畢業(yè)設(shè)計(jì)-提高熱采水平井火驅(qū)開(kāi)發(fā)效率的完井技術(shù)研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 燃后 ， 可停止注入井的加熱 。 燃燒區(qū)的溫度將會(huì)隨時(shí)間不斷增高 ， 可達(dá)到的最高溫度和前緣推進(jìn)的速度受到油品 、 油層地質(zhì)和人為外加控制因素的制約 。 有最高溫度的燃燒區(qū)可視為移動(dòng)的熱源 ， 在燃燒區(qū)前緣的前方 ， 原油在高溫?zé)嶙?用下 ， 不斷發(fā)生各種高分子有機(jī)化合物的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng) ， 如蒸餾 、 熱裂解 、低溫氧化和高溫氧化反應(yīng) ， 其產(chǎn)物也是復(fù)雜的 。 除液相產(chǎn)物外 ， 還有燃燒的煙氣 ， 包括一氧化碳 、 二氧化碳及天然氣等 。 熱水 、 熱汽 、 氣都能把熱量攜帶或傳遞給前方的油層 ， 從而形成熱降粘 、 熱膨脹 、 蒸餾汽化 、 油相混相驅(qū) 、 氣驅(qū) 、 高溫改變相對(duì)滲透率等 一系列復(fù)雜的驅(qū)油作用 。 一般認(rèn)為 ， 在燃燒前緣附近是裂解的最后產(chǎn)物 — 焦炭形成的結(jié)焦帶 ， 再向外依次是蒸汽和熱水反應(yīng)生成水 、 原生水以及濕 法燃 燒的注入水等形成的熱水蒸汽帶 、 被蒸餾的輕質(zhì)烴類(lèi)油帶 ， 以及最前方的已降粘的原始富油帶 。 正是 因?yàn)榛馃蛯?有眾多的驅(qū)油機(jī)理聯(lián)合作用 ， 可以比現(xiàn)在的任何一種采油方法獲得更高的采收率 。 圖 油層剖面示意圖 由以上機(jī)理不難看出火燒油層法有以下特點(diǎn) ： （ 1） 具有注空氣保持油層壓力的特點(diǎn) ， 其面積波及系數(shù)比氣驅(qū)高 （ 五點(diǎn)井網(wǎng)氣驅(qū)約為 45%， 火驅(qū)可達(dá) 70%） 。 （ 2） 有相當(dāng)于水驅(qū)的面積波及系數(shù) ， 但驅(qū)油效率比水驅(qū)高得多 。 （ 3） 具有蒸汽驅(qū) 、 熱水驅(qū)的作用 ， 但火驅(qū)的熱效率更高 ， 且產(chǎn)物的輕質(zhì)組分因熱裂解反應(yīng)而更多些 。 （ 4） 有二氧化碳驅(qū)的性質(zhì) ， 但其二氧化碳是原油高溫氧化反應(yīng)的產(chǎn)物 ， 無(wú)需制造設(shè)備 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 8 （ 5） 具有混相驅(qū)降 低原油界面張力的作用 ， 但比混相驅(qū)有高得多的驅(qū)油效率和波及系數(shù) 。 （ 6） 熱源是運(yùn)動(dòng)的 ， 所以火驅(qū)井網(wǎng)、井距可以比蒸汽驅(qū)、化學(xué)驅(qū)更靈活。 影響因素 火燒油層技術(shù)的影響因素 ， 主要是指火燒油層技術(shù)從實(shí)施開(kāi)始，點(diǎn)火、注氣、生產(chǎn)過(guò)程中影響火燒技術(shù)成功實(shí)施的 各種 因素。研究火燒油層技術(shù)的影響 因素，可以找出存在的問(wèn)題，確定完井需求，為火燒油層完井技術(shù)的研究 指明方向。 點(diǎn)火 火燒油層成功的關(guān)鍵是油層點(diǎn)火 [3]， 以前的油田開(kāi)發(fā)偏向粗放式 ， 對(duì)點(diǎn)火的控制也僅僅局限于一些感性的現(xiàn)場(chǎng)操作 。 目前所采用的點(diǎn)火方式主要有自燃 點(diǎn)火 、 化學(xué)點(diǎn)火和電點(diǎn)火三種方式 。 