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注水工艺技术 延长油田勘探开发技术研究中心 2012年9月 第一部分注水开发概述 一 注水开发概述 通过注水井向油层注水可以弥补原油采出后所造成的地层亏空 起到保持或提高油层压力 实现油田高产稳产 最终获得较高的采收率 1 注水的必要性 2 注水开发的发展历程 早在上世纪30年代 美国就开始利用注水来驱替开发石油 随后 在上世纪40年代末期前苏联第一个在杜马兹油田开始规模采用注水保持油层压力的开发方式 引起了注水开发方式的重大变革 此后 各个国家注水开发的规模越来越大 前苏联60年代末利用注水开发技术采出的油量占到全国总采油量的71 到80年代已达到90 以上 美国50年代利用注水采油量占全国总产量的12 到80年代已高达50 以上 而且新开发的大油田也越来越多地采取注水保持压力的方式 一 注水开发概述 2 注水开发的发展历程 在我国 老君庙油田从1955年开始进行边外注水 揭开了我国注水开发的序幕 同时 克拉玛依油田在上世纪50年代后期开始进行内部切割注水 大庆油田在也在60年代初确定了早期注水保持地层压力的方针 极大的推动了我国油田的注水开发理论和实践的发展 经过50多年的实践 我国在多油层 小断块 低渗透和稠油油藏注水开发方面已经形成了一套比较完整的注水技术体系和配套技术 特别是近些年来 对注水油田高含水期为实现 控水稳油 发展了以注水井调剖为核心的注水配套新工艺 与此同时 油田含水率也持续攀升 大部分油田含水率高达70 90 据统计 全国各油田平均综合含水率已超过85 其中含水率超过80 已进入高含水 特高含水后期的油田 可采储量占全国的70 以上 一 注水开发概述 3 注水被广泛应用于开采石油的主要原因 水源容易获得 成本低 水对于低相对密度和中等相对密度的原油是一种有效的驱替介质 工艺过程比较简单 控制调整容易 注水的投资和操作费用较低 而利润较大 水相对容易注入地层 水的粘度小 在地层中容易流动 水驱效率高 采收率相对高 一 注水开发概述 4 注入水在油层中的分布状况和运动特点 注入水首先是被注入到渗透率高 连通性好 分布面积大的主要油砂体 注入强度大的区块注入水推进速度快 行列井网注水 离注水井排最近的一排生产井先见水 而且多层见水 非均质厚油层水淹程度小 含水上升快 开采效果差 开发时间长 油井见水层位增多 层间矛盾加剧 由于层间含水状况的差异 造成层间矛盾突出 第二部分水源 水质及注水系统 二 水源 水质及注水系统 1 水源 水源选择要求 水量充足 水质稳定 地面淡水 江 河 湖 水库矿化度低 廉价 但泥沙含量大 高含氧 海水含氧 腐蚀性强 固体颗粒多 来自河床等冲积层水源水质好 杂质多 地层水水源矿化度高 但不含氧 油层产出水含铁少 矿化度高 含碳酸盐少 硬度小 二 水源 水质及注水系统 2 水质要求及标准 注入水引起地层伤害的主要原因有两个 1 与储层性质不配伍 2 不科学的水质处理及注水工艺 注水引起的油层损害主要类型 堵塞 腐蚀 结垢 1 粘土膨胀2 机械杂质3 微粒运移4 细菌堵塞5 反应沉淀物6 原油 1 溶解氧2 co co23 h2s4 细菌 1 无机垢2 有机垢 二 水源 水质及注水系统 2 水质要求及标准 为了避免因注入水质不达标造成的地层伤害 注入水应满足下述要求 1 水质稳定与油层水相混不产生沉淀 2 水注入地层后不使粘土产生水化膨胀或产生混浊 3 不得携带大量悬浮物 以防注水井渗滤端面堵塞 4 对注水设施腐蚀性小 5 当一种水源量不足 需要第二种水源时 应首先进行室内实验 证实两种水的配合性好 对油层无伤害 二 水源 水质及注水系统 2 水质要求及标准 2011年修订水质标准 按照水质要求 并根据延长油田地层特点 制定了以下水质标准 二 水源 水质及注水系统 