第六章 石油、天然气的开采与开发1

第六章油气开发与采油,Chapter6ExploitationandProduction,油田开发就是依靠详探成果和必要的生产性开发实验，制定开发方案，对其进行建设和投资。详探的主要任务是：,(1)研究油藏空间分布；(2)确定油气藏的边界；(3)弄清油气藏的岩石、流体特性；(4)计算二级（未开发储量）,在国外，开发阶段是指油气藏开采以前的那一阶段，即投资阶段。（1）钻井投资（占总投资的一半以上）；（2）地面建设（通讯、交通、生活、运输）。这阶段没有收入或收入极低。,任务：(1)生产性开发实验；(2)开发方案的制订和调整；(3)油、气开采；(4)提高原油采收率。,开发阶段：从详探结束到油藏废弃整个阶段（中国）,采油作业：属于油气田开发的一部分，其任务是使井中的流体流至地面，具体包括：抽油、气举、维修、增产、测试、注水、油气水分离等。采油工作者的任务：根据具体油田情况，合理选择生产工艺，创造和采用先进的、科学的生产方法，保证油田高产、稳产和最大采收率，取得最佳的经济效益。,我国是世界最早开采石油的国家，但现代采油起源于上个世纪。,1857年，加拿大最早获得了工业油流；1859年，美国用现代化方法钻井推动了石油工业的发展；1860年，俄国开采石油；1857年，世界原油产量为300吨，1859年为1800万吨，1921年超过1亿吨，1959年突破10亿吨，最高年产量为1979年的31.29亿吨。,第一节油气藏分类(ReservoirClassification),不同类型的油气藏，相应的合理开发方式可能不同。因此，本节着重介绍油气藏分类（从开发角度）。（1）按照其中流体组分及性质可划分为：气藏（NaturalGasR.)、凝析气藏（CondensateR.)、轻质油藏、油藏和重质油藏等。（2）按照储层孔隙结构可划分为：孔隙性油气藏、裂缝性油气藏、溶洞性油气藏及复合性油气藏。,（3）按照岩性可划分为：砂岩、碳酸岩、砾岩、变质岩、岩浆岩油气藏等。（4）按照储层形态可划分为：层状油藏、块状油藏、断块油藏、不规则油藏。（5）按照油、气、水分布特点划分为：带气顶的油藏、边水油藏、底水油藏等。（6）按照油气藏渗透性可划分为：高渗油藏、低渗油藏、特低渗油藏。（7）按照压力系统可划分为：异常高压油藏、异常低压油藏。组合命名法：如砂岩裂缝性油气藏、碳酸岩裂缝性底水油气藏等。,第二节油气藏驱动方式(DrivingPattern),一、驱动能量天然能量有：1.油、束缚水、岩石的弹性能；2.溶解气的膨胀能；3.气顶气的膨胀能和气顶压头；4.边、底水的膨胀能和边水压头；5.异常压力系统的再压实作用；6.原油本身重力。人工补充能量有：1.注水水力压头；2.注入气压头。通常用某种占优的驱动能量来命名“驱动方式”,二、驱动类型1.弹性驱动:（原油、束缚水及岩石的弹性能释放)无边底水（或不活跃）产生的地质条件：无人工注水、注气无气顶的未饱和油藏弹性驱动是开发初期的一个较短阶段。地层压力下降快特点：气油比不变采出程度25%,压力下降，水和岩石体积增加，,岩石孔隙度下降。,地面,2溶解气驱(油中释放的溶解气膨胀),由于气体的膨胀性比油、岩石和水的膨胀性大很多，此时可以忽略油、岩石和水的膨胀作用。边底水不活跃产生的地质条件未注水注气无气顶或气顶很小地层压力低于饱和压力压力急剧下降特点产油量急剧下降采出程度525%（美国）,3.气顶驱（依靠气顶能量）,条件构造完整、倾角大或厚度大油层kh/大气顶驱是带气顶油藏的一种衰竭式驱动。压力递减较慢特点自喷期较长构造顶部的井生产气油比不断上升采出程度2040%,gas,oil,goc,气顶驱和人工注气驱,4.