1、SPE翻 譯精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝2溶劑法稠油開采的綜合性研究計劃摘要埃克森美孚國際公司和他的加拿大隸屬皇家石油資源正在進行一個綜合的研 究項目，此項目意在發展下一代用碳氫化合物溶劑作為流動劑的稠油開采工藝。 溶劑法的最大優勢就是能帶來更好的環保的成效以及更多的經濟效益和資源采 收，這些結果都是熱采工藝所不能帶來的。這個綜合的研究項目包含了基本的研究室工作，解析模型，先進的數值模 擬，實驗室內的規模化物理模型，設計階段的溶劑試驗以及一項可操作的以溶劑 輔助的蒸汽輔助重力驅油試驗和一項初次以溶劑輔助的周期性注蒸汽的商業性規 模應用，例如著名的液體添加的蒸汽驅（LASE

2、R ）。這篇文章對上面提到的各個 領域中研究工作的范圍、工藝挑戰、利益及成功提供了一個系統的回顧。總之， 實驗室模型和模擬研究為溶劑法及溶劑輔助法采油工程的潛在成效提供了一個強 有力的支撐。在油田規模上可靠的應用溶劑采收過程還存在著一個關鍵挑戰，而 這個挑戰只有通過針對商業規模應用的優化設計的油田試點項目和改進的儲層監 督方案才能被解決。在這篇文章中，這些挑戰將以綜合研究項目中的特殊例子來 加以表現。總之，在溶劑法及溶劑輔助法的稠油開采工藝被廣泛的商業化應用之前，還 存在一些很重要的技術挑戰需要解決。盡管如此，考慮到這些覆蓋埃克森美孚國 際公司綜合科技項目的總的研究結果對稠油開發所表現出的一種

3、具有經濟競爭力 的新一代溶劑采收過程提供了強有力的支撐，相對于今天的熱采工藝，它所帶來 的環境效益是舉足輕重的。簡介埃克森美孚國際公司和他加拿大的隸屬公司，皇家石油正進行著一系列將溶 劑法采收技術應用于稠油和瀝青資源開采的戰略研究，發展及商業化進程。在此 處使用的“溶劑輔助工藝”是指一種將溶劑注入蒸汽的方法，與此同時，“溶劑法工 藝”是指一種用溶劑替代蒸汽的方法。“溶劑工藝”這個詞將用來指溶劑輔助和溶劑 采收這兩個方面。這些過程采用溶劑，尤其是輕質烴（例如丙烷、丁烷）或者是 輕烴的混合溶劑（例如氣體冷凝物、稀釋劑）來驅動儲層中的稠油。熱力采收包括蒸汽驅法，周期性注蒸汽增產法（CSS）以及最近的

4、蒸汽輔助 的重力精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝3泄油法（SAGD），此方法被證實是一種高效的采收工藝，它所具備的經 濟采收率水平與常規油田所能達到的結果相當或者更高。這些方法大多都是利用 天然氣或其他形式的烴類作為一個種能源來生成蒸汽，而生成的蒸汽有熱載體的 作用。一般的，這些產生蒸汽的能源被用來生產稠油是屬于所生產的油所含能源 的 1/5 到 1/3 這個范圍內。這種采收方式不僅生產蒸汽所需要的燃料會增加一筆 相當大的開支，而且還會增加溫室氣體的排放。長期看來，發展一系列相對天然 氣成本更為經濟有效的采收技術是值得要的。此外，在未來，天然氣的有效開支 可能會被溫室氣體排

5、放或者針對熱力方法的使用所產生的另外的附加稅所影響。 相反，溶劑過程的最大的直接開支便是殘留于儲層的這部分溶劑。盡管這部分損 失可能會相當大，但是相對于殘留于儲層的溶劑，這種方法并不會直接產生溫室 氣體的排放。溶劑法所產生的溫室氣體排放主要與溶劑回收和循環有關。對于將 在隨后詳細討論的溶劑循環過程（CSP），其每生產一桶原油的溫室氣體排放量 估計只有 CSS 工藝的 10%。對于多數熱力有效采收過程發展的第二種驅動是指其他資源的回收。熱采方 法對于采收那些來自薄而干凈且具有高瀝青飽和度、孔隙度和滲透性的砂巖層的 最好資源地帶的稠油是非常有效的。然而，對于那些質量較差的儲層，熱力采收 的高效性會

