加拿大油砂資源開采技術(shù)及前景展望

王 健，謝華鋒，王 駿

(1.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;2.中石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083)

加拿大油砂資源開采技術(shù)及前景展望

王 健1，謝華鋒1，王 駿2

(1.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;2.中石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083)

加拿大是世界上油砂資源最為豐富的國家，剩余探明可采儲量高達(dá)26.99×109m3，開發(fā)潛力巨大。油砂開發(fā)技術(shù)的日益成熟、油砂成本的逐漸下降、國際油價(jià)的持續(xù)走高和加拿大良好的投資環(huán)境，使得加拿大油砂工業(yè)進(jìn)入了新一輪開發(fā)熱潮。在對加拿大油砂工業(yè)全面研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對露天礦采和原地開采技術(shù)及其適應(yīng)條件進(jìn)行了分析評價(jià)，并對油砂資源開發(fā)利用潛力及未來發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測。研究認(rèn)為加拿大油砂資源潛力巨大，原地開采項(xiàng)目將成為重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)，SAGD技術(shù)將成為未來技術(shù)的發(fā)展方向。研究結(jié)果對加拿大油砂項(xiàng)目的評價(jià)篩選以及相關(guān)開采技術(shù)在全球其他油砂資源區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

油砂;資源潛力;露天礦采;原地開采;發(fā)展前景;加拿大

引 言

在加拿大豐富的能源資源中，油砂資源占有極其重要的地位。近年來，隨著世界能源需求的日益增長、油價(jià)的上升、油砂開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步以及成本的逐步下降，油砂的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義越來越受到各大能源公司的重視。截至2010年底，包括中石化、中石油、中海油、中投等在內(nèi)的中國企業(yè)已進(jìn)入加拿大油砂領(lǐng)域。

1 資源及分布

加拿大是世界上油砂資源最為豐富的國家，包括油砂瀝青儲量在內(nèi)的探明石油儲量居世界第二［1］。據(jù)加拿大能源保護(hù)局(ERCB)統(tǒng)計(jì)，截至2009年底，油砂瀝青的原始地質(zhì)儲量約為286.6×109m3，其中探明儲量為28.09×109m3。加拿大油砂資源主要分布在西加拿大沉積盆地的阿薩巴斯卡、太平河和冷湖 3個(gè)區(qū)域，面積為 14.2×104km2。其中阿薩巴斯卡是世界上最大的油砂礦，瀝青資源量高達(dá)235.6×109m3;冷湖和太平河地區(qū)的瀝青資源量分別為29.1×109m3和21.6×109m3。油砂資源在縱向上，主要分布在白堊系的Grand Rapids、Wabiskaw － McMurray、Clearwater和Bluesky－Gething等地層［2－4］。各油砂層的具體資源量及儲層物性如表1所示。

2 主要開采技術(shù)

2.1 露天礦采(Mining)

露天礦采主要適用于埋深小于75 m、厚度大于3 m的油砂礦。除了埋藏深度和儲層厚度的標(biāo)準(zhǔn)外，通常露天礦采油砂下限品位(瀝青與含瀝青巖石的質(zhì)量百分比)為7%;TV/BIP(巖石總體積與瀝青地質(zhì)儲量的比值)上限值為12。

露天礦采是通過建造巨大的露天礦場以及萃取設(shè)施，采用采礦的方式進(jìn)行油砂開采和瀝青分離，具有高采收率和低天然氣消耗等特點(diǎn)。主要可分為以下幾部分:除去蓋層→用鏟車挖出油砂→將油砂運(yùn)送到粉碎裝置→將油砂加工碾碎→將油砂混合成砂漿→用水力輸送裝置從礦區(qū)運(yùn)送至萃取裝置→將瀝青從油砂中分離，并進(jìn)行礦渣處理。其典型工藝流程見圖1。

