劉 曉，苑塔亮，王 澈，趙法軍，李忠君

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司，化學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，北京 1001012；3. 大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163114； 4. 東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；5. 大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163712）

電磁加熱技術(shù)開采稠油和瀝青油藏的研究進(jìn)展

劉 曉1，苑塔亮2，王 澈3，趙法軍4，李忠君5

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司，化學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，北京 1001012；3. 大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163114； 4. 東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；5. 大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163712）

電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)已經(jīng)成為一個非常有前景的開采工藝，該技術(shù)是將電場能或高頻電磁場能輸入地層，依靠低頻電阻熱損耗生熱機(jī)制或高頻介質(zhì)極化生熱機(jī)制加熱油層，通過提高油層溫度來 降低原油粘度。與其它的采油工藝相比，電磁加熱技術(shù)既沒有在井筒中的熱損失， 也不受地層低滲透率的影響，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。詳細(xì)綜述了國內(nèi)外電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)的最新發(fā)展現(xiàn)狀，探討了電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)機(jī)理，評述了電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)局限性，展望了電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)應(yīng)用前景并提出了今后的發(fā)展方向。

稠油；瀝青；電磁加熱；機(jī)理； 研究進(jìn)展

隨著稀油油藏產(chǎn)量的下降，目前世界范圍內(nèi)石油工業(yè)開發(fā)的主要資源集中在開采稠油和瀝青油藏上。在全球范圍內(nèi)這些資源大約有六萬億桶的原油地質(zhì)儲量，其中大部分位于委內(nèi)瑞拉和加拿大，在我國稠油資源儲量也有約為2.5×1010t。

稠油（Crude oil），通常是指粘度高、相對密度大、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量較高的原油。國外稱稠油為重質(zhì)原油（heavy oil），對粘度極高的稠油稱為瀝青（Bitumen）或?yàn)r青砂油 （Tar sand oil）［1，2］。

粘度高是開采稠油油藏中主要阻礙因素，對于高粘度稠油油藏而言熱采是最有效的開采方法，但一些儲層不能引入常規(guī)的熱采開采方式。對于這些類儲層，電磁加熱不失為一種理想的解決方式。電磁加熱的目標(biāo)是將部分儲層加熱開采，與常規(guī)開采方式相比，電磁加熱的儲層可以更有效的使儲層溫度升高，并且熱損失更少。相對而言電磁加熱還是一項(xiàng)比較新穎的技術(shù)，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。因此，本文是從實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場試驗(yàn)來討論通過電磁加熱稠油和瀝青油藏提高采收率方法。

電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)是將電場能或高頻電磁場能輸入地層，依靠低頻電阻熱損耗生熱機(jī)制或高頻介質(zhì)極化生熱機(jī)制加熱油層，通過提高油層溫度來降低原油粘度，改善了油層的滲流特性和流體的流動特性，從而提高原油采收率。電磁加熱技術(shù)尤其對高粘、高凝、低滲和薄層等特殊油藏的開采以及解決井筒結(jié)蠟、地層堵塞、近井地帶污染等問題有著特殊的效果。在國外開展此項(xiàng)研究工作已有二十多年的歷史，該技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過理論驗(yàn)證，在俄羅斯、美國、加拿大和其他國家的油田試驗(yàn)研究［3-19］。傳統(tǒng)熱采使用熱流體驅(qū)替來提高單井產(chǎn)量的方式，在一些情況下效果不是很明顯。這是由于在注入井和儲層內(nèi)的蒸汽泄漏和在薄層上覆蓋層的熱量損失等原因。此外，常規(guī)的熱采方法對環(huán)境大多有害無益，破壞了地質(zhì)學(xué)水文環(huán)境，加速了溫室效應(yīng)。

在電磁加熱技術(shù)中最重要的就是在物質(zhì)內(nèi)部生成熱量，而非從外部攜入的。因此，與加熱大部分的儲層不同，電磁加熱技術(shù)只對部分預(yù)先設(shè)定的儲層部分加熱，而且更有效率［20］。不同于傳統(tǒng)的熱采方法，電磁波加熱通過分子的振動摩擦使儲層加熱。全球科學(xué)家都在進(jìn)行電磁波影響下的不同環(huán)境中的傳熱傳質(zhì)的研究，但是電磁波加熱是否能提高原油采收率尚未知。原因是缺少有關(guān)在電磁輻射影響下孔隙介質(zhì)中多相系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程的可靠信息，并且該過程很難加以控制。因此，目前的研究是使用建模的方法來尋找電磁波加熱的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 電磁加熱開采稠油和瀝青油藏技術(shù)