3 注入水处理技术 方法 水源不同 水处理工艺不同 目的 使注入水达到水质标准 内容 包括除去机械杂质 悬浮物 腐蚀性细菌和氧等 二 水源 水质及注水系统 沉淀是让水在沉淀池或罐内停留一定时间 使其所含悬浮固体颗粒靠重力沉降下来 对于细小的悬浮固体颗粒 常需要足够的时间才能沉淀下来 一般为了加速沉淀 常在水中加入聚 絮 混 凝剂 通过中和表面电性而使水中固体悬浮物聚集 3 1沉淀 二 水源 水质及注水系统 3 2过滤 过滤是用容器 过滤设备 除去水中悬浮物和其它杂质的工艺 过滤罐 或池 器 自上而下装有滤料 支撑介质等 滤料一般为石英砂 大理石 无烟煤屑及硅藻土等 支撑介质常用砾石 水自上而下经过滤层 支撑层 而后从罐底部排出清水 按过滤速度滤罐可分为慢速和快速2种 慢速滤罐一般在0 1 0 3m h 快速滤罐可达15m h 按工作压力滤罐又可分为重力式 压力式滤罐 重力式滤罐 滤罐的水面与大气相连通 利用进出口水位差过滤的 压力式滤罐 压力式滤罐完全密封 水在一定压力下通过滤罐 滤罐的工作强度 指在单位时间内从单位面积滤罐通过的水量 过滤后的水中杂质的质量浓度应小于2mg l才算合格 二 水源 水质及注水系统 常用滤罐结构示意图 二 水源 水质及注水系统 3 3杀菌 地面水中多含有藻类 铁菌或硫酸盐还原菌和其它微生物等 注水时需将这些微生物除掉以防止堵塞地层和腐蚀管柱 油田常用的杀菌剂有甲醛 氯气 次氯酸盐类 季胺盐类液体药剂 过氧乙酸等 一般交替使用两种以上的杀菌剂 以防细菌产生抗药性 氯气杀菌时 和水反应生成次氯酸 而次氯酸是一种不稳定的化合物 分解后产生新生态的 o o 是强氧化剂 可以杀菌 二 水源 水质及注水系统 3 4脱氧 地面水源与空气接触常溶有一定量的氧 有的水源水中还含有碳酸气和硫化氢气体 这些气体对金属和混凝土均有腐蚀性 因此 注水前要用物理法或化学法除去注入水中所溶解的o2 co2 h2s等气体 1 化学法脱氧 常用的化学脱氧剂包括na2so3 n2h4等 其特点是价格低 使用方便 其原理为 特点 占地面积小 处理工艺较简单 一次投资较低 但日常消耗化学药剂费用较高 二 水源 水质及注水系统 2 物理法脱氧 物理法脱氧主要有真空脱氧和气提脱氧 真空除氧 真空脱氧的原理是 用抽空设备将脱氧塔抽成真空 从而把塔内水中的氧气分离出来并抽掉 如图所示 通过喷嘴的高速空气在喷射器内造成低压 使塔内水中的氧分离出来并被蒸汽带走 为了使水中的氧气容易脱出 塔内装有许多小磁环 二 水源 水质及注水系统 2 物理法脱氧 气提除氧 用天然气或者惰性气体对水进行逆流冲刷以提出水中的溶解氧 其原理是 当天然气逆流冲刷时冲淡了空气中的氧 从而使水表面氧的分压降低 水中的氧便从水中分离出来 被天然气带走 随后又冲淡又带走 最后把水中的氧除掉 另外 天然气还有吸收氧的能力 在不断的冲刷过程中把氧带走 逆流气提式除氧 二 水源 水质及注水系统 3 5暴晒 当水源水含有大量的过饱和碳酸盐 如重碳酸钙和重碳酸镁钙及重碳酸亚铁等 因其化学性质都不稳定 注入地层后因温度升高可能产生碳酸盐沉淀而堵塞孔道 因此 在注入地层前用曝晒法使其沉淀除去 此法常在露天的沉淀池中进行 二 水源 水质及注水系统 3 6含油污水处理 含油污水的优点 1 污水中含表面活性物质 能提高洗油能力 2 高矿化度污水回注后 不会使粘土颗粒膨胀而降低渗透率 3 污水回注保护了环境提高了水的利用率 污水回注应解决的问题 1 处理后的污水应达到注水水质标准 2 水在设备和管线中既不结垢 又不严重腐蚀 3 和地层水不起化学反应产生沉淀 以免堵塞油层 含油污水处理目的是除去水中的油及悬浮物 处理方法主要有 1 自然沉降法 靠污水中原油颗粒自身的浮力实现油水分离 除去浮油及颗粒较大的分散油 2 絮凝分离法 含油污水中油粒小于10 m以下时 自然沉降难以分离 