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渤海稠油油田适度出砂生产可行性研究

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渤海 油油 适度 生产 可行性研究
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第27卷第3期 钻采工艺 ·29 · 渤海稠油油田适度出砂生产可行性研究 韩国庆,李相方,吴晓东,符 翔 (石油大学[北京]) 摘要:针对海上油田的实际情况,提出了适度出砂生产的概念,分析了适度出砂生产的优势和带来的一系 列问题,国外油田的应用实例也证明了适度出砂开采可以大幅度提高油井的产量。讨论了海上油田应用适度出砂 技术应解决的关键问题,包括砂子产出后的处理问题、临界压差和出砂量预测问题、砂子输送预测问题、以及设备 侵蚀率预测问题等。在分析渤海稠油油田特点的基础上研究了渤海油田对这一技术的适应性。认为在渤海稠油 油田进行适度出砂方式开采是可行的。 关键词:适度出砂;渤海油田;稠油;预测 中图分类号:54 文献标识码:A 文章编号:1006—768X(2004)03—0029—04 出砂是地层胶结疏松的稠油油田一直存在的一 个问题,在陆上油田针对油井出砂问题一般有两种 对策:一是完全将砂防住、二是出砂冷采。由于出砂 冷采可以放大生产压差,从而在很大程度上解放了 油井的产能,因此很多陆上油田都采用了这项技 术[8,9]。在海上油田进行出砂生产面临很多问题, 国外油田在这方面进行了一些探索_】J。 适度出砂是通过优化产量和油井的产能在防砂 生产和出砂生产之间确定最优的生产策略。具体来 说,适度出砂技术是指有选择地防砂,或者有限度地 防砂。具体是指:对于出砂油藏,在原油开采过程 中,不同粒径的油层砂随地下原油运移,根据运移的 油层砂粒度大小及分布,有选择地阻止大于或者等 于一定粒径的油层砂随原油运移,并通过这些粒径 的油层砂的堆积,形成滤砂屏障,进而阻挡较小粒径 的油层砂随原油运移,从而达到防止一定粒径的油 层砂的目的。在形成滤砂屏障以前允许更小粒径的 油层砂随原油运移。从而达到改善近井眼地层的油 层物性,充分发挥油层产能。 国外海上油田适度出砂生产实例[1,2] 第一次在海上油田试验这项技术(国外称之为 在1993~1994年间,在北亚德里 亚海油田进行了试验,1996年在北海油田进行了试 验并获得了很大的成功,这项技术被应用到了北海 的几个油田。到1999年末,北海油田大约有200~ 300口油井采用了适度出砂生产,在其他油田也在 积极探索实验。 出砂量在开始生产0 值,峰值过后出砂量会稳定在一个比较低的水平。 继续进行测试,有以下试验结果: (1)保持产量生产,会伴随一阵阵出砂,而且出 砂量不大,一般在5~50 kg/d; (2)出砂的时间会在20~100 且在 一天内会随机出现; (3)油井的表皮系数降到一3以下。 16 巴 12 s 鞍 4 0 0~20·40~60 80一40 产幅度/% 图1北海某油田47口井出砂生产增产比例图 北海油田3 平台上47口油井采用了适度出砂 生产,结果增产的幅度是35%~40%,这些油井没 收稿日期:2004—01—07 基金项目:本文为中国海洋石油总公司“十五”重点项目“渤海稠油油田少井高产开发可行性研究”部分内容,项目编号:002—09 作者简介:韩国庆(1969一),1991年7月毕业于石油大学(华东),1999年6月获工学硕士学位,石油大学(北京)20要研 究方向:油气田开发。地址:(1京昌平石油大学石油天然气工程学院吴晓东转韩国庆(收),电话:13661185719,E—】63.普资讯 ·30· 钻采工艺 21304钲 有采取昂贵的防砂技术,因而完井费用比较低。其 中有12%的油井产量没有提高也没有砂子产出,其 中1口油井增产了182%。 适度出砂生产的利与弊 在一般的稠油油藏利用出砂冷采技术可以使产 量提高4~10倍,出砂一定阶段然后防砂也可以提 高产量30%~44%。增产的原因有两个方面,一方 面由于地层出砂容易形成蚯蚓洞,使得地层的可流 动性大幅度提高、井筒的有效半径扩大,从而提高了 流体的流速;另一方面由于允许地层出砂,就可以适 当放大生产压差,油井的产量可以得到提高。如图 2所示,油井的临界产量随地层强度的提高而增大, 在安全生产的前提下进行适度出砂的产量上限与地 层强度也有相似的关系。