电磁加热技术开采稠油和沥青油藏的研究进展

刘 晓，苑塔亮，王 澈，赵法军，李忠君

（1. 东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油集团长城钻探工程有限公司，化学技术发展中心，北京 1001012；3. 大庆油田有限责任公司第六采油厂，黑龙江 大庆 163114； 4. 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；5. 大庆油田有限责任公司第九采油厂，黑龙江 大庆 163712）

电磁加热技术开采稠油和沥青油藏的研究进展

刘 晓1，苑塔亮2，王 澈3，赵法军4，李忠君5

（1. 东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油集团长城钻探工程有限公司，化学技术发展中心，北京 1001012；3. 大庆油田有限责任公司第六采油厂，黑龙江 大庆 163114； 4. 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；5. 大庆油田有限责任公司第九采油厂，黑龙江 大庆 163712）

电磁加热开采稠油和沥青技术已经成为一个非常有前景的开采工艺，该技术是将电场能或高频电磁场能输入地层，依靠低频电阻热损耗生热机制或高频介质极化生热机制加热油层，通过提高油层温度来 降低原油粘度。与其它的采油工艺相比，电磁加热技术既没有在井筒中的热损失， 也不受地层低渗透率的影响，具有环境友好的特点。详细综述了国内外电磁加热开采稠油和沥青技术的最新发展现状，探讨了电磁加热开采稠油和沥青技术机理，评述了电磁加热开采稠油和沥青技术优点及技术局限性，展望了电磁加热开采稠油和沥青技术应用前景并提出了今后的发展方向。

稠油；沥青；电磁加热；机理； 研究进展

随着稀油油藏产量的下降，目前世界范围内石油工业开发的主要资源集中在开采稠油和沥青油藏上。在全球范围内这些资源大约有六万亿桶的原油地质储量，其中大部分位于委内瑞拉和加拿大，在我国稠油资源储量也有约为2.5×1010t。

稠油（Crude oil），通常是指粘度高、相对密度大、胶质和沥青质含量较高的原油。国外称稠油为重质原油（heavy oil），对粘度极高的稠油称为沥青（Bitumen）或沥青砂油 （Tar sand oil）［1，2］。

粘度高是开采稠油油藏中主要阻碍因素，对于高粘度稠油油藏而言热采是最有效的开采方法，但一些储层不能引入常规的热采开采方式。对于这些类储层，电磁加热不失为一种理想的解决方式。电磁加热的目标是将部分储层加热开采，与常规开采方式相比，电磁加热的储层可以更有效的使储层温度升高，并且热损失更少。相对而言电磁加热还是一项比较新颖的技术，并没有得到广泛的应用。因此，本文是从实验室研究和现场试验来讨论通过电磁加热稠油和沥青油藏提高采收率方法。

电磁加热开采稠油和沥青技术是将电场能或高频电磁场能输入地层，依靠低频电阻热损耗生热机制或高频介质极化生热机制加热油层，通过提高油层温度来降低原油粘度，改善了油层的渗流特性和流体的流动特性，从而提高原油采收率。电磁加热技术尤其对高粘、高凝、低渗和薄层等特殊油藏的开采以及解决井筒结蜡、地层堵塞、近井地带污染等问题有着特殊的效果。在国外开展此项研究工作已有二十多年的历史，该技术已经经过理论验证，在俄罗斯、美国、加拿大和其他国家的油田试验研究［3-19］。传统热采使用热流体驱替来提高单井产量的方式，在一些情况下效果不是很明显。这是由于在注入井和储层内的蒸汽泄漏和在薄层上覆盖层的热量损失等原因。此外，常规的热采方法对环境大多有害无益，破坏了地质学水文环境，加速了温室效应。

在电磁加热技术中最重要的就是在物质内部生成热量，而非从外部携入的。因此，与加热大部分的储层不同，电磁加热技术只对部分预先设定的储层部分加热，而且更有效率［20］。不同于传统的热采方法，电磁波加热通过分子的振动摩擦使储层加热。全球科学家都在进行电磁波影响下的不同环境中的传热传质的研究，但是电磁波加热是否能提高原油采收率尚未知。原因是缺少有关在电磁辐射影响下孔隙介质中多相系统传热传质过程的可靠信息，并且该过程很难加以控制。因此，目前的研究是使用建模的方法来寻找电磁波加热的最佳设计参数。

