第十三章(排驱和开采).

第十二章流体（油气）在油（气）层中排驱与开采§1油气在油（气）层中排驱和排驱方式一、排驱（驱动）油气的能量在油（气）藏未开发前，油、气、水和油（气）层是处于一个均衡受压的状态，油（气）层骨架承受了上覆地层的巨大压力和含水区的侧压力（在有露头时），流体则承受了水柱的压力。在超压时，流体还承受部分上覆地层的压力。所有这些都构成了油（气）层中油气的一种潜在能量。但当油（气）开发时，改变了油（气）层的平衡状态，这些能量就会释放出来，驱使油气从油（气）层排驱至井底，并被采到地面。除上述天然存在的能量外，在油气田开采过程中，通过注水、注气也可以人为地增加油（气）藏中的能量。油（气）层中驱使油气驱动的天然能量主要有下列几种：1.岩石和流体所具有的弹性能由岩石、石油和油藏以外的水体弹性膨胀所形成的驱油能量就叫弹性能。弹性能的大小取决于岩石和流体的弹性压缩系数及油藏体积的大小。倘若油（气）层供水区有露头，边水和底水将依靠露头与油（气）层的水柱压差，这时弹性能退居次要地位，油（气）层转入天然水压驱动，这种能量叫做边水和底水的压能。由于压能一般较大，因此是驱动油气的重要能量。边水和底水的压能与露头和油（气）层埋藏深度的水柱高差有关，也与露头的距离及供水区地层的渗透率高低有关。天然气的弹性压缩能，包括油层上部处于游离状态的气顶气弹性能，和油层内溶于石油中的天然气（溶解气）的弹性能。2.油（气）藏边水和底水的压能3.天然气的弹性压缩能量4.原油本身的重力能在含流体的油藏中，总是有重力存在着，油藏内高于井底位置的原油，由于高度差异而产生的位能即为原油本身的重力位能。原油依靠这种能量克服油流阻力，将原油排向井底。重力能驱油与其它能量相比，是比较小的，当它在地层内流体压力造成的能量已经枯竭，而地层倾角又较大，油层厚度大，岩石渗透率较好的情况下才具有实际意义。这种重力驱油的方式比溶解气驱动能得到更多的采油量，能维持一个较长的时期。二、排驱油（气）的方式排驱油(气)的方式，是指油(气)层在开采过程中依靠某种能量作用下将油气驱向井底的驱动方式。油(气)的驱动方式，一方面决定于油层的自然条件，更重要的是决定于人为的开采条件。根据油藏中天然能量和人为控制驱动能量的不同，把油藏驱动方式分为以下几种：1.水压驱动在天然边水或底水压能以及人工注水方式的作用下，将油气排向井底的驱动方式称为水压驱动。水压驱动的特点是：1、原油长时间作单相流动，产量和压力比较稳定，油气比比较稳定。2、一般水压驱动的能量传递比较高，驱动能量的消耗主要是克服油流阻力，水洗效率较高，因此采出的油量较高，采收率高于其他驱动方式。当孔道亲水时，一方面由于孔道壁存在水膜，可使水自发驱赶孔壁石油，另一方面由于油水粘度差异较大，可导致水沿着孔壁发生窜流，形成超越作用，当为亲油孔道时，由于水的流动阻力较小，将沿着孔道中心窜流。水驱油初期，水沿着孔道推挤石油，将大部分能量传递给石油，能量传递较高，此时流动阻力主要是与粘度和流速有关的粘滞阻力2.气压驱动在具有天然气的油田中，地层驱油的主要能量来自气体压缩能的弹性释放。（1）气顶气驱动原生气顶或次生气顶产生的驱动当压降波及到气顶时，引起气顶气膨胀，形成一个明显的油气接触前缘，当该前缘接近油井时，由于油气粘度差异加大，发生气体突进现象并伴随油气比的急剧上升。气顶气具有定容性特点，因此压力逐渐降低。气顶气的生产特点是，日产量较为稳定，采出的油量一般要比溶解气驱高（2）溶解气驱动对饱和油藏，采油一开始就是溶解气驱，对于不饱和油藏，必须当油层压力下降到饱和压力时才开始出现溶解气驱。特点是：一方面溶解气逐渐脱出，形成连续相，易于形成贾敏现象，另一方面，造成气窜。上述二个原因可造成产量急剧下降。气压驱动效果一般比水压驱动效果差：1、气体粘度和油的粘度差异较大，气体的超越性更强，因此更容易发生气窜2、气体对孔壁无润湿作用，这样油气界面上的毛管力将成为主要阻力，气体对孔壁的洗油效率较差，易于残留油膜油滴等。