編譯:趙睿 (新疆油田公司勘探開發(fā)研究院)

劉剛 (遼寧中醫(yī)藥大學(xué))

審校:佘慶東 (大慶油田第一采油廠技術(shù)發(fā)展部)

提高SA GD的效能

編譯:趙睿 (新疆油田公司勘探開發(fā)研究院)

劉剛 (遼寧中醫(yī)藥大學(xué))

審校:佘慶東 (大慶油田第一采油廠技術(shù)發(fā)展部)

本文基于模擬及其分析結(jié)果,從不同方面對(duì)改善或提高蒸汽輔助重力泄油(SAGD)效能的相關(guān)問題作了一般性討論。井眼設(shè)計(jì)必須與重力泄油速率相匹配。操作壓力對(duì)開采速度起著重要作用,較低的操作壓力會(huì)減小汽油比,減少 H2S的產(chǎn)出,還可以減少二氧化硅的溶解,從而減輕水處理問題。盡管如此,低操作壓力增加了將流體舉升至地面的難度。此外,蒸汽添加劑可能是增加這一工藝能效的另一個(gè)選擇。

SAGD 效能 模擬分析 井眼設(shè)計(jì) 操作壓力 Sub Cool控制

1 引言

阿薩巴斯卡油砂礦的巨大潛力使世界上許多石油產(chǎn)出國的資源相形見拙。這些資源的開發(fā)增長計(jì)劃獲得了數(shù)千億美元的投資。大多數(shù)阿薩巴斯卡油層厚度都大于15 m(接近SAGD的經(jīng)濟(jì)極限),埋藏淺且非常均質(zhì),不存在明顯的妨礙蒸汽腔發(fā)育的隔層。瀝青在油藏條件下幾乎不流動(dòng)且具有極少量的原始飽和氣。相比之下,同等API條件下委內(nèi)瑞拉的資源則埋藏較深且地層溫度較高,具有較高的初始?xì)庥捅?(GOR)和地層條件下明顯的低黏度。這與常規(guī)的重油油藏條件非常相似。因此, SAGD工藝與其他開采工藝相比可能無效。然而在阿薩巴斯卡現(xiàn)有的開采技術(shù)狀況下,SAGD保有初次采油機(jī)理且是最有效的方法。

2 低操作壓力下的低汽油比

低壓操作下油藏內(nèi)部溫度就要低一些,因?yàn)榛鶐r被加熱到較低的溫度,所以對(duì)能量要求也相應(yīng)降低,從概念上來說這應(yīng)該導(dǎo)致低汽油比 (SOR)。盡管如此,低壓操作下產(chǎn)量也會(huì)降低,并且當(dāng)壓力低到某種程度時(shí)可能會(huì)低于經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量。

為研究這些影響,在阿薩巴斯卡油藏開展了模擬研究。實(shí)際的三維地質(zhì)模型采用地震和取心井?dāng)?shù)據(jù)建立,模型用來研究這個(gè)邊際油藏:油層厚度25 m,平均孔隙度28%,水平滲透率平均4 D(1 D=1.02μm2),垂直與水平滲透率比0.5,初始含油飽和度75%。如果SA GD操作一開始就采用低壓,那將花費(fèi)很長時(shí)間來擴(kuò)大汽腔,并且產(chǎn)量持續(xù)較低且不經(jīng)濟(jì)。所以,在這些模擬運(yùn)行中,SAGD的初始操作壓力都在3.5 MPa,在壓力減小到3 MPa、2 MPa和1.5 MPa之前,以此壓力操作兩年來達(dá)到明顯的高產(chǎn)。

為便于對(duì)比,用水油比 (WOR)來量度SOR。很明顯,與3 MPa的操作壓力相比,在2 MPa和1.5 MPa的操作壓力下,SOR分別降低了15%和20%。盡管如此,蒸汽傳遞的潛熱在低壓下要高一些,這意味著相同體積的水要消耗更多的熱量來轉(zhuǎn)化為蒸汽。與3 MPa的操作壓力相比,2 MPa和1.5 MPa操作壓力下潛熱分別要高出5%和8%,因此,總的效益可能提高10%～12%。鑒于模擬模型沒有考慮到這方面,因此SOR效益需要根據(jù)壓力降低后潛熱的增加這一因素來貼現(xiàn)。

