采油工艺技术新进展及发展趋势李宗田刘应红(中原石油勘探局采油工程处)摘 要 阐述了国内外人工举升技术的设备、配件、井下工具现状和相应配套软件的研究成果,介绍了水力压裂设计软件、新型压裂液、新型支撑剂、高砂比、端部脱砂等压裂配套技术的研究和应用现状,指出了调剖堵水技术和水平井、分枝井开采技术的基础研究和数值模拟研究的状况,以及水平井和分枝井开采的完井、井下作业、人工举升等配套技术的新进展。

经过分析对比,找出了目前采油工艺技术方面存在的差距,指出了采油工艺技术发展的趋势和攻关方向,为今后提高采油工艺技术提出了合理建议。

主题词 采油工艺 人工举升 压裂 堵水 水平井 发展趋势一、 前 言石油技术的发展始终受石油价格的左右。

油价较高促进石油技术的提高,带动一批高新技术的产生和基础理论研究的突破,油价较低则制约石油技术的发展。

此时,以经济效益为中心,研究开发实用技术成为必然趋势,而投入较多的高新技术和基础理论的研究则受到制约。

90年代以来,随着发现大型优质油田的可能性减少,早年投入开发的老油田也逐步衰竭,加上世界石油价格不稳定且走势偏低,首先带来了一些高经济效益技术的发展。

作为石油开采主导的采油工艺技术,近年来受油价的影响,其基础研究和高新技术的研究受到不同程度的制约,但一批新的、经济实惠的技术和成果已经转化为了生产力,进入了工业化应用阶段,并将进一步为油田的开发和发展提供有力的技术支持和保证。

二、 人工举升技术在人工举升技术方面,无论是地面举升设备,还是井下工具,国外研究的出发点都是降低采油成本,提高经济效益而展开的。

(一) 有杆采油技术作为有杆采油的主要设备,国外抽油机的发展十分迅猛。

近年来,国外研制和应用了自动化抽油机和智能抽油机。

为适应各油田不同情况的需要,国外还研制了相适应的抽油机。

例如,低矮型、前置式、紧凑型、无游梁长冲程等抽油机能够适应各种自然地理条件的需要;液压缸式、增大冲程游梁式等抽油机能够适应高含水、含砂、含石膏、含石蜡等石油抽汲和稠油、低渗透油层的开采;斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机、双井平衡抽油机、紧凑型抽油机等能够适应垂下井、斜井、定向井、丛式井、水平井抽汲的需要;适应深井抽汲的大型抽油机的最大载荷达到2130kN,最大下泵深度达到4420m;近年来美国研制出了冲程长度为30.48m 的超长冲程抽油机以适应长冲程抽油的需要,这是目前世界上最大冲程的抽油机;为节约动力消耗,还研制应用了异相型、前置式、大圈式、轮式、玻璃钢杆、六连杆等新型节能抽油机。

在有杆泵开采井下工具方面,为提高机采效益,延长检泵周期,国外研制出了很多配套设施。

例如,加拿大Harbison -Fischer 有限公司生产出了一种高排量、高压缩能力凡尔罩的有杆泵,其液体通过能力比现有凡尔罩高一倍,并能对液体传递螺旋运动,从而延长凡尔球的使用寿命;得克萨斯州的回声探测仪公司和得克萨斯州大学分别开发出一种新气锚,该气锚在套管内偏心,同时分离器靠在套管壁的一侧,这样确保最低量的游离气进入分离器,从而显著提高了气锚的效率;Amoco 公司利用碳纤维合成技术研究而成的抽油杆,可以作为连续的合成带状抽油杆取代常规柱状抽油杆,以提高标准游梁式举升系统的工作性能;Madison 工程公司生产的一种抽空控制器,能利用数字信号处理技术优化油井抽汲工作,不需要测示功图而只测定交流电压及电机的电流就能判断油井抽空情况,并能存储一个月的相关信息,其配套的控制程序能自动调节停抽时间间6第7卷第1期 断 块 油 气 田综 述李宗田,1952年生,毕业于华东石油学院采油工程专业,教授级高级工程师,享受国家特殊津贴的专家,中国石油学会会员,中国灰色系统理论与资源工程委员会副秘书长,现任中原石油勘探局采油工程处处长,地址(457001):河南省濮阳市,电话:(0393)4823590隔以优化油井的产量。

