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采油工程5.1采油原理及工藝5.1.1采油原理
當(dāng)通過鉆井、完井射開油層時(shí),由于井中的壓力低于油層內(nèi)部的壓力,在井筒與油層之間就形成了一個(gè)指向井筒方向的壓力降。在原始條件下,油層巖石與孔隙空間內(nèi)的流體處于壓力平衡狀態(tài),一旦鉆開油層,這種平衡就被破壞。這時(shí),由于壓力降低引起巖石和流體的彈性膨脹,其相應(yīng)體積的原油就被驅(qū)向井中。如果地層壓力足夠的話,就可將原油舉升到井口以上,形成自噴采油;如果地層壓力不能將原油舉升到井口,那么就需要借助某些人工舉升的辦法采油(如下入機(jī)械抽油泵、電潛泵或采用氣舉辦法等),或者向油層中注入某種流體(如水、天然氣等)提高地層壓力,使油井生產(chǎn)能量有所改善。
自噴采油方式
由于油層天然能量不足或經(jīng)自噴開采后能量逐漸下降,此時(shí)的地層能量不能保持油井自噴或產(chǎn)量過低時(shí),就必須利用機(jī)械能量舉升進(jìn)行采油。其方法主要有抽油機(jī)深井泵采油、電動(dòng)潛油離心泵采油、螺桿泵采油、水力活塞泵采油和氣舉采油等。5.1.3機(jī)械采油其他機(jī)械采油水力射流泵采油螺桿泵采油氣舉采油1常規(guī)有桿泵采油2
電動(dòng)潛油離心泵采油3機(jī)械采油方式456電動(dòng)潛油離心泵采油5.1.3機(jī)械采油3.水力活塞泵采油水力活塞泵是另一種無桿抽油設(shè)備,其工作原理是利用井下的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)井下泵往復(fù)運(yùn)動(dòng),代替抽油機(jī)和抽油桿帶動(dòng)深井泵抽油。水力活塞泵有兩種生產(chǎn)方式,一種稱開式流程(見圖),廣為現(xiàn)場(chǎng)采用。井下只需下一根油管,泵入的動(dòng)力液經(jīng)水力泵后與產(chǎn)出液從油套環(huán)空混合采出地面。地面流程也比較簡(jiǎn)單,只需建一條動(dòng)力液管線,該流程的優(yōu)點(diǎn)是工藝技術(shù)簡(jiǎn)單、管理方便、投資少,但其缺點(diǎn)是動(dòng)力液與采出液混合在一起,采出液不能單獨(dú)計(jì)量,也不易對(duì)采出液和井下動(dòng)態(tài)進(jìn)行直接分析。另一種稱閉式流程,井下需下兩根油管(同心或平行),動(dòng)力液從一根油管泵入,再從另一根油管返出,采出的液體從油套管環(huán)形空間返出,動(dòng)力液與采出液自成系統(tǒng),互不混合。該流程的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)和開式流程正好相反,因而,要根據(jù)油井的實(shí)際情況選用不同的方式。但是,國(guó)內(nèi)外大多采用開式流程。其原因是經(jīng)濟(jì)效益好,管理方便。馬達(dá)泵5.1.3機(jī)械采油4.氣舉采油氣舉采油也是無桿泵的機(jī)械采油方法。即從套管與油管的環(huán)形空間注入天然氣,通過油管下部的凡爾進(jìn)入油管,注入油管內(nèi)的天然氣降低井筒內(nèi)液柱密度,從而降低對(duì)油層的回壓,使原油有可能流入井內(nèi),并將原油舉升到地面。氣舉采油是一種簡(jiǎn)易的機(jī)械采油方法,氣舉采油選擇原則首先是該地區(qū)有足夠的天然氣資源,氣舉采油必須采用天然氣(或氮?dú)猓?,不能采用空氣,以免空氣中的氧氣與井內(nèi)天然氣混合后引起爆炸。氣舉采油的總經(jīng)濟(jì)效益是好的,因井下氣舉凡爾結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有運(yùn)動(dòng)件,井下故障少,投資少,可用投撈更換氣舉凡爾,管理簡(jiǎn)便。