蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用研究本科毕业论文.doc

编号：中国石油大学（北京）现代远程教育 毕 业 设 计（论 文）蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用研究学生姓名黄天快学生学号900926指导教师王霞职 称讲师 年 级0709学生层次专升本学生专业石油工程入学时间2007-08-01学习中心陕西靖边填写日期2008-3-20中国石油大学（北京）现代远程教育学院制目 录中文摘要2第一章 绪论31.1引言31.2 论文的研究现状41.3论文的主要研究内容5第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述62.1 SAGD的机理62.2 SAGD的特点72.3影响效果的地质参数7第三章 SAGD在超稠油开发中的应用93.2超稠油蒸汽吞吐生产存在的问题93.3蒸汽辅助重力泄油试验方案设计要点103.4 SAGD现场试验及效果评价10第四章 结论与建议12后 记13参考文献14中文摘要随着石油勘探和开发程度的深入，以及世界对石油需求量的迅速增长，稠油油藏的开发在石油开采中的地位变得愈加重要。目前对于储量极大的超稠油油藏，常规热采技术难以取得好的开发效果。因此，研究适用于稠油油藏特别是超稠油油藏开采的蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）的研究具有重要意义。本文首先分析了论文的研究目的及SAGD的研究现状，其次介绍了SAGD的基本理论知识，最后以具体实例来研究了SAGD在在超稠油开发中的应用，具有重要的理论和工程意义。关键词：SAGD；超稠油开发；应用第一章 绪论稠油在世界油气资源中占有较大的比例，是石油烃类能源中的重要组成部分。据统计，世界稠油、超稠油和天然沥青的储量约为1000×108t。中国重油沥青资源分布广泛，已在12个盆地发现了70多个重质油田，资源量可达300×108t以上。在世界石油资源大量被采出后，这些难以开采的稠油和超稠油资源将是今后的开采方向。开采稠油和超稠油资源的最好方式是热力采油，但随着生产规模不断扩大，稠油蒸汽吞吐开发的矛盾逐渐暴露出来。为了进一步提高油田采收率，保持油田稳产，转换开采方式已迫在眉睫。蒸汽辅助重力泄油（SAGD）采油技术已经被证实为有效的稠油热采技术，并被广泛应用于生产实践。因此，本文专门研究了蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用。1.1引言近年来，随着石油工业技术的发展，运用蒸汽吞吐，蒸汽驱等常规热采方法开采稠油的技术日趋成熟，常规热采方法的一个共同特点就是靠注采井之间的压差或者是油层与井底之间的压差将原油驱动到生产井中，然后再举升到地面。除蒸汽吞吐采油方式在超稠油油藏中得到成功应用外，蒸汽驱和火烧油层均没有在超稠油油藏中应用成功的实例。要进一步提高超稠油油藏吞吐后的采收率，就必须依靠新的技术手段。水平井的广泛应用为超稠油的开采提供了另一条思路。随着水平井钻井技术的不断提高，前苏联、美国、加拿大等国家都采用过水平井蒸汽驱开采稠油的新技术，结果表明，水平井进行蒸汽驱所获得的原油采收率比用直井进行蒸汽驱获得的原油采收率高得多。另外，对于流体流度很小的稠油油藏，若用直井开采，往往要对油藏进行压裂，以便有足够多的热量注入到油藏中，而油藏的压裂通常使采油过程难以预测，并且难以控制工程的整个过程，导致最终采收率可能很低；而水平井蒸汽驱就可以不用压裂而开采这类油藏，通过水平井注入蒸汽，提高了注入蒸汽同稠油之间的接触面积，从而提高了从井筒到低温油藏的热传导效应。