重質原油的熱力開采

　　對于大多數重質油藏，注蒸汽熱力驅是主要開采方法。60年代蒸汽吞吐或蒸汽驅技術即已經開始商業化應用。

　　蒸汽吞吐法起始于委內瑞拉的梅尼格蘭德(Mene Grande)油田，當時有一口注入了蒸汽的井偶然流出了大量原油，從而發現了這種方法。所謂蒸汽吞吐法就是先往一口或多口油井中注入蒸汽，注一段時間后關井，“消化”注進去的熱量，然后開井生產。1960年，殼牌公司在加利福尼亞的克恩河(Kern River)油田用蒸汽吞吐采油成功，于是逐步推廣。1980年前后，蒸汽吞吐發展為大面積蒸汽驅。這就是建立固定的注蒸汽井網，一批井專門用來注蒸汽；其他油井產油。1983年，克恩河油田共有注蒸汽井1871口，生產井3952口，日產重質原油15100立方米。

　　1990年，印度尼西亞的杜里(Duri)油田成為世界最大的重質原油蒸汽驅工程。這是印尼第二大油田，位于蘇門答臘中部的廖內，于1941年發現，1958年投產。探明可采儲量有85億桶(約12億噸)。原油相對密度0．92。先用常規方法開采，1965年產油325萬噸。估計只能采出儲量的7％。60年代中期開始注水開發，70年代的平均年產量為200多萬噸。1975年開展了注蒸汽采油的先導試驗，取得了相關的參數，證明采收率可以達到55％。1981年，加德士(Caltex)公司著手大面積蒸汽驅，把整個油田611 1平方千米劃分為12個獨立的開發區，逐步分區開展蒸汽驅。設計總共有1408口注汽井，3202口生產井。1985年4月，第一區開始注汽；到1990年4月已經擴大到4個區。1989年的產量已經達到854萬噸。

　　據統計，美國1992年一年，用注蒸汽熱力驅油采出的原油達2270萬噸。

　　另外一種重質原油熱力開采方法是“火燒油層”。就是把氧氣或空氣注進油層，加以點燃，在地下燃燒，提高油層中的溫度，從而降低黏度，使油順暢地流動。

　　早在1911年8月，美國進行了第一次火燒油層的試驗，是克姆博蘭德公司在俄亥俄州東南部摩根縣的沃德油田上開展的。效果不明顯。當時也沒有引起別人的關注。

　　1947年起，辛克萊(Sinclair)石油天然氣公司和馬格諾利亞(Magnolia)石油公司分別開展了實驗室研究和實驗。辛克萊公司認識到，油藏里的原油在空氣或別的富氧氣體幫助下，在450～500~C時才能弱燃燒；到600~C時地下燃燒前緣很寬，推進很慢；到700~C以上發生一定的裂解；估計到900~C時可以采出50％，到1350℃時可以采出90％。怎樣在地下點燃油層?1949年它發明了點火器，并獲得了專利權。1952年，它在堪薩斯州艾倫縣的洪堡一沙努特油田上進行了小規模的試驗。50年代后期，它在俄克拉何馬和堪薩斯兩州中間的油田上開展了比較大的現場試驗。與此同時，馬格諾利亞公司于1950年也開展了先導性試驗。

　　火燒油層規模比較大、得到實際應用是在羅馬尼亞。1964年，羅馬尼亞西北部的蘇普拉庫油田上開辟了面積為5000平方米的試驗區。這個油田發現于1959年。埋藏很淺，最淺處離地面只有50米。用常規方法開采，單井日產只有0．3～l立方米，采收率只有9％。試驗區獲得了成功，北側的油井產量提高30倍。于是把試驗區擴大到20000平方米，并且采用行列井網。到1988年，注入井達到100口，每天注入空氣336萬立方米，燃燒前緣長8000米，受效油井近600口，原油日產達1650立方米。據1980年前后所做的評價，最終采收率可望達到52％。

