稠油出砂冷采技术研究

稠油出砂冷采技术研究Ξ
罗玉合,孙艾茵,张文彪,周　超
(西南石油大学,四川成都　610500)
摘　要:稠油出砂冷采是近年来从加拿大兴起的一项稠油开采新技术。

稠油的开采是缓解原油短缺的重要手段,经济、高效地开发稠油具有重要的现实和战略意义,目前稠油出砂冷采已成为热点。

稠油出砂冷采是使油层大量出砂形成蚯蚓洞网络和形成稳定泡沫油而获得较高的原油产量。

能否应用这一技术进行开采主要取决于储层及原油性质等因素,以及配套的工艺技术。

关键词:稠油;出砂;冷采
20世纪80年代中期,随着国际油价的下跌和轻重油差价的扩大,稠油注蒸汽开采等方法面临着经济上的严重挑战。

为了降低采油成本,提高稠油开采的经济效益,80年代末90年代初,加拿大的一些小石油公司率先开展了稠油出砂冷采。

其主要作法是,不注蒸汽,也不采取防砂措施,射孔后直接应用螺杆泵进行开采,矿场实施取得了意想不到的效果,产油量得到了大幅度的提高。

“出砂冷采”这一概念正是在这种情况下建立起来的。

出砂冷采具有以下优越性:投资少、日产油量高和开采成本低,它通过诱导地层大量出砂和泡沫油的形成而获得高产油流;可作为热采后续开采方式,或者与热采结合以提高稠油油藏采收率;对于浅、薄、散的稠油油藏,由于热损失大,不能采用热采,而出砂冷采则可开发这类难动用的资源。

1　稠油出砂冷采机理
稠油出砂冷采能保持长期高产并获得较高的采收率的主要机理是大量出砂形成蚯蚓洞网络和稳定的泡沫油流动。

1.1　大量出砂形成蚯蚓洞网络
油层大量出砂后,蚯蚓洞在沿射孔孔道末端的高孔隙度区域形成并延伸,随着大量砂子的不断产出,井筒周围应力发生了不同程度的变化,油层呈现出相应的分带性,蚯蚓洞形成后,经流化带、屈服带和破坏带呈树枝状逐渐向外延伸,形成蚯蚓洞网络。

蚯蚓洞网络形成后,储层孔隙度从30%提高到50%以上,渗透率提高几十倍,极大地提高稠油的流动能力,蚯蚓洞形成和延伸过程中,产油量相对较低,产出液含砂量达10%～60%,蚯蚓洞稳定过程中,产油量提高,而产出液含砂量降至5%以内,并呈逐渐下
降趋势。

1.2　稳定泡沫油流动
出砂冷采井中的稠油通常都溶解一定量的天然气。

当对油井进行强采时,天然气将从原油中析出,但是这些气体不会马上聚集形成连续的气相,而在向井筒流动的过程中以气泡的形式存在。

当压力不断下降时,气泡不断变大,这时这些气泡形成一个“内部驱动力”,驱动砂浆由地层向井筒流动。

稳定的泡沫油还使原油密度变得很低,从而使粘度很大的稠油得以流动。

泡沫油的存在有以下作用:
①产生内部驱动力,将油、气、水和砂子所形成的砂浆驱向井筒,其流速大大高于常规液相流动理论所预测的速度;
②泡沫油中的气泡流经孔隙喉道时,将对喉道起堵塞作用,导致局部压力梯度升高,从而使局部拖曳力增加,达到激励地层出砂的目的;
③由于井筒中流动的泡沫油密度很低,使得高粘度稠油更加容易携砂。

此外,由于油层中产出大量砂粒,使油层本身的强度降低,在上履地层的作用下,油层将发生一定程度的压实作用,使孔隙压力升高,驱动能量增加,而且远距离的边底水可以提供一定的驱动能量。

2　稠油出砂冷采的适用条件
稠油冷采技术适用的油藏范围较广,对于油层厚度、原油粘度和油藏压力没有明显的限制,油藏的埋深以满足螺杆泵的扬程为宜。

只要油层胶结疏松、地层原油中含有一定溶解气量,距边底水较远的稠油油藏均可采用该技术。

2.1　储层条件
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　2008年第2期 内蒙古石油化工
Ξ收稿日期:2007-08-12
作者简介:罗玉合(1982-),男(汉),四川广安人,西南石油大学油气田开发在读硕士,主要从事油气田开发方面的研究。

