采油的工艺流程
简单的工艺过程
石油开采方式有自喷采油和机械采油，自喷采油是由于地下含油层压力较高，凭其自身压力就可以使原油从井口喷出的采油方式。机械采油则是利用各种类型的泵把原油从井中抽出，目前我国石油开采以机械采油为主。不同的地质情况不同的油品性质采用不同的机械开采方式。对粘度小于50毫帕斯卡.秒，密度小于0.934的原油（称为稀油），一般用常规开采。对粘度大于50毫帕斯卡.秒，密度大于0.934的原油（称为稠油），一般用热力采油，即采用热蒸汽吞吐、掺稀油及伴热的采油方式。以辽河油田为例，气候寒冷是北方冬季的特征。油质除一部分稀油外，大部分油质为稠油和特稠油，由于原油重质成份多，粘度大，相对密度大，在油藏条件下原油几乎不能流动，无法用常规的方法开采，给生产和环境带来了一系列的问题。我们油田采用热力采油、稀释、乳化降粘方式开采。
稀释开采：即将一定量粘度小的稀油加入稠油中，降低粘度。
热力采油：即蒸汽吞吐、蒸气驱，就是对油层注入高温高压蒸气，加热油层里的原油，使原油的升高，粘度降低，增加原油的流动性，推动油层里的原油流向生产井。另外注入蒸气对油层加热后，蒸气变成热水流动，置换油层里原油滞流空隙。原油受注入蒸汽加热，其中轻质成分将气化，烃体积膨胀也会将原油推流到生产井。
乳化降粘：即将含有表面活性剂的水溶液混入稠油中，并在油管和抽油管表面上形成亲水的润湿表面。 大大降低油流时的阻力，使油能够正常开采出来。
什么是自喷采油？
油田开发过程中，油井一般都会经历自喷采油阶段。是利用地层自身的能量将原油举升到井口，再经地面管线流到计量站。自喷采油设备简单、管理方便、产量高、不需要人工补充能量，可以节省大量的动力设备和维修管理费用，是最简单、经济、高效的采油方法。 为了使油井以合理的产量稳定生产，延长油井的自喷期，油井生产系统的各个流动过程要互相衔接、协调工作。油井的生产一般包含三个流动过程：原油从油层到井底的渗流；沿井筒从井底到井口的垂直或倾斜管流；从井口到分离器的地面水平或倾斜管流。大多数自喷井，原油还要通过井口油嘴的节流。所以，自喷井一般包括这四个流动过程。本节讨论油井流入动态、气液混合物在垂直井筒及油嘴中的流动规律;介绍自喷井的井场设备;简述自喷井系统的协调原理和节点分析方法。 一、油井流入动态原油通过多孔介质从油层到井底的渗流是油井生产系统的第一个流动过程。油井产量与井底流动压力的关系称为油井流入动态，相应曲线即为流入动态曲线(Inflow Performance Relationship Curve)，简称IPR曲线。就单井而言，IPR曲线反映了油藏的供油能力和工作特性，是确定油井工作方式的依据，也是分析油井动态的基础。典型的流入动态曲线如图6-1所示。由图6-1可以看出：IPR曲线的形状与油藏的驱动类型有关。 图 6-1 典型的油井IPR曲线 1.采油指数井底流动压力高于原油泡点压力时，油藏中流体的流动为单相渗流，油层流体的物性基本上不随压力变化，利用第四章的定压边界平面径向流产量公式稍加改变可得： 式中 PI——采油指数,m3/(Pa·s);Q——油井产量(地面),m3/s; ——地层平均压力，Pa;pwf——井底流动压力，Pa;Ko——油层的有效渗透率，m2;h——油层的有效厚度,m;μo——地层油的粘度,Pa·s;re——油井供油半径，m;rw——井底半径，m;S——表皮因子，与油井的完善程度有关。 r。有了采油指数，就可以应用(6-1)式预测不同流压下的产量，研究油层参数。采油工程的一项重要任务就是在经济可行的条件下，尽力提高采油指数。