热力采油技术
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C大
降低一定温度放出热量越多
地面吸热 油层放热
——比热大的物质载热能力强。
§2 注热载体的选择
二、汽化潜热
单位质量液体从沸腾到汽化完毕 所吸收的热量,称为汽化潜热。单位：
kJ/kg。
§2 注热载体的选择
某些元素与化合物的比热和汽化潜热
元素或化合物 铅 碘 水 氨 甘醇 异丙醇 丙酮 正戊醇 苯 乙醚 庚烷 辛烷 比热，kJ/kg· ℃
汽由100℃升温到350℃，吸热仅为：2.34 ×(350-100)
=585kJ。
——选择湿饱和蒸汽（300℃左右）作为理想的热载体。
§3
注蒸汽过程中的热损失
图Hale Waihona Puke Baidu.5
注蒸汽流程图
包括：地面热损失和井筒热损失。
§3
注蒸汽过程中的热损失
一、地面热损失
烟道气所携带的热量散失到大气中，占燃料
产生热值的20％左右。
一、稠油的分类标准
（2）刘文章推荐的重油分类标准（中国）
稠油分类
名称 类别 Ⅰ 普通稠油 Ⅰ-1 亚 类 Ⅱ Ⅲ Ⅰ-2
主要指标 粘度 mPa.s
50*(或)100-10000
辅助指标
相对密度 g/cm3（20℃）
开发方式
>0.9200 >0.9200 >0.9200 >0.9500 >0.9800
蒸汽辅助重力驱 (Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)
商业应用的三种方法：蒸汽吞吐、蒸汽驱和火烧油层。
热采方法的适用条件
热采
筛选参数
原油重度（°API） 原油地下粘度，mPa.s 深度，ft 产层厚度，ft 油藏温度，°F 孔隙度 平均渗透率，md 传导系数，md· ft / cp 油藏压力，psi 最初最低含油量
注水和热采 可以先注水 热采 热采 热采
50*-150* 150*-10000 10000-50000 >50000
特稠油
超稠油 (天然沥青)
注：*指油层条件下的粘度; 其它指油层温度下的脱气油粘度。
——粘度最高可达100万mPa.s以上，呈半液体半固体状态。
二、我国稠油的主要特点
轻质组分少（5%左右），胶质沥青质含量很高。 含硫量低（<8%）。
注热水的能量平衡方程
对于注热水的情况，则能量平衡方程可简化为
KT r oVo C oT r wVw C wT fro S o C o fr w S w C w 1 f r r C r T t
对于不渗透岩层，如顶、底岩层，此时V=0，φ=0，则 能量平衡方程可简化为：
热力采油
Thermal Recovery Processes
概况
我国稠油资源的分布很广，储量丰富，陆上稠油、沥 青资源约占石油总资源量的20%以上。目前，已在12个 盆地发现了70多个稠油油田。
稠油在油层中的粘度高，流动阻力大，因而用常规一 次采油、二次采油以及前述的化学驱、混相驱等EOR技 术，难以经济有效开采。
井筒总的热阻为：
1 R 2
' h
1 ln( ro / ri ) ln( rins / ro ) 1 1 1 h r h r h r h r pi i p po o ins rc, an ins f i
1 2 ln( rco / rci ) ln( rw / rc ) ln( rea / rw ) f (t D ) p cem ea e
水的比热大，1kg的水由常温升高到100℃吸热335kJ。 水的汽化潜热Lw= 2259 kJ/kg，液态物质中最大， 100℃时，1kg的沸水变成蒸汽，吸热2259 kJ。
§2 注热载体的选择 三、过热蒸汽
蒸汽汽化完毕后，继续加热，蒸汽温度升高,得到过 热蒸汽，吸热用蒸汽比热Cgw计算。
例如：水蒸汽的比热Cgw=2.34kJ/kg.℃, 1kg的水蒸
注蒸汽 10-34 ≤15000 ≤3000 ≥20 — ≥0.20 250 ≥5 ≤1500 ≥0.10