(二) 电动潜油泵采油技术近几年来,电动潜油泵及其配件的研制取得了新的进展。

ESP公司研制的大排量高效电潜泵,可提高机组在磨蚀条件下的工作特性和延长运行寿命,使其在峰值下的效率达到70%;俄罗斯设计制造的隔膜泵克服了一般的电动潜油离心泵在低排量时效率低的缺点。

为了延长电泵井检泵周期,研究应用了性能优良的电压保护装置。

如Unico公司生产了一种矢通量控制的变频控制器,其功率可达到2.24 104W,性能优于普通的脉冲宽度调制驱动,效率高,可完全进行电机保护和诊断,并可与遥测装置和计算机配合使用;中原油田与有关院所合作,研制并推广使用一种电压保护器,该保护器既能保证瞬时停电不停机,又能够吸收电压波动时产生的瞬时高压,从而确保了机组的正常运行。

对于电动潜油泵的电机保护也至关重要。

MSI 公司研制出了一种专利型电机保护器,该装置增强了轴的稳定性和密封性,能有效阻止井液从腔室顶端进入,连接方便;ODI公司研制出了一种新型的电机密封腔,使用专利型的同心胶囊设计,一个膨胀腔就能进行三道轴密封,相当于三腔密封保护,从而使腔室少且较短,不仅有效地保护了电机,而且缩短了设备的长度,降低了成本。

电动潜油泵的电缆保护工艺技术也是延长检泵周期的重要因素。

ODI公司开发出了一种电缆保护系统,该系统使在泵进入弯曲井段时能够旋转并将电缆线反转绕出曲面,从而避免安装电潜泵时连接马达的电缆易被 狗腿 井段损坏现象发生。

在电潜泵配套设备和技术方面取得了新的突破。

Centrilift公司研制了一种含气井电潜泵辅助元件 旋流分离器,通过使含气液流 旋流 转动进行气液分离,可用于锥形泵,也可以与另一台旋流分离器串联使用以提高效率。

中原油田目前对含气比较大的井推广使用了双串分离器,显著提高了电泵井的油气分离效果,基本消除了气体对机组的破坏因素。

井下油水分离器的成功研制[1],给老油田带来了新的活力。

它不仅能够降低污水处理的成本,减少设备的腐蚀,提高经济效果,而且其环保效益非常显著。

因此有人预言该技术和三维地震、水平井技术一样,将成为石油工业的一项划时代的技术。

我国东部油田普遍进入高含水期,井下油水分离技术对于我国无疑意义更为重大,前景也更光明。

(三) 螺杆泵采油技术随着各国稠油、含砂、含气井的数目越来越多,为满足油田开采工艺的需要,近十年来,各国有关制造厂和公司相继推出了井下单螺杆抽油泵系列产品,主要以地面驱动、抽油杆传动为主,同时也生产无杆螺杆泵等产品,在螺杆泵的元件和配套设备方面也推陈出新。

在传统的地面驱动、抽油杆传动的单螺杆泵的基础上,近几年来,国外还研究出了其他类型的螺杆泵。

如路易斯安娜西Monroe的美国泵系统服务有限公司生产的多叶片螺杆泵,其设计在泵长度缩短的情况下,可获得很高的排量,根据举升深度,已经设计出了排量高达1272m3/d的多叶片泵。

与地面驱动、抽油杆传动相对应,国内外已经研究出了无杆螺杆泵,如BWM泵公司生产的液潜和电潜马达驱动螺杆泵依靠动力液和井下电机以及齿轮减速装置在井下实现对螺杆泵的传动。

在螺杆泵的配套设备方面,H ig hland公司生产的螺杆泵专用变频驱动装置,很容易调整泵速,无需水力驱动和变换传动带及滑轮槽轮就可以使其与实际生产吻合,并可人工调节。

