孫瑞峰 (大慶油田工程有限公司)

俄羅斯油田注氣法應(yīng)用及分類

孫瑞峰 (大慶油田工程有限公司)

在俄羅斯,隨著難采儲(chǔ)量的增加以及傳統(tǒng)工藝開(kāi)采存在的困難,注氣工藝和與氣混合注入工藝可能成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。注氣工藝具有很多優(yōu)勢(shì),適用于各種油藏類型。在此給出了俄羅斯注氣工藝的分類,并對(duì)工藝實(shí)施過(guò)程中取得的效果和存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

俄羅斯 注氣 水氣注入工藝分類 難采儲(chǔ)量

俄羅斯有許多高產(chǎn)油田利用注水開(kāi)發(fā)。隨著難采儲(chǔ)量的增加以及傳統(tǒng)工藝開(kāi)采存在的困難,注氣工藝和與氣混合注入工藝可能成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。注氣工藝的優(yōu)勢(shì)是,在較大的地質(zhì)-物理?xiàng)l件范圍內(nèi)可以單獨(dú)或與其他方法 (注水法、物理-化學(xué)法等)結(jié)合使用。

利用注氣法開(kāi)采低滲透油藏、高含水油藏、深層油藏是最有前景的。這三種油藏的儲(chǔ)量占總難采儲(chǔ)量的75%左右。開(kāi)采這些儲(chǔ)量雖然要求更高的工藝水平,但在近期可以獲得回報(bào)。

下面是注氣法在三類油藏應(yīng)用的條件[1]。

1 低滲透油藏

目前,40%以上的難采儲(chǔ)量集中在低滲透層中(滲透率小于0.05 mD,1 mD=1.02×10-3μm2),這表明首先開(kāi)采這類油藏的重要性。

低滲透油藏大部分原油屬于低黏油。例如,俄羅斯64個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的儲(chǔ)量中,83.9%的平衡表儲(chǔ)量和89.1%的剩余儲(chǔ)量的地下原油黏度平均小于10 mPa·s。

利用全俄石油科學(xué)研究所研制的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)低滲透油藏的采油方法進(jìn)行了評(píng)估。分析了兩個(gè)區(qū)16個(gè)企業(yè)的372個(gè)油田,其中有910個(gè)產(chǎn)層和油藏,儲(chǔ)層滲透率不超過(guò)0.05 mD。烏拉爾-伏爾加河中下游流域有262個(gè)油田,包括559個(gè)層系;西西伯利亞有110個(gè)油田,包括351個(gè)層系,建議采用注氣法。例如,兩個(gè)區(qū)的910個(gè)油藏中355個(gè)層系被建議注CO2,351個(gè)層系注氣態(tài)烴,87個(gè)層系注循環(huán)氣體,2個(gè)層系注熱水。烏拉爾-伏爾加河中下游流域最有效的開(kāi)采方法是注CO2。其中559個(gè)層系中355個(gè)被建議注CO2,38個(gè)層系注氣態(tài)烴,1個(gè)層系注熱水,79個(gè)層系注循環(huán)氣體。對(duì)于西西伯利亞油藏來(lái)說(shuō),注氣態(tài)烴是最合理的方法。351個(gè)層系中有313個(gè)層系注氣態(tài)烴,1個(gè)層系注熱水,沒(méi)有一個(gè)層注CO2,注循環(huán)氣體的有8個(gè)層系。

注氣法適用于80%的低滲透油藏,可以認(rèn)為對(duì)這類油藏是有利的。

2 高含水油藏

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,高含水層中原油儲(chǔ)量占難采儲(chǔ)量的三分之一 (34%)。不同時(shí)期完成的研究表明,在油田不同的注水階段應(yīng)用注氣法 (注水氣)工藝具有高效性。為了提高注水開(kāi)發(fā)晚期注水氣的效率應(yīng)該利用更“富”的氣,這種建議是正確的,因?yàn)樽⑺髿埩粼谟蛯又械挠妥冎?較輕的組分首先被注入水驅(qū)替。

羅馬什金油田、薩馬特洛爾油田和費(fèi)得羅夫油田早期進(jìn)行的注氣態(tài)烴工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了含水層中注水氣的效果。

