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油田试压车:采油工程概论

来源:龙渊机械    作者:试压泵厂    本页关键词:油田试压车,井口试压车,车载试压装置

采油工程概论

第一节 概  述

  石油开采包括两个截然不同而又紧密相连的主要系统:一个是具有一定储存和流动特性的孔隙介质系统,即油藏;一个是人工建造系统,包括井筒、井底、井口装置及地面集输、分离和储存装置。

  做为石油工程的一部分,采油工程力图以经济有效的方法使产量(或注入量)达到最大。适当的采油工艺和方法的应用,直接或间接地涉及到其他石油工程领域,如地层评价、钻井和油藏工程。其中最为重要的一些关系简述如下。


油田试压车


  现代地层评价,通过三维地震、井间测井对比以及试井手段提供综合油藏描述,从而对各具特色的地层流动单元进行划分并将连通的流动单元组成一个油藏。

  钻井对井身结构起着至关重要的作用,随着定向钻井技术的出现,使许多可控井的布置包括长水平段或多层水平段完井成为可能。钻井引引导的井眼附近的地层伤害是严重的,特点是长水平井。

  广义上讲油藏工程与采油工程在很大程度上相互交叉,它们在研究内容(单井与多井底井) 及研究时间 (长期与短期) 上的区别往往不易弄清。做为采油工程研究对象的单井动态,无疑是油田油藏工程长期研究的边界条件。另一方面,利用物质平衡计算及油藏模拟方法所得到的结果,可进一步确定和修正井的动态预测,并从而提供更为恰当的采油工艺决策。

在采油工程理论发展过程中,首先必须对重要的控制动态参数及系统特性参数有所了解。

第二节 采油系统组成

一、油藏烃类的体积与相态

(一) 油藏
  一个油藏由一个或几个相互连通的地质流动单元组成。虽然过去我们已根据井的形状及泄流建立了径向流概念,然而诸如三维地震、新的测井和试井方法等现代技术,可使我们对井和油藏的形状以及它们的相应生产特性给出更准确的描述。这在确定横向和垂直边界及固有非均质性方面更是如此。

  适当的油藏描述包括非均质程度、连续性及各向异性。这些描述虽然很重要,但随着长达数千英尺水平井的出现,其重要性更加显著。

  一个具有潜在横向非均质性或不连续性(封闭断层)、垂向边界 (页岩、透镜体) 及各向异性 (应力或渗透率) 的油藏中有一口垂直井和一口水平井的示意图。

  尽管适当的油藏描述及边界、非均质性和各向异性的认别至关重要,但在仅有一口垂直井的情况下,这一点似乎可以略放宽些。可是,当钻长水平井时这一切又都变得非常重要了。

横向的不连续性(包括垂直井引起的不均匀的压力降),对水平井的产量预测将有很大影响。井眼轨迹和方位对井的产量同样有很大影响。通常,只存在一个最优方向。

  对现有烃类聚集的地质过程有所了解是很必要的。毫无疑问,最好的石油工程师应该是那些了解地质沉积,流体运移和聚集过程的人。无论是背斜、断块还是河道砂油藏,它不仅决定了烃的现有数量,而且在很大程度上控制着井的未来动态。

(二) 孔隙度
  石油工程的各个环节,旨在解决孔隙介质中的流体的开采问题。孔隙度可简单定义为孔隙体积 Vp,与岩石总体积 Vb 之比值,即它是岩石中流体量的直接指标。孔隙度大小一般为0.1 ~0.3 。油藏岩石的孔隙度可用岩心,通过不同的实验室测定技术来确定,也可用测井、试井等油田测试方法进行测定。孔隙度是任何开发方案中要取得的最早数据之一,且其值的精确性对油田潜在储量的深入开发至关重要。如果不知道基本孔隙度,就不可能有效地开发油藏。

(三) 油藏高度
  通常称之为 “油层厚度”。油藏高度是指夹在两个非渗透层之间的孔隙介质的厚度。有时,要将含油层的厚度与下伏含水层的厚度区分开来。测井技术的发展使得辩认油层垂向范围成为可能。例如,由于砂岩的自然电位与泥页岩的明显不同,故可用自然电位测量来估计地层厚度。对层状地层,常用 “总高” 和 “净高” 来对整个地层厚度与含烃地层厚度加以区别。

