稠油油藏的蒸汽驅開採方法
2024-02-21 22:16:15
專利名稱：稠油油藏的蒸汽驅開採方法
技術領域：
本發明屬於石油開採領域，涉及稠油油藏的蒸汽驅開採方法，特別涉及中深層稠油注空氣輔助蒸汽驅開採方法。
背景技術：
稠油是21世紀重要的石油資源，世界稠油、超稠油和天然浙青的儲量約為 1000X IO8噸，佔世界石油剩餘可採儲量的53%，主要分布在加拿大、委內瑞拉、美國、中國等國家和地區。我國石油剩餘可採儲量中稠油佔40%，其中的中深層稠油佔70%。稠油開採的方式主要是採取措施提高原油流動性、提高油水流度比增加原油驅替效率。目前，稠油開採主要以熱力採油為主，主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驅和火燒油層。火燒油層是將空氣注到油層內發生高溫氧化反應產生熱量以降低原油粘度，由於實施工藝複雜，需要在地下點火併維持高的注氣量，地下燃燒不易控制，現場成功率不高。蒸汽吞吐開發是周期性地向油井中注入一定量的溼飽和蒸汽，燜井一段時間後， 將油層一定範圍內的原油加熱降粘後回採的生產過程。蒸汽吞吐是消耗地層能量的一種開發方式，採收率低，一般為5% 36. 5%。蒸汽驅是蒸汽吞吐的一種有效接替技術，蒸汽驅是按照一定的注採井網，從注汽井連續注入溼飽和蒸汽將原油驅替到生產井中的熱力採油方式。蒸汽驅與蒸汽吞吐相比可提高採收率20%以上，但在開發中後期易存在汽竄和熱利用率低問題，影響開發效果。淺層稠油油藏依靠蒸汽驅開發採收率可達到 60%，而中深層稠油蒸汽驅做為世界級難題亟待突破，在工藝技術方面，中深層稠油蒸汽驅開發關鍵需要突破兩大難題—是埋藏深，蒸汽沿程熱損失大的問題。對於中深層油藏(500-1400m)，在以往的工藝術條件下，井底幹度難以滿足要求。井筒熱損失理論計算與實測表明在光油管注汽條件下，800m深度以下變為熱水；在蒸汽吞吐隔熱技術條件下，800m深度以下蒸汽幹度降為30 35%，傳統井筒隔熱技術不能滿足中深層蒸汽驅對蒸汽幹度的需要。二是中深層條件下注汽壓力高，蒸汽熱能利用率低的問題。理論計算表明，中深層油藏蒸汽用量是淺層的4倍，油藏可利用蒸汽熱量僅為淺層的50%。CN101004132提供了一種開採稠油油藏的方法。其技術要點是在蒸汽吞吐的過程中注入空氣提高採收率和工程效益。該方法包括以下工藝步驟鑽井之後稠油層進行套管防砂完井，以抑制後期開採的出砂；完井過程中建成人工井底，以承受注蒸汽和高壓空氣時的高壓；完井注入熱蒸汽以上)，增加油層溫度，降低稠油粘度；待油層溫度升高後， 可將空氣注入同一油層，然後關井，使原油和氧氣產生氧化反應；待井口壓力穩定後開井生產。此工藝的機理和優點是，空氣中氧氣與原油發生低溫氧化反應放出熱量並產生二氧化碳和氮氣的混合氣，增加驅油能量；氧化反應可裂解稠油改變原油組分，增加原油流動性和油品質量；空氣中的氧氣可大部分被氧化反應消耗掉，不產生油井氧氣引爆引起的安全隱患；空氣資源豐富，可降低經濟成本。
