重质原油的热力开采

　　对于大多数重质油藏，注蒸汽热力驱是主要开采方法。60年代蒸汽吞吐或蒸汽驱技术即已经开始商业化应用。

　　蒸汽吞吐法起始于委内瑞拉的梅尼格兰德(Mene Grande)油田，当时有一口注入了蒸汽的井偶然流出了大量原油，从而发现了这种方法。所谓蒸汽吞吐法就是先往一口或多口油井中注入蒸汽，注一段时间后关井，“消化”注进去的热量，然后开井生产。1960年，壳牌公司在加利福尼亚的克恩河(Kern River)油田用蒸汽吞吐采油成功，于是逐步推广。1980年前后，蒸汽吞吐发展为大面积蒸汽驱。这就是建立固定的注蒸汽井网，一批井专门用来注蒸汽；其他油井产油。1983年，克恩河油田共有注蒸汽井1871口，生产井3952口，日产重质原油15100立方米。

　　1990年，印度尼西亚的杜里(Duri)油田成为世界最大的重质原油蒸汽驱工程。这是印尼第二大油田，位于苏门答腊中部的廖内，于1941年发现，1958年投产。探明可采储量有85亿桶(约12亿吨)。原油相对密度0．92。先用常规方法开采，1965年产油325万吨。估计只能采出储量的7％。60年代中期开始注水开发，70年代的平均年产量为200多万吨。1975年开展了注蒸汽采油的先导试验，取得了相关的参数，证明采收率可以达到55％。1981年，加德士(Caltex)公司着手大面积蒸汽驱，把整个油田611 1平方千米划分为12个独立的开发区，逐步分区开展蒸汽驱。设计总共有1408口注汽井，3202口生产井。1985年4月，第一区开始注汽；到1990年4月已经扩大到4个区。1989年的产量已经达到854万吨。

　　据统计，美国1992年一年，用注蒸汽热力驱油采出的原油达2270万吨。

　　另外一种重质原油热力开采方法是“火烧油层”。就是把氧气或空气注进油层，加以点燃，在地下燃烧，提高油层中的温度，从而降低黏度，使油顺畅地流动。

　　早在1911年8月，美国进行了第一次火烧油层的试验，是克姆博兰德公司在俄亥俄州东南部摩根县的沃德油田上开展的。效果不明显。当时也没有引起别人的关注。

　　1947年起，辛克莱(Sinclair)石油天然气公司和马格诺利亚(Magnolia)石油公司分别开展了实验室研究和实验。辛克莱公司认识到，油藏里的原油在空气或别的富氧气体帮助下，在450～500~C时才能弱燃烧；到600~C时地下燃烧前缘很宽，推进很慢；到700~C以上发生一定的裂解；估计到900~C时可以采出50％，到1350℃时可以采出90％。怎样在地下点燃油层?1949年它发明了点火器，并获得了专利权。1952年，它在堪萨斯州艾伦县的洪堡一沙努特油田上进行了小规模的试验。50年代后期，它在俄克拉何马和堪萨斯两州中间的油田上开展了比较大的现场试验。与此同时，马格诺利亚公司于1950年也开展了先导性试验。

　　火烧油层规模比较大、得到实际应用是在罗马尼亚。1964年，罗马尼亚西北部的苏普拉库油田上开辟了面积为5000平方米的试验区。这个油田发现于1959年。埋藏很浅，最浅处离地面只有50米。用常规方法开采，单井日产只有0．3～l立方米，采收率只有9％。试验区获得了成功，北侧的油井产量提高30倍。于是把试验区扩大到20000平方米，并且采用行列井网。到1988年，注入井达到100口，每天注入空气336万立方米，燃烧前缘长8000米，受效油井近600口，原油日产达1650立方米。据1980年前后所做的评价，最终采收率可望达到52％。

