Oilfield Review

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1 Hussein Alboudwarej Joao ( John ) Felix Shawn Taylor 加拿大艾伯塔省埃德蒙顿 Rob Badry Chad Bremner Brent Brough Craig Skeates 艾伯塔省卡尔加里 Andy Baker Daniel Palmer Katherine Pattison 美国阿拉斯加州 Anchorage 稠油油藏评价与开发 石油资源的日益减少 能源价格的持续走高促使一些石油公司投资稠油开发, 补充石油储量 稠油开发在流体分析和提高采收率方面都给我们带来新的挑战和困难, 然而通过采用新技术以及对常规油藏开发方法进行改进能够实现对稠油油藏的有效开发 Mohamed Beshry Paul Krawchuk 道达尔勘探与生产 ( 加拿大 ) 公司艾伯塔省卡尔加里 George Brown 英国南安普敦 Rodrigo Calvo Jesús Alberto Cañas Triana 巴西 Macaé Roy Hathcock Kyle Koerner Devon 能源公司美国得克萨斯州休斯敦 Trevor Hughes 英国剑桥 Dibyatanu Kundu 印度孟买 Jorge López de Cárdenas 得克萨斯州休斯敦 Chris West BP 勘探 ( 阿拉斯加 ) 公司阿拉斯加州 Anchorage 在编写本文过程中得到以下人员的帮助, 谨表谢意 : 印度尼西亚雅加达的 Cosan Ayan; 印度孟买的 Hany Banna; 加拿大艾伯塔省 Fort McMurray 的 Syncrude 加拿大有限公司的 Teresa Barron; 艾伯塔省卡尔加里大学的 Celine Bellehumeur,Jonathan Bryan 和 Apostolos Kantzas; 休斯敦 Shell Global Solutions( 美国 ) 的 Sheila Dubey; 加拿大安大略省 Waterloo 大学的 Maurice Dusseault; 英国 Gatwick 的 Joelle Fay; 得克萨斯州 Rosharon 的 Abul Jamaluddin; 美国康涅狄格州 Ridgefield 的 Robert Kleinberg; 卡尔加里的 David Law 和 Allan Peats; 休斯敦 Devon 国际能源公司的 Trey Lowe; 休斯敦的 David Morrissey 和 Oliver Mullins 以及得克萨斯州 Sugar Land 的 Tribor Rakela 和 Ricardo Vasques AIT( 阵列感应测井仪 ),CMR-200( 组合式核磁共振测井 ),DSI( 偶极横波成像仪 ),Hotline,LFA( 实时流体分析模块 ),MDT( 模块式地层动态测试器 ),PhaseTester,Platform Express,Quicksilver Probe, REDA,VDA( 粘弹性转向酸 ) 和 Vx 等是斯伦贝谢公司的商标 THAI( 完全空气注入法 ) 是 Archon 技术有限公司的商标 34 油田新技术

2 世界上大部分石油资源属于开采 和炼制难度大且成本高的稠油 一般来 说 原油越稠 其经济价值就越低 经 过简单炼制蒸馏获得的低密度短链碳氢 化合物价值最高 稠油中金属和其它元 素的含量较高 需要投入更多的成本来 提取有用产品 除去杂质 在石油需求强劲 油价高企 常规 原油产量下降的背景下 石油工业在全 球许多地方的重点正在转向稠油开采 API重度等于或小于22.3 的原油定义为 稠油[1] API 重度等于或小于 10 的原油 定义为超稠油 因为它们的密度比水还 大 相比之下 诸如布伦特原油或西得 克萨斯中质原油之类的常规原油的API 重度为 38 到 40 虽然原油的密度对于评价资源价 值和评估炼制产品和成本来说是个相当 重要的参数 但最能影响产能和采收率 的流体性质是原油粘度 粘度越大 越 难开采 密度和粘度之间没有一个标准 的关系式 重油 和 稠油 这两个 词可以互换使用 这是由于重油一般来 说比常规原油粘度大 常规原油的粘度 范围在 1 厘泊 cp Pa.s 到 10 cp 0.01 Pa.s 之间 水的粘度为 1 cp 而稠油和超稠油的粘度范围从不到 20 cp 0.02 Pa.s 到大于 100 万 cp 1000 Pa.s 粘度最大的碳氢化合物是沥青 在室温下呈固态 通过加热很容易变 软 由于稠油价值较低 开采和炼制难 度比常规原油大 那么为什么油公司会 有兴趣集中资源力量来开采它 首先来 回答问题的第一部分 在当前的经济环 境下 许多稠油油藏的开发具有经济价 值 对于问题的第二部分的回答是 这 些稠油资源相当丰富 全球石油资源大 概是 9 13 万亿桶 万亿米 3 常规原油只占其中的大约 30% 其余都 是稠油 超稠油和沥青 右上图 1. API 重度计算利用脱气原油比重的地面测量 值 将 60 F 时的比重 S.G. 转换为 API 重 度的公式 API 重度 = 141.5/S.G Conaway C: The Petroleum Industry : A Nontechnical Guide Tulsa Pennwell 出版公司 1999 年 2006 年夏季刊 > 全球石油资源 稠油 超稠油和沥青大约占了全球石油总资源 9 13 万亿桶 的 70% > 世界上最大的稠油沉积盆地之一的地质背景 在造山运动时期 由于地壳在山脉前弯曲形成前陆盆 地 盆地中的海相沉积 紫色 变成烃类源岩 深褐色 烃类沿上倾方向上倾运移到从新形成的山 脉上剥蚀下来的沉积物 橙色 中 在这些相对较浅的沉积环境中的微生物将原油生物降解 形成稠 油和沥青 在上覆地层厚度小于 50 米 164 英寸 的地方 可以从地表开采沥青 稠油将在未来的石油工业中扮演 一个重要的角色 现在许多国家正转 向稠油开发来增加产量 更新储量评 估 测试新技术 投资基础设施建设 使其稠油资源的开发不至于落后 本 文论述了稠油油藏是如何形成的 以 及它们又是怎样被开发利用的 这其 中重要的是稠油开发方式的选择 流 体样品的井下和实验室分析 试井和 完井 以及稠油开发过程的监测 大型稠油油藏的形成 在全球 6 9 万亿桶 万亿 3 米 的稠油 超稠油和沥青储量中 最 大的储集层都具有相似的地质背景 它 们是被圈闭在前陆盆地侧翼上的超大型 浅层沉积 前陆盆地是在造山运动时期 地壳下拗形成的巨型坳陷 盆地中的海 相沉积变成烃类源岩 烃类沿上倾方向 运移到从新形成的山脉上剥蚀下来的沉 积物中 下图 这些新的沉积物通常缺 少封闭的盖层 在这些浅层沉积物中 烃类被生物作用降解 35