1 电磁加热开采稠油和沥青油藏技术

1.1 电磁加热技术室内实验研究

实验证明使用电磁波加热近井地带油层是可行的。实验室使用了具有介电常数7.7和正切为0.083的石英砂，原始含油饱和度为80%，束缚水饱和度为20%。原油粘度为16.61×10-3Pa·s，密度在860 kg/m3左右。原油样品的介电常数和损耗角正切分别为2.23和0.019。在这项高频电磁波加热的油藏模型中，介质的温度由位于实验装置内不同位置的温度计进行测定。线性辐射器放置在装置的中心，线性辐射器经由同轴电缆线连接到提供电磁波频率为13.56 MHz的发生器。在实验中，位于辐射源等距离且暴露于高频电磁场流体的温度是大于电加热的初始温度的。在这种情况下，介质的导热系数变化很小。加热时能够引入的热量的多少在很大程度上取决于该地层的导电性。这项研究总结了电磁波加热优点［3］。

Sayakhov等［5］在高频电磁场中非均质多孔介质中径向流动的液体的流动特性进行了研究。实验使用的电磁波频率为2 400 MHz，功率为500 W。将一个特别定制的岩芯夹持器用多孔介质将其装满，放在同轴共振器中。将用于产生兆瓦能量级的高频波电磁波发生器沿同轴电缆引导到谐振腔。研究的液体通过软管进入多孔介质，再通过仪器内的导管流入量筒。整个实验期间的温度通过插在岩芯夹持器上的温度计来记录，储层流体用煤油来替代，对有无高频电磁场影响下的情况分别进行测量。证实高频电磁场确实导致了经过多孔介质流体的温度急剧增加。当中断电磁场时，可以观测到流体的流急和温度急剧下降。

研究结果表明，在发射频率3×105Hz到6×105Hz的磁场条件下对电介质液体进行加热［5］该液体的导热系数是增加的。导热系数的增大就如同实验中所用的液体的偶极矩大小的参数随着频率和场强度的增加而增大。

Fatikhov［10］对高频电磁场中不同压力梯度的沥青流动情况进行了实验研究，在不同温度和不同压力下的沥青流量的变化。在 Mordovo-Karmalskoye沉积油藏条件下，沥青初始压力降为0.003 MPa/m。在实验过程中，随着温度的增加压力急剧下降，导致了含沥青质的原油变成了牛顿流体。因此，电磁加热提高了流体的流动效率，随着温度升高沥青的非牛顿性质急剧的降低。

Chakma和Jha［21］在实验室进行了稠油油藏的岩心模型上进行电磁加热实验。在电磁加热达到理想状态期间使用水平井注气，其目的是降低原油粘度，并用所注入的气体来形成气驱。实验已结果表明，对于井眼附近的薄油层热量已经足够时，利用 N2作为注入气体，实现了原油采收率达到45%。使用多种方式结合生产方法所达到的生产率要比单一的注N2或是电磁加热要高的多。Chakma和Jha还讨论了一些影响结果的参数，包括：注汽压力（压力越高，采收率越高）；温度（初始产油速度受温度的影响不是很大，但随后产油影响有所增加，这意味着总采出量随温度增大而增加）；电磁频率（频率越高，采收率越高）；原油粘度（在给定的电磁频率、温度和气体注入压力下，粘度较高原油产生较高的采收率）；含盐量（含盐量越高采收率越高，这是由于盐水的导电率比蒸馏水的导电率要高）；电极的距离（采收率相似，但更近的电极间距可以提供更快的产油速度）。

Hascakir等［22，23］对在土耳其油藏的稠油样品进行了一个特制的新型石墨岩心容器来装载，进行微波辅助下重力泄油的实验。他们研究了在微波加热效果下加热时间、 等待时间以及岩石和流体特性等实验参数，并对其实验效果进行了描述。高矿化度和含水饱和度有利于电磁加热。Hascakir等［22，23］还认为，亲水条件对于提高采收率是必要的，较高的孔隙度以及渗透率也同样重要。当电磁波连续加热原油样品达到了较高的温度时，得到的结果比周期性间隔的电磁波加热要好的多，得出的结论在Chakma和Jha［21］的研究结果中得到证实。