1.1 電磁加熱技術(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)證明使用電磁波加熱近井地帶油層是可行的。實(shí)驗(yàn)室使用了具有介電常數(shù)7.7和正切為0.083的石英砂，原始含油飽和度為80%，束縛水飽和度為20%。原油粘度為16.61×10-3Pa·s，密度在860 kg/m3左右。原油樣品的介電常數(shù)和損耗角正切分別為2.23和0.019。在這項(xiàng)高頻電磁波加熱的油藏模型中，介質(zhì)的溫度由位于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)不同位置的溫度計(jì)進(jìn)行測定。線性輻射器放置在裝置的中心，線性輻射器經(jīng)由同軸電纜線連接到提供電磁波頻率為13.56 MHz的發(fā)生器。在實(shí)驗(yàn)中，位于輻射源等距離且暴露于高頻電磁場流體的溫度是大于電加熱的初始溫度的。在這種情況下，介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)變化很小。加熱時能夠引入的熱量的多少在很大程度上取決于該地層的導(dǎo)電性。這項(xiàng)研究總結(jié)了電磁波加熱優(yōu)點(diǎn)［3］。

Sayakhov等［5］在高頻電磁場中非均質(zhì)多孔介質(zhì)中徑向流動的液體的流動特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)使用的電磁波頻率為2 400 MHz，功率為500 W。將一個特別定制的巖芯夾持器用多孔介質(zhì)將其裝滿，放在同軸共振器中。將用于產(chǎn)生兆瓦能量級的高頻波電磁波發(fā)生器沿同軸電纜引導(dǎo)到諧振腔。研究的液體通過軟管進(jìn)入多孔介質(zhì)，再通過儀器內(nèi)的導(dǎo)管流入量筒。整個實(shí)驗(yàn)期間的溫度通過插在巖芯夾持器上的溫度計(jì)來記錄，儲層流體用煤油來替代，對有無高頻電磁場影響下的情況分別進(jìn)行測量。證實(shí)高頻電磁場確實(shí)導(dǎo)致了經(jīng)過多孔介質(zhì)流體的溫度急劇增加。當(dāng)中斷電磁場時，可以觀測到流體的流急和溫度急劇下降。

研究結(jié)果表明，在發(fā)射頻率3×105Hz到6×105Hz的磁場條件下對電介質(zhì)液體進(jìn)行加熱［5］該液體的導(dǎo)熱系數(shù)是增加的。導(dǎo)熱系數(shù)的增大就如同實(shí)驗(yàn)中所用的液體的偶極矩大小的參數(shù)隨著頻率和場強(qiáng)度的增加而增大。

Fatikhov［10］對高頻電磁場中不同壓力梯度的瀝青流動情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在不同溫度和不同壓力下的瀝青流量的變化。在 Mordovo-Karmalskoye沉積油藏條件下，瀝青初始壓力降為0.003 MPa/m。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著溫度的增加壓力急劇下降，導(dǎo)致了含瀝青質(zhì)的原油變成了牛頓流體。因此，電磁加熱提高了流體的流動效率，隨著溫度升高瀝青的非牛頓性質(zhì)急劇的降低。

Chakma和Jha［21］在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了稠油油藏的巖心模型上進(jìn)行電磁加熱實(shí)驗(yàn)。在電磁加熱達(dá)到理想狀態(tài)期間使用水平井注氣，其目的是降低原油粘度，并用所注入的氣體來形成氣驅(qū)。實(shí)驗(yàn)已結(jié)果表明，對于井眼附近的薄油層熱量已經(jīng)足夠時，利用 N2作為注入氣體，實(shí)現(xiàn)了原油采收率達(dá)到45%。使用多種方式結(jié)合生產(chǎn)方法所達(dá)到的生產(chǎn)率要比單一的注N2或是電磁加熱要高的多。Chakma和Jha還討論了一些影響結(jié)果的參數(shù)，包括：注汽壓力（壓力越高，采收率越高）；溫度（初始產(chǎn)油速度受溫度的影響不是很大，但隨后產(chǎn)油影響有所增加，這意味著總采出量隨溫度增大而增加）；電磁頻率（頻率越高，采收率越高）；原油粘度（在給定的電磁頻率、溫度和氣體注入壓力下，粘度較高原油產(chǎn)生較高的采收率）；含鹽量（含鹽量越高采收率越高，這是由于鹽水的導(dǎo)電率比蒸餾水的導(dǎo)電率要高）；電極的距離（采收率相似，但更近的電極間距可以提供更快的產(chǎn)油速度）。

Hascakir等［22，23］對在土耳其油藏的稠油樣品進(jìn)行了一個特制的新型石墨巖心容器來裝載，進(jìn)行微波輔助下重力泄油的實(shí)驗(yàn)。他們研究了在微波加熱效果下加熱時間、 等待時間以及巖石和流體特性等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并對其實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了描述。高礦化度和含水飽和度有利于電磁加熱。Hascakir等［22，23］還認(rèn)為，親水條件對于提高采收率是必要的，較高的孔隙度以及滲透率也同樣重要。當(dāng)電磁波連續(xù)加熱原油樣品達(dá)到了較高的溫度時，得到的結(jié)果比周期性間隔的電磁波加熱要好的多，得出的結(jié)論在Chakma和Jha［21］的研究結(jié)果中得到證實(shí)。