当地层压力高于饱和压力时，液体和岩石发生体积膨胀，形成弹性驱动；当地层压力小于饱和压力时，弹性能逐渐被溶解气驱替代。特点是：弹性能不断减小，油井初期产量比后期产量下降快。3.其它驱动方式（1）弹性驱动：地层压力高于饱和压力时，油层中液体和岩石本身所具有的弹性能，随地层压力下降，能量将释放出来，液体和岩石将发生体积膨胀。当油层很厚，并具有自由液面，静液面高差形成驱动能量特点：采油量低，但采油周期长。（2）重力驱动：重力驱动是石油靠本身重力作用流向井底的一种驱动方式。从上述统计的数字表明，水压驱动的采收率最高，从世界开发的油田统计，一般油田采收率为20—50％，稠油的采收率一般为10—20％。目前石油开采技术比较先进的美国来讲，原油的采收率也仅仅达到45—50％。据统计现已开发的油藏平均采收率为33％，其中水压驱动油藏为52％，气压驱动为33％，溶解气驱动为21％。由此可见，提高采收率问题是世界各国追切需要研究的重要课题。一个大油田即使原油采收率提高10—20％，其原油的产量增加也是相当可观的，它甚至相当于发现一个中型或小型油田。§2油气开采和提高采收率的途径一、基本概念1.采收率油藏的原油采收率是指地下石油的可采储量与原始储量之比值，以百分数或小数表示。可分成：一次采油二次采油三次采油一次采油、二次采油、三次采油一次采油（primaryoilrecovery）依靠天然能量开采原油的方法天然能量包括：1、岩石和流体的弹性能（弹性驱动）2、含水区的弹性能和露头水柱压能（水压驱动）3、含油气区溶解气的弹性能（气压气驱——溶解气驱）4、气顶区气体的弹性膨胀能（气压驱动——气顶气驱）5、原油自生的位能（重力驱动）二次采油（secondoilrecovery）是指用注水（或注气）的方法弥补采油的亏空体积，补充地层能量进行采油的方法，或称利用机械能量方式的采油。这种方法在20世纪40年代以后得到广泛运用。通常是在一次采油的基础上进行的。但目前，世界各国为了提高采油速度和采收率，从油田开发开始，就将保持地层压力措施和采油同时实施。二次采油采收率一般在30－50％之间，个别情况可达到70－80％。三次采油（secondoilrecovery）也称“强化原油采收率”（Enhancedoilrecovery），它是针对二次采油未能采出的残余油（或剩余油），采用向地层注入其他驱动剂或引入其他能量（如化学能、生物能、热力学能）的采油方法。通常紧跟在二次采油之后进行。如注入化学剂的化学驱油、注蒸汽或注热水等热力采油及注入轻烃或二氧化碳等混相驱油等。三次采油的驱油机理主要是通过改善油水流度比或降低界面张力等的物理化学采油方法。不同驱动方式和采收率一次采油的采收率333331111//)()1(})1({)1(})1({mmpBmmpBmVMPapMPapSMPaCMPaCMPaCMPapMPaCppSSCSCCBSVBBpVSCSCCNpVCNNbbioifbiwcwofebiwcwcwwcofoiwcfboifwcwwcoffep压力下原油体积系数压力下原油体积系数含油区岩石体积原油泡点压力原始地层压力束缚水饱和度，小数地层平均孔隙度，小数地层水压缩系数原油压缩系数的岩石压缩系数以岩石外表体积为基数地饱压差综合压缩系数】【】【含油区岩石及液体的弹性驱采收率为天然水驱方式的采收率为和度地层条件下的束缚水饱余油饱和度地层条件下水驱后的残wcorooiwcorwcSSBBSSS11在能量枯竭条件下，气驱和溶解气驱条件下油藏的采收率系数枯竭压力下的原油体积饱和度气驱或溶解气驱残余油wcorowcoiorSSBSBS)1(1一次采收率（％）二次采收率（％）天然水驱25-50注水驱25-60(最高85)弹性驱2-5注气驱30-50气顶驱25-50混相驱40-60溶解气驱10-30热力驱重力驱30-7020-50（指原油可采量低的重油）表13-1石油一、二次采收率（据G.J.