-3µm
2
砂岩
|
>50
|
>10-50
|
>1.0-10
|
<0.1
|
碳酸盐岩
|
>10
|
>1.0-10
|
>0.1-1.0
|
<0.1
|
有效孔隙度,%
|
砂岩
|
>20
|
>15-20
|
>10-15
|
<10
|
碳酸盐岩
|
>12
|
>6-12
|
>3-6
|
<3
|
千米井身单井平均产能,104m3/d.Km
|
>10
|
3-10
|
>1-3
|
<1
|
3.按非烃气体含量分类
按非烃气体含量不同,可将油气藏分为不同程度的酸性气藏。油气藏按非烃气体含量划分标准如1-3表所示。
表1-3:
按非烃气体含量的分类标准
类别
|
H2S
|
CO2
|
N2
|
g/cm3
|
%(体积分数)
|
%(体积分数)
|
%(体积分数)
|
微含
|
<0.02
|
<0.001
|
<0.01
|
|
低含
|
0.02-<5
|
0.001-<0.3
|
0.01-<2
|
2-<5
|
中含
|
5-<30
|
0.3-<2
|
2-<10
|
5-<10
|
高含
|
30-<150
|
2-<10
|
10-<50
|
10-<50
|
特高含
|
150-<750
|
10-<50
|
50-<70
|
50-<70
|
非烃气体
|
>750
|
>50
|
>70
|
>70
|
含酸性气体的油气藏在钻采、集输、净化、加工和尾气处理过程中,都要采取相应的预防技术措施,保证安全生产,防止酸性介质的腐蚀破坏及酸性气体泄漏事故的发生。
4.按产出气相中凝析油含量分类
按照产出气相中凝析油含量不同,可将凝析气藏划分为特高、高、中、低、微含凝析油5类。油气藏按产出气相中凝析油含量划分标准如1-4表所示。
表1-4:
按产出气相中凝析油含量的分类标准
类型
|
凝析油含量,%
|
类型
|
凝析油含量,%
|
特高凝析油凝析气藏
|
>600
|
低含凝析油凝析气藏
|
50-100
|
高含凝析油凝析气藏
|
250-600
|
微含凝析油凝析气藏
|
<50
|
中含凝析油凝析气藏
|
100-250
|
|
|
5.按储层埋藏深度分类
按储层埋藏深度不同,可将油气藏划分为浅、中深、深、超深4类。油气藏按储层埋藏深度划分标准如1-5表所示。
表1-5:
按储层埋藏深度分类标准
类型
|
埋藏深度,m
|
类型
|
埋藏深度,m
|
浅层
|
<2500
|
深层
|
4500-6000
|
中深层
|
2000-4500
|
超深层
|
>6000
|
6.按油气藏驱动类型分类
油气藏驱动类型分为气驱、水驱以及气、水复合驱动三种。
气驱油气藏特性:油气藏的开采能量主要依靠气体自身的膨胀能量,压力随采出油气而不断下降,初期一般不需要实施排水采油气工艺技术。
水驱油气藏特性:对于边、底水十分活跃的油气藏,随着油气的采出,边水或底水不断补充采产出油气所留下的空隙或空间,致使压力下降缓慢或者不下降。
气、水复合驱动油气藏特性:当水体相对较小,气体自身的膨胀和边、底水的补充共同起作用压力呈十分缓慢的下降趋势。
二、鄂尔多斯油气藏特性
1.油气资源
华北分公司目前拥有勘探开发区块21个,总面积43685.149km2。主要分布在鄂尔多斯盆地所属的塔巴庙、杭锦旗、麻黄山西、镇泾、富县、定北等区块。油气资源总体呈现“南油北气”特征。
天然气资源:天然气主要分布在鄂北塔巴庙的大牛地、杭锦旗南、杭锦旗伊盟北部隆起三个区块,面积11794km2。截止2008年底,拥有天然气资源量13415×108m3。其中:探明储量3293.04×108m3,控制储量1607.55×108m3,预测储量2135.07×108m3,三级储量合计7035.66×108m3。
石油资源:石油资源主要分布在鄂南的麻黄山西、镇泾、定边等区块,面积4253km2。截止2008年底,拥有石油资源总量2.49×108t。其中:探明储量583.70×104t,控制储量834.38×104t,预测储量1807.45×104t,三级储量合计3225.53×104t。