油砂開采出來后，需經(jīng)過萃取分離，才能獲得黏稠度極高、流動(dòng)性極差的瀝青油。瀝青生產(chǎn)工藝主要由砂漿制備(slurry preparation)、萃取(extraction)、發(fā)泡處理(froth treatment)以及尾渣處理系統(tǒng)組成［5］。

表1 加拿大油砂區(qū)瀝青資源量及儲層物性

目前最常用的油砂萃取工藝是熱水萃取，該技術(shù)是利用熱作用和機(jī)械作用使瀝青油從油砂上剝離然后分離［6－7］。一般熱水萃取包括3個(gè)步驟:①油砂與95℃左右的熱水混合，在混合罐中用蒸汽和機(jī)械劇烈攪動(dòng)制成油砂漿液，使瀝青油和油砂徹底分離;②瀝青油和油砂徹底分離后，砂粒和巖石等通過自然沉降從漿液中分離出來，瀝青油中鑲嵌著一定量的空氣使其漂浮到漿液表面，瀝青油浮渣(bitumen froth)可以和漿液分離;③漿液中的剩余部分被稱為中間層(middling)，仍含有部分瀝青油沒有浮到漿液表面，需采用浮選技術(shù)(froth flotation)進(jìn)一步提取回收。

圖1 露天礦采工藝流程示意圖

2.2 原地開采(In Situ)

原地開采適用于埋深大于75 m的油砂礦，目前應(yīng)用比較廣泛的原地開采方法包括出砂冷采(CHOPS)、蒸汽輔助重力驅(qū) (SAGD)、蒸汽吞吐(CSS)等技術(shù)，此外還包括水平井火燒油層(THAI)、蒸汽萃取 (VAPEX)、改進(jìn)的蒸汽/溶劑混合注入技術(shù)等［8－10］。其中蒸汽吞吐技術(shù)采收率一般為25% ～30%，SAGD采收率最高達(dá)75%。

2.2.1 出砂冷采(CHOPS)

油砂“冷采”是相對“熱采”而言的，即在油砂開發(fā)過程中，不是通過升溫方式來降低瀝青黏度，以提高其流動(dòng)性能，而是通過其他不涉及升溫的方法(如加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑)，利用油藏的特性、采取適當(dāng)?shù)墓に囘_(dá)到降黏開采的目的［11］。它是加拿大目前油砂生產(chǎn)的一種商業(yè)性開采方法，主要應(yīng)用于具有一定流動(dòng)度的油砂藏。該方法是在相鄰膠結(jié)程度較低的砂層形成多個(gè)高滲透性的孔道(稱“蚯蚓洞”)，使油層孔隙度和滲透率大幅度提高。油砂儲層中通常都溶解一定量的天然氣，在含氣瀝青油從油層深處向井筒流動(dòng)過程中，隨著壓力的降低，產(chǎn)生大量微氣泡形成泡沫油，且氣泡不斷發(fā)生膨脹，將油、氣、水和砂所形成的砂漿驅(qū)向井筒。由于砂粒大量采出，油層本身強(qiáng)度降低，在上覆地層負(fù)荷的壓實(shí)作用下使得孔隙壓力升高，驅(qū)動(dòng)能量增加。出砂冷采技術(shù)具有投資少、開采成本低和不傷害地層等優(yōu)點(diǎn)，明顯的技術(shù)問題是砂處理、“蚯蚓洞”堵塞、最終采收率低和排砂等問題。包括Husky、Suncor、Mobil和 Texaco 等在內(nèi)的 20 多家石油公司已采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行油砂的工業(yè)開發(fā)。

2.2.2 蒸汽輔助重力泄油(SAGD)

蒸汽輔助重力泄油是目前加拿大油砂工業(yè)應(yīng)用最廣泛的開采技術(shù)［12－16］。通過在油砂層中鉆2口平行的水平井(一個(gè)在上，一個(gè)在下)，將低壓蒸汽連續(xù)注入上邊的井，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴(kuò)展，與油層中的瀝青油發(fā)生熱交換，瀝青黏度降低并靠重力流到下面的水平生產(chǎn)井中產(chǎn)出(圖2)。