Jha等［20］对印度的Mehsan的油田稠油使用微波辅助重力泄油（MWAGD）进行实验。在实验室中使用3 GHz电磁波，可用功率高达1 000 W，通过对样品进行加热，得到了重力泄油的温度和粘度分布曲线。初始含油和含水的饱和度、润湿性、孔隙度和渗透性研究结果类似于由Hascakir和Chakma等的研究。

Jha等［20］提出通过钻一口水平井和多口井底部带有电磁波发射器的垂直井来使用MWAGD。然而，这可能达不到足够的加热要求，所以也提出了在两口水平生产井中安装电磁波发射器这样的想法。由于原油吸收微波热量能力弱，Jha等还提出了通过注入粉末状金属氧化物、氯化物和活性炭来提高热传导性。Hascakir、Kershaw Odenbach等［22-26］的研究中发现了其工作原理以及这些稠油添加剂的实验应用成效。

Koolman等［24］报道了电磁加热（EM-SAGD工艺）辅助下的SAGD技术原理，在该实验室中使用一个具有142 kHz频率电磁波下诱导加热，将样品加热10 min，温度上升了7. 5 K。实验室和现场工艺采用数值模拟和电磁加热模型相结合的研究方法。模拟结果显示沥青产量比传统的SAGD增加了38%。

Kovaleva等［6-9］分别研究了在多孔介质里电磁场和电加热流动的多组分烃系统中的热传递效果。他进行了三种不同类型的实验：在射频电磁场下的溶剂（煤油）驱、电加热下的溶剂（煤油）驱和冷溶剂（煤油）驱。在所有3组实验中，模型的物理性质和加热条件均保持一致。结果表明，通过应用射频电磁场得到了最大的原油采收率。Kovaleva等还认为在射频电磁的影响下饱和油的样品上，所得到的油的数量远远超过在同等温度下时电加热工艺下得到的油的数量。

1.2 稠油和沥青的原位电磁加热技术

第一个应用微波加热开采方法在 1956年申请了专利。电磁波通过油管和套管从地面传递到井底，电磁波与地层的相互作用降低了油藏流体的粘度。在1965年，Haagensen等［27］提出了井口生成高频电磁波的装置及将高频电磁能量从井口传递到井底的方法。在1987年，Wilson［14］在工作中提出了一个类似电磁加热装置。

Haagensen和Wilson所描述的方法中有一个共同的缺点，就是电磁波加热效率相当低，损失了大量的电磁能。由于管线的导电性有限，电磁能量都损失在近井地带的岩石中，导致井筒热的巨大损失，特别是当冻土层存在时。

Sayakhov等提出了一套提高原油采收率的方法，该方法即在一个电磁场影响下形成一个燃烧前缘，当周围的环境接触到的电磁场时即被加热，从而粘度降低并增加原油的流动性。

1.2.1 俄罗斯

Sayakhov等［3，11］在Yultimirovskoye Bitumen进行了射频电磁波加热储层的实验，实验是在井1和井150中进行的，两井相距5 m。电磁波加热储层的实验分几个步骤进行，首先将射频电磁波发射器功率设为20 kW，在36.5 h之后，井底的温度由150 K升高到282 K至389 K，井1的温度保持恒定，下一步将射频电磁波发射器的功率设为60 kW，使井150的温度上升的更快，在5.5 h以后，其井内的温度可上升到417 K至463 K，然后关掉电磁波发射器，使井内温度降至423 K。在接下来的23 h后，将射频电磁波发射器的功率调至最大，使井150内的温度提高至583 K，井1的温度提高至318 K，井150内塑料密封圈集中融化，结果使射频电磁波发射器发生损坏。通过对井 150下的温度测量可知电磁波加热储层可穿透的厚度为5 m，3天后井内的温度降到373 K至343 K。经过几天的电磁波加热，通过井筒外部的热量分布可知储层的盖层和下伏底层的热量损失很低。