在图中可以明显地看出, 油井产量安全生产 上限产量p 之间时,油井在间断出砂的同时产量 会得到提高。对于强度较高的砂岩地层,由于临界 产量高,在同样出砂量的条件下产量提高的幅度会 更大一些。 产量 Q 一~. 图2适度出砂增产示意图 适度出砂生产除了可以提高产量这个明显的优 势之外,由于油井的耐砂能力的提高,停泵关井的时 间可以大大减少。另一方面,由于减少了防砂措施, 使得完井的费用也可以降低很多。 虽然有很多优势,适度出砂生产也带来许多不 利的方面,主要表现在:监测、研究的工作量加大;螺 杆泵的寿命缩短;增加砂处理费用。 海上油田应用适度出砂 技术应解决的关键问题 在海上油田实施适度出砂生产,需要一系列的 分析和设计的工具来评价出砂能力、评价生产风险、 优化安全界限等等。主要包括出砂门限值预测、出 砂量预测、设备侵蚀预测、砂粒在生产管柱和地面管 线中的输送状态预测。主要的技术问题包括砂子的 输送、出砂的监测、砂子的分离、沉降和处理等,其中 目前最重要也是最薄弱的环节是砂子的处理问题。 1.砂子的地面处理 与陆上油田相比,海上油田处理采出的砂子存 在更多困难。主要原因是从环保的角度要求不能随 便存放砂子,另外海洋平台空间的限制不能有体积 很大的砂处理设备。 目前主要有三种途径来处理海上油井产出的砂 子(见图3)。一是由流体将砂子携带到地面(平 台);在地面(平台)上进行分离;分离后收集;然后集 中处理。二是在地面(平台)上将砂子分离出来后通 过注入设备回注到地层。三是将砂子在海底进行分 离;分离后收集起来;然后分批注入到地层。无论采 用哪种途径,从产出流体中将砂子分离出来是一个 关键问题。目前比较成熟的分离手段是采用旋风式 分离器进行分离。 图3海上出砂生产流程 2.临界压差与出砂量预测 根据图2可以很清楚地看出,适度出砂生产要 解决的一个基础问题是油井临界出砂界限和出砂量 的预测。根据临界压差模型可以确定特定油井在不 同开采条件下的临界出砂状态,临界压差的确定和 特定的地层主要受哪种出砂机理的控制有关。另 外,临界压差是随井深变化而变化的。 有了临界压差还要建立出砂量预测模型来预测 生产压差大于临界压差时出砂量与压差和时间的关 系。不同生产压差、不同完井方式下的出砂量随时 间变化的模型是评价适度出砂生产可行性的关键因 素。图4是北海油田出砂试验及模型预测的结 果[引 图4北海油田出砂试验及出砂模型预测对比 4 3 2 ● 0 1{. \ i 维普资讯 · 31 · 3.砂子输送预测 适度出砂生产基于的一个原则就是从地层剥离 的砂子应该被输送到地面而不是沉降在射孔孔道或 者井筒中。这就意味着对于一口特定的油井和给定 的流体组成,必须保持某一个产量来提供足够的输 送能量抵消砂子的沉降力。 一旦砂体被剥离,就会随着流体通过射孔孔眼 进入井筒,砂粒或砂体碎片受到重力和流体拖曳力 的综合作用,它们的最终速度是这两种力综合作用 的结果。这个速度也决定了砂粒是被携带到地面还 是在井筒中沉积下来。 图5给出了油管中不同流量下不同粒径砂子的 输送速度,这对于已知油井出砂粒径的情况下选择 合适的产量很有帮助。 ∞ ● 暑 \ 束 图5垂直井不同流量对特定粒径砂粒的携带能力 水平井或者水平管段(包括大斜度定向井)砂子 的输送问题更为复杂一些,但是是海上油田进行适 度出砂生产必须面对的问题。如果确保管线输送砂 子的能力大于地层的产砂能力,那么因为砂子沉降 对设备和油井的损害就可以降低到最低限度。这就 需要解决气/液/固混合流体在水平管线中的流动问 题。 无论是在垂直管段还是水平管段,流体对砂粒 的携带能力除了前面提到的流体速度和砂粒直径有 很大关系以外,还与流体的粘度和流体内含气量有 关。流体的粘度越大其携砂能力越强;流体内一定 量气体的存在会增加流动过程中砂粒的扰动,同样 可以增加流体的携带能力。 4.设备侵蚀率预测 运动的砂粒会对生产管柱、输送管线、阀有侵蚀 作用,砂粒的运动速度和流体中的含砂量是决定这 种侵蚀作用的主要因素。对于稠油油田由于流速较 低侵蚀作用相对较小,而高温高压的气田中砂粒对 管线的侵蚀作用是非常大的。 设备侵蚀的主要影响因素有:流体速度、流体密 度、砂粒的尺寸、出砂量、输送管直径和管线刚度。 研究表明 ,关于设备侵蚀率有如下的规律:(1)管 径越细侵蚀率越高;(2)气体含量越高侵蚀率越高; (3)在低流速时,侵蚀率随着流量的增加而加大,主 要是因为砂体从沉积状态开始变为流动床状态,对 管壁下端的碰撞增多造成的;(4)随着流速的提高, 砂子的悬浮状态开始出现,对管壁的碰撞减少,侵蚀 率降低;(5)流速进一步提高,侵蚀率再次提高,主要 是因为砂子的能量增加造成的。 