使用氧的蒸汽輔助重力泄油(“sagdox”)在薄產(chǎn)油區(qū)中采收瀝青的用圖
【專利說明】使用氧的蒸汽輔助重力泄油（"SAGDOX")在薄產(chǎn)油區(qū)中采 收源青的用途
【背景技術(shù)】
[0001] 蒸汽輔助重力泄油（"SAGD")是使用飽和蒸汽注入水平井中的、商業(yè)化的熱強(qiáng)化 采油（"E0R")工藝，其中使用潛熱來加熱漸青和降低漸青的粘度，使其通過重力泄到下方 的平行、成對(duì)水平井中，在儲(chǔ)層基底附近完成。
[0002] 自從該工藝在1980年代早期開始，SAGD已經(jīng)成為用W從阿爾伯塔?。ˋ化erta) 的漸青沉積物中采收漸青的主要原位工藝度utler,R.，"ThermalRecove巧of Oil&Biumen",Prentice-Hall, 1991)。目前在阿爾伯塔省的SAGD漸青產(chǎn)量為約300千桶/ 天，裝機(jī)容量為約475千桶/天（OilsandsReview, 2010)。SAGD現(xiàn)在是世界領(lǐng)先的熱E0R 工藝。
[0003] 圖1 (現(xiàn)有技術(shù)）顯示出傳統(tǒng)的SAGD幾何結(jié)構(gòu)，其使用在同一垂直面上鉆孔的成 對(duì)、平行、水平井2、4,上井2和下井4之間的間距為5米，每個(gè)井長(zhǎng)約800米，并且下井在 (水平）儲(chǔ)層基底上方的1到2米。兩個(gè)井中的循環(huán)蒸汽6啟動(dòng)SAGD過程。建立聯(lián)通之 后，使用上井2注入蒸汽6和下井4采出熱水和熱漸青8。液體開采通過自然升舉、氣舉、或 潛水累來實(shí)現(xiàn)。
[0004] 轉(zhuǎn)換到正常SAGD操作后，蒸汽室圍繞注入井2和開采井4形成，其中空隙空間被 蒸汽6占據(jù)。蒸汽在室的邊界冷凝，釋放潛熱（冷凝熱）并加熱漸青、原生水和儲(chǔ)層基質(zhì)。 被加熱的漸青和水通過重力泄到較低的開采井4中。隨著漸青通過重力泄到較低的開采井 4中，蒸汽室向上和向外增長(zhǎng)。
[0005] 圖2 (現(xiàn)有技術(shù)）顯示出SAGD如何成熟。初期的蒸汽室10使?jié)u青從睹峭室側(cè)面 和室頂層泄油。當(dāng)室增長(zhǎng)觸碰儲(chǔ)層頂部時(shí)，頂層泄油停止，漸青生產(chǎn)率峰值和側(cè)壁斜度隨著 側(cè)向增長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行而下降。熱損失隨頂層接觸增加和蒸汽室表面積增大而增大（蒸汽與油 的比率（"S0R")增加）。泄油速率隨側(cè)壁角減小而減慢。最終，達(dá)到經(jīng)濟(jì)上的限度并且壽 命末期的泄油角度小（10-20° )，如圖2所示。
[0006] 采出的流體接近飽和溫度，因此只有蒸汽的潛熱有助于儲(chǔ)層中的工藝。但是，一些 顯熱可W從表面熱交換器捕獲（更高溫度下更大的部分），使得蒸汽凈熱量貢獻(xiàn)的有用經(jīng) 驗(yàn)法則為1000BTU/磅。對(duì)于大部分SAGD項(xiàng)目的壓力（叩"）和溫度（"T")范圍，如圖 3(現(xiàn)有技術(shù)）所佳所示。
[0007] SAGD的操作性能可W通過W下參數(shù)的測(cè)量來表征：蒸汽室中的飽和蒸汽壓（叩"） 和溫度（"T")，如在圖4 (現(xiàn)有技術(shù)）中最佳所示；漸青生產(chǎn)率；S0R，通常在井頭；過冷一一 飽和蒸汽和采出流體之間的溫差；和WRR-一采出水與注入蒸汽的比率（也稱為水循環(huán) 比）。
