提高SA GD的效能

编译:赵睿 (新疆油田公司勘探开发研究院)

刘刚 (辽宁中医药大学)

审校:佘庆东 (大庆油田第一采油厂技术发展部)

提高SA GD的效能

编译:赵睿 (新疆油田公司勘探开发研究院)

刘刚 (辽宁中医药大学)

审校:佘庆东 (大庆油田第一采油厂技术发展部)

本文基于模拟及其分析结果,从不同方面对改善或提高蒸汽辅助重力泄油(SAGD)效能的相关问题作了一般性讨论。井眼设计必须与重力泄油速率相匹配。操作压力对开采速度起着重要作用,较低的操作压力会减小汽油比,减少 H2S的产出,还可以减少二氧化硅的溶解,从而减轻水处理问题。尽管如此,低操作压力增加了将流体举升至地面的难度。此外,蒸汽添加剂可能是增加这一工艺能效的另一个选择。

SAGD 效能 模拟分析 井眼设计 操作压力 Sub Cool控制

1 引言

阿萨巴斯卡油砂矿的巨大潜力使世界上许多石油产出国的资源相形见拙。这些资源的开发增长计划获得了数千亿美元的投资。大多数阿萨巴斯卡油层厚度都大于15 m(接近SAGD的经济极限),埋藏浅且非常均质,不存在明显的妨碍蒸汽腔发育的隔层。沥青在油藏条件下几乎不流动且具有极少量的原始饱和气。相比之下,同等API条件下委内瑞拉的资源则埋藏较深且地层温度较高,具有较高的初始气油比 (GOR)和地层条件下明显的低黏度。这与常规的重油油藏条件非常相似。因此, SAGD工艺与其他开采工艺相比可能无效。然而在阿萨巴斯卡现有的开采技术状况下,SAGD保有初次采油机理且是最有效的方法。

2 低操作压力下的低汽油比

低压操作下油藏内部温度就要低一些,因为基岩被加热到较低的温度,所以对能量要求也相应降低,从概念上来说这应该导致低汽油比 (SOR)。尽管如此,低压操作下产量也会降低,并且当压力低到某种程度时可能会低于经济极限产量。

为研究这些影响,在阿萨巴斯卡油藏开展了模拟研究。实际的三维地质模型采用地震和取心井数据建立,模型用来研究这个边际油藏:油层厚度25 m,平均孔隙度28%,水平渗透率平均4 D(1 D=1.02μm2),垂直与水平渗透率比0.5,初始含油饱和度75%。如果SA GD操作一开始就采用低压,那将花费很长时间来扩大汽腔,并且产量持续较低且不经济。所以,在这些模拟运行中,SAGD的初始操作压力都在3.5 MPa,在压力减小到3 MPa、2 MPa和1.5 MPa之前,以此压力操作两年来达到明显的高产。

为便于对比,用水油比 (WOR)来量度SOR。很明显,与3 MPa的操作压力相比,在2 MPa和1.5 MPa的操作压力下,SOR分别降低了15%和20%。尽管如此,蒸汽传递的潜热在低压下要高一些,这意味着相同体积的水要消耗更多的热量来转化为蒸汽。与3 MPa的操作压力相比,2 MPa和1.5 MPa操作压力下潜热分别要高出5%和8%,因此,总的效益可能提高10%～12%。鉴于模拟模型没有考虑到这方面,因此SOR效益需要根据压力降低后潜热的增加这一因素来贴现。

低压操作下需要考虑的另一方面是产出流体的温度较低,因此热量回采效率低。这种情况下,产出流体只携带出1/3的注入热量,这些回采热量中有一部分用来提高锅炉给水温度。尽管如此,由于热量传递中热动力学限制,总注入热能不能全部回采。即使在较高的操作压力下,有相当部分的低质量热能仍需消耗至周围环境中。1 MW/1 000bbl (1 bbl=0.159 m3)产量的数量级相当于0.2的SOR。低产出温度会使情况更糟,在评估低压SAGD时也需要考虑到这方面因素。

低压操作与高压操作相比具有两大优点:

