新型SAGD技术在稠油开采中的应用

原创 暗潮  2018-05-07 16:12:43  阅读 242 次 评论 0 条
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1、引言

蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)是实现稠油和油砂开采的有效技术。该技术通过向地层中连续注入高温蒸汽加热油藏,加热后的原油黏度显著降低,在重力作用下流入位于注汽井下方的生产井中,并被举升至地面。该技术首先在1978年由Butler提出,于1987年在加拿大AOSTRA油田进行了先导性试验并取得成功。随后,SAGD技术在加拿大、美国、委内瑞拉、中国等地稠油油藏的开采中得到了广泛的应用,成为实现稠油、超稠油、油砂就地开采的一项重要工艺。 
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随着SAGD技术的应用,其缺点也逐渐显现。由于要消耗大量的蒸汽,SAGD技术的实施需要消耗大量的水资源,并会造成一定的CO2排放,而且SAGD技术在储层薄、物性差、边底水、隔夹层的储层中热效率低,开采效果差。为提高SAGD技术的应用效果和技术适应性,出现了多种变型SAGD技术。就目前来说,SAGD技术的发展主要集中在两个方向:一是对双水平井注采模式的几何变化,其中包括U型井SAGD技术、快速SAGD技术以及单井SAGD技术等;二是对注入介质物理化学性质的改良,其中包括蒸汽与非凝析气推进技术(SAGP),溶剂辅助蒸汽重力泄油技术(SA-SAGD)以及化学剂辅助蒸汽重力泄油技术(CA-SAGD)等。通过调研国内外新型SAGD技术的研究与应用情况,从工艺原理、技术特点以及应用效果等方面对上述新型SAGD技术进行了介绍,为新型SAGD技术在我国稠油开采中的研究与应用打下基础。

2、改变注采模式的SAGD技术

 2.1 U型井SAGD技术

U型井可通过定向钻井技术直接获得,也可以通过将两口不同位置的水平井与直井、定向井与水平井、定向井与定向井或水平井与水平井在同一目的层进行连通实现。通过将U型井钻井技术与稠油热采技术相结合,出现了U型井SAGD技术。

2006年,Ashalchinskoye油田实施了一种新型的U型井SAGD技术。通过在地层中布置两口平行的U型井,采用SAGD技术原理实现稠油油藏的开采。蒸汽从上部U型井的两个井口注入加热油藏,加热后的原油从下部U型井采出。第一对U型井于2006年投入生产,两口U型井垂向距离5m,水平段长度均为200m,投入生产后产油量从0.5t/d提高到3t/d;第二对U型井于2007年投入生产,其水平段长度分别为410m和400m,与第一对U型井相比,水平段长度的增大使产量大幅度提升,原油产量从初始的7.5t/d增至17t/d。现场生产数据表明,U型井的平均产能是邻近直井的8~10倍,证明了U型井SAGD技术开发稠油油藏的有效性。

2010年,ENI公司提出了一种采用U型井开采稠油油藏的新型热采工艺,通过将不同方向钻穿同一油藏的两口水平井以适当方式(尾管或套管)连接起来,形成U型井,从而与地面设施构成蒸汽或热流体的闭合回路,利用热流体所携带的热量加热油藏和原油,黏度降低后的热油在重力作用下流入井底从而被采出。该技术的主要目标是形成蒸汽或热流体循环的闭合回路,从而将热流体的注入与原油的采出进行分离。其应用模式主要有两种:

 (1)热流体从一个井口注入,另一个井口采出,U型井仅用于将热量从地面传导至地下,加热后的原油则从附近的生产井采出。

 (2)热流体从U型井的一个井口注入和采出,原油从另一个井口采出。两种应用模式的井筒结构如图1所示。现场测试表明,U型井SAGD技术能够提高稠油油藏的开发效果,但由于钻井操作要求较高,该技术尚未实现工业化。
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2.2 快速SAGD技术