其中自燃點(diǎn)火不需要外加任何點(diǎn)火設(shè)備 ， 如果自燃時(shí)間為幾小時(shí)或者幾天 ， 就應(yīng)該研究自燃的可能性 ， 若時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月或者幾年 ， 則要從外部能源補(bǔ)給能量 。 當(dāng)油層溫度過(guò)低 ， 應(yīng)用自燃點(diǎn)火方式不足以滿足經(jīng)濟(jì)效益時(shí) ， 就可以選擇人工點(diǎn)火的方式 ， 其中電點(diǎn)火是最常用的一種 。 電加熱器受實(shí)際深度的限制 ， 壽命短 ， 加熱功率有限 ， 一般不超過(guò) 75kW。 而火焰加熱器 ， 特別是氣體燃料燃燒器 ， 不受深度的限制 ， 可以產(chǎn)生 100kW 以上的加熱功率 。 因此 ， 在含有難氧化 ， 燃點(diǎn)高 ，厚度大的儲(chǔ)油層 ， 使用火焰加熱器比較合理 。 對(duì)于化學(xué)點(diǎn)火 可以分為液體燃料加熱和氣體燃料加熱兩種 ， 其操作相對(duì)簡(jiǎn)單在現(xiàn)場(chǎng)也得到了比較廣泛的應(yīng)用 。 單一點(diǎn)火的方式要求條件比較苛刻 ， 成功率比較低 ， 為此對(duì)各個(gè)影響點(diǎn)火時(shí)間的因素分析 ， 對(duì)制定合理的點(diǎn)火方案是很有現(xiàn)實(shí)意義的 。 在火燒油層點(diǎn)火的實(shí)施過(guò)程中，大多數(shù)情況下會(huì)對(duì)地層進(jìn)行能量補(bǔ)給以升高點(diǎn)火區(qū)域的地層的溫度。井下直接加熱和注入熱空氣提高點(diǎn)火區(qū)域溫度的方法效率高，但同時(shí)成本也太高不適合普遍使用。而根據(jù)以往注 蒸汽吞吐以及蒸汽驅(qū)的一些經(jīng)驗(yàn) ，點(diǎn)火前通過(guò)注入一定的蒸汽來(lái)提高點(diǎn)火區(qū)域的溫度，雖然效果沒(méi)有井下直接加熱和注入熱空氣的效果好， 但仍可以明顯縮短點(diǎn)火時(shí)間 。 另外，針對(duì)油層的各種性質(zhì)往往還會(huì)選擇適合的添加劑（如 金屬鹽類(lèi)添加劑 、過(guò)氧化氫等）以提高點(diǎn)火的效率。因此，為縮短點(diǎn)火時(shí)間，提高點(diǎn)火的效率， 應(yīng)根據(jù)油藏的特點(diǎn)綜合考慮考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與經(jīng)濟(jì)投入 ， 采用多種點(diǎn)火方式結(jié)合 ， 優(yōu)選 出最佳點(diǎn)火方案實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火的目的。 提高熱采水平井火驅(qū)開(kāi)發(fā)效率的完井技術(shù)研究 9 由上可知，在點(diǎn)火階段，完井方面主要面臨多種點(diǎn)火方法的配合使用問(wèn)題。 實(shí)施完井時(shí)應(yīng)充分考慮到各種點(diǎn)火工具使用時(shí)的影響，為點(diǎn)火的順利實(shí)施創(chuàng)造便利的條件。同時(shí)，這些點(diǎn)火方式也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，例如添加劑和氧化劑在高溫環(huán)境下相互反應(yīng)、添加劑和氧化劑的對(duì) 套管和井下工具的腐蝕、濃度不合理引起的爆炸、空氣互竄以及高溫環(huán)境下井下工具的穩(wěn)定性。這些都是在完井時(shí)需要克服的問(wèn)題。 溫度 前面已經(jīng)提到過(guò)，在實(shí)施火燒油層點(diǎn)火 之 前，大多數(shù)情況下會(huì)先對(duì)油層進(jìn)行加熱以縮短點(diǎn)火的時(shí)間，提高點(diǎn)火的效率。