专利名称：一种蒸汽热采稠油的设备及其方法
技术领域：
本发明涉及一种采油设备，尤其涉及一种蒸汽热采稠油的设备及其方法。
背景技术：
目前的稠油油藏的开发基本以热采为主，主要有蒸汽吞吐、蒸汽驱，火烧油层技术，井下电加热技术以及目前海上已经成功应用的多元热流体技术。井下电加热技术是把加热电缆随油管下入井内，通电后加热电缆周围相接触的稠油，该技术存在的问题是耗电量大，热量波及的范围小，目前已应用较少。目前的热采主导技术是蒸汽吞吐和蒸汽驱，其基本原理为在地面通过加热装置，比如锅炉等设备产生高温蒸汽，并通过油管直接注入到目的层位，通过高温高压的蒸汽降低稠油的粘度或驱替稠油。蒸汽吞吐开发是周期性地向油井中注入一定量的湿饱和蒸汽，焖井一段时间后，将油层一定范围内的稠油加热降粘后回采的生产过程。蒸汽驱是按照一定的注采井网，从注汽井连续注入湿饱和蒸汽将稠油驱替到生产井中的热力采油方式。虽然蒸汽吞吐和蒸汽驱技术已经大规模应用于陆地稠油油田的开发，但是存在很多问题:(I)蒸汽沿井筒从地面注入过程中，蒸汽可能从沿程套管丝扣处泄露到非油层段，造成非油层段发生汽窜，严重的可以从地面看到冒汽，因此对钻完井及固井工艺技术要求较高；(2)尽管在井筒内采取了许多隔热措施，注蒸汽过程中热损失一般在30% -40%之间，造成了巨大的能源浪费；(3)由于注蒸汽过程中热损失比较大，地面注蒸汽热采技术在深度上受到限制。(4)由于地面蒸汽产生设备庞大，在海上油田和一些边际受限制的地方应用受到限制；(5)地面加热装置燃烧后产物对环境污染大；(6)开发过程中需采用隔热保护设备，致使开发成本增高。
发明内容
本申请提供了一种蒸汽热采稠油的设备，包括地面装置和井下装置，所述井下装置包括至少一个蒸汽发生器；所述设备还包括油管、输水管和电缆，所述油管、输水管和电缆的上端均与所述地面装置相连接，所述井筒包括竖直井段、造斜井段和水平井段，所述油管、输水管和电缆在井筒内一直延伸至水平井段，所述油管的下端处于油层中，所述输水管和所述电缆的下端均与所述蒸汽发生器相连接，所述蒸汽发生器设置在油层上方或油层中，所述蒸汽发生器产生的蒸汽排放到靠近油层段或油层中。优选地，所述设备还包括封隔器，所述封隔器设置在所述竖直井段内的下部，所述封隔器将所述井筒内的空间分隔成上部分空间和下部分空间，所述油管、输水管和电缆通过封隔器上的通孔穿过所述封隔器。
优选地，所述地面装置还包括太阳能热水器，所述太阳能热水器与所述输水管相连接。优选地，所述设备还包括加热水管和循环水管，所述加热水管套设在所述封隔器以上的所述油管的外围，所述加热水管与所述油管的外壁之间形成可供水流通过的夹层通路，所述加热水管的下端与所述循环水管的下端在所述封隔器的上方相连通，所述加热水管的上端和循环水管的上端均与所述太阳能热水器相连通。优选地，所述蒸汽发生器包括蒸汽发生器上接头、钢套、蒸汽阀和至少一个电极；所述蒸汽发生器上接头与所述钢套通过螺纹进行连接并形成封闭的蒸汽室，所述电极固定在所述钢套的内壁上，所述蒸汽阀固定在所述钢套上。优选地，所述蒸汽阀包括阀球、弹簧和底座；所述蒸汽阀设置有进气孔和出气孔，所述进气孔与蒸汽室相连通，所述出气孔的内侧设置有与阀球相配合的锥面，所述弹簧的一端预压所述阀球于所述锥面上，从而形成密封，所述弹簧的另一端与底座相接触，当所述阀球离开锥面时，所述出气孔与所述进气孔相连通。优选地，在所述蒸汽发生器的外围还设置有筛管或具有打孔的套管、衬管。优选地，所述油管的下端设置有孔眼，所述孔眼处于油层中。优选地，所述设备还包括可输送地层稠油的泵体，所述油管与所述泵体相连接。