用于采油的优化的使用氧的蒸汽辅助重力泄油(“sagdoxo”)方法及系统的制作方法
【专利说明】用于采油的优化的使用氧的蒸汽辅助重力泄油("SAGDOXO"）方法及系统
【背景技术】
[0001] 蒸汽辅助重力泄油（"SAGD"）是使用饱和蒸汽注入水平井2中的、商业化的热强 化采油（"E0R"）工艺，其中使用潜热来加热沥青和降低沥青的粘度，使其通过重力泄到下 方的平行、成对水平井（即开采井4)中，在储层底部附近完井（图1)。调节蒸汽注入速率 以达到目标压力。调节液体产生速率以达到目标温度，其比饱和蒸汽温度低几度，使得新鲜 蒸汽不能穿透开采井。
[0002]自从该工艺在 1980 年代早期开始（Butler,R.M.，"ThermalRecoveryofOil&Bi tumen〃,Prentice-Hall,1991)，SAGD已经成为用以从阿尔伯塔省（Alberta)的沥青沉积物 中采收沥青的主要原位工艺。目前在阿尔伯塔省的SAGD沥青产量为约300千桶/天（bbl/ d)(OilsandsReview,(2010))，装机容量为约475千桶/天（出处同上）。SA⑶现在是世 界领先的热EOR工艺。
[0003] 图1 (现有技术）显示出"传统的"SA⑶几何结构，其使用在同一竖直平面上钻孔 的成对、平行、水平井2、4,上注入井2和下开采井4,所述两个井2、4之间的间距为5米，每 个井长约800米，并且下井（或开采井4)在（水平）储层基底上方的1到2米。通过在两 个井中循环蒸汽来启动SA⑶工艺。建立联通之后，使用上井注入蒸汽6和下井采出热水和 热沥青8。液体采出通过自然升举、气举、或潜水栗来实现。
[0004] 转换到正常SA⑶操作后，蒸汽室10围绕注入井2和开采井4形成，其中空隙空间 被蒸汽6占据。图2(现有技术）显示了SAGD怎样成熟。蒸汽6在室的边界冷凝，释放潜 热（冷凝热）并加热沥青、原生水和储层基质。被加热的沥青和水8通过重力泄到较低的 开采井4中。随着沥青的泄出，蒸汽室10向上和向外增长。初期的蒸汽室10使沥青从陡 峭室侧面和从室顶层泄油。当室10增长触碰储层顶部时，顶层泄油停止，沥青生产率达到 峰值和侧壁斜度随着侧向增长继续进行而下降。热损失随顶层接触增加和蒸汽室表面积增 大而增大（蒸汽与油的比率（"S0R"）增加（图8)。泄油速率随侧壁角（0 )减小而减慢。 最终，达到经济上的限度并且寿命末期的泄油角度是小的（10-20° )，如图2(现有技术） 所示。
[0005] 采出的流体接近饱和蒸汽温度，因此只有蒸汽的潜热有助于储层中的工艺。但是， 一些显热可以从表面热交换器捕获（更高温度下更大的部分），因此对于大部分SAGD项目 的压力（"P"）和温度（"T"）范围而言，蒸汽净热量贡献的有用经验法则为1000BTU/镑， 如图3 (现有技术）所佳所示。
[0006]SAGD的操作性能可以通过以下参数的测量来表征：蒸汽室中的饱和蒸汽P和 T(图2);沥青生产率；S0R，通常在井口（ "wh"）；过冷--饱和蒸汽和采出流体之间的温 差；和水循环比（"WRR"）一一采出水与注入蒸汽的比率。
[0007] 在SAGD工艺过程中，SAGD操作者需要进行两次选择一一过冷目标温差和储层中 的操作压力P。约10至30°C的典型过冷目标温度差是为了确保没有新鲜蒸汽穿透至开采 井。工艺压力和温度相关联，如图14(现有技术）中最佳示出的，并主要地涉及沥青生产率 和工艺效率。沥青粘度是温度的强函数，如图5(现有技术）最佳所示，沥青粘度随温度升 高而降低。根据Gravdrain方程，如图6 (现有技术）所示，SA⑶生产率正比于粘度倒数的 平方根，（Butler(1991))。相反地，如果P和T增大，则蒸汽的潜热控制迅速下降（图3)并 且更多的能量被用来加热岩石基质并损失到覆盖层或其它非开采区域。因此，增大的P增 加了沥青生产率，但危害工艺效率（提高了SOR)。由于经济效益可由沥青生产率主导，所以 SAGD操作者通常选择将操作压力高于天然、静水储层压力作为目标。
[0008] 尽管正在成为主要的热EOR工艺，但SAGD具有一些限制和受损之处。良好的SAGD 项目包括：
[0009] ?在产油区底部附近完成水平井以有效地收集和产生热泄油流体。
[0010] ?在砂面（"Sf"）注入高质量的蒸汽。
[0011] ?工艺启动是有效和便利的。
[0012] ?蒸汽室平稳增长并被容纳。