3 度压力条件等使每一个稠油油藏都很独 特 它们需要用不同的方法进行开采 > 稠油的粘温关系曲线 每一种稠油 超稠油和 沥青都有各自的粘温关系曲线 但它们都具有上 图中的变化趋势 即随着温度上升 粘度下降 生物降解作用是稠油形成的主要原 因[2] 在地质年代时间尺度上 微生物对 轻质和中质烃类进行降解 产生甲烷和 富化稠油 生物降解作用的效果是引起 油氧化 气油比 GOR 降低 密度增 加 酸性增强 粘度增大 以及硫和其 它金属含量增多 通过生物降解作用 原油也失去了原有物质成份中的一部分 重要组成 将油中轻质组分分离出来的 其它物理机理 如水洗 相分离等也对 稠油的形成起了作用 在油藏中发生生 物降解作用的理想条件是油藏温度低于 80 C 176 F 深度大约 4 公里 2.5 英 里 的浅层油藏 目前最大的单个石油储集是委内瑞 拉的奥里诺科 Orinoco 稠油带 它具 有 1.2 万亿桶 1900 亿米 API 的 超稠油储量 在艾伯塔省的加拿大西部 盆地的超稠油储量总计为 1. 7 万亿桶 2700亿米3 这些稠油的来源还没有完 全搞清 但有一点达到共识 那就是它 们都来源于经剧烈生物降解的海相石 油 加拿大西部和委内瑞拉东部的石油 总储量为 5.3 万亿桶 8420亿米 3 这说 明这两个地方曾经可能具有 18 万亿桶 2.9 万亿米 3 轻质油[3] 在任何沉积环境中 水 温度和微 生物的适当结合就会引起生物降解 从 而形成稠油 在许多油藏的油水界面附 近会形成稠油垫 因为那里的条件适合 微生物活动 沉积环境 原始油组分 降 解程度 轻质油侵入或充填 最终的温 36 开采方法 根据温度不同 稠油开采可以分为 两大类型 这是由于作为流体主要特性 的粘度随温度变化而变化 受热后 稠 油的粘度会降低 左图 当稠油粘度在 储层条件下足够低 使其能以经济的产 量生产时 就可以用冷采方法开采 不 需要增加额外的热量 当稠油必须依靠 加热才能流动时 就要使用热采方法 最初的稠油冷采技术是矿采 大部 分稠油矿采集中在加拿大的露天开采矿 但在俄罗斯也有一部分采用地下采矿技 术开采稠油[4] 只有在加拿大采用露天开 采技术比较切合实际 因为那里稠油埋 藏浅 可以从地面直接开采 而且浅层 油砂储量巨大 约为 280 亿米 亿 桶 从而使其开采具有经济价值[5] 加拿大的油砂用卡车挖铲开采后 运送到加工处理厂 用热水先将沥青从 油砂中分离出来 右图 然后用轻烃 将沥青稀释 改质后形成合成原油 采 矿结束后 重新回填土地 可以使其得 以再次开垦 这种方法的优点是烃类的 采收率达到约80% 但是 只有大约20% 的稠油储量埋藏这么浅 大约75米 246 英尺 深 可以直接从地面开采 2005 年 加拿大的沥青产量为 17.5 万米 3/ 日 110万桶/日 预计到2015年产量将上 [6] 升到 47.2 万米 3/ 日 300 万桶 / 日 有些稠油可以用一次冷采方法从井 筒中采出来 委内瑞拉奥里诺科稠油带 的很多稠油油藏以及巴西近海的一些稠 油油藏都是用冷采方法开采的[7] 采用 水平井和多分支井来最大可能地增加井 筒与储层的接触面积 [ 8 ] 注入稀释剂 如石脑油 来降低流体粘度 应用电 潜泵 ESP 和螺杆泵 PCP 等人工举 升技术将稠油开采到地面 然后再运送 到处理厂进行改质 [ 9 ] 与热采技术相 比 这种方法的优势是成本低 但其采 收率也很低 只有 6 12% 其面临的 另一个挑战是泵和油管中的混合和剪切 作用会形成油 - 水乳化液 使流体粘度 增加 > 从油砂中开采沥青 当上覆岩层厚度小于50 米 时 沥青可以从地面矿采 上图的图片从上到下 描述的就是矿采的整个过程 先是用卡车挖铲将 油砂采出来 然后将油砂运送到处理厂 用热水 将沥青与砂子分离开 然后用轻烃将沥青稀释 改质形成合成原油 最后 重新回填土地 可以 使其得以再次开垦 图片由 Syncrude 加拿大有 限公司提供 油田新技术

4 稠油出砂冷采 CHOPS 是已经应 用在许多稠油油藏中的另一种一次开 采技术 在加拿大数百个油田中 砂 子随着油一块采出来 砂体积含量可 达到 10% 右图 随着压力降低 从 油中分离出来的气体使砂粒不稳定 并帮助运移砂粒 砂粒运动增强了流 体的流动性 并形成所谓的孔洞 在 井筒周围形成一个高渗透率区域 上 覆重量促使砂子和液体挤压出来 砂 和油在地表通过重力分离开 这种方 法需要用多相泵来处理砂 油 水和 气 这一方法已经被应用在原油粘度 为 cp Pa.s 的 油藏中[10] 在加拿大 2003年采用稠油 出砂冷采 CHOPS 方法生产稠油日产 量为 70 万桶 米 3 水驱这种二次冷采技术在一些稠油 油藏已经得到成功应用 例如 位于英 国大陆架上的近海油田 用水驱方法将 粘度为 cp 的原油从筛管完井 的水平井开采到浮式生产储油和卸油系 统 FPSO [11] 附近的油田也考虑采用 这种方法开采 但是由于原油粘度增 大 采收率随之下降 高粘度原油造成 水驱前缘处发生粘性指进 导致扫油效 率差 汽化烃辅助石油萃取法 VAPEX 是一项相对较新的技术 目前正在加拿 大进行试验 这项技术要注入混相溶剂 2. Head IM Jones DM 和 Larter SR Biological Activity in the Deep Subsurface and the Origin of Heavy Oil Nature 426 卷 第 6964 期 2003 年 11 月 20 日 Meyer RF Natural Bitumen and Extra-Heavy Oil 世界能源委员会能源调查 org/wec-geis/publications/reports/ser/bitumen/ bitumen.asp 2006 年 6 月 1 日浏览 4. 艾伯塔省资源办公室 Oil Sands Technology Roadmap Unlocking the Potential acr-alberta.com/projects/oil_sands_technology_roadmap/ OSTR_report.pdf 2006 年 6 月 24 日浏览 Meyerhoff AA 和 Meyer RF Geology of Heavy Crude Oil and Natural Bitumen in the USSR Mongolia and China Section I: Regional Resource Meyer RF 编辑 Exploration for Heavy Crude Oil and Natural Bitumen AAPG Studies in Geology no. 25 Tulsa AAPG 1987 年 年夏季刊 > 应用稠油出砂冷采 CHOPS 技术开采出来的砂浆 这是加拿大萨斯喀彻温省 Lloydminster 附近油 罐区采集得到的油罐底样品 大概含有 10 20% 的细粒泥砂 20 30% 的稠油和 50 60% 的水 由 Maurice Dusseault 供图 来降低稠油粘度 这种方法可以应用在 一口井或一对井上 在单井上应用时 溶剂从水平井的底部顶端注进去 在双 井应用时 溶剂从一对相互平行的水平 井对的上面一口水平井中注入 在注入 惰性气体后 将有价值的气体提取 VAPEX技术已经在实验室和模拟等领域 得到广泛研究 目前正处于先导性试验 5. 加拿大国家能源委员会 Energy Market Assessment Canada s Oil Sands Opportunities and Challenges to 2015 An Update neb-one.gc.ca/energy/energyreports/ EMAOilSandsOpportunities Challenges2015_2006/ EMAOilSandsOpportunities2015QA2006_e.htm 2006 年 6 月 3 日浏览 6. 加拿大国家能源委员会 参考文献 5 7. Capeleiro Pinto AC Branco CC de Matos JS Vieira PM da Silva Guedes S Pedroso CJ Decnop Coelho AC和Ceciliano MM: Offshore Heavy Oil in Campos Basin The Petrobras Experience OTC 发 表在近海技术会议上 休斯敦 2003 年 5 月 58 日 8. Stalder JL York GD Kopper RJ Curtis CM Cole TL 和 Copley JH Multilateral-Horizontal Wells Increase Rate and Lower Cost Per Barrel in the Zuata Field Faja Venezuela SPE 发表在 SPE 国际热采和稠油会议上 委内瑞拉马格丽塔 阶段 还未进入大规模油田应用阶段 和冷采方法一样 热采方法既有优 点也有缺点 热采方法的采收率比冷采 方法高 矿采除外 但同时加热和水 处理产生的费用也高 岛 Porlamar 2001 年 3 月 日 9. Robles J: Application of Advanced Heavy Oil Production Technologies in the Orinoco Heavy-OilBelt Venezuela SPE 发表在 SPE 国际 热采和稠油会议上 委内瑞拉马格丽塔岛 Porlamar 2001 年 3 月 日 改质就是在稠油中加氢使其氢化 改质后的 产品是合成原油 10. 来自加拿大安大略省 Waterloo 大学 Maurice Dusseault 教授的课程笔记 11. Etebar S Captain Innovative Development Approach SPE 发表在 SPE 欧洲近海会 议上 阿伯丁 1995 年 9 月 5-8 日 Rae G Hampson J Hiscox I Rennie M Morrison A 和 Ramsay D A Case Study in the Design and Execution of Subsea Production Development Wells in the Captain Field SPE SPE Drilling & Completion, 19 卷, 第 2 期 2004 年 6 月