[0008] 在SAGD工藝過程中，SAGD操作者需要進(jìn)行兩次選擇一一過冷目標(biāo)溫差和儲(chǔ)層中 的操作壓力。約10至30°C的典型過冷目標(biāo)是為了確保沒有新鮮蒸汽穿透至開采井。工藝 壓力和溫度相關(guān)聯(lián)（圖4)并主要地設(shè)及漸青生產(chǎn)率和工藝效率。漸青粘度是溫度的強(qiáng)函 數(shù)，如圖5 (現(xiàn)有技術(shù)）最佳所示。SAGD生產(chǎn)率正比于粘度倒數(shù)的平方根，參見圖6 (現(xiàn)有技 術(shù)HButler(1991))。但是，相反地，如果P(和T)增大，則蒸汽的潛熱含量迅速下降（圖 3)并且更多的能量被用來加熱巖石基質(zhì)并損失到覆蓋層或其它非開采區(qū)域。增大的壓力增 加了漸青生產(chǎn)率，但危害工藝效率（提高了SOR)。由于經(jīng)濟(jì)效益可由漸青生產(chǎn)率主導(dǎo)，所W SAGD操作者通常選擇將操作壓力高于天然、靜水儲(chǔ)層壓力作為目標(biāo)。
[0009] 盡管正在成為主要的熱E0R工藝，但SAGD具有一些限制和受損之處。良好的SAGD 項(xiàng)目包括：
[0010] ?在產(chǎn)油區(qū)底部附近完成水平井W有效地收集和產(chǎn)生熱泄油流體。
[0011] ?在砂面注入高質(zhì)量的蒸汽。
[0012] ?工藝啟動(dòng)是有效和便利的。
[0013] ?蒸汽室平穩(wěn)增長(zhǎng)并被容納。
[0014] ?儲(chǔ)層基質(zhì)質(zhì)量良好（巫〉.2,Si?！?6,kv〉2D)。
[0015] ?凈產(chǎn)油層是足夠的（〉15米）。
[0016] ?適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和控制W同時(shí)防止蒸汽穿透、防止注入井溢流、刺激蒸汽室增長(zhǎng)至開 采區(qū)和抑制水流入蒸汽室。
[0017] ?沒有明顯的儲(chǔ)層折擋物（例如貧乏區(qū)）或阻隔物（例如頁(yè)巖）。
[0018] 如果運(yùn)些特征沒有實(shí)現(xiàn)或者經(jīng)受其他限制，那么SAGD可受損，如下：
[0019] (1)優(yōu)選的主要開采機(jī)制是重力泄油并且較低的開采井是水平的。如果儲(chǔ)層高度 傾斜，則水平開采井會(huì)滯留（strand)顯著的資源。換句話說，水平井W下的漸青是不可采 收的。
[0020] (2)SAGD蒸汽-吹掃區(qū)具有未采收的顯著殘余漸青含量，特別是對(duì)于較重質(zhì)的漸 青和低壓蒸汽，如圖7(現(xiàn)有技術(shù)）最佳所示的。例如在20%的殘余漸青（孔隙飽和度）和 70%的初始飽和度的情況下，采收率只有71%，不包括開采井W下或采收井網(wǎng)之間的模形 區(qū)中的滯留漸青。
[0021] (3)為了"容納"SAGD蒸汽室，儲(chǔ)層中的油必須是相對(duì)固定的。SAGD不能對(duì)在儲(chǔ)層 條件下具有一定移動(dòng)性的重質(zhì)（或輕質(zhì)）油起作用。漸青是優(yōu)選目標(biāo)。
[0022] (4)飽和蒸汽不能蒸發(fā)原生水。根據(jù)定義，飽和蒸汽中的熱能量沒有足夠高的質(zhì)量 (溫度）W蒸發(fā)水?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)也顯示出加熱的原生水不具有足夠的移動(dòng)性W在SAGD中采 出。采出水與油的比率（"W0R")與S0R類似。運(yùn)使得SAGD難W破裂或利用貧乏區(qū)資源。
