CN104533365B - 一种利用石蜡介质开采油砂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用石蜡介质开采油砂的方法，该方法包括至少一个周期的如下步骤：在油井井筒内油藏段设置中心管，中心管外部设置套管，中心管与套管之间环形间用于容纳液态水；中心管上端设置通汽孔，其位置高于中心管与套管之间环空内液态水的工作液面，下端设置水蒸汽出汽孔；井筒与套管之间环空内注入石蜡介质，维持油层压力，通过加热系统将石蜡介质加热；在中心管与套管的环空内持续注入液态水；使石蜡介质与液态水换热产生水蒸汽，水蒸汽通过中心管通汽孔进入中心管、并从出汽孔流出与油藏接触换热；当水蒸汽的注入量达到油田蒸汽驱周期供热要求后，停止加热，通水，焖井后开始采油。本发明的方法生成蒸汽稳定，无污染，维护方便，投资低。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用石蜡介质开采油砂的方法，属于油砂开采领域。
背景技术
油砂又称为沥青砂或焦油砂，即含有沥青或焦油的砂或砂岩，是非常规石油资源之一。油砂中的原油粘度高，必须通过加热或稀释以便流动。
根据油砂矿的不同条件，国际上通常采取的开采方式有露头开采、就地开采以及其他方式开采，其中前两种为主要的开采方式。就地开采方式包括出砂冷采技术、蒸汽吞吐和蒸汽驱技术以及蒸汽辅助重力泄油技术、地下水平井注气体溶剂萃取油砂技术等等，其中以蒸汽吞吐和蒸汽驱技术以及蒸汽辅助重力泄油技术为主要的开采方式，其原理主要是通过高温过热水蒸汽携带热量，通过与含油砂地层接触热交换，软化沥青使之流动被采出。使用水作为热量载体开采油砂，存在能耗高、水耗大和环境不友好等缺点。首先，生产过热水蒸汽能耗巨大，燃料主要为天然气、煤炭或沥青残渣，燃料成本高，二氧化碳排放量大，此外，由于水蒸汽潜热不高，携带同样热量需要消耗大量淡水，从地面到井下的输送过程中热量损失严重，对于埋藏较深，地质条件复杂的油藏，水蒸汽可能未到达含油地层就部分冷凝，或者受到地下水影响，导致热量损失较大，加热周期过长，严重时导致驱油失败。
电加热是另一种发展中的油砂就地开采技术。目前的电加热技术尚未解决井下局部温度过高、温度场不均匀、和热量损失过大、加热周期过长等问题，同时，大量电力消耗成本过高也是限制这一技术商业化的根本原因。
发明内容
本发明的目的在于开发一种开采油砂的新方法，以避免现有技术中利用水作为热量载体，在地面使用锅炉生成蒸汽通过管路输送到油层，导致油砂开采过程中能耗高、能量损失大、水耗大和不环保等缺陷，同时克服电加热开采油砂过程中温度过高、温度场不均匀和热量损失过大、加热周期过长等问题。
为达上述目的，本发明提供一种利用石蜡介质开采油砂的方法，该方法包括至少一个周期的如下步骤：
(1)在油井井筒内油藏段设置中心管，中心管外部设置套管，在垂直方向上套管的下沿高于或等于中心管的下沿，套管下沿与中心管管壁之间密封连接，中心管与套管之间所形成的环形空间用于容纳液态水；中心管上端设置通汽孔，其位置高于中心管与套管之间环空内液态水的工作液面；中心管下端设置水蒸汽出汽孔，其位置低于套管下沿与中心管管壁之间密封连接处；
并且，井筒与套管之间的环空是用于容纳石蜡介质；且设置有能将石蜡介质加热的加热系统；
(2)在井筒与套管之间的环空内注入石蜡介质，维持油层压力，通过加热系统将石蜡介质加热；在中心管与套管所形成的环形空间内持续注入液态水；使石蜡介质与液态水换热产生水蒸汽，水蒸汽通过中心管通汽孔进入中心管、并从出汽孔流出与油藏接触换热；
(3)当水蒸汽的注入量达到油田蒸汽驱周期供热要求后，停止加热通水，焖井3～15天后开始采油。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，本发明所述的“至少一个周期”指的在利用本发明的方法进行一次采油后，可重复本发明所述的方法的步骤多次注入蒸汽再次采油。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，步骤(2)的目的在于持续产生水蒸汽，步骤(2)中所述的“通过加热系统将石蜡介质加热”与“在中心管与套管所形成的环形空间内持续注入液态水”的先后顺序不作限定，亦即无论是先加热后注入液态水，还是先注入液态水后加热均包含在所述的步骤(2)中。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，其中，中心管的内径为35～60mm，其长度为15～25m；套管的内径为55～100mm，其长度为15～25m；套管下沿与中心管管壁之间密封连接处离中心管下沿的距离为80～120mm，通汽孔距中心管上沿的距离为40～60mm处，水蒸汽出汽孔离中心管下沿的距离为40～60mm。