5 循环蒸汽吞吐 (CSS), 也叫做蒸汽浸泡, 是在单井中分阶段实施的一种开采方法 ( 下图 ) 首先, 注入蒸汽, 接着是浸泡或等待阶段, 油被加热, 最后, 被加热的油和水被一同采出并分离, 这个过程不断重复进行 这种方法在层状油藏中的开采效果很好, 初始产量较高, 采收率可达到 30% 加拿大艾伯塔省的冷湖 (Cold Lake) 油田就是应用 CCS 开采的一个例子 另一种热采方法是蒸汽驱, 需要在多个井之间进行 蒸汽注入不同井网井距中的注入井, 油从生产井中产出 蒸汽驱可以达到 40% 的采收率, 但是要求井间流动性好, 使蒸汽以有效的速率注入 该方法面临的挑战是, 低密度蒸汽的重力上窜, 储层非均质性和蒸汽前缘监测等 采用注蒸汽开采的油田有印度尼西亚的 Duri 油田 加里福尼亚的 Kern River 油田和加拿大的 Pikes Peak Lloydminster 油田等 蒸汽辅助重力泄油 (SAGD) 应用于超稠油的开采 需要钻一对平行的水平井, 其中一口井位于另一口井上方 5-7 米 (16-23 英尺 )( 下一页, 上图 ) 在上面一口水平井中注入蒸汽来加热稠油, 降低稠油粘度 重力作用使流动的油流向下面的水平生产井, 注入井和生产井之间通过蒸汽循环和溶剂注入建立联系 利用这种方法开采, 估计采收率可达到 50-70% [12] 但是, 地层的层状 [13] 性严重影响 SAGD 方法的采收率 加拿大许多油田, 包括 Christina Lake 和 MacKay River 油田, 都采用 SAGD 方法开采 火烧油层, 也叫做火驱, 是一种用来驱动高粘度稠油的方法 该方法也需要在多个井之间进行 在空气注入井中点燃的燃烧前缘向生产井推进 火烧油层烧掉了一部分地下原油, 产 > 在单井中分阶段实施的循环蒸汽吞吐 (CSS) 开采方法 首先, 注入蒸汽 ( 左 ), 接着蒸汽和冷凝水加热稠油 ( 中 ), 最后, 将加热后的油和水采到地面 ( 右 ) 然后, 不断重复上述过程 生的热量足以用来降低剩余稠油的粘度, 促使其生产出来 燃烧过的原油, 或者叫燃烧残渣被留在地下 燃烧通过裂解或将大分子分离成小分子来实现原油改质 许多油田都曾尝试过火烧油层方法, 结果发现这种方法不稳定 但是在罗马尼亚的 Suplacu de Barcau 油田自 1964 年起一直在进行大 [14] 规模的火烧油层采油作业 目前, 业界正在开发可以使火烧油层的燃烧前缘保持稳定的技术 例如, Archon 技术有限公司的 THAI( 完全空气注入法 ) 技术是利用直井和水平井组合, 一口直井做注入井, 水平井做生产井 该方法目前在艾伯塔省 Conklin 附近 [15] 的 McMurray 地层进行先导性实验 开采方式的选择有多种开采方式可以选择, 因此我们需要综合研究各个因素, 如流体性质 地层连续性 成岩力学特性 钻井技术 完井方法 增产措施和地面设施等, 来为某一特定油藏选择最佳开采方式 此外, 还要在储量 期望采收率和采油速度等各因素之间做出权衡, 还要考虑能源成本和周围环境的敏感性 这里介绍一个关于这种筛选研究的实例, 以帮助油公司决策如何开采稠油资源 该实例是阿拉斯加北坡地区稠油开采的实例,BP 勘探 ( 阿拉斯加 ) 公司正在评估从 Ugnu 砂层中开采高粘度原油的各种方法 ( 下一页, 下图 ) 1969 年, 当油田作业人员钻进和测试较深的 Kuparuk 地层时首次钻遇 Ugnu 砂层及其下面的 Schrader Bluff 地层 [16] 那时还没有有效的技术来开发 Ugnu 和 Schrader Bluff 砂层中的稠油, 因此油公司将注意力集中在高产的 Kuparuk 地层 Schrader Bluff 地层比 Ugnu 层深且原油粘度相对较低 Schrader Bluff 地层自二十世纪九十年代早期开始开采, 目前是水驱开采阶段 多年来, 一些油公司实施了数值模拟和先导性实验来评估在 Ugnu 层用水驱和其它提高采收率 (EOR) 方法采油的可行性, 但是最终都没有发现一种经济上可行的方法来开采 [17] 稠油油藏 38 油田新技术

6 B P 公司目前正在评价北坡地区 Milne Point 区块稠油油藏的开发 据估 计 下 Ugnu 层总地质储量为数十亿桶 很大一部分位于 BP 公司的 Milne Point 区块 储层和流体物性在油田各处并不 相同 呈现高密度 高粘度和低油藏温 度 75 F 24 C 的特点 这就意味着该 油田显然需要用非一次采油技术来开 采 如某种冷采技术 循环蒸汽吞吐 蒸汽驱 SAGD 或混合开采程序 为了确定最佳方法 一个由 BP 公 司和斯伦贝谢公司 30 名专家组成的队 伍进行了一项筛选研究 研究的目的是 确定能够以最大采油速率和采收率实现 经济开发的技术 同时确保在冻土层中 损失可接受的最少热量 并确保对天然 形成的天然气水合物的影响最小 筛选 研究强调二氧化碳和产生温室的气体的 处理和利用 实施 HSE 最高标准 一项 BP/ 斯伦贝谢联合研究目前正在检验其 稠油开发各方案是否符合 BP 的绿色计 划 Green Agenda 研究结果将被输入 到 BP 评估阶段计划中 以进行 Ugnu 地 层开发的最终决策 > 蒸汽辅助重力泄油开采 SAGD 示意图 钻一对平行的水平井 其中一口井位于另一口井上方 在 上面一口水平井中注入蒸汽来加热稠油 降低稠油粘度 重力作用使油流向下面的水平生产井 12. 来自加拿大安大略省 Waterloo 大学 Maurice Dusseault 教授的课程笔记 13. Contreras C Gamero H Drinkwater N Geel CR Luthi S Hodgetts D Hu YG Johannessen E Johansson M Mizobe A Montaggioni P Pestman P Ray S Shang R 和 Saltmarsh A 碎屑岩储 层沉积特征研究 油田新技术 15 卷 第 1 期 2003 年春季刊 Panait-Patica A Serban D 和 Ilie N Suplacu de Barcau Field A Case History of a Successful In-Situ Combustion Exploitation SPE 发表在 SPE Europec/EAGE 年会暨展览会上 奥地利维 也纳 2006 年 6 月 日 Paduraru R 和 Pantazi I: IOR/EOR Over Six Decades of Romanian Experience SPE 发 表在 SPE 欧洲石油大会上 巴黎 2000 年 10 月 日 15. WHITESANDS Experimental Project petrobank.com/ops/html/cnt_white_project.html 2006 年 7 月 3 日浏览 > 阿拉斯加Kuparuk River附近的Milne Point区块 BP 勘探 阿拉斯加 公司正在研究从 Ugnu 砂层 中开采高粘度原油的最佳方法 16. Bidinger CR 和 Dillon JF Milne Point Schrader Bluff Finding the Keys to Two Billion Barrels SPE 发表在 SPE 国际稠油大会上 卡尔加 里 1995 年 6 月 日 17. Bidinger 和 Dillon 参考文献 16 Werner MR: Tertiary and Upper Cretaceous HeavyOil Sands Kuparuk River Unit Area Alaskan North Slope Section V Exploration Histories Meyer RF 编辑 Exploration for Heavy Crude Oil and Natural Bitumen AAPG Studies in Geology no. 25 Tulsa AAPG 1987 年 年夏季刊 39

