CN112324409B - 一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，利用电加热装置将井筒附近油层的原油加热到目标温度，通过向加热段注入化学反应助剂，达到高温水热裂解原油反应条件，产生的轻质油组分和气体，在热力和重力作用下向汽腔上升，运移到汽液界面处的轻质油和部分气体溶解到原油中降低原油粘度，增加原油产量；留在汽腔中的非凝结气体为汽腔扩展补充能量，降低汽腔向顶盖层的热损失。泄到裂解反应段的原油经过加热后继续裂解过程，泄到生产段的原油进入筛管后由井下泵举升到地面。本发明利用在油层中原位产生溶剂的方法实现溶剂辅助开采稠油，提高热量利用率，降低CO2排放量，提高最终采收率，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法
技术领域
本发明属于油田开发领域，涉及一种稠油开采方法，特别是涉及一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法。
背景技术
中国稠油资源量超过200×108t，分布于12个沉积盆地的70多个油田，目前投入商业开发的动用地质储量约为14×108t。由于中国的大部分稠油油藏的原油粘度高于10,000mPa.s，主要以注蒸汽热力开采为主。蒸汽吞吐仍然是中国稠油开采的主要方式，但大部分油田已经进入到开采的末期，蒸汽效率低，最终采收率一般小于30%。蒸汽驱和SAGD技术的采收率较高（高于50%），但仅仅适用油藏物性较好的油藏，而且蒸汽耗量大。注蒸汽结束后，在油藏中留下大量的剩余油得不到经济开采。
为提高注蒸汽热采过程中的热效率，近年来在蒸汽中加入溶剂和非凝结气体技术方面开展了大量的研究和现场试验。加入非凝结气体的主要作用是降低蒸汽汽腔顶部的温度，减小热损失，提高油汽比。通过大量的室内实验研究证明，通过在蒸汽中加入非凝结气体的方式可以降低SAGD开采过程中的蒸汽用量。国内外的多家油公司开展的现场试验结果表明，加入非凝结气体后，不但可以提高蒸汽效率，还有利于汽腔在低渗透区域中的扩展，减少油藏非均质性对汽腔发育状态的影响。但当汽腔中的非凝结气体含量过高时，会降低油井的产量。
室内研究和现场试验证明，在蒸汽吞吐和SAGD过程中加入溶剂有利于提高原油产量。添加的溶剂主要以C4-C10环烷烃为主，与蒸汽同时注入或者溶剂和蒸汽间歇式注入。代表性技术包括在蒸汽加入液体溶剂的吞吐技术（LASER-Liquid Addition to SteamEnhanced Recovery）和膨胀溶剂辅助重力泄油技术ES-SAGD (Expanding Solvent-SAGD)、溶剂辅助SAP (Solvent Aided Process)采油工艺技术等。Cenovus公司在Christina Lake油田的SAGD项目中，开展了蒸汽中加轻质油（溶剂）的现场试验。结果表明，在蒸汽中加入轻质油 (C4-C10)后，油产量和油汽比提高幅度超过50%，而且原油的API重度和粘度下降。所以加入溶剂后，不但改善原油的产量和蒸汽热效率，同时还会改善原油的油品性质。
虽然溶剂辅助注蒸汽开采稠油的效率高，但溶剂的成本高，再加之注入地层中的溶剂回收率通常较低（小于70%），导致注溶剂开采稠油的操作成本高，甚至不经济。为了克服这一技术难题，本发明提出了一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，利用可控的高温水热裂解方式在油藏中产生稠油开采所需要的热量（蒸汽）、溶剂（原油轻质组分）和非凝结气体，不需要在地面产生蒸汽和加入溶剂，降低了CO2的排放量和操作成本，不仅仅可以运用于SAGD的中后期，还可以运用到其它类型的稠油开采过程，如蒸汽吞吐后期的储量挖潜和接替措施，以及低品位稠油油藏的开采。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，不需要在地面产生蒸汽和加入溶剂，而是利用在油层中原位产生溶剂的方法实现溶剂辅助开采稠油的过程，提高热量利用效率，降低CO2的排放量，提高最终采收率，解决了SAGD开采稠油的中后期，油井产量和油汽比低的技术问题，具有广阔的市场应用前景。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