本发明采用了不溶于水、潜热高的石蜡介质为储热材料和传热介质，由于石蜡相变潜热大，释放热量稳定，能保持蒸汽生成的稳定性，减少水的消耗，使油砂就地开发能在干旱缺水的沙漠等环境下实施。
石蜡是石油中的低价值副产品，不溶于水，挥发性小，不污染地下水和大气，辅助改质设备可从油砂沥青中提取，使用现有溶剂脱蜡工艺生产，脱蜡后的油砂沥青改质油品质更高，具备较强的经济性，并且所得石蜡可循环注入新开辟的油井内，或储备备用。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，所述的石蜡介质为粗石蜡，其熔点高于所处油藏地层温度20℃以上，优选熔点为50℃以上的石蜡介质。粗石蜡价格低廉，其杂质含量和油含量只要不影响正常生产即可。例如本发明所述的石蜡可选自中石化荆门石化52#～58#全精炼石蜡或半精炼石蜡、70#、80#、85#石蜡，其中的数字52、58、70、80、85分别对应不同的熔点，可根据井位情况和实际生产需求，选择不同的牌号。
更进一步，为了提高石蜡的导热系数和相变焓，改善蜡结晶的晶核形态，可对多种牌号的工业粗石蜡产品进行复配，即采用混合粗石蜡为加热介质，还可以实施一定程度的改性，添加微量分散剂和/或添加剂，添加比例为(以质量百分含量计算)：在石蜡介质内添加了重量比为1/100000～1/1000的分散剂和/或重量比为1/100000～1/1000的添加剂的改性石蜡，其中所述的添加剂为金属材料、石墨、交联树脂高分材料和/或纳米材料等，改性后的石蜡其熔点也应高于所处油藏地层温度20℃以上，优选熔点为50℃以上的改性石蜡。相关的现有技术可参见“石蜡基复合相变储能材料的研究进展”(朱虹、王继芬等，上海第二工业大学学报，2009，26(3)：188-192)。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，在井筒与套管之间的环空内注入石蜡介质的深度为20～30m，体积为2～4m3；液态水的工作深度为20～25m，体积为2～3m3。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，其中，所述方法还包括部署自动控制系统并利用自动控制系统控制加热系统能量(例如电能)的输入、液态水的输入与水蒸汽的输出，使该方法稳定进行。具体的，所述的自动控制系统可包括在石蜡介质顶部、套管内侧和底部设置传感器，监测石蜡介质以及液态水的相态和温度；在水蒸汽出汽孔设置传感器，监测水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的干度、速度和压力。还可进一步包括自动控制系统工作站。本发明的自动控制系统中的各部件均可采用现有技术设备，例如可使用热敏电阻测量温度，涡街流量计测定水蒸汽流量，传感系统可应用压电应力式传感器，其可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。所述的自动控制工作站可根据速度流量计和温度传感器实时采集的数据，在控制软件中进行计算，转换为对电流强度和注水速度的调节，采用PID控制阀的动作来控制加水流量，以及蒸汽生产的速度，达到系统的稳定运行。更具体的自动控制系统可以根据化工自动化领域的现有技术设计。
根据根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，其中，水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的干度为40％～100％，优选60％～100％；水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的速率与注入液态水流率基本相等，范围为100～200m3/d；优选地，步骤(2)中维持油层压力5MPa～8MPa。