Jha等［20］對印度的Mehsan的油田稠油使用微波輔助重力泄油（MWAGD）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室中使用3 GHz電磁波，可用功率高達(dá)1 000 W，通過對樣品進(jìn)行加熱，得到了重力泄油的溫度和粘度分布曲線。初始含油和含水的飽和度、潤濕性、孔隙度和滲透性研究結(jié)果類似于由Hascakir和Chakma等的研究。

Jha等［20］提出通過鉆一口水平井和多口井底部帶有電磁波發(fā)射器的垂直井來使用MWAGD。然而，這可能達(dá)不到足夠的加熱要求，所以也提出了在兩口水平生產(chǎn)井中安裝電磁波發(fā)射器這樣的想法。由于原油吸收微波熱量能力弱，Jha等還提出了通過注入粉末狀金屬氧化物、氯化物和活性炭來提高熱傳導(dǎo)性。Hascakir、Kershaw Odenbach等［22-26］的研究中發(fā)現(xiàn)了其工作原理以及這些稠油添加劑的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用成效。

Koolman等［24］報(bào)道了電磁加熱（EM-SAGD工藝）輔助下的SAGD技術(shù)原理，在該實(shí)驗(yàn)室中使用一個具有142 kHz頻率電磁波下誘導(dǎo)加熱，將樣品加熱10 min，溫度上升了7. 5 K。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場工藝采用數(shù)值模擬和電磁加熱模型相結(jié)合的研究方法。模擬結(jié)果顯示瀝青產(chǎn)量比傳統(tǒng)的SAGD增加了38%。

Kovaleva等［6-9］分別研究了在多孔介質(zhì)里電磁場和電加熱流動的多組分烴系統(tǒng)中的熱傳遞效果。他進(jìn)行了三種不同類型的實(shí)驗(yàn)：在射頻電磁場下的溶劑（煤油）驅(qū)、電加熱下的溶劑（煤油）驅(qū)和冷溶劑（煤油）驅(qū)。在所有3組實(shí)驗(yàn)中，模型的物理性質(zhì)和加熱條件均保持一致。結(jié)果表明，通過應(yīng)用射頻電磁場得到了最大的原油采收率。Kovaleva等還認(rèn)為在射頻電磁的影響下飽和油的樣品上，所得到的油的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在同等溫度下時電加熱工藝下得到的油的數(shù)量。

1.2 稠油和瀝青的原位電磁加熱技術(shù)

第一個應(yīng)用微波加熱開采方法在 1956年申請了專利。電磁波通過油管和套管從地面?zhèn)鬟f到井底，電磁波與地層的相互作用降低了油藏流體的粘度。在1965年，Haagensen等［27］提出了井口生成高頻電磁波的裝置及將高頻電磁能量從井口傳遞到井底的方法。在1987年，Wilson［14］在工作中提出了一個類似電磁加熱裝置。

Haagensen和Wilson所描述的方法中有一個共同的缺點(diǎn)，就是電磁波加熱效率相當(dāng)?shù)?，損失了大量的電磁能。由于管線的導(dǎo)電性有限，電磁能量都損失在近井地帶的巖石中，導(dǎo)致井筒熱的巨大損失，特別是當(dāng)凍土層存在時。

Sayakhov等提出了一套提高原油采收率的方法，該方法即在一個電磁場影響下形成一個燃燒前緣，當(dāng)周圍的環(huán)境接觸到的電磁場時即被加熱，從而粘度降低并增加原油的流動性。

1.2.1 俄羅斯

Sayakhov等［3，11］在Yultimirovskoye Bitumen進(jìn)行了射頻電磁波加熱儲層的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是在井1和井150中進(jìn)行的，兩井相距5 m。電磁波加熱儲層的實(shí)驗(yàn)分幾個步驟進(jìn)行，首先將射頻電磁波發(fā)射器功率設(shè)為20 kW，在36.5 h之后，井底的溫度由150 K升高到282 K至389 K，井1的溫度保持恒定，下一步將射頻電磁波發(fā)射器的功率設(shè)為60 kW，使井150的溫度上升的更快，在5.5 h以后，其井內(nèi)的溫度可上升到417 K至463 K，然后關(guān)掉電磁波發(fā)射器，使井內(nèi)溫度降至423 K。在接下來的23 h后，將射頻電磁波發(fā)射器的功率調(diào)至最大，使井150內(nèi)的溫度提高至583 K，井1的溫度提高至318 K，井150內(nèi)塑料密封圈集中融化，結(jié)果使射頻電磁波發(fā)射器發(fā)生損壞。通過對井 150下的溫度測量可知電磁波加熱儲層可穿透的厚度為5 m，3天后井內(nèi)的溫度降到373 K至343 K。經(jīng)過幾天的電磁波加熱，通過井筒外部的熱量分布可知儲層的蓋層和下伏底層的熱量損失很低。