通常油粒带有负电荷 若选择在水中溶解后产生正电荷的絮凝剂就能使油滴聚集上浮达到油水分离的目的 实验证明 氯化亚铁 硫酸亚铁作絮凝剂 有较好效果 二 水源 水质及注水系统 3 6含油污水处理 目前最常用的混凝除油 重力式石英砂过滤处理含油污水工艺流程图 二 水源 水质及注水系统 4 注水系统 注水系统是指从水源至注水井的全套设备和流程 包括水源泵站 水处理站 注水站 配水间和注水井 其中注水站中的主要设备是注水泵和驱动注水泵的电机 注水管网主要由管线 阀门 三通 弯头等组成 二 水源 水质及注水系统 4 1注水站 主要作用 将来水升压 以满足注水井对注入压力的要求主要设施 储水罐 具有储备作用 缓冲作用 分离作用高压泵组 给注入水增压流量计 计量水量分水器 将高压水分配给各配水间 注水站流程 二 水源 水质及注水系统 二 水源 水质及注水系统 4 2配水间 主要作用 用来调节 控制和计量各注水井的注水量 主要设施 分水器正常注水和旁通备用管汇压力表和流量计 分类 配水间一般分为单井配水间和多井配水间两种 二 水源 水质及注水系统 4 2配水间 多井配水间流程也分为带洗井旁通与不带旁通两种 带洗井旁通的设置大一级口径洗井计量水表 二 水源 水质及注水系统 4 3注水井 主要作用 注入水从地面进入地层的通道 主要设施 井口装置和井下注水管柱 注水井井口和注水管线连接方式 井下管柱 二 水源 水质及注水系统 4 4注水流程 二 水源 水质及注水系统 4 4注水流程 二 水源 水质及注水系统 4 4注水流程 1 单干管单井配水流程图 2 单干管多井配水流程图 二 水源 水质及注水系统 4 4注水流程 3 注水站配水流程图 4 双干管多井配水流程图 二 水源 水质及注水系统 5注水井投注程序 投注程序 注水井从完钻到正常注水之间所需进行的工作 它包括排液 洗井 预处理 试注 正常注水等几个方面 5 1排液 排液的目的在于清除油层内的堵塞物 在井底附近造成适当的低压带 为进水创造有利条件 并采出部分弹性储量 减少注水井排或注水井附近的能量损失 有利于注水井排拉成水线 排液时间可根据油层性质和开发方案来决定 排液的强度以不损伤油层结构为原则 二 水源 水质及注水系统 5 2洗井 洗井目的 把井筒内的腐蚀物 杂质等污物冲洗出来 避免油层被污物堵塞影响注水 洗井方式 一种是正洗 水从油管进井 从油套环形空间返回地面 另一种是反洗 水从油套环形空间进井 从油管返回地面 洗井时要注意洗井质量和进出口水量 要求油层达到微吐 严防漏失 在油层压力低于静水柱压力时 可采用注混气或泡沫负压洗井 将井壁及近井地带的堵塞物清洗掉 然后升压至近平衡 替出井内不清洁的水 再升压采用注热水或活性水正压洗井 将井筒内和近井地带清洗干净 做到进出口水质完全一致时为止 二 水源 水质及注水系统 5 3预处理 预处理目的 为防止粘土颗粒的膨胀和运移 在注水井投注或油井转注前需进行防膨处理 5 4试注 试注的目的在于确定能否将水注入油层并取得油层吸水启动压力和吸水指数等资料 根据要求注入量选定注入压力 因此 试注时要进行注水井测试 求出注水压力和地层吸水能力 地层吸水能力大小一般用吸水指数表示 如果试注效果好 可与邻井同类油层吸水能力相比较 即可进行转注 如果效果不好 要进行调整或采用酸浸 酸化 压裂等措施 直到合格为止 5 5转注 注水井通过排液 洗井 试注 取全取准试注的资料 再经过配水就可以转为正常注水 第三部分注水井吸水能力分析 三 注水井吸水能力分析 1 注水井吸水能力 注水井指示曲线 表示注水井在稳定流动条件下 注水压力与注水量的关系曲线 在分层注水情况下 各小层指示曲线表示各层注水压力与注水量之间的关系 三 注水井吸水能力分析 1 注水井吸水能力 吸水指数 吸水指数指注水井在单位井底压差下的日注水量 单位用m3 mpa d 吸水指数的大小表示油层吸水能力的好坏 