要將油層點(diǎn)燃， 點(diǎn)火區(qū) 地層溫度必須達(dá)到油層的著火點(diǎn)以上，一般為 400℃ ~600℃， 從這一刻起，注入井就開(kāi)始承受高溫的影響 [4]。 圖 火驅(qū)不同階段油層平面溫度場(chǎng) 油層燃燒 產(chǎn)生 大量的熱，溫度可達(dá)到 1000℃以上 （如圖 所示 ） ， 高溫會(huì) 降低稠油粘度 ， 同時(shí)分解稠油產(chǎn)生 復(fù)合驅(qū)動(dòng)作用，但高溫本身會(huì)對(duì)井下包括完井工具在內(nèi)的各種工具帶來(lái)巨大的影響，甚至損壞、局部熔化井下工具，從而嚴(yán)重阻礙火燒油層技術(shù)的實(shí)施 [5]。 另外，完井時(shí)使用的水泥和套管在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是否能承受住高溫的影響也對(duì)火燒油層過(guò)程至關(guān)重要。如果完井水泥和套管一旦 發(fā)生破損甚至熔化穿孔，導(dǎo)致與其他地層連通或竄槽。對(duì)于注入井而言 注氣就沒(méi)法再繼續(xù)進(jìn)行 ， 對(duì)于生產(chǎn)井而言會(huì)嚴(yán)重影響原油的生產(chǎn)。 如圖 所示，實(shí)驗(yàn)中 被燒毀的水平井段。 圖 實(shí)驗(yàn)?zāi)M出的被燒毀的水平井段 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 10 在火燒油層實(shí)施過(guò)程中，我們希望溫度盡可能的小，以減小對(duì)完 井及其工具的影響；但我們又希望溫度盡可能的高（在一定范圍內(nèi)） ，這樣充分發(fā)揮火燒油層的高驅(qū)替效率，裂化重質(zhì)組分，提高產(chǎn)出原油 質(zhì)量 的優(yōu)勢(shì) 。所以，一方面要選取適合的溫度以最大限度的滿足上述要求，另一方面要提高相應(yīng)的完井技術(shù)，使之能滿足對(duì)溫度需要。 腐蝕 火燒油層 實(shí)施 過(guò)程中 ， 原油燃燒生成的 CO SO2以及過(guò)?？諝庵械难鯕?， 是引起管材嚴(yán)重腐蝕的主要因素。 從國(guó)內(nèi)外 火燒油層的 腐蝕井分析來(lái)看 ，火燒油層技術(shù)實(shí)施 過(guò)程中普遍存在以下問(wèn)題 [6]： （ 1） 濕式燃燒中注入井 的氧化 腐蝕。 （ 2） 生產(chǎn)井在高溫條件下的酸腐蝕及 氧突破造成的氧 化 腐蝕。 在點(diǎn)火過(guò)程實(shí)施時(shí)，會(huì)對(duì)油層注入高溫氧化性氣體（空氣或富氧空氣），同時(shí)還會(huì)使用一些添加劑（ 金屬鹽類(lèi)添加劑 、過(guò)氧化氫等 ），點(diǎn)燃后仍然會(huì)繼續(xù)注入空氣或富氧空氣以使油層持續(xù)燃燒， 使 燃燒前緣向前推 進(jìn)。這些空氣和添加劑在高溫環(huán)境和有水的環(huán)境下（地層水、殘余水、水 蒸汽和濕法燃燒注入的水）擁有很強(qiáng)的氧化性，其后果使井下套管 、 油管 、 生產(chǎn)泵及地面閥門(mén) 、 管件等局部產(chǎn)生不同程度的腐蝕坑 、腐蝕麻點(diǎn) 、 甚至?xí)a(chǎn)生腐蝕穿孔 ， 造成管材強(qiáng)度降低 甚至報(bào)廢。 地層條件下燃燒生成的 CO SO2 以及過(guò)剩的 O2 與地層內(nèi)部的水發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸 、 亞硫酸 、 硫酸 ， 對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕 。 