超稠油三元復合吞吐技術研究與應用

陶 磊，李兆敏，程時清

(1.中國石油大學，北京 102249；2.中國石油大學，山東 青島 266580)

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超稠油三元復合吞吐技術研究與應用

陶 磊1，李兆敏2，程時清1

(1.中國石油大學，北京 102249；2.中國石油大學，山東 青島 266580)

三元復合吞吐技術突破了勝利油田超稠油開發的瓶頸，實現了該類油藏的有效動用。通過溶脹實驗、流變性能實驗和礦場效果分析，研究了三元復合吞吐技術提高采收率機理。結果表明：CO2能夠溶解于超稠油并使其產生膨脹，超稠油流變性能對溫度非常敏感，加熱、CO2和降黏劑三元素具有較好的協同作用，能夠大幅度降低原油黏度；提出了降黏倍率的概念，對超稠油降黏的表征更加直觀。現場應用表明，回采過程中超稠油物理化學性質改善，黏度降低，與常規蒸汽吞吐相比，其注汽質量明顯改善，周期產量和油汽比大幅提升。該研究為其他油田超稠油的開采提供了借鑒。

超稠油；三元復合吞吐技術；流變性能；降黏倍率；CO2；降黏劑；勝利油田

引 言

超稠油又稱天然瀝青，是指在地層條件黏度大于50 000 mPa·s，密度大于0.98 g/cm3的原油[1]。勝利油田超稠油資源豐富，主要分布在鄭411、單113、坨826及草西南等區塊，其中原油黏度大于10×104mPa·s的原油儲量達到5 159×104t，占未動用稠油儲量的38%，是勝利油田重要的儲量資源。由于超稠油黏度大、埋藏深、儲層薄等開發難題，這類油藏無法采用出砂冷采、露天開采、蒸汽吞吐、蒸汽驅等常規稠油開采方式進行有效開采。針對上述情況勝利油田發展了超稠油三元復合吞吐技術，該技術集成了超稠油油溶性降黏劑降黏技術、CO2非混相驅油技術及稠油蒸汽吞吐技術，在勝利油田超稠油開采方面取得了突破，并進行了大規模的應用，應用效果和經濟效益顯著。

1 三元復合吞吐技術機理研究

1.1 CO2對超稠油溶解膨脹作用

三元復合吞吐技術中，CO2對超稠油的溶脹作用是其重要作用機理，利用稠油高溫高壓PVT物性分析儀研究了CO2對超稠油的溶解能力和膨脹能力。實驗油樣取自水平井Z411-P2，50℃下原油黏度為252 000 mPa·s，密度為1.02 g/cm3，實驗結果如表1所示。

表1 不同溫度下CO2飽和壓力和體積系數

由表1可知：超稠油能夠溶解CO2且溶解后體積膨脹。勝利油田超稠油油藏的埋深一般為1 000 m以上，油藏壓力大于10 MPa，油藏溫度為60～75℃，油藏壓力下CO2的溶解度大于50 m3/m3，溶解CO2后原油體積系數大于1.14。CO2能夠溶解于超稠油的機理是萃取其中的輕質組分，壓力越高萃取能力越強，溫度越高溶解CO2的超稠油體積系數越大。CO2對超稠油溶脹作用是三元復合吞吐技術提高采收率的重要機理，超稠油體積膨脹會增加地層彈性能量，增大驅替壓差，從而加快采油速度，延長生產周期[1-2]。溶解CO2后的原油黏度大幅度降低[3]，同時油水間的界面張力明顯減小[4]，在實際生產中既能起到擴大波及體積的作用，又兼具提高洗油效率的效果，從而可以大幅度的提高采收率。

1.2 三元復合吞吐改善流變性能研究

目前國內外評價降黏能力的一個重要指標是降黏率，即降黏后原油黏度降低的百分數。勝利油田超稠油地層條件下的黏度一般大于10×104mPa·s，開采過程中需要大幅度降低原油黏度，此時用降黏率表述不夠直觀(例如降黏率為99.0%和99.9%，二者對應的黏度相差較大，達到900 mPa·s)。因此引入降黏倍率的概念，即原油初始黏度與降黏后原油黏度的比值，按以下公式計算：