　　加拿大油砂的开发

　　加拿大的艾伯塔(Alberta)省阿萨巴斯卡(Athaba~．a)地区蕴藏着非常丰富的油砂资源。油砂，又称焦油砂、沥青砂，是一种重质原油与砂结合的物质。在那里，油砂分布面积达46800平方千米，平均厚度有38米。据估算，所含重质原油的储量高达1510亿立方米，超过整个中东的石油储量。加拿大政府与多家公司合作，进行了长达近一个世纪的研究、试验，形成了整套-rE和技术。辛克鲁德(Syncrude)公司于1978年开始大批量生产合成原油。经过不断改进，到20世纪90年代后期，油砂生产的原油的成本已经降低到每桶12美元以下。从而可以大规模生产。政府宣布，加拿大2002年的石油可采储量达到246．6亿吨，仅次于沙特阿拉伯(约255．2亿吨)居世界第二位。

　　艾伯塔的油砂，有10％以上埋藏很浅，45米以内的可以像露天煤矿那样开采。问题在于怎么把采来的油砂矿石中的油分离出来。这一技术的奠基人是卡尔·克拉克(Karl A．Clark)。

　　克拉克1888年出生在加拿大安大略省的乔治敦，在多伦多长大，在加拿大大学毕业后，1915年获得美国伊利诺伊大学有机化学博士学位。出校门前一年，他已经参加了联邦地质调查局的工作。毕业后进入联邦矿产品道路材料研究所，1920年被艾伯塔省科学与工业研究委员会聘用。

　　1923年克拉克发明了连续的、批量的热水处理油砂的工艺。他在卡尔加里的艾伯塔大学里做了大量实验，用热水从油砂里分离出了“干油”。这种油与天然原油差不多，可以进炼油厂炼制出汽油、煤油等石油产品来。

　　1925年，克拉克在艾伯塔省会埃德蒙顿市北郊邓夫甘铁路车场上建立了世界第一座油砂处理厂。1926年，这里实现了油砂的连续分离，生产出的合成原油被送到芝加哥的尤尼凡萨石油公司去化验和评价。这家公司肯定，分离出的油可以作为炼油的原料。

　　艾伯塔省政府非常关注这一创新。在政府支持下，1931年，在阿萨巴斯卡河边，麦克穆雷(McMurray)镇附近建起第一座油砂厂，从矿的露天开采，到加热水处理。但是此时适逢美国、加拿大以至整个资本主义世界陷入严重经济危机，油砂开发问题只好暂时搁置。这一年，卡尔·克拉克被聘任为艾伯塔大学采矿冶金系教授，1947年为该系主任。

　　第二次世界大战以后，艾伯塔省政府委托卡尔·克拉克设计新的油砂工厂，建在比图蒙特。这座厂子于1949年投入生产。1954年，克拉克退休，但仍在指导油砂开发。1965年大加拿大油砂公司(后来的森科Suncor能源公司)在麦克穆雷的工厂开工建设，生产规模是日产合成油45000桶(约7155立方米)。克拉克非常高兴，但是他未能亲眼目睹这座现代工厂的建成，于1966年去世。

　　到20世纪90年代初，森科和辛克鲁德两家公司在麦克穆雷实现了商业化开采。在露天矿，大型挖掘机每斗可挖出油砂80吨，用皮带输送机把矿石输送到好几百米以外的处理厂。经过热水“洗”油，加氢裂解，日产合成油20万桶(约3．18万立方米)。每桶的生产成本已经在12美元以下。

　　对于地下45米以下的油砂矿，采取钻井、注蒸汽热力开采。

　　20世纪80年代后期以来的主要进展是水平井的应用，即注蒸汽与水平井相结合。1978年加拿大Esso Resources公司打了第一口水平井，应用于冷湖油田的重油热采，效果良好。对于黏度非常高(大于4000mPa·S)的特重原油甚至沥青油砂，水平井蒸汽辅助重力驱(SAGD)及水平环空蒸汽驱(HAS Drive)效果较好。

　　水平井蒸汽辅助重力驱的理论是巴特勒(Buffer)创立的。一般是在接近油柱底部的油水界面上，钻一口水平生产井。蒸汽从一系列垂直井注入，或者在水平生产井上方与其相平行的另一口水平井注入，从而在生产井上方形成蒸汽室。蒸汽在注入井上升过程中与冷油接触，冷凝出的水和被加热了的原油在重力驱替下泄人生产井而产出。早在1985年，加拿大艾尔伯塔省油砂技术局(AOSTRA)在艾尔伯塔油砂区建立一个l：1的水平井热采试验工程，试验结果令人鼓舞。因此，后来这一技术在加拿大多个油砂矿区推广应用。每桶合成油的综合成本大体在1 8美元上下。只要世界市场原油价格达到25美元／桶以上，油砂的开发就经济可行了。