低壓操作下需要考慮的另一方面是產(chǎn)出流體的溫度較低,因此熱量回采效率低。這種情況下,產(chǎn)出流體只攜帶出1/3的注入熱量,這些回采熱量中有一部分用來提高鍋爐給水溫度。盡管如此,由于熱量傳遞中熱動(dòng)力學(xué)限制,總注入熱能不能全部回采。即使在較高的操作壓力下,有相當(dāng)部分的低質(zhì)量熱能仍需消耗至周圍環(huán)境中。1 MW/1 000bbl (1 bbl=0.159 m3)產(chǎn)量的數(shù)量級(jí)相當(dāng)于0.2的SOR。低產(chǎn)出溫度會(huì)使情況更糟,在評(píng)估低壓SAGD時(shí)也需要考慮到這方面因素。

低壓操作與高壓操作相比具有兩大優(yōu)點(diǎn):

(1)產(chǎn)出水中二氧化硅的溶解與溫度有關(guān),隨著操作溫度降低,產(chǎn)出水中二氧化硅的含量會(huì)明顯減少,這將減少符合鍋爐給水質(zhì)量的水處理負(fù)荷。

(2)隨著溫度的降低,H2S的產(chǎn)出會(huì)明顯減少。在產(chǎn)出水中有重要的硫醇成分通過水熱解作用產(chǎn)生H2S。一般情況下,H2S的量盡管隨著硫含量的變化而變化,但一些特定成分的出現(xiàn)使 H2S只有在特定環(huán)境下才能產(chǎn)生。H2S的產(chǎn)出量可以在實(shí)驗(yàn)室研究中預(yù)測(cè),關(guān)于產(chǎn)出 H2S的認(rèn)識(shí)對(duì)于地面工藝的環(huán)保設(shè)計(jì)非常重要。

3 油藏特征可以決定操作壓力

一般來講,在阿薩巴斯卡的SAGD操作中流體損失是個(gè)問題。瀝青不可流動(dòng)的概念可能是合理的,但在此油藏中的水具有相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性?，F(xiàn)場(chǎng)操作中,即使溫度仍然接近初始溫度,但壓力卻通過地層傳導(dǎo)得非?？?這可能是由于存在可動(dòng)水的緣故。因此,在較高壓力和較高注汽速度下大量的流體可以從目的層溢出,從而限制了操作壓力范圍。此外,高滲帶和底水層的存在也限制了選取操作壓力的靈活性。

4 人工舉升

隨著操作壓力的降低,在無人工舉升的條件下,產(chǎn)出流體的能量也開始變得不足以舉升流體到地面。一些成功的案例已經(jīng)使用了氣舉方式。盡管如此,隨著低壓操作的推進(jìn),氣舉舉升效率會(huì)下降,并且依賴于油藏深度,當(dāng)井底壓力低于某個(gè)界限值時(shí)氣舉將變得無效。在如何將生產(chǎn)井中大量的高溫流體舉升至地面方面,已經(jīng)開展了很多研究工作。高溫驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (電機(jī))的溫度限制為215℃,泵機(jī)組的溫度限制取決于泵的類型,盡管所有的金屬漸進(jìn)腔式泵,有桿泵等都用在其他熱驅(qū)作業(yè)中,但工業(yè)化SA GD產(chǎn)出的排量要求仍然太高,難以通過這些舉升技術(shù)解決。大排量電潛泵、螺桿泵或雙螺桿泵可能是解決方案,然而除電潛泵外,這些技術(shù)還都處于不同的發(fā)展階段。

5 必須要用人工舉升嗎?

