1、- 0 -编号：中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论 文）蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用研究- 1 -毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 XX 大学关于
2、收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： - 2 -目 录中文摘要 .2第一章 绪论 .31.1 引言 .31.2 论文的研究现状 .41.3 论文的主要研究内容 .5第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述 .62.1 SAGD 的机理 .62.2 SAGD 的特点 .72.3 影响效果的地质参数 .7第三章 SAGD 在超稠油开发中的应用
3、 .93.2 超稠油蒸汽吞吐生产存在的问题 .93.3 蒸汽辅助重力泄油试验方案设计要点 .103.4 SAGD 现场试验及效果评价 .10第四章 结论与建议 .12后 记 .13参考文献 .14- 3 -中文摘要随着石油勘探和开发程度的深入，以及世界对石油需求量的迅速增长，稠油油藏的开发在石油开采中的地位变得愈加重要。目前对于储量极大的超稠油油藏，常规热采技术难以取得好的开发效果。因此，研究适用于稠油油藏特别是超稠油油藏开采的蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）的研究具有重要意义。本文首先分析了论文的研究目的及 SAGD 的研究现状，其次介绍了 SAGD 的基本理论知识，最后以具体实例来研究了
4、SAGD 在在超稠油开发中的应用，具有重要的理论和工程意义。关键词：SAGD；超稠油开发；应用第一章 绪论- 4 -第一章 绪论稠油在世界油气资源中占有较大的比例，是石油烃类能源中的重要组成部分。据统计，世界稠油、超稠油和天然沥青的储量约为 1000108t。中国重油沥青资源分布广泛，已在 12 个盆地发现了 70 多个重质油田，资源量可达 300108t 以上。在世界石油资源大量被采出后，这些难以开采的稠油和超稠油资源将是今后的开采方向。开采稠油和超稠油资源的最好方式是热力采油，但随着生产规模不断扩大，稠油蒸汽吞吐开发的矛盾逐渐暴露出来。为了进一步提高油田采收率，保持油田稳产，转换开采方式已
5、迫在眉睫。蒸汽辅助重力泄油（SAGD）采油技术已经被证实为有效的稠油热采技术，并被广泛应用于生产实践。因此，本文专门研究了蒸汽辅助重力泄油技术及其在超稠油开发中的应用。1.1 引言近年来，随着石油工业技术的发展，运用蒸汽吞吐，蒸汽驱等常规热采方法开采稠油的技术日趋成熟，常规热采方法的一个共同特点就是靠注采井之间的压差或者是油层与井底之间的压差将原油驱动到生产井中，然后再举升到地面。除蒸汽吞吐采油方式在超稠油油藏中得到成功应用外，蒸汽驱和火烧油层均没有在超稠油油藏中应用成功的实例。要进一步提高超稠油油藏吞吐后的采收率，就必须依靠新的技术手段。水平井的广泛应用为超稠油的开采提供了另一条思路。随着水
6、平井钻井技术的不断提高，前苏联、美国、加拿大等国家都采用过水平井蒸汽驱开采稠油的新技术，结果表明，水平井进行蒸汽驱所获得的原油采收率比用直井进行蒸汽驱获得的原油采收率高得多。另外，对于流体流度很小的稠油油藏，若用直井开采，往往要对油藏进行压裂，以便有足够多的热量注入到油藏中，而油藏的压裂通常使采油过程难以预测，并且难以控制工程的整个过程，导致最终采收率可能很低；而水平井蒸汽驱就可以不用压裂而开采这类油藏，通过水平井注入蒸汽，提高了注入蒸汽同稠油之间的接触面积，从而提高了从井筒到低温油藏的热传导效应。正是水平井的广泛应用促进了重力泄油技术的发展。70 年代末期和 80 年代初期发展起来的以重力泄
