【正文】 提高熱采水平井火驅(qū)開發(fā)效率的完井技術(shù)研究 1 1 緒論 引言 稠油在世界油氣資源中占有較大的比 例。 因此 ， 稠油的開采具有很大的潛力 ， 而且隨著輕質(zhì)油開采儲量的減少 ， 21 世紀開采稠油所占的比重將會不斷增大。 稠油粘度雖高 ， 但對溫度極為 敏感 ， 每增加 10℃ ，粘度即下降約一半。 火燒油層 技術(shù) 是最早用于開發(fā)稠油的熱力采油技術(shù) [1]。 該技術(shù)能夠把火燒油層技術(shù)中的高能量效率與水平井具有的高速采油能力和重力泄油過程具有的高采收率特性結(jié)合起來 ，并且能夠消除和減緩平面直井間火驅(qū)中存在的燃燒見效慢、 難于維持燃燒 、 氧氣突破過早 、嚴重出砂 、 井筒中采油泵氣鎖 、 腐蝕和結(jié)垢等生產(chǎn)問題 。 如井組面積大小與注氣速度不匹配 ， 燃燒溫度與原油性質(zhì)不匹配 ，井網(wǎng)組合的不匹配等。無論是注入井還是生產(chǎn)井，水平井相對直井而言擁有很多優(yōu)勢，更容易提高火驅(qū)開發(fā)效率，因而本課題圍繞提高 水平井火驅(qū)開發(fā)效率的完井技術(shù) 展開。 但是 ， 室內(nèi)研究一直沒有停止 ， 特別是在中國石油天然氣總公司石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院熱力采 油研究所 ， 中科院化學(xué)所等單位 ， 80 年代以來不斷開展火燒油層的物理模擬 ， 化學(xué)模擬和數(shù)學(xué)模擬研究 ， 配置了一批研究設(shè)備和儀器 ， 開展了大量的室內(nèi)試驗 ， 也進行了現(xiàn)場火燒可行性研究和施工設(shè)計與預(yù)測 。 據(jù)資料統(tǒng)計 ， 1998年全世界共有 29 個火驅(qū)項目 ， 火 驅(qū)開發(fā)日產(chǎn)原油 4800t， 單井日產(chǎn)油 。 近年來，隨著水平井技術(shù)的發(fā)展，火燒油層技術(shù)研究呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢 ，即應(yīng)用水平井實施 重力輔助 的 火燒油層技術(shù)，并由此衍生出了非常規(guī)的直井 水平井組合和水平井 水平井組合 的生產(chǎn)方式 。 （ 3） 根據(jù) 火燒油層 技術(shù)的發(fā)展 趨勢提出 完井新需求 。 （ 2）針對火燒油層技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出了火驅(qū)完井技術(shù)新需求。 如 表 所示，火燒油層技術(shù)采油 降粘作用 明顯 。s) 35 15634 108 45 6194 43 50 3850 39 55 2928 34 65 1416 30 火燒油層采油和注蒸汽采油一樣 ， 都是通過加熱的方式 ， 降低原油的粘度 ， 使其變得更容易流動從而提高了原油的采收率 。 （ 3） 火燒油層比注蒸汽有著更為廣泛的油藏適用條件 。 有最高溫度的燃燒區(qū)可視為移動的熱源 ， 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 。 正是 因為火燒油層 有眾多的驅(qū)油機理聯(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 。 （ 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 ， 無需制造設(shè)備 。研究火燒油層技術(shù)的影響 因素，可以找出存在的問題，確定完井需求，為火燒油層完井技術(shù)的研究 指明方向。 當油層溫度過低 ， 應(yīng)用自燃點火方式不足以滿足經(jīng)濟效益時 ， 就可以選擇人工點火的方式 ， 其中電點火是最常用的一種 。 