新油气勘探开发区块:富县区块石油远景资源量为5.75×108t,资源丰度为15×104t/km2。目前有16440.93×104t石油资源量转化为三级地质储量,转化率为石油资源总量的28.59%。中生界上报的石油探明储量261.9×104t,资源探明率仅为0.46%。
彬县-长武区块石油远景资源量为1.4555×108t,资源丰度为4.83×104t/km2,仅有2251.17×104t石油资源量转化为三级地质储量(探明
控制 预测),转化率只有石油资源总量的15.47%,资源探明率为零。
旬邑-宜君区块探井少,尚无提交地质储量,属低勘探程度区。
2.开发现状
近年来随着地质理论深化和工程技术的不断进步,开发成果显著,截止2008年底,天然气年产能已达到20×108m3,原油年产能已达到10×104t。
大牛地气田:大牛地气田资源丰富,属于低孔、低渗致密砂岩岩性气藏,由7个大型岩性圈闭纵向交叉叠置、横向复合连片组成,具有“多气层、多圈闭”、“自生自储”的成藏特点;气源层主要为石炭、二叠系煤系地层;储层为二叠系山西组、下石盒子组及石炭系太原组;盖层为二叠系上石盒子组大套泥岩。组合类型为太原组-山西组的源内成藏组合和下石盒子组近源成藏组合。上古生界自下而上发育了太1、太2、山1、山2、盒1、盒2和盒3等七套海相、海陆过渡相、陆相含油砂体气层。气层纵向上交错叠合发育,平面上连片分布。储层非均质性较强,气藏内部差别较大。一般埋深2520-2879米。主要目的层孔隙度6.8-7.9%,渗透率0.325-0.906×10-3μm2。其中,盒3段储层物性相对最好,平均孔隙度10.27%、平均渗透率1.36×10-3μm2。其次,盒2、太2段储层,盒2平均孔隙度8.66%,平均渗透率0.73×10-3μm2;太2平均孔隙度8.58%,平均渗透率0.7×10-3μm2。而盒1、山2、山1段储层物性相对较差。地层压力系数0.85-0.99,含气饱和度平均57%。属典型的低压、低孔、低含气饱和度的致密气藏。储层物性较好的盒2、盒3已动用74.19%,主要集中在大1、大2井区块。山1、太2的动用程度分别为46.99%、27.36%,探明储量较大的盒1动用程度仅8.42%。
2001年开始规模勘探,2003年开始开发先导性试验,2004年进入开发准备,2005年进入大规模开发阶段。基本遵循“先贫后富、立体开发、勘探开发一体化”的原则,历经开发准备、开发先导试验和规模化开发三个阶段,当年建成日产气300×104m3、年产10×108m3的产能。截止2008年底已建成日产气550×104m3、年产20×108m3的产能,是北京、山东、河南等主要气源地。
镇泾油田:镇泾油田属黄土塬地区,塬、梁、茆、沟纵横交错,区块面积2515.6km2。区内构造不发育,局部发育小型低幅度鼻状隆起,油气成藏以岩性、岩性-构造圈闭为主。储层主要发育延9、长6、长8等几套油气储层。延9储层平均孔隙度13.2%,平均渗透率6.2μm2,为构造-岩性复合作用成藏,底水发育。长6储层平均孔隙度11.3%,平均渗透率1.49μm2。长8储层平均孔隙度9.48%,平均渗透率0.36μm2。几套储层均属低孔、特低渗储层。2004-2006年,在镇原曙探2井区长6油藏和曙评1井区延9油藏基础上建成镇泾油田,截止2008年底仅开发5.6km2,动用储量375×104t,累计产油8.1×104t。
目前华北分公司已开发的镇泾、宁东、定边3个油田,开发面积16.9km2,总计钻井205口,动用储量1078×104t,年原油产能10×104t。
3.鄂尔多斯“三低”油气藏的开发