正是水平井的广泛应用促进了重力泄油技术的发展。70年代末期和80年代初期发展起来的以重力泄油为基础的开采方式在理论上和现场实践上对超稠油甚至沥青资源的开发起到了革命性的突破。以重力泄油发展起来的技术包括：蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术，溶剂辅助重力泄油技术（VAPEX），在蒸汽中加非凝结气体的重力泄油技术（SAGP）等，重力泄油的理论与传统的火烧油层技术结合，又开发出了利用水平井进行火烧油层的技术（COSH）以及垂直井或者水平注入井与水平生产井结合的所谓脚尖到脚根的火烧油层技术（THAI）。在这些技术中，得到商业化应用的技术只有SAGD，其他技术还处于试验阶段，具有很大的风险性。1.2 论文的研究现状SAGD技术由国外学者首先提出，在经过详细深入的研究后，现已进入全面的矿场实践阶段，相应的改善SAGD技术方法也得到进一步的研究。（1）国外SAGD技术研究进展Butler和Stephens（1981）首先提出了SAGD的概念，并应用半解析计算方法与室内实验方法，证实了连续注入蒸汽和连续采油可以获得最大的采收率。Griffin和Trofimenkoff（1986）将Butler提出的SAGD理论拓展到直井与水平井组合开采上，试验得出的结论与理论结果非常吻合。低压模型证明SAGD理论能准确地预测产量和分析粘度对产量的影响，但比例模型结果表明，SAGD生产时间、蒸汽超覆及盖层的热损失，与理论预测结果有较大差别。Joshi（1986）研究了直井注汽与水平井注汽的SAGD理论，发现在油藏存在泥页岩隔层的情况下，直井注汽比水平井注汽能获得更高的采收率。Yang和Butler（1989）研究了2种均质油藏的SAGD效果，一种是含有薄泥页岩隔层，另一种是油藏各层渗透率不同。他们发现短的水平隔层不会对SAGD效果产生很大的影响，而长的水平隔层则会降低产量。渗透率上高下低的油藏比渗透率上低下高的油藏采油速度高。Sasaki（2001）等指出，启动阶段的产量与注蒸汽井的位置有很大关系，增大垂直井距可以提高产量，但也增加了注汽井与生产井热连通的时间。Butler和Stephens（1981）、Butler（1987）、Sugianto和Butler（1990）以油藏厚度为变化参数研究了类似的情况，焦点是蒸汽腔到达油藏顶部后如何伸展。Chow和Butler（1996）研究了用STARS对SAGD过程尤其是蒸汽腔的增长和上升阶段历史拟合的可行性。SAGD不同时间段的数值模拟结果与试验模型的累计产油量、采收率、温度剖面非常吻合。Sasaki（2002）等指出，蒸汽腔的垂直增长速度比用常规SAGD。数值模拟软件预测的小，启动热连通的时间也较长。Das（2005）讨论了提高SAGD开采效果的很多措施，包括井筒设计、低压生产、蒸汽添加剂等。Ito和Ipek（2005）对制约SAGD成功与否的最重要的因素汽窜进行了详细深入的研究，他们基于UTFPhaseA和B、Hangingstone、Surmount4个SAGD项目现场实测的资料，拓展了Butler的汽窜基本理论，首次解释汽窜现象，认为蒸汽腔顶部的汽窜对蒸汽腔的增长有很重要的作用，高压运行是引起汽窜的重要原因。Bagci（2005）应用试验和数值模拟方法研究了裂缝性油藏中SAGD方法。分析认为垂直裂缝对SAGD有利，尤其在初期启动阶段，裂缝充填油藏比均质油藏能获得更高的汽油比，垂直裂缝可以增加产油速度，降低原油粘度并利于热量的传递，还可以有效地减小井间热连通时间，加快蒸汽腔扩张速度。Sola（2006）等研究了将SAGD技术应用于伊朗低渗透碳酸盐岩稠油油藏的实例，认为SAGD是这类油藏最好的热采方法。