　　加拿大油砂的開發

　　加拿大的艾伯塔(Alberta)省阿薩巴斯卡(Athaba~．a)地區蘊藏著非常豐富的油砂資源。油砂，又稱焦油砂、瀝青砂，是一種重質原油與砂結合的物質。在那里，油砂分布面積達46800平方千米，平均厚度有38米。據估算，所含重質原油的儲量高達1510億立方米，超過整個中東的石油儲量。加拿大政府與多家公司合作，進行了長達近一個世紀的研究、試驗，形成了整套-rE和技術。辛克魯德(Syncrude)公司于1978年開始大批量生產合成原油。經過不斷改進，到20世紀90年代后期，油砂生產的原油的成本已經降低到每桶12美元以下。從而可以大規模生產。政府宣布，加拿大2002年的石油可采儲量達到246．6億噸，僅次于沙特阿拉伯(約255．2億噸)居世界第二位。

　　艾伯塔的油砂，有10％以上埋藏很淺，45米以內的可以像露天煤礦那樣開采。問題在于怎么把采來的油砂礦石中的油分離出來。這一技術的奠基人是卡爾·克拉克(Karl A．Clark)。

　　克拉克1888年出生在加拿大安大略省的喬治敦，在多倫多長大，在加拿大大學畢業后，1915年獲得美國伊利諾伊大學有機化學博士學位。出校門前一年，他已經參加了聯邦地質調查局的工作。畢業后進入聯邦礦產品道路材料研究所，1920年被艾伯塔省科學與工業研究委員會聘用。

　　1923年克拉克發明了連續的、批量的熱水處理油砂的工藝。他在卡爾加里的艾伯塔大學里做了大量實驗，用熱水從油砂里分離出了“干油”。這種油與天然原油差不多，可以進煉油廠煉制出汽油、煤油等石油產品來。

　　1925年，克拉克在艾伯塔省會埃德蒙頓市北郊鄧夫甘鐵路車場上建立了世界第一座油砂處理廠。1926年，這里實現了油砂的連續分離，生產出的合成原油被送到芝加哥的尤尼凡薩石油公司去化驗和評價。這家公司肯定，分離出的油可以作為煉油的原料。

　　艾伯塔省政府非常關注這一創新。在政府支持下，1931年，在阿薩巴斯卡河邊，麥克穆雷(McMurray)鎮附近建起第一座油砂廠，從礦的露天開采，到加熱水處理。但是此時適逢美國、加拿大以至整個資本主義世界陷入嚴重經濟危機，油砂開發問題只好暫時擱置。這一年，卡爾·克拉克被聘任為艾伯塔大學采礦冶金系教授，1947年為該系主任。

　　第二次世界大戰以后，艾伯塔省政府委托卡爾·克拉克設計新的油砂工廠，建在比圖蒙特。這座廠子于1949年投入生產。1954年，克拉克退休，但仍在指導油砂開發。1965年大加拿大油砂公司(后來的森科Suncor能源公司)在麥克穆雷的工廠開工建設，生產規模是日產合成油45000桶(約7155立方米)。克拉克非常高興，但是他未能親眼目睹這座現代工廠的建成，于1966年去世。

　　到20世紀90年代初，森科和辛克魯德兩家公司在麥克穆雷實現了商業化開采。在露天礦，大型挖掘機每斗可挖出油砂80噸，用皮帶輸送機把礦石輸送到好幾百米以外的處理廠。經過熱水“洗”油，加氫裂解，日產合成油20萬桶(約3．18萬立方米)。每桶的生產成本已經在12美元以下。

　　對于地下45米以下的油砂礦，采取鉆井、注蒸汽熱力開采。

　　20世紀80年代后期以來的主要進展是水平井的應用，即注蒸汽與水平井相結合。1978年加拿大Esso Resources公司打了第一口水平井，應用于冷湖油田的重油熱采，效果良好。對于黏度非常高(大于4000mPa·S)的特重原油甚至瀝青油砂，水平井蒸汽輔助重力驅(SAGD)及水平環空蒸汽驅(HAS Drive)效果較好。

　　水平井蒸汽輔助重力驅的理論是巴特勒(Buffer)創立的。一般是在接近油柱底部的油水界面上，鉆一口水平生產井。蒸汽從一系列垂直井注入，或者在水平生產井上方與其相平行的另一口水平井注入，從而在生產井上方形成蒸汽室。蒸汽在注入井上升過程中與冷油接觸，冷凝出的水和被加熱了的原油在重力驅替下泄人生產井而產出。早在1985年，加拿大艾爾伯塔省油砂技術局(AOSTRA)在艾爾伯塔油砂區建立一個l：1的水平井熱采試驗工程，試驗結果令人鼓舞。因此，后來這一技術在加拿大多個油砂礦區推廣應用。每桶合成油的綜合成本大體在1 8美元上下。只要世界市場原油價格達到25美元／桶以上，油砂的開發就經濟可行了。