(1)产出水中二氧化硅的溶解与温度有关,随着操作温度降低,产出水中二氧化硅的含量会明显减少,这将减少符合锅炉给水质量的水处理负荷。

(2)随着温度的降低,H2S的产出会明显减少。在产出水中有重要的硫醇成分通过水热解作用产生H2S。一般情况下,H2S的量尽管随着硫含量的变化而变化,但一些特定成分的出现使 H2S只有在特定环境下才能产生。H2S的产出量可以在实验室研究中预测,关于产出 H2S的认识对于地面工艺的环保设计非常重要。

3 油藏特征可以决定操作压力

一般来讲,在阿萨巴斯卡的SAGD操作中流体损失是个问题。沥青不可流动的概念可能是合理的,但在此油藏中的水具有相当的流动性。现场操作中,即使温度仍然接近初始温度,但压力却通过地层传导得非常快,这可能是由于存在可动水的缘故。因此,在较高压力和较高注汽速度下大量的流体可以从目的层溢出,从而限制了操作压力范围。此外,高渗带和底水层的存在也限制了选取操作压力的灵活性。

4 人工举升

随着操作压力的降低,在无人工举升的条件下,产出流体的能量也开始变得不足以举升流体到地面。一些成功的案例已经使用了气举方式。尽管如此,随着低压操作的推进,气举举升效率会下降,并且依赖于油藏深度,当井底压力低于某个界限值时气举将变得无效。在如何将生产井中大量的高温流体举升至地面方面,已经开展了很多研究工作。高温驱动系统 (电机)的温度限制为215℃,泵机组的温度限制取决于泵的类型,尽管所有的金属渐进腔式泵,有杆泵等都用在其他热驱作业中,但工业化SA GD产出的排量要求仍然太高,难以通过这些举升技术解决。大排量电潜泵、螺杆泵或双螺杆泵可能是解决方案,然而除电潜泵外,这些技术还都处于不同的发展阶段。

5 必须要用人工举升吗?

没有人工举升帮助的条件下,生产井操作压力有可能低于静水压力。模拟结果显示,300 m深的油藏在井底压力2 MPa时总产液量为1 000 m3/d。产量分布于油套环空,生产井有5℃和10℃的sub cool,井口压力约为1.1 MPa(0.9 MPa的压力损失)。位于95/8in(1 in=25.4 mm)筛管内的51/2in的生产油管,1 000 m水平段 (测量深度600 m～1 600 m)的压力损失不到0.02 MPa,大部分压力损失发生在斜井段和直井段,这导致产出水闪蒸为汽相。在到达斜井段之前,油管中产出流体的干度 (水中所含蒸汽的比例)为0,随着向上的流动,干度将达到30%。当环空尾端的流体流向趾端并通过油管产出时,环空尾端的干度显示为0,因为蒸汽可以有效地间歇式自喷,所以生产井应该能够在明显的低压下生产。因此,理论上讲,在没有任何人工举升的情况下,这口井应该能够正常生产。

6 Sub cool控制

在sub cool条件下生产是为了防止蒸汽突破,从而在三个方面利于SAGD过程:

(1)防止蒸汽突破在概念上来讲可以保存能量和降低SOR。

(2)任何额外的热量都以高速蒸汽流的形式携至地面,并且大多压降发生在生产井井筒的直井段。较高的蒸汽流速可以降低井的举升能力,并且会在地面设备中产生液流和生产流程的瓶颈。

(3)过多的蒸汽突破可能引起细粉砂移动并通过筛管,最终会腐蚀筛管缝而使得砂子流入,这对地面和地下设备都有严重损害。尽管如此,现场操作中由于井轨迹的不均衡性,很难识别蒸汽突破,更不用说控制了,耐高温光纤温度传感器研究的进步可以帮助识别这一问题,但如何保护它可能是个挑战。

已经谈到了许多不同的sub cool概念,其中一个最合理的是指生产井周围的条件,该讨论中谈到的sub cool是指生产井实际产出流体温度与饱和温度之间的差值。

最显著的一个问题是sub cool如何影响产量和采收率。为研究这个问题,采用同一个阿萨巴斯卡油藏模型进行了模拟,操作中考虑了在3 MPa、2 MPa和 1.5 MPa的长期操作条件下,无 sub cool的情况和sub cool分别为5℃、10℃、20℃的情形:产量和累积水油比在三个操作压力下几乎相同。当sub cool上升至20℃时,产量开始变得不稳定。