酸化可以解除井底附近的表皮伤害；水力压裂能够获得负表皮系数。对于稠油油藏，注蒸汽降低原油粘度也能提高采油指数。当油井含水时，单位生产压差下的产液量即为采液指数。比采油指数是指单位油层厚度上的采油指数，即每米采油指数，它能更科学地描述油层的生产能力。 2.油气两相渗流的流入动态单相渗流时，IPR曲线为直线。当地层压力低于饱和压力时，气、液两相共存于油藏中，油藏的驱动方式为溶解气驱，需根据油气两相渗流的基本规律来研究油井的流入动态。 由于原油粘度μo、体积系数Bo及有效渗透率Ko与压力、生产气油比等很多因素有关，定量关系十分复杂。在油井动态分析和预测中，一般采用简便实用的近似方法来绘制溶解气驱油藏的IPR曲线。 1)无因次IPR曲线 r,横坐标为相应流压下的产量与最大产量之比qo/qomax时，得到了一簇曲率不同、形状类似的无因次IPR曲线。图6-2所示为所得曲线簇的“平均”曲线，代表接近完善井的情况。用公式描述该曲线就得到Vogel方程： 图6-2 溶解气驱油藏无因次IPR曲线 式中 qo——油井产量，m3/s;qomax——井底油压降至大气压时油井最大产量，m3/s。 此方程不涉及油藏及流体的物性参数。已知目前平均地层压力和一个稳定的测试点，或由两个稳定的测试点，便可绘出油井的IPR曲线，预测不同流压下的油井产量,十分简便。 2)非完善井的Vogel方程为防止底水锥进,未钻穿整个油层的井属于打开程度不完善。射孔完井为打开性质不完善。在钻井或修井过程中,油层受到污染或进行过酸化、压裂等措施的油井，井壁附近的渗透率会发生变化,改变油井的完善性，从而增加或降低井底附近消耗的压降，影响油井的流入动态。 油井完善程度可用流动效率FE(Flowing Efficiency)来表示。流动效率定义为同一产量下理想完善井的生产压差与实际生产压差之比，即： ——理想完善井的井底流压；pwf——实际非完善井的井底流压。 对于拟稳态流动，流动效率与表皮系数的关系可近似表示为： 代替pwf，就可以对0.5≤FE≤1.5范围内的非完善井进行预测。 二、垂直管流气、液两相管流是指游离气体和液体在管中同时流动。地层流体通过井中的油管、地面油嘴和出油管线的流动是油井生产系统中基本的流动过程。在整个油井生产系统中，大部分能量消耗在克服重力和摩阻上。大多数油井为油、气、水多相流动，研究其流动规律对于正确分析油井生产动态、合理设计举升工艺具有重要意义。研究的核心问题是压力损失及其影响因素。一般把油、水两种流体视为液相，着重考虑气、液两相间的作用。 1.气、液两相管流特性参数气、液两相流持液率HL(Holdup Liquid)是描述两相流特性的重要参数，表示单位管段容积中液相所占的份额，即过流段面上液相面积AL与总过流面积A之比。持气率HG(Holdup Gas)则是气相所占面积AG与总过流面积A之比。由于管段内完全充满气体和液体，所以：HG+HL=1HL=0表示单相气流；HL=1表示单相液流；而0<HL<1则为气液两相流动。 气、液混合物密度是两相流计算的重要参数，它与持液率密切相关： 式中,ρ为流体密度，下标G、L、m分别表示气相、液相和混合物。 在气、液两相上升管流中，由于气相比液相轻，气相的运动速度会高于液相。由于两相间物性差异所引起的气相超越液相流动的现象称为滑脱现象(Slipage Effect)。滑脱速度vS是描述两相流特性的主要参数，等于气相真实速度vG与液相真实速度vL之差。由于真实速度很难测定，因此引入气相表观速度vSG和液相表观速度vSL。气相表观速度等于气体体积流量与管子截面积之比；液相表观速度等于液体体积流量与管子截面积之比。