加拿大油砂资源开采技术及前景展望

王 健，谢华锋，王 骏

(1.中石化石油勘探开发研究院，北京 100083;2.中石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083)

加拿大油砂资源开采技术及前景展望

王 健1，谢华锋1，王 骏2

(1.中石化石油勘探开发研究院，北京 100083;2.中石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083)

加拿大是世界上油砂资源最为丰富的国家，剩余探明可采储量高达26.99×109m3，开发潜力巨大。油砂开发技术的日益成熟、油砂成本的逐渐下降、国际油价的持续走高和加拿大良好的投资环境，使得加拿大油砂工业进入了新一轮开发热潮。在对加拿大油砂工业全面研究基础上，重点对露天矿采和原地开采技术及其适应条件进行了分析评价，并对油砂资源开发利用潜力及未来发展前景进行了预测。研究认为加拿大油砂资源潜力巨大，原地开采项目将成为重点关注目标，SAGD技术将成为未来技术的发展方向。研究结果对加拿大油砂项目的评价筛选以及相关开采技术在全球其他油砂资源区的实践应用具有一定的借鉴意义。

油砂;资源潜力;露天矿采;原地开采;发展前景;加拿大

引 言

在加拿大丰富的能源资源中，油砂资源占有极其重要的地位。近年来，随着世界能源需求的日益增长、油价的上升、油砂开发技术的进步以及成本的逐步下降，油砂的经济价值和战略意义越来越受到各大能源公司的重视。截至2010年底，包括中石化、中石油、中海油、中投等在内的中国企业已进入加拿大油砂领域。

1 资源及分布

加拿大是世界上油砂资源最为丰富的国家，包括油砂沥青储量在内的探明石油储量居世界第二［1］。据加拿大能源保护局(ERCB)统计，截至2009年底，油砂沥青的原始地质储量约为286.6×109m3，其中探明储量为28.09×109m3。加拿大油砂资源主要分布在西加拿大沉积盆地的阿萨巴斯卡、太平河和冷湖 3个区域，面积为 14.2×104km2。其中阿萨巴斯卡是世界上最大的油砂矿，沥青资源量高达235.6×109m3;冷湖和太平河地区的沥青资源量分别为29.1×109m3和21.6×109m3。油砂资源在纵向上，主要分布在白垩系的Grand Rapids、Wabiskaw － McMurray、Clearwater和Bluesky－Gething等地层［2－4］。各油砂层的具体资源量及储层物性如表1所示。

2 主要开采技术

2.1 露天矿采(Mining)

露天矿采主要适用于埋深小于75 m、厚度大于3 m的油砂矿。除了埋藏深度和储层厚度的标准外，通常露天矿采油砂下限品位(沥青与含沥青岩石的质量百分比)为7%;TV/BIP(岩石总体积与沥青地质储量的比值)上限值为12。

露天矿采是通过建造巨大的露天矿场以及萃取设施，采用采矿的方式进行油砂开采和沥青分离，具有高采收率和低天然气消耗等特点。主要可分为以下几部分:除去盖层→用铲车挖出油砂→将油砂运送到粉碎装置→将油砂加工碾碎→将油砂混合成砂浆→用水力输送装置从矿区运送至萃取装置→将沥青从油砂中分离，并进行矿渣处理。其典型工艺流程见图1。

油砂开采出来后，需经过萃取分离，才能获得黏稠度极高、流动性极差的沥青油。沥青生产工艺主要由砂浆制备(slurry preparation)、萃取(extraction)、发泡处理(froth treatment)以及尾渣处理系统组成［5］。

表1 加拿大油砂区沥青资源量及储层物性

目前最常用的油砂萃取工艺是热水萃取，该技术是利用热作用和机械作用使沥青油从油砂上剥离然后分离［6－7］。一般热水萃取包括3个步骤:①油砂与95℃左右的热水混合，在混合罐中用蒸汽和机械剧烈搅动制成油砂浆液，使沥青油和油砂彻底分离;②沥青油和油砂彻底分离后，砂粒和岩石等通过自然沉降从浆液中分离出来，沥青油中镶嵌着一定量的空气使其漂浮到浆液表面，沥青油浮渣(bitumen froth)可以和浆液分离;③浆液中的剩余部分被称为中间层(middling)，仍含有部分沥青油没有浮到浆液表面，需采用浮选技术(froth flotation)进一步提取回收。

