[科普中国]-高含水期油田开发技术

发展概况国外

高含水期油田开发是一个系统工程, 几乎涉及到油田开发研究的各个方面。当前的科技发展有两个显著特点, 一是多学科的互相渗透、互相配合来解决开发问题。其中有代表性的是20 世纪80 年代开始形成的油藏经营管理的提出、应用和发展。油藏经营管理就是综合技术、经济等多种因素, 利用多学科互相协同, 实现油田开发目标的一种方法, 也是一种过程的最优化, 适应了现代油田开发的需要。二是大量的高新技术被引入并被应用于油田开发, 从而大大提高了油田开发。

1 . 加密钻井方法

国外高含水期油田钻加密井仍是一种主要调整方法。研究的重点是采用多学科结合方式, 优化新井布置方案。发展趋势是采用更科学的综合研究方式和先进的技术布置新井。

2 . 水动力学调整方法

水动力学方法是纯粹依靠改变油层的流场实现油田的调整。俄罗斯对这种方法十分重视, 研究了改变单井工作制度和改变井网层系两大类水动力学方法。对周期注水、改变液流方向的机理和效果进行了大量研究, 每年增产油量大大超过EOR 的增产油量。发展趋势是水动力学方法和EOR、井下措施等综合研究以提高效果的方法。

3 . 各种井下措施

高含水期油田的主要井下措施包括调剖、堵水、解堵、增注等。与化学驱的研究和应用相反, 国外化学剂应用于井下措施的数量正在大大增加, 研究工作也相应有很大发展。井下措施化学剂的发展趋势是具有选择性、高效性、深处理性和耐高温性。此外传统的井下措施如压裂、酸化等也得到进一步研究以使其应用对象范围更广、效果更好。如压裂的端部脱砂技术、强制闭合技术、现场实时检测技术和酸化的延迟酸化技术等。发展趋势是研究适用性和效果更好的技术。

4 . 水平井的应用

水平井开采技术始于20 世纪30 年代, 于80 年代开始工业化, 到2000 年全世界已完钻水平井23385 口, 其中美国已完钻水平井10066 口, 加拿大为9665 口。水平井的成本是直井的1 . 2～2 倍, 产量是直井的3～5 倍。

国外水平井在高含水期油田的研究和应用主要是水平井注水井网, 开采顶部或油气界面、油水界面中的剩余油, 套管开窗侧钻超短半径水平井开采剩余油以及水平井与EOR 方法的结合。由于采用水平井可提高驱替速度、增加毛细管数而提高采收率, 发展趋势是小井眼水平井、分枝井、结合随钻测井系统并与其他方法相结合的综合研究。目前Becdrill 公司研究的小井眼钻井系统曲率达到23°/ 30 m 至4°/ 30 m。

5 . 油藏数值模拟研究技术

油藏数值模拟广泛应用于高含水期油田开发的各个方面, 可以说, 没有现代的油藏模拟技术就没有现代的油藏开发和管理技术。20 世纪80 年代是油藏模拟技术走向成熟的年代, 除黑油模型外相继发展了组分模型、双重介质模型、热采模型、化学驱模型等, 形成了可用于不同储层类型、不同流体性质、不同开发过程的油藏数值模拟技术。今后随着工作图形显示技术以及大规模超高速计算机的发展, 数值模拟向着使用方便、直观、计算精确以及高度集成方向发展。1

国内1993 年底我国油田综合含水量达80 . 2% , 进入了高含水期开采。许多油田实施了“稳油控水” 工程, 即在降低油田产液量和综合含水上升速度的同时, 保持油田稳产。在过去油田开发经验和技术的基础上, 形成了一套“ 稳油控水” 的新技术体系, 取得了较好效果。“稳油控水” 新技术体系有两个显著的特点: 第一个特点是多学科、多种技术的配合, 在“ 稳油控水” 新技术体系中涉及了油田地质、地球物理、油藏工程、数值模拟、采油工程、钻井工程、储输工程、环境保护等许多学科; 采用了三维地震、油藏精细描述等为内容的油田地质核心技术, 取心、剖面测试、开发测井、试井为内容的油田监测技术,分层注水等为内容的油田注水技术, 压裂、酸化、调剖、堵水等为内容的油田井下措施技术; 有杆泵、电潜泵、螺杆泵等配套的油田采油技术等。第二个特点是通过研制、开发、引进, 在油田开发工作中采用了大量的高新技术, 使各单项技术和多学科技术的整体水平不断提高。

