CN114718532B - 一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，包括：步骤一、在生产井附近设置操作井，在操作井的井下加热段对套管进行均匀射孔，将间隔放置加热器和微波发生器的电缆下入加热段；步骤二、将催化剂水溶液注入加热段；步骤三、同时开启加热器和微波发生器，加热段周围储层形成高温催化反应区，稠油发生水热裂解反应；步骤四、裂解反应产生的非凝结气体和轻烃向储层四周扩散，逐渐溶解于稠油中，使原油粘度降低，形成快速泄油面和泄油区，泄油区内的稠油由于重力作用泄至油藏底部，由生产井举升至地面。本发明能够提高深层超深层稠油油藏开采效率，拓展低品位、深层和复杂类型稠油油藏开采规模，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发领域一种深层稠油油藏开发的方法，特别是涉及一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法。
背景技术
世界上发现的原油资源中，稠油占70%以上。我国稠油资源丰富，目前探明陆上稠油资源量超过200亿吨，具有巨大的开发潜力。由于稠油在地下原始条件下的流动能力差，以注蒸汽为主的热力开采是目前稠油开采的主要方式。主要的商业化开采技术包括蒸汽吞吐（CSS）、蒸汽驱(SF)、蒸汽辅助重力泄油（SAGD）和火烧油层技术(ISC)。然而常规注蒸汽热采技术由于地面管线和沿井筒的热损失量大，降低了用于加热油藏的有效热量，通常适用于油层埋藏相对较浅(<2000米)的油藏。中石化西北局的塔河油田的超稠油油藏埋深超过5000米，在地层温度（>120oC）下，原油粘度200-4000 mPa.s，具有从地层流到井底的能力。但在沿井筒向地面的流动过程中，由于流体温度降低和溶解气的脱出，原油粘度升高，流动阻力增大，通常在距离地面2000-3000米左右时，流体失去正常举升所需要的流动能力。目前针对该油藏主要采用在井筒中掺稀降粘的方式，平均掺稀比例(稀油与稠油体积比)通常超过3.0，一些原油粘度较高的油井掺稀比例更高。在井下掺稀后，不但增加了举升体积和举升费用，混入的稀油也将以稠油价格出售，大大增加了生产成本。一些超稠油区块由于受稀油资源所限和成本的增加，不能投入经济开采。
原位改质稠油可保证稠油在较低温度下仍具有一定的流动性，很好地解决了举升过程的难题，同时，也规避了物理降粘的缺点。实验室研究表明，在350~500℃条件下，稠油分子中共价键断裂生成自由基，自由基相互组合不仅会产生轻烃，还会产生CO2、CO、H2S、H2等非凝结气体，而催化剂还可进一步降低热解反应温度至300℃左右，此温度条件可通过电阻、电磁和微波等方式加热近井地带达到。其中电阻加热在井筒中产生热量通过热传导的方式使井筒周围的稠油升温；电磁加热依靠低频电阻热损耗生热机制或高频介质极化，在稠油内部产生热；微波加热依赖于物质的介电性，通过偶极偶化和离子传导两种方式实现。此外，微波还具有非热效应，即当微波频率接近稠油分子固有频率，会促进稠油分子的化学键断裂，降低沥青质和胶质的含量，在提高稠油裂解效率的同时还能进一步降低稠油粘度，使得稠油在低温环境中仍具有较好的流动性。
目前常规注蒸汽的热力开采方式不适用于深层稠油油藏的开发，本发明结合催化改质与电磁加热等技术，提出了一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，具有原位改质降粘、产生溶剂非凝结气体辅助重力泄油、提升原油品质等优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，该方法具有原位改质降粘、产生非凝结气体和轻烃辅助重力泄油、提升原油品质等优势，不仅提高了原油在油藏中的流动能力，还解决了井筒举升的问题。本发明能够提高深层超深层稠油油藏开采效率，拓展低品位、深层和复杂类型稠油油藏开采规模，具有广阔的应用前景。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
