2.2 蒸汽對(duì)儲(chǔ)層有損害[9]

◇造成礦物轉(zhuǎn)化

高溫、高壓、強(qiáng)堿的蒸汽注入地層后,與儲(chǔ)層內(nèi)的礦物發(fā)生反應(yīng),形成一些敏感性礦物,對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生潛在的影響。

◇固相微粒損害

注入的高溫蒸汽使儲(chǔ)層內(nèi)的巖石顆粒脫落,當(dāng)隨流體運(yùn)移到孔喉處時(shí),大的固相微粒就可能產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象,堵塞孔道,造成滲透率降低,從而影響注蒸汽開采的效果;另外,固相微粒在高速液流情況下,會(huì)隨液體一起移動(dòng),當(dāng)速度降低時(shí)就會(huì)沉積在孔隙壁表面,使孔道變窄。而在注蒸汽驅(qū)中,注入汽可能會(huì)攜帶固相微粒進(jìn)入儲(chǔ)層,骨架顆粒組分和黏土礦物的溶解也會(huì)產(chǎn)生大量固相微粒。

◇黏土礦物的膨脹

黏土中的蒙皂石是水敏礦物,特別是在堿性介質(zhì)條件下容易發(fā)生水敏,從而使儲(chǔ)層滲透率急劇下降,甚至嚴(yán)重影響油氣產(chǎn)量。

◇潤濕性轉(zhuǎn)變

巖石親水是有利于水驅(qū)油的。但是蒸汽的注入會(huì)使一部分巖石潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn),成為親油巖石,從而不利于驅(qū)油。

◇乳化物堵塞

高黏原油在一定條件下容易形成油包水乳化物,具有更大的動(dòng)力黏度。而注入蒸汽產(chǎn)生的蒸汽凝析液更易與原油乳化,所以注熱水和注蒸汽開采對(duì)乳化問題非常敏感。因?yàn)榈叵氯榛锏男纬?不僅極大地阻止了可動(dòng)油的流動(dòng),還增加了油、水之間的紊流,致使乳化更加嚴(yán)重,給稠油開采帶來極大的困難。

3 VAPEX提高采收率技術(shù)

由于稠油自身的特性和其開采技術(shù)的特點(diǎn),決定了熱采技術(shù)在稠油開采中的重要地位,然而由于蒸汽加熱原油的非選擇性和蒸汽冷凝所帶來的開采問題,使注蒸汽技術(shù)的應(yīng)用受到限制。因此筆者在此基礎(chǔ)上提出了VAPEX技術(shù),在一定程度上克服了注蒸汽開采稠油的不足。

3.1 出砂冷采后VAPEX提高采收率機(jī)理

室內(nèi)試驗(yàn)表明,烴類溶劑能很好地溶解于稠油,使稠油黏度大幅度降低,稠油的流動(dòng)性增強(qiáng),有利于開采,具體歸納如下:

◇擴(kuò)散作用。VAPEX提高采收率技術(shù)的成功與否與注入的烴類溶劑的擴(kuò)散范圍、接觸面積有著直接的關(guān)系。而稠油出砂冷采后,儲(chǔ)層中形成大量的蚯蚓洞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這些蚯蚓洞類似于儲(chǔ)層中的裂縫,有的長度達(dá)到近百米,可以使稠油和烴類溶劑接觸面增大,便于擴(kuò)散,從而使大量的稠油流動(dòng)起來,有利于采出。

◇降黏作用。稠油出砂冷采后,稠油溶解氣降低、稠油黏度增加使流動(dòng)性也變差,但是VAPEX技術(shù)的關(guān)鍵就是可以降低稠油黏度而大量地采出。

◇選擇作用。在VAPEX技術(shù)中,烴類溶劑具有很強(qiáng)的選擇性,即只溶解在稠油中,基本上不溶于水、巖石和上覆蓋層。這一優(yōu)點(diǎn)使該工藝?yán)寐矢?成本相對(duì)低,而且環(huán)保,有望用于出砂冷采后的稠油油藏,并且對(duì)儲(chǔ)層的厚度、孔隙特征、含油飽和度、含水飽和度等沒有特別要求。

◇抽提作用。室內(nèi)試驗(yàn)表明,氣態(tài)烴類溶劑比液態(tài)烴類溶劑更易使稠油重質(zhì)組分降低,輕質(zhì)餾分增多,起到一定的溶劑抽提作用,也使稠油流動(dòng)能力增強(qiáng)。

