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原位开采成油砂开采主要技术手段

发布时间:2020年11月30日
来源:中国矿业报(2020-11-27) 作者:仝立华

作为常规石油重要的补充能源之一,油砂具有可观的开发前景。由于油砂本身的地质条件和埋深不同,其开采方法也不一样。通常来说,对于埋藏深度大于75米的油砂矿床,由于其挖掘成本高不适合露天开采,需要采用原位开采技术进行开采。例如,加拿大开采的油砂油中约80%来自原位开采方式的贡献,我国新疆克拉玛依的风城及周边地区成功利用蒸汽辅助重力泄油技术原位开采油砂油(超稠油),年产能达300万吨。与露天油砂开采相比,原位开采的地面场地规模要小得多,采矿过程中不会产生尾矿,对地表的环境影响更小,因此原位开采的方式在油砂开采中越来越多地应用,已经成为油砂开采的主要技术手段。

一、原位开采包括哪些方法

原位开采油砂的方式主要分为热采和冷采,其中应用较多的有循环蒸汽吞吐、蒸汽辅助重力泄油、携砂冷采,另外还有微生物冷采等新工艺正处于探索试验阶段。

1. 循环蒸汽吞吐

循环蒸汽吞吐多以单一直井生产为主,是油砂原位开采应用最早的技术方法之一。其工作方式相对简单,通过在油砂矿床中实施一口单井,将高压蒸汽注入油砂层,以加热油砂并降低油砂油粘度。注气和焖井数周后,使油砂矿层在高温高压环境下逐渐液化并具有流动性,待矿床冷却、压力降低后开井生产。将已经上浮的液化油砂油(油砂油和水的混合液)泵送至地表分离站进行油水分离。分离后的油砂油经一定的稀释和炼化后,可作为成品油进行交易。在整个开采过程中产生的工业用水经分离、净化等处理工序,循环用于制备蒸汽,不产生额外的工业废水。

2. 蒸汽辅助重力泄油(SAGD)

蒸汽辅助重力泄油技术是一种蒸汽驱开采方式,通过实施2口水平井(上方的水平井为注汽井,下方的水平井为生产井),向注汽井连续注入高温、高干度蒸汽,使矿层内部形成蒸汽腔将原油驱至生产井周围,被加热的具有流动性的油砂油和蒸汽冷凝液依靠重力流向下方的生产井采出地面。油砂油和蒸汽的混合液泵送至地表后进行油水分离。分离后的水经净化处理循环利用与蒸汽制备,分离后的油砂油经进一步炼化后出售。蒸汽辅助重力泄油技术是一种可循环的开采方式,地面扰动小,采收率可达60%,相比循环蒸汽吞吐而言产量大幅增加。但该方法具有一定条件的适用性,当油砂矿层厚度小于15米、含油非均质性较高时生产效果较差。另外,为了保证高温高压蒸汽的注入效果,要求油砂矿层的顶板封闭性较好,因此某些埋深较浅、封闭性差的矿层不适宜该方法。

3. 携砂冷采

携砂冷采是一种非加热一次采油方式,其依靠强力射孔技术和螺杆泵举升系统,通过产生大量的出砂和形成泡沫油的方式获得较高的产量。该方法对含有溶解气的各类疏松油砂矿层具有较广泛的适应性,例如我国吉林的套保油田应用该工艺成功实现稠油(油砂)年产能5万吨。由于油砂矿层胶结疏松,油砂油粘度高,携砂能力强,射孔后油砂油包裹砂粒一道产出,随着出砂量的增大,矿层中产生的“蚯蚓洞”使油层孔隙度和渗透率大幅度提高,有效改善油砂油的流动性。油砂油包含少量的溶解气在油砂油流动过程中产生小气泡,形成泡沫油流动,一方面提高了油砂油的流动性,另一方面增强了流动能力并保持了“蚯蚓洞”的稳定。携砂冷采技术适合胶结疏松的矿层,但对矿层的地质条件有一定的要求,在埋深大于300米、矿层厚度不小于3米、溶解气油比大于5且顶底板无水层的矿层内效果较好。