根据本发明的具体实施方式，在所述的利用石蜡介质开采油砂的方法中，所述的部署加热系统具体是在油井内石蜡介质段部署加热导线，连接电能使石油介质加热。加热系统通常包括逆变器、电流控制单元和储能设施等。电能可以为外网电能提供，也可以由太阳能或风能提供，本发明优选由太阳能或风能提供，利用太阳能或风能较常规电能具有如下优势：太阳能或风能为绿色可再生能源，不会产生二氧化碳排放和含硫氮烟气等环境污染；将太阳能或风能储存在石蜡介质中，以石蜡介质加热液态水，由于石蜡相变的热量缓释效果可以削弱白天和黑夜等波峰波谷，从而利用太阳能或风能可将不稳定的能源应用于油砂的开采中；太阳能或风能可以就地利用相应的发电设备生产，无需架设相应的外网电力输送线；发电设备可对油田抽油泵供电或连接储能装置储电；加热井停止生产蒸汽，转化为地下储能设施；整个油藏枯竭结束生产后，发电设备转为集中电站，并网发电。
本发明的利用石蜡介质开采油砂的方法，主要是用于开采油砂中的原油。
具体实施时，通常根据地质勘探和储量评估结果，按照五点或九点钻井法部署加热井和生产井，将本发明所述的方法相应的套管、中心管等实施本发明方法的相应部件部署在井筒内，通常将本发明的油井作为加热井，以在含油地层形成围绕生产井的温度梯度场；
根据油砂性质评价和地层矿床勘测结果，设定加热和生产周期，计算需要输入地层的热量，和对应需要的电力功率，按当地太阳能和风能资源分布，计算每口加热井需要配备的光伏电池组件或风力发电机数量、功率；
根据含油地层温度、地层渗透率和含油油砂性质，计算需要注入加热井的石蜡量，和加热、生产期间的逸散速度，设定每口加热井的补充周期；
根据整个矿区的能耗预测结果，计算需要匹配的储能设施功率，以应对电力生产的波峰波谷，和极端天气下系统的无功补偿需求；通常储能设施可配备一定的冗余，以满足电力生产的扩展性。储能设施合理的功率范围为满足矿区所有加热井5-10天电能消耗为宜；
部署整套加热系统后，注入石蜡并密闭井口，维持油层压力，进入加热周期，持续注入淡水，监测石蜡相变情况，自动调整输入功率和水流量，保持系统整体运行稳定和平衡；系统稳定的注汽压力为5MPa～8MPa、注汽干度为40％～100％，优选干度为60％～100％；注汽速率根据实际油藏加热驱替的要求而定，通常单井的注汽速率与液态水流率相等，范围为100～200m3/d；
在生产井监测地层压力、温度和其他参数，达到生产条件后，适量降低加热功率，维持地层温度，停止注水，将电能转而进行抽油泵作业、油水分离和沥青输送存储等其他操作；
当生产井无法继续作业时，暂停抽油，继续开始下一轮加热；
整个油砂油藏开发完毕后，停止加热系统，所有发电设施功能转变为电力生产。
综上所述，本发明所提供的利用石蜡介质开采油砂的方法与现有的直接利用蒸汽加热油砂开采的技术相比具有如下的有益的技术效果：
(1)、本发明所述的方法是在已提出的电导线加热方法基础上，将加热介质改变为潜热更高的石蜡，石蜡相变潜热大，释放热量稳定，能保持蒸汽生成的稳定性；
(2)、本发明是在井底发生蒸汽，传热效率大大增加，达到同等驱油效果时，减少了需要的热载体数量，因此节约了用水，减少水的消耗，使油砂就地开发能在干旱缺水的沙漠等环境下实施；
(3)、石蜡是石油中的低价值副产品，不溶于水，挥发性小，不污染地下水和大气，既可从市场采购标准牌号的成品，也可应用现有的溶剂脱蜡工艺和辅助改质设备从油砂沥青中提取，脱蜡后的油砂沥青改质油品质更高，具备较强的经济性；
(4)、本发明中采油的热量和电能可来自于可再生的太阳能和风能，减少了油砂开发中大量的二氧化碳排放和燃烧煤炭、沥青残渣对大气的污染；将可再生的新能源电力储存在石蜡介质中，以石蜡介质加热液态水，由于石蜡相变的热量缓释效果可以削弱白天和黑夜等波峰波谷，从而本发明能将不稳定的能源应用于油砂的开采中；
(5)、在生产热量的过程中，无须蒸汽锅炉和高温高压蒸汽注入设备，以及价格高昂的井下蒸汽发生器，维护方便，工程投资大幅降低；
(6)、可利用自动控制系统，使本发明方法稳定平稳进行；
(7)、油田作业结束后加热井可变为储能设施，储存非常规电力、减小电网负载波动，发电设施可转变为地面电站，并网发电或远距离输送电力到附近油田继续采油，实现资源循环利用；