　　用水平井開發油田

　　隨鉆測量(MWD)和隨鉆測井(LWD)技術的興起，使鉆井進入了智能化階段。人們可以根據需要鉆定向斜井、繞障井、分支多底井、水平井。水平井就是水平通過油層的井。一口水平井可以在同一個油層中延續幾百米、上千米，或者鉆穿好多個油層，因此單井的產量可以比普通的直井高出許多倍。

　　水平井尤其適合于海上油田的開發。

　　世界上第一個用水平井開發的油田是意大利亞德利亞海上的羅斯坡．馬雷(Rospo Mare)油田，由法國的埃爾夫阿奎坦公司與法國石油研究院合作開發的。

　　這個油田離岸12海里(約22千米)，水深200～300英尺(60～90米)，發現于1975年。油層埋深4300英尺(約1310米)。探明含油面積182平方千米。地質儲量2億立方米。這里鉆了9口直井，但是沒有一口井與高產的裂縫和溶洞相交，因為油層中只有垂直裂縫和孔洞含油，因此直井產量很低，效益太差，而且避不開含水層，產出液中含水多。因此決定采用水平井來開發。

　　1982年首先在RSM—A平臺上鉆了3口試驗井，其中RSM 6井是水平井，于1982年鉆成。實際鉆井深度2316米，穿過油層的井段606米，其中水平段長475米，實現了無水采油，日產油4000桶(約560噸)一年多時間里產量保持穩定，與相鄰的直井和斜井相比，采油指數高20倍；累計采油量和泄油率高3．6倍。

　　這樣，1976年在RSM—A平臺西北2．4千米處建造了RSM—B平臺，設計年產1000萬桶(約140萬噸)。在這個平臺上鉆了4口水平井，隨后，加鉆1口水平井。其中第4口(RSM 213)產量最高，日產10000桶(約1370噸)。其余5口井的日產量為：6號井3300桶(約450噸)；211、212、214井大于4000桶(約546噸)；215井約7000桶(約1000噸)。本來預計1987年產油370萬桶(約50萬噸)，實際生產了590萬桶(約84萬噸)。于是，在RSM—A平臺上再鉆3口水平井，并且把原來3口直井改為水平井。1989年再建第3座采油平臺，鉆5～6口水平井。

　　20世紀90年代，水平井技術發展為大位移井技術。水平距離超過了10000米。因此，有些外海油田可以在10千米之外的陸上鉆井開發。歐洲北海的威奇法姆油田的開發就是生動的實例。

　　威奇法姆(Wytch Farm)油田是歐洲最大的陸上油田。它的主力油層西爾伍德儲層延伸到英國南部普爾海灣的海底，4．67億桶(約6400萬噸)可采儲量有一半在海下。1990年，英國石油公司開始研究如何開發這部分油田。這個油田處在自然保護區附近，是著名風景區。因此環境和生態要求很嚴。原先的方案是建一座人工島，鉆40口常規井和定向井，設計造價3．3億美元。英國石油公司受美國優尼科在美國南加州開發佩德納萊斯角油田的啟發，決定改用大位移井來開發，從位于海濱的M井場，打10口大位移水平井，最長水平井段可達10千米以上。頭3口井的水平位移都在5000米左右，1995年鉆的M一5井，創造了水平位移8035米的記錄。難度最大的是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。實際完成的井眼是：水平位移33182英尺(約10114米)，真垂直深度5266英尺(約1605米)。用電動潛油泵完井，于1998年1月12日投產，日產原油20000桶(約2740噸)。20世紀90年代末，威奇法姆油田的日產量超過10萬桶(約1．37萬噸)，其中80％來自大位移水平井。總造價只有1·5億美元，比用人工島幾乎節約一半；有利地保護了環境；而且使油田海底部分提前三年投產(詳見《用大位移井開發威奇法姆油田》一文)。