应该意识到这一点,通过重力泄油而从生产井中产出的流体与汽腔压力相比一般都是冷却后的。很多情况下,操作人员通过均衡sub cool来建立生产井液面,从概念上来讲这是对的,但sub cool大小有时被夸大了。

储层非均质性和井轨迹对于蒸汽分布起着最为重要的作用。按目前实际的井身结构,热量往往集中在跟部附近,且所有产出,无论是通过油管还是套管都不得不流经这一区域。除此,无论是由于地质还是轨迹原因,沿水平段的优先蒸汽突破都会降低井口产出流体的sub cool。

对地面设备而言,sub cool更为重要。相当一部分产出水会在沿着垂直段上升和流经油嘴以及阀门后到达生产设施的过程中闪蒸,较高速的蒸汽流需要较大的地面设备。

7 可选的SA GD井身结构

在一种可选的井身结构中,分别在不同的平台上钻注汽井和生产井可以缓解上述很多问题。如下面描述的那样,该结构中,蒸汽从注汽井的水平段一端注入,生产井从相反的一端生产。目前SA GD工艺采用的井身结构中,大多数蒸汽从跟部注入,大多数产出也来自于跟部区域。从概念上讲,生产井中的流体朝着因蒸汽注入而建立的压力梯度反方向流动,这明显会影响产量。如果注入和产出的流体都流向同一方向——生产井跟部,那么压力剖面状况就可大为改善。

尽管这需要多个平台,但商业开发中无论如何都要用到多个平台,可以研究创新性的平台设计以实现这种结构。这对钻井是一项挑战,不过通过现代技术的进步可以克服。

此外,完井时可以节省相当的费用,生产井和注汽井油管可以在预热后移除。有可能将蒸汽突破降至最低并控制产出流体温度,如有必要可以利用低温泵抽汲系统来举升流体。

8 强化SA GD

在蒸汽驱项目中使用添加剂进行流动控制是众所周知的,SAGD工艺中加入碳氢化合物溶剂可以在采油工艺中起到重要作用。依据其PV T特性,碳氢化合物溶剂的成分可以侵入热边界层外不能流动的沥青中,由于该区域较轻的碳氢化合物具有稀释作用,从而额外地降低了流体的黏度。图1是这个方法的原理图。

图1 通过在蒸汽中添加碳氢化合物来强化SAGD过程—ES SAGD概念

类似的原理已经在 Senelac和 Christina Lake先导试验区的SAP试验中加以应用,这些试验结果的报告表明,这一技术大大提高了采收率和降低了SOR。

对在商业化的操作中实施该工艺而言,溶剂的有效性和成本或许是最重要的因素。通常观察到的情况表明,在现场操作中运用这个方法获得的效益比模拟模型估计的效益更高。既然溶剂能够用于产出沥青的管道运输,那么在油层中注入同样的溶剂并由此获得强化开采效益也是值得的。据估计,在油层中大约有10%～12%的残留溶剂,这些残留溶剂中的大部分都能够在项目的后续阶段得以回采。

9 结论

(1)虽然从模拟结果来看低压操作显得更节能,但对这个概念的经济价值而言其他的能耗问题同样需要考虑。

(2)低压操作更适用于人工举升的应用,它可降低H2S生成量和水相中二氧化硅的含量。

(3)存在一个可以避免使用人工举升的操作范围,由此可以提高项目的经济性。

(4)对于热边界层中的温度分布特征而言,流体泄流至生产井是满足sub cool条件的。Sub cool在热储工艺中扮演的角色并不重要,除非它超过一个确定的值。依所研究的实例来看,当它的值高于20℃sub cool的时候会对热储工艺造成影响。

(5)使用溶剂强化 SA GD过程,由此提升SAGD的能量利用效率或许是较好的选择。

资料来源于美国《SPE 97921》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.001

2009-03-24)