油藏工程是一门认识油藏,运用现代综合性科学技术开发油气的学科。它不仅是方法学,而且是带有战略性指导意义的油气开发决策的科学。可以从整体上认识和控制油气藏,综合分析来自油藏地质、油藏物理、测井和试井等方面的成果,结合油气藏的实际生产资料,对油气藏中发生的各种变化从开发的角度进行评价、做出预测,并根据这种预测提出相应的技术措施,以提高油气藏的采收率。
鄂尔多斯属典型的“低压、低渗、低产”三低油气藏。通过华北人的探索攻关,初步形成了适合于低压致密油气藏开发的“以相控理论为指导的低压致密储层综合评价技术、三维地震储层预测技术、低压致密砂岩储层保护和压裂改造技术、低压致密气藏工程研究技术、以水合物防治为主的采气工艺技术、高压集气低温分离的集输工艺技术”等六项配套技术,形成了具有中石化特色的“大牛地速度、大牛地特色、大牛地模式”三低油气藏成功开发的典范。初步建成年产天然气20×108m3,原油10×104t的产能,随着镇泾、富县、彬长等区块的勘探开发向着更富有挑战性、更具美好的油气前景努力。
第三节 油气流动特点
油气的储集层是由固体(岩石)、液体(油和水)、气体(天然气)三态物质组成,采油气是储集层中油气受到各种天然或人工能量的驱动,从地层流向井眼并最终采集到地面的过程。因此油气流动特性是和油气藏的驱动类型紧密相关,只有了解油气藏的驱动方式,才能更好地预测油气井的生产情况,为采取相应的井控技术措施提供理论依据。不同的驱动方式可能会对应不同的井控技术措施,因此非常有必要了解各类油气藏的驱动方式。
一、油气藏的驱动方式
油气藏中油气的流动有两种,一是在天然能量驱动下的流动,二是在外力驱动下的流动,即用人工向油气储层内注水、注气或其他介质,向油层输入外来能量,保持油层的压力。
1.油藏的主要驱动方式
弹性驱动方式:弹性驱动是依靠油藏内孔隙介质中的原油、束缚水和岩石,在地层压力下降时所释放的弹性膨胀能来排驱原油的。
弹性驱动的驱油机理是随着的地层压力下降,地层岩石及孔隙中的流体弹性膨胀,岩石的弹性膨胀会使孔隙体积收缩,这两种作用力下,就把孔隙中的原油从孔隙中挤出。由于弹性能量有限,一般来说弹性驱动采收率很低。大多数情况下,弹性驱动出现在油藏开发的早期,经过一段时间后就转变为其他的驱动方式。
1-地层压力曲线;2-产量曲线;3-溶解油气比曲线
|
弹性驱动类型的油藏随着石油不断采出,压力和产量逐步下降,油藏内的单位压降产量是常数,并且在油层压力下降到饱和压力之前,油气比保持不变,如图1-9弹性驱动曲线图所示。
溶解气驱动方式:溶解气驱动是依靠原油中溶解气体析出产生的膨胀力来排驱原油,由于气的弹性膨胀能远远大于油层中原油、束缚水和岩石的弹性膨胀能,尽管弹性驱动的能量依然存在,但是溶解气的析出以及它的弹性膨胀大得多,因此,可以忽各弹性驱动作用。显然溶解气驱的能量要比弹性驱动能量充分得多,溶解气驱有可能成为一种独立驱动来开发油藏。
1-地层压力曲线;2-产量曲线;3-溶解油气比曲线;a-自由气不流动;b-自由气流动;c-自由气减少;d-分离气小于采出气;e-自由气为零;A-地层压力大于饱和压力时,地面油气比=溶解油气比;B-生产油气比=溶解油气比
|
溶解气驱油藏开采时压力急剧下降,这是由于没有外部流体或较大的自由气顶来占据被采出原油所占空空间的结果。无论在油藏哪个部位的井,油气比都急剧增加,当油藏压力降到饱和压力以下时,气体将从整个地层原油中分离出来,严重时会汇集成流,因气流粘度比油小而超越油流,会出现只产气不产油的断流现象。随着大量溶解气的采出,油气比又开始急剧的下降,油藏能量逐渐趋于枯竭。溶解气驱油藏开采时因无边水或底水作用,故油藏整个开采期间,产出的水极少或不产水,如图1-10溶解气驱动曲线图所示。
水压驱动:水压驱动是依靠油藏边部或底部地层水的重力或弹性能量来排驱原油,在自然界中要形成水压驱动油藏,要求油层有分布较广的含水区与良好的供水露头,且供水充足,露头与油层之间的高差大,油层渗透性好且均匀,油层与供水区之间无断层或岩性遮挡。