Bach自动泵控制器能够监测油井的工作情况,并能根据事先拟订的程序和油井的状态使螺杆泵以最佳速度工作,通过电压、电流、压力、效率和动液面的高度监控抽油系统实际载荷。

当实际载荷变化时,系统调节螺杆泵的排量和速度,调节量大小由软件控制,保证了螺杆泵精确、高效地运行。

螺杆泵开采技术的发展趋势包括改进螺杆泵的选择性以增强其适应性,改进螺杆泵性能提高其运行和节能效率,延长螺杆泵的使用寿命等。

(四) 气举采油技术在气举采油技术方面,主要在气举优化设计软件和气举井下工具等方面发展较快。

以美国图尔萨大学人工举升中心为代表研制的气举优化设计软件,在设计上考虑了气举采油的全过程,并将多相流理论研究、井筒内温度分布研究、套管压力不稳定性研究的多项新成果应用于软件之中,使得模型更精确;而且界面更友好,便于气举设计和分析人员使用。

国外气举配套工具已基本形成系列,产品主要有气举阀、偏心筒、封隔器、间歇气举装置、柱塞气举装置、洗井装置等。

例如,BST公司生产的适用于小套管井的气举阀偏心筒和打捞工具,Dallad公司的Haliburton能源服务部开发的油管传输电动气举阀,借助于地面控制设备和套管柱内的金属电缆可以对其进行控制和调节。

在气举方式上,目前国外出现了一种喷射气举,借助于射流泵将高压高速气7第7卷第1期 采油工艺技术新进展及发展趋势 综 述体从注气点注入,实现对油管内液体的举升。

国内从1982年开始比较大规模地研究气举采油,目前基本形成了半闭式气举、小油管气举、反举气举管柱、投捞式气举、柱塞气举等配套工艺技术,尤其在气举井恒气量控制技术、2 油管气举采油技术等方面,中原文东油田取得了进展。

随着气举采油工艺技术的不断完善和油田开发的不断深入,还需要进一步对气举管柱的优化设计模型、气举阀及配套工具等方面进行不断的探索研究,以提高气举生产的系统效率。

总体而言,人工举升技术向着高效、节能、自动化、智能化方向发展。

三、 水力压裂技术经过50多年的发展,水力压裂工艺配套技术(包括压前地层评价技术、压裂优化设计及预测技术、裂缝动态监测技术等)得到了进一步的完善,高性能压裂液、高强度支撑剂及其配套的压裂工具也取得了突破,主要表现在以下几个方面:压裂设计软件从二维模型、拟三维模型发展到如今的全三维设计软件,并配备专家经验和数据库,使其更加完善,更接近实际,操作更方便。

以低伤害为主要特征的压裂液研制成功并已投入工业化应用。

以胶凝剂、交联剂、破胶剂三种添加剂为主的压裂液,现阶段开发的重点是降低成本及剂量,进一步提高压裂液的性能,向着彻底破胶、减少伤害的方向发展。

随着三种主要添加剂性能的提高,一系列性能优良的压裂液也应运而生。

将来,压裂液的发展方向仍以交联剂和破胶剂为关注的热点,尤其是缓交联剂和缓破胶剂的研究更引人注目,胶凝剂的发展主要是开发合成聚合物胶凝剂。

以高强度、低密度为主要特征的支撑剂开发研究已经进入现场应用阶段。

自从采用水力压裂以来,天然石英砂是首先得到广泛应用的支撑剂,但随着开发对象转向深层、超深层和低渗、致密层的油气田,70年代后期出现了人造陶粒支撑剂[2]。

与石英砂相比,人造陶粒支撑剂有很高的强度,在相同的闭合压力下具有破碎率低、导流能力高的性能,尤其是在高闭合压力下仍能提供一定的导流能力。

此外,陶粒还具有抗盐、耐温等性能。

但相比而言,陶粒的密度稍大于石英砂密度,其对压裂液性能的要求也比较高,而且其价格也比石英砂昂贵,所以一段时间内,现有的中等和高等强度的支撑剂还不可能完全取代石英砂。