本申请还提供了上述设备的蒸汽热采稠油的方法，该方法包括，蒸汽加热:通过所述输水管将热水或冷水送入井下的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器利用电能将热水或冷水加热成蒸汽，并通过蒸汽阀排放到靠近油层段或油层中，从而加热地层中的稠油；稠油生产:地层中的稠油通过所述油管下端的孔眼进入油管，利用地层压力使稠油自动喷到井上和/或使用泵体抽取地层中的稠油。优选地，在所述蒸汽加热与稠油生产的阶段之间还包括焖井，所述焖井的方法为:将所述蒸汽阀关闭，所述蒸汽加热阶段产生的蒸汽继续加热地层中的稠油。优选地，还包括依次循环进行所述蒸汽加热、焖井和稠油生产的步骤。优选地，在所述稠油生产过程中还包括蒸汽驱油，所述蒸汽驱油的方法为:所述蒸汽发生器继续排放蒸汽，利用蒸汽提供的能量驱动稠油流向周围的生产井。优选地，所述热水为太阳能热水器加热的热水。优选地，还包括将热水输送到夹层通路和循环水管中，从而加热所述油管；其中，所述设备包括加热水管和循环水管，所述加热水管套设在所述封隔器以上的所述油管的外围，所述加热水管与所述油管的外壁之间形成可供水流通过的夹层通路，所述加热水管的下端与所述循环水管的下端在封隔器的上方连通。与有关技术相比，本发明实施例的有益效果如下:(I)本发明实施例的蒸汽热采稠油的设备，蒸汽发生器沿水平段设置在油层的上方或油层中，水平段的稠油完全处于蒸汽发生器可加热的范围内，产生的蒸汽直接加热稠油，可提高蒸汽的温度，能够充分发挥热源的能量，消耗的电能均用于加热稠油，提高稠油的降粘和驱替效果，可以大幅度地提高稠油的采出程度；由于蒸汽发生器产生的蒸汽直接加热油层，竖起井段不需要采用复杂的井筒隔热措施，减少了热量损失；再者，不需要将蒸汽沿井筒从地面输送到油层段，从而避免了蒸汽从沿程套管丝扣处泄露到非油层段，造成非油层段发生汽窜的问题。还可以根据水平段的长度和稠油的粘度等情况布置一个或多个蒸汽发生器，可以加热地层中的稠油，提高稠油开采的程度。由于地面上设备或装置体积较小，尤其适用于海上油田和一些边际受限制的地方。(2)本发明实施例的蒸汽热采稠油的设备，还包括封隔器，封隔器设置在井筒内的下部，封隔器将井筒内的空间分隔成上部分空间和下部分空间，油管、输水管和电缆穿过封隔器。可以防止蒸汽进入封隔器以上的井筒，减少了蒸汽的热量损失，尽可能使蒸汽用于加热地层中的稠油。(3)本发明实施例的蒸汽热采稠油的设备，地面装置还包括太阳能热水器，太阳能热水器与输水管相连接，这样利用太阳能在地面上对冷水进行预热，然后输送到蒸汽发生器内，降低了蒸汽发生器的电能的消耗。
图1为本发明实施例的蒸汽热采稠油的设备的示意图；图2和图3为本发明实施例的蒸汽发生器的示意图；图4为本发明实施例的蒸汽阀的示意图；附图标记:1-太阳能热水器，2-输水管，3-循环水管，4-加热水管，5-油管，6-电缆，7-封隔器，8-井筒，9-孔眼，10-蒸汽发生器，11-蒸汽阀，12-电缆接头，13-蒸汽发生器上接头，14-钢套，15-电缆芯，16-电极，17-蒸汽室，18-筛管，19-进气套，20-固定套，21-阀球，22-出气孔，23-弹簧，24-底座，25-变压器
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本发明实施例的蒸汽热采稠油的设备是这样实现的，见图1所示，该设备包括地面装置和井下装置，地面装置包括太阳能热水器I和变压器25，井下装置包括三个蒸汽发生器10，输水管2的上端与太阳能热水器I相连接，电缆6的上端与变压器25相连接，井筒8包括竖直井段、造斜井段和水平段，油管5、输水管2和电缆6 —同进入井筒8，并在井筒8内一直延伸到水平井段，然后输水管2的下端和电缆6的下端均与蒸汽发生器10相连接，油管5的下端处于油层中，蒸汽发生器10沿水平段设置油层中，三个蒸汽发生器10以串联方式进行螺纹连接。