油藏开采时,随着石油的不断被采出,边水或底水逐渐向油藏内部推进,到油藏开采后期,油水比不断提高,直到油井逐渐被水淹没完全产水为止。如果供水区水源丰富,能补偿采出的石油量,则油井的压力和产量不随时间改变,基本上保持稳定。具有水压驱动类型的油藏,地层压力始终高于饱和压力。所以,在采油过程中,油气比基本在较低的水平上,随着油水边界的不断推进,含水率会连续不断地升高。
水压驱动类型油藏开采时油层压力下降非常平缓,甚至基本保持稳定,这是由于从油藏中开采出的油气体积与侵入到含油区中水的体积在数量上基本相等所致。在油藏开采期间,油气比通常变化很小,随着生产的进行,边水底水逐渐侵入,使油层压力得到保持,所以溶解在油中的气体分离出来的数量相对较少且稳定,如图1-11重力驱动曲线图所示。油藏的产油量或含水率由于水以均匀的方式侵入地层,到开采
后期因水的大量侵入产油量降低,含水率上升。
气压驱动与综合驱动:气压驱动油藏的驱油动力是气顶中压缩气体的弹性膨胀力,形成这种驱动类型要求油藏应具有较大的原生或次生气顶。油藏渗透性较好且分布均匀。含油区与含气区之间无断层或岩性遮挡,这样才能使气顶压力有效地传递到油层内部。
气压驱动类型油藏的开采时,产量随压力下降逐渐减少,油气比逐渐上升,在气顶突入到生产井以后,油气比急剧上升。
气压驱动是一个过饱和油藏,在油气界面上的地层压力是原油的饱和压力,
一旦地层压力下降,不但有气的膨胀作用,油气前缘排驱原油,而且在含油区的原油脱气,出现溶解气。由此可见,气顶驱动的同时必须存在溶解气驱作用,所以实际上属于混合驱动。如果含油区外侧还含有边水存在,就成了相当复杂的综合驱动油藏。
二、气藏的驱动方式
气藏的驱动方式表征着天然气从地层内被排驱出来的能量来源及开采过程中的消耗特征,根据气藏的驱动方式可以预测气田的压降规律及气的产量变化、气井的水淹时间及条件等。气藏的驱动方式一般分为弹性气压驱动和水压驱动两种。
弹性气压驱动方式:当油气藏为一封闭系统,在封闭系统内无边底水存在时,气藏开采的天然能量仅仅是靠天然气自身的弹性能量膨胀而驱动气体流入井中。因此,这种驱动方式是一种靠气藏内能消耗而采气的,故采气时地层压力会下降。
在气田达到废弃压力之前,它可以一直采气。所谓废弃压力是自气井所采气量仍可支付各种操作费用的最低压力,代表废弃压力的直线与气藏能量消耗曲线的交点所反映的则是气藏最终有经济价值的采收率。一般情况下气井的平均采收率约在80-90%。
水压驱动方式:水压驱动气藏一般与一定的水域相连,即气藏存在边水或底水。在气藏开采过程中,边水或底水有效的进入气藏内部,即通常所说的“水侵”,水的侵入不同程度地保持了储集层的压力。根据边(底)水的能量性质与其移动的程度不同,可将水压驱动分为弹性水压驱动和刚性水压驱动两种。
刚性水压驱动是一种理想的水压驱动。气藏的边底水在本身的水压头的作用下侵入气藏或且进入气藏的水正好等于生产总采出气体排空体积,故在采气过程中供给边缘上的压力保持为常数并等于原始地层压力。这种理想的驱动方式在自然界中很少存在。
实际上所有天然气藏的驱动方式都是气驱与不完全的水压驱动。图1-12中显示了弱、中、强三种类型的水驱,根据图中三种水驱能量消耗曲线与废弃压力线的交点所示的采收率可以看出,水驱气藏的采收
率比弹性气驱的采收率更小,且水驱越强,最终采收率越低,这与油藏有很重要的差别。在油藏中,水压驱动油田的采收率一般比弹性能量消耗式开采驱动方式采收率高得多。气藏则与此情况正好相反,这是因为侵入到气田的水不能将孔隙中的气全部驱替出来,相当数量的气被毛细管力捕集在岩石孔隙中,并且被水绕过或遗留在后面成为残余气,若用原始含气孔隙体积的百分数表示,则范围可达40-20%。
从图1-12中可以看出,对于压力保持原始压力附近的强水驱气藏来说,若残余气高达40%,则采收率低于60%,与弹性气驱的最终采收率高达80-90%成明显的对比。如果水驱强度降低,最终采收率则升高。事实上,非常弱的水驱气藏最终采收率可能会比靠内能消耗采气的采收率略高。
水驱强度强弱主要与气层的渗透率、气藏的大小及开采时间三个因素有关。