但是氣舉采油基本投資大,氣舉采油井投產(chǎn)前,必須先建高壓壓縮機(jī)站和注氣系統(tǒng),但投產(chǎn)后生產(chǎn)維護(hù)投資費(fèi)用卻是低的,因而總經(jīng)濟(jì)效益是好的。氣舉采油可用于深井、低壓井、高油氣比井、出砂井和定向井等??商峁└邠P(yáng)程和較大的生產(chǎn)壓差,排量范圍較大,低產(chǎn)每日可采幾噸,高產(chǎn)可達(dá)幾百噸。在天然氣豐富的地區(qū),應(yīng)選用此方法。5.2.1分層注水多油層的油田由于各油層的滲透性是不同的,如果在一口注水井里不分好壞油層籠統(tǒng)注水,雖然也能達(dá)到保持壓力的目的,但是注進(jìn)去的水在滲透性好的油層跑的快,而在滲透性不好的油層內(nèi)跑得很慢,采油井上見不到好的注水效果,而好油層已經(jīng)大量出水。為解決這個(gè)問題實(shí)行了分層注水,專門設(shè)計(jì)了能將好壞油層分開注水的工具,稱其為封隔器。封隔器是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管狀柱體,其外徑要比油井或水井的套管小。注水井在實(shí)行分層注水以后,注入油層中的水推進(jìn)速度,可以按照采油工作的需要,依據(jù)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整和控制。這樣“單層突進(jìn)”、“水淹過快”,甚至有的差油層見不到注水效果的問題就可以得到緩和。5.2.2分層采油一個(gè)油田實(shí)行分層注水以后,好油層見水過快,差油層見不到注水效果的問題得到緩解,注到油層中的水也發(fā)揮了一定作用。油井仍采用多層合采存在問題:①注水井在高滲透層控制注水,可是在油井中的高滲透層產(chǎn)油得不到控制。結(jié)果,在同一油井中高滲透油層是產(chǎn)油多,注入水少,能量得不到及時(shí)補(bǔ)充,造成地層壓力下降,影響了高滲透層的出油;②低滲透層出油能力差又受高滲透油層的影響,不能充分發(fā)揮它的產(chǎn)油能力。為了解決這個(gè)矛盾,人們通過實(shí)踐認(rèn)識(shí)到,對(duì)高產(chǎn)層適當(dāng)控制它的產(chǎn)量,既可以保持地層能量,又能使低滲透層充分發(fā)揮它的出油能力。于是采用新的技術(shù)措施,實(shí)行分層定量采油。近些年來,我國(guó)各油田,根據(jù)本油田的具體情況,設(shè)計(jì)制造了各種類型的油井封隔器。它和分層注水用的封隔器相似,是用配產(chǎn)器來實(shí)現(xiàn)分層定量采油的。5.2.4分層改造改造油層的主要任務(wù)是提高低滲透油氣層的開發(fā)效果,增加低滲透油層的滲透能力和導(dǎo)流能力。另一方面是對(duì)在油田鉆井、射孔、修井過程中,由于鉆井液質(zhì)量不好,或因浸泡時(shí)間過長(zhǎng),鉆井液顆粒堵塞油層孔隙,降低了油層的滲透能力而進(jìn)行處理。所以說分層改造是低滲透油氣田投產(chǎn)完井措施和油田開發(fā)過程中的增產(chǎn)措施。分層改造油層通常采用化學(xué)和物理方法進(jìn)行。化學(xué)方法是油井酸化;
物理方法是油層壓裂。5.2.4分層改造1.油井酸化酸化是用高壓泵將酸液注入地層,酸液與碳酸鹽或油層中的礦物和膠結(jié)物起化學(xué)反應(yīng),從而擴(kuò)大裂縫和油層的孔隙,或解除油層堵塞,提高油層滲透能力,起到增產(chǎn)的作用。石油主要儲(chǔ)存在砂巖和石灰?guī)r的孔隙和裂縫中。砂巖的主要化學(xué)成分是二氧化硅,它可以和氫氟酸起反應(yīng)。石灰?guī)r主要成分是碳酸鈣,它可以和鹽酸起反應(yīng)。各油田廣泛采用的酸化措施有鹽酸處理和土酸處理兩種。鹽酸酸化主要用于碳酸鹽巖油氣層。土酸是用鹽酸和氫氟酸按一定比例配合成的酸液,它既可溶解碳酸鈣鹽類和鐵鋁化合物,也可以溶解巖石中的硅酸鹽類和粘土,所以土酸是砂巖油田經(jīng)常使用的酸液。5.2.4分層改造油井酸化所用酸液要妥善放置在密閉的罐體中,并計(jì)算出用量。