火烧油层 10-35 ≤5000 ≤11500 ≥20 — ≥0.20 35 ≥5 ≤2000 ≥0.08
总矿化度，ppm
岩石类型
—
砂岩或碳酸盐岩
—
砂岩或碳酸盐岩
§1 稠油特性
一、稠油的分类标准
ris 1 Rh ln 2K hins rdo
式中，Rh为隔热层的热阻，（kJ/m· hr· ℃）-1。
ris为隔热层外表面半径，m。
rdo为注汽管线的外表面半径，m。 khins为隔热层的热传导系数，kJ/（m· hr· ℃）。
3、隔热层的热传导速率Qlp
通过隔热层的热传导速率为
Ts Tis Qlp Rh Ts Tis 2K hins Ts Tis ris ris 1 ln ln 2K hins rdo rdo
kJ/（m· hr）。
§3
注蒸汽过程中的热损失
二、井筒热损失
井筒热损失是不稳定传热过程，作为准稳定状态处理。
图8.7表示井筒传热 热阻典型组成示意图。 井筒热阻包括：油管、 油套隔热层、环空、套 管、水泥层以及地层六 个部分，各热阻串联起
图8-7 井筒传热热阻典型组成示意图
来为总热阻。
二、井筒热损失
化学驱:37% 混相气驱：3%
目前世界上用此种方法采出的油量超过16万m3/d（其中：美国为 80000m3/d，俄罗斯65000万m3/d，再其次是加拿大为8000m3/d）。
中国热采主力油田：辽河、新疆、胜利、南阳（30万吨/年）。
热力采油分类
井下加热器(1865,Perry & Warner)
设 ρr=2600kg/m3, φ=0.30，So=0.50，则有 ρw=1000kg/m3, ρo=900kg/m3 ，
Cr=0.88kJ/kg· ℃，Cw=4.19 kJ/kg· ℃，Co=2.1 kJ/kg· ℃，如果
Mr 1601.6 0.64 MR 2513.6
容积热容一般为 2300～2800kJ/m3，并且注入油层 的热量，近三分之二用于加热岩石颗粒。
式中，K为地层热传导系数kJ/（m·d· ℃）
ρo,ρw,ρs,ρr为油、水和蒸汽的密度，kg/m3
Vo, Vw, Vg为油、水和蒸汽的体积流速，m3/d So, Sw, Sg为油、水和蒸汽的饱和度，小数 Co, Cw, Cg，Cr为油、水和蒸汽的比热，KJ/Kg· ℃ φ为油层孔隙度，小数 T为温度，℃ t为时间,d
金属含量低。
石蜡含量低(<5%)。 对温度很敏感。
稠油的粘温曲线
图8.1
我国几个稠油油田原油粘温曲线
——辽河油样：35℃，粘度800000 mPa.s; 278℃，6 mPa.s。
稠油的粘度—温度关系式
稠油的粘度～温度关系式类型很多，常用AndradeGuzman-Reynolds方程，简称Andrade方程，即：
（1）UNITAR推荐的重油分类标准（1982年2月，委内瑞拉，联合国训练研究署 ）
类 型 重质原油 （heavy crude oil） 沥青砂油 （tar sand oil）
粘度mPa.s
(油层温度下，脱气)
密度，kg/m3 （常压，15.6℃） 934～1000
100～10000
>10000
>1000
火烧油层(In-situ Combustion):二十世纪初
热水驱(Hot-water Drive) 蒸汽驱(Steamflooding)：1931，Texas 蒸汽吞吐(Puff and Huff,，1959，委内瑞拉，注蒸汽井，放喷，带出大 量的油)
蒸汽-泡沫驱(Foam-Steam Drive)
Tb Ta Q Rh
式中，Q为单位长度管线的热损失速率，kJ/m· hr; Tb 为管线流体平均温度，℃; Ta为平均环境温度，℃; Rh为比热阻，（kJ/m· hr· ℃）-1。热阻Rh通常表示为1/2πrU， U是总传热系数，r是各个所涉及的传热圆柱面的半径。
2、隔热层的热阻Rh
隔热层的热阻为
地面注蒸汽管线热损失，约占3%～5％。
§3
注蒸汽过程中的热损失
一、地面热损失