Y=X1/X2

(1)

式中：Y為降黏倍率；X1為原油初始黏度，mPa·s；X2為降黏后原油黏度，mPa·s。

通過蒸汽、CO2、降黏劑與鄭411塊超稠油不同組合的實驗，評價三元復合吞吐技術單因素或協同降黏的效果。實驗分為3組：①方案1為加熱對超稠油流變性的作用，測量不同溫度下超稠油的黏度；②方案2為CO2和加熱對超稠油流變性的作用，測量不同溫度下溶解CO2的超稠油黏度；③方案3為降黏劑、CO2和加熱對超稠油流變性的作用，測量不同溫度下溶解降黏劑和CO2的超稠油的黏度。測量結果如表2和圖1所示，由表2可知大部分的降黏率都在99%以上，難以直觀反映降黏效果，采用降黏倍率則更為明顯。

表2 不同方案下超稠油黏度

圖1 不同方案降黏倍率曲線

熱力采油是稠油開發最有效的方式[5]。由圖1可知，方案1結果顯示超稠油的黏度對溫度極為敏感，溫度升高原油黏度迅速降低，呈現半對數遞減函數關系[6-7]，證明了加熱降黏在超稠油開發中的必要性，同時也凸顯了加熱作用在三元復合吞吐技術中的重要性。方案2中溶解CO2后的超稠油黏度有了更大幅度的降低，120℃時原油黏度為37 mPa·s，而同溫度下未溶解CO2的超稠油黏度為439 mPa·s，說明CO2對超稠油具有很強的降黏能力[8]。由于CO2溶解于超稠油后會充當油氣混合物中的連續相，將原來膠結在一起的膠質、瀝青質等重組分變為分散相，從而改善體系流動性能[9]。方案3中超稠油的黏度有了進一步的降低，這是由于油溶性降黏劑具有極性官能團，能進入瀝青質的層狀結構，解締瀝青質的大分子結構，分散、溶解瀝青質分子聚集體，從而達到降低超稠油黏度的目的[10]。表2和圖1說明降黏劑、CO2、加熱3種降黏元素組合能夠相互促進，具有良好的協同降黏作用。

2 三元復合吞吐技術開發超稠油動態特征

2.1 重質組分解締，流變性能改善

研究表明，實施三元復合吞吐技術的超稠油相比未實施的超稠油，輕質組分(飽和分、芳香分)含量更高，重質組分(膠質、瀝青質)含量更低，原油黏度更小。這是由于實施三元復合吞吐技術后，降黏劑和CO2隨蒸汽向油井遠端逐漸擴散，與地層中超稠油接觸，通過熱力作用、溶脹作用和化學作用，解締超稠油的大分子結構，改善超稠油的流變特性[11]，從而實現超稠油的有效動用。

2.2 注汽壓力顯著下降，注汽干度大幅提高

對常規蒸汽吞吐、活性柴油前置加蒸汽吞吐、活性柴油前置CO2驅加蒸汽吞吐、三元復合吞吐4種注汽方式進行了對比(表3)。與常規蒸汽吞吐相比，活性柴油前置蒸汽吞吐注汽質量有所提高，說明活性柴油能一定程度地改善超稠油流變性能，但效果一般。與前2種吞吐方式相比，活性柴油CO2驅蒸汽吞吐在相對較低的注汽壓力下，注汽速度和注汽干度有了明顯的提高，這是由于CO2在超稠油中具有很好的擴散、溶解能力，同時能夠大幅度降低原油黏度。三元復合吞吐注汽質量最好，啟動壓力為16.3 MPa，平均壓力為18.7 MPa，注汽干度一直保持在71%。這表明油溶性復合降黏劑比活性柴油的降黏效果更好，能更有效地提高注汽質量，增大蒸汽波及范圍。

