深水稠油開發技術發展現狀與前景展望

孫 騫 范 志 孫寶江 關利軍

（1.美國賓夕法尼亞州州立大學，PA 16801；2.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東青島 266580；3.中海石油深圳分公司，廣東深圳 518000）

深水稠油開發技術發展現狀與前景展望

孫 騫1范 志2孫寶江2關利軍3

（1.美國賓夕法尼亞州州立大學，PA 16801；2.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東青島 266580；3.中海石油深圳分公司，廣東深圳 518000）

海洋深水稠油儲量巨大，但由于深水低溫使得稠油流動性更差，給深水稠油油田的開發帶來了難度和挑戰。巴西等國家的深水稠油油田已經成功實現了商業化開發，并形成了一系列配套開發技術，我國的深水稠油開采技術尚處于探索階段。了解國際上深水稠油開發技術進展，對推動我國海洋油氣開采技術進步，保障能源供給安全意義重大。概述了國外深水稠油開發關鍵技術，主要從深水稠油開采的鉆完井技術、測試技術、人工舉升方法和關鍵設備以及流動保障技術等方面進行了介紹和分析，給出了我國深水稠油開發技術發展的一些建議。

深水稠油；開發技術；現狀；展望

稠油在已經探明的石油儲量中占有很高的比例，深水稠油資源在各國未來的石油戰略中具有舉足輕重的地位。世界上已經在非洲西部的剛果盆地地區、加拿大北海地區以及南美洲巴西西部大西洋地區發現了儲量可觀的深水稠油油藏。巴西的Petrobras公司在Campos 地區開發深水稠油油藏已經取得了成功，加拿大、美國等國家在深水稠油開發領域也已經有了較成熟的技術體系，包括鉆井、完井、測試、采油和輸送等技術體系。隨著越來越多的深水稠油油藏的發現以及開發工藝的不斷完善，深水稠油油藏開發呈現出廣闊的發展前景。但是，目前深水稠油開采依然存在很多技術難題，例如，抗非有機垢質沉積、油藏評估以及降低開發成本等。目前，國內還未對深水稠油開采進行深入研究，隨著我國南海和海外石油區塊勘探開發速度的不斷加快，深水稠油開發問題越來越引起人們的關注，本文在這一領域做了大量調研，給出了一些探索性的觀點和建議，希望對促進我國深水稠油開發技術的發展有所幫助。

1 鉆井完井技術

在開發深水稠油油藏時，由于稠油流動性很差，為了提高產量，生產井井身結構設計要考慮降低流動阻力以及增大泄流面積，這會給大位移井與水平井帶來出砂與井身結構不穩定等問題［1-3］。

1.1 鉆井技術

深水稠油鉆完井中需要解決安全鉆進、有效攜巖等難題，因此，鉆進過程中廣泛采用能合理控制井筒壓力的控壓鉆井技術［4-5］。深水稠油所鉆開發井大多為大位移水平井、分支井等，鉆進中一般采用地質導向以及隨鉆測井技術。地質導向和隨鉆測井技術可保證深水稠油開發鉆井過程中快速中靶，縮短鉆井時間，這對于日費極高的深水開發具有重大意義［6-8］。在深水稠油井鉆探過程中，多使用同一種液體作為鉆井液與完井液，不僅可以減少完井時間，而且還可以簡化鉆井液操作工序，降低鉆井成本，但所使用的液體需具有高潤滑性、低濾失性、乳化程度低、密度低、固相含量低并對儲層傷害較小等特性，保證鉆柱在水平井段具有較小的推進阻力［9-10］。