7、油为基础的开采方式在理论上和现场实践上对超稠油甚至沥青资源的开发起到了革命性的突破。以重力泄油发展起来的技术包括：蒸汽辅助重力泄油（SAGD ）技术，溶剂辅助重力泄油技术（VAPEX） ，在蒸汽中加非凝结气体的重力泄油技术（SAGP）等，重力泄油的理论与传统的火烧油层技术结合，又开发出了利用水平井进行火烧油层的技术（COSH）以及垂直井或者水平注入井与水平生产井结合的所谓脚尖到脚根的火烧油层技术（THAI） 。在这些技术中，得到商业化应用的技术只有 SAGD，其他技术还处于试验阶段，具有很大的风险性。第一章 绪论- 5 -1.2 论文的研究现状SAGD 技术由国外学者首先提出，在经过详细深入的
8、研究后，现已进入全面的矿场实践阶段，相应的改善 SAGD 技术方法也得到进一步的研究。（1）国外 SAGD 技术研究进展Butler 和 Stephens（1981）首先提出了 SAGD 的概念，并应用半解析计算方法与室内实验方法，证实了连续注入蒸汽和连续采油可以获得最大的采收率。Griffin和 Trofimenkoff（1986）将 Butler 提出的 SAGD 理论拓展到直井与水平井组合开采上，试验得出的结论与理论结果非常吻合。低压模型证明 SAGD 理论能准确地预测产量和分析粘度对产量的影响，但比例模型结果表明，SAGD 生产时间、蒸汽超覆及盖层的热损失，与理论预测结果有较大差别。J
9、oshi （1986）研究了直井注汽与水平井注汽的 SAGD 理论，发现在油藏存在泥页岩隔层的情况下，直井注汽比水平井注汽能获得更高的采收率。Yang 和 Butler（1989）研究了 2 种均质油藏的 SAGD 效果，一种是含有薄泥页岩隔层，另一种是油藏各层渗透率不同。他们发现短的水平隔层不会对 SAGD 效果产生很大的影响，而长的水平隔层则会降低产量。渗透率上高下低的油藏比渗透率上低下高的油藏采油速度高。Sasaki（2001）等指出，启动阶段的产量与注蒸汽井的位置有很大关系，增大垂直井距可以提高产量，但也增加了注汽井与生产井热连通的时间。Butler 和 Stephens（1981）
10、、Butler（1987） 、Sugianto 和 Butler（1990）以油藏厚度为变化参数研究了类似的情况，焦点是蒸汽腔到达油藏顶部后如何伸展。Chow 和 Butler（1996）研究了用 STARS 对 SAGD 过程尤其是蒸汽腔的增长和上升阶段历史拟合的可行性。SAGD 不同时间段的数值模拟结果与试验模型的累计产油量、采收率、温度剖面非常吻合。Sasaki（2002）等指出，蒸汽腔的垂直增长速度比用常规 SAGD。数值模拟软件预测的小，启动热连通的时间也较长。Das（2005 ）讨论了提高 SAGD 开采效果的很多措施，包括井筒设计、低压生产、蒸汽添加剂等。Ito 和 Ipek（2
11、005）对制约 SAGD 成功与否的最重要的因素汽窜进行了详细深入的研究，他们基于 UTFPhaseA 和 B、Hangingstone、Surmount4个 SAGD 项目现场实测的资料，拓展了 Butler 的汽窜基本理论，首次解释汽窜现象，认为蒸汽腔顶部的汽窜对蒸汽腔的增长有很重要的作用，高压运行是引起汽窜的重要原因。Bagci（2005）应用试验和数值模拟方法研究了裂缝性油藏中 SAGD 方法。分析认为垂直裂缝对 SAGD 有利，尤其在初期启动阶段，裂缝充填油藏比均质油藏能获得更高的汽油比，垂直裂缝可以增加产油速度，降低原油粘度并利于热量的传递，还可以有效地减小井间热连通时间，加快蒸汽