從總體看,對(duì)于高含水層工藝和工作劑的選擇首先取決于油藏的地質(zhì)-物理特征和存在的氣源。與以往一樣,西西伯利亞區(qū)應(yīng)用不同組分的氣態(tài)烴進(jìn)行開(kāi)采較有前景。在烏拉爾-伏爾加中下游流域油田注氣態(tài)烴的同時(shí)可能應(yīng)用CO2(類似于富氣)。CO2可以用專門(mén)的動(dòng)力設(shè)備直接在油田自動(dòng)獲得。為了評(píng)價(jià)具有不同潤(rùn)濕性的高含水孔隙介質(zhì)中CO2驅(qū)的效果,針對(duì)烏拉爾-伏爾加河中下游油田泥盆系地層的條件進(jìn)行了專門(mén)研究。實(shí)驗(yàn)是利用水平分布的地層模型完成的,其中被砂質(zhì)孔隙介質(zhì)充填。地層模型的壓力為20 MPa,溫度40℃。采用了羅馬什金油田泥盆系原油,密度0.857 g/cm3,黏度6.5 mPa·s。

研究結(jié)果表明,第一次注水后由于注CO2驅(qū)替系數(shù)在親水孔隙介質(zhì)中增長(zhǎng)約15個(gè)百分點(diǎn),在憎水孔隙介質(zhì)中增長(zhǎng)約6個(gè)百分點(diǎn)。

室內(nèi)研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了含水層中應(yīng)用注氣法進(jìn)一步驅(qū)替剩余油的效果。

3 深層油藏

埋深超過(guò)4 000 m的油藏中儲(chǔ)量只占難采儲(chǔ)量的幾個(gè)百分點(diǎn),但在深層有大量預(yù)測(cè)的烴資源。這證實(shí)了近幾十年在深層發(fā)現(xiàn)的大型油田:如堅(jiān)吉斯油田、阿斯特拉罕凝析氣田、白虎油田 (越南南部大陸架上的基巖油田)。

深層油藏主要利用傳統(tǒng)工藝開(kāi)采:注水或天然能量驅(qū)動(dòng)。但由于油層儲(chǔ)集性質(zhì)惡化 (滲透率低,泥巖化)注水有時(shí)不能進(jìn)行,這時(shí)開(kāi)發(fā)是無(wú)效益的。

深層油藏通常含有含氣量高的輕質(zhì)油。例如,北高加索個(gè)別油田含氣量為700 m3/t,堅(jiān)吉斯油田為600 m3/t,白虎油田為200 m3/t。因此,這類油田開(kāi)發(fā)中的一個(gè)難題是如何利用大量的油田氣。這個(gè)問(wèn)題在海上油田表現(xiàn)得更為迫切。

對(duì)于深部成藏油田,如堅(jiān)吉斯、白虎油田,不同時(shí)期完成的各種注氣方案的技術(shù)-工藝計(jì)算和技術(shù)-經(jīng)濟(jì)計(jì)算表明注氣工藝在各個(gè)工藝中競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。論證上述工藝實(shí)施的技術(shù)可能性,包括利用現(xiàn)有設(shè)備 (堅(jiān)吉斯油田)。

注氣工藝原則上不受劃分出含難采儲(chǔ)量的油藏類型限制。開(kāi)發(fā)高黏油油藏時(shí)注富氣或CO2可能有效,而開(kāi)發(fā)油氣田時(shí)向氣頂注氣可能有效。

雖然注氣法具有很多優(yōu)勢(shì)和前景,但目前俄羅斯依靠注氣提高采收率法獲得的增油量相比不多,約為20×104～25×104t/a。而其他國(guó)家要多得多,如美國(guó),為1 500×104～2 000×104t(占所有增油量的40%)。必須指出,美國(guó)采用的注氣法在四分之三情況下使用的是CO2,而俄羅斯只使用烴氣。并且,俄羅斯對(duì)注氣和水氣交替注入提高采收率方法的前景明顯評(píng)估不足。

