提高热采水平井火驱开发效率的完井技术研究+毕业设计论文+冉津津.docx
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提高热采水平井火驱开发效率的完井技术研究+毕业设计论文+冉津津
本科毕业设计(论文)
题目
提高热采水平井火驱开发效率
的完井技术研究
学生姓名
学 号
教学院系
石油工程学院
专业年级
石油工程2007级
指导教师
职 称
讲师
单 位
西南石油大学石油工程学院
辅导教师
职称
单 位
完成日期
2011
年
6
月
SouthwestPetroleumUniversity
GraduationThesis
ImproveThermalRecoveryHorizontalWellFireFloodingDevelopmentEfficiencyofCompletionTechnologyResearch
Grade:
Name:
Speciality:
PetroleumEngineering
Instructor:
SchoolofPetroleumEngineering
2011-06
摘要
火烧油层技术作为热力采油的一个重要的组成部分,是提高采收率诸多方法的一种颇具特色的工艺手段,它的开采特征是任何单独一种开采方法所不具备的。
在火烧油层技术的发展过程中,传统的火烧油层技术由于其开采方式的限制,使得采收率难以进一步提高。
同时,传统的火烧油层技术的不稳定生产方式也给火烧油层完井技术的研究带来了诸多难题。
以直井-水平井组合、水平井-水平井组合重力泄油原理为辅助的火烧油层新技术的提出克服了传统火烧油层技术的诸多问题,进一步提高采收率。
由于这种新技术能够进行稳定生产,这给火烧油层完井技术的研究带来了方便。
本文围绕这种重力泄油原理为辅助的火烧油层技术,通过研究点火、温度、腐蚀及出砂等影响因素,结合现代火烧油层技术的发展趋势,获得了相应的完井方面的需求,根据完井需求对完井技术进行了分析研究并对其进行优选,从而找到最合适的完井技术以达到提高火驱开发效率的目的,为火烧油层技术的现场实施提供一定的参考。
关键词:
水平井;火烧油层;效率;完井技术
Abstract
In-SituCombustionasthermalrecoveryanimportantpartofmanymethods,isimprovetherecoveryofakindofcharacteristicprocessmeans.Itistheminingcharacteristicsofanysingleaminingmethoddoesn’thave.IntheprocessofthedevelopmentofIn-SituCombustiontechnology,thetraditionalIn-SituCombustiontechnologybecauseitsproducingmethod,makerecoverylimitedtorisefurther.Meanwhile,traditionalIn-SituCombustiontechnologyproductionmethodsofinstabilitytoIn-SituCombustionwellcompletiontechnologyresearchbringsaboutmanyproblems.
Withverticalwells-horizontalwellsandhorizontalwells-horizontalwellsofhorizontalcombinationgravitydischargeofauxiliaryprincipleofnewtechnologyproposedovercometraditionalIn-SituCombustiontechnologyhasmanyproblems,furtherimprovetherecovery.Becauseofthisnewtechnologycanbestableproduction,theIn-SituCombustionwellcompletiontechnologyresearchbroughtconvenient.Thispaperfocusonthegravityoftheprincipleofdischargeofoilreservoirtechnology,throughtheresearchofignition,temperature,corrosion,andsandingfactors,combinedwiththemodernIn-SituCombustiontechnologydevelopmenttrend,obtaincorrespondingcompletionneeds,againaccordingtotheneedsofthewellcompletiontechnologyisanalyzedandtheoptimizationstudy,soastofindthemostsuitablewellcompletiontechnologytoimprovethefirefloodingdevelopmentefficiency.FortheimplementationoftheIn-SituCombustiontechnologytoprovidethereference.
