中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1目的及意义
目前全球稠油探明储量约3000亿吨，其中中国已探明稠油储量79.8亿吨，占剩余原油可开采量38.7%。虽然稠油油藏的开发是世界性的大难题，但在中国能源紧缺的今天，稠油资源也成为了重要的能源来源之一。
由于稠油的粘度和密度大，蜡和沥青含量高，在油管的流动能力差，导致抽油设备工作负荷增加，甚至会损坏抽油设备。由于稠油的性质造成开采中井下事故增加并且更加复杂，使得开采成本大幅上升。因此稠油开采中降低油的粘度为主要目标。
目前，主要的稠油采收方式为常规热采法，大致为蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等。通过改变油藏地层岩石的润湿性、降低原油粘度和密度、提高油相相对渗透率等方式提高采收率。常规热采法在开采初期的效果比较好，但是在中后期由于稠油的高密度、粘度和地层的复杂条件造成常规热采法出现了一定的局限性，如蒸汽吞吐后期由于蒸汽与原油的密度差异很大，随着地层压力的降低，使得接替难度增加，采液含水率上升迅速，并也容易差生气窜、冷凝和蒸汽超覆现象。另一方面即使在蒸汽所波及的区域，由于收到岩石原油与水界面特性影响，有一部分稠油不能从岩石表面剥离下来，降低了原油的采收率。
除了常规热采外，对于一些粘度相对较低的稠油油藏化学冷采技术也有一定的作用。化学冷采是指在驱替相中加入化学药剂，如表面活性剂、高分子聚合物、苛性碱等，通过改善驱替相和被驱替相的流度比，降低相界面张力和被驱替相的粘度达到提高驱替效率的目的，化学冷采技术虽然能够有效降低原油粘度和界面张力，但是化学药剂容易在地层岩石表面形成吸附，造成药剂浪费，增加开的采成本。
针对常规热采和化学冷采的不足70年代后期提出了一种新的稠油开采方式--热复合化学采收技术。即同时利用常规热采法改善油藏地层岩石润湿性、降低原油粘度又同时利用化学冷采改善替相和被驱替相的流度比、降低相间界面张力的能力，并且蒸汽可以将化学药剂带入地层深部，使化学药剂能够与原油充分作用从而达到大幅提高稠油采收率的目的。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1注蒸汽开采技术
注蒸汽是当前世界上开采稠油油藏的最主要方法，也是提高稠油采收率诸多方法中应用最广的方法，注蒸汽开采稠油的常用方法是蒸汽吞吐和蒸汽驱。在稠油油藏的开发实践中，蒸汽吞吐和蒸汽驱是注蒸汽采油的两个重要过程，二者既有区别又有密切的联系，即蒸汽吞吐为蒸汽驱创造有利条件，蒸汽驱为蒸汽吞吐的接替阶段。
蒸汽吞吐，也叫循环注蒸汽热激励采油，即按设计将一定量的高温高压饱和蒸汽注入油层(吞进)，焖井数天，以降低稠油粘度并通过高温清除黏土及沥青质沉淀物来提高近井地带油层渗透率，待蒸汽携带的热量与地层中稠油充分交换后，再开井回采。蒸汽吞吐才有法的主要优点是工艺技术相对成熟简单、投资相对较少、增产快，其采油效果及经济效益较好，技术和经济风险较小。但蒸汽吞吐往往仅动用和采出近井地带稠油，井间仍存有大量死油区，随着吞吐轮次的增加和地层能量的降低其采油效果和经济效益成降低趋势，稠油采收率不高，最终采收率一般15%。因而蒸汽吞吐开采到一定时期就要注入化学剂辅助吞吐或转换开采方式。
蒸汽驱采油是指向一口井或多口井中持续注入蒸汽，将地下原油加热并驱向邻近多口生产井，将原油持续采出的采油方法。蒸汽驱提高稠油油藏的采收率程度较高，如美国的克恩河油田的蒸汽驱采收率能达50%以上，因而具备条件的蒸汽吞吐开采都将转为蒸汽驱开采。