圖1示出俄羅斯采用現(xiàn)代的提高采收率法獲得的實(shí)際采油量情況和各石油公司報(bào)告中給出的這一指標(biāo)的對(duì)比。

圖1 俄羅斯和美國(guó)應(yīng)用提高采收率法獲得增油量情況[1]

從圖1可以看出,俄羅斯依靠現(xiàn)行分類法中的提高采收率方法獲取的增油量 (曲線1)變得較為平緩。曲線上出現(xiàn)的波動(dòng)是因?yàn)樵黾恿怂骄@井?dāng)?shù)量和切割第二井眼,持續(xù)的時(shí)間并不長(zhǎng)。熱法、物理-化學(xué)法以及油層水力壓裂法獲得的增油量有所下降。在這種情況下用注氣法和水氣注入法提高采收率具有很大的前景[2]。

1980—2015年期間實(shí)際和預(yù)測(cè)的采油結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,近期和中期的主要任務(wù)是創(chuàng)建和推廣低滲透含油儲(chǔ)集層的開(kāi)發(fā)工藝。同時(shí),帶氣頂油藏和高黏油油藏逐漸增多。

圖2 1980—2015年期間采油結(jié)構(gòu)

在俄羅斯石油天然氣公司的支持下,編制了原油儲(chǔ)量開(kāi)采工藝和難題相關(guān)模型 (圖3)。根據(jù)該模型可知,注氣工藝和水氣注入工藝,以及用水平井、水平分支井、油層深穿透水力壓裂工藝和先進(jìn)的打開(kāi)產(chǎn)層工藝是非常重要的通用方法。應(yīng)該指出,上述工藝中只有注氣法和氣水注入法沒(méi)有得到應(yīng)有的發(fā)展。

圖3 原油儲(chǔ)量開(kāi)采工藝和難題相關(guān)模型

從所給出的模型 (圖3)可以看出,注氣工藝和水氣注入工藝是解決低滲透儲(chǔ)集層開(kāi)發(fā)難題的主要手段之一。另一方面,從模型中還可以看出,把水氣注入工藝僅作為向油層中交替注入氣體和水的工藝進(jìn)行研究具有明顯的錯(cuò)誤。

事實(shí)上,水氣注入工藝包括各種工藝,其使用領(lǐng)域很廣。例如,同時(shí)注入含有水氣混合物的驅(qū)替劑的水氣注入工藝就不適用于低滲透儲(chǔ)集層,但對(duì)于高黏油油田就非常有效,還可以用于開(kāi)采氣頂油藏。

可見(jiàn),考慮到上述情況,為了有效地規(guī)劃和使用水氣注入工藝必須對(duì)水氣注入工藝及其實(shí)施工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)的分類,因?yàn)椴煌N類的水氣注入工藝無(wú)論對(duì)于其工藝效果,還是所采用的設(shè)備都可能非常不同。

如果不考慮提高采收率法的分類,把水氣注入法歸屬為俄羅斯大多數(shù)石油公司采用的“形成段塞”的工藝類別,那么大多數(shù)現(xiàn)行的提高采收率法的分類都是以表1給出的流程為依據(jù)的?？梢杂萌翁岣卟墒章史ǚ诸愖鳛樵撓到y(tǒng)所采用方案的一個(gè)例子 (圖4)。

表1 地質(zhì)技術(shù)措施分類表[3]

圖4 根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)三次提高采收率法進(jìn)行的分類

所研究方案的明顯缺點(diǎn)是分類標(biāo)志混亂。實(shí)際上,并沒(méi)有針對(duì)注入的氣體 (烴類氣體、氮?dú)?、煙道氣、二氧化碳?和驅(qū)油方式 (混相驅(qū)、高壓氣驅(qū)等)進(jìn)行分類。這種分類沒(méi)有考慮到現(xiàn)有的注氣和水氣注入工藝的差別[4]。

首先是依靠其他國(guó)家的分類體系可以排除上述分類法的部分缺點(diǎn)。根據(jù)驅(qū)油方式可劃分為混相驅(qū)和非混相驅(qū),而根據(jù)所使用的氣體分為CO2、N2、煙道氣和烴類氣體。