12、腔扩张速度。Sola （2006）等研究了将 SAGD 技术应用于伊朗低渗透碳酸盐岩稠油油藏的实例，认为 SAGD 是这类油藏最好的热采方法。（2）国内 SAGD 技术研究进展国内自 1997 年在辽河油田杜 84 块率先开展 SAGD 先导试验以来，许多学者对SAGD 的理论和应用进行了详细的研究。第一章 绪论- 6 -曾烨、周光辉（1994）通过物模及数模的双重研究，结合我国油藏地质特点验证了 SAGD 技术在我国应用的可行性。杨洪、姚远勤（1996）等通过水平井与直井组合布井热采数值模拟研究，提出了水平井与直井组合布井的原则。刘尚奇、马德胜（1999）等以辽河油田曙一区杜 84 块为先导
13、试验区，经研究认为，水平井与各种热采技术及重力泄油相结合，将是开发超稠油油藏的技术策略。石在虹、杨乃群、刘德铸（1999）等人首次将井眼轨迹计算技术引入多相流动的计算中，应用多相流体力学和传热学原理，建立了井筒内的能量平衡方程及热传导方程，通过对汽液两相流体在倾斜井筒中总传热系数方程式、热传导方程式及能量方程式的求解，得出了井筒内任意点处压力、干度及其它物性参数的计算方法。由世江、周大胜（2000）等进行了水平裂缝辅助重力泄油室内物模和数模实验研究，并对杜 84-69-69 井组开展水平裂缝辅助蒸汽驱现场先导试验。结果认为，水平裂缝辅助蒸汽驱对开采超稠油是合适的，具有蒸汽腔发育充分、蒸汽波及系
14、数大、最终采收率高等显著优点。石在虹、吴宁、张琪（2000）等将其研究的井筒工况计算方法编制成软件，并以辽河油田第一口 SAGD 试验井为实例验证其理论的正确性。吴向红、叶继根、马远乐（2002）和赵田、高亚丽（2005）等研究了油藏与水平井段耦合的蒸汽辅助重力驱整体模拟的数学模型及其求解方法，该方法能预测水平井蒸汽辅助重力驱过程中蒸汽腔室的大小及形状的动态变化。杨乃群、常斌、程林松（2003）结合辽河油区超常规稠油油田的生产实际，研究了蒸汽辅助重力泄油及其改进方式（蒸汽和气体联合泄油、单井蒸汽辅助重力泄油以及强化蒸汽辅助重力泄油）的开采机理，以辽河油区某区块的开发方案为例，对蒸汽辅助重力泄油
15、的开发效果进行了经济评价。刘学利、杜志敏、韩忠艳（2004）等建立了单井蒸汽辅助重力驱启动过程动态预测模型。郭建国、乔晶（2005）在油藏地质研究的基础上，对杜 84 块馆陶油层开发方案进行优选及经济评价研究，分析了开采方式、布井方式、注采井距、水平段长度等因素对超稠油油藏水平井开发试验效果的影响规律。孟巍、贾东（2006）等以杜 84 块兴隆台油层超稠油油藏特点和开发现状为基础，应用STARTS 数值模拟软件，模拟了直井与水平井组合的 SAGD 方案，并对布井方式、水平段长度、水平段在油层中的位置、注采参数等进行了优化设计。1.3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容包括以下几个方面：（1）
16、蒸汽辅助重力泄油技术的概念及基本原理分析；（2）蒸汽辅助重力泄油技术的应用现状和研究现状研究；（3）蒸汽辅助重力泄油技术超稠油开发中的应用实例分析；第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述- 7 -第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述2.1 SAGD 的机理蒸汽辅助重力泄油技术是开发超稠油的一项前沿技术，其理论首先是由 Roger Butler 博士于 1978 年提出的，最初的概念是基于注水采盐的原理，即注入的淡水将盐层中的固体盐溶解，浓度大的盐溶液由于其密度大而向下流动，而密度相对较小的水溶液浮在上面，这样可以通过在盐层的上面持续注水，从盐层的下部连续的将高浓度盐溶液采出。高浓度盐溶液向下流动