CN101539012提供了一種地層催化氧化稠油熱採方法。該方法是在稠油蒸汽吞吐或蒸汽驅過程中，注入一種具有催化氧化和裂化雙功能的催化劑，並輔以一定量的空氣注入，在燜井或蒸汽驅動期間在地層內發生催化氧化和裂化反應，使原油輕質化降粘，同時生成能改善原油流動性的表面活性劑，從而達到提高稠油開採效果的目的。該方法集稠油蒸汽吞吐或蒸汽驅油、煙道氣驅油、表面活性劑驅油和稀油稀釋法採油多種方式於一體，是一種複合高效採油技術，稠油在催化氧化作用下在油層內就地產生煙道氣，就地裂解輕質化， 降低粘度，就地產生表面活性劑，降低油水界面張力。但是，CN101004132和CN101539012雖然也提及了所公開的方法適於蒸汽驅的過程，但是其僅描述了蒸汽吞吐開採工藝，而沒有解決蒸汽驅開發中後期，特別是在同時注入空氣的情況下注採井間汽竄的問題。另外，CN101004132和CN101539012描述的方法因是蒸汽吞吐工藝，是在燜井一段時間，使注入的空氣中的氧氣與原油產生充分氧化反應，待井口壓力穩定後，開井生產的， 所以對氧氣的注入量沒有要求(見CN101004132說明書第2頁第4段)，不會存在油氣和氧氣混合氣體引爆的安全隱患的問題。因此，該文獻沒有說明在汽驅採油過程中如何控制注入的空氣來避免產生油氣和氧氣混合氣體引爆的安全隱患的問題。在已有的技術中，還存在著油層內部蒸汽熱損失大、熱利用率低的問題。為保障蒸汽驅開發效果，在現場實施過程中必須加大蒸汽注入強度，增加蒸汽注入量，這樣一方面會造成能源的極大浪費；另一方面注汽強度過大會使汽驅開發中後期注採井間汽竄現象嚴重，導致蒸汽波及體積低，汽驅採油速度急劇下降。
發明內容
鑑於以上原因，本發明提出一種經濟可行的、能有效地提高稠油熱力開採的方法， 該方法的主要特徵是在蒸汽驅工藝過程中，注入空氣通過低溫氧化反應作用來輔助蒸汽驅油。本發明通過以下稠油開採方法實現，該方法包括以下步驟(1)注汽井和生產井均採用預應力套管完井方式；(2)在注汽井內下入隔熱注汽管柱；(3)在注汽井中連續注入蒸汽，以保證到達井底的蒸汽幹度在50%以上；(4)在注汽井中連續注入空氣，空氣與蒸汽採取同時注入方式，且注入的空氣與蒸汽質量比為1 8-15。令人意外的是，通過本發明的上述方法，不僅提高了中深層稠油蒸汽驅熱利用效率和採收率，還減緩了注採井間的汽竄。同時，通過控制注入的空氣與蒸汽的質量比在 1 8-15的範圍內，避免了生產過程中產生油氣和氧氣混合氣體引爆的安全隱患問題。因此，本發明的方法有以下技術優勢(1)空氣資源豐富，投資成本低；(2)低溫氧化反應可裂解稠油改變原油組分，增加原油流動性和油品質量；(3)產物中含有二氧化碳，能降低原油粘度、改善驅油滲流條件；(4)空氣中的氮氣受重力差異作用，可上浮至油層頂部，由於氮氣是良好的隔熱介質，能有效降低油層內部蒸汽熱損失，提高蒸汽熱利用效率；
(5)氮氣與蒸汽存在粘度差，在油層內能減弱蒸汽指進，提高蒸汽波及體積，減緩
汽竄；(6)空氣中的氧氣被氧化反應消耗掉，不產生油井氧氣引爆引起的安全隱患。
圖1示出了注空氣輔助蒸汽驅開採技術工藝原理圖，其中的數字標號表示如下1、稠油層2、注汽井3、長效隔熱注汽管柱4、生產井5、高壓注氣管線6、 空氣壓縮機7、高壓注蒸汽管線8、溼蒸汽發生器9、單流閥
