基本介紹
- 中文名：稠油熱驅
- 外文名：Heavy oil thermal flooding
- 機理：降低原油粘度
- 目的：提高採收率
- 方法：蒸汽吞吐、蒸汽驅、火燒油層
- 時間：我國開始於1980年
稠油性質,發展歷程,機理,熱驅方式,蒸汽吞吐,蒸汽驅,火燒油層,主要技術成就,
稠油性質
1、膠質瀝青質含量高、輕質餾分少。高粘度和高相對密度是稠油最主要的特性；
2、硫、氧、氮等雜原子含量較多。例如：美國、加拿大、委內瑞拉的重油中含硫量高達3%～5%；
3、稠油中含有較多的稀有金屬，如：Ni、V、Fe、Mo等；
4、稠油中石蠟含量一般較低，但也有極少數“雙高原油”；
5、同一稠油油藏中，原油性質在垂向油層的不同井段及平面上各井之間常常很大的差別；在同一油田或油區，原油性質相差更大。
發展歷程
從1980年-，我國稠油開發技術的發展大致經歷了三個階段，即
（1）1980～1985（六·五）：以稠油蒸汽吞吐開採技術為目標；
（2）1986 ～1990（七·五）：以稠油蒸汽吞吐技術推廣套用與稠油蒸汽驅先導試驗為目標；
（3）1991 ~今：以改善蒸汽吞吐、蒸汽驅開採效果為目標。
機理
稠油的熱特性：
1、稠油的粘溫特性（是稠油熱采的理論基礎）；
2、稠油的蒸餾特性（蒸汽驅、火驅採油機理之一）；當溫度升高到泡點（原油開始汽化時的最低溫度）時，原油中的輕質組分將分離為氣相，重組分仍保持為液相；
3、稠油的熱裂解特性（在火燒油層過程中表現的比在蒸汽驅過程中更加突出）；稠油的熱裂解是指當溫度升高到某一程度時，稠油中的重質組分將裂解成焦炭和輕質組分；
4、稠油的熱膨脹特性；
熱驅方式
按驅動方式，可將稠油注蒸汽開採分為蒸汽吞吐和蒸汽驅兩個階段，這是國外通常的做法。
蒸汽吞吐：方法簡單，經濟風險性小，每口井可進行5～8周期的吞吐作業，採油速度高達3% ～ 8%,但原油採收率僅10% ～ 20%，損失大量可采儲量。蒸汽吞吐有效加熱半徑小於30m。（數模結果）
蒸汽驅(steam Drive)：高技術、高投入、高速度、高能耗，是否高收益、高水平取決於油藏地質條件和工藝技術的先進性。
蒸汽吞吐
一、蒸汽吞吐過程
蒸汽吞吐（Puff and Haff）是單井作業，每口井既是注汽井又是生產井。它有時又稱油井激勵處理(Steam Stimulation)、循環注蒸汽(Cyclic Steam Injection)、周期注蒸汽、蒸汽浸泡等。蒸汽吞吐這一工藝技術的每一循環包括三個步驟：
1、注汽階段(吞蒸汽)；
注汽階段是油層吞入蒸汽的過程。根據設計要求的施工參數（注入壓力、注汽速度、蒸汽乾度、周期注氣量），把高溫高壓飽和蒸汽注入油層。注入蒸汽優先進入高滲透帶，而且由於蒸汽與油藏流體的密度差，蒸汽占據油層的上部。油層內的溫度分布並不均勻，靠近井眼處的地層及油層的上部溫度相對較高，隨著注汽過程的進行，被蒸汽加熱的區域越來越大。當注入蒸汽量達到設計的周期蒸汽注入量時，油層平均溫度達到最高。
2、關井（燜井）階段；
注完所設計的蒸汽量後，停止注汽，關井，也叫燜井，燜井的時間一般為2～7天。燜井的目的在於：
（1）使注入近井地帶的蒸汽儘可能地擴散到油層深部，加熱那裡的原油；
（2）騰出時間準備回採條件，如下泵等。
在燜井階段，由於蒸汽的熱損失（上下蓋層油層深部）導致蒸汽擴散區域的蒸汽冷凝，變成熱水帶，該熱水帶溫度較高（有一定的壓力）仍然可以加熱地層和原油。
3、採油階段（先自噴，後下泵轉抽，當抽油生產達經濟極限後開始下一循環。）
油井注完蒸汽關井達到設計的燜井時間後，開井生產進入回採階段，在回採階段，由於油層壓力較高，一般油井能夠自噴生產（尤其是首輪蒸汽吞吐），裝上較大的油嘴以防止油層出砂，開井生產最初幾天，通常是含水率很高，有的甚至全是熱水，但很快出現產油峰值，氣產量為常規產量的幾十倍。當油井不能自噴時，立即下泵生產。