该技术综合了常规SAGD技术与蒸汽吞吐技术的特点。首先在储层中布置一对常规SAGD水平井,然后在一侧布置一口偏置井,该井与SAGD水平井平行并且相隔一定的距离,作为蒸汽吞吐井,其技术流程如图2所示[6]。首先SAGD井对正常生产,偏置井关闭。待蒸汽腔到达储层顶部时,开始向偏置井中注入蒸汽,蒸汽的注入压力和注入速率都高于SAGD井对,但低于地层破裂压力,避免压裂地层。从偏置井注入蒸汽能够加速蒸汽腔的横向扩展,当井间区域被充分加热后,也即偏置井的蒸汽腔与SAGD井的蒸汽腔相连通时,偏置井由注汽井转为生产井进行原油开采。
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 从应用效果来看,快速SAGD技术能够显著提高原油产量,增大油汽比,降低钻井成本和操作成本,以较少的井数获得较高的产能。与常规SAGD技术相比,快速SAGD技术热效率提高24%,产能提高35%,并且在原油累计产量相同的情况下,所消耗的蒸汽和操作时间更少。为了评价快速SAGD技术的生产效果,Shin等进行了室内物理模拟实验,对比了常规SAGD技术和快速SAGD技术的生产效果,实验所用模型尺寸87.4cm×5cm×22.7cm。实验数据表明,与常规SAGD技术相比,快速SAGD技术累计产油量更高,累计油汽比更低。Dang等采用数值模拟方法对比快速SAGD技术和SAGD技术在Alberta三大典型油砂中的应用情况,结果表明,快速SAGD技术在开采渗透率较低的Clearwater和Bluesky油砂时消耗的蒸汽更少,产量更高,经济效益更好。

 快速SAGD技术的经济性和有效性已经得到了数值模拟和室内实验的证实,其应用效果需要更多的现场测试数据进行验证。

 2.3 单井SAGD技术

单井SAGD技术,即在同一口井中实现蒸汽的注入和原油的采出,根据井型的不同可以分为直井单井SAGD技术和水平井单井SAGD技术。水平井单井SAGD技术在我国已经得到了现场测试,由于操作难度大,现场应用较少。

直井单井SAGD技术则是采用特殊装置完井的新型技术,通过与压裂技术相结合,实现重力泄油,该技术的原理:首先垂直钻穿储层并采用特殊设计的六翼套管进行固井。套管下入后采用机械方法使其胀开,形成均匀分布的6个槽,并确保各翼不闭合。然后注入压裂液进行压裂操作,最终形成与油藏接触的6个压裂支撑面。采用同样的方法,依次从底部到顶部对储层进行改造,最终形成6个贯穿整个储层的压裂面。最后采用双管柱完井,蒸汽从准114.3mm的真空绝热管中注入,流体从准88.9mm的油管中采出。蒸汽从油藏顶部注入后沿压裂面向井筒周围以及油藏底部均匀扩散,释放潜热加热原油,使原油黏度降低。热油和冷凝水在重力作用下流入井底并被举升至地面,实现原油的开采。该技术是将压裂引入热采技术而形成的新型技术,能够有效克服隔夹层的影响,实现蒸汽的均匀扩展,从而使储层受热更加均匀;并且能够适用于开发对SAGD来说不经济的薄储层、埋藏浅的油藏,具有十分重要的应用价值。

3、改良注入介质的SAGD技术

3.1 蒸汽与非凝析气驱油技术

蒸汽与非凝析气驱油技术(SAGP)的原理是通过向蒸汽中加入少量非凝析气对蒸汽进行改质,非凝析气注入后主要分布在蒸汽腔顶部,使蒸汽腔顶部温度降低,从而减少盖层热损失,有效提高热效率。目前应用于SAGP技术的非凝析气体主要有CO2、N2、CH4、C2H6、C3H8以及烟道气等。

自提出以来,该技术已经得到了较多的研究,其中既有数值模拟研究,也有室内实验研究;布井模式既有传统的双水平井模式,也有直井水平井相结合的模式。研究表明,非凝析气的添加能够减缓蒸汽腔的纵向扩展,加速蒸汽腔的横向扩展,并且与传统SAGD技术相比,SAGP技术能够减少蒸汽消耗量和热损失,提高热效率,提高开发效果。此外,SAGP技术也可以对烟道气和CO2等温室气体进行有效利用,减少环境污染。

杜84馆平11、12井组作为辽河油田SAGP先导试验区,于2011年7月10日至2011年8月2日在蒸汽腔的顶部附近注入N2段塞。截至2011年11月5日,SAGP试验累计生产120d,与N2注入前相比,阶段注汽量减少了3.6×104t,阶段含水率降低了1.4%,油汽比由0.20上升到0.26,阶段油汽比提高了0.06,获得了很好的生产效果。 

3.2 溶剂辅助蒸汽重力泄油技术

溶剂辅助蒸汽重力泄油技术(ES-SAGD)是将低浓度的碳氢化合物溶剂与蒸汽混合注入油藏,从而改善SAGD注蒸汽开发效果。ES-SAGD的概念首先由Nasr等人提出。在溶剂辅助蒸汽重力泄油工艺中,将溶剂以气态形式与蒸汽混合注入,在油藏条件下溶剂与蒸汽在蒸汽腔边缘同时凝结,经溶解扩散后稀释原油,并且与蒸汽潜热一起使原油黏度降低,从而实现稠油或油砂的降黏开采。