缺少統(tǒng)一的分類法導(dǎo)致一些作者提出的說(shuō)法大多數(shù)情況下都不很準(zhǔn)確。例如,有作者認(rèn)為可把下列工藝作為獨(dú)立工藝:同時(shí)注入氣體和水的水氣注入法、利用空氣作為注入氣體的水氣注入法、只注氣體的油氣注入法、氣水交替注入的氣液注入法。這種分類法的錯(cuò)誤是很明顯的,也很普遍。作者只是把與注入地層水氣混合物有關(guān)的過(guò)程稱為水氣注入法。

所有上述情況都迫使俄羅斯采油業(yè)采用國(guó)外的分類法、英語(yǔ)中使用的工藝名稱和縮寫(xiě)詞。當(dāng)存在上述缺陷時(shí),這種方法是較為正確和專家們較容易接受的方法。

國(guó)外水氣注入工藝分類法中劃分為WAG-水氣交替注入和SWAG-水氣同時(shí)注入過(guò)程,從名稱中可以看出,規(guī)定了細(xì)分的 (WAG-過(guò)程)和混合的(SWA G-過(guò)程)驅(qū)替劑 (水和氣)注入。根據(jù)文獻(xiàn),WA G-過(guò)程本身又可分為:

◇Miscible WA G injection(混相驅(qū))

◇Immiscible WAG injection(非混相驅(qū))

◇Hybrid WAG injection

在大的氣體段塞后,向地層注入幾個(gè)不大的水和氣的段塞的情況屬于 WAG-過(guò)程的 Hybrid WAG injection類別。

文中給出了以現(xiàn)行的規(guī)范文件和俄羅斯國(guó)內(nèi)關(guān)于水氣注入工藝的文章分析為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的分類。

俄羅斯石油公司目前通常采用三級(jí)分類法來(lái)劃分提高采收率工藝,即方法—工藝組合—工藝。在這個(gè)體系中水氣注入是屬于注氣提高采收率法中的工藝組合,是按照氣體和石油相互作用及驅(qū)替方式、所采用的驅(qū)替用的氣狀試劑進(jìn)行分類的。

根據(jù)氣體和被驅(qū)原油的相互作用可劃分為氣抑止、有限可溶性、無(wú)限可溶性的方式。

氣抑止法的特點(diǎn)是在液相和氣相之間幾乎完全沒(méi)有質(zhì)交換,只在氣動(dòng)力作用下進(jìn)行驅(qū)油。

在有限可溶性方式下,地下驅(qū)油時(shí)氣相和液相間存在組分的交換。除了氣動(dòng)力作用外,一些組分還會(huì)從油相向氣相部分傳遞及從氣相向油相傳遞。但在這種情況下氣體驅(qū)替劑和原油間會(huì)保存相界限和相間張力。

在無(wú)限可溶性方式 (可稱為混相驅(qū))下,相間界限和油氣間的相間張力不存在。

無(wú)限可溶方式又可細(xì)分為單觸點(diǎn)和多觸點(diǎn)方式。采取單觸點(diǎn)方式時(shí)注入氣和地下原油在近井底地帶無(wú)限混相,而采取多觸點(diǎn)或動(dòng)態(tài)方式時(shí)油和氣之間的混合發(fā)生在距井底地帶有一定距離的地方。

根據(jù)采用的氣體試劑可分為注烴氣、注二氧化碳、注氮?dú)夂妥煹罋?。又分為注“干”烴氣 (天然氣)和注“富”氣,富氣中除了甲烷,還含有大量的烴溶劑 (丙烷、丁烷等)。

從共同使用油氣驅(qū)替劑方面看,根據(jù)注入方式把油氣注入工藝分為循序 (依次)注入、交替注入和共同注入。

依次注入方式要求在長(zhǎng)期注氣后 (通常是在氣體向1口采油井突進(jìn)后)再進(jìn)行注水。

交替注入有些像依次注入,也是向地層一種接一種地注入驅(qū)替劑,但此時(shí),在地層條件下,注入的每種段塞的體積不應(yīng)該超過(guò)油層驅(qū)油區(qū)域原始含油孔隙的10%～12%。