Keywords:
HorizontalWells,In-SituCombustion,Efficiency,WellCompletionTechnology
1绪论
1.1引言
稠油在世界油气资源中占有较大的比例。
据统计,世界稠油、超稠油和天然沥青的储量约为1000×108t。
稠油资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国、俄罗斯、中国、印度尼西亚等,其重油及沥青砂资源约为4000×108~6000×108m3(含预测资源量),稠油年产量高达127×108t以上。
中国重油沥青资源分布广泛,已在12个盆地发现了70多个重质油田,预计中国重油沥青资源量可达300×108t以上。
因此,稠油的开采具有很大的潜力,而且随着轻质油开采储量的减少,21世纪开采稠油所占的比重将会不断增大。
对于稠油油藏,常规方法很难开采,要采取一些特殊的工艺措施,如热力采油、化学方法采油、生物采油及一些组合方法等。
为此,各国均有针对性地加强了稠油开采的技术研发。
如何有效开采稠油,使其成为可动用储量,是石油工业一直面临的问题。
稠油粘度虽高,但对温度极为敏感,每增加10℃,粘度即下降约一半。
依国际通用的ASTM标准,中国许多稠油油田的稠油粘温曲线呈斜直线状,斜率几乎一样。
这说明稠油对加热降粘的规律性是一致的,这也是稠油热采的主要机理。
热力采油作为目前稠油开发的主要手段,能够有效升高油层温度,降低稠油粘度,使稠油易于流动,从而将稠油采出。
火烧油层技术是最早用于开发稠油的热力采油技术[1]。
目前,全世界已经有100多个油田开展了较大规模工业性开采试验,其采收率一般可达50%~80%。
我国从1958年起,先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究。
近年来,随着水平井技术的发展,火烧油层技术研究呈现出新的发展趋势,即应用水平井实施重力辅助泄油的火烧油层新技术。
该技术能够把火烧油层技术中的高能量效率与水平井具有的高速采油能力和重力泄油过程具有的高采收率特性结合起来,并且能够消除和减缓平面直井间火驱中存在的燃烧见效慢、难于维持燃烧、氧气突破过早、严重出砂、井筒中采油泵气锁、腐蚀和结垢等生产问题。
物模实验表明,采用这种新的火烧方法,在蒸汽获取采收率25%的基础上,还可增加40%采收率。
因此,火烧油层技术是一种具有明显技术优势和潜力的热力采油方法,随着采油理论和技术的不断深化,火烧油层技术将越来越受到重视,火烧油层采油的应用前景得到了普遍的认可。
1.2研究目的及意义
火烧油层技术在实施过程中,因为其燃烧过程发生在油层内部,进行过程量划时有很大的局限性,缺乏全面的认识。
如井组面积大小与注气速度不匹配,燃烧温度与原油性质不匹配,井网组合的不匹配等。
另外,油层燃烧产生的高温对井壁、套管及其井下工具造成影响和破坏,注入的氧化性气体对套管、水泥和工具的腐蚀(燃烧时温度和气体含量变化如图1.1所示),在高温环境下这种腐蚀将更加严重,还有点火工艺的复杂性。
这些问题都关系着火烧油层能否成功实施,是顺利实施火烧油层技术急需解决的问题。
图1.1燃烧时的温度和气体含量变化
在运用火烧油层技术开发的过程中,油井完井的方式和完井质量的好坏直接影响到火烧油层技术的实施、储层改造、后期采油过程中的安全及油井的使用寿命。
无论是注入井还是生产井,水平井相对直井而言拥有很多优势,更容易提高火驱开发效率,因而本课题围绕提高水平井火驱开发效率的完井技术展开。
对火烧油层技术开发过程中井筒周围高温、腐蚀情况进行详细调研,确定其对火烧油层技术完井管柱及配套工具的影响,有针对性的优选完井技术,避免以上诸多问题保证完井技术顺利的实施,从而提高火烧油层技术的开发效率;并在此基础之上,从火烧油层技术发展趋势出发,提出火烧油层完井技术新需求,从而进一步提高采收率。
因此,对提高水平井火驱开发效率的完井技术研究是很有意义的。
1.3国内外研究现状
我国从1958年起,先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究,因受当时条件的限制,火烧油层技术让位于注蒸气采油,在我国的现场应用直到目前还为数不多[2]。