（2）国内SAGD技术研究进展国内自1997年在辽河油田杜84块率先开展SAGD先导试验以来，许多学者对SAGD的理论和应用进行了详细的研究。曾烨、周光辉（1994）通过物模及数模的双重研究，结合我国油藏地质特点验证了SAGD技术在我国应用的可行性。杨洪、姚远勤（1996）等通过水平井与直井组合布井热采数值模拟研究，提出了水平井与直井组合布井的原则。刘尚奇、马德胜（1999）等以辽河油田曙一区杜84块为先导试验区，经研究认为，水平井与各种热采技术及重力泄油相结合，将是开发超稠油油藏的技术策略。石在虹、杨乃群、刘德铸（1999）等人首次将井眼轨迹计算技术引入多相流动的计算中，应用多相流体力学和传热学原理，建立了井筒内的能量平衡方程及热传导方程，通过对汽液两相流体在倾斜井筒中总传热系数方程式、热传导方程式及能量方程式的求解，得出了井筒内任意点处压力、干度及其它物性参数的计算方法。由世江、周大胜（2000）等进行了水平裂缝辅助重力泄油室内物模和数模实验研究，并对杜84-69-69井组开展水平裂缝辅助蒸汽驱现场先导试验。结果认为，水平裂缝辅助蒸汽驱对开采超稠油是合适的，具有蒸汽腔发育充分、蒸汽波及系数大、最终采收率高等显著优点。石在虹、吴宁、张琪（2000）等将其研究的井筒工况计算方法编制成软件，并以辽河油田第一口SAGD试验井为实例验证其理论的正确性。吴向红、叶继根、马远乐（2002）和赵田、高亚丽（2005）等研究了油藏与水平井段耦合的蒸汽辅助重力驱整体模拟的数学模型及其求解方法，该方法能预测水平井蒸汽辅助重力驱过程中蒸汽腔室的大小及形状的动态变化。杨乃群、常斌、程林松（2003）结合辽河油区超常规稠油油田的生产实际，研究了蒸汽辅助重力泄油及其改进方式（蒸汽和气体联合泄油、单井蒸汽辅助重力泄油以及强化蒸汽辅助重力泄油）的开采机理，以辽河油区某区块的开发方案为例，对蒸汽辅助重力泄油的开发效果进行了经济评价。刘学利、杜志敏、韩忠艳（2004）等建立了单井蒸汽辅助重力驱启动过程动态预测模型。郭建国、乔晶（2005）在油藏地质研究的基础上，对杜84块馆陶油层开发方案进行优选及经济评价研究，分析了开采方式、布井方式、注采井距、水平段长度等因素对超稠油油藏水平井开发试验效果的影响规律。孟巍、贾东（2006）等以杜84块兴隆台油层超稠油油藏特点和开发现状为基础，应用STARTS数值模拟软件，模拟了直井与水平井组合的SAGD方案，并对布井方式、水平段长度、水平段在油层中的位置、注采参数等进行了优化设计。1.3论文的主要研究内容论文的主要研究内容包括以下几个方面：（1）蒸汽辅助重力泄油技术的概念及基本原理分析；（2）蒸汽辅助重力泄油技术的应用现状和研究现状研究；（3）蒸汽辅助重力泄油技术超稠油开发中的应用实例分析；第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述2.1 SAGD的机理蒸汽辅助重力泄油技术是开发超稠油的一项前沿技术，其理论首先是由Roger Butler博士于1978年提出的，最初的概念是基于注水采盐的原理，即注入的淡水将盐层中的固体盐溶解，浓度大的盐溶液由于其密度大而向下流动，而密度相对较小的水溶液浮在上面，这样可以通过在盐层的上面持续注水，从盐层的下部连续的将高浓度盐溶液采出。高浓度盐溶液向下流动的动力就是水与含盐溶液的密度差，将这一原理用于注蒸汽热采过程中就产生了重力泄油的概念。Roger Butler提出的蒸汽辅助重力驱油方法是利用水平井、浮力及蒸汽来有效地开采重油。其工艺过程是：水平生产井在接近油层底部、油水界面以上完井；蒸汽通过该井上方的第二口水平井或一系列直井注入，在生产井的上方形成蒸汽腔；蒸汽通过注入井持续注入，蒸汽由于浮力而上升，在蒸汽油界面因传导热损失造成蒸汽凝结，凝结水及加热的原油泄向生产井上方的储槽（如示意图2-1，2-2，2-3所示）。