1.2.2 美國

1992年，Kasevich等［15］在美國加利福尼亞州的Bakersfield油田實(shí)地進(jìn)行了射頻電磁加熱的測試。目的是要證明可控制的射頻電磁輻射可以用作提高原油采收率的方法。儲層流體的產(chǎn)量并沒有測量，所做的研究旨在更好地了解地下層系。

實(shí)驗(yàn)使用了一個功率為25 kW，頻率為13.56 MHz的高頻電磁波發(fā)生器加熱儲層。通過T10、T20、T30三口觀察井中的溫度測量來確定是否達(dá)到要求的溫度。Kasevich等證明了射頻可以通過測量回波損耗和電磁輻射得到。

1980年，由Bridges等［12，13］在伊利諾斯理工學(xué)院研究所（IITRI）進(jìn)行了電磁加熱采原油詳細(xì)的研究。他們使用不同類型的電磁波對不同類型的油頁巖和瀝青砂進(jìn)行加熱，進(jìn)行了廣泛的研究工作。Bridge利用兩個位于美國猶他州Avintaquin峽谷的兩個油田區(qū)塊測試了射頻電磁加熱的技術(shù)。在露出地層的頁巖進(jìn)行鉆進(jìn)，并將電極插入1 m深頁巖中。實(shí)驗(yàn)證明該了油頁巖在原位熱解的可能性。施加到地層的功率范圍是從5 kW到20 kW。電磁加熱使溫度上升到673 K并且提高了20%～30%的采收率。

Bridges等在美國對瀝青砂進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。第一個實(shí)驗(yàn)測試了重力驅(qū)瀝青開采過程中，旨在證明電磁加熱的概念以及改進(jìn)對設(shè)備的設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)使用了放置垂直電極和開采的收集室。它配置了1臺200 kW的無線電發(fā)射器和加熱了25 m3的瀝青砂。在第一個實(shí)驗(yàn)中，開采腔的頂部并沒有支撐好，所以導(dǎo)致提前終止實(shí)驗(yàn)。所以，對于第二實(shí)驗(yàn)需要構(gòu)建一個混凝土拱門來防止其坍塌。在焦油砂中使用的加熱功率從40 kW到75 kW變化的，且具有13.56 MHz的頻率。第二測試是在較高的溫度下長時間加熱條件下，當(dāng)溫度超過473 K，以及在短短20天內(nèi)達(dá)到 30%～35%的原油采收率。因?yàn)檫B續(xù)的加熱可能導(dǎo)致更高的采收率，在所有的實(shí)驗(yàn)中功率損耗是最小的，這也證明了電磁加熱技術(shù)具有高的效率。

1.2.3 加拿大

Spencer［28，29］在加拿大阿爾伯塔省的Wildmere油田首次使用商用電磁加熱。在1986年1月鉆第一口井，并在同年三月開始產(chǎn)油。在五月份電磁加熱之前，該井產(chǎn)量約9 500 t/d。經(jīng)過電磁加熱后，至1986年 11月之前該井采收率穩(wěn)步提高并將產(chǎn)量穩(wěn)定在3.18 t/d的水平。該油田中的另一口井的產(chǎn)量從1.59 t/d增加至平均4.77 t/d，最大流量達(dá)到9.54 t/d。

隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們回歸自然、回歸傳統(tǒng)的欲望也更加明顯，在這樣的背景之下，現(xiàn)代酒類包裝設(shè)計(jì)人員必須在實(shí)際工作開展過程中避免對傳統(tǒng)文化元素的簡單模仿和復(fù)制，而應(yīng)將這些元素與新型材料、新型生產(chǎn)技術(shù)等有效的結(jié)合起來，進(jìn)而確保酒類產(chǎn)品包裝的進(jìn)一步升華。本研究主要結(jié)合以下實(shí)例對陶瓷造型元素在現(xiàn)代酒器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

在1988-1989年 ， Davidson［19｝在 加 拿 大Lloydminster稠油區(qū)塊進(jìn)行了兩個電磁強(qiáng)化項(xiàng)目。不幸的是，因?yàn)樵O(shè)備的故障導(dǎo)致不能達(dá)到長期加熱以及特殊的儲層條件，初步測試得出該項(xiàng)目并不具有經(jīng)濟(jì)潛力的評價。第一個實(shí)驗(yàn)井在加拿大Northminster區(qū)塊進(jìn)行并且從油層中產(chǎn)出了API為11.4原油。4 h內(nèi)功率為20 kW劇增至30 kW的脈沖應(yīng)用到井中。然后功率提高到35 kW，基線為20 kW，并在最后達(dá)到了50 kW峰值，此時的基線為30 kW，隨后功率下降到28 kW的極限。功率后來被調(diào)整到47 kW并保持到結(jié)束。由于電磁強(qiáng)化的原因含水量和產(chǎn)量都達(dá)到了積極的效果。然而，值得注意的是，在所提高的產(chǎn)量中部分是由于泵轉(zhuǎn)速增加的原因，含水率下降是由于電磁效果以及原油流動性的改進(jìn)。一旦停止加熱，技術(shù)參數(shù)迅速地返回到其初始狀態(tài)。