合注時(shí),水和氣同時(shí)被注入到油層中,結(jié)果形成水氣混合物。

水氣注入工藝的主要分類見(jiàn)圖5。必須指出,該系統(tǒng)存在缺點(diǎn),即:缺少根據(jù)提高驅(qū)替系數(shù)、波及系數(shù)等作用機(jī)理來(lái)對(duì)提高采收率工藝進(jìn)行劃分的條件。

圖5 水氣注入工藝分類

除了上述分類外,水氣注入工藝還可根據(jù)水、氣和水氣混合物注入的工藝流程進(jìn)行分類。

實(shí)施水氣注入工藝時(shí)首先要根據(jù)氣源選擇實(shí)施方案。存在很多種供選的方案,如伴生的石油氣、廢氣、熱力工程裝置排放氣、專用產(chǎn)品和化學(xué)廠廢氣、天然氣等。但在選擇向產(chǎn)層注入技術(shù)時(shí)氣壓是很重要的因素,因此,水氣注入工藝的實(shí)施方案可根據(jù)氣源分為注高壓氣和注低壓氣的方案。

來(lái)自于天然氣管線和氣藏的天然氣屬于高壓氣,而用于運(yùn)輸?shù)氖吞幚硐到y(tǒng)中的伴生石油氣和煙道氣等屬于低壓氣。

根據(jù)采用的技術(shù)手段把工藝流程分為兩類:壓縮注入和泵壓縮注入。所謂的壓縮注入就是利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的高壓壓縮機(jī) (活塞式的和離心式的)。

大多數(shù)情況,泵壓縮注入方式只適用于水氣合注工藝中,因?yàn)樵谘蜃⑷牖蚪惶孀⑷胫幸褐粫?huì)產(chǎn)生額外壓力。

水氣合注工藝大多是根據(jù)水氣混合物生成的位置把實(shí)施工藝分為三組:

◇在井口形成水氣混合物;

◇在井筒形成水氣混合物;

◇在地層內(nèi)形成水氣混合物。

合注與交替注入不同,是水氣連續(xù)地注入到每個(gè)被分隔開(kāi)的孔道中。

圖6給出水氣注入實(shí)施方案總分類中,近期采取水氣注入工藝時(shí)把細(xì)粒分散混合物作為驅(qū)替劑的發(fā)展情況。細(xì)粒分散混合物是由氣相和液相組成的體系,并且氣相以氣泡形式存在,其尺寸小于地層巖石孔隙。與普通的粗粒分散的混合物不同,這種細(xì)粒分散混合物需要專用設(shè)備。

圖6 實(shí)施水氣注入工藝流程分類

給出的分類圖 (圖5～圖6)包括所有必須的和足夠準(zhǔn)確區(qū)分各種水氣注入工藝的特征和標(biāo)志。該體系是油田試驗(yàn)和推廣水氣注入工藝的室內(nèi)研究和工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ),因?yàn)樵诜诸悩?biāo)準(zhǔn)一致的情況下各種工藝無(wú)論其總費(fèi)用方面,還是工藝效果方面都具有了可比性。

[1]Ф а т к у л л и нАА.З н а ч е н и ег а з о в ы х м е т о д о вво с в о е н и и т р у д н о и з в л е к а е м ы х з а п а с о в н е ф т и [J]. Н е ф т я н о е х о з я й с т в о,2000.

[2]О с н о в н ы ев о п р о с ы п р и м е н е н и яик л а с с и ф и к а ц и ит е х н о л о г и йв о д о г а з о в о г ов о з д е й с т в и я[J]. Н е ф т е п р о м ы с л о в о е д е л о,2008:16-22.

[3]П о д д у б н ы й Ю А,Ж д а н о вСА. О к л а с с и ф и к а ц и им е т о д о в у в е л и ч е н и я н е ф т е о т д а ч и п л а с т о в[J]. Н е ф т я н о е х о з я й с т в о,2003:19-25.

[4]В а ф и н Р В. М е т о д р е г у л и р о в а н и я т е х н о л о г и е й в о д о г а з о в о г ов о з д е й с т в и я н а п л а с т[J]. Н е ф т е п р о м ы с л о в о е д е л о,2008:30-33.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.001

2010-04-02)