有關(guān)反應(yīng)如下 ： CO2+H2O→H2CO3 →H++HCO3 （ ） SO2+H2O→H2SO3→2H++SO32 （ ） 2H2SO3+O2→2H2SO4→4H++2SO42 （ ） 2H++Fe→H2↑+Fe2+ （ ） 4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+ （ ） 主要表現(xiàn)為 ： 注入井濕式火燒過(guò)程中 ， 空氣與水交替注入所引起的氧腐蝕 。 氧腐蝕使管材局部產(chǎn)生很深的腐蝕坑 ， 長(zhǎng)期作用導(dǎo)致管材腐蝕穿孔 ， 或出現(xiàn)嚴(yán)重的麻點(diǎn)現(xiàn)象 ， 使管材強(qiáng)度降低 ； 生產(chǎn)井由于產(chǎn)液溫度較高 （ 150℃ 左右 ） ， 酸性腐蝕 、 氧化腐蝕同時(shí)并存 。 CO2的含量及影響 如 表 和表 所示 。 提高熱采水平井火驅(qū)開(kāi)發(fā)效率的完井技術(shù)研究 11 表 952 井組典型井氣樣分析 （ CO2 含量 ） 井號(hào) Φ（ CO2） /% 井號(hào) Φ（ CO2） /% 951 942 953 961 954 992 941 994 1173 1162 73 1163 P22 1164 1161 1171 表 不同 CO2 分壓對(duì)腐蝕的影響 CO2分壓 /MPa 年腐蝕深度 /mm 由此可見(jiàn)，腐蝕問(wèn)題將在火燒油層技術(shù)實(shí)施的過(guò)程中引起十分嚴(yán)重的問(wèn)題。在火燒油 層實(shí)施前，應(yīng)充分考慮到這種腐蝕問(wèn)題，有針對(duì)選擇可行的完井措施和防治措施，保證火燒油層過(guò)程的順利進(jìn)行。 出砂 到目前為止，火燒油層技術(shù)主要用于稠油和剩余油 （粘度較大） 的開(kāi)采。只要是稠油的開(kāi)采，不管采用什么開(kāi)采方法，油層出砂幾乎都是必然會(huì)發(fā)生的問(wèn)題。所以在火燒油層生產(chǎn)過(guò)程中都必須要 有相應(yīng)的完井措施以應(yīng)對(duì)油層出砂問(wèn)題， 即 在 現(xiàn)有的火燒油層技術(shù)的基礎(chǔ)之上增加相應(yīng)的防砂完井措施及其工具。另外，不止是生產(chǎn)井存在出砂問(wèn)題，在注入井停止注氣的間歇也存在出砂問(wèn)題，這些都 需 要 有相應(yīng) 完井 措施來(lái)應(yīng)對(duì) 。 如圖 所示， 一種 防砂井的結(jié)構(gòu)。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 12 圖 熱采過(guò)程中的防砂井 傳統(tǒng)火燒油層技術(shù) 布井方式 傳統(tǒng)的火燒油層技術(shù)布井組合主要是直井 直井組合、常規(guī)的直井 水平井組合以及少數(shù)的水平井 水平井組合。 由于 燃燒過(guò)程發(fā)生在油層內(nèi)部 ， 人們?cè)谶M(jìn)行過(guò)程量劃時(shí)有很大的局限性 ， 缺乏全面的認(rèn)識(shí) ，不能準(zhǔn)確的確定井間間距 ，造成井網(wǎng)不匹配等。如下圖： 圖 直井 直井組合（九點(diǎn)井網(wǎng)） 圖 直井 水平井組合 提高熱采水平井火驅(qū)開(kāi)發(fā)效率的完井技術(shù)研究 13 圖 直井 水平井組合（ 反向） 圖 水平井 水平井組合 直井 直井組合以九點(diǎn)井網(wǎng)為例， 如圖 所示 ， 中心為一口注入井，四周 8 口生產(chǎn)井。油層點(diǎn)燃后 ，在地層非均質(zhì)性比較理想的情況下，產(chǎn)生的混合驅(qū)動(dòng)由中心向四周傳播。 圖 直井 直井組合剖面示意圖 直井 水平井組合與直井 直井組合類(lèi)似，只不過(guò)用水平井代替了直井生產(chǎn)井，注入井仍然為直井。如圖 所示 ，在油層非均質(zhì)性比較理想的情況下，中心注入井點(diǎn)燃油層后向四周傳播產(chǎn)生的混合驅(qū)動(dòng)力，井原油驅(qū)替到生產(chǎn)井中。