21世纪重油和沥青的开采方法
牛宝荣:21世纪重油和沥青的开采方法1
21世纪重油和沥青的开采方法
Eddy E. Isaacs
摘 要:加拿大西部的重油和沥青质油藏是世界上最大的油气聚集地之一。目前, 最有前景的开采方法是蒸汽辅助重力驱(SAGD ) 、气体和溶剂驱。该方法利用水平井, 并且优于天然重力驱。本文对加拿大西部重油和油砂资源进行了阐述, , , 特别强调把重点放在先进的水平井技术及研究和开发计划中, 这将对未来1020年内资源开采量的成倍增加是很有必要的。
主题词 加拿大 油藏 油砂 重油 沥青 开采技术
翻译:牛宝荣(新疆吐哈石油勘探开发研究院) 校对:周润才(大庆油田设计院)
图1 1996年加拿大原油产量是319000m 3/d , 其中包括9%的戊烷(图中未显示) 。该图表明当轻质和中质原油占加拿大总产量的80%时到
1976年产量提高40%
二、沥青的储藏量和开采技术
世界上大量的沥青资源位于加拿大西部的沉积盆地, 主要在三个地区:Athabasca 、冷湖和Peace Riv 2er , 每个油藏都有它独特的和不同的地质及物理特征。
1, 矿区油砂的储藏量
阿尔伯塔能源应用局(AEUB ) 估算Athabasca 油砂地下原始储量是2130×108m 3, 因地质环境和技术因素, 只有部分储量是可开采的。Athabasca 、麦克默里-Wabiskaw 是独立的最大油砂沉积区, 距地表深度750m , 深度达到120m 应用地面开采法, 沉积深度120750m 应用地下开采技术。732×108m 3的储量考虑应用地面开采法。两项商业性计划(Suncor and Syncrude ) 可开采的储量只有644×108m 3。
自1967年地面开采应用的Suncor 计划及1978年的合成原油生产以来, 各项技术一直在不断地改进, 使采油成本下降约一半多。Suncor 计划生产成本(包括操作成本、持续投资和回收) 是 72/m 3( 114/bbl ) , 预计三年内降到 57/m 3( 9/bbl ) 。合成原油生产中由于很少使用诸如斜板分离器的机械设备及提炼过程中很少出现停止的现象, 因此操作成本很容易降到 60/m 3。就目前Suncor (Steepbank 和Project Millennium ) 和合成油(矿区北部和奥罗拉) 生产的发展以及壳牌公司(Muskeg River ) 和美孚公司
(K earl Lake ) 商业性生产的提高, 截止2007年产量会从目前的39000m 3/d 增加到105×104m 3/
一、引言
预计今后10年中全球性常规原油产量将会降低。
世界上剩余的原油资源只是难以开采的重油和沥青。这表明目前多半常规资源量接近于主要增长期。在具有大量世界沥青资源的加拿大已将依赖常规原油急剧转向重油和沥青。1966年加拿大重油和沥青开采量占年总产量的2%, 30年后重油和沥青的产量为加拿大总产量的50%之多(见图1) 。加拿大西部的多数重油是用地下开采技术产出, 并用凝析液稀释船运到美国和加拿大东部的市场。而大多数沥青是用地面开采技术采出, 精炼成高价值的合成原油。
美国已宣称, 计划在新世纪投资150亿美元用于提高加拿大重油和合成原油的产量。其投资信心来自于两项技术的突破。该技术可明显的降低生产成本和新的财政支出, 并且有较小的风险性和较大的风险预测性。严酷的事实是, 未来近期重油和沥青的开采成本仍较高, 而商用价值则较低。然而问题是如果目前不加大力度提高重油和沥青产量, 那么又等到何时
呢?