液体的泄出为蒸汽带的水平和垂直膨胀提供了空间，蒸汽腔内基本保持在恒定压力，由于没有施加压力梯度，流动完全是重力所致。单井SAGD过程，可以从同一个井筒连续注入蒸汽来开采重油，向下注入到水平井筒端部，沿垂直方向顺同心连续油管把泵送至造斜点以上，油藏下部为不注水泥的割缝衬管，采用内置小油管加热缓慢供汽，保持压力稍高于油藏压力，然后降压。图2-1双水平井SAGD机理示意图2-2直井-水平井组合SAGD机理示意图图2-3SAGD井位示意图2.2 SAGD的特点与常规蒸汽驱不同，SAGD具有如下特征：（1）主要是利用重力作为驱动原油的动力；（2）利用水平井并通过重力作用获得相当高的采油速度；（3）加热原油不必驱动未接触原油（冷油）而直接流入生产井；（4）采油响应时间短；（5）采收率高；（6）累积油气比比常规蒸汽驱高；（7）除了油层含有大面积的页岩夹层外，对油藏非均质性不敏感。蒸汽辅助重力泄油与水平井技术相结合被认为是近10年来所建立的最著名的油藏工程理论。由于世界稠油资源储量远远大于常规原油储量，因此，作为稠油尤其是特稠油开采的有效方法，SAGD技术在稠油大国加拿大得到了广泛的研究和现场试验。2.3影响效果的地质参数（1）油层厚度由于过程是以流体的重力作用作为动力，因此，油层厚度越大，重力作用越明显，反之，若油层厚度太小，不但重力作用小，而且上下围岩的热损失增大，还会降低油汽比。另外，在井距一定的情况下，沥青产量与油层厚度的平方根近似成比例。（2）油层渗透率垂向渗透率主要影响蒸汽上升速度，因此在厚度大、渗透率低的油藏中更加重要水平渗透率主要影响蒸汽室的侧向扩展，因此在厚度较小的油藏中，且井对间距离又较大的情况下更加重要。（3）原油粘温关系由于生产机理的特殊性，原油粘度不是一个主要因素，根据加拿大项目的经验，在初期预热的情况下，原油粘度高达又·的沥青砂仍可得到经济有效的开发。但原油粘度随温度的变化关系将影响蒸汽前缘沥青的泄流速度，因此也影响蒸汽前缘推进速度与产油速度。（4）油藏深度随着油层深度增加，井筒热损失增大，井底蒸汽干度降低，而且套管温度升高超过安全极限也会受到破坏。因此，对于开采，油藏深度一般小于。（5）薄夹层的影响在厚层块状砂体中常有零星分布的低渗透或非渗透薄夹层，这些薄夹层对蒸汽室的扩展必将产生影响。然而如果夹层很小且在空间上广泛分布，也不会严重地阻止质量转换，实际上还会增加斜面数量有利于热传导。（6）底水的影响一般油藏都存在有底水。底水的存在会降低过程的原油采收率，但总的来说，影响并不大。这是因为生产过程中，蒸汽压力是稳定的，且水平井采油的生产压差很小，不会引起大的水锥，油水界面可基本保持稳定。第三章 SAGD在超稠油开发中的应用3.1试验田介绍某馆陶组油藏埋深530640m。整体构造形态为向南东倾没的单斜构造，地层倾角为23°。SAGD先导试验区位于该西北部，含油面积为0.15km2，石油地质储量为249×104t。该区油层为湿型沉积扇沉积体系，储层岩性主要为中粗砂岩和不等粒砂岩，其次为砾岩、砾状砂岩和细砂岩等。馆陶油层粒度中值平均为0.42mm。平均单层解释厚度为107m，油层有效厚度为6090m，为巨厚块状油藏。平均孔隙度为36.3%，平均渗透率为5.54m2。20地面原油密度平均为1.001g/cm3，50地面脱气原油粘度为231910mPa·s，胶质和沥青质含量为52.9%。馆陶油藏是一个被水包围的边顶底水油藏，试验区内无底水，单井有效厚度在8894m之间，平均为91.7m。原始地层温度为2832，原始油层压力为6.06.5MPa。截至目前，试验区有9口注汽井，4口水平井和4口直井采油。日注汽量为1255t/d，日产液为1013t/d，日产油为2489t/d，含水率为75.4%。