1.2 完井技術

與常規稠油開發類似，防砂是深水稠油開發的關鍵。常用的防砂完井技術包括［2，11］割縫尾管完井、繞絲篩管完井、膨脹篩管完井、礫石充填完井等。在目前國外深水稠油開發中，礫石充填完井技術應用最為廣泛和成功。這是因為深水稠油儲層巖性疏松，出砂粒度分布較廣，使得機械防砂工藝應用較為困難。目前，礫石充填完井技術施工步驟簡單，操作成本低，特別適合于深水稠油井。深水稠油儲層破裂壓力梯度低，礫石充填過程中，泵壓太大可能會使井底壓力大于儲層破裂壓力而傷害儲層，為避免儲層傷害并保證防砂效果，多通過以下3種措施改善深水稠油礫石充填完井工藝［12-14］：（1）在泵入攜砂液時采用多重Alfa波技術。多重Alfa 波技術采用計算機模擬技術優化設計注入流量和泵壓，以保證攜砂和填充效果，設計攜砂液流量時需保證礫石充填過程中對充填有益的Alfa波占據主導地位，從而使礫石能夠均勻充滿整個篩管—井眼環空，并避免對礫石充填不利的Beta波出現。（2）應用安全導流閥。該項技術的核心是在沖管上設計一個導流閥，當篩管—井眼環空內攜砂液的流動壓力大于設定閥值時，該導流閥就會自動打開分流，使得井底流動壓力不會超過設計值，從而保證施工安全。（3）采用低密度礫石。從提高攜帶效率上考慮，探索采用低密度填充物，替代密度較大的礫石，提高大位移水平井的填充效果。

2 開采技術

2.1 開采設備

從技術經濟性考慮，深水稠油開采多采用電潛泵+水下采油樹+FPSO開采模式，其關鍵裝備包括：

（1）浮式生產儲油輪（FPSO）［15-16］。浮式生產儲油輪是一種集生產、儲存和卸油為一體的生產設施。由于它的可移動性，開采完一個油田后可以移動到下一個油田繼續使用，是開發邊際油田的一種經濟有效的生產設施，生產的原油由穿梭油輪外輸。

（2）水下采油樹系統［17］。在深水稠油開發項目中，通常應用水下臥式采油樹系統，其主要功能［18］是為電潛泵電纜的安裝提供支持與密封。配合水下分離模塊，可以將稠油采出液在水下預分離。該項技術不僅可以極大節省浮式生產油輪上的空間，將稠油產品分離后還可以防止海水腐蝕輸油管線，降低設備維護成本。

（3）大功率、大流量電潛泵。該類電潛泵可適用于游離氣體含量高達40%，黏度高達400 mPa·s 的深水稠油井，從而保證了深水稠油的高效開采。

2.2 測試技術

由于稠油流體黏度較大，因此在對油藏進行壓力恢復測試時，所需時間很長。如果恢復時間不足易降低油藏描述的準確性，進而影響開發井的設計等［11，15］。國外深水稠油測試通常采用延長測試法［9，11-10，14，18］，作業時需備用較多的人工舉升手段（如電潛泵、氣體舉升設備等），以保證在較短時間內得到泄油半徑、有效滲透率等數據，缺點是成本很高，對受經濟因素制約的深水稠油開發不利。

2.3 采油工藝

2.3.1 驅替模式 在深水低溫、生產井距中心平臺遠和平臺空間有限等條件的制約下，無法采用注熱氣、蒸汽吞吐等熱力學方法，因此水源充足、操作簡單、運行成本低的注水作業成為深水稠油油藏二次采油的主要手段之一。除注水開采外，可以有效改善稠油與水之間的流度比、提高驅油效率的聚合物驅也是目前深水稠油油藏開采的主要手段之一。

2.3.2 舉升方式 電潛泵廣泛應用于巴西等南美地區的深水稠油開采，其流量可以高達500 m3/d。巴西Petrobras公司在1994年首次應用電潛泵在水深1900 m的Campos深水稠油油藏RJS-221井進行人工舉升，取得了顯著成效［19-21］。

電潛泵開采稠油油藏具有以下優勢：一是可以形成大的生產壓差，使生產力得到充分發揮，油井產量及油藏采油速度大幅度提高；二是能很好地利用機組和電纜工作時所產生的熱量來提高井筒溫度場，使井口出油溫度高于原油析蠟溫度，并將高凝稠油順利舉升到地面。電潛泵還具有一個明顯優勢：其人工舉升效率不受井眼與平臺距離的限制。但是電力輸送與電壓調節是電潛泵在深水稠油作業中面對的最大技術難題。水下電纜連接一般采用水下濕接頭，以確保接頭的密封，防止漏電。