气藏渗透性越好,流体流动越容易,要求的压差也小,当渗透率很低时,即使压差很大,流体流动的流速仍很低,渗透率越低出现水驱的可能性就越小。
水驱强度的大小取决于储集层的大小。储集层越大,水驱越弱。保持压力所需要的水量取决于气田的面积,与气田半径的平方成正比,即气田面积越大,所需要水量越大,故相比较而言,面积大的气田水驱相对较弱。
采气时间对水驱强度的影响。通常水进入储集层需要一定的时间,如果气田产量保持在较高水平时,则需要在较短时间内进入气藏较多的水量以补充高速采气造成的气层亏空。因此强采时水驱动气藏水驱相对较弱,对产量低的相同气藏而言水驱则较强。
由于多数的气田有一定的边底水,而边底水气藏的地层水大小会影响气田的开发。我国四川多年气田开发经验表明,气田的开发历史就是不断同地层水斗争的历史,充分揭示了地层水在气田开发中的重要作用。因此,早期确定气田驱动类型及地层水的活动特征,对有效控制地层水的危害,提高气田开发水平极其重要。
三、油气的渗流规律
1.层流与紊流
在自然条件下水流运动时,不同的水流型态下,水流的运动方式、断面流速分布规律、水头损失各不相同。英国物理学家雷诺1883年通过大量的试验证明并解决了水流运动形态的判断方法。雷诺实验表明,实际流体运动存在着两种不同的状态,即层流和紊流。
液体沿管轴方向流动时,流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂,质点没有径向的运动,都保持各自的流线运动,这种流动状态,称为层流运动。若管中流速稍有增加,或有其它外部干扰振动,则流线为互不平行的直线,水质点做着规律的曲线运动,这种运动状态称为紊流运动。
层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混,只存在粘性引起的摩擦阻力。紊流则有大小不等的涡流动荡于各流层之间,除了粘性阻力,还存在着由于质点掺混、互相碰撞所造成的惯性阻力。因此,紊流阻力比层流阻力大得多。
为了判断流体流动形态,人们引用了一个有明确力学概念的无纲量雷诺数(R
e),雷诺数的力学意义是粘滞阻力和惯性阻力的比值。
R
e=惯性力/粘滞力
(1-1)
通过实验证实Re在液体运动的型态转变时,当断面型状不变时为常数,称为临界雷诺数(R
ek)。
雷诺数之所以能判别流态,正是因为它反映了惯性力和粘性力的对比关系。当管中流体流动的雷诺数小于R
ek时,其粘性起主导作用,层流稳定。当雷诺数大于R
ek时,在流动核心部分的惯性力克服了粘性力的阻滞而产生涡流,掺混现象出现,层流向紊流转化。
油气井中油、气、水流动过程中,油、气、水的分布状态受各相介质的体积比例、介质的流速、各相的物理及化学性质(密度、粘度、界面张力等)、流道的几何形状、壁面特性、管道的安装方式等影响,根据两相介质分布的形态可划分为包括泡状流、弹状流或团状流、层状流或波状流、段塞流或冲击流、环状流、雾状流,如图1-13油气沿井筒喷出时的流型变化示意图所示。按流动的数学模型或流体的分散程度可划分为分散流、间歇流、分离流等。
2.地层渗流
达西定律:根据雷诺实验,法国水利工程师亨利·达西在1956年通过实验对地层渗流过程进行了模拟实验,总结出了反映流体渗流基本规律的达西定律。达西得出在渗流过程中,流体流动的渗滤速度与流动途径上压力变化存在如下关系:
1-纯油流;2-泡流;3-段塞流;4-环流;5-雾流
|
(1-2) 式中:μ-渗流速度:
K-流体通过介质的渗透率;
-流体流动的压力梯度。
公式中的负号表示沿渗流方向是降低的,为保证渗流速度为正,人为地加上一个负号,公式(1-2)描述渗流的基本规律。
由达西定律可知,当流体的粘度、介质的渗透率一定,流动速度与压力梯度(d
p/d
l)的一次方成正比,在直角坐标系中,其关系曲线可为一直线。当渗流速度超过某一临界值后,渗滤的速度与压力之间不再成直线关系,如图1-14所示,定律的线性关系将被破坏,流动出现非线性渗滤。流体的非线性流动可用非达西定律的二项式表示。