但是,室内研究一直没有停止,特别是在中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所,中科院化学所等单位,80年代以来不断开展火烧油层的物理模拟,化学模拟和数学模拟研究,配置了一批研究设备和仪器,开展了大量的室内试验,也进行了现场火烧可行性研究和施工设计与预测。
中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所还与罗马尼亚开展了有关现场火烧工艺的交流合作研究项目,现已取得了不少可喜的成果。
火烧油层采油法从本世纪20年代起,至今已经经历了70多年。
在世界上150-160多个稠油和轻质油油藏上进行了现场试验,并取得了一定的成果。
据资料统计,1998年全世界共有29个火驱项目,火驱开发日产原油4800t,单井日产油4.8t。
其中,美国的8个火驱项目日产油960t;加拿大的3个项目日产油1040t,火驱产能规模占非蒸汽开采的50%以上;印度与罗马尼亚各有5个火驱项目,罗马尼亚原油总产量中10%以上的产量是用该方法开采出的。
现今全球范围内还有14个大规模的工业性火烧油层项目正在进行之中。
传统的火烧油层技术是基于直井-直井组合和常规的直井-水平井组合之上发展演变而来的,这种直井-直井组合和常规的直井-水平井组合的开采方式具有诸多局限性,增大了火烧油层完井技术的难度,阻碍了采收率的进一步提高。
近年来,随着水平井技术的发展,火烧油层技术研究呈现出新的发展趋势,即应用水平井实施重力辅助的火烧油层技术,并由此衍生出了非常规的直井-水平井组合和水平井-水平井组合的生产方式。
该技术把火烧油层技术中的高能量效率与水平井具有的高速采油能力和重力泄油过程具有的高采收率特性结合起来,采用水平井作为生产井,扩大了井眼与油层的接触面积,提高了油层吸气能力,加速了井筒到油藏的热传递,降低了注气强度和采油强度,移动原油不必经过冷油区,通过最短距离即可进入生产井,实现了稠油的就地升温降粘和非混相空气驱,极大地提高了原油的采收率。
1.4技术路线和研究内容
1.4.1技术路线
图1.2技术路线图
1.4.2研究内容
(1)收集国内外火烧油层技术及其完井技术相关资料,了解国内外火烧油层技术的发展状况。
(2)从国内外相关资料中掌握并总结出所需的提高水平井火驱开发效率完井技术的一些可行的方法。
(3)根据火烧油层技术的发展趋势提出完井新需求。
(4)翻译相关的外文文献。
(5)完成毕业论文。
1.5取得成果
(1)通过文献调研,对提高火驱开发效率的完井技术进行了优选。
(2)针对火烧油层技术的发展趋势,提出了火驱完井技术新需求。
(3)编写了相关的程序。
2火烧油层技术概述
2.1火烧油层技术简介
火烧油层,国外又叫“就地燃烧”(In-SituCombustion),它利用油层本身的部分燃烧裂化产物作为燃料,利用外加的氧气源和人为的加热点火手段把油层点燃,并维持不断的燃烧,燃烧生热使温度达到1000℃,从而实现复杂的多种驱动作用。
火烧油层工艺作为热力采油的一个重要的组成部分,是提高采收率诸多方法的一种颇具特色的工艺手段,它的某些特征是任何单独一种开采方法所不具备的,它综合了热驱、气驱、混相驱和非混相驱的驱油机理,可作为一次采油,二次采油或三次采油的开采方法。
如表2.1所示,火烧油层技术采油降粘作用明显。
表2.1产出原油与原始地层原油粘-温特性比较
温度
θ/°C
地层原油粘度
μo1/(mPa·s)
产出原油粘度
μo2/(mPa·s)
35
15634
108
45
6194
43
50
3850
39
55
2928
34
65
1416
30
火烧油层采油和注蒸汽采油一样,都是通过加热的方式,降低原油的粘度,使其变得更容易流动从而提高了原油的采收率。
火烧油层的采收率常可达到50%以上,并且可以在比蒸汽驱采油更复杂,更苛刻的地层条件下应用,因而是对稠油和剩余油开采的一种具有诱惑力的热采技术。
但与注蒸汽相比火烧油层有着一些本质上的优势:
(1)它所使用的注入剂是空气到处都有,而注蒸汽则需要大量的水,水资源在某些地区可能严重匮乏。
(2)火烧油层烧掉的是原油中约10%的重组分,改善了剩余油的性质。
(3)火烧油层比注蒸汽有着更为广泛的油藏适用条件。
(4)火烧油层的热量就地产生,比注蒸汽的热能利用率要高,并可节省地面和井筒隔热措施的投资。
火烧油层技术的驱油机理如图2.1所示,当用空气作氧源,向注入井注入热空气把油层点燃时,主要燃烧参数是焦炭的燃点;控制注入气温略高于焦炭的燃点,并依一定的通风强度不断注入空气,会形成一个慢慢向前移动的燃烧前缘及一个有一定大小的燃烧区,当确信油层已被点燃后,可停止注入井的加热。