本发明利用电加热装置将井筒附近油层的原油加热到目标温度，通过向加热段注入化学反应助剂，达到高温水热裂解原油的预设反应条件，产生的轻质油组分和气体，在热力和重力作用下向汽腔上升，运移到汽液界面处的轻质油和部分气体溶解到原油中降低原油粘度，增加原油产量。留在汽腔中的非凝结气体为汽腔扩展补充能量，降低汽腔向顶盖层的热损失，改善油汽比。泄到裂解反应段的原油经过加热装置升温后继续裂解过程，泄到生产段的原油进入筛管后由井下泵举升到地面。
一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，依次包括以下步骤：
步骤一、在位于油层下部的水平生产井的筛管内下入无接箍导管至水平段末端，将带有加热器的连续油管从导管内下入到水平段，该加热器位于水平段后端；在水平段的筛管和导管环空之间下入一耐高温封隔器（超过350oC），将水平段的环空隔成两个互不连通的独立井段，前部分为生产段，后部分为裂解反应段，带有加热器的连续油管位于裂解反应段；
步骤二、在地面开启电源，向位于水平段后端的加热器输入电功率，加热井筒附近的油层；通过在连续油管内的热电偶或者光纤监测井筒温度，待表面温度到达300~450℃的目标温度后，通过导管向裂解反应段注入化学反应助剂，促使高温水热裂解原油反应的进行；
步骤三、原油高温裂解产生的轻质油组分和非凝结气体的混合物流向蒸汽汽腔，并在汽液界面处聚集和凝结，轻质油组分和部分气体溶解到原油中降低原油粘度，稀释后的原油沿汽液界面流向水平生产井，泄到裂解反应段的原油通过加热器继续裂解过程，而泄到生产段的原油在筛管之上形成动液面（判断井下生产段液面高度与Sub-cool计算方法一致）；
步骤四、当生产段井底压力和温度达到预定值后，开启井下泵通过生产油管将原油举升到地面采出。
进一步地，所述连续油管内置电缆、用于温度监测的热电偶或光纤以及井下加热器。
进一步地，所述裂解反应段采用电加热方式，即通过热传导式的电阻加热或者感应式的电磁、微波。
进一步地，所述加热器的表面温度按照原油的最佳水热裂解温度设置，与原油性质和裂解过程有关，变化范围为300-450oC，加热器的表面温度通过连续油管内的热电偶或者光纤监测，温度由输入的电功率在地面进行控制。加热器的加温过程根据油层需要也可以是持续稳定的，也可以是间断的方式。
进一步地，通过导管中注入的化学反应助剂为氢气、氧气、空气、水、金属离子催化剂中的一种或组合，注入的方式可以是连续的，也可以是间断的。
进一步地，注入的化学反应助剂类型和注入速率由原油组分、裂解反应动力学参数和汽腔操作压力确定。所述汽腔操作压力保持稳定在2.0~5.0 MPa。
进一步地，裂解反应段的原油来自上部油层泄下的原油，在裂解反应段中实现原油流入、原油裂解、气相组分（轻质油组分和非凝结气体）流入汽腔、液相组分采出和上部油层原油再流入的自循环过程。
进一步地，原油高温裂解过程中，在产生轻质油组分和非凝结气体的同时，加热器对油层持续加热，加热地层中的凝结水而产生额外蒸汽，向汽腔补充热量。
进一步地，在原始油藏中或者蒸汽吞吐后的油藏中，生产井裂解反应段的操作压力应等于或者略高于当前油藏压力。
进一步地，所述轻质油组分是指碳数小于10的饱和烃 (C4~C10)，所述非凝结气体是指CO2、N2、O2、H2、CO、CH4、H2S或其混合物。
进一步地，通过井下泵采出的原油具有部分改质的特征，相对于原始油藏中的原油，比重和粘度有所下降。
进一步地，井下泵的流体温度小于井底压力下的饱和蒸汽温度(温差大于 5.0oC)，以确保流体不发生闪蒸。
进一步地，所述化学反应助剂经裂解反应段的导管注入口进入生产筛管环空，经生产筛管进入地层；生产段的流体进入生产筛管，通过井下泵举升到地面，在同一井筒中实现注入和采出的全过程。
进一步地，原油裂解过程和原油生产过程也可以在不同的水平井中分别完成。
与现有技术相比，本发明不需要在地面注溶剂和蒸汽而实现油藏中溶剂辅助开采稠油的自循环过程，具有以下有益效果：
（1）利用井下原油裂解改质，原位产生溶剂为油层提供驱替介质和能量；
（2）利用在位于油层下部水平井中采用独特的分段方式在同一井筒中实现注入和采出的过程；
（3）高温裂解过程可控和持续，向生产井的持续重力泄油确保原位产生溶剂的可持续性；
（4）仅仅对泄到反应段的原油加热，将加热范围集中在井筒附近油藏，而不是对整个油藏加热，用较小的热能达到水热裂解需要的最佳温度，热能利用效率高；