本文探讨了使企业目前前景乐观的生产技术的发展, 描述了生产技术的应用进程, 评价了它们的技术应用范围, 并确定了需克服的一些挑战性问题。我们试图使这些技术为21世纪工业带来最美好的发展前景。
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d 。地面开采与提炼技术综合应用(壳牌公司还要进
起了决定性的作用, 因此有待于更深入的讨论。
3, 水平井———目前挑战性的战术
1996年, 加拿大钻勘了1436口水平井, 其中266口井钻于重油和沥青油藏。图2表明, 水平井已
行炼制) , 因此, 常规油和重油间的差别相对来讲不会有什么影响。就加拿大西部原油生产和市场销售情况来看, 主要地区有可能放弃油砂矿坑开采。
今后10年中, 油砂矿场开采要依据1997年12月制定的草案条约中有关气候变化条款加强环境方面的详尽研究。并根据现在已有的主要技术的先进性开发出更为有效的开采方法。现有技术包括:
(1) 卡车和掘土机已替代作为地面开采主要方法的手轮式挖掘机和拉索挖掘机。连续探测矿藏质量的智能系统是该技术的独特特征。
(2) , 它将确保最佳条件、未来我们预测会出现区域性萃取厂, 开采的矿藏运输到这里进行分离, 并会出现区域性提炼厂, 经提炼后将稀释的沥青运往合适的市场。
(3) 可移动式矿区采矿技术将是未来主要的突破性技术。这项技术就是将整个采出的矿藏运到提炼厂, 然后再把地层砂返回到采矿区。这项技术生产操作范围小, 降低项目费并能满足大提炼厂的需求。表1简述了技术革新项目总结及它们对地面采矿的作
被急切地应用用于重油和油砂油藏。目前研究确认了加拿大石油业利用水平的经验, 提高了对该技术的认识, 其总结如下
:
图2 重油和油砂油藏水平井生产。1996年大约
20%的水平井在非常规油藏钻勘
(1) 水平井钻井和完井技术目前是很常规的技
术, 但仍需对浅层油砂沉积钻水平井的设备进行更进一步的开发研究。
(2) 地层评价因成本问题(测井、取心和地震) 受到局限, 而价值不高的结果又不可能对初步的地层评价进行较完善的验证, 因此, 重油和沥青商业生产方面的油藏描述就可能在短期有一定的变化。
(3) 用于测量井温(温度高于250℃除外) 和压力的光导纤维技术实施效果良好。
(4) 多侧井技术包括从单一的垂向井钻水平井段, 或是从主水平井钻多个水平井。该技术具有极大的前景, 但处于早期开发阶段, 也必将在重油油藏得到广泛的应用。但要对其主要的局限性进行评价, 控制多支, 以确保有效开发。
(5) 质量较差的固结砂层, 水平井的应用就不如垂向井效果好。
(6) 在底水油藏, 若油质相对较轻, 水平井就比垂向井更能减小水锥进的趋势。在超重油油藏, 水锥进使水平井不比垂向井更有效。
(7) 由于水平井生产无法控制井段流体的流入量, 且修井作业较复杂及成本高, 因此, 该技术也就变得复杂化了。如果不是误解, 缺乏了解和掌握油藏
作用
改善了开采操作条件改善了采矿和萃取操作
可建造区域性萃取厂和提炼厂
减小了萃取和提炼的操作, 并有较大的益处为石油化工业和金属业提供原料
用。
2, Athabasca 、冷湖和Peace River 油田的地下开
采技术
Athabasca 、冷湖和Peace River 油田超重油和沥
青的地下储量估算为2690×108m 3, 其中460×108m 3(732×108m 3为地面开采) 应用地下开采技术。皇家石油公司(IOL ) 在冷湖油田应用的循环蒸汽强化(CSS ) 是目前主要的商业性开采方法。CSS 技术是开发程度很好的方法。主要局限是只能开采不到20%的原始石油储量。IOL 正在着手研究新的CSS
处理后的开发技术。
地下开采技术最成功的是水平井开发技术, 依据重力驱油机理, 水平井能提供较多的油藏流体入口, 并能开发新的开采方法。油藏特征描述的改进(如3-D 地震) 使井有精确的布置和定位, 从而更进一