6、明顯降低并且變得不具有經濟可行性。不可避免的，高質量的資源往 往是一片油田中最開始進行開發的。對一種典型的穩產油田來講，針對較差的資 源的發展將會導致總得經濟效益的下降。而溶劑方法對于那些用熱采方法不能達 到經濟采收的資源來說，則提供了一種經濟采收的可能性。第二種重要的環境驅動是耗水量的下降。以蒸汽為基礎的采收技術對水的要 求量是所生產原油的 3-5 倍。盡管大部分水被回收了，但是每生產一桶原油就需 要 0.5-1 桶補充水。溶劑方法能減少或極大的消除對水處理和補充水的要求。總之，發展一系列的溶劑采收技術能降低溫室氣體的排放，降低用水量，能 采收其他的資源并且提高經濟效應。溶劑采收方法的分類熱

7、力采收工藝技術的成功基本上在于利用蒸汽加熱稠油達到一定的溫度，以 此來降低 3-5 個數量級的粘度來實現的。溶劑-稠油的混合同樣可以實現粘度下 降，不管是結合溫度或者是單獨使用溶劑。圖1 顯示了溫度和溶劑對于混合體系粘度的影響。典型的，稠油的采收工藝都在于降低流動混合粘度到10CP 或以下。然而有相當大部分的溶劑可以達到相似的粘度下降，目前通常利用相對純凈 的或混精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝4合的輕質烷類例如丙烷、丁烷、戊烷，氣體凝析物或者稀釋劑來達到對成 本低廉、大容量體積經濟可行以及可接受的對健康、環境影響標準的需求。發展一系列的溶劑輔助熱力采收工藝是熱力采收的自然擴

8、張，而此方法是運 用蒸汽和溶劑混合，其操作流程與基本的熱力方法相似。這導致了一些新方法的 產生，例如溶劑輔助的蒸汽驅，溶劑輔助的CSS 方法，也可被稱作為人熟知的LASER (液體添加入蒸汽增強采收)方法(Leaute, 2002)。溶劑輔助的 SAGD，也被叫作著名的 ES-SAGD( Nasr et al.,2003。如圖 2 的分類，蒸汽 驅，CSS 和 SAGD 均含有溶劑輔助法和溶劑法工藝，它們都是基本熱采工藝衍化 而來的。大量的數值模擬和實驗室研究數據為證明溶劑輔助法的優勢提供了支持(e.g.Ayodele et al., 2008; De ng et al., 2008。然而，有

9、限數量的油田試驗所提供的參 數反應出了混合的結果。當把實驗室和模擬所展示的成功結果轉移到油田上時會 有兩個關鍵的挑戰。從技術層面上考慮，許多對于有利于溶劑與瀝青混合的因素 包括分子擴散，散射和毛管壓力是不能可靠的從實驗室擴大到油田的。從實際的 角度考慮，溶劑添加所帶來的利益增值只是運用熱采方法所能帶來的基本業績預 期的一部分。因此，為了確信地衡量溶劑添加所帶來的利益，必須設計一個油田 試點試驗來可靠的評估或測量基準的熱力績效，溶劑法所帶來的產量增值和溶劑 的回收量。溶劑法對于稠油開采的應用相對于溶劑輔助法發展更為緩慢。對于溶劑法來 說，溶劑與瀝青的混合相對于溶劑輔助法來講存在著更大的挑戰，因為

10、溶劑需要 在更低的溫度下于瀝青混合。除此以外的另一個挑戰在于存在復雜的相態特征的 可能性。設計的油田試點試驗需要理解溶劑在儲層中的分布，并精確的測量生產 速度和組成成分，這樣溶劑才能被準確的回收。在下面的文章中，與綜合的溶劑方法相關的研究和試驗將被討論。將在最后 一節討論關于一個綜合項目跨越的多重過程帶來的利益。液體添加進蒸汽來提高采收(LASER)皇家石油的低溫湖泊油田(COLD LAKE )是世界上最大的 CSS 運用地方， 其生產近似 150000bbls/day 稠油，LASER 是一項專利技術，它包含作為 CSS 工藝的一部分，將溶劑一點點的加入到蒸汽中。LASER 方法闡述如圖 3