燃烧区的温度将会随时间不断增高,可达到的最高温度和前缘推进的速度受到油品、油层地质和人为外加控制因素的制约。
有最高温度的燃烧区可视为移动的热源,在燃烧区前缘的前方,原油在高温热作用下,不断发生各种高分子有机化合物的复杂化学反应,如蒸馏、热裂解、低温氧化和高温氧化反应,其产物也是复杂的。
除液相产物外,还有燃烧的烟气,包括一氧化碳、二氧化碳及天然气等。
热水、热汽、气都能把热量携带或传递给前方的油层,从而形成热降粘、热膨胀、蒸馏汽化、油相混相驱、气驱、高温改变相对渗透率等一系列复杂的驱油作用。
一般认为,在燃烧前缘附近是裂解的最后产物—焦炭形成的结焦带,再向外依次是蒸汽和热水反应生成水、原生水以及湿法燃烧的注入水等形成的热水蒸汽带、被蒸馏的轻质烃类油带,以及最前方的已降粘的原始富油带。
正是因为火烧油层有众多的驱油机理联合作用,可以比现在的任何一种采油方法获得更高的采收率。
图2.1油层剖面示意图
由以上机理不难看出火烧油层法有以下特点:
(1)具有注空气保持油层压力的特点,其面积波及系数比气驱高(五点井网气驱约为45%,火驱可达70%)。
(2)有相当于水驱的面积波及系数,但驱油效率比水驱高得多。
(3)具有蒸汽驱、热水驱的作用,但火驱的热效率更高,且产物的轻质组分因热裂解反应而更多些。
(4)有二氧化碳驱的性质,但其二氧化碳是原油高温氧化反应的产物,无需制造设备。
(5)具有混相驱降低原油界面张力的作用,但比混相驱有高得多的驱油效率和波及系数。
(6)热源是运动的,所以火驱井网、井距可以比蒸汽驱、化学驱更灵活。
2.2影响因素
火烧油层技术的影响因素,主要是指火烧油层技术从实施开始,点火、注气、生产过程中影响火烧技术成功实施的各种因素。
研究火烧油层技术的影响因素,可以找出存在的问题,确定完井需求,为火烧油层完井技术的研究指明方向。
2.2.1点火
火烧油层成功的关键是油层点火[3],以前的油田开发偏向粗放式,对点火的控制也仅仅局限于一些感性的现场操作。
目前所采用的点火方式主要有自燃点火、化学点火和电点火三种方式。
其中自燃点火不需要外加任何点火设备,如果自燃时间为几小时或者几天,就应该研究自燃的可能性,若时间长达几个月或者几年,则要从外部能源补给能量。
当油层温度过低,应用自燃点火方式不足以满足经济效益时,就可以选择人工点火的方式,其中电点火是最常用的一种。
电加热器受实际深度的限制,寿命短,加热功率有限,一般不超过75kW。
而火焰加热器,特别是气体燃料燃烧器,不受深度的限制,可以产生100kW以上的加热功率。
因此,在含有难氧化,燃点高,厚度大的储油层,使用火焰加热器比较合理。
对于化学点火可以分为液体燃料加热和气体燃料加热两种,其操作相对简单在现场也得到了比较广泛的应用。
单一点火的方式要求条件比较苛刻,成功率比较低,为此对各个影响点火时间的因素分析,对制定合理的点火方案是很有现实意义的。
在火烧油层点火的实施过程中,大多数情况下会对地层进行能量补给以升高点火区域的地层的温度。
井下直接加热和注入热空气提高点火区域温度的方法效率高,但同时成本也太高不适合普遍使用。
而根据以往注蒸汽吞吐以及蒸汽驱的一些经验,点火前通过注入一定的蒸汽来提高点火区域的温度,虽然效果没有井下直接加热和注入热空气的效果好,但仍可以明显缩短点火时间。
另外,针对油层的各种性质往往还会选择适合的添加剂(如金属盐类添加剂、过氧化氢等)以提高点火的效率。
因此,为缩短点火时间,提高点火的效率,应根据油藏的特点综合考虑考虑现场实际与经济投入,采用多种点火方式结合,优选出最佳点火方案实现成功点火的目的。
由上可知,在点火阶段,完井方面主要面临多种点火方法的配合使用问题。
实施完井时应充分考虑到各种点火工具使用时的影响,为点火的顺利实施创造便利的条件。
同时,这些点火方式也会带来一些问题,例如添加剂和氧化剂在高温环境下相互反应、添加剂和氧化剂的对套管和井下工具的腐蚀、浓度不合理引起的爆炸、空气互窜以及高温环境下井下工具的稳定性。
这些都是在完井时需要克服的问题。
2.2.2温度
前面已经提到过,在实施火烧油层点火之前,大多数情况下会先对油层进行加热以缩短点火的时间,提高点火的效率。
要将油层点燃,点火区地层温度必须达到油层的着火点以上,一般为400℃~600℃,从这一刻起,注入井就开始承受高温的影响[4]。
图2.2火驱不同阶段油层平面温度场