步提高了水平井技术。水平井技术对地下资源的开发
新技术
卡车和挖掘机智能探测系统砂浆管线
可移动式矿区萃取设备副产品萃取
优点
表1 地面采矿革新技术
具有灵活性且成本低
降低矿区报废的速度, 能较好地进行开采控制同时进行低温萃取和运输
地层砂不再在矿区和萃取厂间长距离运输降低成本, 扩大产品应用范围
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流动型式的资料, 有可能就是造成操作复杂性的原因之一, 并且使预测性模拟很困难。
要较好地操作水平井并改进其运行工况就要开发能探测、测量和控制的“智能”工具, 并且成本一定要低, 且能直接探测流体流动和型式, 从而控制井中流体进入的速度、范围和位置。
4, 地下开采方法
因此未来主要应用是将CSS 技术与重力驱开采结合起来, 这必将是21世纪用热采开采不可动油藏成功的选择。图3显示出经阿尔伯塔研究协会实验室实验得出的开采曲线图, 图中展示了垂向井应用SA G D 技术的潜力。
过去10年中, 超重油和沥青油藏地下开采的两个主要的成功技术是, 皇家石油公司在冷湖油田实施的循环蒸汽(CSS ) 项目和U TF Consortium 公司在Fort McMurray 区应用的蒸汽辅助重力
驱(SA G D ) 。, 在Peace River /循环技术(, 100m ) 。
在今后的10, 特别是在重油价格相对较高的情况下, 水平井应将是主要的发展趋势。低油价则有利于采用垂直井、CSS 和冷采技术, 它能使投资尽快收回。许多开采方法包括过去10年中开发的变化以及新的开采方法, 都需对许多油藏不同的复杂性和可变性进行研究。以下描述了可能的开采方法和需要解决的挑战性技术, 其概述见表2。
(1) CSS 与重力结合的开采技术
CSS 方法已被IOL 确认为商业化的开采方法, 主要应用于直井。它是每口井交替注蒸汽, 产沥青和蒸汽凝结液。注入的热能使沥青受热, 降低其粘度。油层经加热后, 受热的沥青流回到井中, 这是一种很有发展前景的方法。它的主要优点是, 项目实施后马上可产油, 其主要局限是, 只能采出地下原始储量的20%以下; 而重力驱油的主要优点是, 可采出地下原油量的50%以上, 其主要不足是恢复速度相对较慢,
技 术循环蒸汽驱重力排泄
主要优点
采油速度快采收率高
局限性
开采程度低初始产量较低
图3 CSS 和SAG D 综合应用油井潜在益处其采收率与时间的对比图
(2) 蒸汽辅助重力驱(SA G D )
该方法应用成对的水平井。从井的上部连续注入蒸汽, 沿井壁产生一个蒸汽室, 这时井中受热的沥青流动, 并从井的下部产出(见图4) 。已研究出的方法可有几种变化。一种是使用单一的水平井, 通过中心管注蒸汽, 从环形空间生产; 另一种变化是, 从已有的垂向井注蒸汽, 从下面的水平井生产。其主要作用是改善了蒸汽-原油比, 提高了最终采收率(约60%) , 涉及到明显的技术问题是初始原油产量较低, 人工举升沥青至地面, 水平井技术。经推断该方法用于低渗、低压和底水油藏。初始产油量低可通过使用溶剂的方法解决, 从而有助于加速初期阶段的开采。这种方法已在油田得到证实, SA G D 方法和可变化的
建议解决的方法
CSS 和重力排泄综合应用
表2 地下开采创新技术
应用范围不可动油藏
SA G D
改善了原油与蒸汽比
采收率高
初始产量较低人工举升水平井应用
推广到低温低压和底水油藏中砂处理
油田开发战略
为堵水使“蚯蚓”洞堵塞
开采程度低排砂油田开发战略初始产量低
应用溶剂提高
开采新的蒸汽气体举升开发智能探测设备
通过现场应用和工业生产掌握应用情况
研制一种使超重油可动的低热处理方法
研究冷采后的技术
应用范围广
冷采
改善油藏利用程度原油产量高采油成本低
能源成本低得多