電潛泵主要有兩種安裝模式：第1種是將其安裝在海床以下的井筒中；第2種是將其安裝在井筒外的海底。第2種安裝模式具有以下優勢：（1）由于將泵安裝在井筒外，使得在選擇電潛泵時不受井眼尺寸限制，這樣就可以使用馬力較大的電潛泵進行人工舉升；（2）由于電潛泵安裝在井眼外，使得主井眼的環空可以用于安裝氣體舉升、水力射流泵等其他備用人工舉升裝備；（3）電潛泵維護清理更加簡單。

氣體舉升同樣是深水油氣開發中常用的一種人工舉升方式，但是在深水稠油開發中，由于稠油流體黏度大，且泥面溫度較低，因此氣體舉升效率沒有電潛泵高。盡管如此，氣體舉升作為一種備用舉升方式依然在深水稠油開發中起著重要作用。在注氣過程中用同心偏置隔水管安裝氣體舉升設備［22］，同心偏置隔水管（COR）系統為一套高熱力學效力的雙層隔水管系統，該套系統通過一套垂直的雙層鋼質隔水管連接到海底，兩層隔水管之間為環空。熱氣體通過隔水管環空注入，從而降低稠油黏度，增加產量。該工藝廣泛應用于非洲西部剛果地區的深水稠油油藏，其優勢在于可利用常規深水鉆井設備進行快速安裝，同時可利用環空進行氣體舉升，從而減少了隔水管數量，提高了功效。

2.4 提高采收率技術 ［9，13］

除了采用注水、注聚合物和注泡沫等技術提高采收率外，還需進行電潛泵舉升參數優化以及降低井筒、輸油管道流動阻力研究，提高了稠油井產能。

3 流動保障技術

注海水開采油田時，由于海水里溶解的礦物質離子會與稠油流體內含有的有機酸鹽發生反應產生難溶于水和有機溶劑的沉淀物［7-8］。該類有機酸鹽若沉淀在井眼附近的儲層會造成儲層傷害，降低采油效率；若沉淀在泵或氣體舉升裝置表面，則會影響人工舉升效率、增大流動阻力、降低設備壽命和運行效率。因此，有機酸鹽的處理是目前深水稠油開發面臨的主要挑戰之一。

深水稠油開采速度一般較高，出砂較多，它在管路和設備中的沉積會影響流動安全。有些地區的稠油也存在蠟和瀝青質沉積，需要在流動安全設計中考慮。在油藏開采后期，隨著生產井產水率的不斷增高，如何在浮式生產儲油輪的有限空間內進行油水分離也是深水稠油開發過程中需要解決的難題。因此，流動保障是深水稠油開發過程中需解決的關鍵問題之一。深水稠油的流動保障技術中需要重點解決 3 方面的問題［11，23-24］：

（1）降低黏度，提高流動性［11］。深水稠油運輸時降低黏度的方法通常是對運輸管線進行保溫，將管線設計成同心管的形式，并在其環空中填充隔熱材料，減小流體與海水的熱交換。

（2）固體沉積物的處理［11，24］。固體沉積物主要包括無機沉積物與有機酸鹽兩類。無機沉積物主要指水垢、銹以及其他無機沉積物等組成的似蠟質沉積物。有機酸鹽指深水稠油中含有的有機酸與油層礦物質發生化學反應后產生的難溶性有機酸鹽。有些油田也可能出現瀝青質沉積。

深水稠油開采過程中，固體沉積物可能出現在輸油管線內，也可能出現在井眼中。通常輸油管會安裝有清管器，對輸油管進行及時清洗；對于沉積在電潛泵上的無機沉淀物，通常采用以下措施：一是向泵內注射防沉積劑和抗乳化劑；二是在葉輪和擴散口表面蓋一層由聚四氟乙烯組成的保護膜。這種保護膜不僅能解決蠟垢沉積問題，而且能改善擴散口和葉輪的表面粗糙度，提高泵效率。