1.2.2 美国

1992年，Kasevich等［15］在美国加利福尼亚州的Bakersfield油田实地进行了射频电磁加热的测试。目的是要证明可控制的射频电磁辐射可以用作提高原油采收率的方法。储层流体的产量并没有测量，所做的研究旨在更好地了解地下层系。

实验使用了一个功率为25 kW，频率为13.56 MHz的高频电磁波发生器加热储层。通过T10、T20、T30三口观察井中的温度测量来确定是否达到要求的温度。Kasevich等证明了射频可以通过测量回波损耗和电磁辐射得到。

1980年，由Bridges等［12，13］在伊利诺斯理工学院研究所（IITRI）进行了电磁加热采原油详细的研究。他们使用不同类型的电磁波对不同类型的油页岩和沥青砂进行加热，进行了广泛的研究工作。Bridge利用两个位于美国犹他州Avintaquin峡谷的两个油田区块测试了射频电磁加热的技术。在露出地层的页岩进行钻进，并将电极插入1 m深页岩中。实验证明该了油页岩在原位热解的可能性。施加到地层的功率范围是从5 kW到20 kW。电磁加热使温度上升到673 K并且提高了20%～30%的采收率。

Bridges等在美国对沥青砂进行了现场试验。第一个实验测试了重力驱沥青开采过程中，旨在证明电磁加热的概念以及改进对设备的设计。本实验使用了放置垂直电极和开采的收集室。它配置了1台200 kW的无线电发射器和加热了25 m3的沥青砂。在第一个实验中，开采腔的顶部并没有支撑好，所以导致提前终止实验。所以，对于第二实验需要构建一个混凝土拱门来防止其坍塌。在焦油砂中使用的加热功率从40 kW到75 kW变化的，且具有13.56 MHz的频率。第二测试是在较高的温度下长时间加热条件下，当温度超过473 K，以及在短短20天内达到 30%～35%的原油采收率。因为连续的加热可能导致更高的采收率，在所有的实验中功率损耗是最小的，这也证明了电磁加热技术具有高的效率。

1.2.3 加拿大

Spencer［28，29］在加拿大阿尔伯塔省的Wildmere油田首次使用商用电磁加热。在1986年1月钻第一口井，并在同年三月开始产油。在五月份电磁加热之前，该井产量约9 500 t/d。经过电磁加热后，至1986年 11月之前该井采收率稳步提高并将产量稳定在3.18 t/d的水平。该油田中的另一口井的产量从1.59 t/d增加至平均4.77 t/d，最大流量达到9.54 t/d。

随着我国社会和经济的不断发展，人们回归自然、回归传统的欲望也更加明显，在这样的背景之下，现代酒类包装设计人员必须在实际工作开展过程中避免对传统文化元素的简单模仿和复制，而应将这些元素与新型材料、新型生产技术等有效的结合起来，进而确保酒类产品包装的进一步升华。本研究主要结合以下实例对陶瓷造型元素在现代酒器设计中的应用进行分析。

在1988-1989年 ， Davidson［19｝在 加 拿 大Lloydminster稠油区块进行了两个电磁强化项目。不幸的是，因为设备的故障导致不能达到长期加热以及特殊的储层条件，初步测试得出该项目并不具有经济潜力的评价。第一个实验井在加拿大Northminster区块进行并且从油层中产出了API为11.4原油。4 h内功率为20 kW剧增至30 kW的脉冲应用到井中。然后功率提高到35 kW，基线为20 kW，并在最后达到了50 kW峰值，此时的基线为30 kW，随后功率下降到28 kW的极限。功率后来被调整到47 kW并保持到结束。由于电磁强化的原因含水量和产量都达到了积极的效果。然而，值得注意的是，在所提高的产量中部分是由于泵转速增加的原因，含水率下降是由于电磁效果以及原油流动性的改进。一旦停止加热，技术参数迅速地返回到其初始状态。