沒有人工舉升幫助的條件下,生產(chǎn)井操作壓力有可能低于靜水壓力。模擬結(jié)果顯示,300 m深的油藏在井底壓力2 MPa時(shí)總產(chǎn)液量為1 000 m3/d。產(chǎn)量分布于油套環(huán)空,生產(chǎn)井有5℃和10℃的sub cool,井口壓力約為1.1 MPa(0.9 MPa的壓力損失)。位于95/8in(1 in=25.4 mm)篩管內(nèi)的51/2in的生產(chǎn)油管,1 000 m水平段 (測(cè)量深度600 m～1 600 m)的壓力損失不到0.02 MPa,大部分壓力損失發(fā)生在斜井段和直井段,這導(dǎo)致產(chǎn)出水閃蒸為汽相。在到達(dá)斜井段之前,油管中產(chǎn)出流體的干度 (水中所含蒸汽的比例)為0,隨著向上的流動(dòng),干度將達(dá)到30%。當(dāng)環(huán)空尾端的流體流向趾端并通過油管產(chǎn)出時(shí),環(huán)空尾端的干度顯示為0,因?yàn)檎羝梢杂行У亻g歇式自噴,所以生產(chǎn)井應(yīng)該能夠在明顯的低壓下生產(chǎn)。因此,理論上講,在沒有任何人工舉升的情況下,這口井應(yīng)該能夠正常生產(chǎn)。

6 Sub cool控制

在sub cool條件下生產(chǎn)是為了防止蒸汽突破,從而在三個(gè)方面利于SAGD過程:

(1)防止蒸汽突破在概念上來講可以保存能量和降低SOR。

(2)任何額外的熱量都以高速蒸汽流的形式攜至地面,并且大多壓降發(fā)生在生產(chǎn)井井筒的直井段。較高的蒸汽流速可以降低井的舉升能力,并且會(huì)在地面設(shè)備中產(chǎn)生液流和生產(chǎn)流程的瓶頸。

(3)過多的蒸汽突破可能引起細(xì)粉砂移動(dòng)并通過篩管,最終會(huì)腐蝕篩管縫而使得砂子流入,這對(duì)地面和地下設(shè)備都有嚴(yán)重?fù)p害。盡管如此,現(xiàn)場(chǎng)操作中由于井軌跡的不均衡性,很難識(shí)別蒸汽突破,更不用說控制了,耐高溫光纖溫度傳感器研究的進(jìn)步可以幫助識(shí)別這一問題,但如何保護(hù)它可能是個(gè)挑戰(zhàn)。

已經(jīng)談到了許多不同的sub cool概念,其中一個(gè)最合理的是指生產(chǎn)井周圍的條件,該討論中談到的sub cool是指生產(chǎn)井實(shí)際產(chǎn)出流體溫度與飽和溫度之間的差值。

最顯著的一個(gè)問題是sub cool如何影響產(chǎn)量和采收率。為研究這個(gè)問題,采用同一個(gè)阿薩巴斯卡油藏模型進(jìn)行了模擬,操作中考慮了在3 MPa、2 MPa和 1.5 MPa的長期操作條件下,無 sub cool的情況和sub cool分別為5℃、10℃、20℃的情形:產(chǎn)量和累積水油比在三個(gè)操作壓力下幾乎相同。當(dāng)sub cool上升至20℃時(shí),產(chǎn)量開始變得不穩(wěn)定。

應(yīng)該意識(shí)到這一點(diǎn),通過重力泄油而從生產(chǎn)井中產(chǎn)出的流體與汽腔壓力相比一般都是冷卻后的。很多情況下,操作人員通過均衡sub cool來建立生產(chǎn)井液面,從概念上來講這是對(duì)的,但sub cool大小有時(shí)被夸大了。

儲(chǔ)層非均質(zhì)性和井軌跡對(duì)于蒸汽分布起著最為重要的作用。按目前實(shí)際的井身結(jié)構(gòu),熱量往往集中在跟部附近,且所有產(chǎn)出,無論是通過油管還是套管都不得不流經(jīng)這一區(qū)域。除此,無論是由于地質(zhì)還是軌跡原因,沿水平段的優(yōu)先蒸汽突破都會(huì)降低井口產(chǎn)出流體的sub cool。

對(duì)地面設(shè)備而言,sub cool更為重要。相當(dāng)一部分產(chǎn)出水會(huì)在沿著垂直段上升和流經(jīng)油嘴以及閥門后到達(dá)生產(chǎn)設(shè)施的過程中閃蒸,較高速的蒸汽流需要較大的地面設(shè)備。

7 可選的SA GD井身結(jié)構(gòu)