井筒中的气液流动:在油气藏的在生产过程中,随着温度和压力的降低常在井筒中析出液体。因此,有必要对气井井筒中的气液流动进行讨论。
在油气井垂直管两相流动中,通常遇到的流态主要有泡状流、弹状流、段塞流、环状流和雾状流五种流态(如图1-15所示)。如果油井在生产过程中井底压力高于饱和压力时,气是溶解在油中的,在这个阶
段油管中只有液体在流动,称为纯油(液)流,但这种状态在正常生产时通常持续时间须很短。
当液体沿着油管向上运动时,压力减小,油气的环境压力小于饱和压力,天然气将从油中析出来,油管中开始出现气体,并呈现为“泡沫状”结构,称为泡状流。
在泡状流态下,管线几乎为液体所充满,游离气相以小气泡的形状存在,管线中的气体总是和液相接触,气泡对压力梯度的影响很小,液相控制着垂直管流的压力梯度。流体沿着油管继续向上运动,小气泡逐渐膨胀,并且互相合并成大气泡,大气泡形成顶部凸起的炮弹形气泡,称为弹状流。
随着流体向上的继续运移,油气所受的压力减小气泡体积进一步增大,气泡逐渐增多,大的气泡扩张到几乎占据油管的横截面积,形成段塞形式流动,这时气泡托着油柱向上运动,气体的膨胀更能得到很好的利用,气体和液体对管线的压力梯度都有明显的影响,但液相仍是连续的,液体影响占较大优势。在油管中越高的部位压力越低,一方面气体从油中析出来的越多越使气柱加长,另一方面气体的膨胀将高粘度的油柱缩短并突破,气泡增多变为连续相,液体份量减少,以小液滴的形式分布在气相中,管壁上吸附一层液膜,气相的影响占优势。这时气体以很高的速度携带着油滴上升,油气之间的相对速度越来越小。在接近井口时,压力更加降低,大部分天然气从油中析出,气体体积进一步膨胀,使管壁上的液膜越来越薄,直到道最后只能以小液滴形式存在或消失,此时气液之间几乎没有相对运动,都以非常高的速度流向井口,在这个过程中,气相控制着井筒的压力梯度。
第四节 油气的采输
一、原油的采输
随着石油工业的发展,越来越多产量高、油层埋藏深的油气田被发现,自喷采油和各种人工举升采油的方法应运而生。
从油层中开采原油的方法按油层能量是否充足,可分为自喷和机械采油。当油层能量充足时,依靠油层本身的能量将原油举升到地面的方法称为自喷。当油层能量较低时,可采用机械设备给井筒流体补充能量的方法将原油举升到地面,称为机械采油也称人工举升方法。
1.自喷采油
一口油井用钻井的方法钻孔、下入套管连通到油层后,原油就会像喷泉那样,沿着油井的油套管自动向地面喷射出来。油层内的压力越大,喷出来的油就越快越多。这种靠油层自身的能量将原油举升到地面的能力,称为自喷,用这种办法采油,称为自喷采油,常发生在油井开发的初期。
自喷井的产量一般来说都是比较高的。例如:中东地区有些油井每口油井日产油量可高达1-2万吨。华北油田开发初期,很多油井日产千吨以上,大庆油田的高产井日产200-300吨。据统计,目前世界上约有50%-60%的原油是靠自喷方法开采出来的,特别是中东地区的油井,大多数油井有旺盛的自喷能力。由于这种方法不需要复杂昂贵的设备,油井管理比较方便,是一种高效益的采油方法。所以,在油田开发过程中,人们都设法尽可能地保持油井长期自喷。
2.人工举升采油
随着油田的不断开发,地层能量逐渐消耗,油井最终会停上自喷。由于地层的地质特点,有的油井一开始就不能自喷。对于上述不能自喷的油井,必须用人工举升的方法给油流补充能量,将井底的原油采出来。目前,利用人工举升将原油从井底举升到地面的力法可分为气举法和抽油法两大类。
⑴气举法
气举法是指地层尚有一定能量,能够把油气驱动到井底,但地层供给的能量不足以把原油从井底举升到地面上时,需要人为地把气体注入井底,将原油举升出地面的人工举升采油方式。它的举升原理和自喷井相似,是通过向油套环空注入高压气体,并通过油管上的多组气举阀在不同压力、不同井段时让一部分气体进入油管,用以降低井筒中液体的密度,在井底流动压力的作用下将液体排出井口。同时,注入的高压气体在井筒上升的过程中体积逐渐增大,气体的膨胀功对液体也产生携带作用。气举适用于油井供液能力较强、地层渗透率高的油井。海上采油、深井、斜井、含砂井、含气井和含有腐蚀性成分而不宜用其他人工举升采油方式开采的油井,都可采用气举采油。