對于化學(xué)點火 可以分為液體燃料加熱和氣體燃料加熱兩種 ， 其操作相對簡單在現(xiàn)場也得到了比較廣泛的應(yīng)用 。而根據(jù)以往注 蒸汽吞吐以及蒸汽驅(qū)的一些經(jīng)驗 ，點火前通過注入一定的蒸汽來提高點火區(qū)域的溫度，雖然效果沒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火時間 。 實施完井時應(yīng)充分考慮到各種點火工具使用時的影響，為點火的順利實施創(chuàng)造便利的條件。要將油層點燃， 點火區(qū) 地層溫度必須達到油層的著火點以上，一般為 400℃ ~600℃， 從這一刻起，注入井就開始承受高溫的影響 [4]。對于注入井而言 注氣就沒法再繼續(xù)進行 ， 對于生產(chǎn)井而言會嚴重影響原油的生產(chǎn)。 腐蝕 火燒油層 實施 過程中 ， 原油燃燒生成的 CO SO2以及過剩空氣中的氧氣 ， 是引起管材嚴重腐蝕的主要因素。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）擁有很強的氧化性，其后果使井下套管 、 油管 、 生產(chǎn)泵及地面閥門 、 管件等局部產(chǎn)生不同程度的腐蝕坑 、腐蝕麻點 、 甚至?xí)a(chǎn)生腐蝕穿孔 ， 造成管材強度降低 甚至報廢。 CO2的含量及影響 如 表 和表 所示 。只要是稠油的開采，不管采用什么開采方法，油層出砂幾乎都是必然會發(fā)生的問題。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 12 圖 熱采過程中的防砂井 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。 圖 直井 直井組合剖面示意圖 直井 水平井組合與直井 直井組合類似，只不過用水平井代替了直井生產(chǎn)井，注入井仍然為直井。將水平井作為注入井有諸多優(yōu)勢，但受技術(shù)的限制和實施的復(fù)雜性，將水平注入井用作現(xiàn)場實際生產(chǎn) 例子還 沒有 ，還處于 室內(nèi) 實驗?zāi)M 階段 。和直井 水平井組合一樣，受技術(shù)和井網(wǎng)組合的限制，在實際生產(chǎn)中少有使用。此時生產(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。 隨著生產(chǎn)的繼續(xù)進行，燃燒前緣逐漸遠離注入井，與生產(chǎn)井的距離減小，火燒油層 產(chǎn)生的混合驅(qū)動能夠傳到生產(chǎn)井，驅(qū)替效果逐漸由小變大 。 遠離注入井 給 氣體注入帶來了巨大的問題， 注入的氣體需要一定的過程才能流動到燃燒前緣供油層持續(xù)燃燒，為了使燃燒前緣有充足的氧源，注入井的注入壓力將逐漸變大，會給注入井的注入設(shè)備帶來巨大的壓力。不僅如此，反應(yīng)的殘余氧化性氣體也會隨原油產(chǎn)出，而且越來越多，氧化腐蝕也會越來越明顯。隨著井下設(shè)備的失效和腐蝕越來越嚴重，原油的生產(chǎn)將越來越困難，反應(yīng)生成氣體和殘余氧化氣體將逐漸取代原油被更多的采出，原油的生產(chǎn)將 逐漸失去意義。 而 對于生產(chǎn)井， 在一個生產(chǎn)周期內(nèi)，初期到末期的生產(chǎn)方式變化非常大，從初期的常規(guī)式生產(chǎn)到末期的一系列生產(chǎn)問題，這個過程需要一系列設(shè)備和 開采方法交替使用，這就給生產(chǎn)井的完井帶來了相當大的壓力。而且即使發(fā)展出了較好的完井技術(shù)以應(yīng)對完井方面的難題，對火燒油層 開發(fā)效率 的貢獻也是有限的。 