(8)、全套系统投资小，工作条件宽泛，适用性强，工艺简单，成本低廉，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明所述方法的工作示意图。其中1为井筒、2为套管、3为中心管、4为通汽孔、5为水蒸汽出汽孔、6为加热系统所输出的电能流向、7为持续注入的液态水的流向、8为尚未熔化的石蜡介质、9为熔化了的石蜡、8-9为尚未熔化的石蜡介质与熔化了的石蜡的界面、10为液态水、11为由液态水产生的水蒸汽、10-11为水蒸汽与液态水的汽液界面。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例详细说明本发明技术方案的实施和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
2013年以来，生产井日产油量维持在3m3/d左右，低于历史平均水平，决定采用本方法所述的方法进行注气热采。
请参见图1，本实施例是利用太阳能供电加热注石蜡垂直井的就地开采油砂方法，所述方法包括以下步骤：
经试井操作，结合前期勘探数据，得到油藏基本数据为：油层深度：350m；油层厚度：12m；油层温度：38.5℃；地温梯度4.85℃/100m；油层压力：5.5MPa；油层水平渗透率：0.6D；油层垂直渗透率：0.2～0.3D；脱气原油粘度：25000mPa·s；油井存水：1000m3；
按蒸汽吞吐法部署正方形五点井网，注采井距100m；
选定加热井，其井眼即图1中的井筒1的直径为365.8mm，在加热井井筒内油藏段设置中心管3，其长为19m，中心管3内径43.5mm，中心管3外部设置套管2，其长为20m，套管2外径63.5mm，其下端与中心管3密封连接，密封连接处距离中心管下沿为50mm，中心管3与套管2所形成的环形空间用于容纳液态水10；中心管3上端设置通汽孔4，其距中心管3上沿50mm，其位置高于液态水的工作液面10-11，液体工作液面10-11维持在距中心管3上沿200mm附件波动，中心管3下端设置水蒸汽出汽孔5，其位置低于密封连接处，为距离中心管下沿100mm处；井筒1与套管2所形成的环形空间用于容纳石蜡介质10；部署加热系统，加热系统可将石蜡介质8加热使其液化成液体石蜡9，两者的界面为8-9；在石蜡介质顶部、套管内侧和底部设置传感器(图中未显示)，监测石蜡介质以及液态水的相态和温度；在水蒸汽出汽孔5设置传感器(图中未显示)，监测水蒸汽输出口输出的水蒸汽的干度、速度、温度和压力；
在井筒1与套管2所形成的环形空间注入70#石蜡(生产厂家为中石化荆门石化)介质并密闭井口，注石蜡段深20m，体积2～3m3，维持油层压力约5.5MPa；连接太阳能发电单元，按8小时足额供电计算，单井功率需求为20KW，配置逆变器1个，电流控制和储能设施1套；通过加热系统如图1中所示的加热系统所输出的电能流向6将石蜡介质8加热；如图1所示的持续注入的液态水的流向7在中心管3与套管2所形成的环形空间内持续注入液态水，液体石蜡9与液态水换热产生水蒸汽，水蒸汽通过中心管通汽孔5流出与油藏接触换热；设定注汽压力、注汽干度和注汽速率分别为5.8MPa、60％和160m3/d；本实施例配备一套自动控制设备，利用所设置的传感器及自动控制设备保证蒸汽出汽孔的水蒸汽满足上述要求。自动控制设备的传感系统用于监控井底热量分布和水蒸汽生产情况，同时反馈至地面供水和供电系统，进行协同调节。当井底接近产生过热现象，石蜡已经全部液化时，调节部分电力至储能系统或井网中的其他加热井，同时加大水阀开度，使水蒸汽产量加大，携带更多的热量到地层；当井底供热不足时，液态石蜡逐渐固化，调节增加电力输送，同时减小水阀开度，使水蒸汽产量减小，达到稳定生产状态。
当周期注气量达980m3时，停止加热，焖井3天，然后开始采油，将太阳能改送抽油泵做功。其结果如表一所示。
表一
本实施例中，自2013年6月14日起，产油量得到大幅提升，经油田生产仪表统计数据，采出程度8％，油气比0.86t/t，回采水比例66.80％，平均日均采油量6.5t/d。采油完毕后可进入下一注气周期，周期注气量962m3，速率157m3/d。
Claims (14)
1.一种利用石蜡介质开采油砂的方法，该方法包括至少一个周期的如下步骤：
(1)在油井井筒内油藏段设置中心管，中心管外部设置套管，在垂直方向上套管的下沿高于或等于中心管的下沿，套管下沿与中心管管壁之间密封连接，中心管与套管之间所形成的环形空间用于容纳液态水；中心管上端设置通汽孔，其位置高于中心管与套管之间环空内液态水的工作液面；中心管下端设置水蒸汽出汽孔，其位置低于套管下沿与中心管管壁之间密封连接处；
