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1、中国石油大学（华东）工程硕士学位论文第一章 前言1.1 研究的目的及意义东辛中深层砂砾岩油藏是东辛采油厂产能建设和产量接替的重要阵地。但是，该类油藏属于低孔、特低渗的砂砾岩储层，且层内以及层间非均质严重。其油井投产初期虽具有较高产能，但天然能量不足，产量递减快，需尽快补充地层能量。然而，通过注水对地层补充能量非常困难。开发过程中，油藏已表现出地层能量下降、液面深、原油脱气严重、泵效偏低等不利现象，极大地影响了油藏的高效举升和开发效果。目前，东辛盐22、永920等深层砂砾盐区块，共有抽油机井31口，平均泵深2230m，沉没度850m，平均日液11.1m3，日油6.1t，含水38.4%，泵效34.
2、3%，平均气油比44.3 m3/t，最高气油比150 m3/t。由于原油气油比高，抽油泵将井筒中的油气水混合物举升到地面的过程中，地层液在井筒流动上升，压力会逐渐下降，地层液中的溶解气会逐渐从液体中析出，由于气体具有很强的膨胀性和压缩性，含气液体进入抽油泵时因气体的膨胀占据泵筒空间，排出液体时因气体的压缩影响抽油泵的排出量，气体影响严重，泵效偏低。针对气体对泵效影响严重的问题，通过对国内外防气工艺调研，共在11口井上试验应用了内罩式防气装置或LZX螺旋罩式沉砂气锚，但应用后泵效提高幅度并不明显。砂砾岩油藏地层能量下降快，气油比高，气锚分气效果差，泵效偏低是制约该类油藏有效开发的主要矛盾。针对开
3、发的不利局面，拟从油井流入动态特征及举升工艺两方面入手研究，提高举升效率。以矿场统计资料分析和单井数值模拟为手段，结合前阶段的研究成果，掌握油藏流体高压物性参数和低渗透油藏油井的油井流入动态特征，为举升方式的优化设计和高效举升奠定基础。以气锚评价和筛选、举升方式选择和优化设计为手段，开展高效举升工艺技术研究，确定油井合理的工作制度，研究开发综合配套工艺技术来提高单井产量，最终实现深层砂砾岩油藏的高效开发。1.2 国内外现状东辛深层砂砾岩油藏储层物性差，以低渗透、特低渗透为主，储层连通关系复杂、非均质性严重，地层补充能量非常困难，而且原油气油比较高，气体对泵效影响严重，其高效举升应从建立完善的注
4、采井网、应用高效气锚以及举升设备的优选和优化设计等几方面入手。砂砾岩油藏不仅储层物性差、渗透率低，而且油藏内幕结构复杂，缺乏地层对比标志，地层对比难度大。依靠目前的资料无法分清砂体是否连通，无法准确部署注采井网。可从精细储层对比与干扰试井工作，研究储层连通性，进而合理部署注采井网，探索出一套适合于中深层砂砾岩油藏的开采方式，提高此类油藏的开发水平。目前有杆泵主要采取的防气措施主要有两个方面：一是利用各种气锚实现泵下油气分离，降低泵筒内气液比；二是采用特殊结构的抽油泵，实现泵阀的强制启闭的环阀式抽油泵和具有液体补偿腔的液气混抽泵，减小气体对泵的影响，提高泵效。国内采用的气锚主要有以下类型1：(1
5、)利用滑脱效应的简单气锚，该气锚采用同心管结构，利用气液密度差异，通过液流的方向的改变实现气液的分离，该气锚分气效率低，适用于气油比小于20 m3/t的油井。(2)利用离心效应的螺旋气锚，该气锚采用螺旋结构，利用不同密度流体离心力的不同，使气体聚集延排气孔排至油套环空，可通过增加螺旋圈数，减小螺距；产量越高、气泡直径越大，分气效率越高。适用于气油比50-150 m3/t的高产油井，但对于产量低的井由于离心力不足，分气效率偏低。(3)利用捕集效应的盘式气锚，采用集气盘结构，将气泡聚集后利用液流的90转向时的离心效应，从而实现油气分离，分气效率介于简单气锚和螺旋气锚之间。(4)集中滑脱效应和离心效