蒸汽波及效率低是蒸汽驱开发存在的突出问题造成蒸汽驱过程中蒸汽波及效率低的主要原因是蒸汽与高粘度原油极为不利的流度比引起的粘滞指进及由于二者极为不利的密度差引起的蒸汽超覆；以及油藏的非均质性，高渗透层或裂缝的存在，致使蒸汽沿高渗透大孔道迅速窜至生产井。汽窜的最大危害是蒸汽直接从汽窜井产出，注入热量不能充分有效利用，蒸汽绕过高含油区域，从生产井产出，驱替波及体积小，开发效果差。尤其是对于蒸汽吞吐开发转蒸汽驱开发的区块，各井之间还存在温度场及压力场分布的不均匀，蒸汽窜流问题更为突出。
蒸汽波及地带依然有较高的剩余油饱和度在注蒸汽开采抽油过程中，尤其是蒸汽驱过程中，蒸汽注入地层后，在油层中形成不同的驱替带，从蒸汽前端到后部分别是：蒸汽带、凝析混相带、热水带和冷水带，由于油水间较大的界面张力，导致蒸汽的驱替效率不高。并且由于我国的稠油油藏普遍埋藏较深、稠油粘度高、沥青质及胶质含
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量高，导致蒸汽注入压力高，甚至无法注入，即使注入的蒸汽，其蒸汽干度也较低，热值低。从驱替的机理分析，热水驱会使油层温度升高从而引起原油的热膨胀和油层润湿性改变，从而提高驱油效率，一般热水驱同相同
温度冷水驱相比可提高采收率 9%-15%。蒸汽的驱油机理除一部分同热水驱相同外，还增加了蒸馏的机理。实验结果表明，蒸汽驱与同温度热水驱相比驱替效率提高 10%-15%，残余油饱和度降低 10%，但依然有大量的剩余油残留在地层深部。
1.2.2水热催化裂解技术
上个世纪八十年代初，Hyne等人在室内模拟研究了稠油在注蒸汽开采过程中发生的反应。他们描述了稠油和水在200-300℃温度范围内的化学反应，这些反应包括酸聚合反应、地层基质及流体释放出水、气作用而发生的有机硫化物裂解、水煤气转变反应及加氢脱硫反应等，进而把把稠油在水存在条件下加热时发生的全部变化称之为水热裂解。随后，包括Hyne在内的很多学者研究了加拿大、委内瑞拉稠油及沥青在不同条件下的水热裂解。他们的研究结果表明，在温度200-300℃范围内油砂与水之间发生剧烈的化学反应，即原油与多孔岩石基质发生了水热裂解，并分析了水热裂解反应机理，提出了一些关于稠油开采的有价值的建议。他们发现当在实验室条件下把水和阿萨巴斯卡油砂加热至240℃或300℃，并保持数天至数周时，主要的气体产物数量依次递减。除产生这几种气体外，他们还发现沥青经240℃水热处理头几天，其粘度开始增加，但其后随时间延长粘度又下降。但在300℃水热处理时，粘度明显下降。他们指出在水热作用下，稠油中沥青质胶质含量降低，饱和烃和芳香烃含量增加，胶质沥青质中硫含量下降，其中沥青质中的变化最大。这些都导致了稠油粘度的降低。但是稠油的粘度在水热处理后几天内迅速反弹，沥青质胶质含量发生了一定程度上的增加。在随后的研究中，他们还发现各种高价过渡金属盐对水热裂解反应有催化作用，并指出在油田蒸汽驱动实验中加入这种盐会使产出油的粘度足够低以至能用管道输送。Erdman和Dickie对沥青质原油做了相似的研究。他们研究了七种原油在玻璃衬套压力容器中的热变。这些反应是在24小时内在410℃下进行的。在这些实验中原油粘度降低了近千倍。Hayashitani等人也研究了阿萨巴斯卡原油340℃-490℃的温度范围内和5MPa压力下的热裂解。他们发现在水热裂解催化反应中，N、S和O从沥青质中去掉。这无疑不仅有利于采油，而且对提高油品质量、方便后续加工是有益处的。
在国内，姜嘉陵等人对热采原油性质进行了研究。研究结果表明，稠油在蒸汽作