第二口試驗(yàn)井位于加拿大 Lashburn區(qū)塊并且從地層中產(chǎn)出了非常粘稠的API為11.4原油。在儲層加熱階段，功率為13～18 kW。這口井在應(yīng)用電磁加熱之前有較高的出砂量，所以該井產(chǎn)量并不穩(wěn)定，還要定期的通過沖刷井眼來達(dá)到增產(chǎn)的目的，高峰產(chǎn)量達(dá)到5 m3/d。電磁加熱降低了含水率，但在關(guān)井期間之后含水率還是較高。應(yīng)用電磁加熱之后原油產(chǎn)油量也有所增加，達(dá)到9 m3/d。在儲層的初始加熱階段，在井底溫度從295 K穩(wěn)步上升到309 K，但當(dāng)關(guān)閉電源或是功率傳送系統(tǒng)故障時井底溫度立刻開始下降。

據(jù)報(bào)道電磁加熱提高萃取技術(shù)（ESEIEH）已被Rassenfoss［17］申請專利，并且目前正進(jìn)行試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃需要3年時間，目前處于第一階段?，F(xiàn)場應(yīng)用預(yù)計(jì)將在2013年以后開始。ESEIEH常用于加拿大的水平井，加熱所使用的是RF-EM波和丁烷或丙烷的溶劑。公司旨在通過使用一個功率足夠大的電磁波發(fā)射器將溫度升至 50 ℃，從而達(dá)到加熱儲層的目的。

1.2.4 中國

電磁加熱開采稠油和瀝青技術(shù)雖然在國外早已進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，但在我國，該研究工作還處于起步較晚。

1995-1997年間，遼河油田利用引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，1998 年 10 月開始試生產(chǎn)。1995 年勘探院進(jìn)行過物理模擬，大慶石油學(xué)院進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬［30］。1996年兩個單位的研究均停止進(jìn)行。1996年石油大學(xué)石油工程系和應(yīng)用物理系合作進(jìn)行數(shù)學(xué)和物理模擬工作，利用數(shù)值模擬和物理模擬研究了電流場在何種加熱方式、加熱時間、采油速率、地層參數(shù)、電性參數(shù)等條件下使電加熱有效半徑達(dá)到最大，利用效率最高。優(yōu)化設(shè)計(jì)電加熱采油工藝， 使經(jīng)濟(jì)效益最佳，并最終提高稠油采收率。

遼河井下公司利用電磁加熱井筒技術(shù)解決塔木察格試油難題，這項(xiàng)工藝采取電磁加熱和抽汲工藝相結(jié)合的方式，根據(jù)地層溫度場分布特點(diǎn)，優(yōu)化加熱深度，使原油中的蠟質(zhì)成分無法凝固，確保抽汲順利進(jìn)行，有效解決了氣溫低所導(dǎo)致的原油易凝固難題。

苗青等人［31］采用電磁加熱技術(shù)改善易凝高粘原油流動性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在能耗極低的情況下，該裝置可有效降低原油的粘度，特別是低溫粘度，為探索原油微觀結(jié)構(gòu)和采用電磁法改善原油流動性的研究和應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。

2 電磁加熱開采稠油和瀝青油藏技術(shù)機(jī)理

通過在空間產(chǎn)生高頻率的電場與磁場交替變化，引起原油和水等極性分子高頻率地改變極性方向，從而產(chǎn)生激烈的分子運(yùn)動，使分子間摩擦發(fā)熱來達(dá)到加熱的目的。根據(jù)微波與電磁感應(yīng)技術(shù)的原理和特點(diǎn)，電磁加熱對原油作用的主要機(jī)理有［34，35］。

加熱降粘作用，利用稠油粘度對溫度的高度敏感性，通過加熱，使粘度大幅度降低。當(dāng)原油溫度加熱到 100～150 ℃時，原油粘度降低到足以形成流動了；裂解作用，原油在高溫及微波作用下裂解、干餾氣化，生成輕質(zhì)成分，輕質(zhì)成分又溶解于原油，稠油變稀，進(jìn)一步降低原油粘度；熱膨脹作用，原油及地層在高溫下發(fā)生熱膨脹，地層壓力升高，有利于原油由地層向井筒流動。

3 電磁加熱開采稠油和瀝青油藏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與其它熱力采油方法相比，設(shè)備相對簡單，不受井深限制，直接對油層內(nèi)部加熱，可以用于滲透率較低、油藏過深、儲層含有膨脹粘士、寒冷氣候地帶、孤立井位、薄層等蒸汽熱采不宜應(yīng)用的區(qū)域，電加熱采油技術(shù)可以利用電導(dǎo)率大的地質(zhì)夾層或含水層， 把電功率導(dǎo)向加熱區(qū)域，實(shí)施選擇性電加熱。