适度出砂生产在渤海 稠油油田的适应性 经过前面的分析可以看出,适度出砂的确是一 项可以有效提高油井产量的技术,国外的海上油田 也有成功的先例。如果在我国的渤海稠油油田应用 这项技术,还应该针对油田具体的情况进行适应性 分析。 1.地层、流体条件 渤海稠油油田具有大致相同的地质特点:构造 类型以半背斜、披覆背斜为主,构造形态较为完整; 储层均发育在第三系地层中,均为河流相或河湖三 角州沉积,反映出以正韵律和复合韵律为主的多旋 回砂泥岩互层的沉积特征;油藏均为正常的压力、温 度系统;油水分布比较复杂,均为多套油层、多套油 水系统;油层埋藏浅,岩性疏松,油井生产出砂严重; 除埕北油田外,边水能量极为有限;原油性质在平面 上和纵向上变化大、原油的粘度较大。 渤海油田总的特征上与北海油田开展适度出砂 生产的区块比较类似,特别是对于地层能量比较充 足、原油粘度较大、有一定气体存在的区块更适合于 开展适度出砂生产。 2.生产压差 对渤海主要的四个油田经过测试的生产井的生 产压差进行了统计,平均生产压差的对比如图6所 示 3 2 ’— i 1 牛 0 6 3 图6四油田平均生产压差对比图 由于出砂的问题使得油井的生产压差没有放得 过大,但统计表明各油田的生产压差相差很大(如表 维普资讯 · 32 · 钻采工艺 2004年 1所示),在安全生产的条件下放大压差还有一定余 地。如果采用适度出砂的开发策略,压差还可以进 一步放大,这样油井的单井产量肯定会有比较大幅 度的提高。 表 油田 测试 压差3 他 时间 /% /% /% 31.6 36.8 31.6 206.9 8.9 74.2 0oO 30.8 53.8 208.3 0 41.7 3.完井条件 渤海油田主要的完井方式是砾石充填,为了能 够完全将砂防住,一般情况下选择的砾石为20~4o 目。这样的防砂手段在很大程度上限制了油井的产 能,甚至由于砂粒运移使得近井地带发生堵塞,使油 井不得不停产。对于防砂措施失效而出砂的油井, 由于没有任何地面处理能力也只得将井关掉。适度 出砂生产可以降低完井方式中对防砂的要求,即可 以降低完井的费用,同时也使那些被迫关掉的油井 重新开始生产。因此,单纯从完井的角度适度出砂 技术就具有很大的应用空间。 4.老油田改造与新油田开发 适度出砂技术既适合于老油田的改造,也适合 于新油田的开发,对于这两种情况都需要前面提到 的各种预测及评价手段。所不同的是新油田的开发 可以从做方案开始就按适度出砂的原则设计,包括 井下或平台上的砂处理装置以及适合于适度出砂生 产的完井方式等,这样可以比老油田应用这项技术 更加有利。 近几年来渤海油田新发现并陆续投入开发的有 蓬莱19—3、勃中25—1、旅大10—1等油田。这些油 田都不同程度地面临出砂和防砂的问题,比较适合 采用适度出砂策略进行开发。 结 论 (1)针对海上稠油油田的特点,提出了“适度出 砂”开采方式,充分利用这种方式对地层渗透率的改 善及允许生产压差的放大,可以显著提高单井产量。 (2)海上油田进行适度出砂生产必须要解决一 个关键问题就是砂子产出后的处理问题,文中给出 了三种可能的处理方式。 (3)海上油田进行适度出砂生产必须要建立三 个预测模型,分别是:临界压差和出砂量预测模型、 砂子输送预测模型、以及设备侵蚀率预测模型。利 用这些模型对适度出砂开采方式进行具体的分析评 价。 (4)综合渤海油田的地层、流体、完井、压差等多 种因素,认为渤海稠油油田适合采用适度出砂的开 采方式 参考文献 l l j in a 8166.2002. 12 J to 7767,1997. 13 J J..B.t.11}1e 1673.2001. 4 J .t.8786,2000. 15 J E..M. in a 4007,1999. 16j J..s 9042,1997. 17 J F..8185,1997. [8]穆龙新,李国诚,等.关于稠油有限排砂采油方法的探 索.钻采工艺,2003;26(1):20 22. [9]董本京,穆龙新.国内外稠油冷采技术现状及发展趋 势.钻采工艺,2002;25(6):18 21. [10]李明忠,王卫阳.垂直井筒携砂规律研究.石油大学学 报,2002;24(2):33 35. (编辑:黄晓川) 维普资讯
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