THAI技術(shù)的提出 ， 突破了火驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的地層原油黏度上限 ， 大大拓展了火驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的油藏范圍 ， 使火驅(qū)開發(fā)特 、 超稠油成為可能 。氧氣的擴散會使穩(wěn)定的地層產(chǎn)生擴散梯度 ， 由于重力輔助作用 ， 油藏泄油段與水平生產(chǎn)井間存在壓力梯度 ， 燃燒前緣的所有燃燒氣和流動液向下流到了水平生產(chǎn)井射孔段 ， 因此注入的空氣會優(yōu)先移動到燃燒前緣。 THAI 技術(shù)與常規(guī)火燒驅(qū)油技術(shù) 相 比較 ， THAI 技術(shù) 實施 過程中 ， 高溫區(qū)與燃燒前緣垂直。 實驗證明，注入井的注氣位置對采收率的影響也很大 [14]。 換句話說 ， 既要保證注入空氣中的氮 氣 、 燃燒生成的二氧化碳從水平井排泄出去 （ 否則就會就地成為滅火劑 ） ， 又要保證注入空氣中的氧氣不從水平井排泄出去 。 另外 ， 生產(chǎn)井中還裝有移動式內(nèi)套筒 ， 通過調(diào)整內(nèi)套筒可維持生產(chǎn)井射孔段長度不變 。 圖 利用重力泄油原理的水平井 水平井組合 如 圖 所示 ，水平注入井與水平生產(chǎn)井成 90176。 圖 一口水平注入井對應(yīng)多口水平生產(chǎn)井 直井注入井與水平注入井相比，直井注入井存在難以驅(qū)替到的區(qū)域，而且一部分注入氣體沿邊緣 向遠處 地層 擴散，不能到達燃燒前緣，燃燒效率受到限制 ， 如圖 所示 。油層 在一點被 點燃后，燃燒前緣沿井眼方向的傳播速度比垂直方向的傳播速度快。下面 簡單 分析非均質(zhì)性對火燒油層技術(shù)的影響 [16]，從而判斷 這種水平注入井的 火燒油層技術(shù)實施的可行性。最終 b 層傳播速度西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 22 越變越慢， a、 c 兩層傳播速度越變越快，直至到達一個相同的速度，共同向前推進。 由以上分析可得，以面的形式傳播的水平注入井的燃燒前緣在一定的非均質(zhì)性影響下，仍然能保持相對穩(wěn)定的傳播，從而保證高效的驅(qū)動能力。 注入 井 完井技術(shù) 優(yōu)選 對于注入井而言 ，主要 面對高溫、氧化腐蝕、點火方法、注氣、出砂等問題。在實施火燒油層區(qū)域上 30米 的上部使用常用的硅酸鹽水泥完井。 （ 2） 套管 經(jīng)過 大量的試驗研究證明 ， 較普通套管而言 ， Cr 含量 為 3%的套管 [9]產(chǎn)品具有良好的抗 CO H2S 和 Cl腐蝕性能 ， 是一種價格適中的 “ 經(jīng)濟型 ” 非 API 系列油套管產(chǎn)品 。 如果使用干法燃燒，使用過濾裝置嚴格的除去空氣中的水蒸氣，避免水對氧化反應(yīng)的催化作用。 在防沙問題上，使用襯管比較普遍，但考慮到高溫腐蝕環(huán)境，使用 礫石填充 完井 以 避免注空氣停止時出砂 的效果會更好 。 換句話說 ，既要保證注入空氣中的氮氣 、 燃燒生成的二氧化碳從水平井排泄出去 （ 否則就 會就地成為滅火劑 ） ， 又要保證注入空氣中的氧氣不從水平井排泄出去 。 ② 可動油流到水平段后 ， 不與注入空氣中的氧氣發(fā)生接觸。 提高熱采水平井火驅(qū)開發(fā)效率的完井技術(shù)研究 27 生產(chǎn)井 完井技術(shù) 優(yōu)選 對于生產(chǎn)井而言，需要面對高溫 、 CO2腐蝕、氧化腐蝕、出砂等問題。 A7 無篩管 A9 51/2in. 孔槽篩管 A17 無篩管 A24 51/2in. 