作为可变换的实施方式，也可以根据水平段的长度和稠油的粘度布置其它个数的蒸汽发生器10，如当水平段的长度较短和稠油的粘度相对较低时，可以布置一个或两个蒸汽发生器10，当水平段的长度较长和稠油的粘度相对较高时，可以布置三个以上的蒸汽发生器10，使蒸汽与油层接触面积最大，大大提高降粘和驱油效率。根据油层加热位置的需要，蒸汽发生器10也可以设置在油层的上方。为了避免蒸汽沿井筒8上窜，在井筒8内的下部设置封隔器7，封隔器7将井筒8内的空间分隔成上部分空间和下部分空间，封隔器7设置可供油管5、输水管2和电缆6穿过的多个通孔，这样既能输水、输油和输电，又能保证封隔器的密封性能。封隔器7可以采用耐高温的材料。为了降低井下蒸汽发生器10的电能消耗，地面装置还可以包括太阳能热水器1，太阳能热水器I与输水管2相连接，这样可以利用太阳热水器对水进行预热，然后再输送到蒸汽发生器10。作为可变换的实施例，还使用其它方式预热水。蒸汽热采稠油设备还包括加热水管4和循环水管3，加热水管4套设在封隔器7以上的油管5的外围，加热水管4与油管5的外壁之间形成可供水流通过的夹层通路，加热水管4的下端与循环水管3的下端在封隔器7的上部相连通，加热水管4的上端和循环水管3的上端均与太阳能热水器I相连通，这样加热水管4和循环水管3的太阳能热水器I就形成了循环水路，从而可以实现对油管5的加温。如图2和图3所示，蒸汽发生器10包括电缆接头12、蒸汽发生器上接头13、钢套
14、电缆芯15、蒸汽室17、蒸汽阀11和电极16 (电极数量可以根据地层热力学计算结果确定)；电缆接头12穿过并固定在蒸汽发生器上接头13上，蒸汽发生器上接头13与钢套14通过螺纹进行连接并形成封闭的蒸汽室17，电缆芯15 —端与电缆接头12相连接，另一端与电极16相连接，电极16固定在钢套14的内壁上，蒸汽阀11固定在钢套14上。作为可变换的实施方式，根据井下热量的需要可以设置一个、两个或三个以上的电极16。电缆接头12可以选用常规使用的电缆接头12，为了提高电缆接头12的使用寿命，电缆接头12还可以采用耐高温密封材料进行封装。蒸汽发生器上接头13与钢套14螺纹连接后的形状，可以为密封的圆桶状，也可以设计成其它形状。如图4所示，蒸汽阀11包括进气套19、固定套20、阀球21、弹簧23和底座24 ;进气套19与固定套20进行螺纹连接，进气套19上设置有至少一个进气孔，固定套20上设置有出气孔22，出气孔的内侧设置有与阀球21相配合的锥面，弹簧23的一端预压阀球21于锥面上，从而形成密封，弹簧23的另一端与底座24相接触，当蒸汽室的压力大于外部压力时，蒸汽将阀球顶开时，出气孔与进气孔形成连通的气路。蒸汽阀11可以通过螺纹固定在蒸汽发生器10的铜套上，这样蒸汽阀11的进气孔与蒸汽室17相连通，而出气孔可以将蒸汽排放在油层中。上述蒸汽阀11的作用有两个，一个作用是在蒸汽室17内蒸汽压力小于地层压力时，弹簧23将阀球21顶起，阀球21与锥面相接触并形成密封，蒸汽阀11关闭，当蒸汽压力高于地层压力时，蒸汽室17内蒸汽将阀球21顶开，向油层排出蒸汽；另一个作用是在焖井时，蒸汽阀11保持关闭，从而防止稠油进入蒸汽发生器10。为了防止地层中泥砂进入蒸汽发生器10，在蒸汽发生器10的外围还设置有筛管18，筛管18可以采用油田中常规使用的防砂筛管18，也可以采用其它完井方式的带有打孔的套管、衬管等。为了更好提取地层中的稠油，油管5的下端还设置有孔眼9，孔眼9处于油层中。蒸汽热采稠油设备还可以包括泵体，该机采泵可以置于井筒内，与油管5相连接，这样当自喷期结束后，稠油不能自行上升，这时可以借助泵体将地层中的稠油输送到井上。由于蒸汽产生和作用在油层上方或油层中，电泵不需要采用特殊的高温电泵，泵体可以选用常规使用电泵或抽油泵等。上述蒸汽热采稠油的设备的使用方法如下:
预热:首先是采用太阳能热水器I对冷水进行加热，或使用其它装置加热冷水。蒸汽加热:将预热的热水沿输水管2送入井下的蒸汽发生器10内，经电极16加热后，热水变成蒸汽，当蒸汽压力超过地层压力和蒸汽阀11预设压力时，蒸汽阀11打开，蒸汽排放到靠近油层段或油层中，从而加热地层中的稠油；焖井:当蒸汽加热结束后，关闭蒸汽阀11，蒸汽加热产生的蒸汽继续加热地层中的稠油；稠油生产:可采用三种方法，一、地层中的稠油通过孔眼9进入油管5，利用地层压力使稠油自喷到井上从而实现自喷生产；二、如果地层中的压力不能使稠油自喷到井上，可以直接使用泵体抽取地层中的稠油，而不经过自喷生产阶段；三、在自喷生产结束后，使用泵体抽取地层中稠油，从而提高稠油的开采率。在稠油生产过程中，地层温度下降，不能开采稠油时，可以进行第二轮的蒸汽加热、焖井和稠油生产，当第二轮开采结束后，再进行第三轮的蒸汽加热、焖井和稠油生产，一直到油井不能开采为止。在稠油生产的后期，随着地层温度的不断降低，稠油流动性变差，此时可以将太阳能热水器I产生的热水，输送到加热水管4与油管5之间的夹层通路，加热油管5，减小油管5中的稠油的流动阻力，然后再通过循环水管3送回太阳能热水器I，这样可以形成一个水循环的管路。作为可变换的实施方式，也可以先将热水输送到循环水管3，再进入夹层通路加热油管5，最后送回太阳能热水器I。也可以选用其它的加热方式替换太阳能热水器I。作为可变换的实施方式，可以不采用焖井的方法，在完成上述预热和蒸汽加热阶段后，在稠油生产过程中同时采用蒸汽驱油，即在稠油生产过程中，蒸汽发生器10继续排放蒸汽，利用蒸汽提供的能量驱动稠油流向周围的生产井。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种蒸汽热采稠油的设备，包括地面装置和井下装置，所述井下装置包括至少一个蒸汽发生器； 所述设备还包括油管、输水管和电缆，所述油管、输水管和电缆的上端均与所述地面装置相连接，所述井筒包括竖直井段、造斜井段和水平井段，所述油管、输水管和电缆在井筒内一直延伸至水平井段，所述油管的下端处于油层中，所述输水管和所述电缆的下端均与所述蒸汽发生器相连接，所述蒸汽发生器设置在油层上方或油层中，所述蒸汽发生器产生的蒸汽排放到靠近油层段或油层中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括封隔器，所述封隔器设置在所述竖直井段内的下部，所述封隔器将所述井筒内的空间分隔成上部分空间和下部分空间，所述油管、输水管和电缆通过封隔器上的通孔穿过所述封隔器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述地面装置还包括太阳能热水器，所述太阳能热水器与所述输水管相连接。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设备还包括加热水管和循环水管，所述加热水管套设在所述封隔器以上的所述油管的外围，所述加热水管与所述油管的外壁之间形成可供水流通过的夹层通路，所述加热水管的下端与所述循环水管的下端在所述封隔器的上方相连通，所述加热水管的上端和循环水管的上端均与所述太阳能热水器相连通。