大多数地面注蒸汽管线使用绝热材料（硅酸钙）隔 热，再用铝外壳包裹，其横截面如图下所示。
隔热注汽管线的横截面
热转换通常先通过绝热材料向铝外壳热传导，然后通过铝外壳向 周围环境热辐射和自然对流或受迫对流。
1、管线热损失Q
在单位长度的管线中，稳定热损失速率与温度差成正比，与 该系统总热阻成反比。通常，温度差是已知的。 计算单位时间内单位长度管线中的热损失Q，可采用如下的 基本公式：
由于稠油的粘滞性对温度非常敏感，因而热力采油成 为强化开采稠油的理想方法。
热力采油的地位
美国EOR总产量：761000 bbl/d（约3700万吨/年） 热采：60%
混相气驱：38%
化学驱:2% (105万吨/88年→7万吨/96年→进一步降低）
中国EOR总产量：约2200万吨/2004年
热采：60%
根据油层注蒸汽传热机理，假定在地层岩石基质与
孔隙流体之间能建立瞬时热平衡，则油层中的能量平衡
方程可表述为:
（注入的能量—流出的能量）+内部产生的能量=内能的增加
能量平衡方程
假定微元体内部没有热源，则可推导出能量平衡方程为
KT r oVo C oT r wVw C wT r gV g C g T fro S o C o fr w S w C w fr g S g C g 1 f r r C r T t
M R Mr M w Mo
(1 f) rr Cr fSw rw Cw fSo ro Co
式中，M是容积热容，kJ/m3· ℃ φ是以小数表示的孔隙度 ρ是密度，kg/m3 S 是饱和度 C 是比热，kJ/kg· ℃ 下标o、w、r、R分别表示油、水、岩石与含流体的储层。
储层的总容积热容计算
热前缘的推进
由于加热油藏本身和流向围岩的热损失，热流体注
入地层后，其“热前缘”总是滞后于所注入的“流体前
缘”（如加入示踪剂则可监测到流体前缘的推进情况）
。注热水时，热前缘一般滞后流体前缘 4-5 倍，注蒸汽
时，因有潜热，滞后2-3倍。
能量平衡方程
确定流体驱替前缘位置，需要应用质量平衡原理。
计算热前缘的位置，则需要应用能量守恒原理。
§4 油层注蒸汽加热
蒸汽在油层的热损失包括：
热量传给底层和盖层。
部分热量经采出流体而损失。
用于加热目的储层的热量有限，油层温度升高幅度与储
层的总容积热容有关。
储层的总容积热容
储层的总容积热容(Total volumetric heat capacity):使单位
体积油藏内的油、水和岩石颗粒升高1℃所需的热量。
式中，Qlp为单位长度管线的热损失速率，kJ/（m· hr）
Ts为蒸汽温度，℃
Tis为隔热层外表面温度，℃
3、隔热层的热传导速率Qlp
通过隔热层的热再以热对流和热辐射形式与周围环境 进行交换。这样：
Qlp Qlr Qlc
式中，Ｑlr为由于热辐射引起的单位长度管线的热损失速率， kJ/（m· hr）。 Ｑlc为由于热对流引起的单位长度管线的热损失速率，
式中，hrc,an为环空中辐射和对流作用的放热系数，kJ/m2· hr· ℃
rci,rco为套管内、外径，m；
rea为井筒周围因受热改性地带半径，m；
λea为受热地层的导热系数，kJ/m2· hr· ℃； λe为未受热地层的导热系数，kJ/m2· hr· ℃； f(tD)为与无因次时间有关的函数。
ae
b/T
式中， μ—粘度，mPa.s T—绝对温度，K a和b —常数。
§2 注热载体的选择
选择原则： 载热能力强。 价格便宜且来源广。 流动性能好。
选择依据：
从物质的热力学性质分析。
§2 注热载体的选择
一、比热
使单位质量的物质升高1℃所需吸收的热量，单位： kJ/kg· ℃，符号C表示。 升高一定温度吸收热量越多
0.1277 0.2261 4.187 4.71 2.39 2.45 2.21 2.98 1.70 2.29 1.53 2.42
汽化潜热，kJ/kg 177520 21771 2259 1370 800 668 521 502 393 351 321 307
