CN101892826A - 气体与电加热辅助重力泄油技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田钻井、完井和采油工艺技术，主要应用于稠油油藏开采，特别涉及一种气体与电加热辅助重力泄油技术，采用上下双水平井或上部直井与下部水平井结合方式，两口井起到双电极作用，就地分布式加热油藏(主要是井间油藏)，避免了地面和井筒热损失、加热效率高，并因无注入水而明显减弱油水两相流动的不利影响；另一方面，向上部井注入气体(N₂、CO₂、烟道气或天然气等)，一方面在油藏顶部捕集形成气顶，增加地层能量，保持地层压力，辅助重力驱油，同时还起到隔热作用，另一方面注入气体可以适当扩大热波及体积，改善加热效果。本发明可作为稠油老区块转换开采技术或者新区块投产开采技术。

Description

气体与电加热辅助重力泄油技术 

所属技术领域

本发明属于油田钻井、完井和采油工艺技术，主要应用于稠油油藏开采，特别涉及一种气体与电加热辅助重力泄油技术。 

背景技术

直井蒸汽吞吐、水平井蒸汽吞吐、复合蒸汽吞吐和蒸汽辅助重力泄油等注蒸汽开采技术是目前技术较成熟、开采效果较好的稠油热采技术。但是，注蒸汽热采技术还存在如下不足：一是地面和井筒热损失，热损失高达20％～30％以上；二是注入蒸汽冷凝后的油水两相流动，影响稠油产量；三是井底和地层内蒸汽相分离及蒸汽超覆。随着油田开发的不断深入，需要转换注蒸汽开采方式，采用稠油开采新技术。 

注采井和油藏电加热是一项利用地面电能在注采井或油藏进行电加热的提高原油采收率技术，为注蒸汽等现有热采技术转换开采方式提供了新思路。油井或油藏电加热理论和技术研究始于20世纪50年代，20世纪80年代开始进行了大量的先导试验，并取得了油井集中式电阻加热和油藏分布式加热的初步成功，电加热激励后原油产量提高了2～4倍左右。同时，开展了电力传输、功率损耗和热利用率等工程电磁学和热工学方面的实验和理论研究，取得了较丰富的饱和油相岩石分布式电加热的电磁理论和渗流理论成果。但是，单纯的油井或油藏电加热技术主要依靠加热降低原油粘度和重力驱替机理，受电加热范围限制，开采速度和有效波及范围有限，扩大加热体积和提供更充足的驱替作用是改善油井或油藏电加热的重要途径。 

注气辅助重力泄油技术也是最近提出的一项稠油开采技术，通过上部注入井注入气体，在油藏上部形成气顶，提高油藏压力，采用合理的注气速度来控制油气界面，驱动原油向下部生产井流动，辅助重力泄油。但是，由于气体降低原油粘度作用较弱，原油流动性改善效果差，开采速度慢，实用价值不明显。 

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种气体与电加热辅助重力泄油技术(Gas and Electrical HeatingAssist Gravity Drainage，简称GEAGD)，采用上下双水平井或上部直井与下部水平井结合方式，两口井起到双电极作用，就地分布式加热油藏(主要是井间油藏)，避免了地面和井筒热损失、加热效率高，并因无注入水而明显减弱油水两相流动的不利影响；另一方面，向上部井注入气体(N₂、CO₂、烟道气或天然气等)，可在油藏顶部捕集形成气顶，增加地层能量，保持地层压力，辅助重力驱油，同时还起到隔热作用。注入气体与电加热协同作用，可以扩大热波及体积、改善加热效果，提高采油速度。 

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种气体与电加热辅助重力泄油技术，其特殊之处是：利用上部水平井或直井与下部水平井作为电极，通入功率为几百至几千千瓦的电流(通常为60赫兹、380伏甚至更高电压的低频高压电流，功率则需要根据油藏地质特点和井身结构来确定)，在油藏内产生分布式电场，以油藏作为电阻进行加热，使油藏温度升高几十至200℃以上，明显降低稠油粘度、加快注入气体扩散速度。而注入气体(N₂、CO₂、烟道气或天然气等)可携带部分热量在油藏内扩散、形成气体与电加热协同作用下的气腔和加热体积。 

对于老区块，可以在现有水平井基础上，在上部加钻水平井或直井，或者在现有井眼上部开窗侧钻水平井或定向斜井。对于新区块，可以油藏工程研究结果，部署上下双水平井、双底水平井或上部直井与下部水平井。在直井眼或水平井眼内采用筛管、衬管或者筛管与砾石充填完井。 