1 . 井网综合调整加密技术

通过对流动单元储量动用状况和剩余油分布的研究, 确立了以流动单元为调整对象、进行注采井网局部完善、强化注采系统和注采井网重新细分优化组合为主要内容的特高含水期井网调整技术。具体包括以下4 个方面内容:

①剩余油挖潜的技术经济界限, 根据投入产出原理, 建立了各种措施以及加密调整井的技术经济界限;

②井网局部完善调整;

③注采井网重新细分优化组合调整;

④老井综合治理技术。

2 . 高效调整井技术

我国高效调整井在保持油田稳产、增加可采储量等发挥了巨大的作用。高效调整井的布井方式和密度取决于剩余油的丰度和质量, 一方面要保证调整井的经济合理性, 另一方面要有利于控制调整对象的平面和层间干扰, 达到较高的储量动用程度, 使用的手段包括油田地质构造研究、沉积相研究, 以及结合测井和开发分析, 确定剩余油富集区。

3 . 水动力学方法

作为水动力学方法中的周期注水技术和改变液流方向已在我国得到推广应用, 几乎所有大油区都有油田在实施。在我国, 应用水动力学调整方法也得到较好的应用例子。如喇嘛甸油田改变液流方向的注采系统调整; 大庆长垣南部和扶余油田的周期注水; 胜坨油田胜二区沙二段的封堵大孔道; 王场油田的单井吞吐; 任丘、莫州油田的降压开采等。这些成功的实例说明水动力学方法在我国有着极为广阔的应用前景。

4 . 油层分注技术

全国所有多层注水砂岩油田都进行了油田分层注水工作, 形成了一整套分层配注、测试的管柱系统。特别是斜井分层注水技术解决了斜井分注问题, 具有良好的经济效益。该技术利用斜井分层配注管柱, 对斜井进行分层注水, 并实现分层流量的测试, 满足斜井分注的需要, 可实现3～5 层分注。胜利油区针对油藏地质特征, 通过理论研究和矿场试验,形成具有胜利油区特色的分层注水工艺技术, 包括常规悬挂式分层注水工艺管柱及锚定补偿式细分层注水管柱。

5 . 化学剂堵水调剖技术

化学剂调剖已成为注水井调剖的常规方法。初期多采用聚丙烯酰胺, 现已发展为高分子共聚物、交联聚合物凝胶等的深部调剖。采用水泥或聚丙烯酰胺、聚丙烯腈及其改进的选择性堵水剂, 已成为油田堵水的常规方法。

6 . 机械堵水技术

采用封隔器堵水是我国广泛使用的机械堵水方法, 近几年发展起来的闭式机械找堵水工艺技术、液力可取式桥塞堵水技术、超细水泥封堵技术等开始扩大现场试验并推广应用, 工艺成功率、有效率都在90%以上, 起到了很好的增产油量, 减少产水的作用。

7 . 压裂、酸化增产增注技术

这是一种传统的方法, 在我国早已普遍应用。近几年发展起来的细分酸化改造工艺、注水井暂堵酸化工艺技术以及缓生酸深部酸化技术等技术已在现场得到推广应用, 取得较好效果。

8 . 水平井开采技术

自20 世纪90 年已先后在胜利、新疆、塔里木、中原、江汉、江苏、长庆、吐哈、青海、大港、克拉玛依、大庆、辽河等油田推广应用, 目前, 我国每年完钻水平井80～100口。

9 . 数据库技术及其计算机应用

我国各油田都建立了本油田的地质开发数据库, 计算机技术广泛应用于油田开发工作的各个方面。1

技术水平对比从国内外高含水期油田开发科技水平可以看出, 在整体水平上, 我们落后于国外, 存在着一定的差距, 主要表现在以下几个方面。

1 . 高含水期油田经营管理方法

国外已形成了一整套油藏经营管理方法, 利用多学科技术综合解决问题, 并且建立了明确的操作程序和相应的组织。我国也初具油藏经营管理的雏形, 采用多学科协同解决问题, 但还没有形成统一的操作程序和相应的组织, 在成熟程度上不如国外。

2 . 新方法、新技术的研究

国外对高新技术引入油田开发工作十分重视。美国和俄罗斯在高含水期油田开发技术上的创新点比较多。我国虽然形成了一套适应我国高含水期油田开发特点的开发技术, 但创新不够, 很大一部分是跟着国外的新技术走, 超越国外水平的新技术很少。