§2 注热载体的选择
水的比热和汽化潜热
降低一定温度放出热量越多
地面吸热 油层放热
——比热大的物质载热能力强。
§2 注热载体的选择
二、汽化潜热
单位质量液体从沸腾到汽化完毕 所吸收的热量,称为汽化潜热。单位：
kJ/kg。
§2 注热载体的选择
某些元素与化合物的比热和汽化潜热
元素或化合物 铅 碘 水 氨 甘醇 异丙醇 丙酮 正戊醇 苯 乙醚 庚烷 辛烷 比热，kJ/kg· ℃
汽由100℃升温到350℃，吸热仅为：2.34 ×(350-100)
=585kJ。
——选择湿饱和蒸汽（300℃左右）作为理想的热载体。
§3
注蒸汽过程中的热损失
图Hale Waihona Puke Baidu.5
注蒸汽流程图
包括：地面热损失和井筒热损失。
§3
注蒸汽过程中的热损失
一、地面热损失
烟道气所携带的热量散失到大气中，占燃料
产生热值的20％左右。
一、稠油的分类标准
（2）刘文章推荐的重油分类标准（中国）
稠油分类
名称 类别 Ⅰ 普通稠油 Ⅰ-1 亚 类 Ⅱ Ⅲ Ⅰ-2
主要指标 粘度 mPa.s
50*(或)100-10000
辅助指标
相对密度 g/cm3（20℃）
开发方式
>0.9200 >0.9200 >0.9200 >0.9500 >0.9800
蒸汽辅助重力驱 (Steam Assisted Gravity Drainage，SAGD)
商业应用的三种方法：蒸汽吞吐、蒸汽驱和火烧油层。
热采方法的适用条件
热采
筛选参数
原油重度（°API） 原油地下粘度，mPa.s 深度，ft 产层厚度，ft 油藏温度，°F 孔隙度 平均渗透率，md 传导系数，md· ft / cp 油藏压力，psi 最初最低含油量
注水和热采 可以先注水 热采 热采 热采
50*-150* 150*-10000 10000-50000 >50000
特稠油
超稠油 (天然沥青)
注：*指油层条件下的粘度; 其它指油层温度下的脱气油粘度。
——粘度最高可达100万mPa.s以上，呈半液体半固体状态。
二、我国稠油的主要特点
轻质组分少（5%左右），胶质沥青质含量很高。 含硫量低（<8%）。
注热水的能量平衡方程
对于注热水的情况，则能量平衡方程可简化为
KT r oVo C oT r wVw C wT fro S o C o fr w S w C w 1 f r r C r T t
对于不渗透岩层，如顶、底岩层，此时V=0，φ=0，则 能量平衡方程可简化为：
热力采油
Thermal Recovery Processes
概况
我国稠油资源的分布很广，储量丰富，陆上稠油、沥 青资源约占石油总资源量的20%以上。目前，已在12个 盆地发现了70多个稠油油田。
稠油在油层中的粘度高，流动阻力大，因而用常规一 次采油、二次采油以及前述的化学驱、混相驱等EOR技 术，难以经济有效开采。
井筒总的热阻为：
1 R 2
' h
1 ln( ro / ri ) ln( rins / ro ) 1 1 1 h r h r h r h r pi i p po o ins rc, an ins f i
1 2 ln( rco / rci ) ln( rw / rc ) ln( rea / rw ) f (t D ) p cem ea e
水的比热大，1kg的水由常温升高到100℃吸热335kJ。 水的汽化潜热Lw= 2259 kJ/kg，液态物质中最大， 100℃时，1kg的沸水变成蒸汽，吸热2259 kJ。
§2 注热载体的选择 三、过热蒸汽
蒸汽汽化完毕后，继续加热，蒸汽温度升高,得到过 热蒸汽，吸热用蒸汽比热Cgw计算。
例如：水蒸汽的比热Cgw=2.34kJ/kg.℃, 1kg的水蒸
注蒸汽 10-34 ≤15000 ≤3000 ≥20 — ≥0.20 250 ≥5 ≤1500 ≥0.10
火烧油层 10-35 ≤5000 ≤11500 ≥20 — ≥0.20 35 ≥5 ≤2000 ≥0.08