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用下，有大量的Na，CO2，CH4及少量的C2H4，C3H6等烯烃产生，这也说明了稠油发生了水热裂解反应。1996年起范洪富、刘永健等进行了大量的稠油水热裂解机理研究和适用催化剂研制工作，先后考察了铝、铬、钒、锰、铁、钻、镍、铜等金属离子以及一些杂多酸如硅钨酸等对稠油水热裂解降粘的催化作用，同时还研究了油层矿物和供氢剂对稠油水热催化裂解反应的影响，他们认为在稠油水热裂解反应中主要发生了碳硫键的断裂，研究了推测了稠油水热裂解催化反应进行的动力学机制。
1.2.3热-泡沫复合驱技术
20世纪80年代开始，国外开始进行蒸汽-泡沫复合驱试验。泡沫通过岩石孔喉时产生贾敏效应，有效改善蒸汽波及体积， 提高采收率。本技术既是改善热采的技术直接应用于稠油开采， 也可以作为接替技术在稠油热力驱后进行。
Shell公司在加州KernRiver油田进行了蒸汽-泡沫复合驱矿场试验，历时15个月增产原油3.2万桶。
泡沫既可抑制蒸汽的超覆， 又可降低蒸汽在一定渗透率范围的流度， 是理想的高温转向剂。目前制约热-泡沫技术应用的关键问题有2个：一是高温起泡剂的性能，另一个是高温稳泡技术。单一的表面活性剂难以形成稳定的泡沫， 为此通常需要加入具有增加水溶液黏度或强化表面膜黏弹性的物质作稳泡剂， 但受化学剂热稳定性的限制， 很多低温有效的稳泡剂在高温下无法使用。解决高温起泡和稳泡技术， 可大幅度提升热/泡沫复合驱技术的应用前景， 也为发展高温自生泡沫奠定了基础[2]。
1.2.4烟道气辅助蒸汽吞吐技术
霍刚、范潇通过建立多相多组分渗流数学模型并通过油藏数值模拟，系统的研究了烟道气、水蒸汽和原油的相变规律以及多组分体系的相态渗流特征。结果表明在注蒸汽的同时混注烟道气可有效提高油层中蒸汽的干度，提高注蒸汽过程的热波及体积，增大了注蒸汽过程的降粘范围。
王卓飞等利用先进的CMG的STARS模型热采数值模拟软件，研究了克拉玛依油田注蒸汽时混住烟道气开采方式，优化了周期注气量、注气干度、注入方式、混注比、焖井时间等注采参数。结果表明：在常规蒸汽吞吐后期混注烟道气可大幅度提高常规蒸汽吞吐的开采效果，在常规蒸汽吞吐中混住烟道气可延长蒸汽吞吐2-4个吞吐周期，提高蒸汽吞吐采收率；蒸汽驱中加烟道气可以有效提高蒸汽驱开发效果，提高汽驱采收率，而蒸汽烟道气吞吐4个周期转蒸汽烟道气段塞驱是油藏最佳开采方式。经过经
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济效益评价，蒸汽加烟道气开发具有良好的经济效益，推广应用前景广阔。
1.3 热复合化学提高稠油采收率的研究内容
水热催化裂解技术具有很高的潜在价值，是未来经济高效开采稠油的新途径。该技术具有很多优点，它能强化注蒸汽开采工艺，把孔隙介质作为天然的”催化反应器”，在井下对稠油进行水热裂解处理，增强稠油在地层中的流动能力。然后由于其实际效果与室内试验效果相差巨大所以没能普及。因此需要一种新的解释来作为水热催化裂解催化剂制造的依据。本文主要研究水热碎花裂解技术在井下水热催化裂解的化学反应，以及针对传统水热催化裂解催化剂的不足所研发的新型催化剂。
热-泡沫复合驱技术主要解决的是蒸汽和油水的重力分离造成注入蒸汽在油藏中的”超覆”流动问题。由于室内试验中评价指标、评价装置以及实验方法存在诸多问题，所以在实际应用中存在效果不理想的现象。本文主要从热-泡沫复合驱技术的泡沫的形成、泡沫驱油的原理以及泡沫流在其他增产增注措施中的作用介绍热-泡沫复合驱技术。
烟道气辅助蒸汽吞吐技术烟道气是天然气、原油或煤炭等有机物在完全燃烧后生成的产物，主要成分为氮气、二氧化碳。所以本文分别从氮气、二氧化碳和烟道气的角度研究气体对蒸汽吞吐的辅助作用。