正常生产时 不可能经常关井测注水井静压 所以采用测指示曲线的办法取得在不同流压下的注水量 一般用下式计算吸水指数 三 注水井吸水能力分析 1 注水井吸水能力 比吸水指数或每米吸水指数 地层吸水指数除以地层有效厚度所得的数值 也就是一米厚地层在一个兆帕注水压差下的日注水量 视吸水指数 视吸水指数指日注水量与井口注入压力之比 单位用m3 mpa d 三 注水井吸水能力分析 2 影响吸水能力的因素 与注水井井下作业及注水井管理操作等有关的因素如泥浆浸入注水层造成堵塞 酸化等措施不当或注水操作不平稳而破坏地层岩石结构 造成砂堵 未按规定洗井造成井内污物随注入水带入地层造成地层堵塞 2 与水质有关的因素 注入水与设备和管线的腐蚀产物以及水在管线内产生垢造成堵塞 注入水中所含的某些微生物 如硫酸盐还原菌等 除了自身堵塞作用外 其代谢产物也会造成堵塞 注入水中所带的细小泥沙等杂质堵塞油层 注入水中含有在油层内可能产生沉淀的不稳定盐类 3 组成油层的粘土矿物遇水后发生膨胀 4 注水井地层压力上升 三 注水井吸水能力分析 3 改善吸水能力的措施 三 注水井吸水能力分析 3 改善吸水能力的措施 三 注水井吸水能力分析 3 改善吸水能力的措施 注水井酸化处理的方法除一般的盐酸和吐酸之外 还可根据油层具体情况采用不同的酸处理方法 三 注水井吸水能力分析 3 改善吸水能力的措施 胶束 由表面活性剂 油 水三者在一定条件下组成的互溶 单相透明体系 对稠油 蜡 胶质 沥青质具有较强的增溶能力 胶束 活性柴油 逆土酸增注法 逆土酸增注法 三 注水井吸水能力分析 3 改善吸水能力的措施 注防膨剂是防止粘土膨胀的有效措施 粘土防膨剂包括 第四部分分层注水技术 四 分层注水技术 由于油层各层系的非均质性 吸水能力也各不相同 为了解决层间矛盾 需要进行分层注水 分注也是目前油田应用的最为普遍的一种控制油井含水的工艺措施 1 分层吸水能力及测试方法 分层吸水能力可用指示曲线 吸水指数 视吸水指数等指标表示 还可用相对吸水量来表示 相对吸水量指在相同条件下某小层的吸水量与全井吸水量之比 相对吸水量表示了各小层的相对吸水能力 分层指示曲线 测定注水井的吸水剖面 直接进行分层测试 用分层测试整理分层指示曲线 求出分层吸水指数来表示分层吸水能力的好坏 放射性同位素载体法测吸水剖面 吸水剖面 测吸水剖面就是在一定注入压力下测定各射开层段的注入量 分层吸水量 目的是为了掌握各小层的吸水能力 以作为合理分层配注的依据 用各层的相对吸水量来表示分层吸水能力的大小 四 分层注水技术 1 分层吸水能力及测试方法 放射性同位素载体法是将含有放射性同位素的悬浮液注入井内时 悬浮液将按井筒剖面的原有吸水能力按比例进入各层 由于悬浮液中固相载体颗粒能均匀悬浮且具有强的吸附性 所以吸水量大的层表面滤积的同位素就越多 反之就越小 对施工前后两次放射性测井曲线进行对比 施工后放射性曲线所增加的异常值就反映了对应层的吸水能力 四 分层注水技术 放射性同位素载体法测吸水剖面 四 分层注水技术 四 分层注水技术 投球法分层测试 四 分层注水技术 投球法分层测试 资料整理 第 层段注水量 全井注水量 投第一个球后的注水量 第 层段注水量 投最后一个球后测得的注水量 第 层段注水量 投第一个球后的注水量 投第二个球后的注水量 四 分层注水技术 投球法分层测试 分层指示曲线的压力校正 在实际生产中由于注入水通过油管 水嘴和打开节流器阀时都会产生压力损失 因此 在同一井口压力下各层段真正有效的注水压力并不同 因此需要进行层段注水压力校正 以消除井下注水管柱结构的影响 四 分层注水技术 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 单管分层注水管柱 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 