即假想管内截面A只被两相混合物中的某一相单独占据。 单相流中只有一种流体，其表观速度即为真实速度；两相流的气相或液相表观速度必然小于其真实速度。混合物速度vm表示混合物总体积流量与流通截面积之比。根据表观速度的定义可知混合物速度等于气相表观速度与液相表观速度之和。混合物速度和表观速度是实际上并不存在的理想速度，使用它们是为了简化计算。根据真实速度、表观速度和持液率的关系，可求得滑脱速度： 2.流动状态原油从井底流至井口，是油井生产的第二个流动过程。气、液在垂直油管中的分布形态称为两相流的流动型态(Flow Patterns)，简称流态或流型。在各种流态下，气液混合物的流动规律不同。按流动结构流态可分为以下几种，如图6-3所示。 图6-3 气液两相垂直管流典型流态 (1)泡流(Bubble Flow)：压力降到原油饱和压力时，溶解气开始分离出来。小气泡分散于连续的液相中，含气量较低，混合物的平均流速较低。气泡的上升速度大于液体流速，滑脱现象比较严重。气体对混合物密度影响大，对摩阻的影响小。 (2)段塞流(Slug Flow)：随着混合物沿井筒向上流动，压力逐渐降低，气体不断增加和膨胀。小气泡相互碰撞、聚合而形成的大气泡几乎占据了管子截面，形成一段液、一段气的流动结构。夹杂着小气泡的液体段塞仍为连续相。气体段塞是分散相，其内携带着液滴。形似炮弹的大气泡就像一个个破漏的活塞举升着液体。气相、液相间的相对运动小于泡流，滑脱损失小。段塞流是两相流中举升效率最高的流型。 (3)过渡流(Transition Flow)：过渡流是液相从连续相到分散相、气相从分散相到连续相的过渡状态。气体在向上流动的过程中连续举升液体，部分下落、聚集的液体重新被气体举升。这种混杂的、振荡的、界限不清的流体运动便是过渡流的特征，故过渡流也称为搅动流。 (4)环雾流(Annular-mist Flow)：当气量更大时，气泡汇聚成气柱在油管中心流动，液相被挤到周围，成为沿管壁流动的液环。伴随着气体的流出，夹带其中的小液滴也流出井口。 三、嘴流动态大部分自喷井和气举井都需要在井口安装节流装置，以便控制井口油压和注气压力，从而限制和稳定油井的产量或注气量，防止底水锥进和地层出砂。 节流部件种类很多，包括井口固定式油嘴、针型阀,井下油嘴、安全阀及气举阀等。当流体通过这些流通截面突缩的部件时，其流动规律可概括为嘴流。节流压力损失部分转化为速度，部分消耗于不可逆的涡流损失。 1.单相气体嘴流气体通过圆形孔眼的流动如图6-4所示。若上游压力p1一定，气体流量将随下游压力p2的降低而增大。当p2达到某定值时，流量达到最大，称为临界流量。进一步降低p2，流量将不再增加,此时气体的速度达到压力波在流体介质中的传播速度(即声速),这时气体的流动称为临界流动(Choke Critical Flow)。在临界流动状态下，油嘴下游的压力变化不影响气体的流量。气体的流量与油嘴上、下游压力比的关系如图6-5所示。 图 6-4 嘴流示意图 图6-5 不同嘴径的嘴流特性天然气的临界压力比(p2/p1)c为0.546。当油嘴下游与上游的压力比小于该临界压力比时，就达到了临界流动状态，否则为亚临界流动状态。也就是说，当油压p1达到地面回压p2的两倍时，气体通过油嘴的流动就可达到临界流动状态。 2.气、液两相嘴流由于气、液两相嘴流比单相嘴流复杂得多，一般用经验公式描述。在临界流动条件下，气液比、油嘴直径一定时，油嘴流量取决于油压。流量与油压的关系可描述成过原点的直线。收集与分析油嘴的相关资料，可得出适合本油区实际情况的计算公式。 