总矿化度，ppm
岩石类型
—
砂岩或碳酸盐岩
—
砂岩或碳酸盐岩
§1 稠油特性
一、稠油的分类标准
ris 1 Rh ln 2K hins rdo
式中，Rh为隔热层的热阻，（kJ/m· hr· ℃）-1。
ris为隔热层外表面半径，m。
rdo为注汽管线的外表面半径，m。 khins为隔热层的热传导系数，kJ/（m· hr· ℃）。
3、隔热层的热传导速率Qlp
通过隔热层的热传导速率为
Ts Tis Qlp Rh Ts Tis 2K hins Ts Tis ris ris 1 ln ln 2K hins rdo rdo
kJ/（m· hr）。
§3
注蒸汽过程中的热损失
二、井筒热损失
井筒热损失是不稳定传热过程，作为准稳定状态处理。
图8.7表示井筒传热 热阻典型组成示意图。 井筒热阻包括：油管、 油套隔热层、环空、套 管、水泥层以及地层六 个部分，各热阻串联起
图8-7 井筒传热热阻典型组成示意图
来为总热阻。
二、井筒热损失
化学驱:37% 混相气驱：3%
目前世界上用此种方法采出的油量超过16万m3/d（其中：美国为 80000m3/d，俄罗斯65000万m3/d，再其次是加拿大为8000m3/d）。
中国热采主力油田：辽河、新疆、胜利、南阳（30万吨/年）。
热力采油分类
井下加热器(1865,Perry & Warner)
设 ρr=2600kg/m3, φ=0.30，So=0.50，则有 ρw=1000kg/m3, ρo=900kg/m3 ，
Cr=0.88kJ/kg· ℃，Cw=4.19 kJ/kg· ℃，Co=2.1 kJ/kg· ℃，如果
Mr 1601.6 0.64 MR 2513.6
容积热容一般为 2300～2800kJ/m3，并且注入油层 的热量，近三分之二用于加热岩石颗粒。
式中，K为地层热传导系数kJ/（m·d· ℃）
ρo,ρw,ρs,ρr为油、水和蒸汽的密度，kg/m3
Vo, Vw, Vg为油、水和蒸汽的体积流速，m3/d So, Sw, Sg为油、水和蒸汽的饱和度，小数 Co, Cw, Cg，Cr为油、水和蒸汽的比热，KJ/Kg· ℃ φ为油层孔隙度，小数 T为温度，℃ t为时间,d
金属含量低。
石蜡含量低(<5%)。 对温度很敏感。
稠油的粘温曲线
图8.1
我国几个稠油油田原油粘温曲线
——辽河油样：35℃，粘度800000 mPa.s; 278℃，6 mPa.s。
稠油的粘度—温度关系式
稠油的粘度～温度关系式类型很多，常用AndradeGuzman-Reynolds方程，简称Andrade方程，即：
（1）UNITAR推荐的重油分类标准（1982年2月，委内瑞拉，联合国训练研究署 ）
类 型 重质原油 （heavy crude oil） 沥青砂油 （tar sand oil）
粘度mPa.s
(油层温度下，脱气)
密度，kg/m3 （常压，15.6℃） 934～1000
100～10000
>10000
>1000
火烧油层(In-situ Combustion):二十世纪初
热水驱(Hot-water Drive) 蒸汽驱(Steamflooding)：1931，Texas 蒸汽吞吐(Puff and Huff,，1959，委内瑞拉，注蒸汽井，放喷，带出大 量的油)
蒸汽-泡沫驱(Foam-Steam Drive)
Tb Ta Q Rh
式中，Q为单位长度管线的热损失速率，kJ/m· hr; Tb 为管线流体平均温度，℃; Ta为平均环境温度，℃; Rh为比热阻，（kJ/m· hr· ℃）-1。热阻Rh通常表示为1/2πrU， U是总传热系数，r是各个所涉及的传热圆柱面的半径。
2、隔热层的热阻Rh
隔热层的热阻为
地面注蒸汽管线热损失，约占3%～5％。
§3
注蒸汽过程中的热损失
一、地面热损失
大多数地面注蒸汽管线使用绝热材料（硅酸钙）隔 热，再用铝外壳包裹，其横截面如图下所示。