具體實施例方式本發明稠油油藏的蒸汽驅開採方法包括以下步驟(1)注汽井和生產井均採用預應力套管完井方式，水泥返高至地面；(2)在注汽井內下入隔熱注汽管柱；(3)在注汽井中連續注入蒸汽，以保證到達井底的蒸汽幹度在50%以上；(4)採用空氣壓縮機連續向注汽井內注入空氣，空氣與蒸汽採取同時注入方式。(5)在向注汽井中連續注入空氣和蒸汽的同時，井組內生產井開採。在本發明的上述方法中，採用反九點方式部署蒸汽驅注採井網，所用隔熱注汽管柱是長效隔熱注汽管柱，由E級隔熱管、QK331-152高溫長效汽驅封隔器、Y441-152強制解封汽驅封隔器、JM-100隔熱管接箍密封器、隔熱型伸縮管組成。在本發明的方法中，在注入空氣前可以在注汽井中注入催化氧化複合催化劑。所述催化氧化複合催化劑是促進空氣中的氧氣與原油發生氧化反應和重質油組分發生裂解反應的催化劑。作為具體的例子，本發明方法中使用的是B相氧化複合催化劑。在注入空氣前按照注入空氣品質1. 5 %至2 %的量注入催化劑。在本發明的上述方法中，所述蒸汽為井口乾度> 75%的高幹度飽和蒸汽，蒸汽溫度在^KTC以上。向注汽井內注入的空氣與蒸汽質量比為1 8-15，優選1 9-12，最優選 1 10。如果注入的空氣量過少，則無法起到提高採收率、減緩注採井間的汽竄效果；如果空氣量過多，則有可能使剩餘的氧氣與油氣混合產生引爆的安全隱患。對於注入空氣與蒸汽的注入總量可根據不同地質狀況和井組原油儲量來確定。例如，在本發明中，齊40-17-0 為實施的第一口注空氣輔助蒸汽驅井組，前期實施過程中為保證現場施工安全，空氣與蒸汽注入比例為1 15，注入三個月後井組產量僅有微量提升，井組平均日產油60. 8t (僅注入蒸汽時為60. 5t)；將空氣與蒸汽比例調整為 1 12，井組產量有明顯提升，井組平均日產油65. 7t;將空氣與蒸汽比例調整為1 10，井組產量顯著提升，井組平均日產油72. 3t，最高日產油102. 8t ；但為確保現場施工安全，避免因空氣量過多可能使剩餘的氧氣與油氣混合產生引爆的安全隱患，將空氣與蒸汽質量比的高限限定為1 8。此外，為防止蒸汽回流至空氣壓縮機，可以在注汽井口採用雙閘門進行控制並安裝單流閥。在本發明的一個具體實施方式
中，本發明的稠油油藏的蒸汽驅開採方法是注空氣輔助蒸汽驅的開採方法，包括以下工藝步驟
(1)採用反九點方式部署蒸汽驅注採井網，注汽井和生產井均採用預應力套管完井方式，水泥返高至地面，以適應蒸汽驅高溫、高壓的生產特點；(2)在注汽井內下入由隔熱管、熱力封隔器、伸縮管組成的長效隔熱注汽管柱，以降低注入蒸汽熱損失；(3)在注汽井中連續注入井口乾度彡75%的、溫度在沈01以上的高幹度飽和蒸汽，以保證井底蒸汽幹度在50%以上；(4)在注入空氣前，按照注入空氣品質2%的量注入催化氧化複合催化劑，以加速氧氣與原油的氧化反應速度；(5)採用W-7/400或W-10/150型空氣壓縮機連續對小時向注汽井內注入空氣，空氣與蒸汽均採取同時注入方式，空氣與蒸汽質量比為1 10。(6)在向注汽井中連續注入空氣和蒸汽的同時，生產井開採。實驗室的實驗表明，原油和注入空氣中的氧氣在溫度超過100°C後，即可發生自發的低溫氧化反應。本發明的方法適合於蒸汽驅開發的中後期使用。通過在中深層稠油油藏中注入蒸汽、提供能量並加熱油藏，從而形成蒸汽驅。在蒸汽驅開發中後期，井下地層溫場已經充分形成，地層溫度達到200°C以上，被蒸汽加熱的稠油在油層內與注入的空氣中的氧氣即可進行自發的低溫氧化反應，該低溫氧化反應可裂解稠油改變原油組分，增加原油流動性和油品質量。此外，稠油分支鏈被氧氣氧化為極性的含氧化合物(醛、酮、醇和羧酸)，還可成為自生表面活性劑，能提高驅油效率。而意外附加的效果是，注入空氣中的氮氣受重力差異作用上浮至油層頂部，由於氮氣是良好的隔熱介質，能有效減少蒸汽在油層內部的熱損失，大大提高了蒸汽熱利用效率。