11、 示。模擬預測溶劑采收在早期 CSS 回收中存在困難，所以這被運用于經過至少六次 CSS 回 收的井中。精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝5物理模型是用來評測稠油開采方法可行性的一種重要的工具。物理模型的組 成如圖4 所示，在油田試點實驗之前，已經被用來測試過 LASER,SA-SAGD 和CSP 方法。實驗室測試所得到的經驗對針對液體樣品而發展的可靠的試驗方法、 對設計的貢獻及監督方法的選擇同樣有著重要的作用。LASER 8 井試驗LASER方法最開始是在 2002年在 8 口垂直 CSS 井進行實驗的。 從 2002 年 到 2007年運作的試驗如圖 5 示。試驗的結果已

12、經被 Leaute 和 Carey 報道。關鍵的 結論是有近似 35%的瀝青產量提高相對于單獨使用 CSS 方法的期望值來講，溶劑 采收率在兩個回收操作后實現了近似 70%的成果。增加的瀝青產量相對于注入溶 劑量和溶劑回收量被證實與模擬預測的結果一直。基于溶劑方法的一個關鍵技術 關心點是儲層中的溶劑是否和瀝青有效的混合。模擬總的來說是假設瞬間的且在 一個網格中完美混合，這樣就導致了錯誤的結果。LASER 方法被認為是有著很好的混合特征因為他包含了壓力循環及倒流進或出同樣的井眼。試點工程的另外一個重要結果是針對可靠確定在已經生產出的瀝青中的溶劑 含量的方法和協議的發展。值得注意的溶劑容量在氣體和

13、液體生產蒸汽中被發 現，因此發展了一個綜合項目運用專門針對液體蒸汽的氣體色譜儀（GC）協議來測定多重生產蒸汽。對于溶劑型方法來講，關于溶劑回收的準確測量是非常關鍵 的，因為丟失的溶劑是生產中具有代表性的最大的消耗。他對于評價采收機理的 物理現象同樣是非常重要的，因為這是績效的絕對量度，混合過程有效性的關鍵 指標。LASER 第一次商業規模運用基于 H-Trunk 實驗結果的成功，LASER 被大規模運用在 COLD LAKE，他總 共包含了 240 口井，并由 10 個獨立地面設施進行操作。此次大規模的 LASER 運 用布局如圖6 示。這些片區的 LASER 模式操作首次循環現在已接近完成。

14、由于 本次項目現對較大的規模，一個溶劑流線分布系統已被建造，設施也被添加在石 油加工廠，以來俘獲在氣體生產蒸汽中稀釋劑，否則其將會被視為一種燃料在工 廠的蒸汽鍋爐里燃燒。稀釋劑被添加在工廠及鄰近井口的衛星裝置中。此規模的運用提供了一次深入研究溶劑法的機會，同時還帶來了一次對技術 及后勤工作的挑戰。H-trunk LASER 項目設計用來說明四個關鍵的技術上的不確 定因素：溶劑精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝6濃度從 3-8 vol%的變化，運用于加密井注入溶劑及蒸汽的專用注射 并且不用于生產，用于實驗片區的注入現在已經是使用LASER 的第三個周期，注入片區的數量相當多的井由

15、于套管完整性的限制只能用于生產。在這個規模下 的一種包含了一些技術和后勤挑戰的應用包括發展針對多重區域適當的評測系統 及適當的工廠生產，針對大數量井的專門的監督工具，相稱的追蹤及負責說明 187 萬桶購買，注入及部分回收溶劑的統計報告制度。被認為是世界上最大規模的提高熱采方法其第一次循環所得到的結果依然在 被研究著。碳氫化合物和稀釋劑的生產被繪制成一張圖如圖7 示。這可以推斷出總共的瀝青增產和總共的溶劑生產和前期試點試驗和模擬績效預測保持一致。油 田和模擬預測的一致性是一個很重要的結果，因為他進一步的證實了在針對油田 規模設計溶劑方法時，模擬器可靠的預測能力。溶劑輔助 SAGD （ SA-SA