本发明的气体与电加热辅助重力泄油是一项非常有潜力的重力驱开采技术，可用于新油田和老油田二次开发。该技术具有如下技术优势： 

(1)气体与电加热协同作用。电加热加快了气体扩散速度，而气体扩大了加热范围，并在油层顶部捕集形成气顶，起到保持压力和隔热作用。气体驱动和电加热的热利用率高、压力保持效果好，能够协同辅助重力泄油。 

(2)避免了因注汽引起的问题，如地面和井筒热损失、冷凝水吸热、油水两相流动及井间汽(水)窜流等。 

(3)顶部注气井可采用直井或者开窗侧钻井等多种工艺方式。 

(4)完井投资较注汽井低，只需部分使用绝缘套管或筛管，且操作成本低。 

(5)尤其适用于垂向渗透率和倾角较高的稠油油藏。 

(6)可作为老油田蒸汽吞吐和SAGD的接替技术和新油田开采技术。 

(7)适用于海上稠油开采。因为受采油平台空间和起吊能力限制，海上安装和使用常规蒸汽锅炉难度较大，且海水淡化也比较困难，可利用现有发电系统并安装氮气分离设备，实施气体与电加热辅助重力泄油技术。 

(8)适用于沙漠等水资源缺乏、深层和水敏性强等不宜注汽油藏的开采。 

本发明对钻完井的要求在于：气体辅助电加热辅助重力泄油技术采用的是分布式电加热油藏，一般下部采油井(下电极)必须采用水平井，上部注气井(上电极)可以是水平井(见附图1)、直井(见附图2)或在下部采油井直井段开窗侧钻(与下部水平井形成平等双底井，见附图3)。完井时要求，在水平井段与直井段连接处安装绝缘筛管(或套管)。电加热时以上部井和下部井作为电极偶，通过下入膨胀电极触点，通电时自动膨胀与筛管或套管相接触，通电后以饱和流体油藏为导体进行分布式加热。 

油田开发在应用普通电加热技术方面已经进行了大量的探索工作。但由于缺少技术与经济优势，没有开展更深入的研究工作。其中有两个主要的问题：一是由于作为电极的上部井和下部井附近电场强度大(见附图4)，加热速度快，温度会突然升高，但离井远的地方温度升高却不明显；二是将热量传递到两井间一定的范围需要电量很大，而大量的电会导致井的温度非常高。如果井的温度太高，就会导致井的损坏和地层水的蒸发，而联通孔道内的水是给电流提供传导途径的介质，一旦水被蒸发，电流就会停止，那么加热效果也就没有了。因此，保持合理的地层含水饱和度对维持油藏电加热是必要的。 

本发明的气体与电加热辅助重力泄油技术可以明显提高加热效率，并且可以防止井周围热量的集中和水的蒸发。气体在油藏顶部捕集和向下驱替作用，会抑制水的蒸发，保持上下电极之间地层的电传导率，在没有实际加大井的尺寸情况下，获得更大的有效电极，这就会使两井间的地层能更快更均匀地得以加热。采用气体与电加热辅助重力泄油技术可使上下两井之间的井距加大(即两井间的垂直距离可以大于平均值5m)。上下垂直井距的加大对厚油层而言，会增大重力泄油作用，获得更高的产油量和油汽比，从而有更好的效益。 

本发明中气体改善原油流动性作用原理在于：注入N₂、CO₂、烟道气或天然气等气体与原油的相互作用可明显改善原油的流动性，不同温度下原油饱和气体压力及粘度见附图5，PVT和流变性实验均表明CO₂可使原油(包括稠油)粘度降低30％～70％。CH₄、N₂和烟道气对原油的降粘作用要低于CO₂，但其增压和抽提作用也是很大的。 

本发明的一个关键作用是对饱和油气水油藏的电加热作用。在注气与电加热协同作用下，流体饱和度变化、地层水汽化和油藏温度变化均对电导率和磁导率等岩石电学参数产生影响，进而影响介电损失和加热效果。对于附图6所示面积A包围的体积V，在体积内电平衡条件下，复数Poynting矢量散度 

的体积积分为： 

$-\∫\stackrel{\→}{S}\·d\stackrel{\→}{A}=\frac{\mathrm{j\ω}}{2}\∫({\mathrm{\μ}}^{\′}\stackrel{\→}{H}\·{\stackrel{\→}{H}}^{*}-{\mathrm{\ϵ}}^{\′}\stackrel{\→}{E}\·\stackrel{\→}{E})\mathrm{dV}+\frac{j}{2}\∫({\mathrm{\σ}}^{\′\′}\stackrel{\→}{E}\·{\stackrel{\→}{E}}^{*})\mathrm{dV}$