图1 露天矿采工艺流程示意图

2.2 原地开采(In Situ)

原地开采适用于埋深大于75 m的油砂矿，目前应用比较广泛的原地开采方法包括出砂冷采(CHOPS)、蒸汽辅助重力驱 (SAGD)、蒸汽吞吐(CSS)等技术，此外还包括水平井火烧油层(THAI)、蒸汽萃取 (VAPEX)、改进的蒸汽/溶剂混合注入技术等［8－10］。其中蒸汽吞吐技术采收率一般为25% ～30%，SAGD采收率最高达75%。

2.2.1 出砂冷采(CHOPS)

油砂“冷采”是相对“热采”而言的，即在油砂开发过程中，不是通过升温方式来降低沥青黏度，以提高其流动性能，而是通过其他不涉及升温的方法(如加入适当的化学试剂)，利用油藏的特性、采取适当的工艺达到降黏开采的目的［11］。它是加拿大目前油砂生产的一种商业性开采方法，主要应用于具有一定流动度的油砂藏。该方法是在相邻胶结程度较低的砂层形成多个高渗透性的孔道(称“蚯蚓洞”)，使油层孔隙度和渗透率大幅度提高。油砂储层中通常都溶解一定量的天然气，在含气沥青油从油层深处向井筒流动过程中，随着压力的降低，产生大量微气泡形成泡沫油，且气泡不断发生膨胀，将油、气、水和砂所形成的砂浆驱向井筒。由于砂粒大量采出，油层本身强度降低，在上覆地层负荷的压实作用下使得孔隙压力升高，驱动能量增加。出砂冷采技术具有投资少、开采成本低和不伤害地层等优点，明显的技术问题是砂处理、“蚯蚓洞”堵塞、最终采收率低和排砂等问题。包括Husky、Suncor、Mobil和 Texaco 等在内的 20 多家石油公司已采用这项技术进行油砂的工业开发。

2.2.2 蒸汽辅助重力泄油(SAGD)

蒸汽辅助重力泄油是目前加拿大油砂工业应用最广泛的开采技术［12－16］。通过在油砂层中钻2口平行的水平井(一个在上，一个在下)，将低压蒸汽连续注入上边的井，蒸汽向上超覆在地层中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及侧面扩展，与油层中的沥青油发生热交换，沥青黏度降低并靠重力流到下面的水平生产井中产出(图2)。

图2 蒸汽辅助重力泄油示意图

SAGD技术的主要适用条件包括:①油砂层厚度通常应大于15 m;②油砂层具有较好的垂向连续性和内部连通性，不能有大的阻隔层(如超过3 m的页岩层);③沒有大于2 m厚的底水层，以免流失大量热量;④没有较大的气顶或顶水层。

目前加拿大应用SAGD技术的主要油砂项目储层性质如表2所示，主要指标参数范围如表3所示。

表2 加拿大SAGD油砂项目储层物性统计

表3 加拿大SAGD油砂项目主要指标参数统计

2.2.3 蒸汽吞吐(CSS)

蒸汽吞吐作为一种商业应用的原地开采方法在加拿大已经具有很长的历史。通过注入高压、高温(350℃)蒸汽到油砂储层来加热地层，热量使沥青软化，水蒸汽使沥青稀释并使沥青与砂子分离，然后将可以流动的沥青采出到地面［17－20］。蒸汽吞吐分为3个阶段(图3):首先通过垂直井筒注入高压高温蒸汽，然后关井激励地层，最后开井生产。除了加热地层，高压蒸汽还可以在储层中产生裂缝，改善流体的流动状况。