5.根据权利要求1所 述的设备，其中，所述蒸汽发生器包括蒸汽发生器上接头、钢套、蒸汽阀和至少一个电极； 所述蒸汽发生器上接头与所述钢套通过螺纹进行连接并形成封闭的蒸汽室，所述电极固定在所述钢套的内壁上，所述蒸汽阀固定在所述钢套上。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述蒸汽阀包括阀球、弹簧和底座； 所述蒸汽阀设置有进气孔和出气孔，所述进气孔与蒸汽室相连通，所述出气孔的内侧设置有与阀球相配合的锥面，所述弹簧的一端预压所述阀球于所述锥面上，从而形成密封，所述弹簧的另一端与底座相接触， 当所述阀球离开锥面时，所述出气孔与所述进气孔相连通。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的设备，其中，在所述蒸汽发生器的外围还设置有筛管或具有打孔的套管、衬管。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的设备，其中，所述油管的下端设置有孔眼，所述孔眼处于油层中。
9.根据权利要求1-6中任意一项所述的设备，其中，所述设备还包括可输送地层稠油的泵体，所述油管与所述泵体相连接。
10.如根据权利要求1中所述的设备的蒸汽热采稠油的方法，该方法包括， 蒸汽加热:通过所述输水管将热水或冷水送入井下的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器利用电能将热水或冷水加热成蒸汽，并通过蒸汽阀排放到靠近油层段或油层中，从而加热地层中的稠油； 稠油生产:地层中的稠油通过所述油管下端的孔眼进入油管，利用地层压力使稠油自动喷到井上和/或使用泵体抽取地层中的稠油。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述蒸汽加热与稠油生产的阶段之间还包括焖井，所述焖井的方法为:将所述蒸汽阀关闭，所述蒸汽加热阶段产生的蒸汽继续加热地层中的稠油。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括依次循环进行所述蒸汽加热、焖井和稠油生产的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述稠油生产过程中还包括蒸汽驱油，所述蒸汽驱油的方法为:所述蒸汽发生器继续排放蒸汽，利用蒸汽提供的能量驱动稠油流向周围的生产井。
14.根据权利要求10-13中任意一项所述的方法，其中，所述热水为太阳能热水器加热的热水。
15.根据权利要求10-13中任意一项所述的方法，其中，还包括将热水输送到夹层通路和循环水管中，从而加热所述油管；其中，所述设备包括加热水管和循环水管，所述加热水管套设在所述封隔器以上的所 述油管的外围，所述加热水管与所述油管的外壁之间形成可供水流通过的夹层通路，所述加热水管的下端与所述循环水管的下端在封隔器的上方连通。
全文摘要
一种蒸汽热采稠油的设备，包括地面装置和井下装置，所述井下装置包括至少一个蒸汽发生器；所述设备还包括油管、输水管和电缆，所述油管、输水管和电缆的上端均与所述地面装置相连接，所述油管、输水管和电缆在井筒内一直延伸至水平井段，所述油管的下端处于油层中，所述输水管和所述电缆的下端均与所述蒸汽发生器相连接，所述蒸汽发生器设置在油层上方或油层中。本发明还提供一种蒸汽热采稠油的方法。本发明实施例中的蒸汽发生器产生的蒸汽直接加热稠油，可提高蒸汽的温度，大幅度地提高稠油的采出程度，不需要将蒸汽沿井筒从地面输送到油层段，从而避免了在输送过程中的蒸汽泄漏以及热量损失，尤其适用于海上油田和一些边际受限制的地方。
文档编号E21B43/24GK103114836SQ201310055699
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者董社霞, 张海龙, 张保康, 季公明, 刘新峰, 王圣虹, 李效波, 朱春明, 周欢 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司