在一種可選的井身結(jié)構(gòu)中,分別在不同的平臺(tái)上鉆注汽井和生產(chǎn)井可以緩解上述很多問題。如下面描述的那樣,該結(jié)構(gòu)中,蒸汽從注汽井的水平段一端注入,生產(chǎn)井從相反的一端生產(chǎn)。目前SA GD工藝采用的井身結(jié)構(gòu)中,大多數(shù)蒸汽從跟部注入,大多數(shù)產(chǎn)出也來自于跟部區(qū)域。從概念上講,生產(chǎn)井中的流體朝著因蒸汽注入而建立的壓力梯度反方向流動(dòng),這明顯會(huì)影響產(chǎn)量。如果注入和產(chǎn)出的流體都流向同一方向——生產(chǎn)井跟部,那么壓力剖面狀況就可大為改善。

盡管這需要多個(gè)平臺(tái),但商業(yè)開發(fā)中無論如何都要用到多個(gè)平臺(tái),可以研究創(chuàng)新性的平臺(tái)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。這對(duì)鉆井是一項(xiàng)挑戰(zhàn),不過通過現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步可以克服。

此外,完井時(shí)可以節(jié)省相當(dāng)?shù)馁M(fèi)用,生產(chǎn)井和注汽井油管可以在預(yù)熱后移除。有可能將蒸汽突破降至最低并控制產(chǎn)出流體溫度,如有必要可以利用低溫泵抽汲系統(tǒng)來舉升流體。

8 強(qiáng)化SA GD

在蒸汽驅(qū)項(xiàng)目中使用添加劑進(jìn)行流動(dòng)控制是眾所周知的,SAGD工藝中加入碳?xì)浠衔锶軇┛梢栽诓捎凸に囍衅鸬街匾饔?。依?jù)其PV T特性,碳?xì)浠衔锶軇┑某煞挚梢郧秩霟徇吔鐚油獠荒芰鲃?dòng)的瀝青中,由于該區(qū)域較輕的碳?xì)浠衔锞哂邢♂屪饔?從而額外地降低了流體的黏度。圖1是這個(gè)方法的原理圖。

圖1 通過在蒸汽中添加碳?xì)浠衔飦韽?qiáng)化SAGD過程—ES SAGD概念

類似的原理已經(jīng)在 Senelac和 Christina Lake先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的SAP試驗(yàn)中加以應(yīng)用,這些試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告表明,這一技術(shù)大大提高了采收率和降低了SOR。

對(duì)在商業(yè)化的操作中實(shí)施該工藝而言,溶劑的有效性和成本或許是最重要的因素。通常觀察到的情況表明,在現(xiàn)場(chǎng)操作中運(yùn)用這個(gè)方法獲得的效益比模擬模型估計(jì)的效益更高。既然溶劑能夠用于產(chǎn)出瀝青的管道運(yùn)輸,那么在油層中注入同樣的溶劑并由此獲得強(qiáng)化開采效益也是值得的。據(jù)估計(jì),在油層中大約有10%～12%的殘留溶劑,這些殘留溶劑中的大部分都能夠在項(xiàng)目的后續(xù)階段得以回采。

9 結(jié)論

(1)雖然從模擬結(jié)果來看低壓操作顯得更節(jié)能,但對(duì)這個(gè)概念的經(jīng)濟(jì)價(jià)值而言其他的能耗問題同樣需要考慮。

(2)低壓操作更適用于人工舉升的應(yīng)用,它可降低H2S生成量和水相中二氧化硅的含量。

(3)存在一個(gè)可以避免使用人工舉升的操作范圍,由此可以提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

(4)對(duì)于熱邊界層中的溫度分布特征而言,流體泄流至生產(chǎn)井是滿足sub cool條件的。Sub cool在熱儲(chǔ)工藝中扮演的角色并不重要,除非它超過一個(gè)確定的值。依所研究的實(shí)例來看,當(dāng)它的值高于20℃sub cool的時(shí)候會(huì)對(duì)熱儲(chǔ)工藝造成影響。

(5)使用溶劑強(qiáng)化 SA GD過程,由此提升SAGD的能量利用效率或許是較好的選擇。

資料來源于美國《SPE 97921》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.001

2009-03-24)