当油气以临界流量通过油嘴生产时，嘴流动态曲线只受油嘴尺寸控制，下游压力的变化不会造成油井产量的波动,排除了自喷井的第四个流动过程(井口到分离器的地面流动)对油井的干扰。因此，油嘴的作用有两个：一是控制油井产量；二是将地面管流分隔开来，防止其压力波动影响油井的稳定生产。 四、自喷井设备及管理1.自喷井设备为使自喷井保持正常、稳定的生产，必须在井口安装控制油气产量的部件及油气集输设备。最简单的井口流程是采油树(Christmas Tree)和油气输送管线及设备。 1)自喷井的井口装置自喷井的井口装置一般由套管头、油管头和采油树组成，如图6-6所示。套管头在整个井口装置的下部，用于连接井内各层套管，密封套管间的环形空间。油管头装在套管头的上面，它包括油管悬挂器和套管四通。油管悬挂器用于悬挂井内油管柱，密封油管与套管的环形空间。套管四通用于正、反循环压井，观察套管压力以及通过油、套环形空间进行各项作业。 图6-6 井口装置 油管是下入套管中的无缝钢管，是地下原油上升到地面的通道。它比套管采油利用地层能量更合理，利于延长油井的自喷期。 采油树引导从井中喷出的油气进入出油管线，控制和调节油井的生产。因其树状的外形得名。采油树通常由总闸门、生产闸门、清蜡闸门、压力表、油嘴等部件组成。 总闸门装在油管头的上面，是控制油气流入采油树的主要通道。正常生产时处于常开状态，只有在长期停产或其他特殊情况下才关闭。 生产闸门安装在油管四通或三通的侧面，用于控制油气流向出油管线。正常生产时处于常开状态，在检查、更换油嘴或油井停产时才关闭。 清蜡闸门装在采油树的上端，其上可连接清蜡防喷管。正常生产时关闭，清蜡时打开。 油嘴是控制和调整自喷井合理工作制度的主要装置。一般安装在采油树一侧的油嘴套内，也可装在井下或计量站内的分离器之前。油嘴是中心带孔、外面有螺纹的钢材或陶瓷圆柱体。油嘴孔眼直径根据油井产量选用，一般为1.5～20mm。 采油树型号很多，需根据油井的产量和压力选用。 2)计量分离器计量分离器是分离和计量油气的装置,能控制井口出油管线的回压，也可憋压后利用天然气清扫管线。 当高压油气混合物沿切线方向进入分离器上部时，因容积突然增大，压力降低，油中的溶解气会陆续分离出来，并借助于密度差形成重力分异。油受离心力的作用沿分离器内壁作回旋运动时，低密度的气体在中心向上旋转流动，经两层分离伞除去夹带的油滴后，从顶部出气口排出。高密度的油被甩向筒壁，沿内壁旋流向下。散油帽使液流分散开来并降低其流速，以利于天然气的进一步分离。分离出的油和气经计量后，重新混合送入集输干线或转油站。油中所含的水、砂等污物，因密度大于油而沉降到底部，可定期清除。 矿场上常用的分离器有φ800mm、φ600mm、φ400mm(φ表示分离器直径)。 3)水套加热炉水套加热炉是井口保温及原油加热设备,有水管式和火管式，油田上常用火管式。主要配件包括水套、火管、火嘴、加热油盘管、加水包、安全阀及气压表等。正常工作时，水套内的水占其容积的1/2～2/3。天然气从火嘴喷入、在火管内燃烧。烧热的水及蒸汽加热盘管里的原油使其降粘。所供热量还可沿管线循环加热井口设备和值班室。 4)封隔器封隔器是实施采油工艺技术的重要井下工具，作用是将油层分隔开。配合其他井下工具可以实现分层采油、分层注水、分层测试、分层改造及分层管理等。封隔器的种类很多，按工作原理目前划分为8种类型。 5)安全阀安全阀用于预防分离器、水套加热炉等压力过高而发生跑油或爆炸事故。其种类很多，矿场常用单弹簧微启式安全阀。当设备内的压力大于安全值时，气体压缩弹簧，推动阀球离开阀座，排出气体，从而降低压力,同时发出尖叫声，便于值班员及时发现和处理。 