  一口井的测井曲线。该曲线明显地反映了砂岩的自然电位与相邻泥页岩的不同,从而反映出含烃孔隙介质的厚度。

  准确地测定净油藏高度对任何开采过程都是十分必要的。油藏的非均质性、各向异性、不连续性以及其边界对垂直井和水平井动态都有影响。

(四) 流体饱和度
  油、气从来不是单独饱和孔隙空间的,而总是有水存在。虽然某些岩石为 “油湿”,油分子附着在岩石表面,但更多的岩石为 “水湿”。岩石的润湿性是由静电力和表面张力作用而产生的,但岩石的润湿性却因注入流体、钻井、强化措施和表面活性剂的存在而发生改变,并常常带来有害的后果。如果虽有水存在,但不流动,其相应的水饱和度称之为 “原生水饱和度” 或 “间隙水饱和度”。当水的饱和度大于此值时,水将与烃共同自由流动。

  石油烃是多种组分的混合物,可分为油和气。随着组成、温度及压力条件的变化,任一混合物可以液体(油)、气体或液气并存。

油和气的概念常是模糊的,生产的油、气是指总混合物经地面分离后成为液态和气态的部分。通常分离条件所对应的压力和温度是 “标准条件”,一般为 (但并非总是)14.7psi 和60 。

  当然,油藏中油和气的流动,意味着不论在原始地层压力下还是在井底流动压力条件下,都允许两相共存,除高产气井外,温度常被视为是不变的。

  烃饱和度是试井和完井前需要确定的第三个重要参数(前两个为孔隙度和油藏高度)。经典的方法就是用种种方法测量地层电阻。我们知道,地层水具有良好的导电性 (即它们的电阻很小),而烃类恰恰相反。因此,通过测量孔隙地层有效高度上的这一电性就可探测烃类的存在。经适当的校正,则不但可辩别烃类存在与否,还可以估计出烃的饱和度(即烃所占据的孔隙空间比例)。

  还给出了电阻测井曲线。通过对自然电位曲线和电阻曲线的比较,可看出,在自然电位较小的地段有一高电阻,这可能是孔隙介质中饱和烃很好的指标。

  在决定油田是否具有开采前景时,必须综合考虑孔隙度、油藏净厚度及饱和度,三者缺一不可。用这些变量可以评价井附近地区的含烃情况。

(五) 油藏分类
  所有烃类混合物都可用相图来描述。它是以温度为 x 轴,压力为 y 轴的图。图上有一特殊点———临界点。在该点处,气、液两相性质的差别消失。对于近临界点的每一温度点,都对应有一称之为泡点压力的压力点。当压力高于该压力时,仅有液体(油) 存在,而当压力低于该压力时则气液共存。对于较低压力 (恒温下) 将有更多的气体被释放出来。油藏压力高于泡点压力的油藏称为 “未饱和油藏”。

如果原始地层压力低于泡点压力或井底流动压力低于泡点压力 (即使地层压力高于泡点压力),则油藏中会有自由气形成并可能流动,这类油藏称为 “两相油藏”或 “饱和油藏”。

当温度高于临界点温度时,包含两相的包络线称为“露点线”。在其外部,流体为气体。处于这种条件下的油藏称为 “干” 气藏。

  两相包络线的最高温度称为 “临界凝析温度”。在这两点之间,存在一个区域,在这个区域内,由气体饱和曲线形状看出随压力的降低会有凝析液形成,但这种现象只能发生在一定的压力范围内。当压力降低到一定程度后,又发生重蒸发现象。
  发生这一现象的区称为 “反凝析区”,具有这一特性的油气藏便称为 “反凝析气藏”。

每一个油藏都有其特征相图及相应的物理与热力学特性。这些通常用专门方法从井中取来流体样品在实验室测得。这些石油热力学特性总称做 PVT (压力-体积-温度) 特性。

(6) 面积延伸
  在单井测试基础上得到较为精确的孔隙度、油藏高度、流体饱和度和压力 (及隐含的相态分布) 结果,对油藏的开发决策和适当的开发方案还是不够的。

近来三维和井下地震技术的发展,结合试井,可大大增加对油藏的认识范围,可以测得地层的非连续性及其位置,随着钻井数的增多,更多信息的获得,可对油藏的特性及边界有更多的认识。

  在原始油 (气) 储量估算中,面积延伸情况是不可缺少的条件。油藏条件下的烃体积 VH C是VHC =AhΦ(1 -Sw) (1 -2)这里 A 是面积延伸,h 是油层厚度,Φ是孔隙度,Sw 是含水饱和度 (1 -Sw是含油饱和度)。当然,孔隙度、油藏高度及饱和度在油藏面积延伸范围内是可变的。