3 .与国外技术对比

与国外相比, 我国高含水期油田开发技术的研究工作还有不少空白。如剩余油物理化学性质研究等, 有待于填补。此外, 与国外相比, 我国高含水期油田开发技术的装备研究差距比较明显。如一些测试仪表的精密程度与分辨率, 一些工具的性能等。高含水期油田开发技术的理论研究包括实验设备研制, 与国外也有差距。

4.建议

鉴于以上差距, 对提高我国高含水期油田开发科技工作水平提出以下建议:

(1) 高含水期油田开发技术涉及几乎所有有关油田开发的技术, 是一项大的系统工程, 要提高它的整体水平, 必须从提高每个学科、每个单项技术水平做起。

(2) 加强研究建立适应我国高含水期油田开发实际的油藏经营管理目标、程序、法规及相应的组织, 更有力的促进现代油田经营管理在我国高含水期油田开发中发挥作用。

(3) 大力鼓励具有创新意义的新工艺、新技术的研究, 加快赶超国外水平。

(4) 对我国高含水期油田开发的空白技术加紧填补, 使一些国外有的、我们没有的、而对我们又很具有应用前途的研究项目能在我国尽快开展研究。

(5) 加强硬件研究, 这是提高我国高含水期油田开发科技水平的关键问题之一。

(6) 加强高含水期油田开发技术的基础理论研究及实验设备的研究和设置工作。

(7) 将国内外科技新成就及时引入到高含水期油田开发工作中来, 与整个国内外的科技水平保持同步。

(8) 及时引进、消化、应用国外高含水期油田开发的先进科技成果。2

技术方法井网层系综合调整技术油田进入高含水期, 地下油水分布出现了重大变化, 反映在油田开发动态上表现为含水量很高, 单井产油量下降, 调整井效果明显变差, 井下作业措施效果降低, 导致油田产量递减加快。根据现有资料分析, 剩余油的分布主要有以下几种类型:

①不规则大型砂体的边角地区, 或砂体被各种泥质遮挡物分割所形成的滞油区;

②岩性变化剧烈, 主砂体已被大面积水淹, 其周围呈镶边或搭桥形态存在的低渗透差储层或表外层;

③现有井网控制不住的砂体;

④断层附近井网难以控制的部位;

⑤ 断块的高部位, 微构造起伏的高部位,以及切叠型油层的上部砂体;

⑥井间的分流线部位;

⑦正韵律厚油层的上部;

⑧注采系统本身不完善, 如有注无采、有采无注或单向受效等而遗留的剩余油。

在高含水期, 开发挖潜的主要研究对象是高度分散而又局部相对富集的、不再大片连续分布的剩余油, 目的是增加可采储量、提高水驱采收率, 这就需要更深入、更精细的地质和油藏工程研究。为了充分动用中、低渗透油层, 减少层间干扰, 必须进行层系的细分; 为了调节平面差异性的影响, 采出呈高度分散状态的剩余油, 必须进行注采井网的调整完善。两者一般同时进行, 互相结合。2

注采结构优化技术国内外大多数多油层砂岩油田注水开发实践表明, 由于油层非均质性的存在, 导致油田开发不均衡, 一般是渗透率高的好油层先动用、先水淹、先进入高含水期; 渗透率低的难采储层动用不好或不动用, 通过加密调整逐步得到动用, 后进入高含水开发期。即油田开发的可开采储量由易到难, 开发层系由粗到细, 开发井网由稀到密。在油田不同的含水阶段, 由于地下油水分布以及油水井开采条件的变化, 油田稳产的具体做法是不同的。

通过对国内外一些注水开发油田中高含水期开发资料的分析, 从采液速度和采油速度的变化特点上, 可以把该阶段的油田分为提液稳产、稳液降产、降液控水三种开发模式。采用提液稳产开发模式的水驱油田, 初期开采速度一般不太高。在开采过程中, 随着含水率上升, 采用各种措施逐步提高产液量, 以弥补油田可能出现的递减, 保持油田较长时间稳产, 一般稳产期可达7～12 年, 提液措施主要包括增加开发井数、改善渗流条件、扩大生产压差、提高生产时率等。但采用这种开发模式的油田采油速度一般不高于2% ,稳产期末综合含水率一般不超过80%。由于产液量逐年大幅度增加, 导致了各项地面配套工程频繁更新改造, 使原油成本急剧增大, 经济效益变差。

采用稳液降产开发模式的油田, 初期开采强度大, 采油速度高。开采过程中, 油田采液速度变化不大, 稳产时间较短, 一般不超过6～8 年。但由于地面设施改造及井下措施工作量少, 因而原油成本增长比较缓慢, 经济效益相对较好。