16、GD）SA-SAGD 是指將溶劑添加進蒸汽中的經過添加處理的 SAGD 方法。考慮到 循環壓力，對于 COLD LAKE 來講，CSS 是最有經濟商業價值的采收方法。然 而，在有像底水和頂氣這種漏失層曾在的儲層區域，像SAGD 這種方法是被要求在一個恒定壓力下工作的。 相比較 CSS 方法， 在沒有漏失層的可比較的儲層來 講， SADG方法在一個顯著的更低的產油速度，更高的蒸汽 一油量比，更高的溫 室氣體強度下生產。因此，存在著強有力的驅動來提高SAGD 的性能。SA-SAGD 試驗至今，在 COLD LAKE，關于溶劑輔助的 SAGE 試驗已經進行了兩年（皇家 石油資源，2006）。這個試驗

17、是專門被設計用來測量以 PERLAU et al. （2011）所 描述的添加了溶劑的 SAGD 方法所帶來的瀝青產量的提高。由于皇家石油在 COLD LAKE 并沒有其他 SAGD 井，因此不能提供 SAGD 性能基本指標，這個試 驗設計包含了兩個相互毗鄰的SAGD 井對。這個試驗設計的原理圖如圖 8 示，表 面設施如圖 9 示。這兩口井在運作方式上有著很大的相似，他們有著相同的生產精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝7設施和相同的專門的測試裝置。已鉆了 6 口觀察井，這兩井對的記錄日志和取芯 證實了選擇的試驗區域及對詳細的地質學模型提供了保證。盡管這項技術的核心 應用時針對有

18、底水或頂氣的儲層，這項試驗選擇不含這些參數的儲層的意義主要 是以這項試驗的最初目的為主，即可靠的測量瀝青的增量及溶劑回收。這項實驗 設計了 20%的溶劑添加，這個數值是商業期望的最高限值，但是還是期望能夠最 大化溶劑添加的影響。盡管利用上述描述的方法，在關于溶劑添加所帶來的瀝青產量增值方面，井 與井之間的地質差異被認為會導致性能的差異。從觀察、注入、生產井，觀察測 井，4D 地震成像得到的連續的溫度監控包含在監督計劃之內，以此來對蒸汽室進 行精確繪圖，鑒定附加地質特征及兩井對詳細的歷史擬合。這個基本設計是將一 個井對在 SAGD 模式下進行運作，而另一個井對在 SA-SAGD 下進行運作。然

19、而，兩口井對間模式的一次或多次轉變，是設計用來幫助區分由于溶劑添加或者 地質差異帶來的固有影響所導致的產量增加。通過LASER 方法所發展的溶劑回收測量技術已經用于 SA-SADG 方法。LASER 方法已經被證實了在稠油產量方面 35%的產量增加，而 SA-SAGD 試 驗被期待會帶來可比較的產量增加水平。然而，在LASER 方法中所運用的基本溶劑濃度大概在 5%， 而在 SA-SAGD 中的濃度大概在 20%。 由此可以推斷出，在 LASER方法里運用的溶劑比在 SA-SAGD 方法中更為有效。這種推斷是建立在 實驗室和油田規模的物理模型、實驗室和模擬模型的組合上。這個性能上的不同 很大程

20、度上可以歸結于溶劑 一瀝青混合過程的關鍵不同上。理解了油田規模上這 些關鍵的不同點對于溶劑方法的更廣范圍的進步及商業性質的使用時關鍵性的。 在經濟學上來講，SA-SAGD 被認為相對于 LASER 來講，溶劑在儲層中的儲集時 間更短，并可能有更高的溶劑回收。循環溶劑方法CSP 方法是溶劑型方法，這和將一種輕烴如同乙烷、丙烷、丁烷或者這些烴 類的混合注入靠近儲層底部的水平井的 CSS 方法在很多方面有相似的地方(Lim et al.,1996)。在注入尾期，在溶劑和瀝青混合通過經驗產出并被泵出地面前，會 有一個浸泡階段。這個過程如圖 10 示。在 COLD LAKE，CSS 方法的一個關鍵特 征