$+\frac{1}{2}({\mathrm{\σ}}^{\′}\stackrel{\→}{E}\·{\stackrel{\→}{E}}^{*})\mathrm{dV}+\frac{\mathrm{\ω}}{2}({\mathrm{\μ}}^{\′\′}\stackrel{\→}{H}\·{\stackrel{\→}{H}}^{*}+{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}\stackrel{\→}{E}\·{\stackrel{\→}{E}}^{*})\mathrm{dV}$ (1) 

式中，ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；σ为电导率；′和″分别表示复数的实部和虚部； 

和 分别表示矢量电场强度和磁场强度；*表示复数共轭。 

上式左侧为通过表面输入体积内的电功率。右侧前两项表示体积内存储的电功率，后两项表示体积内消散的电功率。消散功率与电导率和电场(第三项)实部大小、体积内材料的磁通率和介电常数的虚部、磁场和电场值(第四项)有关。 

因此，输入体内的功率等于存储能量增加速度与消散功率(由电导率实部与磁导率、介电常数的虚部和相应电场和磁场值大小所引起的)的和。所以，单位体积消散功率的实部P_PUV为： 

$P_{\mathrm{PUV}}=\frac{1}{2}\left\{\right[{\mathrm{\σ}}^{\′}+{\mathrm{\ω\ϵ}}^{\′\′}](\stackrel{\→}{E}\·{\stackrel{\→}{E}}^{*})+{\mathrm{\ω\μ}}^{\′\′}(\stackrel{\→}{H}\·{\stackrel{\→}{H}}^{*})\}$ (2) 

消散功率与局部电场和磁场值大小有关，而电场和磁场值大小与地面电功率及从地面到油藏电传输过程中的功率损失有关。 

${\stackrel{\→}{\▿}}^2\stackrel{\→}{E}+{\mathrm{\γ}}^2\stackrel{\→}{E}=0;{\stackrel{\→}{\▿}}^2\stackrel{\→}{H}+{\mathrm{\γ}}^2\stackrel{\→}{H}=0---\left(3\right)$

传播常数γ由下式决定。 

在直角坐标系下，有： 

$\stackrel{\→}{H}=H\left(z\right)\stackrel{\→}{i_y};\stackrel{\→}{E}=E\left(z\right)\stackrel{\→}{i_x}---\left(5\right)$

根据气体与电加热油藏边界条件和初始条件可以求解上述波动方程，关键是要考虑除频率之外，流体饱和度和温度等对电导率和磁导率的影响，而流体饱和度和温度等参数的确定需要后面的传质传热和渗流理论。 

油藏电加热过程中可以不考虑油藏中的磁损失，认为介电损失主要是由饱和多相流体岩石的介电常数引起的，而介电常数又与岩石中温度、压力和流体饱和度有关。因此，首先要基于Archie公式和Humble公式，建立介电常数与频率、温度、压力和流体饱和度的关系式，并根据常规岩电实验测定结果验证模型的有效性。 

ε＝f(S_w，S_g，T，P，ω)；σ＝f(S_w，S_g，T，P，ω)                        (6) 

进而，得到油藏体积V内消散功率： 

P_PTV＝∫f(ω，ε，σ)|E|²dV                                             (7) 

加热过程中，存在因速度 

产生的强制对流时，单位时间单位面积的热能流动 

可用下式表示： 

$\stackrel{\→}{Q_T}=-K_T\stackrel{\→}{\▿}T+\mathrm{\ρ}{C}_p\stackrel{\→}{v}T---\left(8\right)$

式中，K_T为热传导率，ρ为流体密度，C_p为定压比热。存在功率消散时的能量平衡可由热扩散率κ_T和单位体积消散功率P_PUV来表示： 

${\stackrel{\→}{\▿}}^{2}T-\frac{1}{{\mathrm{\κ}}_T}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{\▿}\left(\stackrel{\→}{v}T\right)=\frac{1}{{\mathrm{\κ}}_T}\frac{\∂T}{\∂t}-\frac{1}{K_T}{P}_{\mathrm{PUV}}---\left(9\right)$

本发明的另一个关键作用是气体的传质和传热。气体传质主要包括气体渗流和对流扩散。建立电加热油藏气体传质模型时需要基于多孔介质流体动力学与分子扩散理论，将菲克定律与质量守恒定律相结合。考虑气体扩散与油藏空间流体饱和度和温度的相关性，有： 