表3 4種吞吐方式注汽參數

2.3 油汽比、周期產油量大幅提升，開發效果明顯改善

對比了蒸汽吞吐、氮氣輔助蒸汽吞吐、CO2輔助蒸汽吞吐和三元復合吞吐(DCS)的開發效果，三元復合吞吐技術明顯占優。綜合4種開發方式可以看出：CO2輔助蒸汽開發超稠油的過程中，CO2的效果好于氮氣，降黏劑、CO2和蒸汽結合在一起才能實現超稠油的有效動用。

表4 不同開發方式生產情況對比

3 三元復合吞吐技術應用

為了有效開發勝利油田超稠油資源，率先在中深薄層區塊鄭411塊、中深厚層區塊坨826塊和中淺薄層區塊草705塊三類油藏開展了三元復合吞吐技術應用，取得良好效果(表5)。其中鄭411塊開展最早，規模最大。鄭411塊含油面積為5.2 km2，石油地質儲量為1 825×104t。主力含油層系為沙三上段，砂體埋藏較深，位于1 300～1 430 m，砂體厚度較薄且呈現出中部厚、兩側薄的特征，厚度范圍為4.0～6.7 m，平均厚度僅為5.7 m。原油黏度大、密度大，地面脫氣原油密度為1.043 g/cm3，地下原油黏度大于12×104mPa·s。該區塊于1991年發現，2000年之前完鉆油井5口，除Z411井外，其余油井均不出油。2002年區塊新鉆1口水平井Z411-P1和2口直井Z412、Z418，開展了SAGD試驗，第1周期Z411-P1、Z412和Z418日產油分別為20.0、6.3、9.6 t/d，周期時間為95 d，周期累計產油3 440 t，累計產水12 980 t，周期油汽比為0.36。但第2周期發生蒸汽層間竄流，導致高含水而關井。2006年率先在該區塊開展三元復合吞吐單井試驗取得成功，隨后進行了擴大試驗。按照整體方案設計該區塊已完鉆油井34口，開井30口，日產液為615.7 m3/d，日產油為250 t/d，綜合含水59.4%。區塊累計產油為14.27×104t，累計產水為26.81×104m3，累計注汽為15.1×104t，累計油汽比為0.95。

目前勝利油田已在7個區塊開展了三元復合吞吐技術推廣應用，包括：中深薄層超稠油油藏鄭411、草104、草109、單113塊；中淺薄層超稠油油藏草南、草705塊；中深厚層超稠油油藏坨826塊。7個典型超稠油區塊總井數124口，開井112口，日產液為1 769 m3/d，日產油為947 t/d，綜合含水為46.5%，累計產油為126×104t，累計產水為185×104m3，累計注汽為156×104t，累計油汽比為0.81，平均采油速度為1.48%，采出程度為3.8%。

表5 三元復合吞吐技術典型區塊生產動態

4 結 論

(1) CO2能夠溶解于超稠油中，增大超稠油體積系數，同時大幅度降低超稠油的黏度。在超稠油生產中既可以增加油藏的彈性能量，又可以降低生產壓差。

(2) 提出降黏倍率的概念，相比降黏率評價超稠油降黏效果更加直觀。

(3) 三元復合吞吐中各元素具有良好的協同作用，復合條件下能夠破壞超稠油體系中膠質、瀝青質的網狀結構，減小膠質、瀝青質分子質量和含量，極大地降低超稠油黏度，從而使超稠油的流動能力得到根本性的改善。

(4) 現場試驗表明三元復合吞吐技術能夠大幅度提高注汽質量，增加油汽比和周期產油量，從而實現超稠油的有效動用。該技術已在7個超稠油區塊推廣應用，累計產油為126×104t。

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編輯 劉 巍

20140824；改回日期：20141210

國家科技重大專項“十二五”基金項目“重油油藏和油砂經濟高效開發技術”(2011ZX05032-001)

陶磊(1981-)，男，高級工程師，2004年畢業于石油大學(華東)石油工程專業，2009年畢業于中國石油大學(華東)油氣田開發工程專業，獲博士學位，現從事提高采收率相關領域技術工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.020

TE345

A

1006-6535(2015)02-0081-04