（5）实现了原位产生驱替介质（溶剂）、驱油和生产的完整自循环过程；
（6）由于大部分温室气体将留在地下，降低了开采过程对环保的影响。
本发明运用范围广泛，可以用于：
（1）注蒸汽开采后的油藏，提高余热利用效率和剩余油储量挖潜；
（2）埋藏深度超过地面注蒸汽开采深度的普通稠油油藏；
（3）冷采后和薄油层等稠油油藏提高采收率。
附图说明
图1是一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法流程图。
图2是图1导管水平段管柱结构和井下加热装置的局部放大图。
图3是原位产生溶剂在汽腔中流动和开采机理示意图。
图4是采用双水平井实现原位产生溶剂开采稠油的方法示意图。
图5是实施例1中的开采过程示意图。
图6是实施例2中的开采过程示意图。
图中：1-生产油管；2-井下泵连接系统；3-连续油管（内置供电电缆、温度监测和井下加热器）；4-导管（无接箍）；5-动液面；6-生产套管；7-井下泵；8-蒸汽汽腔；9-生产筛管；10-封隔器；11-加热器；12-裂解原油的轻质+气相组合（轻质油组分和非凝结气体）；13-汽液界面；14-可动原油层；15-未动用油层；16-油层底界；17-油层顶界；18-导管注入口；19-裂解反应段；20-生产段；21-电缆；22-加热器表面温度测量点；23-生产井；24-生产井上部原油；25-裂解反应区域；26-稀释后原油流动方向；27-裂解原油轻质和气相组分流动方向；28-裂解后原油的轻质和气相组分；29-稀释油流动层；30-扩展汽液界面；31-相邻生产井；32-垂直注汽井射孔段；33-垂直注汽井；34-溶剂+非凝结气体汽腔。
具体实施方式
下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参见图1、图2。
首先将导管（无接箍）4下入生产套管6，进入生产筛管9到达水平段的末端，将连续油管3通过导管推到水平段的末端；连续油管中预置了井下电加热器11、加热器表面温度测量点22和电缆21，在下入导管的过程中，按照设计的深度位置下入热采封隔器10。井下设施安装就位后在井口采用相对应的井口装置密封，并将井下温度测试信号引导到地面。开启电源，向井下电加热器供电，通过加热器表面温度测量点22监测加热器表面温度，当达到设计值后，通过导管在井口注入化学助剂，通过导管注入口18进入到裂解反应段19，在高温下实现对原油的水裂解反应，产生的原油轻质组分和气体以及蒸汽等混合物流向蒸汽汽腔8，实现溶剂辅助重力泄油的开采过程。从蒸汽汽腔泄下的流体进入生产段20中的筛管，流向井下泵7通过生产油管1而举升到地面。
SAGD中后期采用原位产生溶剂开采产稠油的过程如图3所示。主要包括：
（1）部分原油裂解原位产生溶剂：
由加热器11持续向裂解反应段19上面的油层提供热源，提高近井地带的温度到原油的目标裂解温度。由于水平生产井上面的积聚流体来自蒸汽汽腔8和沿汽液界面13泄下的原油和凝结水的混合物，通常情况下含70-80%的水和20-30%的油。取决于蒸汽汽腔8的压力，在加热器的持续加热下，反应段水平井上面的部分凝结水将再次汽化，在高温蒸汽条件下发生原油的水热裂解反应，根据需要，通过导管向反应段注入催化剂或者H2等气体，创造更有利于化学反应的条件。
（2）溶剂向汽腔的运移维持汽腔压力：
高温水热裂解产生的轻质油组分（C4~C10)、气体和蒸汽的混合物，向上流向现有汽腔，增加驱动能量。
（3）溶剂向原油的溶解增加原油产量：
轻质油和气体组分流向汽液界面13， 轻质油组分和部分气体组分（如CO2、CH4等）将通过汽液界面13扩散并溶解到稀释油流动层29的原油中，降低流动层的原油粘度，增加泄油速率，提高油井产量。
（4）原油的产出：
泄到下部生产井的大部分原油将被产出，在反应段水平井上部的原油将被裂解。其中在反应段发生的过程是一个连续的自循环过程。随着开采过程的进行，汽腔将向外扩展，在大幅度降低甚至停止地面注蒸汽的条件下，利用油层原位产生溶剂的开采方式提高油层的最终采收率。
实施例1（如图4、图5所示）