6、应的内罩式气锚，其优点是将重力分离与螺旋分离相结合，并加长了重力分离级的长度；从而使气泡在套管环空、装置吸入口处和罩式防气装置的回流空间中实现三级分离。(5)组合双作用油气分离器组合双作用油气分离器让油气混合液在进泵前分离，达到提高泵效和产量的目的。主要由沉降分离总成、螺旋分离总成、排气阀等组成。其基本原理是利用油气的密度差，通过滑脱和离心作用将油气分开。目前可适用于高气液比条件下的举升技术主要有以下几种类型：液气混抽泵技术2。在泵体中间有一液体补偿腔能够有效地补偿位于该腔下部泵筒中的液体空缺，从而解决抽油过程中的气锁现象，提高泵效。其工作原理是：上冲程时，气液混合物经固定凡尔进入泵筒；抽汲过
7、程中，下泵筒气体从液体中分离，当柱塞到达上泵筒，换气腔中的液体进入下泵筒，将下泵筒液体上部的气体替换到换气腔处，柱塞再次下行时，下泵筒中充满液体。同时，油管中液体进入换气腔，将气体替换到油管柱中，从而避免了气锁对抽汲效率的影响。助流举升技术3。该技术是在抽油泵下安装气锚，管柱上部100-200m处安装1-2级气举阀，下井前根据油井产量、温度确定合理的气举阀下入深度和开启压力。通过气液混合物井下高效油气分离器分离后，分离出的气体进入油套环空，当环空中气体压力大于气举阀打开压力时，气体通过阀孔高速进入油管起到助流举升作用，实现携液举升。根据国内外调研情况，单纯依靠防气泵4不能有效的解决气体对泵效、
8、油井结蜡的影响，为了提高东辛深层砂砾岩油藏的举升效果，必须采用高效气锚。但是现有的气锚具存在着以下缺点：(1)处理量小、气液分离时间短。现有的防气工具一般长度在36米，抽油泵工作时含气液体流经防气工具进入抽油泵的时间仅十几秒钟，由于地层液特别是原油具有溶气性和较强的携气能力，在这么短的时间内，气体和地层液不能充分分离；(2)因防气工具总长度的限制，混合液进口和气体排出口距离短，无排气压差，气体排放量小；(3)结构单一，石油开采井下防气有多种液气分离工艺，这种单一工艺一般不会有很好效果；(4) 当油气比150 m3/t时，很难解决井下油气分离问题，也不能有效地提高泵效。盐家油田原始油气比很高，当
9、前油层压力往往低于饱和压力，气体在油层内就已经开始游离出来，当气液混合物进入气锚时，流态往往表现为段塞流（弹状流），气体滑脱效应不明显，而常规防气技术却是利用气液之间较大密度差引起的滑脱效应进行气液分离的。因此，常规防气技术5678应用并不理想。从调研和现场的应用情况看，目前气锚可适用于50-150m3/t的油井，分气的效率较低。需要根据石油开采含气原油的分离特点和针对目前的防气工具9存在的缺点设计的实用新型防气工具，提供一种具有较好的气体分离排放能力的装置，改善抽油泵的工况，提高抽油泵泵效。目前，各种举升方式都有其优势和适用范围，在适应的油藏条件下才能发挥各自的优势，人们一般通过经验方法、等
10、级权衡法以及综合评判法来进行采油方式优选和举升工艺设备与生产参数的决策。经验方法以API方法和Blais图版为代表。这类方法基于现场生产资料的统计分析规律和影响举升方式应用效果的主要因素(如产量和举升高度、设备投资和检泵作业费用及日运行费用等)建立指标体系或模版进行采油方式的评价与辅助决策。经验方法所考虑的影响因素较少，且没有考虑所研究对象在开发全过程中的动态变化规律，因而只能作为采油方式初步选择的依据。20世纪80年代，前苏联学者提出了等级权衡采油方式选择方法10，可进行各种采油方式对众多影响因素适应性的权衡分析。这种方法将影响举升方式选择和举升效果的各种定量或定性指标(包括技术、经济和管理
11、等各类指标)与评价结果之间进行关联分析研究，或利用经验或专家评判的方法进行关联研究，再进行综合评分以指导决策，其实质就是用等级方法来综合评价各种人工举升方式的主要指标，在考虑技术、工艺、使用、经济和社会等诸多因素的基础上，选出较适合的人工举升方式，主要缺点是将不同层次的定量与非定量问题放在同一个层面上进行分析决策，并且在举升方式选择中不考虑油藏的动态变化规律，或人为地将油藏动态变化过程划分成几个相对稳定的阶段进行研究。20世纪90年代初，中国石油大学(华东)采油研究所11在考虑油田开采和采油方式应用特点的基础上，应用现代软件科学理论，提出了较为完整的综合决策模式和方法，并在我国得到广泛应用。该