气举采油的优点是井口、井下设备比较简单、管理调节比较方便。缺点是地面设备系统复杂、投资大,而且气体能量的利用率较低
⑵抽油法
抽油法主要是深井泵采油,可分为有杆泵采油和无杆泵采油两大类。
有杆泵采油是由抽油机、抽油杆和抽油泵为主要部件的采油系统,是指抽油机通过下入井中的抽油杆,带动井下抽油泵的活塞做上下往复运动,把油抽汲到地面的人工举升采油方法。这种方法用量最多,具有结构简单、适应性强和寿命长的特点,大约占世界人工举升采油总井数的80%-90%。
无杆泵采油是指不用抽油杆传递动力,而是用电动机、高压液体等驱动井下泵,即用特殊的抽油泵如电动潜油离心泵、螺杆泵、射流泵、水力活塞泵开采原油。分别叫电动潜油泵采油、螺杆泵采油、射流泵采油、水力活塞泵采油。
3.注水
大多数油藏能依靠油层原始地层压力驱动原油和天然气通过油井管柱,自己喷到地面的管道中来。油井停上自喷后,怎样使其恢复青春继续生产原油?如何尽量多地把埋藏在地下的原油开采出来?
生产到一定时期随着油气的不断喷出,地层内部的压力逐渐降低,当油层的剩余压力降低到低于油井管柱中液体给油层造成的回压时,就不能再把原油举升到地面上来了。通过在油田的边部或油层低部位、油井相间的位置打一部分注水井,通过高压注水泵把合格的水注入到与油井出油层相同的层位。一方面用水来占据原先贮存油气的位置,使原油不断被水挤推到油井井底并喷流到地面。另一方面补充油气流出后造成的地下压力损失。这种方法叫油田注水。
油田注水是国内外都在采用的一种保持油井稳定生产,并最大限度地把原油从地下驱替到地面上来的有效办法。根据油藏性质,油田注水有早期注水和后期注水之说。我国绝大多数油田都采用早期注水方式,即当油井开始生产时,同时开始注水。而在西方各国则多数是先采油,以最低的成本,迅速回收投资,获取利润。当地层压力降低了很多,原油生产量大幅度下降时,才开始注水。大庆油田采用早期注水技术使油田稳产30年,在世界上都享有较高声誉。
4.原油集输
当说到工厂时,人们头脑的第一反映就会想到长长的围墙、气派的大门、错落有致的车间以及来往如梭的车辆把原材料拉进厂内,又把加工出的成品运往各地。那么油田是什么样子呢?其实油田也是一个工厂,是一个既没有围墙也没有大门的硕大无比的人工厂。如“大庆油田”南北长138千米,东西宽73千米,拥有油水井几万口,将整个大庆市围在中央。大家不难想象,将这么大的区域围起来是完全不可能的。但是油田既然是一个工厂,它就具备一般工厂的一切功能,有自己的原料基地和自己的加工车间。
油田的原料基地就是油藏,通过勘探找到油气藏,再通过打井把地下含有水和其他杂质的石油和天然气开采出来,就完成了一般意义工厂的原料采购过程。石油和天然气采到了地面后,还要把各个单井产出物收集汇合,再经过复杂的处理变成合格的商品油和商品气并输送给用户。这个把单井产出物收集汇合、处理并输送给用户的过程,就是产出物的加工过程,完成这个加工过程的单元就是一般意义工厂的加工车间。这种车间在石油业内又称其为油气集输工程。
油井产出物经过计量站、接转站、联合站的集输、处理,加工成合格的原油、天然气、液化气等产品。由此可见油田本身是一个从原材料采掘到产成品加工的特大型工厂,而油田集输系统就是一个没有围墙的大加工车间。
计量站就像小溪一样,流量小但数量多、分布广。而接转站则像一条河的支流,具有了相当的流量。联合站就像大江大河一样,汇集了全部的油井产出液,这就完成了油气集输工程汇集过程。
油井产出物经过地面集输流程最终到了联合站,此时油井产出物还含有水、砂、泥、有害气体等其他成分。必须经过一系列的物理化学处理过程,将油井产出物分离、净化成合格的气、油、水。联合站是油气加工的最后一道工序,相当一般意义上工厂的成品车间,其主要功能包括油气处理、污水处理、供注水、原油储存外输、原油稳定及轻烃回收等。