水驱(边底水或人工注水),(1)刚性水压驱动（边底水静水压头、注入水水力压头）有充足水源水层连通性、渗透性好地质条件构造单一，kh/大水侵入油藏的速度=采油速度地层压力稳定特点生产气油比稳定边部油井过早水淹采收率高，有的油藏可达50%以上,油,水源,注水井,生产井,如果水侵量不够，可在边部注水补充,(2).弹性水压驱动(依靠含水区、油区和岩石的弹性来驱油),一般无露头、无水源油层含水区远大于含油区地质条件虽有供水区，但与油区距离远，连通性差边底水活跃，但水侵量不足生产气油比不变，地层压力下降，但高于饱和压力Pb特点采油、采液量不断下降采出程度2550%,oil,water,典型弹性驱,5.重力驱动(原油自身重力作用),油层倾角大或厚度大地质条件kh/大其他能量枯竭之后地层压力下降特点不产水或少产水采收率1020%(前苏联),gas,oil,重力驱为主,第三节试油及试井,一.试油油气井完井之后，由于井眼内充满了泥浆，井底压力大于地层压力，油气不能自动喷到地面。通过人为诱导方法，使油井畅通的过程称为试油。,-替喷法：首先用轻泥浆替出重泥浆，然后再用水替出轻泥浆。-抽汲法：经替喷后，将井内液体逐渐抽出，进一步减少井内压力。此外，在强大的抽吸作用下，可能将侵入井内的泥浆等污物清除，使油井自喷。-气举法：经替喷后，若油井仍不能自喷，可以用压缩机向油管或油套管环空中打入压缩气体，使井中的液体从油套管环空或油管排出，这种方法叫气举法（气顶液法）。此方法比抽汲法效率高。,-混气水排液法（气水法）：用混合气水顶替井内泥浆，使井底压力不断下降，达到既有效诱导油流又能保护油气层的目的。-提捞法：用钢管制成的提捞管一桶一桶地将井内原有液体捞出地面，达到降低井底压力的目的。该方法效率低，多用于不能自喷的井。当油气诱喷完毕后，应进行放喷，将井内赃物和水完全喷净。,二.试井,它是研究油气层、油气井特性，从而获得油藏参数和确定油井合理产量的手段。1.稳定试井：通过改变油井的工作制度（更换油嘴），每次达到稳定状态后进行产量、压力、油气比、含水率、出砂量等参数的测试。用途：1).确定油井的合理工作制度；2).确定地层参数（如kh/等）3).进行动态预测。,2.不稳定试井：在井底造成压力改变，并测定这种压力改变随时间的变化，然后估算出岩石、流体和井的特性参数。用途：1)确定井底污染情况、地层压力、渗透率、储量、地层的连通性；2)预测油藏动态。不稳定试井类型：DST、压力恢复、压降、干扰试井等。,生产压差,产量,稳定试井指示曲线,Pi-Pwf,不稳定试井曲线,Lgt,Pwf,不稳定试井地层压降变化,第四节油气田的开发,在油气田已探明的前提下，并有可靠的开发储量后，才能进行油气田的开发。从油气田的勘探到油气田开发生命期结束，大体经历以下四个过程：1.油气田的早期评价；2.油气田开发方案的制定与实施；3.方案的调整；4.EOR。,一.油气田的早期评价,主要任务：评价构造、油气水分布、油层及流体物性研究，油田压力系统、驱动类型及采收率预测等。为油气田是否全面开发提供依据。,二.油气田的开发设计及全面开发,油气田已基本探明，有了可靠的开发储量后，即可进行油气田的开发设计。1、油气藏描述目的：获得一系列地质图件，进行储量计算，为制定开发方案奠定基础。内容：1）储层构造、状况、断层位置；2）储层的埋藏深度：3）岩石物性；4）含油面积；5）小层分布；6）储量及产量分布。,2.开发开采方式选择,天然能量自喷能量人工能量生产方式泵抽气举地质条件影响因素工艺特点经济效益注热水或蒸汽特殊油田(如稠油)开采方法火烧油层矿坑开采,3.划分开发层系,为何要划分开发层系？油田通常是由多油层或油藏组成。例如:,k大,k小,orP小,orP大,4.井网布署,正对排状井网,交错式排状井网,九点井网,四点井网,五点井网,井数,产量,选择合理井数，,不使井间干扰过大，,同时可少钻井数量。