油层燃烧产生大量的热,温度可达到1000℃以上(如图2.2所示),高温会降低稠油粘度,同时分解稠油产生复合驱动作用,但高温本身会对井下包括完井工具在内的各种工具带来巨大的影响,甚至损坏、局部熔化井下工具,从而严重阻碍火烧油层技术的实施[5]。
另外,完井时使用的水泥和套管在较长时间内是否能承受住高温的影响也对火烧油层过程至关重要。
如果完井水泥和套管一旦发生破损甚至熔化穿孔,导致与其他地层连通或窜槽。
对于注入井而言注气就没法再继续进行,对于生产井而言会严重影响原油的生产。
如图2.3所示,实验中被烧毁的水平井段。
图2.3实验模拟出的被烧毁的水平井段
在火烧油层实施过程中,我们希望温度尽可能的小,以减小对完井及其工具的影响;但我们又希望温度尽可能的高(在一定范围内),这样充分发挥火烧油层的高驱替效率,裂化重质组分,提高产出原油质量的优势。
所以,一方面要选取适合的温度以最大限度的满足上述要求,另一方面要提高相应的完井技术,使之能满足对温度需要。
2.2.3腐蚀
火烧油层实施过程中,原油燃烧生成的CO2、SO2以及过剩空气中的氧气,是引起管材严重腐蚀的主要因素。
从国内外火烧油层的腐蚀井分析来看,火烧油层技术实施过程中普遍存在以下问题[6]:
(1)湿式燃烧中注入井的氧化腐蚀。
(2)生产井在高温条件下的酸腐蚀及氧突破造成的氧化腐蚀。
在点火过程实施时,会对油层注入高温氧化性气体(空气或富氧空气),同时还会使用一些添加剂(金属盐类添加剂、过氧化氢等),点燃后仍然会继续注入空气或富氧空气以使油层持续燃烧,使燃烧前缘向前推进。
这些空气和添加剂在高温环境和有水的环境下(地层水、残余水、水蒸汽和湿法燃烧注入的水)拥有很强的氧化性,其后果使井下套管、油管、生产泵及地面阀门、管件等局部产生不同程度的腐蚀坑、腐蚀麻点、甚至会产生腐蚀穿孔,造成管材强度降低甚至报废。
地层条件下燃烧生成的CO2、SO2以及过剩的O2与地层内部的水发生化学反应形成碳酸、亚硫酸、硫酸,对设备产生严重的电化学腐蚀。
有关反应如下:
CO2+H2O→H2CO3→H++HCO3-(2.1)
SO2+H2O→H2SO3→2H++SO32-(2.2)
2H2SO3+O2→2H2SO4→4H++2SO42-(2.3)
2H++Fe→H2↑+Fe2+(2.4)
4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+(2.5)
主要表现为:
注入井湿式火烧过程中,空气与水交替注入所引起的氧腐蚀。
氧腐蚀使管材局部产生很深的腐蚀坑,长期作用导致管材腐蚀穿孔,或出现严重的麻点现象,使管材强度降低;生产井由于产液温度较高(150℃左右),酸性腐蚀、氧化腐蚀同时并存。
CO2的含量及影响如表2.2和表2.3所示。
表2.295-2井组典型井气样分析(CO2含量)
井号
Φ(CO2)/%
井号
Φ(CO2)/%
95-1
15.2
94-2
4.9
95-3
16.1
96-1
3.5
95-4
9.7
99-2
4.6
94-1
7.0
99-4
3.5
117-3
8.6
116-2
11.1
7-3
3.4
116-3
11.2
P22
13.1
116-4
13.2
116-1
11.5
117-1
6.4
表2.3不同CO2分压对腐蚀的影响
CO2分压/MPa
年腐蚀深度/mm
0.1
1.05
0.3
2.15
0.5
2.79
1.0
3.51
由此可见,腐蚀问题将在火烧油层技术实施的过程中引起十分严重的问题。
在火烧油层实施前,应充分考虑到这种腐蚀问题,有针对选择可行的完井措施和防治措施,保证火烧油层过程的顺利进行。
2.2.4出砂
到目前为止,火烧油层技术主要用于稠油和剩余油(粘度较大)的开采。
只要是稠油的开采,不管采用什么开采方法,油层出砂几乎都是必然会发生的问题。
所以在火烧油层生产过程中都必须要有相应的完井措施以应对油层出砂问题,即在现有的火烧油层技术的基础之上增加相应的防砂完井措施及其工具。
另外,不止是生产井存在出砂问题,在注入井停止注气的间歇也存在出砂问题,这些都需要有相应完井措施来应对。
如图2.4所示,一种防砂井的结构。
图2.4热采过程中的防砂井
2.3传统火烧油层技术
2.3.1布井方式
传统的火烧油层技术布井组合主要是直井-直井组合、常规的直井-水平井组合以及少数的水平井-
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