首先将催化剂放置在井筒附近的油层，通过井下加热装置升高油层温度，并结合微波加热的非热效应，促使高温催化反应区内的稠油裂解。裂解产生的非凝结气体向储层上部扩散，溶解在稠油中，使稠油膨胀，补充地层能量。裂解产生的轻烃溶解于稠油，使稠油粘度进一步降低，提高其在储层中的渗流能力，形成快速泄油面，快速泄油面与生产井之间的区域为泄油区，快速泄油面向整个油藏推进。流至生产井附近的稠油由于催化剂与电加热结合的原位改质反应可进一步实现永久性改质，降低粘度，进而通过生产井被产出。
一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，依次包括以下步骤：
步骤一、在生产井附近设置操作井，操作井完井后下入套管，套管内下入导管，在操作井的井下加热段对套管进行均匀射孔，将间隔放置电阻加热器或电磁加热器和微波发生器的电缆从导管内下入加热段，在导管末端的导管与套管之间的环形空间内下入耐高温的封隔器；生产井的射孔段位于油藏底部，操作井的井下加热段位于油藏中下部；
步骤二、开启电阻加热器或电磁加热器，控制加热段温度在120~150℃，通过操作井中的导管将催化剂水溶液注入加热段，催化剂依靠浓度差扩散到稠油中，所述催化剂采用纳米Al2O3、纳米Fe3O4、有机钴或有机镍，并在其表面包裹一层亲水材料，该材料耐温160℃；
步骤三、同时开启电阻加热器或电磁加热器和微波发生器，使加热段井筒周围温度上升至350~450℃，在高温作用和微波辐射下，加热段周围储层形成高温催化反应区，催化剂从纳米颗粒中被释放出来，促进高温催化反应区内稠油发生水热裂解反应；
步骤四、高温催化反应区内的稠油通过水热裂解反应产生的非凝结气体和轻烃向储层四周扩散（非凝结气体的扩散速度较轻烃快），逐渐溶解于稠油中，使原油粘度降低，形成快速泄油面和泄油区，泄油区内的稠油由于重力作用泄至油藏底部，泄油过程中，少部分稠油途经高温催化反应区，继续裂解产生非凝结气体和轻烃；大部分稠油泄至油藏底部，位于生产井附近的稠油由于微波的非热效应使稠油分子化学键断裂，胶质、沥青质含量降低，粘度进一步降低，实现进一步改质，改质后的稠油由生产井举升至地面，此过程循环往复，实现持续泄油和生产。
本发明中，操作井与生产井具有三种空间结构：双水平井模式、直井-水平井组合模式和直井组合模式。
所述双水平井模式，操作井与生产井均为水平井，操作井位于生产井上部4-5m。
所述直井-水平井组合模式，操作井为直井，生产井为水平井，直井与水平井不在同一竖直平面内，在水平方向距离5-20m。
所述直井组合模式，操作井与生产井均为直井，1个操作井与多个（2-8个）生产井组合，可采用排状井网、环状井网或面积井网进行布置，生产井与操作井的井间距保持5-20m。
对于导热性能良好的油藏采用电阻加热的方式使油层升温，对于导热性能差的油藏采用电磁加热的方式使油层升温。
进一步地，操作井加热段电阻加热器（或电磁加热器）和微波发生器间隔放置，并附有温度、压力传感器。
进一步地，在生产井中下入微波发生器，生产井附近的稠油由于微波作用进一步改质，粘度进一步降低。
进一步地，稠油热解产生的焦炭造成近井地带丧失渗流能力，通过采用适当的压裂手段增加渗流能力。
进一步地，催化剂一段时间后会失效，可采用步骤二所述方法加注催化剂。
进一步地，操作井加热段的套管、电缆等材料应耐450℃以上的高温。
进一步地，非凝结气体是指裂解产生的CO2、CO、H2、H2S、NO组成的混合物，轻烃是指裂解产生的C1~C10组成的烃类混合物。
进一步地，稠油水热裂解反应产生的非凝结气体和轻烃向储层四周扩散，逐渐溶解于稠油中，非凝结气体溶解在稠油中使原油粘度降低，体积膨胀，油藏压力增大，补充地层能量；轻烃溶解于稠油中，稀释稠油中的胶质和沥青质，降低粘度。
进一步地，地面稠油脱出的非凝结气体可进行收集再回注。
生产过程中持续监测生产井的产量。若产量大幅降低，应关井一段时间再生产，若关井后产量仍不增加，则应对操作井进行压裂作业，再投放催化剂，裂解改质，泄油，微波改质，生产。
本发明基于催化改质机理与加热降粘机理相结合，通过电加热方式加热近井地带后，再由催化剂催化裂解近井地带高温区内的稠油，在近井地带形成高温催化反应区，裂解产生的轻烃和非凝结气体由重力分异的机理向油层上部运移，通过重力作用将稠油产出。轻烃与非凝结气体溶解于稠油使得稠油粘度进一步降低，当溶解了轻烃与非凝结气体的稠油运移至近井地带后，未改质的稠油将通过加热与催化剂的共同作用再次发生原位改质生成非凝结气体和轻烃，而溶解于稠油的非凝结气体和轻烃则随着温度的升高变成自由气，再次由重力分异往油藏上方运移，从而实现原位改质-辅助重力泄油-生产循环的开采过程。