,5.确定油田合理开发速度；6.方案优选；(采用数值模拟方法计算各方案的开发指标，并进行经济评价；选择最优方案)7.方案实施(钻井及投产次序、时间、增产措施、动态监测),三.开发方案调整,原因：1）对地下认识不断加深（井数增加）2）油气水分布发生了变化（投产）3）可采储量降低（累计采出增加）4）新技术的出现、经济性变化,四.提高采收率（EOR),通常,油田的注水（或注气）等称为二次采油。到了注水或注气后期，井的注采比越来越高，原油产量越来越低，这时的油田采收率依然不高。如何将剩下的油采出来就需要依靠三次采油。提高采收率方法有：聚合物驱；微乳液驱；碱驱；气驱；热力驱油等。,第五节采油方法OilProduction,原油怎样从地层采至地面？有三种方法：自喷采油(NaturalFlow)气举采油(gasLift)泵抽采油(Pumping),一.自喷采油,（一）、概念原油依靠天然能量喷至地面的采油方法。尽管自喷井井数少，但产量很高（例如：中东地区油井基本上为自喷井，而我国自喷井小于20%）。特点：设备简单、管理方便、生产成本低、产能高、经济效益好。采油指数：单位生产压差下的日产油量。气油比：产气量比产油量。（方/方）,（二）、采油树（Christmastree)、井口装置1、套管闸门：控制环空（洗井等作业、套压）。2、总闸门：控制油气喷出的第一道关口。3、生产闸门：控制油气流向出油管线的关口。4、清蜡闸门：在最上部。（下规工具或仪表）65、油嘴：控制和调节油井产量6、计量站：管理井、资料记录,4,3,2,1,5,（三）、自喷井的四个流动过程地面回压四个流动过程的总压降：井口油压地层压力减去计量站压力1、地层渗流井底流压大于饱和压力时为单相流动井底流压小于饱和压力时地层压力为多相流动井底流压能量消耗占总压降的1050%,2、垂直管流井底流压大于饱和压力、井口油压大于饱和压力时为单相流动。/井底流压大于饱和压力、井口油压小于饱和压力时，在某一部位气体开始分离。井底流压小于饱和压力时，为多相流动。垂直管流能量消耗占总压降的3080%。流动形态：垂直管中气、液的分布状态。（1）纯液流：没有气体分离出来。（2）泡流：液体为连续相，小气泡为分散相。,（3）段塞流：液体为连续相，小气泡为分散相。气体活塞式举液。（4）环状流：气柱在中心，液流紧贴管壁。（5）雾状流：气体为连续相，液体为分散相。滑脱现象：混气液流动过程中，气体超越液体的现象。滑脱现象增大了能量损失。（1）（2）（3）（4）（5）,3、嘴流一般有井口油压小于饱和压力，往往是多相嘴流。嘴流的能量消耗占总压降的530%。油嘴的作用：（1）控制油井产量（2）保持油井稳定生产临界流速：流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度，即声速。临界流动状态：流体达到临界速度时的流动状态。Pt井口流压（油压）PB地面回压当PB=Pt时，即PB/Pt=1时，Q=0,ab段：PB/Pt下降Q上升b点：PB/Pt=常数，Q达最大bc段：PB/Pt下降Q不变临界压力比：达到最大流量时的压力比。根据热力学计算，气体的Qab临界压力比大都在0.5左右。当PB/Pt2PB时，可达到临界流动。PB/PtPt,Pt,PB,PB/Pt,4、地面管流为水平管流和倾斜管流地面管流消耗的能量占总能量损失的510%。（四）油井分析1、井筒内的压力关系PwfPcPtPBPwf井底流压Pc套压2、生产分析Pwf、Pc、Pt、PB、Q出油管线被堵Pwf、Pc、Pt、PB、Q、汽油比上升，油嘴堵塞Pwf、Pc、Pt、PB、Q、油管中结蜡,二.气举采油,当油井自喷能力减弱时，向井中注入高压气体，降低井中油流密度，增加自喷能力的采油方法。优点：井口、井下设备简单。