同時注入的空氣還能防止蒸汽因重力作用造成的超覆，起到調剖作用。由於空氣中的氮氣與蒸汽存在粘度差，在油層內能減弱蒸汽指進，有效地減緩汽竄，提高蒸汽波及體積。此外，空氣中的氮氣受到壓縮膨脹作用能改變原油流動形態，增加原油流動性，而空氣中的氧氣由於在低溫氧化反應中被消耗，所以避免了生產過程中會產生油氣和氧氣混合氣體引爆的安全隱患問題。本發明的方法中，可以在注入蒸汽之前注入催化氧化複合催化劑，所以可以增加氧化反應的耗氧速率，使得氧氣在到達生產井之前，就被完全消耗，而不會發生油氣和氧氣混合氣體引爆的安全隱患問題。即便是不注入催化氧化複合催化劑，地層中的水和粘土礦物的存在也可增加原油氧化和裂解反應的活性。本發明的方法中優選使用B相複合氧化催化劑。本發明的方法中，在注入蒸汽的同時注入空氣，可使混注汽化壓力降低，減少熱損失、保持蒸汽溫度和幹度，強化原油中輕質組分的蒸餾，提高驅油效率；而油井中的伴生氣， 主要成分是氮氣和二氧化碳，可回注到油層中重複利用，減少了環境汙染。本發明所描述的深層稠油注空氣輔助蒸汽驅開採方法，除有上述增產機理外，由於空氣來源不受限制，與其他氣源相比，具有成本低廉、效果顯著的優點，可大大降低工程的經濟成本。為了更容易地理解本發明，下面通過具體實施例的方式說明本發明，但本發明並不盡限於該實施例。
實施例如圖1所示，在稠油層1內，注汽井2和生產井4之間按照反九點方式部署蒸汽驅注採井網，注汽井和生產井均採用預應力方式完井。在注汽井內下入長效隔熱注汽管柱3，來降低蒸汽熱損失，提高井底幹度。所用的長效隔熱注汽管柱3是由E級隔熱管、QK331-152高溫長效汽驅封隔器、Y441-152強制解封汽驅封隔器、JM-100隔熱管接箍密封器和隔熱型伸縮管組成的長效隔熱注汽管柱。其中，E級隔熱管是真空隔熱管，採用預應力真空隔熱雙層結構，長圓螺紋聯接方式，具有良好的密封和抗粘扣性能；管材化學成分中加入了耐高溫合金元素，視導熱係數達到E級(0. 006 > λ彡0. 002)，從而大大提高了隔熱管的隔熱性能。QK331-152高溫長效汽驅封隔器由中心管、多級膨脹腔、液體擴張劑、支撐隔環等四部分組成。在結構上採用多腔體軟金屬密封，支撐隔環在高溫和擠壓作用下變形，隨時補償多級膨脹腔對油套環空密封的不足，從而提高多級長效密封器的密封效果和使用壽命。W41-152強制解封蒸汽驅封隔器由密封機構、液動坐封鎖緊裝置、錨定機構、解封與補償機構組成。採用水力座封，雙向卡瓦錨定，上提解封方式。採用獨特的密封件設計， 耐溫長效並且可實現彈性密封補償。JM-100隔熱管接箍密封器由內滑套、隔熱密封接頭組成，下管柱時安裝於隔熱管接箍部位。管柱連接過程中，腔體兩端與隔熱管端部壓緊，使接箍與內隔層之間形成具有較好隔熱性能材料所填充的密閉隔熱層，起到消除隔熱管接箍處熱損失的作用。隔熱型伸縮管由保溫型內管、隔熱型外管、密封、補償機構、除垢裝置等五部分組成。在注汽過程中，受溫度影響，伸縮管外管沿內管產生相對滑動，除垢裝置在滑動過程中清除內管外壁的垢質和其它雜質，減少對密封件的損耗。同時引入高壓蒸汽作為原動力，通過作用補償體對密封件產生壓緊力，保證伸縮管的活動密封效果。地面注蒸汽系統由溼蒸汽發生器8和注汽管線7組成。注空氣系統由空氣壓縮機 6和高壓注氣管線5組成。