一超稠油油藏采用直井注气和水平井采油的SAGD生产方式，水平井的水平段长度400米，汽腔操作压力4.0 MPa。经过数年的注蒸汽连续开采后，在油藏中形成了较大的汽腔体积，原油采出程度超过45%。随着SAGD进入中后期开采阶段，汽腔中注入蒸汽的热损失比例增大，油汽比降低，泄油速率降低。为了充分利用汽腔中的余热，降低单位采出油量的蒸汽耗量，决定在地面大幅度降低或者停止注蒸汽。室内研究和数值模拟研究表明，溶剂辅助SAGD是提高中后期开采效果的最佳方式。但考虑到在地面注溶剂的成本高，建议实施一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法。
首先在现有的水平生产井中安装了在油层中原位产生溶剂开采稠油方法所需的所有井下管柱和装置，包括井下电加热装置（200-300 kW）、供电电缆和井下温度监测。采用热采封隔器将生产筛管分成反应段和生产段，其中反应段100米，生产段300米。开启井下电加热装置，将加热温度升高并控制稳定在300-350 oC, 在目前的汽腔压力下，水平井近井地带的凝结水变成蒸汽，在地层高温下与原油发生高温水热裂解反应，生成的原油轻质组分和气体流入现有的蒸汽汽腔，为现有汽腔提供能量。运移到汽液界面的轻质油组分和部分可溶气体溶解到原油中降低原油粘度，降低粘度的原油在重力作用下沿汽液界面流向生产井，在生产段的流体通过井下高温井下泵举升到地面。泄到反应段的原油继续发生高温水热裂解反应，持续原位产生溶剂的过程。为进一步提高生产效果，试验了向反应段注入氢气的方法，通过对加氢前后的生产动态和产出原油组分变化的对比和评价，为优化反应条件和井下操作参数提供了基础。汽腔中溶剂的浓度也将随生产时间而增加，溶剂辅助下的油井产量也会随之提高。随着开采过程的进行，汽腔进一步向外扩展，波及更大的开采范围，改善最终采收率，并取得减排增效的目标。
实施例2（如图6所示）
该油藏的原油在油藏温度下的粘度为5000-10000mPa.s，纯油层厚度5-10米，油层深度2000米，油层压力20 MPa。该油藏原油在油层温度下具有一定的流动能力，但冷采产量低。由于受油层深度和厚度的限制，地面注蒸汽热采效率低，难以取得经济油汽比。
在油层中钻一口水平段长度400-600米的水平井，位于油层的底部，水平段采用筛管完井（如图6所示）。首先在水平生产井中安装了在油层中原位产生溶剂开采稠油所需的所有井下管柱和电加热装置（200-300 kW）、供电电缆和井下温度监测。采用热采封隔器将生产筛管分成反应段和生产段，其中反应段100米，生产段300-500米。并在水平生产中下入生产油管，通过油管下入高温螺杆泵。启动螺杆泵冷采，预计初期产量5-10 t/d。开启井下电加热装置，将加热器表面温度升高并控制稳定在350 oC以上, 根据地层中的含水情况，通过导管与连续油管的环空向地层中注入2-10 t/d 水，在电加热装置的持续加热下，在反应段产生的蒸汽与原油发生高温水热裂解反应，生成的原油轻质组分溶解到原油中降低原油粘度，生成的气体和部分蒸汽将降粘后原油驱向生产段，通过井下高温螺杆泵举升到地面。由于地下原油的改质，轻质组分增加，加之近井地带油层温度的提升和原位生成气体的驱动作用，预计油井产量将成倍提高。可以考虑向反应段地层注入氢气或者催化剂，通过对生产动态和产出原油组分变化的对比和评价，优化反应条件和井下操作参数。
随着开采过程的进行，首先在反应段上部油层形成汽腔，该汽腔中的主要成分是水热裂解原油产生的气体和少量蒸汽，汽腔的温度低于油层压力的饱和蒸汽温度。随着生产过程的进行，汽腔逐渐向生产段扩展。在油层中利用单水平井实现原位产生溶剂开采深层稠油的方式，采用该发明方法不但提高油井产量，还提高最终采收率。一般稠油冷采的采收率为5-15%，由于本发明运用溶剂辅助重力泄油方式，效率高，可望将最终采收率提高到40%以上。
综上所述，本发明所述一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，通过井下加热和注入化学助剂方式，在近井地带油层中实现高温水热裂解条件，原位产生的轻质油组分和气体，向地层提供驱替原油的介质和能量，提高原油产量、品质和最终采收率。由于开采过程降低或者消除了地面注蒸汽所产生的温室气体，在降低开采成本的同时，使开采过程更清洁和环保。

Claims (13)

1.一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，依次包括以下步骤：