单管分层注水管柱 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 单管分层注水管柱 四 分层注水技术 2 分层注水管柱 单管分层注水管柱 四 分层注水技术 3 多管分层注水管柱 多管分层注水管柱 优点 可以实施两层分注 易调配控制水量 缺点 一是只能分两个层段注水 如果超过了两个层段 则无法进行分层注水 二是注水井无法进行每月一次的维护性洗井管理 井筒内的垢 铁锈 杂质等脏物无法冲洗出来 容易造成脏物堵塞油层 对于结垢严重者 易发生井内工具及管柱被卡 造成大的事故 第五部分注水指示曲线的分析与应用 五 注水指示曲线的分析与应用 1 指示曲线的几种形状 按实测井口压力绘制的指示曲线 不仅反应了地层情况 而且也反应了井下配水器的工作状况 所以通过对注水指示曲线的分析 可以对地层和井下工具进行判断和分析 1 直线型指示曲线 直线递增式指示曲线如图 所示 它反映了地层吸水量与注入压力成正比 在线上任取两点可求出吸水指数k 五 注水指示曲线的分析与应用 1 指示曲线的几种形状 2 折线型指示曲线 曲线1 直线递增式 反映了地层的吸水规律 曲线2 垂直式 曲线出现在油层渗透性极差的情况 或测试故障或水嘴堵死 曲线3 递减式 是一种不正常的曲线 曲线4 曲折式 反映仪器设备有问题 曲线5 上翘式 与仪表 操作 设备 油层性质有关 曲线6 折线式 表示有新油层在注水压力较高时开始吸水 或地层产生微小裂缝 五 注水指示曲线的分析与应用 2 用指示曲线分析油层吸水能力的变化 五 注水指示曲线的分析与应用 2 用指示曲线分析油层吸水能力的变化 五 注水指示曲线的分析与应用 3 井下配水工具工作状况的判断 封隔器失效 五 注水指示曲线的分析与应用 3 井下配水工具工作状况的判断 五 注水指示曲线的分析与应用 3 井下配水工具工作状况的判断 配水嘴故障 五 注水指示曲线的分析与应用 4 配注准确程度和分配层段注水量检查 注水井投注后 还要定期进行分层测试 用所得资料检查配注的准确程度 并为正确地分配层段注水量提供依据 1 检查配注准确程度注水井的配注准确程度用配注误差表示 配注误差等于设计注水量与实际配注量之差同设计配注量比值的百分数 误差为正说明未达到注入量 称欠注 误差为负则说明注入量大于配注量 称超注 配注误差在一定范围内 则该层称为合格层 相反 配注误差大于某一规定范围 则称为不合格层 不同性质的注入层段有不同的配注误差合格标准 在计算得出各层段是否合格之后 可以进一步计算全井的层段合格率 五 注水指示曲线的分析与应用 4 配注准确程度和分配层段注水量检查 2 分配层段注水量在计算各个层段的累计注入量 分析各层注采平衡情况和检查层段配注指标完成情况时 首先要了解各层段注入量 但正常注水时一般只测得全井注水量 为获得每个层段注水量 需将全井注入量按下述方法分配给个各层段 根据该井近期分层测试资料整理层段指示曲线 在曲线上求出目前正常注水压力下各层注水量及全井注水量 然后再算出注入压力下某层段的相对注水量 某层段注水量与全井注水量之比 最后将目前实测全井注水量按上面计算的比例分配给各层段 目前某层段注水量 某层段相对注水量 全井实测注水量 五 注水指示曲线的分析与应用 5 嘴损曲线与配水嘴的选择 五 注水指示曲线的分析与应用 5 嘴损曲线与配水嘴的选择 分层定量配水是通过水嘴来实现的 因此 分层定量配水可以归结为选择配水嘴的问题 分层配水的实质是在井口压力相同条件下 利用配水嘴节流损失的大小对各层的注水量进行控制 达到分层定量配水的目的 因此 可以通过配水嘴需要降低的压力值 即嘴损 来求得配水嘴的尺寸 油层无控制 不装水嘴 注水 油层控制 装上水嘴 注水 五 注水指示曲线的分析与应用 5 嘴损曲线与配水嘴的选择 五 注水指示曲线的分析与应用 5