12、技术在进行各种采油方式对该油田(或区块)适应性和完成油田开发总体方案中油藏工程设计产量指标的可行性分析的基础上，选择技术上可行、经济上合理的采油方式，确定举升设备、操作参数以及预测工况指标。该方法采用三级模糊综合评判理论与方法，充分考虑技术、经济、管理等各类因素，建立三级模糊评判矩阵，进行综合评判与决策，是目前采油方式优选和举升工艺设计的主要方式。在明确了最适合的举升方式后，必须进行仿真计算和优化设计，从而确定油井合理的工作制度，获得高效的举升效果以及最优的经济效益。有关人工举升方式的工艺参数优化设计及提高抽油系统效率的研究12，在理论研究、应用计算软件的开发以及应用研究与分析等方面具有丰富的
13、研究成果，特别是有大量的计算应用软件在各油田得到了广泛的应用，取得了较好的应用效果，如PIPESIM软件，其功能主要包括井模拟、机械采油优化、管道和处理设备模拟以及现场规划等；PEOFFICE软件，其功能包含了从油气生产数据统计、生产动态分析、生产状态评价、生产规律预测、生产故障诊断、生产优化设计到井下管柱数据查询与管柱图制作生成的油气生产技术管理分析和生产优化设计等各个环节。近年来对人工举升方式系统效率的研究结果表明：系统效率是反映系统综合性能的技术经济指标。因此，选择以系统效率为目标函数，同时兼顾工艺参数、举升设备组合为设计变量的优化设计方法具有一定的合理性，符合油藏及油井生产实际，较好地
14、体现了系统设计的基本思想。综上所述，从完善注采井网、研制高效气锚和举升方式的选择和生产参数的优化设计入手研究，是建立东辛深层砂砾岩油藏高效举升工艺技术的有效手段。5第二章 砂砾岩油藏油井流入动态研究油井流入动态，指油井产量与井底流压之间的动态关系，主要反映了油层向油井的供油能力即油井的产能，是采油工程优化设计的基础，其重要作用在于它以产量随流压的变化形式提供了油井生产设计的边界条件。油井产能在整个开发过程中是不断变化的，然而，在某一短时间内又是相对稳定的。采油工程优化设计就是在相对稳定的阶段基于现有流入动态关系，从中寻找油井最佳的工作制度。2.1 常规油藏油井流入动态对于常规砂岩油藏油井流入动
15、态，目前已经形成了成熟的计算方法。在单相流条件下，可以采用达西渗流公式进行计算，在供给边缘压力不变的圆形单层油藏中心的一口井，其产量公式为： (2-1)另外，对于圆形封闭油藏，即泄油边缘上无液体流过，其拟稳态条件下产量公式为： (2-2)式中，qo为油井产量，m3/s；ko为油层有效渗透率，m2；Bo为原油体积系数，小数；h为油层有效厚度，m；o为地层油粘度，Pa.s；pe为边缘压力，Pa；pr为井区平均油藏压力，Pa；pwf为井底流压，Pa；re为油井供油边缘半径，m；rw为井眼半径，m；s为表皮系数，与油井完成方式、增产措施或井底污染等有关，可以由压力恢复曲线求得；a为采用不同单位值的换算系数。在单相流条件下，油层物性以及流体性质基本不随压力变化，因而油井产量与生产压差呈线性关系。在油气两相渗流条件下，油藏流体物理性质和相渗透率将明显地随压力而改变，此时，油井产量与生产压差的关系是非线性的，一般采用Vogel方程进行计算： (2-3)式中，pwf为完善井井底流压，MPa；为供油面积内平均地层压力，MPa；qo为pwf压力下产油量，m3/d；qomax为在pwf =0条件下，油井的最大理论产油量，m3/d。这个关系式是建立在大量的岩石和流体物性参数的基础上，由于该关系式形式简单，同时又满足工程精度要求