第二口试验井位于加拿大 Lashburn区块并且从地层中产出了非常粘稠的API为11.4原油。在储层加热阶段，功率为13～18 kW。这口井在应用电磁加热之前有较高的出砂量，所以该井产量并不稳定，还要定期的通过冲刷井眼来达到增产的目的，高峰产量达到5 m3/d。电磁加热降低了含水率，但在关井期间之后含水率还是较高。应用电磁加热之后原油产油量也有所增加，达到9 m3/d。在储层的初始加热阶段，在井底温度从295 K稳步上升到309 K，但当关闭电源或是功率传送系统故障时井底温度立刻开始下降。

据报道电磁加热提高萃取技术（ESEIEH）已被Rassenfoss［17］申请专利，并且目前正进行试验。该实验项目计划需要3年时间，目前处于第一阶段。现场应用预计将在2013年以后开始。ESEIEH常用于加拿大的水平井，加热所使用的是RF-EM波和丁烷或丙烷的溶剂。公司旨在通过使用一个功率足够大的电磁波发射器将温度升至 50 ℃，从而达到加热储层的目的。

1.2.4 中国

电磁加热开采稠油和沥青技术虽然在国外早已进行试验和应用，但在我国，该研究工作还处于起步较晚。

1995-1997年间，辽河油田利用引进设备进行现场试验，1998 年 10 月开始试生产。1995 年勘探院进行过物理模拟，大庆石油学院进行了数学模拟［30］。1996年两个单位的研究均停止进行。1996年石油大学石油工程系和应用物理系合作进行数学和物理模拟工作，利用数值模拟和物理模拟研究了电流场在何种加热方式、加热时间、采油速率、地层参数、电性参数等条件下使电加热有效半径达到最大，利用效率最高。优化设计电加热采油工艺， 使经济效益最佳，并最终提高稠油采收率。

辽河井下公司利用电磁加热井筒技术解决塔木察格试油难题，这项工艺采取电磁加热和抽汲工艺相结合的方式，根据地层温度场分布特点，优化加热深度，使原油中的蜡质成分无法凝固，确保抽汲顺利进行，有效解决了气温低所导致的原油易凝固难题。

苗青等人［31］采用电磁加热技术改善易凝高粘原油流动性的实验，实验结果表明，在能耗极低的情况下，该装置可有效降低原油的粘度，特别是低温粘度，为探索原油微观结构和采用电磁法改善原油流动性的研究和应用进行了有益的尝试。

2 电磁加热开采稠油和沥青油藏技术机理

通过在空间产生高频率的电场与磁场交替变化，引起原油和水等极性分子高频率地改变极性方向，从而产生激烈的分子运动，使分子间摩擦发热来达到加热的目的。根据微波与电磁感应技术的原理和特点，电磁加热对原油作用的主要机理有［34，35］。

加热降粘作用，利用稠油粘度对温度的高度敏感性，通过加热，使粘度大幅度降低。当原油温度加热到 100～150 ℃时，原油粘度降低到足以形成流动了；裂解作用，原油在高温及微波作用下裂解、干馏气化，生成轻质成分，轻质成分又溶解于原油，稠油变稀，进一步降低原油粘度；热膨胀作用，原油及地层在高温下发生热膨胀，地层压力升高，有利于原油由地层向井筒流动。

3 电磁加热开采稠油和沥青油藏技术的优点

与其它热力采油方法相比，设备相对简单，不受井深限制，直接对油层内部加热，可以用于渗透率较低、油藏过深、储层含有膨胀粘士、寒冷气候地带、孤立井位、薄层等蒸汽热采不宜应用的区域，电加热采油技术可以利用电导率大的地质夹层或含水层， 把电功率导向加热区域，实施选择性电加热。

对地层中流体和岩石都可加热，能够加热地层含水量极小的油层；地层的加热温度可以超过蒸汽温度， 所以原油可以通过自生蒸汽压力、烃蒸汽压力和重力三方面驱动而采出；电磁加热开始时在地层内穿入深度有限，只能加热井身周围地带，但地层水闪蒸为蒸汽后，近井地带出现干燥的绝缘带时， 加热半径继续扩大， 一般可加热井眼周围几米的范围。

电磁波加热技术可以和声波地层处理技术联合使用。在实施过程中，首先启动高频电磁波装置将近井地带的原油加热到足够高的温度，然后再启动声波辐射装置对地层进行声波处理。电磁波加热主要用于降低原油粘度，声波处理用于提高地层渗透率。因此，这两种技术联合使用，对于低渗透高粘原油的开来十分有利［36-38］。