7 > 根据 Ugnu 地层筛选研究得出的敏感性矩阵 将每种开发方式对于生产 地下 地面和成本等因 素的敏感性进行量化 每个矩阵块根据具体因素对效果和认识的敏感程度被标上不同的颜色 就效果 而言 绿色代表优 黄色代表一般 红色代表差 就认识的重要性而言 绿色代表不太重要 黄色代 表重要 红色代表关键 例如 在开采方式一栏里 CSS 方法单井产量 单井储量和采收率都为优 在地下性质一栏 例如流体特性和岩石力学特性 对于所评估的每一种提高采收率 EOR 方法来说 都是很关键的因素 在交互式矩阵上 点击任何一个方块 就能连接到该项评估所对应的报告和研究 内容 筛选研究回顾了过去 25 年来所做 的研究和发表的报告 根据这些研究和 获得的资料 位于 Milne Point 区块的三 口具有代表性的井被选出来进行详细研 究 这些井的射孔层段具有不同的储层 物性 为了确定最佳开采方式 分别模 拟了蒸汽驱 循环蒸汽吞吐 蒸汽辅助 重力泄油 热水驱和一次采油等开采方 法的结果 另外 还对直井 斜井和水 平井的开采效果进行了模拟 研究结果罗列在一个交互式矩阵 中 将每种开发方式对于生产 地下 地面和成本等因素的敏感性进行量化 上图 每个矩阵块根据因素的敏感性 被标上不同颜色 并与报告结果联系起 来 报告中的分析和陈述与图中敏感性 分级一致 例如 在地下因素中 流体 特性和岩石力学特性的改善对于所评估 的每一种提高采收率方法 EOR 来说 都是最关键的 简单查看一下现有信息 就能明白其原因 储层流体的PVT特性 尤其是流体 粘度以及粘度随温度的变化 是选择开 采方式的关键因素[18] 我们对 Ugnu 地 层的流体信息还了解得不够充分 只有 两口生产井进行取样 其80 F 27 C 时 脱气原油的粘度为 cp Pa.s 这些样品不足以代表整个 Ugnu 地层流体的粘度变化范围 对井 壁取心样品应用地球化学转换方法预测 原油粘度 不过 这种技术在测试范围 以外需要依靠外推法计算 并假设 Ugnu 地层的原油与 Schrader Bluff 地层 原油使用同一个品质控制 尽管这一模 型是一个很好的起点 但为预测原油粘 度还需要对该模型进行细化 另外还要 收集更多的样品 这是该项研究所推荐 的 另外一个关键因素 岩石力学特 性 是通过岩心测试和 MPS-15 井的偶 极横波成像测井来评估的 Ugnu砂层的 强度极低 估计无侧限抗压强度小于 200 psi 1.4 MPa 岩心呈泥土状 可 以用手轻易地粉碎 预示着存在潜在的 井眼稳定性和完井难题 另外 在砂粒 尺寸分布图上有两个明显的峰值 这些 都表明存在相当比例的粉砂 尺寸为 5 60 微米 可能会和细砂和特细砂 微米 一起被采出来 在 Ugnu 油 层开采过程中必须对这些细砂进行控制 或处理 为了给生产确定合理的压力降和深 度 - 稳定性包络 岩石力学性质和完井 参数的估计值 如孔眼大小和方位 都 被输入到 Sand Management Advisor 软 件中 这些初始计算表明 任何大于 1 psi 6.9 kpa 的压降都会引起防砂完全 失败 因此 建议在钻完井过程中预测 砂产量 制定新的防砂管理策略 比如 细割缝衬管完井 18. PVT代表压力 体积和温度 PVT特性是流体密 度作为压力和温度函数的等式 在温度 -压力 坐标上绘制的与流体热动力学性质有关的相 态线 20. Bryan J Kantzas A 和 Bellehumeur C Viscosity Predictions from Low-Field NMR Measurements SPE 发表在 SPE 技术年会暨展览会上 得克萨斯州 San Antonio 2002 年 9 月 29 日 10 月 2 日 还发表在 SPE Reservoir Evaluation & Engineering 上 8 卷 第 1 期 2005 年 2 月 Sands Characterization A New Approach SPE 发表在 SPE技术年会暨展览会上 得克 萨斯州 San Antonio 2002 年 9 月 29 日 10 月 2 日 还发表在 SPE Reservoir Evaluation & Engineering 上 4 卷 第 2 期 2001 年 4 月 Freedman R Heaton N Flaum M Hirasaki GJ Flaum C 和 Hurlimann M Wettability Saturation and Viscosity from NMR Measurements SPE 发表在 SPE技术年会暨展览会上 得克萨斯州 San Antonio 2002 年 9 月 29 日 10 月 2 日 还 发表在 SPE Journal 上 8 卷 第 4 期 2003 年 12 月 Mirotchnik KD Allsopp K Kantzas A Curwen D 和 Badry R Low-Field NMR Method for Bitumen 21. 相对氢指数 RHI 定义为振幅指数 AI 的 比值 RHI = AI 油 /AI 水 其中 AI 流体信号 振幅 / 流体质量 油田新技术

8 在所评价的五种开采方式之中, 循环蒸汽吞吐方法采收率最高, 产量最大 如果采取这种方法, 必须注意不要过分加热永冻层 这种情况是可以实现的, 因为储层与永冻层之间有一个不渗透的厚层页岩相间隔 其它方法, 如一次冷采方法, 对永冻层的影响非常小, 但很难获得经济的采收率或产油速度 虽然蒸汽辅助重力泄油开采 (SAGD) 对环境的影响与循环蒸汽吞吐方法类似, 但在本次研究的区域效果差, 因为要形成一个蒸汽区, 要求储层的垂向渗透率和水平渗透率的比值较高 Ugnu 地层的连续性严重影响最终采收率, 油藏描述将成为目前工作的关键 最后, 筛选研究推荐循环蒸汽吞吐方法为所研究的 Milne Point 区块的最佳开采方式, 并初步确定了井距和布井方式等 另外, 还对不同注蒸汽速度和注入量进行了模拟, 对其给采油效果带来的影响进行了评估, 并研究了循环蒸汽吞吐转为蒸汽驱的可行性 井下测量稠油特性确定最佳稠油开采方法的关键是描述储层流体特性 为了储量分级和选择取样层段, 油公司目前开始侧重于流体特性 ( 尤其是流体粘度 ) 的井下测量 了解全油藏的流体粘度分布对模拟产量和预测采收率来说非常重要 不过, 稠油油藏的流体粘度即使在同一个地层中的变化也很大 建立流体粘度分布图要求有足够的样品和通过测井获得的地下原油粘度数据 核磁共振 (NMR) 测井已经被成功地应用于确定常规原油的地下粘度, 但是目前商业方法在测量稠油粘度方面存 [19] 在局限 这是因为随着流体粘度增加, 核磁共振弛豫时间 T 2 减小 当弛豫时间特别短时, 核磁共振测井仪器就无法对其测量 当粘度大于 10 万 cp(100 Pa.s), 核磁共振仪器将大部分稠油和沥青视作岩石基质的一部分 > 实验室测量的粘度数据和两个实验室测得的核磁共振参数之间的相关性 随着流体粘度增加, 核磁共振弛豫时间 T 2 减小 ( 左 ) 在高粘度时,T 2 测量值变化不大, 相对氢指数 (RHI) 也随着粘度增加而减小 ( 右 ), 但在高粘度时, 相对氢指数对粘度变化更敏感 ( 根据 Bryan 等人的结果修改, 参考文献 20 ) 为了加强对粘度和核磁共振响应之间相关性的了解, 卡尔加里大学及其附属研究机构 层析成像和多孔介质 (TIPM) 实验室的研究人员取得并解释了大量的加拿大稠油核磁共振实验测量 [20] 数据 数据库中原油粘度范围从小于 1 cp 到 300 万 cp( Pa.s) 测得的粘度与两个核磁共振参数都相关, 但是敏感程度不一样 随着粘度增加,T 2 减小, 在高粘度时,T 2 对粘度变化的敏感性降低 不过, 随着粘度增加, 相对氢指数 (RHI) 减小, 在高粘度 时, 相对氢指数对粘度变化更敏感 ( 上图 ) [21] 基于这些研究成果, 研究人员建立了核磁共振参数与原油粘度之间新的经验关系式 对这一关系式进行调整, 使数据库中的 5 个油样得到最佳拟合, 这 5 个样品在一定温度范围内具有粘度测量数据 ( 下图 ) 从实验室获得的核磁共振 - 粘度关系并不能直接转换为适用于核磁共振测井仪器的关系式 岩石中的稠油与其它流体相混合, 其性质与实验室中的流体 > 实验室粘度测量数据与利用核磁共振参数弛豫时间 T 2 和相对氢指数 RHI 经验公式计算的粘度数据之间的相关性 测量和计算的粘度之间相关性很好 ( 左 ), 对一定温度范围内的粘度数据拟合调整后, 相关性更好 ( 右 ) ( 根据 Bryan 等人的结果修改, 参考文献 20 ) 2006 年夏季刊 41

9 > 根据 Platform Express 数据和 CMR-200 测量数据得到的连续原油粘度测井曲线 经实验室粘度值进行校正 从 X64 到 X80 米 连续原油粘 度测井曲线 第 5 道 显示出梯度变化 随着深度增加 粘度从 cp 增大到 cp 不同 不过 将实验室测量与测井测量 合理结合 就可以提供用以微调粘度关 系的必要信息 产生连续的粘度测井曲 线 上图 此处是自加拿大西部稠油 油藏实例 从Platform Express综合电缆 测井仪器和 CMR-200 组合式核磁共振 42 测井测得的数据用来产生一条原油粘度 测井曲线 粘度范围在 cp Pa.s 时 粘度测井结果 与实验室原油粘度测量数据非常吻合 这口井的粘度测量数据不仅有变 化 而且从 X64 到 X80 米段随着深度增 加 粘度增大 这种梯度关系在这一地 区普遍存在 但在其地区域却相反 随 着深度增加 粘度降低 估算稠油粘度 将有助于油公司绘制全油藏粘度变化 图 最终帮助确定合理的完井方式和开 发策略 油田新技术