$\frac{{\∂S}_g}{\∂t}={\▿}^2\left(S_g{D}_e\right)---\left(10\right)$

这里，气体有效扩散系数D_e可参照相关理论公式或实验经验公式。 

气体在油藏顶部的捕集及其在油藏中的传质作用对油藏电加热效果及开采效果具有重要的影响，分别见附图7和附图8。 

本发明中气体与电加热辅助重力泄油的实质是分布式电加热油藏中油气水(和蒸汽)的三相渗流。油气水三相渗流时其中每一相均满足如下物质平衡方程： 

$\frac{{\∂}^2{P}_i}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2{P}_i}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^2{P}_i}{{\∂z}^i}=\frac{\mathrm{\φ}}{k}\frac{\∂\left(c{S}_i{\mathrm{\μ}}_i\right)}{\∂t}$ (11) 

式中，P为压力，μ为与温度有关的粘度，k为渗透率，c为压缩系数，φ为孔隙度，下标i表示油、气或水。 

重力泄油条件下，油气水中每一相流体的速度v均具有如下分量： 

$v_x=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\frac{\∂P}{\∂x}+\mathrm{\ρg}),v_y=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\frac{\∂P}{\∂y}+\mathrm{\ρg}),V_z=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}(\frac{\∂P}{\∂z}+\mathrm{\ρg})---\left(12\right)$

式中，ρ为油、气或水的密度，g为重力加速度。 

根据流体粘度μ与温度的相关式可得多相渗流的特征方程，拟采用Callarotti等人的方法通过激励电流IV_exc和IT_exc引入了渗流问题的初始压力条件、初始温度条件和单位体积实用功率。这样，就可以得到气体与电加热重力泄油的渗流模型。 

本发明的气体与电加热辅助重力泄油开采机理在于气体与电加热的协同效应。双水平井电加热时，由于近井附近电场强度大，加热速度快，油藏流体温度高，油藏温度分布等值线如附图7(a)所示。随着油藏温度升高和地层水蒸发，等值线间距会变得越来越小，近井地带油藏温度更高，加热范围变小。气体与电加热辅助重力泄油时，N₂、CO₂、烟道气或天然气等气体依靠传质和抑制蒸汽向上扩散，能够明显扩大井间油藏加热范围，油藏温度等值线如附图7(b)所示，实际上，注入气体与电加热协同作用有助于形成和保持井间油藏的蒸汽腔，因为蒸汽冷凝水会在下部生产井高温汽化变成蒸汽，依靠重力差异向油藏上部运移加热油藏，这样蒸汽在井间油藏得到反复利用，加热效率大大提高，并保持较高的油藏电传导率。 

气体与电加热辅助重力泄油与重力泄油、电加热辅助重力泄油和气体辅助重力泄油的开采动态比较见附图8所示。重力泄油(曲线1)和电加热辅助重力泄油(曲线3)符合重力泄油规律，而气体辅助重力泄油(曲线2)和气体与电加热辅助重力泄油(曲线4)符合弹性气驱与重力泄油复合采油规律。由于气体与电加热对重力泄油的协同效应，气体与电加热辅助重力泄油可获得较高产量和较低的递减率。普通稠油重力泄油的模拟计算和室内实验表明，电加热辅助重力泄油的开采速度为重力泄油的1.5～2倍左右，气体辅助重力泄油的开采速度为重力泄油的3倍左右(注入压力要求保持油气界面相对稳定)，气体与电加热辅助重力泄油的开采速度为重力泄油的5倍以上。 

附图说明

附图1和2为本发明的双水平井结构气体与电加热辅助重力泄油技术原理图，其中，附图1为沿水平井方向的油藏剖面图，附图2为垂直于水平井方向的油藏剖面图。 

附图1中：1是电源与控制系统，2是注入气体，3是电缆，4是气顶，5是注入井，6是专用电极连接器，7是生产井，8是电场，9是绝缘套管或绝缘筛管，10是泄油原油。 

附图2中：1是上覆岩层，2是油藏，3是气顶，4是有效泄油腔，5是扩展的泄油腔，6是水层，7是下伏岩层，8是生产井(下电极)，9是泄流的油(可能含水和气)，10是注气井(上电极)。 

附图3为本发明的直井与水平井结构气体与电加热辅助重力泄油技术原理图。附图3中：1是电源与控制系统，2是注入气体，3是气顶，4是注入井，5是专用电极连接器，6是生产井，7是绝缘套管或绝缘筛管，8是泄流的油(可能含水和气)，9是电场，10是电缆。 

附图4为本发明的平行双底水平井结构气体与电加热辅助重力泄油技术原理图。附图4中：1是电源与控制系统，2是注入气体，3是气顶，4是注入井，5是专用电极连接器，6是生产井，7是绝缘套管或绝缘筛管，8是泄流的油(可能含水和气)，9是电场，10是电缆，11是封隔器。 