對地層中流體和巖石都可加熱，能夠加熱地層含水量極小的油層；地層的加熱溫度可以超過蒸汽溫度， 所以原油可以通過自生蒸汽壓力、烴蒸汽壓力和重力三方面驅(qū)動而采出；電磁加熱開始時在地層內(nèi)穿入深度有限，只能加熱井身周圍地帶，但地層水閃蒸為蒸汽后，近井地帶出現(xiàn)干燥的絕緣帶時， 加熱半徑繼續(xù)擴(kuò)大， 一般可加熱井眼周圍幾米的范圍。

電磁波加熱技術(shù)可以和聲波地層處理技術(shù)聯(lián)合使用。在實(shí)施過程中，首先啟動高頻電磁波裝置將近井地帶的原油加熱到足夠高的溫度，然后再啟動聲波輻射裝置對地層進(jìn)行聲波處理。電磁波加熱主要用于降低原油粘度，聲波處理用于提高地層滲透率。因此，這兩種技術(shù)聯(lián)合使用，對于低滲透高粘原油的開來十分有利［36-38］。

4 電磁加熱開采稠油和瀝青油藏技術(shù)的局限性

作為一個世界前沿的研究課題，可供參考的資料、信息極少，且牽系到多學(xué)科、多領(lǐng)域，要進(jìn)行多方面高技術(shù)的新裝備研發(fā)和多種新工藝的研究探索，在此過程中，必然遇到一些難以預(yù)料的困難和問題。因此，需要多方面技術(shù)人才組成的項(xiàng)目隊(duì)伍聯(lián)合攻關(guān)。

大功率的微波發(fā)射管和電磁發(fā)射管的研發(fā)，要求這兩種裝備要能具備在高溫、高壓下長期不間斷地正常工作，并且，還要有根據(jù)油藏條件進(jìn)行長度的可選和功率的調(diào)節(jié)、控制的能力。要解決在裸眼分支井中安裝微波發(fā)射管、電磁發(fā)射管和電纜的相關(guān)工藝。要研發(fā)相關(guān)的地面監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制的技術(shù)和裝備［39～44］。

國內(nèi)外文獻(xiàn)主要研究沒有成型的電磁加熱理論數(shù)學(xué)模型和相關(guān)的數(shù)值模擬軟件，不能進(jìn)行相關(guān)的油藏?cái)?shù)值模擬。缺乏對電流場在油藏加熱過程中所引起的物理化學(xué)現(xiàn)象及其對滲流規(guī)律影響的研究，所有研究過程和結(jié)果都只能通過物理模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，這樣會延長研發(fā)時間和加大相關(guān)人力、物力的投入。

5 建議和展望

綜上所述，電磁加熱技術(shù)提高稠油和瀝青油藏采收率的技術(shù)是一種很有潛力的方法。然而，迄今為止的研究都是有限的，并且只有少數(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)報(bào)道。目前大多數(shù)研究還是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或是數(shù)值模型。電磁加熱技術(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)對不同稠油儲層的技術(shù)評價，做好技術(shù)儲備，另一方面結(jié)合儲層的地質(zhì)特點(diǎn)和各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，真正做到因地制宜，采用不同的工藝技術(shù)或多種工藝組合的方式進(jìn)行開采稠油和瀝青。

建議今后在以下幾方面開展深入的研究：

（1）針對不同的油藏類型，努力制定電磁加熱技術(shù)開采稠油、瀝青、油頁巖及焦油砂沉積的可行性篩選標(biāo)準(zhǔn)。

（2）更好地解決在裸眼分支井中安裝微波發(fā)射管、電磁發(fā)射管和電纜的相關(guān)工藝。

（3）提出理論數(shù)學(xué)模型和提高數(shù)模能力，包括應(yīng)用數(shù)值模擬估算油田采收率和開發(fā)方案、解決數(shù)模中的數(shù)值離散問題以及經(jīng)濟(jì)可行性分析等。

鑒于電磁加熱技術(shù)具有節(jié)能、高效的特點(diǎn)，定能在稠油、瀝青、開發(fā)油頁巖及焦油砂等非常規(guī)領(lǐng)域取得成功，相信不久的將來必將成為開采稠油或?yàn)r青油藏的新工藝。

［1］胡見義，牛嘉玉.中國稠油和瀝青砂資源［J］.世界石油工業(yè)，1998，5（9）：13-19.

［2］鐘文新.世界稠油資源狀況分析［J］.石油科技論壇，2008（5）：18-23.

［3］Chistyakov S， Sayakhov F. Balabyan G. Experimental study of formations dielectric properties under the influence of high-frequency electromagnetic fields［J］. in University Investigations：Geology and Exploration， 1971：153-156.

［4］Savinikh B， Dyakonov V， Usmanov A. The influence of alternating electric currents on the thermal conductivity of dielectric fluids［J］. Journal of Engineering Physics and Thermophysics，1981，2：269-276.