4 电磁加热开采稠油和沥青油藏技术的局限性

作为一个世界前沿的研究课题，可供参考的资料、信息极少，且牵系到多学科、多领域，要进行多方面高技术的新装备研发和多种新工艺的研究探索，在此过程中，必然遇到一些难以预料的困难和问题。因此，需要多方面技术人才组成的项目队伍联合攻关。

大功率的微波发射管和电磁发射管的研发，要求这两种装备要能具备在高温、高压下长期不间断地正常工作，并且，还要有根据油藏条件进行长度的可选和功率的调节、控制的能力。要解决在裸眼分支井中安装微波发射管、电磁发射管和电缆的相关工艺。要研发相关的地面监视、调节、控制的技术和装备［39～44］。

国内外文献主要研究没有成型的电磁加热理论数学模型和相关的数值模拟软件，不能进行相关的油藏数值模拟。缺乏对电流场在油藏加热过程中所引起的物理化学现象及其对渗流规律影响的研究，所有研究过程和结果都只能通过物理模拟实验来验证，这样会延长研发时间和加大相关人力、物力的投入。

5 建议和展望

综上所述，电磁加热技术提高稠油和沥青油藏采收率的技术是一种很有潜力的方法。然而，迄今为止的研究都是有限的，并且只有少数的现场试验报道。目前大多数研究还是基于室内实验或是数值模型。电磁加热技术工艺和设备还需深入研究。所以笔者建议，一方面加强对不同稠油储层的技术评价，做好技术储备，另一方面结合储层的地质特点和各种技术的优点，真正做到因地制宜，采用不同的工艺技术或多种工艺组合的方式进行开采稠油和沥青。

建议今后在以下几方面开展深入的研究：

（1）针对不同的油藏类型，努力制定电磁加热技术开采稠油、沥青、油页岩及焦油砂沉积的可行性筛选标准。

（2）更好地解决在裸眼分支井中安装微波发射管、电磁发射管和电缆的相关工艺。

（3）提出理论数学模型和提高数模能力，包括应用数值模拟估算油田采收率和开发方案、解决数模中的数值离散问题以及经济可行性分析等。

鉴于电磁加热技术具有节能、高效的特点，定能在稠油、沥青、开发油页岩及焦油砂等非常规领域取得成功，相信不久的将来必将成为开采稠油或沥青油藏的新工艺。

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Research Progress in Electromagnetic Heating Technology for Heavy Oil and Bitumen Reservoir Recovery

LIU Xiao1，YUAN Ta-liang2，WANG Che3，ZHAO Fa-jun4，LI Zhong-jun5
（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Chemical Technology Development Center， GWDC， Beijing 100101，China；3. PetroChina Daqing Oilfield Company the Sixth Oil Production Plant， Heilongjiang Daqing 163114，China；4. Key Laboratory of Oil Recovery Enhance of Ministry of Education， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；5. PetroChina Daqing Oilfield Company the Ninth Oil Production Plant， Heilongjiang Daqing 163712，China）

The electromagnetic heating of heavy oil and bitumen is a promising mining technique that can inject electric energy or high-frequency electromagnetic into stratum. Heavy oil and bitumen reservoir is heated by electrical resistance heating and the polarization of high-frequency dielectric to increase reservoir temperature and reduce the viscosity of crude oil. Compared to other technologies， there is no heat loss in the wellbore， and it is not affected by the low permeability. Main advantage of the technology is environmentally friendly. In this paper， the present situation of the development of electromagnetic heating of heavy oil and bitumen was summarized， and mechanism of the technology was discussed， on the other hand， advantages and technical limitations of the technology were reviewed，and the development direction in the future was analyzed.

Heavy oil； Bitumen； Electromagnetic heating； Mechanism； Research progress

TE 357

A

1671-0460（2015）12-2796-06

国家重大油气专项项目“提高稠油蒸汽驱效率技术” （2011ZX05012-003）。

2015-11-06

刘晓（1993-），男，黑龙江大庆人，研究方向：油气储运专业。E-mail：liuxiao930424@163.com。