對于有機酸鹽類固體，目前的研究結果只能證明該類物質的形成與稠油有機酸含量、油藏礦物質和油流pH值有關，但無法精確指出該類物質的形成條件。

（3）稠油—水分離。PROPES體系中另一項重要技術是安裝在浮式生產儲油輪上的高效油—水分離設備。同時，也在試用水下油—水—氣分離設備。該設備安裝在水下采油樹上，對稠油產品在水下進行分離，一方面節省了浮式生產儲油輪上的空間，另一方面也可防止海水對輸油管的腐蝕。

4 結束語

（1）相對于輕質油來說，稠油開發投入高、回報率低，投資風險相對大。但是，隨著世界各國對石油需求量的急劇增多、陸上油田的日益枯竭以及海上高品位輕質原油的減少，豐富的深水稠油資源將漸漸受到重視。在科學勘探、開采和輸運條件下，深水稠油開采將會具有重要的經濟和戰略價值，對保障我國能源安全具有重要意義。因此如何在不久的將來突破深水稠油開發技術瓶頸，打破國外技術壟斷，是我國石油科技工作者面臨的重要任務。

（2）結合我國稠油開采實踐，建議在以下幾方面攻關：通過對油藏流體與儲層巖石樣品的分析獲得準確的儲層流體與巖石物性，利用這些物性和油藏數值模擬模型進行油藏評價；加大在深水稠油大位移水平井和分支井技術優化設計以及完井施工技術方面的研發力度，研發大尺寸電潛泵稠油舉升技術，預研一套適合我國深水稠油高效開發的經濟模式；對深水稠油流動保障機理和生產工藝進行研究，建立起深水稠油油田生產流動保障優化設計方法，為我國深水稠油油田開發提供技術儲備。

［1］HENAUT I, ARGILLIER J F, PIERRE C, et al. Thermal fl ow properties of heavy oils［R］. OTC 15278, 2003．

［2］BIANCO L C, GABRYSH A, MONTAGNA J N .Challenges on completion for productivity for deepwater heavy oil ［R］. SPE 98342, 2006.

［3］PEDROSO C A, SANCHES E M, OLIVEIRA N S, et al.Sand control completions for the development of Albacora Leste fi eld［R］. SPE 112491, 2008.

［4］MINAMI K, ALMEIDA A S, DINIZ M A C, et al.Campos basin： challenges still to overcome［R］. OTC 15225, 2003.

［5］ESTRELLA G. The importance of Brazilian deepwater activities to the oil industry technological development［R］. OTC 15049, 2003.

［6］褚國民， 謝志慧. 淺析FEWD隨鉆測井技術的作用和作用效果［J］. 價值工程， 2011， 3（1）：291.

［7］趙國權，劉鵬，趙永生，等．地質導向在隨鉆管理中的應用和效果［J］．石油科技論壇，2011，30（1）：18-20．

［8］SANCHES E De Melo, RADESPIEL E Dos Santos,NOGUEIRA E F, et al. Albacora leste deepwater field:improvements on well construction［R］. OTC 17971,2006．

［9］WEHUNT C D, BURKE N E, NOONAN S G, et al.Technical challenges for offshore heavy oil field developments[R]. OTC 15281, 2003．

［10］BARRETO W S. Local experiences obtained during appraisal of heavy and viscous oil in deep water［R］.SPE 94952, 2005．

［11］COLODETTE G, PEREIRA C, SIQUEIRA C, et al.The new deepwater oil and gas province in Brazil： fl ow assurance and artif i cial lift： innovation for Jubarte heavy oil［R］. OTC 19083, 2007．

［12］MACHADO F A. Case history of a successful selective horizontal openhole gravel pack with zonal isolation in deepwater fi eld［R］. OTC 15128, 2003.