［5］Davletbaev A Kovaleva L. Combined RF EM/solvent treatment tech nique： heavy/extra-heavy oil production model case study［C］. in P roceedings of the 10th Annual International Conference Petroleum Phase Behavior and Fouling， Rio de Janeiro， Brazil， 2009.

［6］Kovaleva L， Davletbaev A， Babadagli T， et al. Effects of electrical and radio-frequency electromagnetic heating on the mass-transfer processduring miscible injection for heavy-oil recovery［J］.Energy&Fuels，2011，25（2）： 482-486.

［7］Kovalyova L A， Khaydar A M. Physical and rheological properties of petroleum fluids under the radio-frequency electromagnetic field effect and perspectives of technological solutions［J］. Appl. Surf.Sci. J.， 2004，238 （1-4）：475-479.

［8］Davletbaev A Ya， Kovaleva L A， Nasyrov N M. Numerical simulation of injection of a solvent into a production well under electromagnetic action［J］. Fluid Dyn. 2008， 43 （4）：583-589.

［9］Davletbaev A Ya， Kovaleva L A， Nasyrov N M. An investigation of the processes of heat and mass transfer in a miltilayer medium under conditions of injection of a miscible agent with simultaneous electromagnetic stimulation［J］. High Temp.， 2009， 47 （4）：574-579.

［10］Fatikhov M A. Experimental study of bitumen initial pressure gradient in the electromagnetic field［J］.University Investigations： Oil and Gas，1990，5： 93-94.

［11］Sayakhov F， Habibullin I， Yagudin M， et al. Technique and technology of thermal well stimulation on the basis electro-thermo-chemical and electromagnetic effects［J］.University Investigations： Oil and Gas，1992， 2：33-42.

［12］Bridges J E， Krstansky J J， Taflove A， et al. The IITRI in situ RF fuel recovery process［J］.Journal of Microwave Power， 1983，18（1）：3-14.

［13］Sresty G C， Snow R H， Bridges J E. Recovery of liquid hydrocarbons from oil shale by electromagnetic heating in-situ: US， 4485869， 1984.

［14］Wilson R. Well production method using microwave heating［P］. US 4485868［P］. 1987.

［15］Kasevich R S， Price S L， Faust D L， et al.Pilot testing of a radio frequency heating system for enhanced oil recovery from diatomaceous earth［C］.in Proceedings of the SPE Annual Technical Conference & Exhibition， New Orleans， La， USA， 1994，105-113.

［16］Vermeulen F E， Chute F S. Electromagnetic techniques in the in -situ recovery of heavy oils［J］.Journal of Microwave Power， 1983，18（1）：15-29.

［17］Rassenfoss S.Seeking more oil， fewer emissions［J］.Journal of Petroleum Technology， 2012，64（9）：34-38.

［18］Mcgee B C W， Vermeulen F E.The mechanisms of electrical heating for the recovery of bitumen from oil sands［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology， 2007，46（1）：28-34.

［19］Davidson R J. Electromagnetic stimulation of Lloydminster heavy oil reservoirs： field test results［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology， 1995，34（4）：15-24.

［20］Jha K A， Joshi N， Singh A. Applicability and assessment of micro-wave assisted gravity drainage （MWAGD） applications in Mehsana heavy oil field［C］. SPE 14591，in Proceedings of the SPE Heavy Oil Conference and Exhibition， Society of Petroleum Engineers， Kuwait City， Kuwait，2011.

［21］Chakma A， Jha K N. Heavy-oil recovery from thin pay zones by electromagnetic heating［C］. SPE 24817，in Proceedings of the Annual Technical Conference and Exhibition， Society of Petroleum Engineers，Washington， DC， USA， 1992.

［22］Hascakir B， Acar C， Schlumberger， et al. Microwave assisted gravity drainage of heavy oils［C］. in Proceedings of the International Petroleum Technology Conference （IPTC'08）， Kuala Lumpur， Malaysia，2008.

［23］Hascakir B， Babadagli T， Akin S. Experimental and numerical modeling of heavy-oil recovery by electrical heating［C］.SPE 117669，in Proceedings of the International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium （ITOHOS '08）， Society of Petroleum Engineers， Alberta，Canada，2008.

［24］Koolman M， Huber N， Diehl D，et al.Electromagnetic heating method to improve steam assisted gravity drainage［C］. SPE1177481，in Proceedings of the International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium （ITOHOS '08）， Society of Petroleum Engineers， Alberta，Canada， 2008.

［25］Kershaw J R， Barrass G， Gray D.Chemical nature of coal hydrogenation oils part I. The effect of catalysts［J］. Fuel Processing Technology，1980，3（2）：115-129.

［26］Odenbach S. Ferrofluids—magnetically controlled suspensions［J］. Colloids and Surfaces A， 2003，217（1-3）：171-178.

［27］Haagensen A D. Oil well microwave tools:US，3170119［P］. 1965.

［28］Spencer H L. Electromagnetic Oil Recovery［R］. Ltd. Calgary，Canada，1987.