[0023] (5)活性水區(qū)的存在一一產(chǎn)油區(qū)內(nèi)的頂層水、底層水或散布的貧乏區(qū)一一可W導(dǎo) 致SAGD操作困難或最終可W導(dǎo)致項(xiàng)目失?。∟exenInc. , "Second如arterResults", 2011 年 8 月 4 日）（Vanderklippe,N.,"LongLakeProjectHitsStickyPatch",CTV, 2011)。 模擬研究得出結(jié)論，增加開采井的相隔距離可優(yōu)化具有活性底層水的SAGD的性能，包 括良好的壓力控制W最小化水侵量（Akram,F. ,"ReservoirSimulationOptimizes SAGD,AmericanOilandGasReporter, 2011年 9 月）。
[0024] (6)不能（總是）提高壓力目標(biāo)W改善SAGD生產(chǎn)率和SAGD經(jīng)濟(jì)。如果儲(chǔ)層是"漏 的"，那么隨著提高壓力超過天然靜水壓力，SAGD工藝可損失水或蒸汽至SAGD蒸汽室外的 區(qū)域。如果液體損失，則WRR降低并且工藝要求顯著的水補(bǔ)償體積。如果蒸汽也損失，則工 藝效率下降并且S0R上升。最終，如果壓力太高，如果儲(chǔ)層淺并且如果高壓保留時(shí)間過長(zhǎng)， 則可發(fā)生蒸汽、砂和水穿透表面（Roche,P.,"BeyondSteam",化WTech.Mag. ,2011年9 月）。
[00巧](7)蒸汽成本是可觀的。如果包括資本支出和一些利潤(rùn)的蒸汽成本超過效用邊界， 則砂面的高質(zhì)量蒸汽的成本為約10至15美元/MMBTU。高蒸汽成本可W反映出資源質(zhì)量限 度和最終采收率。
[0026] 做水的使用顯著。假設(shè)S0R= 3,WRR= 1和采出水處理（即，再循環(huán)）的收率 為90%，典型的SAGD用水是0. 3桶補(bǔ)償水/桶采出漸青。
[0027] (9)SAGD工藝效率"不良"且％的排放量顯著。如果SAGD效率被定義為[(漸青 能量）-(使用的表面能）]/(漸青能量）并且漸青能量=6MMBTU/桶；在砂面使用的能量= 1MMBTU/桶漸青（S0R~3);蒸汽W85%的效率在氣體-燃燒鍋爐中產(chǎn)生；分配到井口和從 井口遞送到砂面各自有10 %的熱損失；可用的蒸汽能量為1000BTU/磅（圖3)并且鍋爐燃 料為1000BTU/SCF的甲燒；那么SAGD工藝效率=75. 5%和C〇2排放量=0. 077噸/桶漸 青。
[0028] (10)由于熱損失，壓力損失和隔離分配蒸汽管道的成本，蒸汽分配距離被限制為 約10至15公里巧-9英里）（。;[]1日]1,4./'IntegrationofNuclearPowe;r…'^^OT論文，2007 年 6 月(EnergyAlbertaCorp. ,"NuclearEnergy..*"CanadianHeavyOilAssociation pres.,2006 年 11月 2 日）。
[0029] (11)最后，存在限制井長(zhǎng)或井直徑且可W優(yōu)先于SAGD操作的壓力目標(biāo)的"天然" 水力限度。圖8顯示出什么可W發(fā)生和什么已經(jīng)發(fā)生。在SAGD中，形成蒸汽/液體界面 12。對(duì)于具有過冷控制的良好SAGD操作，界面處于注入井2和開采井4之間。因?yàn)榱黧w流 動(dòng)導(dǎo)致的開采井4中的壓降，界面是傾斜的。蒸汽/氣體室中壓差很小/沒有壓差。如果 液體采出速率太高（或如果開采井4太?。敲唇缑婵蒞是傾斜的，使得蒸汽注入井14的 趾被淹沒和/或開采井16的跟暴露于蒸汽穿透（圖8)。當(dāng)開采井4中的壓降超過蒸汽注 入井2和液體開采井4之間的靜壓頭時(shí)（對(duì)于5米間距來說，約為8psi(50kPa))，該限制可 發(fā)生。
[0030] 薄產(chǎn)油區(qū)儲(chǔ)層（薄產(chǎn)油區(qū)）