10 稠油流体取样 高流体粘度值和未固结地层使得获 取有代表性的流体样品和测试油藏动态 工作难度加大 从而难以评价稠油油藏 的产能 右图 没有专门的办法来解 决在未固结砂岩中收集稠油样品的问 题 不过为模块式地层动态测试器 MDT 开发的最佳实践和采样技术可 用于更好地描述许多稠油油藏的特征 一些新技术包括超大直径探针 聚 焦探针 带有专门砾石充填筛网的双管 封隔器 可以用于低流量的超高压活塞 泵 先进的井下流体分析技术和特殊的 取样方法 有一种已经成功地用于收集高粘油 的方法 具体如下 首先模拟井筒周围 的多相流来模仿流体被泵入井筒时钻井 液带来的污染随时间推移越来越少的情 况 通过改变流体粘度 渗透率各向异 性 钻井液侵入 流量和 MDT 的位置 可以估算采集一个低污染样品所需要的 泵送时间 [22] 排液时间取决于有效侵入 > 电缆取样得到的南美某油田高粘度稠油样品 半径 所幸的是 极度高粘原油限制泥 浆侵入 从而减少了在未受污染流体进 入测试仪器前所要放喷的流体体积 在 南美洲一个稠油油田 应用MDT双管封 隔器模块在小于 1 厘米 3/ 秒的流量下成 功地取得了高于 3200 cp 3.2 Pa.s 的 稠油样品 右图 [23] 在对印度西北部拉贾斯坦邦进行勘 探的过程中 Cairn 能源公司于 2004 年 发现了Bhagyam油田 Bhagyam油田是 Barmer 盆地 17 个油田中的一个 产层 是高渗透 Fatehgarh 砂岩 目前估算该 盆地的石油储量为6.5亿桶 1.03亿米3 22. Canas JA Low S Adur N 和 Teixeira V Viscous Oil Dynamics Evaluation for Better Fluid Sampling SPE/PS-CIM/CHOA 发表在 SPE 国际热采 和稠油会议上 卡尔加里 2005年11月1-3日 23. Canas 等人 参考文献 年夏季刊 > 应用 MDT 双管封隔器模块和光谱实时流体分析模块 LFA 得到的南美某油田流体样品分析曲线 LFA测得的光波道 上 根据光波密度标上了不同颜色 光波密度与碳氢化合物分子链的长度相对应 第 1 道 黑色 对应的是甲烷 光道数向上增加 在本例中 所有的光波道显示出强振幅 表明为不 透光稠油 相比之下 右边图上显示的是轻质油的 LFA 结果 其多数光道都是低幅度 在水 水基泥 浆 WBM 和油比例光道上 蓝色反映的是水的质量比例 绿色反映的是油的质量比例 红棕色反 映的是水基泥浆带 在气比例光道上没有数值是稠油的另一个特征 43

11 > 在 Bhagyam-4 井利用常规取样技术所采集样品 的油基泥浆 OBM 污染水平 稠油样品中的油 基泥浆污染太严重 不能用来做 PVT 分析 一取样点 根据 LFA 分析结果 在泵抽 105 分钟后污染物的体积含量还高达 43% 上图 > 印度拉贾斯坦邦 Barmer 盆地的 Bhagyam 油田 Cairn 能源公司在该油田开采的 原油 API 重度变化范围很大 原油物性在盆地中变化很大 API 重度从北部的 15 变化到南部的 52 上 图 在 Bhagyam 油田 原油密度介于 21 API 和 30 API 之间 尽管它们不如其 它地方的稠油密度大 但Bhagyam油田 的原油中蜡和沥青质含量高 使得其在 油藏温度条件下倾点高 粘度大[24] 很难获得有关这些稠油 PVT 品质 的代表性样品[25] 为防止泥岩坍塌 储 44 层段钻井使用油基泥浆 OBM 在取 样过程中 油基泥浆滤液随着储层流体 一起被采集上来 污染了油样 斯伦贝 谢和其它服务公司用传统地层测试器采 集的所有 30 多个样品都被认为不具有 代表性 污染太严重 在实验室分析时 不能显示正确的PVT 物性 可以在采集 流体样品前通过实时LFA分析对滤液污 染进行评价 例如 在 Bhagyam-4 井的 现在 使用MDT仪器上的一种新型 取样模块可使滤液污染降低至零 Quicksilver Probe 电缆取样仪器使用一 种聚焦取样方法 使受污染的流体抽入 一个出油管线中 与所要取样的纯地层 流体完全隔离 这部分流体进入另一个 取样管线 这种聚焦取样方法已经在 Bhagyam油田的两口井中应用 取得了 很好的效果 在 Bhagyam-5 井 在泵抽 27 分钟后 Quicksilver Probe 取样器抽 出了经 LFA 检测油基泥浆污染为零的 流体 随后 独立的实验室分析证实污 染水平为 0 % 在 B h a g y a m - 6 井 Quicksilver Probe 和 LFA 在泵抽 52 分钟 后联合取样 地下测试流体样品平均 污染程度为 2.2% 随后的实验室分析 确定污染水平为 0% 从两口井中取得 的 18 个样品中 15 个符合 PVT 分析质 量要求 6个样品显示零污染 下一页 上图 油田新技术

12 稠油实验室分析 与常规原油相比 稠油样品不仅 更难采集 而且也使实验室流体分析 面临几个难题 用来分析关键流体特 性的传统技术不能完全描述稠油样品 的特征 为了解决这一问题 位于加拿 大艾伯塔省埃德蒙顿的斯伦贝谢油藏 流体研究中心 SRFC 的研究人员开发 了一些新技术来确定稠油的相态和粘 度特性 右下图 另外 目前用于常 规原油的组分分析技术也被用来分析 稠油 以便了解其局限性并确认可改 进之处 在几种已经用来描述原油化学组 分的实验技术中 最常用的是气相色 谱法 GC [26] 这种分析在没有明显增 加模拟时间的情况下 详细地描述了 原油的化学性质 其详细程度足以用 来区分不同的油样 标准的气相色谱 分析可以确定一直到C36+常规原油的化 学组成[27] 这项技术的优势在于检测 常规原油的轻质组分 但是 标准的GC 技术模拟得不够详细 不能够区分稠 油中的大分子化合物 对于稠油的组分特征 SRFC 的工 程师们应用了另外一种分析技术 能 够对这些高密度 高粘度的流体进行 全面分析 这些技术包括分析饱和烃 芳香烃 胶质和沥青质 SARA 所占 的比例和模拟蒸馏分析[28] 每种技术 都有其优势和局限性 > 实验室污染分析 利用 Quicksilver Probe 聚焦取样仪器获得的流体样品 污染水平低 实验室分析证实了井下流体分析结果 在两口井中取得的18 个样品中 15 个符合 PVT 分析质量要求 6 个样品显示零污染 粉红色虚 线说明污染程度为 7% 虚线以下的样品被认为符合 PVT 分析质量要求 24. 闪点指的是原油能够流动的最低温度 25. PVT 品质的样品是指那些污染足够小 其在 实验室所测的 PVT 特性与未受污染的样品一 致 各个公司和实验室允许的最大污染程度 不一 样 对该盆地来说 通用的标准是污染 程度小于 7% 26. 应用气相色谱法 GC 样品先被蒸发 接着 被一种惰性气体携带通过一个可以使成分分 离的管柱 每一种成分在检测器输出中产生 一个不同的峰值 27. C36+ 以下组分 指的是具有小于等于 35 个碳 原子的化合物都被各自区分开来 其余的组 分合起来称为 C 原油是一种由具有不同分子结构和性质的化 合物组成的混合物 饱和烃 也被称为烷烃 和链烷烃 是分子式为CnH2n+2形式的长链碳氢 化合物 芳香烃分子中具有一个或多个苯环 [C6H6] 胶质是可以溶解在正戊烷[C 5H 12]或正 庚烷[C7H16]中的不易挥发的组分 沥青质是不 能溶解在正戊烷或正庚烷中的不易挥发的组 分 2006 年夏季刊 > 位于加拿大艾伯塔省埃德蒙顿的斯伦贝谢油藏流体研究中心 SRFC SRFC的专家主要从事相特性 流动保障 提高采收率和稠油开采等研究和工程活动 45