步骤一、在位于油层下部的水平生产井的筛管内下入无接箍导管至水平段末端，将带有加热器的连续油管从导管内下入到水平段，该加热器位于水平段后端；在水平段的筛管和导管环空之间下入耐高温封隔器，将水平段的环空隔成两个互不连通的独立井段，前部分为生产段，后部分为裂解反应段，带有加热器的连续油管位于裂解反应段；
步骤二、在地面开启电源，向位于水平段后端的加热器输入电功率，加热井筒附近的油层；通过在连续油管内的热电偶或者光纤监测井筒温度，待到达300~450℃的目标温度后，通过导管向裂解反应段注入化学反应助剂，促使高温水热裂解原油反应进行；
步骤三、原油高温水热裂解产生的轻质油组分和非凝结气体的混合物流向蒸汽汽腔，并在汽液界面处聚集和凝结，轻质油组分和部分凝结气体溶解到原油中降低原油粘度，稀释后的原油沿汽液界面流向水平生产井，泄到裂解反应段的原油通过加热器继续水热裂解过程，而泄到生产段的原油在筛管之上形成动液面；水平生产井上面的积聚流体来自蒸汽汽腔和沿汽液界面泄下的原油和凝结水的混合物，含70-80%的水和20-30%的油，在加热器的持续加热下，反应段水平井上面的部分凝结水将再次汽化，在高温蒸汽条件下发生原油的水热裂解反应；
步骤四、当生产段井底压力和温度达到预定值后，开启井下泵通过生产油管将原油举升到地面采出。
2.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述连续油管内置电缆、用于温度监测的热电偶或光纤以及井下加热器。
3.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述裂解反应段采用电加热方式，即通过热传导式的电阻加热或者感应式的电磁、微波。
4.如权利要求2所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述加热器的表面温度按照原油的水热裂解温度设置，变化范围为300-450oC。
5.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，通过导管中注入的化学反应助剂为氢气、氧气、空气、水、金属离子催化剂中的一种或组合。
6.如权利要求5所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，注入的化学反应助剂类型和注入速率由原油组分、水热裂解反应动力学参数和汽腔操作压力确定。
7.如权利要求6所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述汽腔操作压力保持稳定在2.0~5.0 MPa。
8.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，裂解反应段的原油来自上部油层泄下的原油，在裂解反应段中实现原油流入、原油水热裂解、气相组分流入汽腔、液相组分采出和上部油层原油再流入的自循环过程。
9.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，原油高温水热裂解过程中，在产生轻质油组分和非凝结气体的同时，加热器对油层持续加热，加热地层中的凝结水而产生额外蒸汽，向汽腔补充热量。
10.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，在原始油藏中或者蒸汽吞吐后的油藏中，生产井裂解反应段的操作压力等于或略高于当前油藏压力。
11.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述轻质油组分是指碳数小于10的饱和烃，所述非凝结气体是指CO2、N2、O2、H2、CO、CH4、H2S或其混合物。
12.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，井下泵的流体温度小于井底压力下的饱和蒸汽温度，以确保流体不发生闪蒸。
13.如权利要求1所述的一种在油层中原位产生溶剂开采稠油的方法，其特征在于，所述化学反应助剂经裂解反应段的导管注入口进入生产筛管环空，经生产筛管进入地层；生产段的流体进入生产筛管，通过井下泵举升到地面，在同一井筒中实现注入和采出的全过程。
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