2.自喷井的管理自喷井管理包括管好采油压差、取全取准资料、保证油井正常生产。管好采油压差才能控制地层中油、水的流动和注采平衡，挖掘生产潜力。合理工作制度是指在目前的静压下，油井以多大的产量进行生产。这要根据开发条件确定。 正常情况下，采油压差是通过改换油嘴的大小来控制的。生产过程中，油井结蜡、砂堵、设备故障等，会导致油井不能以设定的压差进行生产，应该及时解除。 油井生产资料是油井分析、管理和判断静态资料可靠性的依据，要取全取准。 自喷井的日常管理包括：录取油井的油压、套压等动态资料；计量油气产量；井口取样；保证清蜡、测试等日常生产管理及井下作业的顺利进行。 1)量油量油是定时计量每口井产出的原油，是油井管理中的重要环节。通过油井的日产油量了解生产情况，取得第一手动态资料，为油井、油田的动态分析提供可靠的依据。 量油的方法很多，常用玻璃管量油和翻斗量油。玻璃管量油装置是在分离器侧面安装一支与分离器连通的高压玻璃管。根据连通器原理，由玻璃管中水柱的上升高度，可算出分离器中油面的上升高度。记录水柱上升一定高度所需的时间，结合分离器容积，便可算出原油的日产量。玻璃管自动量油是由电极控制、由仪表完成记录的。 自动翻斗量油装置中，油气分离缓冲装置使原油均匀平稳地流入翻斗，以保证计量准确。翻斗由两个并联的三角形斗构成。利用杠杆平衡原理，一斗装到预定质量便会翻转排油，同时另—斗开始进油。周而复始，连续计量。计量讯号装置记录翻斗翻转次数，根据翻斗翻转时的盛油量便可计算出日产油量。装置内设有液面控制器使液面保持稳定。 2)测气测气可掌握油井产气量和气油比。放空测气是在测气管线上安装挡板。气体通过挡板上的小孔时，由于节流作用挡板前后产生压差。测出此压差及挡板前的绝对静压，就可用公式算出产气量。该法适用于气量不大、管线压力低的井。密闭测气的基本原理与放空测气相同，但测试过的气体返回集输管线。该法适用于气量大、管线压力高的井。波纹管自动测气中，挡板前后的压差使波纹管发生形变，带动了差动线圈内的铁芯运动，使差动线圈内产生感应电流。由电流与压差的关系，可推算出产气量。 3)清蜡和防蜡石蜡溶解在地下原油中。当原油沿井筒上升到一定位置，温度、压力降低，蜡会析出，并集结在油管壁上，使流动截面变小甚至堵塞。清蜡就是清除这种堵塞，疏通管道。 机械清蜡是用清蜡绞车带动刮蜡片反复刮削油管壁，并靠油流把刮下来的蜡带到地面。清蜡绞车用于缠绕钢丝，使刮蜡片上、下运动,有手摇式和电动式，常用电动式。 热油循环清蜡是让部分脱气原油经水套炉加热后从套管重新注入井内。热油因密度大于井中的混气油而不断下沉，并通过循环阀或油管鞋进入油管，与井内的原油混合，加热使管壁上的蜡熔化，从而达到清蜡的目的。 玻璃油管防蜡是在油井结蜡井段下入玻璃油管。玻璃表面光滑,具有亲水憎油性，能防止蜡的结晶颗粒沉积在上面，起到防蜡的作用。 用化学剂对油井进行清蜡和防蜡也是目前应用较广泛的方法。涂料油管防蜡是在普通油管的内壁附上一层化学涂料，改变油管的内表面性质，使蜡不易沉积在内壁，因此可防止油井结蜡。 3.自喷井的分层开采井筒内没有任何封隔器和配产器，只有油管的采油称为笼统采油。对于多油层油井，只用井口油嘴控制全井，难以做到合理生产，而且无法计量各层的产量。 为了缓和层间矛盾，防止层间干扰，调整高、中、低渗透层的采油速度，充分发挥中、低渗透层的生产能力，就需进行分层采油。在井内下封隔器、配产器进行分层配产，使各小层能在合理压差下生产，可提高采油速度和采收率，从而实现油田的长期高产、稳产。 分层开采包括单管分采与多管分采两种井下管柱结构。