13 > 在 SARA 分析中获得的 API 重度与胶质和沥青质含量之间的关系 下 原油越重 胶质和沥青质含 量越高 在照片中 上 烧瓶中装的是加热过的稠油样品 直立的试管中装的是胶质 圆盘中装的 是沥青质 其它试管中装的是饱和烃和芳香烃 数据来自参考文献 30 中的表 1 SARA 分析通过溶解性和色谱法将 地面脱气原油分解成饱和烃 芳香烃 胶质和沥青质的重量百分数 [29] 尽管 SARA 分析只涉及了四种成分 与可以 辨别成千上万种成分的 GC 技术相比起 来分辨率似乎显得很低 但这种方法的 优势是它能够分析包括从轻质组分到重 质组分在内的整个样品 可以用一个统 一标准对所有原油进行比较 例如 SARA分析证实了随着API重度减小 胶 质和沥青质的含量增加 上图 [30] 另 外 对于常规原油 SARA 分析指出关 于沥青质沉淀作用对流体稳定性的影 响 这对于设计生产方案和设施来说非 常重要[31] 对于稠油来说 SARA分析在 沥青质沉淀作用指示方面不太有用 沥 青质沉淀一般是在稠油被某种气体或溶 剂稀释时发生 此外 SARA 分析实践 方法不尽相同 因此 很难比较不同实 验室的测量结果 46 模拟蒸馏是一项确认碳氢化合物 组分的 GC 技术 以其各自的沸点为顺 序[32] 它被用来模拟消耗时间的真实沸 点的实验室程序 在高温条件下 即 C F 该技术可以分 辨至 C120 以下的化合物 分析结果可以 模拟下游炼厂的炼制过程 帮助炼厂选 择可以给它们带来经济效益的原油 对 于稠油来说 模拟蒸馏技术在应用上受 到限制 这是由于在稠油中占有很大比 例的大分子化合物在温度升高时会发生 化学降解 在温度大于350 C 662 F 会 发生裂解 需要对油样进行的另一个测试是相 态特性 也叫做 PVT 特性 这些测试描 述油样的性质如何随着压力 温度或组 成的变化而变化 这些变化在生产过程 中会出现 针对稠油而言 通过应用新 技术或对已有技术进行改造来精确测定 稠油的各项性质随着压力 温度或组成 而变化的情况 标准的实验技术测量泡点压力 压 缩系数 烟雾 也叫做废气 的组成 密度和气油比 GOR 等 PVT 物性 尽 管粘度不是准确意义上的相特性 但是 它也会随着压力 温度或组成的变化而 发生剧烈变化 因此 这套 PVT 测量也 包括粘度测量 对稠油来说 分析粘度 特征尤为重要 因为即使微小的粘度变 化都会对产量和可动油体积造成重大影 响 在一些稠油油藏中 原油的表观粘 度会由于原油与气或水混合而发生变 化 生产过程中从原油中释放出来的气 体会形成泡沫 稠油和水混合会形成乳 状液 这会导致其粘度与纯稠油的粘度 明显不同 一些稠油的开采需要用注蒸汽 气 体或降粘溶剂 比如石脑油 来帮助生 产或人工举升 为了证实这些采收率技 术的有效性 在实验室定量测量因添加 气体或溶剂引起的泡点压力 密度 压 缩系数 组分和液态烃相数量的变化 添加的气体或溶剂还会造成沥青质沉淀 而进一步改变稠油特性 为了避免引起不希望有的粘度变化 和固体沉淀 实验室测量检测含气石油 的流变学特性和溶解度随压力和体积的 变化 在特定的温度或压力下 通过用 稀释剂滴定法和气体注入 来测定何种 浓度下会发生沥青质沉淀 29. Alboudwarej H Beck J Svrcek WY Yarranton HW 和 Akbarzedeh K Sensitivity of Asphaltene Energy & Fuels Properties to Separation Techniques 16 卷 第 2 期 2002 年 Asphaltene Deposition and Its Control uic.edu/~mansoori/asphaltene.deposition.and.its. Control_html 2006 年 6 月 26 日浏览 31. De Boer RB Leerlooyer K Eigner MRP和van Bergen ARD Screening of Crude Oils for Asphalt Precipitation: Theory Practice and the Selection of Inhibitors SPE 发表在 SPE 欧洲石油会 议上 法国戛纳 1992 年 11 月 日 还发 表在 SPE Production & Facilties 上 10 卷 第 1 期 1995 年 2 月 Villalanti DC Raia JC 和 Maynard JB HighTemperature Simulated Distillation Applications in Petroleum Characterization Meyers RA 编辑 Encyclopedia of Analytical Chemistry 英国 Chichester John Wiley & Sons 有限公司 2000 年 ~villalanti/htsd.pdf 2006 年 5 月 25 日浏览 油田新技术

14 > 用流变仪测量稠油粘度 随着流速变化 流变 仪测得的粘度也发生变化 这对分析稠油的非牛 顿特性来说很重要 因为它意味着粘度是剪切速 率的函数 > SRFC 的一种 PVT 分析仪器 被用来在 CCE 测试中通过给样品降压测试泡点 压力 泡点就是样品体积大幅增加时的压力 将稠油样品混合起来的CCE测试 可以获得与理想计算值匹配的泡点 而传统的CCE方法测得的泡点压力太低 稠油油藏中特别需要关注的一个流 体特性是泡点压力 溶解气出来时的压 力 实验室测量泡点的传统方法是降 压 叫做恒组分膨胀 CCE 测试 泡 点就是样品体积大幅增加时的压力 应用传统的CCE方法不能得到可靠 的稠油泡点压力值 当传统的 CCE 方法 失败时 为了获得真实的泡点压力值 S R F C 的专家专门为稠油设计了一种 CCE测试 上图 真实的泡点压力值可 以通过让气慢慢从油中分离出来和控制 流体混合来测得 在短时间内测量常规 2006 年夏季刊 原油的泡点会导致泡点比真实值低几百 个 psi 同样 将常规原油粘度测量程序用 于稠油也会导致很大的误差 流变仪或 高压毛细管粘度在精确的温度控制下可 以获得误差在 5 % 左右的粘度测量值 右上图 如前所述 数据质量取决于所获得 的代表性油藏流体样品 在一些情况 下 要获得某些目的层的代表性井底和 井口样品非常困难 因此 开发了一种 程序 用地面收集的流体样品来重新混 > SRFC的样品重新混合装置 利用从井口抽取的 流体来获得代表性流体样品 合产生稠油样品 下图 对于泡点压 力测量 必须有足够的时间允许重新组 合的样品气体扩散 完全溶解于稠油 中 47

15 为了测试流体重新混合技术的有效 性 对从重新混合程序获得的流体和井 口样品的泡点和粘度进行比较 当混合 流体的PVT和粘度测试值与井口样品相 匹配时 就能得到一个针对该油田的准 确模型 用来预测稠油的特性 在一个例子中 某油公司担心在南 美一些未脱气稠油中存在乳化水[33] 大 多数稠油生产伴着水 不管这些水是在 油藏中自然存在的还是以水或蒸汽形式 注入的 在生产过程中 通过泵或流量 限制处时的高流速产生的剪切应力可能 足够大 可以使水在稠油中乳化 造成 粘度增加 这会影响人工举升效率 极 大地增加运输稠油所需的能量 在有些 情况下 还会影响对生产设备的选择 油水乳化物的粘度和稳定性取决于 含水率以及哪个相是连续相 油连续相 即油包水 乳状液的粘度会比纯油的 粘度增加一个数量级以上 油包水乳状 液的粘度随着含水率增加而增大 直至 达到乳化液转相点 此时连续相变成水 相 产生水包油乳状液 对于水包油乳 状液 随着含水率增加粘度降低 要描述南美稠油乳状液的稳定性和 粘度特性 必须在 SRFC 中心开发新的 实验技术 大部分针对乳状液的实验使 用地面脱气原油样品 但是未脱气原油 中包含的溶解气会对原油和乳状液的粘 度产生影响 SRFC 中心的工程师们开 发了一种新技术 将地面脱气原油样品 与天然气混合成未脱气原油 并用合成 的原油制造乳状液 合成的未脱气原油 在一个高温高压 HPHT 的剪切室里以 不同的含水率与水混合 剪切室里产生 的乳状液液滴大小平均为2 5微米 目 测和液滴大小分析证实 在达到乳化液 转相点前未脱气原油乳状液保持相对稳 定 产生的乳状液的表观粘度用高温高 压毛细管粘度计在两个不同压力下进行 测量 右上图 乳化的未脱气稠油的 粘度明显要比无水稠油高 在50%体积 含水时 要高出5倍以上 体积含水60% 时粘度下降 说明到了转相点 系统从 48 > 通过样品重新混合得到的油水乳状液的表观粘度 用高温高压毛细管粘度计 在两个不同压力下进行测量 未脱气原油乳状液的粘度随着含水升高而增加 在50% 体积含水时 乳化的未脱气稠油的粘度比无水稠油高出 5 倍以上 流体 体系从体积含水 50% 或 50% 以下的油包水乳状液转化为含水 60% 的水包油乳 状液 体积含水 50% 以下的油包水乳状液转 化为含水60%的水包油乳状液 正如所 预料的那样 系统未脱气原油的最大粘 度发生在刚刚达到转相点以前 与无水 稠油体系相似 乳状液的粘度随温度升 高而降低 随溶解的气量升高而降低 客户可以利用这些研究结果来确定泵的 尺寸 评估将流体从储层举升到地面设 备所需要的能量 设计地面分离器 稠油油藏钻杆测试 为了确认发现井的经济潜力 油公 司采用钻杆测试 DST 技术 DST 能 够提供短期产量用来评价储层的生产能 力 还可以描述动态情况下的渗透率 完井损害和储层非均质性的特征 典型 的钻杆测试涉及到在临时完井的井中生 产 记录压力 温度和多相流量 以及 获得代表性流体样品 > 巴西一个测试稠油井的地面设备 因为有 PhaseTester Vx 多相流油井测试技术 就可以精确地测量 三相流 在常规系统中 流量只在通过分离器分离后计量 橙色线代表油 气 水三相流动 分离器 输出三个单独的相 油田新技术