该技术综合了加热降黏和溶剂稀释降黏的原理,与常规SAGD技术相比具有较多优势。ESSAGD技术能够提高油汽比,减少蒸汽注入量,从而降低水和能源消耗。研究表明,与常规SAGD相比,ES-SAGD过程油汽比可提高25%以上。其次,溶剂的加入能够加快采油速率,从而在相同时间内获得更高的产能,这一点在考虑经济效益时显得尤为重要。最后,ES-SAGD工艺在提高蒸汽开发生产效果的同时也减少了温室气体排放,具有良好的社会效益和环境效益。

EnCana公司自1996年开始进行ES-SAGD实验,并于2002年使用丁烷在Senlac开展了现场测试,两个月的生产结果表明产油量提升了50%。2004年,EnCana公司又在ChristinaLake的Q3井组进行了ES-SAGD项目测试,生产数据表明,溶剂的注入使日产量从167m3/d提高到240m3/d,油汽比也从原来的0.2提高到0.6。 3.3化学剂辅助蒸汽重力泄油技术 采用化学剂对热采技术进行改进是稠油热采技术的重要发展方向。在化学剂辅助蒸汽重力泄油(CA-SAGD)工艺中,蒸汽作为化学剂的载体,将化学剂携带入油藏,使其与地层流体和岩石发生相互作用,提高原油的流动性,在提高产能的同时减少蒸汽消耗,从而改善SAGD技术的开发效果。

从化学剂的种类来看,主要包括降黏剂、表面活性剂、泡沫以及各种针对特殊油藏设计的复配化学体系等;从注入方式来看,化学剂既可以伴蒸汽注入,也可以段塞形式注入。注入化学剂的种类不同,其开采原理也不尽相同。例如,泡沫的加入是为了发挥泡沫的调剖作用,增大蒸汽的波及系数;对于常用的表面活性剂来说,其增产原理包括降低表面张力、改变油藏岩石润湿性、增大油相相对渗透率以及乳化作用等。为了提高化学剂的综合应用效果,常将不同种类的化学剂复配使用。

CA-SAGD工艺已经在加拿大进行现场测试。Connacher油气公司和Cenovus能源公司采用蒸汽伴注表面活性剂的方法对SAGD工艺进行改进。P.Srivastava等研制了一种新型化学剂,通过将其与蒸汽共同注入油藏,达到提高原油流动性、提高产能的目的,并使凝结水携带更多的原油,从而有效降低蒸汽消耗量。室内实验结果表明,当该化学剂加入量为0.1%时,采收率可提高13.5%。Chen、鹿腾等采用数值模拟方法研究了泡沫辅助SAGD技术的生产效果。结果表明,泡沫能够封堵高渗层,扩大蒸汽波及面积,提高累计产油量。

4、建议

(1)新型SAGD技术是对常规SAGD技术的改进,其中包括布井模式的改变和注入介质的改良。各种新型SAGD技术的提出扩大了SAGD技术的应用范围,同时也在一定程度上提高了传统双水平井SAGD技术的生产效果和经济效益。

(2)改变注采模式的SAGD技术主要包括U型井SAGD技术、快速SAGD技术和单井SAGD技术等,改变注入介质的SAGD技术主要包括SAGP、溶剂辅助SAGD技术和化学剂辅助SAGD技术等。分别对各种技术的技术原理和应用特点进行了介绍。

(3)不同的新型SAGD技术具有不同的特点,所适应的地质条件和操作条件也有较大差异,应综合考虑油藏地质特征、经济效益等因素进行筛选与应用,以充分发挥技术优势,实现稠油油藏的高效经济开采。

(4)对于存在顶水的油藏,建议采用SAGP技术减少蒸汽热损失;对于SAGD技术开发较为成熟的稠油油藏,建议采用溶剂辅助SAGD技术或化学剂辅助SAGD技术以提高产量和采油速度;对于埋藏较浅的油藏,可尝试采用单井SAGD技术开采;对于非均质性较强的稠油油藏,可采用直井单井SAGD技术,以使蒸汽均匀扩展;而渗透率较低的油藏,可优先采用快速SAGD技术,提高开发效果。

(来源:《中外能源》,作者:李浩哲、梁琳琳、钱永娟, 中国石油大学(北京)石油工程学院; )


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