隨著回採時間延長，由於注入地層的熱量損失及產出液帶出大量的熱量，被加熱的油層逐漸降溫，流向井筒的原油粘度逐漸升高，原油產量逐漸下降。當產量降至某一極限產量時，結束該周期的生產，重新進行下一周期的周期吞吐，如此多周期地吞吐作業，最後轉入蒸汽驅開採。
在多周期吞吐中，前一周期回採結束時留在油層中的餘熱對下一周期的吞吐將起到預熱作用，有利於下一周期的增產。
蒸汽驅
一、蒸汽驅過程
蒸汽驅是指從注汽井持續注汽而從相鄰生產井持續產油的過程。Steamdriver和Steamflood都是指的蒸汽驅。
二、蒸汽驅提高採收率的機理
對於蒸汽驅過程中的每一個區帶，其驅替機理都不同，因此，由注入井到生產井，形成了一個含油飽和度和溫度不同的剖面。
蒸汽驅過程中的含油飽和度主要取決於它的熱力學性質，蒸汽帶中的殘餘油因經受的溫度最高而降至最低的飽和度；凝結帶中，由於蒸汽帶前緣形成的溶劑油帶的抽提作用以及蒸汽帶的溫度也較高，因此，其殘餘油飽和度遠遠低於冷水驅。蒸汽帶和凝結帶的不斷推進，推動可動原油前進，因而形成了前面原油飽和度高於原始值的油帶及冷水帶，此處的驅油方式和水驅相同，在油層原始區，溫度和含油飽和度仍是最初狀態。
蒸汽驅機理有降粘作用、蒸汽的蒸餾作用、熱膨脹作用、重力分離作用、相對滲透率及毛管壓力的變化、溶解氣驅作用、油相混相驅動、以及乳狀液驅替作用。這些機理的作用程度主要取決於原油及油層的特性。
1、降粘作用
向地層中注入熱的蒸汽，油層溫度升高，原油粘度下降，大大地改善了稠油流動能力，這是蒸汽驅開採稠油的主要機理。高粘度的重質原油在孔隙介質中流動困難，主要原因就是粘度過高，粘滯力即滲流阻力過大，在油層的原始溫度下，高粘度原油具有不同於達西滲流的流變特性，甚至於根本流不動，只有在油層壓力與井底壓力的壓力差大於一定的壓力（啟動壓力）時，高粘度原油的流動才符合徑向流動或才開始流動。在蒸汽驅過程中，油層的溫度升高，原油粘度大幅度下降，啟動壓力減小甚至消失。
在高溫下代表地層滲流能力的流動係數Koh/µo發生很大的變化：一方面由於µo大幅度下降；另一方面，隨著溫度的升高，油層有效厚度h中進入產油狀態的實際動用厚度增加了，此外，油的相對滲透率（後面要討論的內容）Kro也增加，這樣，流動係數Kroh/µo大大增加，故油井產量大幅增加。
2、熱膨脹作用
地層中的油、水、岩石在注入的熱蒸汽作用下，溫度升高，體積膨脹。其中，油水的體積膨脹係數分別為1×10-3和3×10-4，相對而言，岩石的體積膨脹係數非常小，相對於油水體積隨溫度的變化，岩石的體積隨溫度變化可忽略不計。油水體積的膨脹驅動流體流向生產井，而油相的體積膨脹較水相的體積膨脹明顯得多，因此，大大降低了殘餘油飽和度。當溫度增加150℃，原油體積將增加15%，殘餘油飽和度將減少10%～30%，從而提高了原油的採收率。輕質油的熱膨脹係數較稠油大，因此，熱膨脹作用對輕質原油油藏的蒸汽驅替開採更具優越性。
3、蒸汽蒸餾作用
蒸汽蒸餾是指某種液態混合物中的揮發性組分在直接引入蒸汽時，可以在低於其沸點的溫度下蒸發為氣態，也稱“汽提”作用。在汽提過程中蒸汽從原油中把比較輕的組分抽出，被汽提的輕烴蒸汽與水蒸汽混合後一道向前流動，這種混合蒸汽在凝析帶內凝結為液態的水和輕質油，輕烴與當地原油混合，原油粘度降低，被驅向下游，導致異常低的殘餘油飽和度，從而增加了原油的採收率。
火燒油層
一、火燒油層法驅油機理
火燒油層法（火驅法）是向儲層注空氣給燃燒前緣供氧，當開始注空氣時，注入井眼附近的原油開始氧化，如氧化反應快，原油將自燃點火，並開始燃燒；如氧化反應慢，用下入加熱器到注入井底加熱空氣的方法使其點燃。點火成功後，繼續注空氣使燃燒前緣從注入井沿油層向外移動。燃燒廢氣在前方流動，與油和水一起在生產井排出。