并且，井筒与套管之间的环空是用于容纳石蜡介质；且设置有能将石蜡介质加热的加热系统；
(2)在井筒与套管之间的环空内注入石蜡介质，维持油层压力，通过加热系统将石蜡介质加热；在中心管与套管所形成的环形空间内持续注入液态水；使石蜡介质与液态水换热产生水蒸汽，水蒸汽通过中心管通汽孔进入中心管、并从出汽孔流出与油藏接触换热；
(3)当水蒸汽的注入量达到油田蒸汽驱周期供热要求后，停止加热通水，焖井3～15天后开始采油。
2.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，中心管的内径为35～60mm，其长度为15～25m；套管的内径为55～100mm，其长度为15～25m；套管下沿与中心管管壁之间密封连接处离中心管下沿的距离为80～120mm，通汽孔距中心管上沿的距离为40～60mm处，水蒸汽出汽孔离中心管下沿的距离为40～60mm。
3.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述的石蜡介质为粗石蜡或混合粗石蜡，其熔点高于所处油藏地层温度20℃以上。
4.根据权利要求3所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述石蜡介质为熔点为50℃以上的石蜡介质。
5.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述石蜡介质为添加了重量比为1/100000～1/1000的分散剂和/或重量比为1/100000～1/1000的添加剂的改性石蜡，其中所述的添加剂为金属材料、石墨、交联树脂高分材料和/或纳米材料，改性石蜡的熔点高于所处油藏地层温度20℃以上。
6.根据权利要求5所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述的改性石蜡为熔点为50℃以上的改性石蜡。
7.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，在井筒与套管之间的环空内注入石蜡介质的深度为20～30m，体积为2～4m3；液态水的工作深度为20～25m，体积为2～3m3。
8.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述方法还包括部署自动控制系统，并利用自动控制系统控制加热系统能量的输入、液态水的输入与水蒸汽的输出，使该方法稳定进行。
9.根据权利要求8所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述的自动控制系统包括在石蜡介质顶部、套管内侧和底部设置传感器，监测石蜡介质以及液态水的相态和温度；在水蒸汽出汽孔设置传感器，监测水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的干度、速度和压力。
10.根据权利要求1或9所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的干度为40％～100％；水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的速率与注入液态水流率相等，范围为100～200m3/d。
11.根据权利要求10所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述水蒸汽出汽孔输出的水蒸汽的干度为60％～100％。
12.根据权利要求10所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，步骤(2)中维持油层压力5MPa～8Mpa。
13.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，其中，所述的加热系统含有太阳能或风能发电装置。
14.根据权利要求1所述的利用石蜡介质开采油砂的方法，该方法是用于开采油砂中的原油。
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