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1、.,1,重力稳定泄油火燃油层机理及应用研究任韶然 中国石油大学（华东）2011年1月,.,2,内容提要重力泄油火烧油层技术现场试验介绍研究目的研究内容和技术路线技术指标,一、课题立项的必要性分析二、课题目标和任务三、课题技术方案四、基础条件和优势五、课题组织方式及管理机制六、课题预算及筹资方案,.,3,SAGD and Vapex 原理：水平井组,注井：水平井,产油井,油水,蒸汽或溶解油气腔体 ( steam or vapour chamber ),Unswept zone未被驱替区,.,4,火烧油层原理,注空气井,燃烧区,生产井,冷油区,油焦,燃烧,高温氧化400-600 C,燃料(焦),氧
2、气,.,5,火烧油层,注蒸汽,vs,原油热裂解 升级重油 轻质油 + 油焦（Coke）,稠油开发技术,.,6,火烧油层工艺原理,高温氧化反应,油焦 + O2 = CO2 + CO + H20 + 热量,重质油 + O2 = CO2 + CO + H20 + 热量,高温氧化反应过程,火烧油层,原油热裂解： 重质油 = 轻油 + 油焦,.,7,Air Injection well,Producer well,Ideal Case (dry Combustion),Combustion front propagation,火烧油层-机理,.,8,Ideal Case (dry Combustion)
3、,Burger. J.G. et al: Thermal Methods of Oil Recovery, Insitut Fracncais du Petrole Publications, (1985).,Two dimension,Combustion front propagation,最大波及效率 62%,火烧油层-机理,.,9,Air, O2, Air + H2O, Cycles, etc.,Swept zone,Combustion zone,Reaction zone,Cool zone,Override-气顶窜,Channeling,Well burnout,Shear,Ga
4、s breakthrough,现场经验 (1965-1985),Old Combustion Concepts,( Courtesy of Prof. M. Dusseault),9,.,10,不稳定,Oil bank(油聚集),相对渗透率,注气率,反应降低-fail!,重力分离,气窜,油层不均性,驱替效率,传统火烧油层工艺,.,11,水平井火烧油层新技术,重力稳定泄油,.,12,长井距与短井距驱油技术,.,13,水平井火烧油层,Mobile oil zone (MOZ),Air & Water,Combustion zone,Producer well,Injection well,Cold
5、 Heavy Oil,Coke zone,水平井,Toe,Heel,短井距火驱技术,.,14,.,15,油焦区,Cold Heavy Oil,反应区,动油区,注气井,Air,生产井,Toe,Heel,水平井火烧油层,.,16,水平井火烧油层,起动点火,.,17,稳定的火烧油层过程,水平井火烧油层,.,18,特点,注气井-生产井 井距短,重力稳定驱替,减少气窜顶,适用于不流动的超稠油,水平井火烧油层,高效的燃烧过程,.,19,英国Bath大学,THAI火烧油层实验研究,.,20,.,21,三维实验设备,.,22,火烧油层实验,油砂填充,三维实验装置,Injection well,温度测试,.,2
6、3,油焦在油管内沉淀,.,24,实测的温度场: 11 小时,Horizontal producer,Injection well,水平井火烧油层实验,Vertical mid-plane,.,25,Temperature profiles: t = 510 minutes Run 2002-03,Horizontal mid-plane,Vertical mid-plane,Horizontal producer,Coke deposit,水平井火烧油层实验,.,26,稳定的燃烧过程top-Burning Combustion front,(a) t = 35 min,(b) t = 120
7、min,(d) t = 600 min,(c) t = 360 min,水平井火烧油层实验,.,27,Run 2000-01,产油率： Athabasca Tar Sand Bitumen,.,28,实测的产出油API 重度(干烧及湿烧) ：Wolf Lake oil (viscosity 50,000 mPa.s).,.,29,火烧油层过程中产油的API重度变化：Athabasca tar sand.,Catalytic,Non-catalytic,.,30,油藏数值模拟,.,31,模拟实验室实验：温度场 (600 min),.,32,实验室实验模拟：氧气分布场,.,33,实验室实验模拟：产
8、油量及油重度变化,.,34,油田模拟：温度场,.,35,水平井火烧油层工艺特点,.,36,现场试验 (Pilot)PetroBank Ltd. Canada,.,37,现场试验, PetroBank Ltd. Canada,三组井, 100m间隔水平井段长500m, 井深 500m油层厚10m19口 观察井：P/T沥青质油砂, API o8设计产油 629 桶/天产水189 桶/天注气量3百万ft3/天空气/油比1500 m3/m3总投资$3千万,*地面设备：空气压缩机, 移动蒸汽发生器，分离装置，管线,.,38,风险及安全问题,空气突破到水平井？高温对生产井结构的影响？腐蚀点火及重新点火注气