水动力学方法注水是当今世界油田采用的主要开发方式, 是最经济有效的提高采收率的方法。注水油田的高含水采油期, 是注水油田开发过程中一个重要的时期, 我国中等粘度的注水油田, 有一半左右的水驱可采储量将在高含水期采出。油田进入高含水期开采后, 在稳定注水条件下, 注入水很难扩大波及体积, 大部分水沿已经形成的水窜通道采出地面, 使注入水的利用率越来越低。而且在该阶段随着油田综合含水的升高, 地下油水分布日益复杂,油、气、水和岩石的性质发生许多变化; 伴随油田采出水量逐渐增加, 开发工作量逐渐加大; 增产增注的措施效果越来越差; 井况也越来越差。因此高含水期的调整工作, 关系到整个油田开发水平的高低, 不仅难度大, 而且非常重要。

以改变油层中的流场来实现油田调整的方法称为水动力学方法。它的主要作用是提高注入水的波及系数, 是改善高含水期油田注水开发效果的一种简单易行、经济有效的方法。

注水油田开发调整的水动力学方法的概念最早是由前苏联人1986 年提出的。在此之前, 虽然这种方法早已在应用, 但没有专门地分出和研究。由于它在注水油田开发调整中的重大价值, 而逐渐引起人们的注意, 并从1986 年起把它作为独立的方法进行研究。水动力学方法按其作用的特点又可分为两种类型:

①通过改变井的工作制度, 实现油田强化开采的方法;

②改变初始采用的井网和层系的调整方法。水动力学方法与三次采油方法相比, 水动力学方法工艺比较简单, 成功率高, 效果显著, 投资较小, 经济效益好; 而三次采油方法工艺比较复杂, 投资大, 风险大。水动力学方法往往只需要很小的工作量就能获得较大的成效。水动力学方法由于实施比较容易, 投资比较少, 而得到了广泛的应用。在国外, 前苏联1988 年在32 个生产联合公司的210 个油田上进行了336 项试验和推广提高采收率工作,其中热采47 项, 物理、化学法105 项, 水动力学法214 项。

发展趋势高含水期油田开发应用技术的趋势是除继续应用新的单项技术外, 更重要的是多种技术的综合应用, 以便取得更好的综合效果。这种综合应用大到油藏经营管理的多学科专家组对各种技术的综合应用, 小到一个具体措施采用多种技术的综合应用解决问题。

在高含水期油田中运用多学科协作解决问题。高含水期油田改善开发效果提高采收率本身就是一个综合性问题, 必须加强地质、物探、测井、钻井、地面工程与采油部门之间的协作, 以及地质、物探、测井、钻井、油藏工程和采油工程等各有关学科之间的密切配合, 组成一个多学科专家组。例如美国普鲁德霍湾油田为了布加密井组成了多学科专家组, 在这个专家组内, 钻井和设备工程师的任务是对钻井设备和地面设备进行筛选, 使专家组在作出最终决策之前对合理的地理条件、成本和工程投资风险有全面的了解。地面工程师负责地面管线和设备的设计工作, 通常这一设计工作按地面设备安装的优化方案进行。地质学家的主要任务是对影响加密井的流体流动和产能的地质因素进行描述。油藏工程师的任务是为加密井选定驱油机理和开采方式, 同时对目标区块的地质储量和可采储量进行估算, 以供经济分析之用。采油工程师负责对目标区进行流体监测, 确定油井是否受到损害, 并决定是否采取重钻或增产措施; 通过目标区的生产历史分析, 为油藏工程师的物质平衡计算提供所需的资料。

很多资料表明, 计算机和油田数据库是多学科专家组正常运行的保证。例如美国的ShoVelTum 油田, 1990 年采用了三维地震工作站和地质工作站, 这两个系统共享一套公用的数据库, 在此基础上, 多学科专家组对这个原始采收率较低(11 . 2%) 、已开采80 年的老油田进行了研究, 使该油田的Countryline 单元的可采储量在原来的基础上提高了78%。

为了从组织上落实多学科专家组, 哈里伯顿公司于1991 年成立了一个油藏描述队,现已拥有数十名科学家。这个队是一个多学科的队伍, 其人员包括地质学家、地球物理学家、地球化学家、生物地层学家、计算机学家、油藏和采油工程师、工程项目经理、系统工程师。经过综合研究, 建立三维地质模型。然后把模型与经济评价结合起来, 制订出供选择的油藏管理对策。1