3.2 VAPEX技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

實(shí)踐研究表明,VAPEX技術(shù)用于開采稠油是可行的,并且在國內(nèi)外的稠油開采中都有成功的實(shí)例。目前雖然沒有達(dá)到商業(yè)化的應(yīng)用規(guī)模,主要是考慮到其熱值含量低以及儲(chǔ)層條件等的制約,但是對(duì)于原油黏度低于1 000 mPa·s的儲(chǔ)層和無法用注蒸汽來開采的含水稠油區(qū)塊效果更好。

由于大部分的稠油都含有一定量的瀝青質(zhì),一般可達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%左右,也正是這些瀝青質(zhì)的存在使稠油的黏度增大,流動(dòng)性降低。此外,稠油儲(chǔ)層埋深一般都比較淺,而VAPEX技術(shù)是在稠油儲(chǔ)層中加入足夠量的高溫低分子烴,一方面溶解的烴會(huì)使稠油稀釋和瀝青脫出,從而在一定程度上達(dá)到混相,大大降低原油黏度,增加其流動(dòng)性,同時(shí)采出的原油方便運(yùn)輸、利于煉化,還可以增加原油的市場價(jià)值;另一方面,沒有溶解、凝結(jié)的烴類則會(huì)在儲(chǔ)層內(nèi)部形成一定的壓力,這對(duì)于稠油的開采也是有利的。

VAPEX技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)歸納如下:

◇與注蒸汽相比VAPEX技術(shù)溶劑使用量少,利用率高,效果明顯,同時(shí)考慮到注蒸汽過程中加熱蒸汽所消耗燃料和所排放的有害氣體,不利于油田實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,而VAPEX技術(shù)則可以揚(yáng)長避短,補(bǔ)其不足。

◇VAPEX技術(shù)沒有因蒸汽凝結(jié)水與油藏黏土相互作用而造成對(duì)油藏傷害的問題,如水敏膨脹、滲透率減小等儲(chǔ)層損害問題。

◇VAPEX技術(shù)可以在常溫下操作,與注CO2技術(shù)對(duì)比,地面和井下設(shè)備要求不高,對(duì)設(shè)備腐蝕也小,同時(shí)不受氣源和管線鋪設(shè)投資大的限制。

◇VAPEX技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)溶劑再循環(huán)利用,產(chǎn)液中所含的溶劑可以在井口回收,再注入地層。

◇VAPEX技術(shù)也適用于薄的儲(chǔ)層,并且對(duì)儲(chǔ)層不會(huì)造成污染。

4 VAPEX技術(shù)展望

VAPEX技術(shù)在國外特別受重視,例如加拿大擁有世界石油儲(chǔ)量的六分之一,其中95%為常規(guī)注蒸汽等熱力方法不能經(jīng)濟(jì)開采的瀝青油砂[15]。他們不惜人力和財(cái)力研究開發(fā)瀝青油砂的各種裝置和工藝技術(shù),其中VAPEX技術(shù)開始于90年代初,加拿大卡爾加里大學(xué)、帝國石油公司、加拿大國家礦產(chǎn)能源中心等單位對(duì)其開展了多方面的研究,提供了大量的可行性報(bào)告[10-14]。剩余的一些薄儲(chǔ)層、高含水儲(chǔ)層等難動(dòng)用的儲(chǔ)層無法用傳統(tǒng)的熱采技術(shù)來開采,而VAPEX技術(shù)則顯示了在難動(dòng)用儲(chǔ)層的巨大潛力。但是,VAPEX技術(shù)也存在一定的技術(shù)難題:①注人劑的成本高;②安全問題有待進(jìn)一步解決;③VAPEX技術(shù)工藝和設(shè)備還需深入研究。所以筆者建議,一方面加強(qiáng)對(duì)不同稠油儲(chǔ)層的技術(shù)評(píng)價(jià),做好技術(shù)儲(chǔ)備;另一方面結(jié)合儲(chǔ)層的地質(zhì)特點(diǎn)和各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),真正做到“對(duì)癥下藥”。

總之,鑒于VAPEX技術(shù)一系列的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn),VAPEX技術(shù)在稠油出砂冷采后是可行的、有潛力的,相信不久的將來必將成為開采稠油的新工藝。

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2010-01-05)