SAGD阶段累计注汽45.11×104t，累计产油9.16×104t，累计产水29.92×104t，累计油汽比为0.20，累计采注比为0.87，采出程度为3.7%。3.2超稠油蒸汽吞吐生产存在的问题超稠油油品性质决定了超稠油的生产特点，主要表现在：蒸汽吞吐周期生产时间短，周期产油量低，油汽比低，蒸汽吞吐生产阶段周期产量变化呈不对称“抛物线”型。由于油品性质的不同，周期产油量高峰出现的时间也不同：原油粘度低，周期产油量、油汽比的高峰期为35周期；原油粘度高，周期产油量、油汽比的高峰期为46周期。超稠油蒸汽吞吐生产中存在的主要问题有以下5方面：（1）油井进入高周期吞吐生产后，产量递减快，周期产量低，油汽比低，单位操作成本高。（2）蒸汽吞吐阶段平面动用半径有限，井间剩余油饱和度依然较高，井底附近含油饱和度为35%左右，井间剩余油饱和度为50%65%。（3）由于生产周期短，注汽频繁，油井井下技术状况变差，套管损坏严重，油井间歇吞吐生产造成开井率低。据统计，发生套管变形和损坏的井占投产井数的37%。（4）蒸汽吞吐生产稳产时间短，产量递减快，稳产时间只有2a，年综合递减率平均为20%左右。（5）数值模拟研究表明，馆陶油层蒸汽吞吐阶段采收率低，预测采收率为29%。3.3蒸汽辅助重力泄油试验方案设计要点蒸汽辅助重力泄油试验方案设计要点如下：（1）井组4个；（2）井距：直井与水平井的侧向水平距离为3040m，直井射孔底界距水平井段的垂直距离为37m；（3）水平段长度为368418m；（4）水平段垂深为648.0661.3m；（5）转SAGD时机：直井平均吞吐7.6个周期，水平井平均吞吐2个周期，直井与水平井之间已形成热连通，地层压力降至34MPa；（6）蒸汽干度：井口大于97%，井底大于80%；（7）注汽压力为46MPa；（8）注汽速度：单直井为120200t/d；（9）产出液温度为115140；（10）生产井排液速度为注汽速度的0.81.0倍。3.4 SAGD现场试验及效果评价（1）实施情况根据生产特征及监测资料分析，试验区经历了3个开发阶段：第1阶段为注采井间温度、压力连通阶段，第2阶段为弥补地下亏空和蒸汽驱阶段，第3阶段为蒸汽腔形成及向上扩展阶段。2008年2月24日2008年5月中旬为热连通阶段。水平生产井井底压力较低，只有1.0MPa；注汽井井底压力相对较高，为45MPa；注采井间温度为100左右。该阶段以蒸汽吞吐生产为主，生产特征表现为产液量下降、含水及动液面下降、水平井井底温度下降。2008年5月下旬2009年1月初为弥补地下亏空和蒸汽驱阶段。蒸汽吞吐造成单井平均地下亏空0.95×104m3，注入的蒸汽及冷凝水用于弥补地下亏空，水平井产油主要以蒸汽驱方式为主，生产特征表现为产液量、动液面、水平段温度及压力稳定。2009年1月至今为蒸汽腔形成及向上扩展阶段。馆平11、馆平12两个井组形成了蒸汽腔，由蒸汽驱替为主开发逐渐转向重力泄油为主开发。生产井井底压力回升至3.0MPa，注汽井的井底压力为3.54.0MPa。该阶段生产特征表现为产液量、产油量明显提高，相对稳定，含水率下降较为突出，由80%左右下降到70%左右，与蒸汽驱明显不同。（1）效果评价 油井产量明显提高转入SAGD初期，注入蒸汽用于祢补地下亏空，连续注汽0.5a后，注采井间的压力趋于平衡，基本稳定在3.5MPa，生产井日产液量由140t/d上升为300400t/d，日产油量由30t/d上升为70t/d左右。 蒸汽腔向上扩展阶段油井含水率稳定转入SAGD初期，油井含水率较高，达到了95%以上。当蒸汽腔开始形成还不发育时，以蒸汽驱替为主，含水率逐渐上升至80%左右。随着蒸汽腔的不断扩大，逐渐转为以重力泄油为主，蒸汽驱替作用逐渐减弱，含水逐渐下降，并趋于稳定，随着蒸汽腔的向上扩展，含水率将进一步下降并稳定在65%70%。 