蒸汽和空氣通過注汽井口同時注入油層。為確保生產安全，防止油井中殘餘氧含量超過引爆極限值，應對油井產出氣中的氧氣成分進行監測。在注汽井中連續注入井口乾度彡75%，溫度^(TC以上的高幹度飽和蒸汽，以保證井底蒸汽幹度在50%以上。在注入空氣前，按照注入空氣品質2. 0 %的催化劑量，注入AB相催化氧化複合催化劑(遼河油田華油實業公司生產，配製成重量濃度30%的水溶液)，以加速氧氣與原油的氧化反應速度。採用W-7/400或W-10/150型空氣壓縮機M小時連續向注汽井內注入空氣，空氣與蒸汽採取同時注入方式，空氣與蒸汽質量比為1 10。生產井在注入蒸汽和空氣的同時進行生產。本發明是在中深層稠油蒸汽驅工藝過程中，通過注入空氣發生低溫氧化反應作用來輔助蒸汽驅油，能有效減緩汽竄問題，與實施本發明方法前的蒸汽驅方法(僅注入蒸汽) 對比可提高採收率10%以上。本發明的方法在齊40塊蒸汽驅的三個井組實施12個月，涉及3 口注汽井，24 口生產井，累計注入空氣192萬方，增油5434. 2t，平均單井組日增油IOt以上，最高日增油 44. 2t，取得了明顯的效果。
下表1列出了採取本發明方法前後效果統計表1
深度本發明前的本發明前的本發明方法本發明方法平均日產油方法開井數方法日均產的開井數的曰均產油增幅⑴)油(噸)⑴)(噸)(%)齊 40-17-028807. 8760. 5970. 817. 2%齊 40-10-021857. 1839. 7954. 737. 8%齊 40-25-k35739. 9714. 0820. 747. 9%上表中，在使用本發明的方法前，由於僅注入高溫蒸氣，注採井間有高溫汽竄問題，所以無法將9 口井全部開井生產，不得不關閉1-2 口井。使用本發明的方法後，解決了採井間有高溫汽竄問題，提高了採油率。關於本發明中催化劑的選擇1.催化劑的性能在試驗裝置中加入50g原油、50ml水和不同組分的催化劑，待裝置內溫度升溫到 200°C，空氣充壓0. 後恆溫反應12個小時，考察油品組成變化、粘度變化、酸值變化以及C02生成量變化情況，實驗結果見表2。表2.催化劑性能評價表
標催化劑 ^^^^Δ P，MPaμ』 Pa · sX』 mgKOH/gnc。2』 10—5molCB-0. 06310. 824. 69. 83DB-0. 03320. 125. 28. 38AE0. 02365. 316. 34. 09AF0. 02356. 717. 54. 65AB-0. 07271. 527. 810. 28
實驗條件W。
= 50g, V * = 50ml,反應溫度T=20(TC，初始壓力P。= 0. 6ΜΡει，轉速N=600轉/min,反應時間t = 12h,其中11。。2為50°C下尾氣中CO2的物質的量。表2中，從原油粘度及C02生成量來看，CB、DB、AB的降粘程度較大，說明由於B相催化劑的催化氧化作用，一方面使得生成的(X)2和氣態輕烴起到溶脹作用而降低稠油粘度； 另一方面稠油中膠質浙青質組分得到催化裂解，降低了分子量，從而降低了原油粘度。由酸值變化來看，B相催化劑對稠油酸值增加貢獻較大，表明B相催化劑對催化氧化起主要作用，生成了大量的表面活性劑(醛、酮、醇和羧酸等)，這對降低稠油粘度也起到一定作用。由粘度、酸值以及生成的C02量來看，CB、DB, AB的催化氧化效果都優於AE、AF。表2中，加入CB，DB及AB後，ΔP均為負數，為分析反應體系前後壓差變化原因， 實驗對反應後的尾氣進行組分分析。反應體系初始充壓在0. 6MPa的空氣中，由於空氣中C02含量較低，可以忽略不計。 常溫低壓下N2幾乎不溶於稠油且為便於計算，實驗認為催化氧化反應後氧化油中不溶解 N2。通過反應體系前後的壓力變化、酸值變化以及生成的C02的來分析尾氣的組成。表3催化劑-尾氣關係表