隔热注汽管线的横截面
热转换通常先通过绝热材料向铝外壳热传导，然后通过铝外壳向 周围环境热辐射和自然对流或受迫对流。
1、管线热损失Q
在单位长度的管线中，稳定热损失速率与温度差成正比，与 该系统总热阻成反比。通常，温度差是已知的。 计算单位时间内单位长度管线中的热损失Q，可采用如下的 基本公式：
由于稠油的粘滞性对温度非常敏感，因而热力采油成 为强化开采稠油的理想方法。
热力采油的地位
美国EOR总产量：761000 bbl/d（约3700万吨/年） 热采：60%
混相气驱：38%
化学驱:2% (105万吨/88年→7万吨/96年→进一步降低）
中国EOR总产量：约2200万吨/2004年
热采：60%
根据油层注蒸汽传热机理，假定在地层岩石基质与
孔隙流体之间能建立瞬时热平衡，则油层中的能量平衡
方程可表述为:
（注入的能量—流出的能量）+内部产生的能量=内能的增加
能量平衡方程
假定微元体内部没有热源，则可推导出能量平衡方程为
KT r oVo C oT r wVw C wT r gV g C g T fro S o C o fr w S w C w fr g S g C g 1 f r r C r T t
M R Mr M w Mo
(1 f) rr Cr fSw rw Cw fSo ro Co
式中，M是容积热容，kJ/m3· ℃ φ是以小数表示的孔隙度 ρ是密度，kg/m3 S 是饱和度 C 是比热，kJ/kg· ℃ 下标o、w、r、R分别表示油、水、岩石与含流体的储层。
储层的总容积热容计算
热前缘的推进
由于加热油藏本身和流向围岩的热损失，热流体注
入地层后，其“热前缘”总是滞后于所注入的“流体前
缘”（如加入示踪剂则可监测到流体前缘的推进情况）
。注热水时，热前缘一般滞后流体前缘 4-5 倍，注蒸汽
时，因有潜热，滞后2-3倍。
能量平衡方程
确定流体驱替前缘位置，需要应用质量平衡原理。
计算热前缘的位置，则需要应用能量守恒原理。
§4 油层注蒸汽加热
蒸汽在油层的热损失包括：
热量传给底层和盖层。
部分热量经采出流体而损失。
用于加热目的储层的热量有限，油层温度升高幅度与储
层的总容积热容有关。
储层的总容积热容
储层的总容积热容(Total volumetric heat capacity):使单位
体积油藏内的油、水和岩石颗粒升高1℃所需的热量。
式中，Qlp为单位长度管线的热损失速率，kJ/（m· hr）
Ts为蒸汽温度，℃
Tis为隔热层外表面温度，℃
3、隔热层的热传导速率Qlp
通过隔热层的热再以热对流和热辐射形式与周围环境 进行交换。这样：
Qlp Qlr Qlc
式中，Ｑlr为由于热辐射引起的单位长度管线的热损失速率， kJ/（m· hr）。 Ｑlc为由于热对流引起的单位长度管线的热损失速率，
式中，hrc,an为环空中辐射和对流作用的放热系数，kJ/m2· hr· ℃
rci,rco为套管内、外径，m；
rea为井筒周围因受热改性地带半径，m；
λea为受热地层的导热系数，kJ/m2· hr· ℃； λe为未受热地层的导热系数，kJ/m2· hr· ℃； f(tD)为与无因次时间有关的函数。
ae
b/T
式中， μ—粘度，mPa.s T—绝对温度，K a和b —常数。
§2 注热载体的选择
选择原则： 载热能力强。 价格便宜且来源广。 流动性能好。
选择依据：
从物质的热力学性质分析。
§2 注热载体的选择
一、比热
使单位质量的物质升高1℃所需吸收的热量，单位： kJ/kg· ℃，符号C表示。 升高一定温度吸收热量越多
0.1277 0.2261 4.187 4.71 2.39 2.45 2.21 2.98 1.70 2.29 1.53 2.42
汽化潜热，kJ/kg 177520 21771 2259 1370 800 668 521 502 393 351 321 307
§2 注热载体的选择
水的比热和汽化潜热