从机理上讲,油层需大量出砂才能形成良好的蚯蚓洞网络,也是稠油出砂冷采成功并获得高产油流的前提。

稠油油藏一般为砂岩油藏,其胶结疏松,储层物性好,孔、渗、饱参数较高。

因此,就储层而言,储层胶结程度和粒度对出砂冷采效果影响最大,疏松储层和半胶结储层适宜出砂冷采。

储层的埋藏深度与油层压力具有较好的对应关系。

埋藏深度太浅的稠油油藏,由于原始压力低,不利于产生较高的生产压差,难以激励储层初始出砂;而埋藏太深的油藏,井下工艺难以达到出砂冷采需要。

加拿大成功实施的出砂冷采稠油油藏埋藏深度一般在300～760m之间,对应原始油层压力为2.4～6.0M Pa,这也是该技术应用较理想的深度范围。

另外,储层厚度与蚯蚓洞的发育状况及油井产能有关。

一般而言,稠油出砂冷采适应的储层厚度在3m以上,最好大于5m。

但在原油粘度相对较低、储层物性很好的情况下,适应该技术的储层厚度下限可以进一步降低。

2.2　原油条件
原油粘度与其携砂能力以及泡沫油的稳定性有关。

原油粘度越高,则携砂能力越强,所形成的泡沫油稳定性越好。

但是,原油粘度太高,其流动性又受到限制。

当脱气原油粘度小于500m Pa・s时,泡沫油持续时间短,稳定性差,且原油本身携砂能力低。

根据国外矿场经验,适合出砂冷采的脱气原油粘度为600～16000m Pa・s。

另外,适合出砂冷采的稠油中应该含有一定的溶解气。

虽然稠油油藏中的溶解气含量相对较低,但它对稠油出砂冷采有着十分重要的影响。

一方面,溶解气有利于形成稳定的泡沫油,泡沫油是出砂冷采不可或缺的因素,含气原油在从油层深处向井筒流动过程中,随着孔隙压力的降低,地层原油中产生大量微气泡形成泡沫油流动,且不断膨胀,为原油流动提供驱动能量,提高稠油的携砂能力;另一方面,溶解气可大大降低原油的粘度,改善其流动特性。

一般认为,溶解气油比为10m3 t左右为宜。

2.3　开采条件
油井所处构造部位不同,开采效果差异很大。

一般来说,位于构造低部位或靠近气顶的油井,开采效果较差。

尤其是当蚯蚓洞与边水或气顶连通时,油井往往被迫关井。

因此,油井部署时应从油藏中心部位开始,逐步展开,尽量远离边水和气顶(最好不小于200m);对于靠近边水或气顶部位已完钻的井,应缓投产,以避免边水或气顶气沿蚯蚓洞网络串入油藏内部,危及主体部位的正常开发。

3　技术要求
稠油冷采是一种非加热一次采油方式,在稠油储集层中它允许产砂并依靠强力射孔技术和设计精良的螺杆泵系统采油。

3.1　螺杆泵及下入深度要求
国内外稠油出砂冷采实践证明,稠油出砂冷采井应尽量采用高转速螺杆泵,这样才能得到更分散、更稳定的泡沫油乳状液,最大程度地提高原油携砂能力,确保油层大量出砂。

稠油出砂冷采过程中,如果泵下得太浅,则油层会在很短的时产内被砂子埋住,抑制砂子和流体的产出,严重降低开采效果,而且此时生产压差和泵吸入口所产生的负压较低,不利于激励油层出砂;如果泵下得过深,则在泵排砂不及时的情况下,泵可能被砂子埋住而使油井被迫停产作业。

国外稠油出砂冷采井普遍将螺杆泵下至油层底部(即泵吸入口位于油层底部,泵体位于油层中部),并通过注入原油携砂等方式及时将砂子举升到地面,防止螺杆泵被砂堵或砂埋。

3.2　射孔技术要求
油层大量出砂形成高渗透的蚯蚓洞网络是稠油出砂冷采的重要开采机理。

与此相适应,出砂冷采井必须采用大孔径、深穿透、高密度射孔技术。

采用大孔径射孔的目的是防止孔眼被地层砂形成砂桥堵塞,利于蚯蚓洞的形成和延伸。

室内实验表明:当孔眼直径小于储层颗粒粒径的4倍时,则砂粒容易在孔眼外形成稳定的砂桥,不利于砂子产出和蚯蚓洞的形成;当孔径大于储层颗粒粒径的6倍时,则难以形成稳定的砂桥。