16 钻杆测试技术在流体粘度很高 储 层强度低和有乳状液存在情况下面临的 挑战特别大 为了克服这些困难 斯伦 贝谢的工程师们设计并实施了一个测试 方案 该方法综合应用了监测流体相态 的高分辨率压力温度传感器 用来测试 流量的多相流量计 用来举升流体的电 潜泵以及用于相分离和取样的分离器 应用实时数据传输系统提高了效率 能 够更快 更好地进行决策 斯伦贝谢的工程师采用上述设备以 及最佳作业实践 已经对巴西近海20多 口稠油勘探井成功地实施了 DST 测试 这些超稠油的 API 重度为 9 粘度高达 4000 cp 4 Pa.s Devon能源公司希望对Macae地层 稠油油藏的特征进行分析 该地层为巴 西近海Campos 盆地胶结疏松的粒状碳 酸盐岩 Macae地层是潜在的酸化增产 候选层 但是岩心分析指出酸化后造成 的地层疏松会引起井眼不稳定[34] 渗透 率变化很大 完井段上部渗透率值较 高 有的地方甚至超过 1 达西 这将导 致不能为整个完井段导入足够的酸液 重度为 API 粘度为 cp Pa.s 的原油物性也会引起 与酸液的配伍性问题 进行射孔以后 为获得最佳的流体充填效果 使用VDA 粘弹性转向酸实施增产[35] 酸化效果不 错 经处理后 改井的洗井和酸液转向 效果都很好 酸化以后 使用斯伦贝谢稠油 DST 最佳实践对该井进行测试 包括实时监 测和 PhaseTester 便携式多相定期试井 设 备 前 一 页 下 图 这 套 小 型 PhaseTester 系统结合了文丘里质量流 测量 双能量自然伽马衰减测试和流体 压力 温度来计算天然气 油和水所占 的比例[36] 事实证明 与传统的相分离 器相比 PhaseTester 测试的原油流量 更精确 更稳定 右上图 精确度和稳定性的增加使 DST 数 据的解释结果更值得信赖 在 Devon公 司的这口井中 来自测试分离器的压力 不稳定试井解释的压力和压力导数的计 算值和观测值之间有差异 右下图 2006 年夏季刊 > 为 Devon 能源公司利用 PhaseTester 测量的原油流量 蓝色 结果显示要比用传统的相分离器测得 的流量数据 红色 稳定 > 用分离器测试的产量值进行的压力不稳定试井解释 试井历史曲线 上 显 示 压力实测值 绿色 和模型计算值 红色 之间存在差异 在压力双对 数诊断图 下 上 第二段压力恢复期 蓝色 和第三段压力恢复期 红色 的压力和压力导数与模型计算的压力 实线 和压力导数 虚线 与实测值 存在很大偏差 33. Alboudwarej H Muhammad M Dubey S Vreengoor L 和 Saleh J Rheology of Heavy-Oil Emulsions SPE/PS-CIM/CHOA 发表在 SPE 国际热采和稠油会议上 卡尔加里 2005 年 11 月 1-3 日 34. Lungwitz BR Hathcock RL Koerner KR Byrd DM Gresko MJ Skopec RA Martin JW Fredd CN 和 Cavazzoli GD Optimization of Acid Stimulation for a Loosely Consolidated Brazilian Carbonate Formation Multidisciplinary Laboratory Assessment and Field Implementation SPE 发表在 SPE 地层损 害和控制国际会议暨展览上 美国路易斯安 那州 Lafayette 2006 年 2 月 日 35. Al-Anzi E Al-Mutwa M Al-Habib N Al-Mumen Nasr-El-Din H Alvarado O Brady M Davies S Fredd C Fu D Lungwitz B Chang F Huidobro E Jemmali M Samuel M 和 Sandhu D 碳酸盐岩 油气藏增产处理新方法 油田新技术 15 卷 第 4 期 2003/2004 年冬季刊 Lungwitz 等人 参考文献 Atkinson I Theuveny B Berard M Conort G Lowe T McDiarmid A Mehdizadeh P Pinguet B Smith G 和 Williamson KJ 多相流测量新技术 油 田新技术 16 卷 第 4 期 2004/2005 年冬季 刊

17 但是来自 PhaseTester 的压力不稳 定资料解释的压力和压力导数的计算 值和观测值拟合得很好 左图 根据 这两个解释建立的模型的渗透率差别 为 16% 从 PhaseTester 测试数据得出 的渗透率还与按比例增加的岩心测试 结果一致 > 用 PhaseTester 测试的产量值进行的压力不稳定试井解释 试井历史曲线 上 显示 压力实测值 绿色 和模型计算值 红色 之间拟合很好 在压 力双对数诊断图 下 上 第二段压力恢复期 蓝色 和第三段压力恢复期 红色 的压力和压力导数与模型计算的压力 实线 和压力导数 虚线 与 实测值拟合很好 > 水平井 CSS 或 SAGD 开采建议的完井设计 耐热的衬管悬挂器提供了耐压密封 增加了蒸汽注入的 有效性 REDA Hotline 550 人工举升系统能够在高达 550 F 的内部发动机温度下连续作业 分布式温 度传感 DTS 系统在蒸汽注入和稠油生产过程中监测温度变化 37. Smith RJ 和 Perepelecta KR Steam Conformance Along Horizontal Wells at Cold Lake SPE/PS-CIM/ CHOA 发表在 SPE 国际热采和稠油会议 及国际水平井技术会议上 卡尔加里 2002年 11 月 4-7 日 38. Curtis C Kopper R Decoster E Guzman-Garcia A Huggins C Knauer L Minner M Kupsch N Linares LM Rough H 和 Waite M 重油油藏 油田新技术 14 卷 第 3 期 2002 年秋季 刊 Krawchuk P Beshry MA Brown GA 和 Brough B Predicting the Flow Distribution on Total E&P Canada s Joslyn Project Horizontal SAGD Producing Wells Using Permanently Installed Fiber Optic Monitoring SPE 准备发表在 SPE 技术年会暨展览会 上 美国得克萨斯州 San Antonio 2006 年 9 月 日 稠油井的建井和完井 稠油油藏的建井和完井工作会遇到 各种复杂情况 这包括在松软地层中钻 稳定的井眼 水平井的精确定位 为在 极端温度条件下生产的井设计油管系统 和坚固耐用的水泥 安装能在最恶劣条 件下有效作业的防砂 完井和人工举升 设备 所有这些作业都受益于一个综合 工程方法 该方法汲取了全球的经验来 为新的稠油问题提供解决办法 要经受极端温度变化的井 比如 在循环蒸汽吞吐 CSS 或蒸汽辅助重 力泄油 SAGD 方案中 必须要有特 殊的高性能完井装置 高温和温度变 化会引起普通弹性体失效 这将导致 密封口损坏 使压力和流体从套管逸 出 增加了套管腐蚀的可能性 降低了 注蒸汽的效率 最近 斯伦贝谢的工程师们开发了 一些可以在温度高达 650 F 343 C 压 力高达 21 MPa 3046 psi 条件下循环 作业的无弹性系统 这些系统可以在部 署储层监测和控制设备的同时保持压力 完善性 左图 斯伦贝谢的高温热尾管悬挂器已经 在冷湖 Cold Lake 油田应用 加拿大 的一家大型作业公司正在该油田进行水 平井循环蒸汽吞吐试验[37] 使用定制的 衬管和在衬管顶部设置耐压密封装置 作业公司可以获得很好的蒸汽波及效率 注入的蒸汽在整个水平井段均匀分 布 试验区的延时地震勘测也证实了这 一点 SAGD 井也要求其井下装置具有很 高的耐高温级别 这些井要求具有高造 斜率 注入井和生产井之间有接近控 制 可塑性强的水泥 防砂装置 衬管 悬挂器 封隔器和人工举升设备都能够 在超过 280 C 536 F 的温度下操作 油田新技术