具有地下开采可改进的潜能具有良好的地下开采潜力降低CO 2的排放成本上可行
薄产层不可动油藏
VAPEX
利用加热器-蒸汽热交换器、薄产层不可动油藏或底电或微波水油藏, 或无效矿物
薄产层深部油藏
由上而下的
火烧驱现场中的相关问题如:点火、
与SA G D 联合应用
维持燃烧和低温氧化作用
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开采方法必须将是21世纪主要的商业性开采方法
。室由于重力驱, 使原油流动(见图6) 。该方法可用于成对水平井, 单一的水平井或直井与水平井相结合,
主要优点是, 比SAG D 方法明显降低能源成本, 具有改善井下开采技术的潜力, 应用于产层薄或底水油藏, 或是反应矿物质油藏。在超重油油藏拟在注入井或生产井, 或两类井使用加热装置(蒸汽热交换器、电或微波) , 这必将加速气体/溶剂混合液和原油的混合程度, 提高流度比。该方法还可用作热处理后方法, 比如, SAG D
图4
驱(SAG D)
(3) “
它是加拿大西部目前重油生产的商业性开采方法。应用于具有一定流动度的重油油藏。该方法是在相邻胶结程度较低的砂层形成多个
) 。砂子很容易由溶解高渗透性的孔道(称“蚯蚓洞”
气驱产生的“泡沫原油”的流动而传输(见图5) 。其主要优点是:改善了油藏流体的流动能力, 提高了一定数量级的原油量(与一次采油相比) , 降低了生产成本。明显的技术问题是砂处理问题, 油田开发对策, 堵水造成的“蚯蚓洞”堵塞, 最终采收率低和排砂问题。早期认为冷采仅应用于垂直井, 然而, 水平井应用更显示其优越性。它产生的低热处理方法, 足以使超重油可动, 这将是发展这项技术的关键所在, 该技术有可能会在薄产层不可动油藏得到应用。
图6 单井气、溶剂(VAPEX ) 驱方法示意图。双井概念与用汽化溶剂替代注蒸汽的SAG D 方法类似
(5) 至上而下的火烧油层驱油
该驱油法的概念是从油藏顶部注空气或富集空气起始并维持燃烧, 这时可流动的原油由重力作用驱到底部的水平生产井, 大规模的实验室已对高温燃烧前缘稳定扩展的对策进行了研究, 并应用数值模拟进行了评价。实验室数据显示对局部改善产油能力具有较好的潜力。该方法还未进行现场试验, 主要挑战性技术仍然是现场操作方法的问题, 其潜在的问题涉及到点火、维持燃烧、低温氧化和需要解决的窜层问题。如果地面蒸汽发动机释放的CO 2产生了明显的环境污染现象, 那么火烧驱油的主要优点还有待于研究(基于蒸汽处理的基础上) 。其另一优点是, 适用于深层油藏或底水油藏。因为这类油藏利用蒸汽可造成压力和热损失, 从而不具经济开采价值, 为保持其优点, 降低如低温氧化的风险程度, 可将火烧驱油与SA G D 综合应用。综合应用的方法是, SA G D 室初始形成后, 在最佳时间进行成对的水平井火烧驱油。
(6) 地下局部改善技术
诸如VAPEX 和从上至下的火烧驱油方法开采的原油都比地下原始原油的粘度略有降低。表3是阿尔伯塔研究会Lim 等人实验后得到的某些典型粘度降低情况简述。局部改善原油品质是由于沥青烯遗留在油藏中, 意义不大, 也不会对产出原油有什么贡献价值。然而上述的两种方法都不可能遗留沥青烯, 而且使产油量达到最大。
图5 砂和原油同采的冷采方法示意图。主要机理是泡沫原油流动, 砂层受到破坏, 然后砂从条虫状洞顶部传输到井中
(4) “热门”的蒸汽抽提法(VAPEX )
V APEX 方法是注入汽化的溶剂, 如乙烷、丙烷、
丁烷或溶剂/气体的混合液, 以产生蒸汽室, 通过蒸汽
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表3 实验室研究溶剂和火烧油层驱油方法中观察到的地下局
部改善的粘度降低程度
方法
溶剂(CO 2)
溶剂(以丙烷为基础) 溶剂(以乙烷为基础) 火烧油层
原油阿伯费尔迪萨菲尔德本特湖冷湖
Athabasca