图3 蒸汽吞吐示意图

应用蒸汽吞吐方法的关键参数包括:储层深度在300～600 m，储层厚度大于15 m。

2.2.4 水平井火烧油层法(THAI)

THAI是一项采用垂直注入井和水平生产井的布井方式来提高火烧油层采收率的技术［21－22］。将水平生产井布在油砂储层的底部，垂直注入井布在距离水平井端部一段距离的位置，通过注入空气使储层沥青油持续燃烧。燃烧之后，燃烧前缘沿水平井从端部向跟部扩散，并在燃烧前缘前面迅速形成一个可流动油带。该流动油带内的高温不仅可以为油层提供有效的热驱替源，也为沥青油的热裂解创造了最佳条件。受热沥青油借助重力作用迅速下降，到达生产井的水平段，而无需从冷油区内流过，从而实现了短距离驱替(图4)，避免了多数常规火烧油层工艺中使用垂直注入井与生产井进行长距离驱替的缺点。

图4 THAI技术示意图

这种方法具有采收率高、成本低、没有温室气体排放等优点，缺点是实施工艺难度大，不易控制地下燃烧，通常在蒸汽驱方法不适用的情况下使用，尤其是在具有中等密度原油的薄层应用较多。

2.2.5 蒸汽萃取法(VAPEX)

蒸汽萃取通过注入汽化的溶剂(如乙烷、丙烷、丁烷或溶剂/气体的混合液等)，使重油和沥青被注入气体溶解，稀释后的原油流向油藏底部，从位于注气井旁的水平井采出［23－24］。采出液在地面经加热后很容易分离出来，分离出来的烃类气体又可再次注入地层。与SAGD相比，其主要优点是明显降低能源成本、操作简单、适用范围广等。

3 发展前景

根据ERCB数据统计，截至2009年12月31日，阿尔伯达省油砂剩余探明储量为269.9×108m3，其中80%的储量(215.5×108m3)要通过原地开采方法来采出，54.4×108m3的储量通过露天矿采方式采出(表4)。

表4 不同开采方式对应的储量(109m3)

近年来，油砂沥青产量稳步增长。2009年沥青产量为23.67×104m3/d，其中55%为矿采，45%为原地开采。目前只有阿萨巴斯卡地区不足20%的面积可以采用露天矿采，由于矿采区项目早已被Syncrude、Suncor、Shell、CNRL 等公司获得，且绝大多数油砂储层埋藏较深，原地开采将成为未来的主要开发方式，预计2015年原地开采产量将超过矿采，2019年沥青产量将增加到50.67×104m3/d(图5)。

图5 历年油砂沥青产量统计及预测

原地开采沥青主要集中在冷湖和阿萨巴斯卡地区，其中阿萨巴斯卡地区增长势头较为迅猛。2009年SAGD、CSS和一次采油的产量各占1/3左右(图6)。在不同的原地开采技术中SAGD的开发效果最好，其平均单井产量高达87.8 m3/d，是CSS和一次采油的10倍左右，SAGD已被广泛应用于生产实践，并成为众多在建和计划建设的原地开采油砂项目的首选开发技术。

图6 不同原地开采技术油砂沥青产量统计

4 结论

(1)加拿大油砂资源具有储量规模大、勘探风险低、稳产期长、油品稳定等特点，加之加拿大政治稳定、能源法律制度规范透明、投资环境优越、税收政策优惠，对于保障中国能源供应及油气供应多元化具有非常重要的战略意义，应给予重视和关注。

(2)要重点关注和参与原地开采项目，以充分发挥中国石油企业在稠油热采方面的技术实力，同时可以获得较大的资源储量。

(3)SAGD技术在加拿大油砂原地开采项目中得到了广泛应用并取得较好的开发效果，将会得到更大规模的工业化应用并成为未来主要开采技术之一。

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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

国家“十一五”科技支撑计划“非常规油气评价技术及装备研究”资助项目(2006BAB03B08)

王健(1977－)，男，工程师，2004年毕业于中国石油大学(北京)油气田开发工程专业，现从事油砂资源评价及开发工程综合研究工作。

编辑 刘兆芝