气举不受套管尺寸限制，生产灵活。管理方便，适用范围广，尤适用于海上采油、深井、斜井、含腐蚀性气体或含砂多，不适宜机械采油的井。缺点：地面设备复杂，投资大。需要气源。,有两种方法连续气举间歇气举采取何种方法取决于井的生产特征1、开式装置（管柱不带封隔器），适用于连续气举。2、半闭式装置（管柱带封隔器），气举装置类型适用于连续气举和间歇气举。3、闭式装置（管柱带封隔器，并在油管底部加单流凡尔），用于间歇气举。,1、气举的启动压力与工作压力当环空中液面下降到管鞋时，压风机达到最大压力，称为启动压力。喷出前，井底流压大于地层压力。当井底流压小于地层压力时，液体则P从地层流入井底。致Pe使压风机压力复而上Po升，稳定后，压风机的压力称为工作压力。t,2、气举凡尔目的：降低启动压力原理：相当于在油管上开了孔眼，高压气体通过孔眼进入油管举出液体，降低了管内压力。到一定程度后，气举凡尔能自动关闭，将孔眼堵死。随着第一节液体喷出地面，第一孔眼处达到临界流动条件，流量不再增加。第一孔眼以临界流量进气，极不利于第二孔眼进气，因此，第二孔眼进气的时候，第一孔眼必须关闭。,注入气,工作凡尔,启动凡尔,启动凡尔,三.泵抽法,泵抽法是应用最广的一种采油方法（80%以上的井为抽油井）。它是利用结构特殊的井下泵将原油举升到地面的采油方法。气举杆式泵机械采油方法深井泵有杆泵管式泵水力活塞泵无杆泵电动潜油离心泵井下水力泵（Bottom-HoleHydraulicPumping）以动力液带动深井泵工作。（图）电动潜油泵（ElectricSubmergedPumping）用电缆给井下深井泵传递动力。（图）,目前应用最广的是游梁式抽油机深井泵装置，其结构简单，维修方便。（一）、抽油装置1、抽油机：有杆泵采油的主要地面设备（图）2、抽油杆：传递动力。3、抽油泵：（SuckerRodPumping）有杆泵采油的井下设备。组成：工作筒、空心柱塞、衬套、固定凡尔及游动凡尔。按在井内的的安装方式不同分为：杆式泵：适用于深度大、产量小的油井。管式泵：用于下泵深度不大、产量较高的油井。,（二）、泵的工作原理1、泵的抽汲过程冲程驴头带动抽油杆上下运动一次称一个冲程。上冲程：游动凡尔关闭、固定凡尔打开、泵内吸液、井口排液、抽油杆伸长、油管缩短。泵吸入条件：泵内压力活塞以上的液柱压力,游动凡尔,活塞,泵筒衬套,固定凡尔,2、泵的理论排量假设：抽油杆和油管无弹性伸缩、泵完全充满、无漏失、工作正常。上冲程排液：（fp-fr）S下冲程排液：frS一个冲程排液：（fp-fr）S+frS=fpSfp活塞截面积，平方米。fr光杆截面积，平方米。S光杆冲程，米。n冲次，次/分。日排量Qt=1440fpSnQt泵的理论排量,方/天。,（三）、抽油机悬点承受的载荷1、抽油杆柱的重量上冲程：游动凡尔关闭，抽油杆不受浮力作用，是在空气中的重量。下冲程：游动凡尔打开，抽油杆受到浮力作用，是在液体中的重量。2、作用在活塞上的液柱重量上冲程：游动凡尔关闭，液柱产生的悬点载荷为活塞以上油管与抽油杆环空液柱的重量。下冲程：游动凡尔打开，液柱不作用在悬点上。3、惯性载荷4、摩擦载荷,（四）、泵效及其影响因素泵效实际排量与理论排量之比值。影响因素：1、油管和抽油杆弹性变形（1）静载荷（2）动载荷2、气体充满系数每冲程吸入泵内的液体体积与上冲程活塞让出的容积之比。表示泵在工作过程中被液体充满的程度。它与气油比和余隙比有关。,3、漏失（1）油管部分漏失（2）活塞与衬套配合间隙漏失（使凡尔不能及时打开）（3）凡尔漏失（自然磨损，腐蚀，结蜡）提高泵效的措施：一般:大S，小fp，中n1、选择合理的工作制度稠油井:大S,大fp，小n连喷带抽井：大n2、使用油管锚3、提高泵的精度4、合理利用气体能量，减小气油比。