单管分采只在井内下一套油管柱，用单管多级封隔器将各个油层分隔开来。同时在油管上各油层的对应位置安装配产器，用配产器内的油嘴控制各油层的产量。多管分采是在一口井里下入两套以上的油管柱，用封隔器将各个油层分隔开来，通过各自的管柱和井口油嘴实现对每层的控制。 五、自喷井的协调生产油井稳定生产时，整个流动系统必然满足质量守恒和能量守恒，也就是说，自喷井的四个流动过程必须相互衔接、相互协调。 1.油井生产系统油井生产系统是指从油层供给边界到地面油气分离器这个统一的水动力学系统。除油层外，各部分都是人工建造的举升系统，如图6-7所示。油嘴到分离器之间为地面集油管线。井下油嘴和安全阀都装在油管柱上。 图 6-7 自喷井生产系统 1—分离器；2—油嘴；3—井口；4—安全阀；5—井下油嘴；6—井底；7—完井段；8—油层非自喷井的举升管柱还包括深井泵、气举阀等人工举升装置。油井生产系统的总压降为油层、完井段、举升管柱、油嘴以及地面管线的压降之和。不同油田的地层特性、完井方式、举升方法及地面集输工艺差异较大，油井生产系统互不相同。预测系统各组成部分的压力损失是油井分析的核心内容。 2.节点系统分析节点系统分析(Nodal Systems Analysis)的对象是油井生产系统,基本思想是用节点把油井生产系统隔离成相对独立的子系统。以压力和流量的变化关系为线索，把各流动过程有序地联系起来。确定各因素对系统的影响，寻求优化油井生产系统的途径。 节点(Node)即位置。对自喷井系统，至少可以确定如图6-7中所示的8个节点。其他举升系统还会有不同的节点。普通节点不产生与流量有关的压降，一般指两个不同流动过程的衔接点。油嘴及井下安全阀则属于函数节点(Functional Node)，因为通过它们会产生一定压降，且压降的大小为流量的函数，故而得名。 应用时，通常要选择一个节点将整个系统划分为流入和流出两个部分。这个使问题获得解决的节点称为求解节点(Solution Node)。分析结果与求解点的位置无关。通常选靠近分析对象的节点作为解节点。灵活的节点位置有利于分析不同因素对产量的影响。 3.井的协调生产常以井底为求解点将油井生产系统隔离成两部分。流入部分即为油层渗流，用流入动态IPR曲线来描述,反映油层到解节点的供液能力;解节点下游压力与产量的关系则构成流出曲线,反映从解节点到分离器的排液能力。流入、流出曲线的交点对应给定条件下油井生产系统的产量及其井底流压。解节点的上、下游能够协调工作，因此该交点称为油井生产协调点。对应的产量就是油井的自喷产量，如图6-8(a)所示。 图 6-8 井底为求解点选取井底为求解点，可预测地层压力降低后，井底压力及其产量的变化。当油层压力降到一定程度时流入、流出两条曲线无交点，如图6-8(b)所示。表明在给定条件下，油层的供液能力小于油井的排液能力，不能协调生产，油井停喷。因此，可预测地层的停喷压力。欲使油井以产量q生产，需要进行机械采油。两曲线间的压差Δp就是必须人工补充的能量。 图6-8(c)中的两条曲线存在两个交点。理论分析和生产实践都能证明：较低产量的交点不稳定。压力波动会使油井停喷或者移向右边的交点A，此点才是稳定的协调工作点。 r-pwf表示油层渗流压降,pwf-pwh表示井筒的举升压降。图6-10分别绘制了不同直径油嘴的嘴流曲线，它们与油管工作曲线B的交点就是各油嘴的协调点。由图可确定指定产量所需的油嘴直径。运用协调方法还可以进行参数的敏感性分析，选择最佳油管尺寸，实现油井系统的优化生产。 图 6-9 自喷井流动过程的协调关系 图 6-10 不同油嘴直径的油井产量