附图5为本发明的原油中溶解气体时的饱和压力和粘度关系曲线。附图5中：曲线1、2和3分别为低温、中温和高温下的原油与气体混合物的粘度与溶解气油比的关系曲线，曲线4、5和6分别为对应温度下原油与气体混合物的饱和压力与溶解气油比的关系曲线。 

附图6为本发明的双水平井电加热油藏简化示意图。附图6中：1是电源，2是油藏，3是上部水平井，4是下部水平井。 

附图7为本发明的气体与电加热辅助重力泄油和电加热辅助重力泄油的油藏温度等值线图。其中，附图7(a)为电加热辅助重力泄油的油藏温度等值线图，图7(b)为电加热辅助重力泄油的油藏温度等值线图。附图7(a)和(b)中：1是上部注入井(即上电极)，2是下部生产井(即下电极)，T₁、T₂、T₃、T₄和T₅分别为温度等值线的值。 

附图8为本发明的气体与电加热辅助重力泄油产量与时间的关系图，横坐标为时间，纵坐标为计算产量。其中，曲线1为冷采时油井产量与时间的关系曲线；曲线2为分布式电加热时油井产量与时间的关系曲线；曲线3为气体辅助重力泄油时油井产量与时间的关系曲线；曲线4为气体与电加热辅助重力泄油时油井产量与时间的关系曲线。 

具体实施方式

结合附图描述实施例： 

实施例一： 

首先按说明书附图1中钻两口上下排布的水平井，并且在水平段跟部采用绝缘套管或绝缘筛管完井(或者在现有水平井基础上加密钻与原水平井平行的水平井，或者原水平井直井段开窗侧钻新水平井眼(见附图)，这时，原水平井需要在直井段或根部套铣进行绝缘处理，新井直接进行绝缘套管或筛管完井，见附图4)。然后，采用耐温、耐油和耐水的电缆和特殊的井下膨胀电极连接器将电极(套管或筛管)与地面电源相连。在系统通电的同时，上部井注入N₂、CO₂、烟道气或天然气等气体，下部水平井同步或者后续采油。注意，注气时保持合理的注入压力，控制油气界面、防止气体向采油井局部窜流是必要的，这种气体与电加热辅助重力泄油的电场分布、油水分布和泄油腔扩展原理见附图2。 

实施例二： 

首先按说明书附图3中在油藏上部钻一口直井，下部钻一口水平井，直井的位置一般选择在下部水平井水平段的中部和端部之间，也可钻在端部以外，进行重力辅助驱油。这种直井与水平井结合的方式可以在现有直井或水平井基础上，加钻水平井或直井来实现。同样，在完井时要在直井上部、水平井直井段或根部，采用绝缘套管或绝缘筛管完井。然后，采用耐温、耐油和耐水的电缆和特殊的井下膨胀电极连接器将电极(套管或筛管)与地面电源相连。在系统通电的同时，上部井注入N₂、CO₂、烟道气或天然气等气体，下部水平井同步或者后续采油。 

Claims (5)

1.一种气体与电加热辅助重力泄油技术，其特征在于采用上下双水平井或上部直井与下部水平井结合方式，两口井起到双电极作用，上部井作为注气井，下部井作为生产井。

2.根据权利要求1所述的气体与电加热辅助重力泄油技术，其特征在于：对于老区块，可以在现有水平井基础上，在上部加钻水平井或直井，或者在现有井眼基础上开窗侧钻水平井或定向斜井。对于新区块，可以油藏工程研究结果，部署上下双水平井、双底水平井或上部直井与下部水平井。在直井眼或水平井眼内采用筛管、衬管或者筛管与砾石充填完井。

3.根据权利要求1和2所述的气体与电加热辅助重力泄油技术，其特征在于将上下两口井的完井套管或筛管作为双电极，对于水平井，在水平井段与直井段之间采用绝缘套管或绝缘筛管进行完井；对于直井，在油藏上部某一位置采用绝缘套管或绝缘筛管进行完井。

4.根据权利要求1和3所述的气体与电加热辅助重力泄油技术，其特征在于采用耐温、耐油和耐水的电缆将上下电极分别与地面电源相连，电缆与电极之间采用特殊的膨胀连接器连接。

5.根据权利要求1所述的气体与电加热辅助重力泄油技术，其特征在于上部直井或水平井注入气体(N₂、CO₂、烟道气或天然气等)，保持合理注气压力，在油藏顶部捕集形成气顶，增加地层能量，保持地层压力，辅助重力驱油，同时还起到隔热作用，另一方面注入气体可以适当扩大热波及体积，改善加热效果。

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