稠油開采技術及研究進展

劉曉瑜 ，趙德喜 ，李元慶 ，郭　健 ，齊從溫

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北荊州 434023

稠油儲量占全球原油儲量的大部分，其有效開發是世界級難題。按照石油天然氣行業標準SY/T 6169—1995《油藏分類》，稠油的定義是在地層條件下黏度大于50 mPa·s的原油[1]。稠油的成因非常復雜，與普通原油最大的區別在于生物降解程度，降解程度越高越容易形成稠油[2]。自20世紀60年代開始工業化生產以來，稠油開采技術發展較快，一般可分為“熱采”和“冷采”兩大類。

1　熱采方式

1.1　蒸汽吞吐

蒸汽吞吐技術是通過向井筒注入高溫蒸汽加熱油藏，提高稠油流動性來開采稠油。具體步驟如下：首先將高溫蒸汽快速注入油層中，然后燜井，通常2～5 d，最后開井生產。影響蒸汽吞吐開采效果的主要因素有油層厚度、油層滲透率、原油黏度、蒸汽干度、注汽速度和周期注汽量等，需要根據井深、油層性質、黏度等因素確定蒸汽注入量及燜井時間，當采油量嚴重降低時，需進行新一輪的注汽[3]。蒸汽吞吐需要采用特殊的工藝、裝置和材料，生產井基本使用大套管、大油管，熱采井完井采用高密度射孔。蒸汽吞吐加熱區域有限，且注入蒸汽冷熱周期性變化，對井筒的損害較大[4]。

1.2　多元熱流體吞吐

利用柴油與空氣混合燃燒后產生的高溫高壓煙道氣及少量蒸汽，與冷水混合，可形成由蒸汽、熱水、氮氣和二氧化碳等組成的高壓多元熱流體，向井筒中注入這種混合流體，燜井2～5 d后開井生產，稱作多元熱流體吞吐采油技術[5]。該流體中的熱水及蒸汽對稠油具有降黏作用，對近井地帶有機質沉積具有解堵作用；二氧化碳對稠油具有溶解、溶脹降黏作用，碳酸對地層具有解堵作用；氮氣能夠擴大多元熱流體的地下波及作用范圍，對地層增能保壓，疏通近井帶[6]。

多元熱流體吞吐所需的熱采設備具有體積小、重量輕等特點，適合海上平臺安裝，具有較好的發展前景。2008年至今，多元熱流體吞吐采油技術在渤海某油田已完成礦場試驗20余井次，熱采井單井平均產能提高了1倍以上。隨著稠油熱采的規模推進，熱采設備早已實現平臺固化，且拖二、拖三型多元熱流體注熱裝備支持多井同注，提高了作業時效，同時還發展了一系列配套技術，如熱采采出液處理、微敏可逆凝膠調驅封竄、耐高溫井下安全閥的應用等[7]。

1.3　蒸汽驅油

向注入井中持續注入蒸汽，將地下原油加熱并驅替油層向附近的生產井移動，利用生產井將原油持續采出的方法即為蒸汽驅采油技術。蒸汽注入與原油開采同步進行，一方面加熱油層降低原油黏度，另一方面補充地層能量驅替原油，可以顯著提高稠油油田采收率[8]。蒸汽驅油開發效果受油藏深度影響很大，我國的稠油埋藏普遍較深，高溫蒸汽在通過較長的井身時會損失大量的熱量，為了減少蒸汽通過井身時的熱量損失，又采用了具備保溫隔熱能力的生產管柱。由于直井與油層的接觸面積較小，蒸汽驅油并不能很好地發揮效果，所以在實際應用中往往采用蒸汽驅油和水平井相結合的方法[9]。

1.4　蒸汽輔助重力泄油

1978年ROGER提出了蒸汽輔助重力泄油(SAGD)的概念，在加拿大得到了很好的應用和驗證，國內已進行SAGD的先導試驗，并取得了不錯的效果。SAGD技術為了達到更好的蒸汽驅效果，采用了一種特殊的布井方式，兩口水平井一上一下并行穿過油層，上部的水平井注入高溫蒸汽加熱原油，由于重力作用原油和熱水流入下面的生產井附近，生產井的舉升系統將黏度降低的稠油舉升至地面[10]。