圖2 蒸汽輔助重力泄油示意圖

SAGD技術(shù)的主要適用條件包括:①油砂層厚度通常應(yīng)大于15 m;②油砂層具有較好的垂向連續(xù)性和內(nèi)部連通性，不能有大的阻隔層(如超過3 m的頁巖層);③沒有大于2 m厚的底水層，以免流失大量熱量;④沒有較大的氣頂或頂水層。

目前加拿大應(yīng)用SAGD技術(shù)的主要油砂項(xiàng)目儲層性質(zhì)如表2所示，主要指標(biāo)參數(shù)范圍如表3所示。

表2 加拿大SAGD油砂項(xiàng)目儲層物性統(tǒng)計(jì)

表3 加拿大SAGD油砂項(xiàng)目主要指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2.3 蒸汽吞吐(CSS)

蒸汽吞吐作為一種商業(yè)應(yīng)用的原地開采方法在加拿大已經(jīng)具有很長的歷史。通過注入高壓、高溫(350℃)蒸汽到油砂儲層來加熱地層，熱量使瀝青軟化，水蒸汽使瀝青稀釋并使瀝青與砂子分離，然后將可以流動(dòng)的瀝青采出到地面［17－20］。蒸汽吞吐分為3個(gè)階段(圖3):首先通過垂直井筒注入高壓高溫蒸汽，然后關(guān)井激勵(lì)地層，最后開井生產(chǎn)。除了加熱地層，高壓蒸汽還可以在儲層中產(chǎn)生裂縫，改善流體的流動(dòng)狀況。

圖3 蒸汽吞吐示意圖

應(yīng)用蒸汽吞吐方法的關(guān)鍵參數(shù)包括:儲層深度在300～600 m，儲層厚度大于15 m。

2.2.4 水平井火燒油層法(THAI)

THAI是一項(xiàng)采用垂直注入井和水平生產(chǎn)井的布井方式來提高火燒油層采收率的技術(shù)［21－22］。將水平生產(chǎn)井布在油砂儲層的底部，垂直注入井布在距離水平井端部一段距離的位置，通過注入空氣使儲層瀝青油持續(xù)燃燒。燃燒之后，燃燒前緣沿水平井從端部向跟部擴(kuò)散，并在燃燒前緣前面迅速形成一個(gè)可流動(dòng)油帶。該流動(dòng)油帶內(nèi)的高溫不僅可以為油層提供有效的熱驅(qū)替源，也為瀝青油的熱裂解創(chuàng)造了最佳條件。受熱瀝青油借助重力作用迅速下降，到達(dá)生產(chǎn)井的水平段，而無需從冷油區(qū)內(nèi)流過，從而實(shí)現(xiàn)了短距離驅(qū)替(圖4)，避免了多數(shù)常規(guī)火燒油層工藝中使用垂直注入井與生產(chǎn)井進(jìn)行長距離驅(qū)替的缺點(diǎn)。

圖4 THAI技術(shù)示意圖

這種方法具有采收率高、成本低、沒有溫室氣體排放等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是實(shí)施工藝難度大，不易控制地下燃燒，通常在蒸汽驅(qū)方法不適用的情況下使用，尤其是在具有中等密度原油的薄層應(yīng)用較多。

2.2.5 蒸汽萃取法(VAPEX)

蒸汽萃取通過注入汽化的溶劑(如乙烷、丙烷、丁烷或溶劑/氣體的混合液等)，使重油和瀝青被注入氣體溶解，稀釋后的原油流向油藏底部，從位于注氣井旁的水平井采出［23－24］。采出液在地面經(jīng)加熱后很容易分離出來，分離出來的烴類氣體又可再次注入地層。與SAGD相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是明顯降低能源成本、操作簡單、適用范圍廣等。

3 發(fā)展前景

根據(jù)ERCB數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2009年12月31日，阿爾伯達(dá)省油砂剩余探明儲量為269.9×108m3，其中80%的儲量(215.5×108m3)要通過原地開采方法來采出，54.4×108m3的儲量通過露天礦采方式采出(表4)。