4. 微生物冷采

除了携砂冷采以外,对于埋藏浅的多薄层油砂的有效开采方式一直处于探索阶段。中国地质调查局油气资源调查中心在松辽盆地西斜坡开展了微生物冷采原位油砂油的技术方法试验。该工艺通过实施5口单井形成小井组,对矿层进行射孔、快速吞吐并建立储层亏空后,向矿层注入内外源微生物功能菌剂。通过实施焖井使功能菌剂与矿层充分发生作用,降低油砂油的粘度,达到改善流动性的效果,待焖井周期结束后开井求产。该方法具有不破坏储层、低耗能、低成本和环保等优势,此方法一旦试验成功,或将有效带动浅层多薄层油砂资源的有效利用。

二、原位开采具有哪些优势

一是占地更小。相对地下油砂矿床的规模而言,建设原位开采地表井场所需的占地仅为露天开采的1/7。与露天开采相比,原位开采的建设规模更小,更容易控制占地成本。

二是用水效率更高。原位开采过程中的用水主要用于制备蒸汽,绝大部分的水能够回收循环再次用于蒸汽制备。据有关数据统计,同等规模的油砂矿开采条件下,原位开采的用水量大约只有露天开采的1/5。因此,与露天开采中用于浆化体量庞大固体油砂所需的用水量相比,原位开采的净水用量明显低得多。

三是无尾矿废渣。油砂矿床中的砂子几乎全部被留在了地层中,地表没有矿渣堆积,同时也省去了矿渣处理的环节。

四是前期投资更少。由于不存地表的选矿和矿渣处理环节,原位开采需要资金相对更少,而且开采设备采用分期建设,基础设施建设速度更快。

三、中国油砂资源利用效果与前景浅析

随着我国经济社会持续发展,油气资源刚性需求强劲,油气对外依存度大幅攀升,2019年原油对外依存度达到72.4%,然而我国主要含油气盆地勘探开发程度较高,常规油气总体进入勘探开发的中后期,因此寻求常规油气的战略接替资源迫在眉睫。我国油砂资源较丰富,油砂油地质资源量约59.7亿吨,主要分布于准噶尔、塔里木、松辽、柴达木等含油气盆地边缘的浅层部位,储层胶结疏松且含油性好,具有良好的资源前景,是油气资源战略接替的现实领域。

我国油砂勘探开发起步较晚,研究基础薄弱,勘查开发程度比较低,截至2019年底,全国油砂探明储量仅1.8亿吨,年产量仅300万吨,目前除新疆风城等少数矿点依靠科技创新实现了有效开发外,其他大部分矿点(带)尚未形成有效产能。与国外典型油砂矿显著不同的是,受陆相沉积背景和复杂成矿条件的控制,我国绝大部分油砂矿层类型以陆相河流沉积为主,呈厚度薄、物性夹层多的特征;油砂资源多赋存于盆地边缘物性良好、局部盖层不完整的浅层部位,因此在油砂油的形成过程中,原油遭受水洗、氧化及生物降解等作用后重质组分占比增大,油砂油粘度普遍较高,甚至在80-90℃条件下仍不具备孔隙流动能力。这种特殊的油品性质使常规原油的开采工艺难以将油砂油从颗粒界面分离,导致其原位开采困难。

同时,受浅部矿层胶结疏松、封闭性差的影响,采用国外成熟的蒸汽热采技术开发浅层油砂还存在蒸汽制备能耗高、蒸汽上窜污染浅部水层等风险,规模性蒸汽开发产生的高碳排放亦不满足环保要求。因此,攻关浅层油砂绿色高效原位开采技术,探索高效、经济、绿色的陆相浅层油砂原位开采技术,促进我国油砂资源合理利用和产业良性发展,对保障国家能源安全具有重要战略意义。

近年来,国内研究机构和石油企业坚持对油砂勘探开发技术的投入,低温冷采、微生物纳米微乳液、超声波震动等技术研究取得一定进展,笔者相信未来工艺技术大幅的进步将大大提高油砂原位开采的可靠性和采收率。随着,油砂原位开采技术应用得越来越普及,原位开采的产量或将超过地表开采,并有望在未来的几十年中带动油砂产能的增长。

[责任编辑:dc]

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