［13］CALDERON A, MAGALHAES J V M, OLIVIRA T J L,et al. Gravel pack placement limits in extended horizontal offshore wells ［J］. SPE Drilling & Completion, 2006,21（3）： 193-199.

［14］CALDERON A, MAGALHAES J V M, OLIVIRA T J L,et al. Design multiple alpha waves for openhole gravelpack operations ［R］. SPE 107615, 2007.

［15］HANEY J .Can heavy oil and deepwater be mixed［R］.OTC 15282, 2003．

［16］BARRY Jay Katz, et al.劉春編譯.稠油的成因、預測和深水開采——AAPG和AMGP稠油研討會的回顧和技術摘要［J］.海洋地質動態，2007，25（3）：28-31.

［17］康永田，田紅平，羅曉蘭，等．水下采油樹內部輸油管應力分析［J］．石油礦場機械，2011， 40（4）： 33-36.

［18］JUNIOR F P Figueiredo, BRANCO C C M, PRAIS F,et al. The challenges of developing a deep offshore heavy oil fi eld in Campos Basin［R］. OTC 107387, 2007.

［19］RIBEIRO L P, PAULO CA S, NETO E.A Campos basin-subsea equipment： evolution and next steps［R］. OTC 15223, 2003.

［20］FILHO Pedro José Barusco, ARATANHA Mauricio da J A de. Deep water production technology and perspectives in Brazil［C］. International Offshore and Polar Engineering Conference, Stavanger, Norway, 2001.

［21］RIBEIRO M Pellegrini, OLIVEIRA P da Silva, MATOS J Siqueira de, et al. Field applications of subsea electrical submersible pumps in Brazil［R］. OTC 17415, 2005.

［22］SZUCS A, LIM F. Heavy oil gas lift using the concentric offset riser［R］. SPE 97749, 2005．

［23］PINTO A C Capeleiro, BRANCO C C M, MATOS J S,et al. Offshore heavy oil in Campos Basin: The Petrobras experience［R］. OTC 15283, 2003.

［24］MEHTA A, ZABARAS G, SCHOPPA W, et al.Unlocking deepwater heavy oil reserves-a flow assurance perspective ［R］. OTC 16682, 2004.

Development status and prospect of deep-water heavy oil production technology

SUN Qian1, FAN Zhi2, SUN Baojiang2, GUAN Lijun3

（1.The Pennsylvania State University,PA16801,America; 2. China University of Petroleum,Qingdao266580,China;3. CNOOC Ltd.,Shenzhen518000,China）

Deep-water heavy oil is an important marine petroleum resource. Due to the low temperature in deep water, the mobility of the heavy oil is low, leading to diff i cult development. Based on the development situation of the heavy oil industry in China and the experience of the successful cases of deep-water heavy oil development overseas, the paper summarizes the main developing technology and method of the deep-water heavy oil development in aspects of key facility, artif i cial lift equipment, drilling & completion technology and fl ow assurance method, and analyses the experience of Petrobras in developing Campos Basin deep-water heavy oil fi eld. The conclusion is that by using reasonable secondary recovery, artif i cial lift and fl ow assurance technology, the deep-water heavy oil projects can be benef i cial and promising. The paper gives some exploratory viewpoint and suggestions, which is of important value to exploit the deep-water heavy oil development technology.

deep-water heavy oil; development technology; status; prospect

孫騫，范志，孫寶江，等.深水稠油開發技術發展現狀與前景展望 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：51-54.

TE345

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0051 – 04

教育部創新團隊“海洋油氣井鉆完井理論與工程”（編號：IRT1086）研究成果。

孫騫，2011年獲得塔爾薩大學與中國石油大學（北京）雙石油工程專業學士學位，美國賓夕法尼亞州州立大學石油工程系在讀研究生。通訊作者：孫寶江，長江學者特聘教授，現從事海洋石油工程研究工作。 E-mail：sunbj1128@126.com。

2012-10-16）

〔編輯

景 暖〕