油井進(jìn)行酸化是比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程,要在井場(chǎng)使用高壓泵車,聯(lián)結(jié)井口的管線,將酸液注入油層。注入后關(guān)井一段時(shí)間,就可以見到較好效果。注入的酸液與地層作用后,已成為殘酸不再起作用,而且隨著pH值增高,金屬離子會(huì)相繼產(chǎn)生金屬氫氧化物沉淀,會(huì)重新堵塞地層。因此,酸化反應(yīng)后,要盡快將殘酸排出,排酸可以用放噴、抽汲、氣舉或液氮等方法。5.2.4分層改造2.油井壓裂利用地面上的高壓泵,將高粘度液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中,隨即在井底附近產(chǎn)生很高的壓力。此壓力將油井周圍的油層壓開裂縫,形成的裂縫帶具有很高的滲透性,大大改善了油氣層的導(dǎo)流能力。這種靠強(qiáng)大壓力將油層壓開裂縫的方法就叫油井壓裂。為了不讓裂縫閉合,在壓裂時(shí)要加入一定量的支撐劑(石英砂、核桃殼等),以支撐已形成的裂縫。壓裂主要用于低滲透油氣層的改造。油管套管封隔器油層壓裂施工過程示意圖5.2.5稠油開采有一些油田的石油是屬于高粘度重質(zhì)原油,在常溫常壓條件下,是不能流動(dòng)的。這樣的油田,如果采用和一般油田一樣的常規(guī)開采方式,是很難將地下石油開采出來的。為此,針對(duì)稠油粘度高的特點(diǎn),創(chuàng)出了熱力開采方法和化學(xué)開采方法。當(dāng)前在生產(chǎn)實(shí)踐中主要用的是熱力方式開采。目前,世界上只有蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)的方法用于稠油工業(yè)性開采。在井深一千米左右,工藝上是配套的,經(jīng)濟(jì)上也是可行的。蒸汽吞吐工藝技術(shù)是向稠油層注入高溫、高壓蒸汽,使稠油的粘度降低,這樣石油就可以從油層中流入井筒而開采出來。蒸汽驅(qū)也是這個(gè)道理,是利用熱蒸汽來驅(qū)動(dòng)稠油,這樣來提高稠油油田的開采效果。5.3提高原油采收率技術(shù)所謂采收率就是指油田累計(jì)采出的油量占地質(zhì)儲(chǔ)量的百分比。
累計(jì)采油量
油田采收率(%)=—————×100%
地質(zhì)儲(chǔ)量5.3提高原油采收率技術(shù)根據(jù)石油開采及油田開發(fā)的投資過程,可分為三個(gè)階段:一次采油、二次采油和三次采油。一次采油是指利用油藏天然能量開采的過程,如利用溶解氣驅(qū)、氣頂驅(qū)、天然水驅(qū)、巖石和流體彈性能驅(qū)及重力排驅(qū)等能量。通常這種方法開采的原油采收率都比較低,只有8%~15%。二次采油是指利用外部補(bǔ)充地層能量(如注水、注氣),以保持地層能量為目的的提高采收率的采油方法。經(jīng)二次采油的采收率大致為25%~45%,個(gè)別條件好的油藏可達(dá)50%左右。三次采油就是指通過注入其他流體,采用物理、化學(xué)、熱量、生物等方法改變油藏巖石及流體性質(zhì),提高水驅(qū)后油藏采收率。經(jīng)三次采油的最終采收率可達(dá)45%~70%。5.3提高原油采收率技術(shù)提高油田采收率技術(shù)主要有混相驅(qū)、化學(xué)藥劑驅(qū)和熱力驅(qū)以及微生物采油等幾個(gè)方面。5.3提高原油采收率技術(shù)熱力法注蒸汽層內(nèi)燃燒注熱水蒸汽吞吐蒸汽驅(qū)烴混相驅(qū)高壓注干氣富氣驅(qū)注液化石油氣CO2混相驅(qū)惰性氣體驅(qū)氮?dú)怛?qū)煙氮?dú)怛?qū)混相驅(qū)聚合物驅(qū)表面活性劑驅(qū)膠束/聚合驅(qū)中相微乳液活性水驅(qū),泡沫驅(qū)堿水驅(qū)微生物驅(qū)化學(xué)驅(qū)提高采收率方法5.4采油過程與環(huán)境污染5.4.1含油污水1.含油污水的來源在采油生產(chǎn)過程中,含油污水主要來自油田采出水和注水井的洗井水。