17、的动力就是水与含盐溶液的密度差，将这一原理用于注蒸汽热采过程中就产生了重力泄油的概念。Roger Butler 提出的蒸汽辅助重力驱油方法是利用水平井、浮力及蒸汽来有效地开采重油。其工艺过程是：水平生产井在接近油层底部、油水界面以上完井；蒸汽通过该井上方的第二口水平井或一系列直井注入，在生产井的上方形成蒸汽腔；蒸汽通过注入井持续注入，蒸汽由于浮力而上升，在蒸汽油界面因传导热损失造成蒸汽凝结，凝结水及加热的原油泄向生产井上方的储槽（如示意图 2-1，2-2，2-3 所示） 。液体的泄出为蒸汽带的水平和垂直膨胀提供了空间，蒸汽腔内基本保持在恒定压力，由于没有施加压力梯度，流动完全是重力所致。单井
18、SAGD 过程，可以从同一个井筒连续注入蒸汽来开采重油，向下注入到水平井筒端部，沿垂直方向顺同心连续油管把泵送至造斜点以上，油藏下部为不注水泥的割缝衬管，采用内置小油管加热缓慢供汽，保持压力稍高于油藏压力，然后降压。图 2-1 双水平井 SAGD 机理示意图2-2 直井-水平井组合 SAGD 机理示意图第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述- 8 -图 2-3SAGD 井位示意图2.2 SAGD 的特点与常规蒸汽驱不同，SAGD 具有如下特征：（1）主要是利用重力作为驱动原油的动力；（2）利用水平井并通过重力作用获得相当高的采油速度；（3）加热原油不必驱动未接触原油（冷油）而直接流入生产井；（4
19、）采油响应时间短；（5）采收率高；（6）累积油气比比常规蒸汽驱高；（7）除了油层含有大面积的页岩夹层外，对油藏非均质性不敏感。蒸汽辅助重力泄油与水平井技术相结合被认为是近 10 年来所建立的最著名的油藏工程理论。由于世界稠油资源储量远远大于常规原油储量，因此，作为稠油尤其是特稠油开采的有效方法，SAGD 技术在稠油大国加拿大得到了广泛的研究和现场试验。2.3 影响效果的地质参数（1）油层厚度由于过程是以流体的重力作用作为动力，因此，油层厚度越大，重力作用越明显，反之，若油层厚度太小，不但重力作用小，而且上下围岩的热损失增大，还会降低油汽比。另外，在井距一定的情况下，沥青产量与油层厚度的平方根近
20、似成比例。（2）油层渗透率第二章 蒸汽辅助重力泄油技术理论概述- 9 -垂向渗透率主要影响蒸汽上升速度，因此在厚度大、渗透率低的油藏中更加重要水平渗透率主要影响蒸汽室的侧向扩展，因此在厚度较小的油藏中，且井对间距离又较大的情况下更加重要。（3）原油粘温关系由于生产机理的特殊性，原油粘度不是一个主要因素，根据加拿大项目的经验，在初期预热的情况下，原油粘度高达又的沥青砂仍可得到经济有效的开发。但原油粘度随温度的变化关系将影响蒸汽前缘沥青的泄流速度，因此也影响蒸汽前缘推进速度与产油速度。（4）油藏深度随着油层深度增加，井筒热损失增大，井底蒸汽干度降低，而且套管温度升高超过安全极限也会受到破坏。因此，对于开采，油藏深度一般小于。（5）薄夹层的影响在厚层块状砂体中常有零星分布的低渗透或非渗透薄夹层，这些薄夹层对蒸汽室的扩展必将产生影响。然而如果夹层很小且在空间上广泛分布，也不会严重地阻止质量转换，实际上还会增加斜面数量有利于热传导。（6）底水的影响一般油藏都存在有底水。底水的存在会降低过程的原油采收率，但总的来说，影响并不大。这是因为生产过程中，蒸汽压力是稳定的，且水平井采油的生产压差很小，不会引起大的水锥，油水界面可基本保持稳定。