表4 不同開采方式對應(yīng)的儲量(109m3)

近年來，油砂瀝青產(chǎn)量穩(wěn)步增長。2009年瀝青產(chǎn)量為23.67×104m3/d，其中55%為礦采，45%為原地開采。目前只有阿薩巴斯卡地區(qū)不足20%的面積可以采用露天礦采，由于礦采區(qū)項(xiàng)目早已被Syncrude、Suncor、Shell、CNRL 等公司獲得，且絕大多數(shù)油砂儲層埋藏較深，原地開采將成為未來的主要開發(fā)方式，預(yù)計(jì)2015年原地開采產(chǎn)量將超過礦采，2019年瀝青產(chǎn)量將增加到50.67×104m3/d(圖5)。

圖5 歷年油砂瀝青產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)及預(yù)測

原地開采瀝青主要集中在冷湖和阿薩巴斯卡地區(qū)，其中阿薩巴斯卡地區(qū)增長勢頭較為迅猛。2009年SAGD、CSS和一次采油的產(chǎn)量各占1/3左右(圖6)。在不同的原地開采技術(shù)中SAGD的開發(fā)效果最好，其平均單井產(chǎn)量高達(dá)87.8 m3/d，是CSS和一次采油的10倍左右，SAGD已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，并成為眾多在建和計(jì)劃建設(shè)的原地開采油砂項(xiàng)目的首選開發(fā)技術(shù)。

圖6 不同原地開采技術(shù)油砂瀝青產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)加拿大油砂資源具有儲量規(guī)模大、勘探風(fēng)險(xiǎn)低、穩(wěn)產(chǎn)期長、油品穩(wěn)定等特點(diǎn)，加之加拿大政治穩(wěn)定、能源法律制度規(guī)范透明、投資環(huán)境優(yōu)越、稅收政策優(yōu)惠，對于保障中國能源供應(yīng)及油氣供應(yīng)多元化具有非常重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)給予重視和關(guān)注。

(2)要重點(diǎn)關(guān)注和參與原地開采項(xiàng)目，以充分發(fā)揮中國石油企業(yè)在稠油熱采方面的技術(shù)實(shí)力，同時(shí)可以獲得較大的資源儲量。

(3)SAGD技術(shù)在加拿大油砂原地開采項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用并取得較好的開發(fā)效果，將會(huì)得到更大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用并成為未來主要開采技術(shù)之一。

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Canadian oil sands recovery technology and future outlook

WANG Jian1，XIE Hua－feng1，WANG Jun2
(1．Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，SINOPEC，Beijing100083，China;2．SINOPEC INTERNATIONAL，Beijing100083，China)

Canada has abundant oil sands resources and tremendous development potential，with remaining proved reserves up to 26．99 ×109m3．Canadian oil industry is entering into a new round of development boom due to increasingly matured recovery technology，decreasing cost，continued rising of international oil prices and good investment environment．Based on comprehensive investigation on Canadian oil sands industry，this paper mainly analyzes and evaluates the technologies of open－pit mining and in situ recovery as well as their applicable conditions，and predicts the potential and future outlook of oil sands exploitation．Studies show that Canadian oil sands resources have huge potential，the in situ recovery projects will become focal targets，and the SAGD technology will become a future technical orientation．The results of this study will guide the evaluation and screening of Canadian oil sand projects and the application of relevant recovery technologies in other oil sand regions in the world．

oil sand;resource potential;open－pit mining;in situ recovery;future outlook;Canada

TE345

A

1006－6535(2011)05－0016－05

20110311;改回日期20110531

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃“非常規(guī)油氣評價(jià)技術(shù)及裝備研究”資助項(xiàng)目(2006BAB03B08)

王健(1977－)，男，工程師，2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事油砂資源評價(jià)及開發(fā)工程綜合研究工作。

編輯 劉兆芝