9、井：可注性生产井: pump? 气举?注空气安全？,.,39,加PetroBnak公司THAI现场试验设计：设计了3组井, 100m间隔水平井段长500m, 井深 500m油层厚10m19口 观察井：测试P/T沥青质油砂, API o8设计产油 629 桶/天产水189 桶/天注气量 3百万ft3/天预计空气/油比1500 m3/m3燃烧前注蒸汽2个月，将地层温度提高到200C， 同时建立注入井和水平产井的通道。,.,40,现场试验方案设计,.,41,.,42,现场试验结果（WHITESANDS THAI Field Pilot）总井数：三对目标油藏：砂厚大于20m；生产井：水平段长度500-
10、700m，井距100m注入井：垂直井，与生产井距离18m。其它井：10口观测井，测量17处温度及2处压力预热阶段：2006年3月7月，注采井均注，累积注入8000m3蒸汽开发效果：2006年12月，空气注入速率90,000m3/day，燃烧前缘温度700800，氧气含量0%，未“短路”窜出，含水率85%降至70%后逐渐降至50%，日产液量159m3，出砂率低于1%。,.,43,.,44,.,45,.,46,FIVE RIVER PHASE PROJECT：1、地质情况： 孔隙度 34% ， 渗透率 50008000md，垂向渗透率0.9倍IJ方向 饱和度80%2、点火方式-加热后自燃：注蒸汽3
11、个月加热地层（100), 注空气自燃3、 布井方式总井数18对，4个平台生产井：18口，水平井段长500-700m，间距125m；距油层底部2m；射孔210到215m注入井：18口，距油层底部20m；射孔225 到235m四、注入设计预热阶段：蒸汽75m3/day 3个月燃烧生产阶段：生产井注蒸汽10m3/day维持井温；空气注入速率：随燃烧面积扩大，由10,000 m3/day升高至125,000m3/day；,.,47,1、 注气井-生产井井距短，联通性好，适合于高粘（不流动）稠油；2、重力稳定泄油（驱替），减少气窜和超覆；有助于维持高效的燃烧过程；3. 与水平井结合，单井控油和泄油空间大
12、，油藏综合采收率高,工艺特点：,.,48,研究要点,.,49,研究目标1、 针对目标区块，根据火烧油层机理和工艺要求，通过加速热力计（ARC）、燃烧管和三维模型实验，测定原油燃烧反应动力学参数及反应热焓，建立目标区块燃烧反应动力学模型，进行可燃性评价。2、 根据室内实验结果，进行目标区块的油藏数值模拟研究，模拟和监测燃烧前缘的发展及油藏动态，提出水平采油井设计、采油工艺和火烧前缘监测方案，为矿场方案制定提出指导性的意见。,.,50,主要研究内容：目标油藏原油可燃性和高温氧化反应可持续性评价 2. 燃烧-高温氧化机理研究 高温氧化反应动力学及数值模拟方法火烧前缘监测技术油藏筛选和适应性研究重力稳
13、定泄油火烧油层工艺设计和方案优化,.,51,主要研究内容：目标油藏原油可燃性评价和高温氧化反应可持续性评价 通过加速热力计（ARC）在近绝热条件下，进行目标油藏的可燃性评价实验，评价目标油藏原油的可燃性和高温氧化反应的可持续性，即对一定量原油从低温到高温连续加热，测试氧化反应产生的温度变化，分析从低温氧化到高温氧化的转化的可持续性，计算放热量，评价高温燃烧的稳定性。2. 燃烧-高温氧化机理研究： 结合ARC实验结果，进行静态氧化反应实验，分析原油燃烧前后的组分（采用色谱和4组分方法-饱和烃、芳香烃、胶质和沥青，分析参与燃烧的组分。 通过进行一维燃烧管或三维填砂模型实验，研究原油高温氧化反应的产
14、物和反应中温度变化，分析燃烧机理、反应物和产物、反应热焓。 单组分反应实验：进行不同饱和烃、蜡和沥青的氧化实验，在不断加温过程中，测试其低温氧化-高温氧化转化的过程，评价保持稳定燃烧的可行性，分析参入高温氧化反应的组分。,.,52,主要研究内容：3. 高温氧化反应动力学及数值模拟方法 根据物理模拟实验的拟合，确定数学模型中的裂解和氧化反应相关参数；提出适用于重力稳定泄油火驱技术油藏数值模拟的燃烧动力学模型。 建立目标区块的油藏数值模拟模型，研究重力稳定泄油火驱技术对地质参数（合理厚度界限、油品性质、不同物性Kv/Kh等）的敏感性；进行注采系统优化研究（注采井平面、纵向匹配关系优化、注采参数优化
15、），研究试验井组的开发指标：包括泄油空间大小、火烧前缘温度、水平井段温度、产液和产气量等，为采油工艺设计提供依据。4. 火烧前缘监测技术 研究不同的火烧前缘监测技术的应用，包括监测井测试、物质平衡分析、失踪剂测试分析、微地震监测等技术，结合油藏数值模拟结果，提出现场监测方案。,.,53,主要研究内容：5. 油藏筛选和适应性研究 通过调研、室内实验和现场经验，提出重力稳定泄油火烧油层工艺的油藏评价及选择方法，研究其油藏适应范围和条件，包括油藏类型、油层厚度、埋深、渗透率、非均质特性、油层压力、原油粘度、油水饱和度等参数。6. 重力稳定泄油火烧油层工艺设计和方案优化 根据油藏数值模拟结果，提出空气
16、注入直井和水平采油井的设计，研究火烧高温对采油井管柱的影响和高温防护技术，分析泄油和气体通道，提出采油技术方案。 研究注入的空气在油藏内的流动和窜流规律，及防止空气从水平井短路窜出；水平井井身设计及防高温损害技术,.,54,关键技术原油可燃性及高温氧化反应的可持续性（评价）油层预热及点火工艺防止注入的空气直接从水平井“短路”窜出水平井井身设计和防高温损害技术火烧前缘监测与井内温度测试技术,.,55,实验设备加速热力计（ARC）和热重差热力计（TG/DSC）ThermoGravimetric /Differential Scanning Calorimeter高压高温长氧化管（f10cm，长2m，10MPa）三维低压火烧油层模型 （1.0 x1.0 x0.3m高） 原油组分及产气组分分析仪器设备：原油4组分分析、质谱分析、色谱仪、氧气、CO2、CO和H2S分析仪等,.,56,.,57,3维燃烧实验设备,.,58,