[0013] ?储层基质质量良好（孔隙率（初始油饱和度（"SlQ"）>.6,运动粘度 ("kv"）>2 维（"2D"））。
[0014] ?净产油层是足够的（>15米厚）。
[0015] ?适当的设计和控制以同时防止蒸汽穿透、防止注入井溢流、刺激蒸汽室增长至开 采区和抑制水流入蒸汽室。
[0016] ?没有明显的储层折挡物（例如贫乏区）或阻隔物（例如页岩）。
[0017] 如果这些必要条件没有实现或者经受其他限制，那么SAGD可受损，如下：
[0018] (1)优选的主要开采机制是重力泄油并且较低的开采井是水平的。如果储层高度 倾斜，则水平开采井会滞留（strand)显著的资源。
[0019] (2)SAGD蒸汽-吹扫区具有未采收的显著残余沥青含量，特别是对于较重质的沥 青和低压蒸汽，如图26最佳所示的。图4(现有技术）描绘了沥青和重质油的孔中的残余 沥青的分数。例如在20%的残余沥青（孔隙饱和度）和70%的初始饱和度的情况下，采收 率只有71%，不包括开采井以下或采收井网之间的楔形区中的滞留沥青。
[0020] (3)为了容纳SAGD蒸汽室，储层中的油必须是相对静止的。SAGD不能对在储层条 件下具有流动性的重质（或轻质）油起作用。沥青是优选目标。
[0021] (4)饱和蒸汽不能蒸发原生水。根据定义，饱和蒸汽中的热能量没有足够高的质 量（温度）以蒸发水。现场经验也显示出对于产沥青层，加热的原生水不具有足够的流动 性以在SAGD中采出。采出水与油的比率（PWOR)与SOR类似。这使得SAGD难以破裂或利 用贫乏区资源。
[0022] (5)活性水区的存在一一产油区内的顶层水或散布的贫乏区一一可以导 致SAGD操作困难（NexenInc.，"SecondQuarterResults"，2011 年 8 月 4 日） (Vanderklippe，N.，"LongLakeProjectHitsStickyPatch"，CTV, 2011)，或最终可 以导致项目失败。模拟研究得出结论，增加开采井的相隔距离可优化具有活性底层水的 SAGD的性能，包括良好的压力控制以最小化水侵量（Akram，F.，"ReservoirSimulation OptimizesSAGD，AmericanOilandGasReporter(A0GR)，2011年9月）〇
[0023](6)不能（总是）提高压力目标以改善SAGD生产率和SAGD经济。如果储层是"漏 的"，那么随着提高压力超过天然静水压力，SAGD工艺可损失水或蒸汽至SAGD蒸汽室外的 区域。如果流体损失，则水循环比（"WRR"）降低并且工艺要求显著的水补偿体积。如果 蒸汽也损失，则工艺效率下降并且SOR上升。最终，如果压力太高，如果储层浅并且如果高 压保留时间过长，贝1J可发生蒸汽、砂和水穿透表面（Roche,P.，"BeyondSteam",NewTech. Mag.，2011 年 9 月）。
[0024] (7)蒸汽成本是可观的。对于包括资本支出和一些利润的设施，砂面的高质量蒸汽 的成本为约$10至$15/百万英热单位（MMBTU)。高蒸汽成本可以反映出资源质量限度和最 终采收率。
[0025] (8)水的使用显著。假设SOR= 3,WRR= 1和采出水处理（即，再循环）的收率 为90%，典型的SAGD用水是0. 3桶补偿水/桶采出沥青。
[0026] (9)SAGD工艺效率"不良"且CO2的排放量显著。如果SA⑶效率被定义为[(沥青 能量）_ (使用的表面能）V(沥青能量）并且沥青能量=6MMBTU/桶；在砂面使用的能量= IMMBTU/桶沥青（S0R~3);蒸汽以85%的效率在燃气式锅炉中产生；分配到井口和从井口 递送到砂面各自有10 %的热损失；可用的蒸汽能量为1000BTU/镑（图3)并且锅炉燃料为 1000BTU/SCF的甲烷；那么SAGD工艺效率=75. 5%和CO2排放量=0. 077吨/桶沥青。
[0027] (10)由于热损失，压力损失和隔离分配蒸汽管道的成本，实际蒸汽分配距离被 限制为约 10 至 15 公里（6-9 英里）（Finan，A.，''IntegrationofNuclearPower…"MIT 论文，2007 年 6 月（EnergyAlbertaCorp.,"NuclearEnergy…"CanadianHeavyOil Associationpres. (CHOA)，2006 年 11 月 2 日）〇<