直井 水平井組合比直井 直井組 合的井?dāng)?shù)有所減少，采收率有所提高。 直井 水平井組合還衍生出了反向生產(chǎn)的直井 水平井組合，即將水平井作為注入井，直井作為生產(chǎn)井，如圖 所示 。將水平井作為注入井有諸多優(yōu)勢(shì)，但受技術(shù)的限制和實(shí)施的復(fù)雜性，將水平注入井用作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn) 例子還 沒(méi)有 ，還處于 室內(nèi) 實(shí)驗(yàn)?zāi)M 階段 。另外，受井網(wǎng)組合的限制，水平注入 井 的諸多優(yōu)勢(shì) 并不能很好的體現(xiàn)出來(lái)（直到重力泄油技術(shù)的引入） 。所以，在傳統(tǒng)的火燒油層技術(shù)中，水平井用作注入井的反向直井 水平井組合并未被使 用。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 為了進(jìn)一步提高采收率，由反向生產(chǎn)的直井 水平井組合衍生出的水平井 水平 井組合，如圖 所示 ，與直井 水平井組合類(lèi)似，只不過(guò)用水平井代替了直井生產(chǎn)井。和直井 水平井組合一樣，受技術(shù)和井網(wǎng)組合的限制，在實(shí)際生產(chǎn)中少有使用。 生產(chǎn)方式 上節(jié) 中 介紹了傳統(tǒng)火燒油層技術(shù)的布井方式，分別為：直井 直井組合、直井 水平井組合、反向直井 水平井組合、水平井 水平井組合。這 4 種組合下的生產(chǎn)方式都存在一個(gè)相同的問(wèn)題，阻礙了火燒油層技術(shù)的發(fā)展和采收率的提高 ，如 圖 所示。 圖 火燒油層各區(qū)帶及特征 由上圖可以得出，在生產(chǎn)初期，油層剛被點(diǎn)燃，燃燒前緣離注入井很近，距生產(chǎn)井 很遠(yuǎn)。此時(shí)生產(chǎn)井附近的含有飽和度、溫度和壓力 等于 原始地層的飽和度、溫度和壓力。油層燃燒所產(chǎn)生的混合驅(qū)動(dòng)力剛剛開(kāi)始向四周傳播，很難能傳到生產(chǎn)井，尤其是稠油和 剩余 油的開(kāi)采。也就是說(shuō)，在油層點(diǎn)燃后 生產(chǎn) 初期的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)（燃燒前緣的一般推進(jìn)速度為 每天 幾厘米至十幾厘米 ，與油層性質(zhì)有關(guān) ），生產(chǎn)井都不會(huì)因火燒油層產(chǎn)生的混合驅(qū)動(dòng)而出油。若要保證生產(chǎn)，此時(shí)只有采取常規(guī)的開(kāi)采方式，如使用抽油泵等 生產(chǎn)設(shè)備 進(jìn)行生產(chǎn)，技術(shù)本身與火燒油層技術(shù)沒(méi)有直接關(guān)系。 隨著生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行，燃燒前緣逐漸遠(yuǎn)離注入井，與生產(chǎn)井的距離減小，火燒油層 產(chǎn)生的混合驅(qū)動(dòng)能夠傳到生產(chǎn)井，驅(qū)替效果逐漸由小變大 。此時(shí)生產(chǎn)井開(kāi)始出油，但產(chǎn)量較少，而且生產(chǎn)出的原油粘度較高，往往會(huì)伴隨著較嚴(yán)重的出砂問(wèn)題。產(chǎn)出的原油帶有少量的燃燒生成氣體（如 CO SO2），仍然需要一些井下設(shè)備將油從井底抽出來(lái)。 提高熱采水平井火驅(qū)開(kāi)發(fā)效率的完井技術(shù)研究 15 到了生產(chǎn)的后期，燃燒前緣距離注入井越來(lái)越遠(yuǎn)，距離生產(chǎn)井越來(lái)越近。 遠(yuǎn)離注入井 給 氣體注入帶