權利要求
1.一種稠油油藏的蒸汽驅開採方法，該方法包括以下步驟(1)部署蒸汽驅注採井網，注汽井和生產井均採用預應力套管完井方式；(2)在注汽井內下入隔熱注汽管柱；(3)在注汽井中連續注入蒸汽，使到達井底的蒸汽幹度在50%以上；(4)在注汽井中連續注入空氣，空氣與蒸汽採取同時注入的方式，且注入的空氣與蒸汽的質量比在1 8至15之間。
2.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，所述隔熱注汽管柱由E級隔熱管、QK331-152高溫長效汽驅封隔器、Y441-152強制解封汽驅封隔器、JM-100隔熱管接箍密封器和隔熱型伸縮管組成。
3.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，所述蒸汽為井口乾度彡75%的高幹度飽和蒸汽，蒸汽溫度在260°C以上。
4.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，在注入空氣前在注汽井中注入催化氧化複合催化劑。
5.如權利要求4所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，所述催化氧化複合催化劑是促進空氣中的氧氣與原油發生氧化反應和重質油組分發生裂解反應的B相催化劑。
6.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，向注汽井內注入的空氣與蒸汽的質量比為1 9-12。
7.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，採用反九點方式部署蒸汽驅注採井網。
8.如權利要求4所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，在注入空氣前按照注入空氣品質的1. 5%至2. 0%的量注入以B相為主的催化氧化複合催化劑。
9.如權利要求1所述的稠油油藏的蒸汽驅開採方法，其中，在注汽井口採用雙閘門進行控制並安裝單流閥，以防止蒸汽回流至空氣壓縮機。
全文摘要
本發明屬於石油開採領域，涉及稠油油藏的蒸汽驅開採方法，特別涉及中深層稠油注空氣輔助蒸汽驅開採方法。該方法包括以下步驟在中深層稠油蒸汽驅生產過程中，在注汽井中，按照一定的質量比同時連續地注入蒸汽和空氣，使原油和氧氣產生低溫氧化反應。通過本發明的方法，可以提高中深層稠油蒸汽驅熱利用效率和採收率，減緩注採井間汽竄問題，提高蒸汽驅開發效果。
文檔編號E21B43/24GK102242626SQ201110202510
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者康黨輝, 曲金明, 楊公鵬, 王少武, 蔣生健, 郎成山 申請人:中國石油天然氣股份有限公司