[0031] 出于本文的目的，"漸青"被定義為具有高密度（APK10)和高原位粘度 (〉100, 000c巧的油，使得初級(jí)開采為零或非常小。漸青是儲(chǔ)層條件下的不流動(dòng)控。 陽(yáng)〇3引最大的沉積發(fā)現(xiàn)于阿爾伯塔省的Ath油asca區(qū)--McMurray沉積（表1)。圖9、 10、11和12表征了該沉積。圖9顯示出McMurray地層頂層的深度--即覆蓋層的厚度。 圖10顯示出總McMurray沉積的厚度一一多孔和非多孔區(qū)域二者。圖11顯示出孔隙率間 隔一一所述沉積的多孔部分的凈厚度，具有10%的孔隙率界限（cutoff)(該部分含有漸 青、水和占據(jù)孔體積的氣體）。圖12顯示出漸青的凈產(chǎn)油區(qū)厚度一一孔隙率間隔（porosity interval)的一部分?？紫堵书g隔和漸青產(chǎn)油區(qū)之間的區(qū)別在于表明E0R工藝的受損區(qū) 域一一氣體、頂層水、底層水或貧乏區(qū)。運(yùn)些區(qū)域可W是在漸青凈產(chǎn)油區(qū)內(nèi)部或相鄰（頂層 /底層）。 陽(yáng)033] 據(jù)估計(jì)，4100億桶漸青沉積在小于10米厚的薄產(chǎn)油區(qū)中（表1)Wenrick,T.et al,"OilSands民esearchandDevelopment,AlbertaEnergy民esearchInstitute,2006 年3月）。運(yùn)些薄產(chǎn)油儲(chǔ)層（區(qū)）的絕大多數(shù)（3800億桶，93% )都在Athabasca區(qū)。如 果薄產(chǎn)油區(qū)界限設(shè)定在15米而不是10米，那么薄產(chǎn)油區(qū)漸青資源比碳酸鹽漸青資源更多 (表1)。不管怎樣，阿爾伯塔省的薄產(chǎn)油區(qū)漸青是世界級(jí)規(guī)模的控資源。
[0034] 圖12顯示出薄產(chǎn)油區(qū)集中在McMurray沉積的西側(cè)。圖9顯示出運(yùn)些沉積可W具 有取決于位置的約100-300米的覆蓋層深度范圍。靜水壓力范圍為約160-5(K)psia，使用的 靜水壓力梯度為0. 5psia/英尺的深度。
[0035] 圖13顯示出McMurray地層中漸青沉積的API重力。該漸青密度從7變化至10API， 并且較輕質(zhì)的漸青（較高的API)在該沉積的西南部。
[0036] 基于圖9、10、11、12和13,我們可W將阿爾伯塔省的薄產(chǎn)油區(qū)漸青資源表征為：
[0037] ?淺到中等深度（100-300米覆蓋層） 陽(yáng)〇3引 ?低到中等壓力（160-500psia靜壓頭）
[0039] ?位于Ath油asca沉積的西側(cè) W40] ?E0R高至中度受損（基于凈孔隙率間隔和凈產(chǎn)油區(qū)漸青之間的區(qū)別）
[0041] ?大的機(jī)遇（在適當(dāng)位置的>4000億桶原漸青（"0BIP"))
[0042] ?沒有已知的技術(shù)來經(jīng)濟(jì)地采收薄產(chǎn)油區(qū)漸青化einrick(2006))
[0043] ?非常少的（如果有的話）研發(fā)聚焦于該機(jī)遇化einrick(2006))
[0044] ? 7至10范圍內(nèi)的API密度 W45] ?薄區(qū)域，優(yōu)選小于約25米，更優(yōu)選小于約15米
[0046]SAGD最小凈產(chǎn)油區(qū)限度已被估計(jì)為10-15米化ein化ick(2006))。決定運(yùn)個(gè)限度 的因素如下：
[0047]