采出水是與原油和油田氣一起自采油井產(chǎn)出,經(jīng)沉降和電化學(xué)脫水后,脫出的含油污水。注水井洗井水包括試注井及注水井洗井排出的含油污水。這部分含油污水,由于井位分散,往往現(xiàn)場(chǎng)排放。有的油田建設(shè)了洗井水回收流程,集中處理。5.4.1含油污水2.含油污水的特性各油田采出水的水質(zhì)不同,在同一地區(qū)不同區(qū)塊的水質(zhì)有時(shí)也有較大差異,綜合起來采出水的特性有以下幾點(diǎn):①油水密度差值小。有些油田稠油密度非常大,相對(duì)密度d420=0.9884,與污水的密度相差甚微。勝利油田采出水中污油相對(duì)密度在0.9以上的水量占50%,如孤二污水站采出水溫50℃時(shí)密度為992kg/m3,而水中原油密度為963.6kg/m3,油水密度差只有28.4kg/m3。②水中懸浮固體含量高、顆粒粒徑小。勝利油田孤島某污水處理站,每日處理采出水20000m3,每年從除油罐清除泥砂達(dá)400m3;長(zhǎng)慶馬嶺油田某污水處理站采出水中懸浮物含量高達(dá)1352~2491mg/L。5.4.1含油污水③細(xì)菌含量高。油田采出水中含有豐富的有機(jī)物,又有適宜的水溫,是硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌(TGB)繁殖的場(chǎng)所。大部分采出水中細(xì)菌含量為100~10000個(gè)/mL,有的高達(dá)108個(gè)/mL。細(xì)菌大量繁殖不僅腐蝕管線,而且還會(huì)造成地層的嚴(yán)重堵塞。④有機(jī)物含量高。油田采出水中存在多種有機(jī)物,如揮發(fā)酚、硫化物等。⑤礦化度高。中原油田采出水總礦化度高達(dá)8×104
~14×104mg/L,最高可達(dá)30×104mg/L;勝利和長(zhǎng)慶油田在5×104mg/L左右;吉林和大港等一些油田也在1×104mg/L左右;江漢油田為17×104mg/L。5.4.1含油污水油田采出水還溶解了一些氣體,如O2
、H2S、CO2
等。O2
是很強(qiáng)的氧化劑,容易造成電化學(xué)腐蝕,酸性氣體和氧的協(xié)同作用會(huì)使腐蝕速度成倍增長(zhǎng)。高礦化度水中含有大量的HCO3-
、Ca2+
、Mg2+
、Ba2+
、Cr3+
離子,當(dāng)水溫、水壓或pH值發(fā)生變化時(shí),很容易生成碳酸鹽沉淀。5.4.1含油污水3.含油污水的排放去向問題我國(guó)油田大面積注水是1960年從大慶油田開始的。隨著油田建設(shè)和工藝技術(shù)的發(fā)展,絕大多數(shù)油田已形成了采出水處理回注工藝,采出水已成為油田有效可靠的注水水源。近年來采出水的處理率和回注率不斷提高,處理后的水質(zhì)不斷改善,不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染,而且由于含油污水的綜合利用,減少了清水的用量,既節(jié)約了資金,也保護(hù)了環(huán)境。5.4.2落地原油1.落地原油的產(chǎn)生及來源落地原油系指油井中生產(chǎn)的未進(jìn)入集輸管線而散落在地面的原油。原油落地的原因很多,其中落地原油量大而又經(jīng)常發(fā)生的原因有以下幾個(gè)方面:①油井投產(chǎn)前。自噴油井投產(chǎn)前地面集輸管線尚未建成,射空替噴時(shí)原油進(jìn)入土油池;②試油、試采。試油、試采作業(yè)主要是探井所產(chǎn)原油部分進(jìn)土油池;③井下作業(yè)。油井作業(yè)中,壓井替噴,不壓井作業(yè)的跑、冒油以及在起出油管,抽油桿在井場(chǎng)放置或者清洗而散落在井場(chǎng)的原油;5.4.2落地原油④生產(chǎn)過程。在原油生產(chǎn)中由于管理不善造成少量原油漏失落地(包括偷盜
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