SAGD开发初期蒸汽腔以单井点形式存在数值模拟跟踪表明，垂直水平井段方向蒸汽腔发育较好，而沿水平段方向，蒸汽腔只是在注汽井与水平段最近处形成，形成多个独立的蒸汽腔，相互之间没有连通。目前，馆平12井发育4个蒸汽腔，位于水平井中段的3个蒸汽腔的上部出现逐渐联通的趋势；馆平11井主要发育3个蒸汽腔，3个腔相距较远，短期内很难连通。根据数值模拟研究并结合动态资料可知，蒸汽腔数量的多少决定产量的高低。初步计算馆陶油层每个蒸汽腔日产油量30t左右。馆平12井目前日产油为128t/d，馆平11井日产油为84.5t/d。 试验方案达到设计要求目前，馆平11、馆平12井单井日产液水平达到300t以上，日产油为70100t左右，含水率稳定在65%70%，井底压力上升至3.0MPa，温度上升至180220，采注比达到1.0，各项生产指标均达到方案设计要求。从泄油状况看，馆平11井有3个泄油点，馆平12井有4个泄油点，且均进入稳定泄油阶段，随着蒸汽腔的扩展和泄油通道的扩大，各项指标会继续朝着更好的方向发展。 最终采收率得到有效提高物理模拟SAGD阶段采收率接近60%，最终采收率达到75%以上；数值模拟研究表明，馆陶油层蒸汽吞吐后转SAGD阶段采出程度为36.1%，最终采收率为56.1%；馆观4井取心资料证实，SAGD开发蒸汽驱扫带内驱油效率达到83%，计算最终采收率可达58%。第四章 结论与建议在世界石油资源大量被采出后，那些难以开采的稠油和超稠油资源将是今后的采方向。开采稠油和超稠油资源的最好方式是热力采油，但随着生产规模不断扩大，稠油蒸汽吞吐开发的矛盾逐渐暴露出来。为了进一步提高油田采收率，保持油田稳产，转换开采方式已迫在眉睫。SAGD采油技术在加拿大已经被证实为有效的稠油热采技术，并被广泛应用于生产实践。因此本文针对蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用进行了研究，取得了以下成果：（1）蒸汽辅助重力泄油技术的概念及基本原理分析；（2）蒸汽辅助重力泄油技术的应用现状和研究现状研究；（3）蒸汽辅助重力泄油技术超稠油开发中的应用实例分析。后 记本文从选题到写作都是在指导老师王霞老师的严格要求和耐心指导下完成的。在论文的撰写过程中，王老师悉心地在各方面给予我指导和帮助，使我能够顺利完成毕业论文的撰写，借此机会，对王老师及家人表达我最真挚的感激之情！感谢奥鹏和中国石油大学（北京）的各位老师，感谢他们在两年的学习中给我提供的帮助。参考文献1 窦宏恩. 稠油热采应用SAGD技术的探讨J石油科技论坛, 2003,(04) . 2 刘文章. 特稠油、超稠油油藏热采开发模式综述J特种油气藏, 1998,(03) . 3 高成. 水平井在杜84断块超稠油开发中的优势研究J特种油气藏, 2002,(06) . 4 李松林,王东辉,陈亚军. 利用高压注空气技术开发低渗透轻质油油藏J特种油气藏, 2003,(05) . 5 刘尚奇,王晓春,高永荣,杨立强,由世江. 超稠油油藏直井与水平井组合SAGD技术研究J石油勘探与开发, 2007,(02) . 6 杨立强,陈月明,王宏远,田利. 超稠油直井-水平井组合蒸汽辅助重力泄油物理和数值模拟J中国石油大学学报(自然科学版), 2007,(04) . 7 耿立峰. 辽河油区超稠油双水平井SAGD技术研究J特种油气藏, 2007,(01) . 8 左悦. 难动用薄层稠油油藏水平井开发实践J特种油气藏, 2005,(06) . 9 徐东,刘芳,杨乃群,陈延,曲绍刚,孟月月. 光纤测温、毛细钢管测压系统在现场中的应用J石油钻采工艺, 1999,(05) . 10 杨乃群,常斌,程林松. 超常规稠油油藏改进的蒸汽辅助重力泄油方式应用研究J中国海上油气(地质), 2003,(02) .