本发明中，待产出的稠油经历加热降粘-非凝结气体/轻烃降粘-微波非热效应降粘，与其他热采方式相比，降粘效率高，大幅度降低了深层储层井筒举升所需的能量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）原位改质稠油，轻烃和非凝结气体降低原油粘度，产生的非凝结气体还可补充地层能量；
（2）操作井加热段附近的稠油热解产生非凝结气体和轻烃泄油，泄油过程中少量稠油继续热解产生非凝结气体和轻烃，快速泄油面向整个油藏扩散，保证泄油过程持续；
（3）生产井附近的稠油在产出之前经历微波非热效应改质，进一步降粘，降低举升所需能量；
（4）电阻加热（或电磁加热）和微波发生器的作用范围仅在井筒周围，不是整个油藏，能量投入少，能量利用率高；
（5）产生的温室气体及有害气体溶解于稠油中，可地面收集再回注，碳排放量很低，实现绿色生产；
（6）实现轻烃/非凝结气体原位产生-驱替-生产的循环开采过程；
（7）本发明不仅局限于深层稠油油藏，也适用于老油田提高采收率。
附图说明
图1是不同井型催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油工艺示意图（a-双水平井模式；b-直井-水平井组合模式；c-直井组合模式）。
图2是不同井型的井网布置图（a-双水平井模式井场布置示意图；b-直井-水平井组合模式井场布置示意图；c-直井组合模式井场布置示意图）。
图3 a是原位产生轻烃/非凝结气体在油藏中运移和开采机理示意图；图3b是非凝结气体13、轻烃14的浓度分布曲线。
图4是操作井加热段结构示意图。
图5是催化剂扩散示意图。
图中：1-生产井；2-操作井；3-未动用油层；4-加热段；5-高温催化反应区；6-微波辐射区；7-轻烃富集区；8-非凝结气体富集区；9-水平井段；10-产生的轻烃和非凝结气体扩散方向；11-快速泄油面；12-快速泄油面扩散方向；13-非凝结气体；14-轻烃；15-套管；16-封隔器；17-导管；18-电缆；19-电阻加热器（或电磁加热器）；20-微波发生器；21-热传递；22-微波辐射；23-温度、压力传感器；24-稠油降粘并在重力作用下流动；25-射孔孔眼； 26-纳米催化剂；27-纳米颗粒扩散方向；28-释放催化剂；29-近井地带高温加热稠油；30-热水。
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。
操作井与生产井具有三种空间结构：
双水平井模式、直井-水平井组合模式和直井组合模式。
参见图3、图4、图5。
操作井完井后下入套管15，并在加热段射孔，如射孔孔眼25。下入导管17，并按照设计的深度下入封隔器16。从导管内下入末端带有加热器19、微波发生器20、温度和压力传感器23的电缆18。同时，将操作井和生产井井口密封，将电缆传递信号的部分与地面控制电脑连接。向操作井水平段注入纳米催化剂26。地面开启电源加热。一段时间后，加大加热器功率并开启微波发生器，加热温度控制在350~450℃。操作井周围的稠油在高温催化反应区5依靠热效应和微波的非热效应进行改质，产生轻烃和非凝结气体向四周扩散，形成快速泄油面和泄油区，依靠重力泄到生产井1附近的原油会在微波辐射的作用下进一步降粘，进而通过生产井1举升至地面。
催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的生产过程如图3、图4所示，主要包括：
（1）部分原油裂解原位产生轻烃/非凝结气体：
通过扩散作用向近井地带稠油输送催化剂，由电阻（或电磁）加热器19持续向高温催化反应区5提供热源，微波发生器同时向热解反应区提供微波辐射的环境。近井地带的稠油在高温作用和微波辐射的双重作用下发生热解反应，产生轻烃和非凝结气体，向储层扩散。扩散过程中与稠油混溶，稠油粘度降低，形成快速泄油面，稠油向储层底部流动，储层底部部分稠油在高温和微波双重作用下，继续产生轻烃和非凝结气体，实现持续产生轻烃、持续泄油、持续开采的过程。
（2）轻烃/非凝结气体扩散形成快速泄油面补充地层能量：