18 产生蒸汽的费用大概占一口 SAGD 井作业费用的75% 保持产量的同时降 低蒸汽/原油比 SOR 是提高作业效益 的关键 右图 减少蒸汽注入量可以 节约能量消耗 降低产出水量和处理费 用 减少二氧化碳的排放 降低 SOR 的一个重要组成部分是 REDA Hotline 550 高温电潜泵系统 它 可以在高达 550 F 288 C 的内部发动 机温度下或者在 420 F 216 C 的井底 温度下连续运转 它的高温热塑性发动 机线圈的绝热材料被起初是为地热井和 蒸汽驱井的应用而开发并且获得了专 利 系统考虑到了泵设计中用到的各种 材料的不同膨胀和收缩率 使用电潜泵可以使储层在独立于井 口或分离器压力的条件下生产 并可以 提高所注入蒸汽的质量 这样可以将 SOR 降低 10 25% 使每桶油的生产成 本节约 1 美元 另外 统计数字表明 Hotline 550 电潜泵具有极好的可靠性 安装时间最长的已经运行了 天 Hotline 550 电潜泵正在被包括 Encana Suncor 康菲 Nexen 道达尔 Husky 和 Blackrock 在内的许多加拿大作业公 司采用 监测稠油开采 了解稠油油藏中流体的流动情况对 于优化采收率方法非常重要 当需要加 热来降低流体粘度使流体流动时尤其如 此 已经开发了几种方法 包括分布式 温度传感 DTS 系统 永久性压力计 过井地震和电磁测量 微震技术和延时 地震监测等[38] 2004 年 道达尔勘探与生产 加拿 大 公司在一口 SAGD 先导试验生产井 上安装了光纤 DTS 系统来监测生产过 程中的温度变化 该井位于加拿大艾伯 塔省的 Joslyn 油田[39] 油藏的产层是 McMurray 地层 该合同区的东部在矿 采沥青 在西部 50 米井段的沥青用注 蒸汽方法加热 并用泵抽到地面 2006 年夏季刊 > 在维持或增加产量的同时降低 SOR 降低 SOR 可以节约用来加热稠油的能量消耗 降低产出水量和 水处理费用 [数据来自Encana Investor Day 2005年11月7日 /pdfs/oilsands.pdf 2006 年 7 月 28 日浏览 ] > 道达尔勘探与生产 加拿大 公司的 SAGD 先导试验 有一对 SAGD 生产 - 注入水平井和三口用来 记录注入 - 生产区温度的监测井 当注入 - 生产区被首次加热时 建 包括三口穿过注入 - 生产区的观察井 立温度变化与粘度和流量之间的关系有 距离 SAGD 井 1 2 米 3 7 英尺 下 助于工程师改进蒸汽注入方案 确保足 图 观察井上的温度测量值由 45 米 够的热量到达井内区域 除了生产井中 148 英尺 井段上的热电偶记录 的光纤温度传感系统 先导试验方案还 51

19 为了启动 SAGD 程序 两口井中都 注了几个月蒸汽来降低沥青粘度 2004 年 9 月 生产井中安装了一个泵和 DTS 监测系统 在注入井继续注蒸汽 偏向 井底 的同时 开始生产 在 月 采集的 DTS 数据显示 注入 - 生产区的 温度升高 但是井的尾部附近并没有出 现这一趋势 右图 2005 年 1 月 利用电潜泵替换了现 有泵 在修井期间 停止蒸汽注入 DTS 测量系统被暂时移走 还装入了一个衬 管 DTS 测量系统被重新插入 接着继 续注入蒸汽 并集中向注入井的跟部注 入 新的 DTS 数据表明注入 - 生产区温 度再次升高 右下图 对修井后采集的 DTS 数据进行仔 细检查 结果意外发现存在一个 20 C 36 F 的温度波动 下一页 上图 相 比之下 修井前的DTS数据很少有这种 波动 可以确信 修井后数据的这种温 度波动是由携带 DTS 测量系统的连续 油管柱螺旋引起的 修井前 DTS 测量 系统可能位于割缝衬管底部 但是 在 修井过程中测量系统被重新插入 在割 缝衬管内部弯曲变形 观察到的温度波动与生产井顶部和 底部的温度相对应 热沥青的温度在水 平生产井顶部比底部高出20 C 修井前 后从观测井 OB1C 采集的温度数据也表 明过生产井剖面存在一个明显的压力梯 度 下一页 下图 因此要解释温度 数据还必须了解温度传感器在井眼中的 位置 DTS系统提供的连续测量有助于 搞清井动态 > 自 2004 年 10 月起三个月的 DTS 数据 显示出注入 - 生产区温度升高 从尾部到前部 深度增加 井跟部附近的一个区域温度并不像井内其它区域那么高 > 修井后采集的 DTS 数据显示注入 - 生产区温度再次升高 40. Belani A: It s Time for an Industry Initiative on Heavy Oil Journal of Petroleum Technology 58 卷 第 6 期 2006 年 6 月 艾伯塔资源办公室 参考文献 Freed DE Burcaw L 和 Song Y-Q: Scaling Laws for Diffusion Coefficients in Mixtures of Alkanes Physical Review Letters 94 卷 第 6 期 2005 年 2 月 17 日 Freed DE Lisitza NV Sen P 和 Song Y-Q: Molecular Composition and Dynamics of Diffusion Measurements Mullins OC Sheu EY Hammami A 和 Marshall AG 编辑 Asphaltenes Heavy Oils and Petroleomics 纽约市 Springer 出版 中 Mullins OC Petroleomics and Structure-Function Relations of Crude Oils and Asphaltenes Mullins OC Sheu EY Hammami A 和 Marshall AG 编 辑 Asphaltenes Heavy Oils and Petroleomics 纽约市 Springer 出版中 油田新技术

20 > 修井后采集的 DTS 数据 显示出有一个高达 20 C 红色曲线 的频率波动 相比之下 修井前的 DTS 数据显得平滑许多 蓝色曲线 修井后采集的数据 中的温度波动是由 DTS 测量系统的螺旋上升引起的 温度波动代表井眼顶底 的温度差 > 观测井中记录的温度数据 表明注入井处温度高 生产井处存在很大的温度 梯度 稠油技术未来的发展 由于稠油资源非常丰富 目前专注 于常规原油开采的油公司也进入稠油领 域 与具有几十年稠油开发经验的油公 司共同开采稠油[40] 这些新加入的公司 可能带来新技术 有助于填补资深开采 公司和其它机构的技术空白 例如 艾 伯塔资源办公室编辑了一份科技进展清 2006 年夏季刊 单 这些技术可使油砂原油产量在2030 年达到 500 万桶 / 日 80 万米 3/ 日 相 当于北美需求的 16%[41] 要达到这些目 标 需要对采矿技术改进 提高采收率 方法和技术更新进行投资 针对提高稠油采收率方法的每一个 技术进步 各个方面都需要做更多的努 力 在流体特征描述领域 科学家们正 努力从测井和实验室数据中汲取更多有 关原油化学和组分结构的信息 例如 目前正在进行将核磁共振扩散分布与原 油分子链长度联系起来的研究[42] 研究 人员正在努力在目前基于光谱测定的井 底流体分析实践中加入荧光测量方法 这样就能使流体特性描述更精确 可以 得到连续的井底流体测井资料 研究人 员还在努力将各种实验技术 例如 SARA 分析 标准化 以便比较从不同 实验室得到的结果 在了解原油中的最 重组分 沥青质 方面的进展不仅可能 提高稠油采收率 还有助于解决轻质原 油的流动保障问题[43] 稠油专家们一致认为稠油的开采和 评价没有一个统一的方法 有些技术改 进 例如在测井解释领域 可能需要针 对某一特殊区域开展 在另外一些情况 下 例如提高井下完井设备作业温度的 新材料的开发 技术成功可能具有非常 广泛的应用 还有其它一些进展 包括 实时监测方面的进展 可能是几种可靠 有效方法结合之后的结果 另外一个一致认识是必须继续在稠 油资源开发中考虑环境因素 在沥青矿 采和地下开采项目中 环境和文化因素 是商业模型的重要组成部分 这其中包 括已矿采地区的回垦 矿物回收来利用 废弃材料 降低用水量 与当地居民有 关的问题和减少会引起温室效应的气体 的排放等 新方案必须考虑这些以及其 它因素 包括二氧化碳的排放 永冻层 和其它脆弱的生态系统的保护 减低用 来加热稠油的能量消耗等 如果说稠油与轻质油相比有一个优 势的话 那就是它的开采寿命 稠油油 田可以开采 100 年或更长时间 如在 19 世纪 80 年代末在加里福尼亚发现的一 些稠油油藏 据估计 加拿大的油砂可 以开采数百年 现在所做的投资必将在 长远的未来获得回报 LS 53