在燃燒前緣處發生的熱量把靠近前緣的地層水汽化，並在燃燒前的前方形成一蒸汽帶，燃燒反應中生成的水分也有助於這個蒸汽帶的形成和發展。緊靠燃燒前緣處的高溫使留下的少量原油蒸餾和裂解，蒸餾和裂解出來的輕油蒸氣與燃燒廢氣一起向前流動，被蒸汽前緣下游的原油吸收，並在那裡逐漸形成一個富油帶。火燒油層的採油機理異常複雜。但可以肯定的是原油的高溫裂解、熱驅、冷凝蒸汽驅、混相驅以及氣驅都是火燒油層提高採收率的機理。
二、燃燒帶
（1）注入的空氣或氧氣在井底附近形成燃燒帶，燃燒帶產生的熱量加熱地層、蒸發原油中的輕質組分和地層中的間隙水，燃燒產生二氧化碳、一樣化碳、水蒸氣等氣體產物。
（2）燃燒前緣
在燃燒前緣留下的重質原油被高溫碳化，並沉積在沙粒表面上，構成燃燒過程的主要燃料，留在燃燒前緣後面的是乾淨的砂和大量的熱能。這些砂溫度很高，高溫一方面可以加熱尚未達到燃燒溫度的空氣或氧氣，另一方面為濕式燃燒方法中注入水的蒸發提供熱能。
（3）蒸髮帶
在蒸髮帶中有少量的間隙水受熱產生的水蒸汽、注入空氣中的氮氣、燃燒產物中的二氧化碳、一氧化碳等氣體，另外還有被蒸發的輕質油以及沉積在沙粒表面上的固態重烴或焦炭。
蒸髮帶中的各種氣體與前面的冷油層組相接觸形成凝析帶。
（4）凝析帶
在凝析帶，輕質原油與冷原油產生混相，降低地層中冷原油的粘度，並使原油體積產生膨脹，蒸汽加熱地層原油及地層間隙水，提高油層水溫度，形成熱水驅。二氧化碳、氮氣等與原油接觸產生混相氣體驅，進一步抽提原油中的輕質組分，降低原油粘度並膨脹原油。
（5）集油帶
在凝析帶前面的就是集油帶，也叫油牆（Oil Bank），集油帶中有部分氣體（N2，CO2，蒸汽）束縛水及原油。集油帶溫度仍高於地層原油溫度。
（6）原始油帶
在集油帶前面就是原始油帶，它尚處於原始狀況，未受火燒的影響。
三、火燒油層的採油機理
1、原油的熱裂解
在燃燒前緣，油層溫度高達300～650℃，高溫一是促使原油中較輕質組分蒸發向前推進，二是使留在沙粒上較重質組分產生熱裂解，形成氣態烴和焦油，氣態烴進入蒸髮帶，而焦油沉積在油砂上稱為燃燒過程中的燃料。
2、冷凝蒸汽驅
注入的空氣於燃燒帶與剩餘在沙粒上的焦油燃料起燃燒反應時，生成的蒸汽與燃燒前緣高溫使地層共存水產生的蒸汽一道向前推進，並和前面較冷的油層接觸。蒸汽把熱量迅速地傳給地層，使原油粘度迅速降低，增加原油的流動能力，因而提高了原油的驅動能力。
3、烴類混相驅
蒸髮帶正常蒸餾作用產生的氣態烴與燃燒前緣熱裂解作用產生的氣態烴混合進入凝析帶中，由於溫度較低而冷凝下來，冷凝的輕質油與地層原油混相，同時傳遞熱量，改善原油的流動性能。
4、氣驅作用
在燃燒帶中形成了一種十分有效的氣體驅動。注入的空氣與焦油燃燒，生成的氣體主要有CO2、N2進入蒸髮帶，一方面與原油達到混相和非混相，降低原油粘度，改善原油特性；另一方面，可以大大增加油層能量，提高原油的驅動力。
5、熱驅作用
由於油層流體的對流以及地層岩石的傳導，熱能可以從燃燒前緣一直傳遞到集油帶，同時熱量還可以傳遞到油層下部，使油層均勻加熱，這種傳遞方式有利於蒸汽驅，並可以大大提高油層的縱向掃油效率。此外，燃燒帶留下了大量的熱為後繼注入提高了必要條件。
四、火燒油層施工中存在的問題及對策
1、注入能力和生產能力低,注入井氧化鐵、瀝青質、乳化液、BaSO4、SrSO4垢等堵塞；
對策：酸化、擠入溶劑、注破乳劑，使用有機磷酸鹽。
2、腐蝕（特別是在濕式燃燒中）
酸腐蝕（低溫氧化產物包括醇、醛、酮、羧酸、過氧化酸等）；高溫氧化穿孔；S、O和CO2造成的腐蝕。
主要技術成就
總結起來，稠油熱采有十項重大技術成就：
一、油藏描述技術取得很大進展；
二、熱采數值模擬及物理模擬技術在稠油開發中發揮重要作用；
三、深井井筒隔熱及保護套管技術；
四、叢式定向井及水平井鑽采技術；
五、稠油油井防砂技術（機械防砂、高溫化學防砂）；
六、分層注汽及注入化學劑助排技術；
七、稠油熱采井機械採油技術；
八、井下高溫測試技術（遼河油田研製的溫度、壓力雙參數測試儀）；
九、注蒸汽專用鍋爐及熱采井口設備；
十、稠油集輸、計量、脫水及輸送技術。