  由公式1 -2 ,再除以地层体积系数可估算出标准条件下的油(或气) 体积。体积系数可简单地定义为一定质量的烃在油藏条件下的体积与标准条件下的体积之比。这样,对于油气体的地层体积系数 Bg (传统上单位为ft3/scf),是一个简单地体积关系,用实际气体定律可很容易地计算出来。气体地层体积系数远远小于1 。

  油的地层体积系数 (单位为bbl/STB) Bo,则不是一个简单的物理性质。它代表了一个热力学关系,允许将标准状况下所释放出的所有气体在回到油藏压力条件时全部转为液体。因此油的地层体积系数一定大于1 ,它反映了因溶解气体而引起的体积膨胀。

二、渗透率

  实际孔隙度通常 (并非一定) 指相互连通的孔隙。因此孔隙介质是 “可渗透的”。渗透率是描述孔隙介质允许流体流过能力的一种性质。某些岩性的岩石 (如砂岩),孔隙度越大则渗透率越大,而另外一些岩性的岩石(如白垩岩),虽然有时孔隙度很大,(有时甚至大于0.4),但相应的渗透率并不大。

  利用渗透率与孔隙度间的相互关系时应十分谨慎。对采油工程计算来说,很少用到这些关系,除非在考虑基质的增产措施时。在这种情况下,措施后的渗透率与孔隙度之间的关系则十分有用。

  渗透率的概念是达西 (1856) 在一个古典实验中提出的。这一实验对石油工程和地面水文的研究都有重大意义。

达西实验的流程图。利用该实验可测得不同孔隙介质的流量 (或流速) 与压力 (压头) 的关系。

  达西观察到,通过特定孔隙介质的流量与进出口压差的关系为u ∝K p (1 -5)式中,K 是渗透率 (孔隙介质的固有属性)。达西实验中用的是水,如果改用其它粘性流体则渗透率必须除以流体粘度。

三、近井地带,井底砂面及完井

  井的周围地带是很重要的。首先,所有作业,如钻井、固井和完井等的污染必然会改变近井地带的油藏条件,对地层造成伤害。

  基岩的增产措施旨在恢复甚至提高近井地带的渗透率 (尽管增产措施也会对地层有伤害,而人们期望净效果是有利的)。

  许多井下套管水泥固井。固井的目的之一是为了支撑套管。在油层深度处,最重要的目的则是为了隔离油层。在裸眼井中,油层易被其它地层的产出液所污染或漏入其他层。如果没有隔离油层或井眼稳定问题,则可采取裸眼完井。而对于下套管固井的井,为了重新与地层连通,则必须射孔,

  如果确实没有必要下套管注水泥,并且不大可能出现井眼稳定问题,则可以考虑使用割缝衬管。

  最后,为了防止出砂及其它微粒的产出,可在油井与地层间装筛管。砾石充填防砂法可起到附加保护,并保持渗透率减少出砂。

  给出了各种完井方式及相应的近井地带状况。
  定向钻井可打出斜度很大的斜井和水平井。在这两种情况下,井对地层的暴露程度要比垂直井大得多。

四、油井

  流体经孔隙介质、近井地带完并系统进入油井,并通过油井将它们举升到地面上来。

在井底与井口之间需要有一个流动压力梯度,其中包括势能差 (静水压力) 和摩擦压力降。前者取决于油藏深度,后者取决于井身长度。

  如果井底压力足以能将流体举升到井口,那么油井就是 “天然能量举升” 的。否则,需要 “人工举升”。泵能可提供机械举升。另一种方法是降低井中流体密度来减小静水压力,从而实现举升。这可通过向井中某一设计位置注入干气,即所谓的 “气举” 来实现。

五、地面设备

  流体被举升至井口后,可能会直接流入与多口井相连的管汇中。油藏流体由油、气 (即使井底流动压力高于泡点压力,在举升过程中也可能从油中脱出气)和水组成。

  习惯上,不会以油气水混合的方式将流体传输很远的距离,一般是在距井不远处用地面分离装置将其分离。但在一些海上油田则例外,从海底油井采出的流体,有时是几口井的混合采出液,要传输很长一段距离后才进行分离。

  最后,将分离的流体外输或储存,产出水通常回注地下。