二、天然气的采输
1.气藏中流体及其性质
气藏中主要流体是天然气、凝析油和水。不同组分的天然气其特征参数随压力、温度等条件的变化,其密度、粘度、体积系数等参数的变化很大。密度与压力、温度有关,在低温高压下与压缩因子Z有关。粘度是气体的内摩擦力,是气体流动的难易程度表征,是在地层、井筒和地面管道中流动时产生阻力或压力降低的原因。
油气藏中的水按活动性质分自由水和间隙水两类。在采输气中常用露点表示饱和含水量,压力相同时,温度越高,含水量越高,温度相同时,压力越高,含水量越低。
凝析油在油气藏中呈气态,在开采时因为降温降压凝结为液态而从天然气中分离出。
天然气与空气以一定比例组成的混合气体,在封闭的系统中,遇到明火就会发生爆炸。爆炸极限与混合气体的压力及温度有关,天然气与空气混合物的压力、温度越高,爆炸极限范围越大。
2.天然气的采输特性
在天然气生产过程中,一旦遇到合适的压力温度条件,天然气会在气井内或者地面管线内会形成水合物,导致天然气流量减小,压力降低,甚至堵塞设备和管道。
液态水的存在是生成水合物的必要条件,足够高的压力是生成水合物的重要条件。天然气中液态水的来源于油气层内的地层水(游离水)以及气层中饱和水蒸气的析出。采输气过程中,天然气从井底流到井口,经过节流阀、孔板等节流件时,会因为压力下降而引起温度下降,为水合物的生成创造了条件。对组分相同的气体,水合物的生成概率随着压力升高而升高,也就是压力越高,越容易生成水合物。另外高流速、压力波动、气流方向改变时结晶核存在(如杂质)引起的搅动是生成水合物的辅助条件,在阀门、弯头、异径管、节流装置等产生局部阻力的地方,易形成水合物。
如果水合物在油管中生成时,会降低井口压力,影响产气量,妨碍测井仪器的下入;在井口节流阀或地面管线中生成时,会使下游压力降低,严重时堵死管线,造成供气中断或引起工艺设备超压运行或爆炸,引发生产事故。
为了保证安全顺利生产,一般需要采取预防或解堵水合物的措施,如注甲醇、水套炉加热、低温分离脱水等破坏游离水、温度和压力中任何一个形成水合物的因素。
3.采气工艺流程
将埋藏于地下数百甚至数千米深的储气层中的天然气引至地面的过程就是采气,具体来讲就是指天然气从地层进入采气井筒,通过井筒到达地面采气井口,再由采气管线到达集气站的生产过程。不但涉及到天然气从地层流向井底的基本规律、流动特征等,还包括流体在井筒内的流动状态、气液分布状态,以及地面工程特点、处理工艺等,在不同程度上互相影响,是一个复杂的系统工程。同时,对于不同的气藏、不同的开发阶段、不同的生产方式,生产系统会出现不同的特征,会产生不同的技术问题,需要选择合适的采气工艺流程。
地层内的天然气等流体进入井筒后,通过井内的管柱和采气井口装置的控制调整,按照设计的压力、流量等参数进入地面流程。因此井内管柱的结构和采气井口装置对采气工艺、后期相关作业、安全环保等具有重要的作用。
4.输气工艺流程
天然气从单井集输到集气站,经调压、分离、计量后再输至净化厂脱水、脱油、脱硫输入输气干线或直接输往用户的过程就是集输气。若气井能量不足,还需建立压气站以增加天然气能量便于长距离输送。
输气工艺流程是一个联系采气井与用户间的复杂而庞大的管道及设备组成的采、输、供网络系统。一般由集输气管线、增压站及净化处理厂、集输配气场站、清管及防腐站等基本组成部分。从采出到输送要经过气井→油气田矿场集输管网→天然气增压及净化→输气干线→城镇或工业区配气用户的集输气流程。
输气站是将天然气分离、除尘、调压、计量按用户要求平稳地供气。同时承担截断输气干线,排放干线中的天然气,以备检修输气干线,以及发送和接收清管器等任务。按设备、仪器、仪表及相应的管线布置分清管工艺流程、过滤分离工艺流程、计量工艺流程、越站旁通工艺流程、增压工艺流程等,自然也是采输气井控、安全管理的重点。