轻烃/非凝结气体扩散过程中的浓度和稠油粘度随着与高温段之间距离的增加的变化关系如图3b所示。快速泄油面所在位置的稠油开始具有一定的流动能力，泄油区内的稠油的流动能力最高。非凝结气体溶解在稠油中使稠油膨胀，增加地层能量。
（3）稠油产出：
依靠重力作用泄至生产井附近的稠油会再次经历微波辐射区6作用。通过微波非热效应将稠油分子中部分化学键断裂，粘度进一步降低，有利于长距离井筒举升。同时，非凝结气体可补充地层能量，辅助井筒举升。
Claims (9)
1.一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，依次包括以下步骤：
步骤一、在生产井附近设置操作井，操作井完井后下入套管，套管内下入导管，在操作井的井下加热段对套管进行均匀射孔，将间隔放置电阻加热器或电磁加热器和微波发生器的电缆从导管内下入加热段，在导管末端的导管与套管之间的环形空间内下入耐高温的封隔器；生产井的射孔段位于油藏底部，操作井的井下加热段位于油藏中下部；
步骤二、开启电阻加热器或电磁加热器，控制加热段温度在120~150℃，通过操作井中的导管将催化剂水溶液注入加热段，催化剂依靠浓度差扩散到稠油中，所述催化剂采用纳米Al2O3、纳米Fe3O4、有机钴或有机镍，并在其表面包裹一层亲水材料，该材料耐温160℃；
步骤三、同时开启电阻加热器或电磁加热器和微波发生器，使加热段井筒周围温度上升至350~450℃，在高温作用和微波辐射下，加热段周围储层形成高温催化反应区，催化剂从纳米颗粒中被释放出来，促进高温催化反应区内稠油发生水热裂解反应；
步骤四、高温催化反应区内的稠油通过水热裂解反应产生的非凝结气体和轻烃向储层四周扩散，逐渐溶解于稠油中，使原油粘度降低，形成快速泄油面和泄油区，泄油区内的稠油由于重力作用泄至油藏底部，泄油过程中，少部分稠油途经高温催化反应区，继续裂解产生非凝结气体和轻烃；大部分稠油泄至油藏底部，位于生产井附近的稠油由于微波的非热效应使稠油分子化学键断裂，胶质、沥青质含量降低，粘度进一步降低，实现进一步改质，改质后的稠油由生产井举升至地面，此过程循环往复，实现持续泄油和生产。
2.如权利要求1所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，操作井与生产井具有三种空间结构：双水平井模式、直井-水平井组合模式和直井组合模式。
3.如权利要求2所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，所述双水平井模式，操作井与生产井均为水平井，操作井位于生产井上部4-5m。
4.如权利要求2所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，所述直井-水平井组合模式，操作井为直井，生产井为水平井，直井与水平井不在同一竖直平面内，在水平方向距离5-20m。
5.如权利要求2所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，所述直井组合模式，操作井与生产井均为直井，1个操作井与2-8个生产井组合，采用排状井网、环状井网或面积井网进行布置，生产井与操作井的井间距保持5-20m。
6.如权利要求1所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，对于导热性能良好的油藏采用电阻加热的方式使油层升温，对于导热性能差的油藏采用电磁加热的方式使油层升温。
7.如权利要求1所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，在生产井中下入微波发生器，生产井附近的稠油由于微波作用进一步改质。
8.如权利要求1所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，操作井加热段的套管、电缆耐450℃以上的高温。
9.如权利要求1所述的一种催化加热辅助稠油原位改质开采深层稠油的方法，其特征在于，非凝结气体是指裂解产生的CO2、CO、H2、H2S、NO组成的混合物，轻烃是指裂解产生的C1~C10组成的烃类混合物。
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