［29］Spencer H L. Electric Heat Breaks Paraffins， Boosts Production. In Enhanced Recovery Week［J］.1989， 30.10-P：1-2， 54.

［30］范江，李永革.稠油電磁熱采方法［J］. 特種油氣藏，1997，4（2）：55-57.

［31］苗青，張傳農(nóng)，高新樓，等.電磁法改善易凝高粘原油流動性的實(shí)驗(yàn)［J］.

［32］蒲春生，馮金德，李海平，等. 電磁加熱解除近井凝析油堵塞效果研究［J］. 石油勘探與開發(fā)，2004，31（6）：115-118.

［33］馮金德，蒲春生， 程林松，等. 電磁加熱化學(xué)復(fù)合解除凝析油堵塞溫度分布研究［J］. 天然氣工業(yè)，2006，26（5）：75-78.

［34］Alfred Davletbaev， RN-UfaNIPIneft-Rosneft， Liana Kovaleva，et al. Electromagnetic Irradiation and Electrical Heating： Theoretical A nalysis and Field Scale Observations［C］. SPE 136611， in Proceedi ngs of Canadian Unconventional Resources & International Petrol eum Conference held in Calgary， Alberta， Canada， 19-21， 2010.

［35］Daria Mustafina， Andreas Koch， Vladimir Danov，et al.Mechanism of Heavy Oil Recovery Driven by Electromagnetic Inductive Heating［C］. SPE165507， in Proceedings of SPE Heavy Oil Conference Canada held in Calgary， Alberta， Canada， 11-13，2013.

［36］Gill H. The Electrothermic System for Enhancing Oil Recovery［J］. Journal Microwave Power， 1983，18（1）：107-110.

［37］Ritchey Harold W.Radiation Heating: US，2757738［P］. 1956.

［38］Vermeulen F E， Chute F S. The induction heating of fossil fuels in-situ by electric and magnetic fields ［J］. Can. Elect. Eng. J.， 1985，10（4）：147-151.

［39］Ayrapetyan M A. About oil fields development prospects by highfrequency currents electrical fields［J］. in Materials of KSSR Instit ute of Oil， 1958:38-52.

［40］Ayrapetyan M A， Velikanov V S， Magnikov E Ya.Reservoir high-f requency heating investigations［J］. in Materials of KSSR Institute of Oil， 1959:113-124.

［41］Carrizales M A， Lake L W， Johns R T.Production improvement of heavy-oil recovery by using electromagnetic heating［C］. SPE115723，in Proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition （ATCE '08）， Denver， Colo， USA， September 2008.

［42］Hiebert A D， Vermeulen F E， Chute F S， et al.Numerical simulation results for the electrical heating of Athabasca oil-sand formations［J］.SPE Reservoir Engineering， 1986，1（1）：76-84.

［43］Burge J， Surio P， Combarnu M.Thermal Methods of Enhanced Oil Recovery［M］.Nedra Publishing， Moscow， Russia， 1988.

［44］Alessandro Cerutti， Mauro Bandinelli， Matteo Bientinesi，et al.A New Technique for Heavy Oil Recovery Based on Electromagnetic Heating：System Design and Numerical Modelling［J］. Chemical Engineering Transactions，2013，32：1255-1260.

Research Progress in Electromagnetic Heating Technology for Heavy Oil and Bitumen Reservoir Recovery

LIU Xiao1，YUAN Ta-liang2，WANG Che3，ZHAO Fa-jun4，LI Zhong-jun5
（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Chemical Technology Development Center， GWDC， Beijing 100101，China；3. PetroChina Daqing Oilfield Company the Sixth Oil Production Plant， Heilongjiang Daqing 163114，China；4. Key Laboratory of Oil Recovery Enhance of Ministry of Education， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；5. PetroChina Daqing Oilfield Company the Ninth Oil Production Plant， Heilongjiang Daqing 163712，China）

The electromagnetic heating of heavy oil and bitumen is a promising mining technique that can inject electric energy or high-frequency electromagnetic into stratum. Heavy oil and bitumen reservoir is heated by electrical resistance heating and the polarization of high-frequency dielectric to increase reservoir temperature and reduce the viscosity of crude oil. Compared to other technologies， there is no heat loss in the wellbore， and it is not affected by the low permeability. Main advantage of the technology is environmentally friendly. In this paper， the present situation of the development of electromagnetic heating of heavy oil and bitumen was summarized， and mechanism of the technology was discussed， on the other hand， advantages and technical limitations of the technology were reviewed，and the development direction in the future was analyzed.

Heavy oil； Bitumen； Electromagnetic heating； Mechanism； Research progress

TE 357

A

1671-0460（2015）12-2796-06

國家重大油氣專項(xiàng)項(xiàng)目“提高稠油蒸汽驅(qū)效率技術(shù)” （2011ZX05012-003）。

2015-11-06

劉曉（1993-），男，黑龍江大慶人，研究方向：油氣儲運(yùn)專業(yè)。E-mail：liuxiao930424@163.com。