孔槽篩管 射孔完井 A7 通過全部間隔或者 3或 4個短間隔 A8 全部產(chǎn)層 21/ A9 除有效厚度上部 20 英尺外，所有其他均射孔 A10 每英尺 2 個孔 A19 砂巖層沒英尺 4 個孔 鋼材種類 A2 316SS 篩管和油管 A4 316SS 油管 A7 距套管底部 30 英尺為 304SS；所有 SS 裸露在砂巖層輔助完井后無SS 水泥 A5 G 級硅粉水泥 A8 H 級水泥含有 4%的凝膠 A10 100 袋含 49%硅粉的 50/50 Pozmix H 級水泥后為 40 袋含 40%硅粉的Lumite 水泥 A19 2:1 比例的 poxmix 和含 8%%R5 的耐熱水泥 礫石填充 A2 6╳ 9 礫石，填充與 A5 6╳ 9 礫石，填充與 A9 2040 篩眼 A19 無礫石，使用 12 篩眼的 SS 金屬纏繞代替 A25 壓力填充 油管 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 （論文） 28 A7 ， 3/4in. 的測溫孔 l A8 A9 A10 27/8in 的油管， 在 油管之間注入冷水 A13 23/8或 27/附近 A18 27/ A24 31/； 27/管觀測溫度 （ 1） 水泥 和注入井一樣， 根據(jù)要面臨高溫問題，使用具有熱穩(wěn)定性的水泥漿。 （ 3） 防腐蝕對策 針對 氧腐蝕 ，和注入井的一樣， 主要利用化學(xué)方法防腐 ，可使用 緩蝕劑進行處理 。在一 些情況下使用 氣錨 [17]， 作用優(yōu)于常規(guī)的封隔器 。 表 出現(xiàn) 問題及補救方法 項 目 編 號 問 題 說 明 補 救 方 法 注入效率低的注入井 A1 注入堵塞，主要由三氧化二鐵導(dǎo)致。 A7 乳化液使火燒油層生產(chǎn)率下降。 A18 低注入率。 6 到 10口井注入水以后，由于非常穩(wěn)定的乳化液使燃燒前緣熄滅。 B9 注入水含有 40 到 172 ppm 的鐵；當水與空氣接觸的時候生成三氧化二鐵，降低了水的注入能力。 A7 在較高的溫度和酸性水環(huán)境下， 10 天后不銹鋼泵的所有部件需要更換。 A11 井下設(shè)備、出油管線和地面設(shè)備的腐蝕。腐蝕最嚴重的是油管、套管、防噴管線、油嘴、閥門和接頭。 A23 同時注入空氣和水會引起嚴重的腐蝕，通過氧化腐蝕，也包括酸性腐蝕，損害生產(chǎn)井，高溫環(huán)境會使這種情況更為惡化。焦炭顆粒使磨損問題惡化。 A23 高氣體含量的生產(chǎn)井發(fā)生砂蝕。這是局部破碎壓實作用造成的。大多數(shù)生產(chǎn)井是生產(chǎn)重油的，急冷問題、地層水問題、固體顆粒問題。 A13 乳化問題增加生產(chǎn)過程中的腐蝕以及嚴重時導(dǎo)致停止生產(chǎn)喪失采油能力。 A12 在壓縮機的中間階段發(fā)生爆炸。 完井新需求 注入井和生產(chǎn)井的轉(zhuǎn)換 火燒 油層技術(shù)的燃燒方法可分為正向燃燒法和反向燃燒法，之前所涉及到的火燒油層技術(shù)燃燒方法均指的是正向燃燒法，即燃燒前緣推進方向與注氣方向相同 的方法 。 這種潤滑劑和 75% Anderol 500 和 25% Gulf FR Fluid P47 混合使用。 越來越多的昂貴的化學(xué)藥品被需求。 A11 在 treated at 170176。 寸的抽油桿立柱之間泵入井眼底部。 A8 一個主要的問題。 A9 在火驅(qū)的燃燒階段，作為高溫、高氣體含量和出砂 問的的生產(chǎn)井，泵必須經(jīng)常更換。 磨損 A3 注入井出砂發(fā)生在注入率增加的時候。 A18 高氧氣利用率將減少生產(chǎn)氣體中氧的濃 度；只引起少量的腐蝕問題。 A13 注入井的腐蝕既有溫和也有嚴重的情況，大多數(shù)的嚴重腐蝕發(fā)生在油管后三分之一即空氣和水混合的區(qū)域。 向油管中注入冷水并分析生產(chǎn)氣體中的 氧氣含量。 腐蝕 A3 生產(chǎn)井主要為 S， O2， CO2 腐蝕 。 B