高永榮等[11]利用物理模擬及數值模擬方法，研究了在蒸汽輔助重力泄油過程中添加氮氣提高頂水超稠油油藏開發效果的生產機理，主要包括：形成隔熱層，降低熱損失，提高熱效率；維持系統壓力，改善流度比；降低原油黏度，提高流動能力。優選出了氮氣注入方式、氮氣與蒸汽混合比及氮氣總注入量。研究結果表明，氮氣輔助SAGD開采技術有利于蒸汽腔的側向擴展，增大了蒸汽的橫向波及體積；在SAGD過程中添加氮氣能夠有效控制頂水下泄，延長SAGD生產時間3～4年。

1.5　火燒油層

蒸汽的熱量畢竟有限，儲層較深的稠油開發效果難以保障，于是人們又研究出了一種更大膽的方案—大面積點燃地下油層。火燒油層就是將助燃氣體注入油層，并點燃油層，燃燒產生的熱量會加熱油層，降低稠油的黏度，從而提升稠油產量，注入的氣體也有增能保壓的效果[12]。目前油田開展的較大規模火燒油層工業性開采試驗，采收率最高可達50%～80%。火燒油層根據燃燒前緣與氧氣流動的方向可分為正向火驅和反向火驅，根據燃燒過程是否注入水又分為干式火驅和濕式火驅。近年隨著水平井技術的發展，又研發應用了重力輔助火燒油層技術[13]。

1.6　THAI

THAI是由注入空氣的直井與水平的生產井共同組成的，實際上它是火燒油層與SAGD這2種方法對應原理的結合。油層點燃后產生的燃燒前緣會加熱油藏，驅替原油流入水平井中，從而增加火燒油層的泄油面積。THAI通過熱量對油藏進行充分的驅掃，因此在稠油油藏的開采中可以取得較高的采收率[14]。THAI在稠油開采中的一個突出優點是能開采并儲存改質石油。三維燃燒試驗[15]結果表明，利用THAI機理從加拿大狼湖稠油油藏中采出的原油，15 ℃時的黏度為50～500 mPa·s，相對密度0.946，與15 ℃時黏度為48 000 mPa·s、相對密度0.996的原始原油相比，采出油的油品有了較大提升。

1.7　微波加熱采油

微波加熱稠油開采技術的機理是通過微波振蕩改變稠油分子間的固定結構，進而提升分子振動，使其化學組成發生改變，高損耗組分發生過熱分解，另外微波加熱提高了油層溫度，兩者協同作用降低稠油黏度。微波加熱設備可以在10 s內將標準質量的稠油升溫8 ℃，這會大幅提高稠油的流動性，從而提高原油采收率[16]。

目前設計的微波加熱采油方法有3種：第1種是通過地面微波加熱處理裝置，加熱注入地層的水或水蒸氣，此方法的優點是不用改變現有井口設備，無需動管柱，施工方便；第2種是將微波源直接放入井下，使地層溫度升高；第3種是多底井地層微波加熱稠油開采技術，具有最佳作用效果，微波沿豎井段向下傳輸至多連通器，并與開窗側鉆的水平井內的天線相連通，微波能量通過天線向地層輻射，由于在同一油層中可以側鉆多個水平井，因此能夠有效提升微波輻射的作用效果[17]。

2　冷采方式

2.1　適度出砂冷采

稠油油藏的儲層相對疏松，在開采過程中出砂現象十分普遍，采用各種防砂工藝不但會影響產油量，還會進一步增加成本。此外有些油層厚度較薄，不適合熱采，而且熱采對井下管柱及地面設備性能的要求較高，這種情況下可以考慮適度出砂冷采技術。理論上石油開采過程對地層砂是“零容忍”的，但有關研究指出，適度出砂并不會對生產造成危害，反而會提高地層的滲透性，通過控制砂量的產出，提高油井產能。出砂形成“蚯蚓洞”網絡并形成穩定的泡沫油，極大地提高了稠油的流動能力；影響地層滲透率的小砂粒與原油一起流入篩管，能夠改善近井帶滲透率，提高稠油油田產量[18]。

加拿大稠油出砂冷采礦場經驗[19]也表明，只要油層膠結疏松，地層原油中含有一定的溶解氣量，原油本身具有一定的攜砂能力，均可適應出砂冷采技術。而油層厚度、原油黏度以及油藏壓力等參數對該技術沒有明顯的限制，即使油層厚度僅3～5 m、原油黏度高達160 000 mPa·s或油層壓力僅2.4 MPa，也均能成功地出砂冷采。因此該技術是降低稠油開采成本、提高低品位資源利用率的重要手段。