[0048] 很難使SAGD井構(gòu)造適應(yīng)于小于約10米的凈產(chǎn)油區(qū)內(nèi)。注入井2與開采水平井4 之間的間隔為約5米（圖1)。該開采井位于儲(chǔ)層底層附近，但要求1至2米的相隔距離。 類似地，較上方的水平蒸汽注入井2需要距離儲(chǔ)層頂層數(shù)米的相隔距離。SAGD還要求水平 井處于（或靠近）水平面內(nèi)。如果儲(chǔ)層傾斜，則甚至更難使SAGD幾何結(jié)構(gòu)適應(yīng)于薄產(chǎn)油儲(chǔ) 層。
[0049]
[0050] 對(duì)于SAGD項(xiàng)目來說占主導(dǎo)地位的經(jīng)濟(jì)因素是漸青生產(chǎn)率。如果薄產(chǎn)油區(qū)資源是 淺的，那么生產(chǎn)率可W直接受到產(chǎn)油區(qū)薄度或壓力影響。
[0051]Gray化ain方程度utler(1991)，圖6)已顯示出是對(duì)生產(chǎn)率靈敏度的良好預(yù)測(cè)。生 產(chǎn)率正比于凈產(chǎn)油區(qū)的平方根。運(yùn)個(gè)方程可W用來預(yù)測(cè)由于凈產(chǎn)油區(qū)減少導(dǎo)致的生產(chǎn)率受 損。例如，如果將50米凈產(chǎn)油區(qū)的理想SAGD項(xiàng)目用作對(duì)比，則W下更小的凈產(chǎn)油區(qū)（即， 薄產(chǎn)油區(qū)）的生產(chǎn)率下降預(yù)期為：
[0052] 25米凈產(chǎn)油區(qū)--29%生產(chǎn)率損失
[0053] 15米凈產(chǎn)油區(qū)一45%生產(chǎn)率損失
[0054] 10米凈產(chǎn)油區(qū)--55%生產(chǎn)率損失 陽(yáng)化日]5米凈產(chǎn)油區(qū)一一68%生產(chǎn)率損失
[0056] 運(yùn)些估計(jì)沒有考慮由于在均質(zhì)性、井網(wǎng)邊界效應(yīng)，容納損失，或壓力效應(yīng)中的熱損 失而導(dǎo)致的生產(chǎn)率損失。
[0057] 深度的影響可W更加劇烈。圖9和12顯示出一些薄產(chǎn)油區(qū)資源預(yù)期處于比大多 數(shù)厚產(chǎn)油區(qū)資源更低的深度。如果人們靠近地表，則在超壓力下操作SAGD風(fēng)險(xiǎn)太高。人們 被迫在原生/靜水壓力附近操作。壓力降低可對(duì)漸青生產(chǎn)率產(chǎn)生劇烈影響。
[(K)郎]通過使用1)飽和蒸汽性質(zhì)（圖4)尚漸青粘度曲線（圖W;化及^Grav化ain方 程（圖6)來估計(jì)生產(chǎn)率隨粘度變化的變化，可W通過假定W下情況來估計(jì)較淺儲(chǔ)層的SAGD 生產(chǎn)率損失：1)在靜水壓力下進(jìn)行SAGD操作；2)儲(chǔ)層厚度無變化；和3)在300米深度的 基礎(chǔ)案例。較淺儲(chǔ)層的SAGD生產(chǎn)率損失估計(jì)如下：
[0059] 200米深度-15%生產(chǎn)率損失 W60] 100米深度-45%生產(chǎn)率損失
[0061] 50米深度-66%生產(chǎn)率損失
[0062] 厚度減小和深度減小的影響是獨(dú)立的且是累積性的。所W，如果人們將在靜水壓 力下操作300米覆蓋層深度的50米凈產(chǎn)油區(qū)作為基準(zhǔn)，那么在50米深度的10米凈產(chǎn)油區(qū) 將有85%的生產(chǎn)率降低。運(yùn)對(duì)SAGD的經(jīng)濟(jì)性可W是毀滅性的。
[0063]
W64] 在SAGD項(xiàng)目的壽命終期階段中，在經(jīng)濟(jì)限度下，重力泄油腳）蒸汽室（在均質(zhì)儲(chǔ) 層中）的橫截面采取線型形狀的、傾斜的泄油通道、和固定的泄油角度（圖2)。如果假設(shè)蒸