因此,储层中砾石含量较高时,大孔径射孔是必需的。

稠油出砂冷采井普遍地采用32g以至更重的聚能射孔弹,孔径25mm,射孔密度一般大于40孔 m,最密时超过60孔 m,目前所采用的孔密大致为50孔 m。

就射孔所适用的压力条件而言,一般认为,采取低于油层压力1～2M Pa的负压射孔方式为好。

对于离气顶较近的油井,除了延缓投产外,应避射油层顶部一定厚度,以防蚯蚓洞过早地延伸进入气顶区域;对于离边水较近或存在底水的油井,除了延缓投产外,也应避射油层底部一定厚度,以防蚯蚓洞过早地延伸进入边水区域。

3.3　井筒降粘技术
为了降低启动扭矩,延长井下设备使用寿命,主要采取两方面措施:一是在螺杆泵运转之前,泵上注轻质油;二是当产砂量过多或砂子在井筒发生沉降而影响生产时环空注入原油,提高携砂能力,稳定油井生产。

3.4　混砂液处理技术
出砂冷采的产出液含砂量高,必须在井口进行脱砂处理后才能进入集转油站,一般采用多级大罐
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脱砂、脱水处理技术和洗砂工艺,除砂效率可达99%以上。

4　稠油出砂冷采的发展趋势
稠油出砂冷采作为一种新兴的技术在许多方面还需要进一步研究和完善,主要向以下方面发展:4.1　油藏描述和数值模拟。

油藏研究正在趋于现代化,即在油藏的描述阶段加强不同专业领域的综合和二维向三维描述过渡,而稠油开采就是要把有意义的、完整的油藏描述融入到流动模型中,建立数学模型和数值模拟方法。

4.2　举升方式的进一步优化设计。

稠油出砂冷采目前主要采用螺杆泵,而螺杆泵还需要进一步优化设计来满足开采要求,电潜螺杆泵随着携砂能力的不断提高,性能的不断改进,将会越来越多的取代普通螺杆泵。

4.3　有限排砂采油。

其主要思想是用经济评价手段来确定在整个油田开发期内应该采取何种开采方式,而使经济效益最大化。

客观有效的经济评价方法是稠油有限排砂采油技术发展的基础,最大限度的保护产能,同时又能够挡住一定粒度地层砂的防砂方法是这项技术成功的关键。

4.4　提高采收率。

稠油出砂冷采采收率一般只有8%～15%,最高不超过20%,其后续开采方式还需进一步探讨。

5　结论
5.1　大量出砂形成高渗透蚯蚓洞网络和稳定的泡沫油流动是稠油出砂冷采的主要机理。

5.2　储层参数、原油性质、油层压力和深度、油井所处构造部位以及盖、隔层分布等因素是衡量出砂冷采技术适应性和制定开发技术策略的重要依据。

5.3　稠油出砂冷采井需采用大孔径、深穿透、高密度射孔工艺技术,而且采用适应高含砂量和高原油粘度的高转速螺杆泵,且泵吸入口直接下入油层底部,以及配套的井下和地面工艺技术。

5.4　在对稠油出砂冷采机理的认识和工艺的改进
等方面还存在一定的问题,这也有待于进一步研究。

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The Study of Cold Heavy O il Production Technology
L UO Y u -he ,SUN A i -y in ,ZH A N G W en -biao ,ZH OU Chao
(Sou thw est Petro leum U n iversity ,Chengdu ,Sichuan 610500,Ch ina )
Abstract :T he co ld heavy o il p roducti on (CHO P )is a new heavy o il developm en t techno logy first appeared in Canada in recen t years .Exp lo iting heavy o il resou rce w ill be the i m po rtan t m ean s to lessen the p ressu re resu lted in crude o il sho rtage .T here are realistic and strategic m ean ings of econom ically and efficien tly exp lo iting heavy o il reservo irs .N ow adays ,co ld p roducti on w ith sand has becom e a ho t spo t fo r heavy o il developm en t .T he co ld heavy o il p roducti on (CHO P )is based on bo th w o r m ho le w h ich occu r after a great lo t of sand is p roduced and steady foam ing crude ,by w h ich the o il p roducti on can be rem arkab ly enhanced .W hether app lying the techno logy to develop the reservo irs m ain ly to be decided by reservo ir and o il characters ,m o reover it needs to study the m atch ing techno logies .
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7　2008年第2期 罗玉合等　稠油出砂冷采技术研究。