　　用水平井开发油田

　　随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)技术的兴起，使钻井进入了智能化阶段。人们可以根据需要钻定向斜井、绕障井、分支多底井、水平井。水平井就是水平通过油层的井。一口水平井可以在同一个油层中延续几百米、上千米，或者钻穿好多个油层，因此单井的产量可以比普通的直井高出许多倍。

　　水平井尤其适合于海上油田的开发。

　　世界上第一个用水平井开发的油田是意大利亚德利亚海上的罗斯坡．马雷(Rospo Mare)油田，由法国的埃尔夫阿奎坦公司与法国石油研究院合作开发的。

　　这个油田离岸12海里(约22千米)，水深200～300英尺(60～90米)，发现于1975年。油层埋深4300英尺(约1310米)。探明含油面积182平方千米。地质储量2亿立方米。这里钻了9口直井，但是没有一口井与高产的裂缝和溶洞相交，因为油层中只有垂直裂缝和孔洞含油，因此直井产量很低，效益太差，而且避不开含水层，产出液中含水多。因此决定采用水平井来开发。

　　1982年首先在RSM—A平台上钻了3口试验井，其中RSM 6井是水平井，于1982年钻成。实际钻井深度2316米，穿过油层的井段606米，其中水平段长475米，实现了无水采油，日产油4000桶(约560吨)一年多时间里产量保持稳定，与相邻的直井和斜井相比，采油指数高20倍；累计采油量和泄油率高3．6倍。

　　这样，1976年在RSM—A平台西北2．4千米处建造了RSM—B平台，设计年产1000万桶(约140万吨)。在这个平台上钻了4口水平井，随后，加钻1口水平井。其中第4口(RSM 213)产量最高，日产10000桶(约1370吨)。其余5口井的日产量为：6号井3300桶(约450吨)；211、212、214井大于4000桶(约546吨)；215井约7000桶(约1000吨)。本来预计1987年产油370万桶(约50万吨)，实际生产了590万桶(约84万吨)。于是，在RSM—A平台上再钻3口水平井，并且把原来3口直井改为水平井。1989年再建第3座采油平台，钻5～6口水平井。

　　20世纪90年代，水平井技术发展为大位移井技术。水平距离超过了10000米。因此，有些外海油田可以在10千米之外的陆上钻井开发。欧洲北海的威奇法姆油田的开发就是生动的实例。

　　威奇法姆(Wytch Farm)油田是欧洲最大的陆上油田。它的主力油层西尔伍德储层延伸到英国南部普尔海湾的海底，4．67亿桶(约6400万吨)可采储量有一半在海下。1990年，英国石油公司开始研究如何开发这部分油田。这个油田处在自然保护区附近，是著名风景区。因此环境和生态要求很严。原先的方案是建一座人工岛，钻40口常规井和定向井，设计造价3．3亿美元。英国石油公司受美国优尼科在美国南加州开发佩德纳莱斯角油田的启发，决定改用大位移井来开发，从位于海滨的M井场，打10口大位移水平井，最长水平井段可达10千米以上。头3口井的水平位移都在5000米左右，1995年钻的M一5井，创造了水平位移8035米的记录。难度最大的是M一1 1井，要求水平位移突破10000米，而真垂直深度只有1600米。实际完成的井眼是：水平位移33182英尺(约10114米)，真垂直深度5266英尺(约1605米)。用电动潜油泵完井，于1998年1月12日投产，日产原油20000桶(约2740吨)。20世纪90年代末，威奇法姆油田的日产量超过10万桶(约1．37万吨)，其中80％来自大位移水平井。总造价只有1·5亿美元，比用人工岛几乎节约一半；有利地保护了环境；而且使油田海底部分提前三年投产(详见《用大位移井开发威奇法姆油田》一文)。