戴尔赛）2.波及程度：（即波及系数又称波及效率）指注入工作剂在油藏中的波及程度，即水、气冲刷和渗润到油藏的体积和含油体积的比值，以百分数或小数表示。hAhAss1其中：As、hs分别为波及面积和波及厚度。A、h分别为含油面积和含油（有效）厚度。3.洗油效率：即被水、气冲刷和渗润到的油层采出的油量和这个油藏原始储量的比值。oorooroSSSSS12整个油藏石油的采收率为：oorssossShAShAShA原始储量可采储量21oorossoorossSSShAhAShASShA二、影响石油采收率的因素1.油层的非均质性微观非均质性——矿物组成、岩石粒度组成和岩石孔隙结构不同及由此产生的润湿性及毛管压力的不同。主要影响驱油时的洗油效率。宏观非均质性1、层间非均质性——夹层和油层，渗透率不同，注水过程中注入水沿高渗透性层突进，降低注入水的利用率，渗透率变异系数越大，采收率越低。2、层内非均质性纵向上——正韵律、反韵律，高渗透部位水洗程度高，水驱含水上升快，水淹快。一般正韵律水洗厚度要小于反韵律。平面上——渗透率各向异性决定注采系统水流方向与高渗透带方向一致，易形成水窜，波及程度低注采系统水流方向与高渗透带方向垂直，波及程度高2.流度比流度比定义为驱替液的流度和被驱替液的流度之比，对于水油系统，水油流度比为ooo油的流度＝水的流度＝水油流度比大于1，表明水的流动能力大于油，小于1则油的流动能力大于水因此总体上看，流度比小于1对波及效率是有利的aekkMwbSwowoowow水油流度比是含水饱和度的函数，油层中含水饱和度越高，水油流度比越大，原油粘度越大，水油流度比越大。饱和度越高，临界注水速度越高，注水效率就越高当饱和度一定时，注水速度越高，注水效率越低美国学者研究后发现，对一定含油饱和度的油层，总存在一个最大临界注水速度，如果超过临界注水速度油田的开采效率就会降低。3.润湿性对亲水岩石，水驱过程中，由于水能很好的润湿孔壁，水是沿着孔壁前进的，在小孔隙中，由于毛管力的作用，水能自动吸入驱油，在大孔道中，水沿着毛管壁前进，首先形成水膜，水膜逐渐增厚占据孔道主体，将油驱出。对亲油岩石，水驱洗孔隙表面的油需要克服油水界面上的粘附力，水进入时很难与孔隙表面接触而沿孔隙表面流动，毛管力是驱动阻力，另外水的粘度小于油的粘度，水将沿着孔隙中心窜流而在孔隙壁上残留下厚度不等的油膜。三、残余油的存在形式与捕集机理对于注水油层，从中可以看出，影响石油采收率的因素主要是波及效率和驱油效率。由于波及效率主要是合理开发和注水问题，因此属于油层的宏观问题，而驱油效率主要是油层残留于孔隙中的油的驱出，因此属于油层的微观问题。后者主要是油层物理研究的主要内容。21残油存在的形式一般认为有以下几种：①留在单根孔隙的残余油滴或油珠，油呈不连续和孤立状态。②留在孔隙簇中残余油，从宏观上看油是连续的。③留在水绕流后的死油区或未被水波及到的残余油，宏观和微观上都呈连续的。1.残油存在的形式与分布状态在孔隙网络中，残余油状态依储层的润湿性和残余油饱和度可以呈1、滴状（孤岛状）2、串珠状（绳索状）3、悬浮状（悬环状，亦叫轮胎状）4、块状（簇状）水湿水湿水湿油湿水湿2.残余油的捕集机理双孔道模型当施加压力足够大，大孔道中界面移动快，小孔道中形成残余油当施加压力较小时，毛管力占优势，小孔道中界面先到达汇流点，大孔道中形成残余油。低毛细管准数下的残余油捕集机理——绕流和掐断实际多孔道体系因毛细管截面呈渐扩渐缩的变化，二相界面的曲率调节将逐点突然改变，界面二侧的毛管力也将随之突然改变，导致流体不是均匀流过多孔介质，而是阶越式的——海恩斯跃进小孔喉比的E型孔隙大孔喉比的T型孔隙除了考虑粘滞力和毛细管力之外，还有孔候比