21、是在早期循環，蒸汽的注入是在儲層破裂壓力下進行的。沿著裂縫表面的熱量 損失是控制儲層中熱量分布的一個因素。物理模型，數值模擬和初期的油田試驗 均證實了溶劑可以在低于破裂壓力下注入儲層，并且溶劑發生指進而導致復雜的 分布。指進現象的發生可歸咎于溶劑與就地瀝青的高粘度差別（近似 6 個數量 級）。指進的發生可以人為是有意的，因為它能在含有精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝8高濃度溶劑指進和儲層原 油之間產生一個較大的表面接觸。現實的模擬及在操作上控制溶劑指進是發展這個方法的一個關鍵挑戰。在特 定油層溫度下，較輕鏈烷烴與瀝青并不能達到完全混合，并且可能導致一個較輕 的油相和一個較重、

22、瀝青富集的油相，并且這兩相都可以在儲層中流動。在井眼 附近的水合物地層同樣存在這個值得關注的可能性，即井眼附近區域與地面設 施，這些都應該被管理。CSP 概念驗證試驗由上文所提到的技術挑戰及油田試驗所可能出現的其他復雜性的識別，采用 了一個包含兩階段的試驗計劃。在 2009 年，在 COLD LAKE 用于 CSS 方法的三 口井被選擇用來運用 CSP 方法進行一個循環試驗，以此來提供以丙烷為基礎的溶 劑注入的”概念證明”這三口井中每口井都注入了總共 1570 桶丙烷或者丙烷-瀝 青混合溶劑。 在接下來 1-2個月時間里，這些井又生產回來了這些體積。來自油 田試驗的圖如圖 11 示。油田測試證

23、實了幾個關鍵的設計和過程參數。在井底破 裂壓力下注入溶劑證實指進是溶劑分布過程的關鍵。如圖12 示，早期產品包含了一個較輕的油相，這證實了發生了復雜的相態反應。試驗得到的產品產量和組 成被精確的測定，并且被用來證實數值模擬。CSP 多重循環試驗2009 年油田試驗所得到的結果和知識被用來設計和發展一個專門的多重循環 試驗，如圖 13 示（皇家石油資源，2010）。這個試驗包含三個完井長度為 100 米 的水平井。為了儲存和注入丙烷或者丙烷-瀝青混合物質設計了設備。 丙烷將用卡 車運輸到一個地點，而這個地點正是因為井長的因素而產生的關鍵的設計限制。 商業井被認為有著長為1000m 的水平完井長度

24、，但是要求一個丙烷管道來實際運 輸這些溶劑。地面設施包含了測量產品相態和組成的冗余設備。所有的產品將在 COLD LAKE 油田現存的其中一個商業 CSS 工廠進行加工。2001 年批準了用于試 驗的一個管理申請，并且試驗計劃在 2013年開始。總結和結論對于稠油和瀝青的溶劑采收工藝，由于其每采出一桶瀝青所降低的溫室氣體 排放程度所帶來的經濟利益，顯現出其對于目前這一代基于熱力的商業采收方法 的戰略替代選擇。圖 2 所示分類標準的溶劑輔助方法和溶劑型方法相對于可比較 的熱力方法所帶來的精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝9近似相對利益的標準化圖表如圖14 示。解析、實驗室和模擬模

25、型為溶劑法所帶來的技術及經濟利益提供了廣泛的支 持。然而，關于這些過程是否能運用于油田規模及獲得商業化成功還有待證實。 這些潛在的關鍵挑戰包括了保證溶劑與就地瀝青的有效混合，理解并處理溶劑在 儲層中的分布，理解并處理復雜相態行為，可靠的判定在蒸汽中添加溶劑所來帶 的利益并保證經濟上的溶劑回收。在這種層面的復雜性下來發展新的采收技術，實施如此寬闊的綜合項目存在 著值得考慮的利益。一個先進的物理模型實驗室已經被用來有效的測試這些采收 方法其中的大部分。模擬研究所得到的流體相態行為測試和知識通過科技被共 享。當技術達到試驗階段時，在包括設計和操作規則的項目之間，會有許多的利 益被共享，各種各樣的公用的監督方法，例如專門的流體測量技術，4D 地震成像方法，和專門的觀察井。這篇文章描述了埃克森美孚國際公司在其研究實驗室和其油田上已經實施的 綜合