2.2　化學驅油

化學驅油是三次采油技術中應用較為成熟的一種，中國在這方面已達到世界先進水平。化學驅油技術包括聚合物驅、泡沫驅、表面活性劑驅、堿驅、聚合物/表面活性劑二元驅、三元復合驅等。采用聚合物驅、泡沫驅等驅油方法時，將少量的水溶性高分子聚合物或者泡沫劑注入油層，從提高驅油劑的黏度出發，降低其流度并改善油水流度比，調整吸水剖面，提高波及效率[20]；表面活性劑驅油則是為了改善驅油劑的洗滌能力，向油層中注入表面活性劑，降低油水界面張力，改變巖石的不利潤濕性[21]；堿驅是利用堿性水與原油酸性組分就地生成活性水劑，改善潤濕性或使原油乳化，堵塞大孔道，并且形成低界面張力[22]；聚合物/表面活性劑二元驅及三元復合驅則兼具上述不同方法的優點。化學驅油技術不受時間約束并可以使用相對大的井距，對于薄層中的可流動稠油有較好效果，化學驅油與熱采方法共同使用，對超稠油也有效果。化學驅油技術在渤海地區部分油田推廣應用以來，取得了良好的增油效果。

2.3　注CO2采油

注CO2提高原油采收率技術是近年來石油開采領域的研究重點，其機理為：CO2溶解在原油中，使原油體積膨脹，降低油水界面張力和原油黏度，改善流度比，萃取輕質烴，同時起到溶解氣驅、混相氣驅、碳酸酸化解堵的作用。按驅油原理主要分為CO2混相驅(水與氣交替注入)和CO2非混相驅(重力穩定注入)。當注入到地層的剩余壓力高于最小混相壓力時，實現混相驅油；當壓力達不到最小混相壓力時，實現非混相驅油[23]。注CO2采油技術適用于儲層封閉好、非均質性小、厚度小于20 m的油藏，且要求原油中石蠟、瀝青質、H2S含量少。CO2是一種安全氣體，不會引起污染問題，但是氣源缺乏，混相壓力過高，在管線中易發生腐蝕、結垢現象，還會向鄰井發生氣竄[24]。

2.4　微生物采油

微生物采油中，通過生產井或注入井向地層中注入本源微生物，以地層稠油中的重質組分為碳源進行生長繁殖，使得稠油中的輕質組分增多，黏度降低，有利于稠油的采出。該技術主要包含以下機理：微生物將長鏈飽和烴降解為中短鏈烴，平均分子鏈變短，原油黏度降低；微生物作用于芳烴和膠質，產生長鏈分子脂肪酸及含羰基化合物等生物表面活性物質，降低油水界面張力，乳化原油，降低原油黏度；微生物作用于原油時產生短鏈烷烴和二氧化碳等，有利于增加產層壓力；微生物黏附在金屬或黏土礦物表面，形成表面保護膜，起屏蔽晶核、阻止結晶的作用；微生物通過分散和溶解作用，能夠有效防止積蠟[25]。

王學忠等[26]根據春風油田油樣組成，篩選出了內源微生物菌種、外源微生物菌種、營養液及激活劑。2014年9月注入微生物菌液、營養液及激活劑共計865 m3后，關井反應166 d，2015年3月15日開井生產，至2016年4月30日已生產405 d，累產油3 464 t。微生物采油后50 ℃脫氣原油黏度下降了58%，并在采出液中檢測到了數量較多的注入活菌，表明注入菌種能夠適應地層條件并生長繁殖。與采用蒸汽吞吐采油技術的16口鄰井相比，微生物采油有效期長且具有更好的經濟效益。

3　結語

稠油熱采技術中最大的費用在于蒸汽成本，占總作業成本一半以上，其難點是生產廉價蒸汽，并估算地層所需蒸汽的最小值，然后合理分配至目的層[27]。當前正在研發的井下電蒸汽發生器，著眼于深層、海上、受環境限制等條件的稠油油藏，它可在砂巖層生成蒸汽，比常規的熱采系統更具優越性，排除了地面蒸汽分配、井筒熱損失、設備占地大、不適合海上安裝等常規注汽系統存在的問題[28]。化學驅提高稠油采收率技術在我國發展飛快、潛力巨大，但是衍生出的一些問題，如聚驅采出液降黏、含聚合物油泥資源化利用等問題亟待解決[29]。依據稠油開采工作的實際情況，應該進一步發揮微生物采油的潛力，微生物采油技術具有多功能性，有望成為未來提高稠油采收率的主要技術之一。為了克服其使用局限性(高溫、高礦化度環境較難應用)，在現有菌種基礎上，可以通過生物工程手段，針對油藏條件來構建采油用工程菌，例如有選擇性降解作用的稠油降解工程菌、代謝高產表面活性劑的驅油工程菌等[30]。

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