,（五）抽油机的诊断技术示功图分析示功图一个冲程中，光杆负荷与位移的关系图。下死点处：APBC悬点载荷为WrBAB线：增载线,两凡尔关冲程损失=BBWr+WlADBC=Sp,上凡尔关,下凡尔开OSC为上死点理论示功图CD线：减载线，两凡尔关D点：变形完毕,CD=ABDA=Sp,上凡尔开,下凡尔关,第六节注水,目前我国90%以上的油田都采用注水开发。这是因为油藏本身能量极为有限，如果没有外来水的补充，油藏会很快地衰竭，即使有外来水增补，还常常由于增补速度较慢无法补偿合理的采油速度而需人工补充能量。在我国，通常采用注水方式补充能量。这是因为：1）水易获取，而气的来源很受限制；2）水在油藏中具有扩展能力，洗油能力高；3）注水的设备与工艺比较简单。,注水方式有：边外注水（适合于中小型油藏）切割注水（适合于大型油藏）面积注水（适于复杂断块油藏、后期强化开采）底部注水（适合于底水油藏）但对于很小的油藏，可依靠天然水的补给开发。十分致密的油藏和小的透镜体油藏不能注水。水源：(水量充足,水质稳定,处理简便,成本低)（1）地面水：淡水，水质、水量不稳定。（2）河床等冲积层水：淡水，水质、水量稳定。（3）海水：盐水，量足，使用方便。（4）地层水：淡水或盐水（5）采出水：污水回注,常用的水处理措施：1）机械杂质的处理经沉淀，机械杂质含量50mg/l经过滤，机械杂质2mg/l2）化学处理加聚凝剂：提高沉降和过滤效果（明矾和硫铝）软化处理：使水质稳定（用明矾、石灰或锰砂）杀菌：用氯气或甲醛3）脱氧处理化学处理：用亚硫酸钠气提脱氧：天然气与水逆流冲刷真空脱氧：,污水处理：重点：脱油、过滤、水质稳定污水处理流程图1）处理后的水应达到注水的水质标准。2）处理后不腐蚀管线和设备，不产生结垢和堵塞。3）不与地层水起反应生成沉淀。海水处理：重点：1）机械杂质处理多级过滤2）脱氧处理不同方法多级脱氧,来水,沉降,粗粒化,过滤,清水罐,注入,第七节油井增产措施,增产措施：采用各种方法来扩大、延伸地层原有通道或建立新的通道。原因：(1)在钻井,固井和完井过程中一些外来液体和固体颗粒进入井壁附近的地层形成难以渗透的表皮(Skin),通常用酸化解除此堵塞。(2)油气层渗透性很差，油气难以流出。常用水力压裂方法改造地层。常用的两种增产措施：(1)压裂(HydraulicFracturing)(2)酸化(Acidizing）,一.水力压裂,用高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排液量注入井中，在井底憋起高压，使地层产生裂缝。然后继续将带有支撑剂（通常是颗粒比较均匀的石英砂）的压裂液注入缝中，停泵后即可在地层中形成足够长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。它具有很高的渗透能力，大大改善了油气层的渗透能力，使油气畅通流入井中，起到增产增注作用。解除深而严重的堵塞增产作用改变流动形态，大大降低流动阻力,压裂液压裂施工时，向井筒中泵注的全部液体的总合。按在施工中所起的作用不同，可以分为：前置液破裂地层，造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂特液进入。携砂液将支撑剂带到裂缝中去，并将砂子放到预定位置上。顶替液中间顶替液用来将携砂液送到预定位置上。最后顶替液用来将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。,按性能压裂液可分为：水基压裂液、油基压裂液、酸基压裂液、乳状液、泡沫液。压裂液的性能要求：滤失小，悬砂能力强，摩阻低、稳定性好、配伍性好、低残渣、经济。支撑剂的要求：粒径均匀、强度高、杂质含量少、砂子圆度好、价