5
3、初期开采后的技术:冷采的最终采收率一般仅
粘度降低
油藏脱气
[***********]0500--1020次-510次520次
为10%, 因此极大激励人们利用“蚯蚓洞”提供的油藏入口进行冷采后的开发。而气体对油藏加压以及调整进入油藏的气体/溶剂混合体可能是提高最终采收率的方法。应用的主要问题是开发出能控制注入流体移动简单适宜的方法和能确定多孔道油藏流动型式的探测方法。
4、热重力法:。多侧井技术的改进)
。
5:, 降低每米进入油藏, , 方便路口和清洗成本。未来潜在的挑战是, 油井操作和控制所选择的多侧支井的成本有效压力和流体分离以及指定侧井的修井作业。一旦研究了在选择的支井注入和生产, 用溶剂和蒸汽强化有效地结合, 初期生产就能达到前所未有波及效率。最大的愿望就是把这项技术应用到较丰富的沥青质油藏中。
实验室实验显示火烧油层驱油时使用催化剂有良好的前景, 它能明显的改善原油粘度(原始重度API
) , 但部分改善地下重油和为15°, 改善后达到API 23°方法, 那么就应通过“S ”曲线加速该方法的研究实施。
三、重油储藏量和开采技术
常规重油储藏在Saskatchewan 中部和阿尔伯塔Lloydminster 附近。加拿大重油量尽管很大, 但与油
四、结论
在过去的10年中, 已证实了新技术在加拿大油砂和重油业的成功应用。地面开采也产生了一些新的技
术, 如卡车和挖掘机采矿、冷水提炼、砂浆管输、机械分离和副产品的潜在开发。另外商业性开采法的循环蒸汽强化和冷采。几个SA G D 项目正在先导试验中, VAPEX 和它的变化已即将进行先导试验。正在启用的技术也明显地显示其先进性, 如:水平井钻井, 多侧井技术, 仪表化、自动化、遥测技术,3-D 地震, 砂和流体的泵抽系统, 油藏模拟和预测技术。
这些重要成就是这些年来研究、开发和现场试验大量投资的结果, 使得重油和沥青业开采即将达到主要的发展时期。这些技术还都处于商业化的早期阶段, 许多技术性问题仍然存在, 特别是引发的油价和油质差别(重油和常规油) 反复无常的变化以及降低环境风险和不利条件的发展需要。
本文试图以图表的形式说明加拿大不断发展中的重油和油砂业。在工业企业下滑期间, R &D的持续投资和新技术的先导试验将是成功的关键, 这必将在21世纪的前15年内使重油、油砂和合成原油生产成倍增长。
资料来源于《第七届国际重油会议论文集》
(收稿日期 199911
20)
砂量相比相对较少。国际能源局(N EB ) 1992估算, 累
计潜在储量为1125×108m 3。确定的储量是565×108m 3, 已产出41×108m 3。Singh 等估算, 累计潜能与生产之比为215年。
常规重油初期开采最成功的是在薄产层, 未固结的油藏, 特别是Saskatchewan 。水平井(改善油藏接触面) 、3D 地震(控制油井的部署) 和螺杆泵(允许在垂直井中抽提大体积量的含砂流体) 综合应用使重油生产得到较大的发展。
在今后的10年中, 将会对具有雄厚物质基础和渗流减缓的重油油藏, 开采新技术(上述描述) , 进行地面测试研究, 以最终应用到沥青油藏开发之中, 地震技术的改进使得用时间(4D 地震) 监测流体流动和辩别油水和气层成为可能。21世纪主要可能的商业性开采方法包括:
1、冷采:主要的商业性技术仍是冷采。该技术经
现场应用, 几年的研究搞清了冷采的机理, 这将对方案设计, 制定相应油藏的目标和实施修井作业有一定的改善, 从而提高油田寿命和最终采收率。
2、VAPEX :理论上适合流动性较大的重油油藏。实际应用时很大程度上取决于气体或溶剂的相对价格高低。由于许多油藏较薄, 所以在循环方式上趋于使用单水平井操作。该技术的关键点在于改善了重油流动期间气体/溶剂的混合速度。
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