編譯:陳仙江 趙海燕 (中油新疆油田公司)

賈雪松 楊士梅 (提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·大慶石油學(xué)院)

審校:崔萍 (大慶石油學(xué)院)

深層重油開采中將部分采出液作為射流泵動(dòng)力液的循環(huán)使用

編譯:陳仙江 趙海燕 (中油新疆油田公司)

賈雪松 楊士梅 (提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·大慶石油學(xué)院)

審校:崔萍 (大慶石油學(xué)院)

射流泵依靠輕油驅(qū)動(dòng)抽油是深層重油儲(chǔ)層采出重油的首選方法之一。一般,輕油量太多以致很難接受。降低輕油量的解決方法之一是部分采出液以合理的比率與輕油結(jié)合,然后將采出液-輕油混合物作為動(dòng)力液再注入井中。這種情況下,混合物的黏度持續(xù)增加并且逐漸達(dá)到其平衡值,這種黏度平衡值是地層原油黏度、輕油黏度(VLO)、混合物中的輕油比率 (RLO),以及地層流體與動(dòng)力液的體積流量之比 (M比率)的函數(shù)。因此輕油在混合物中的最佳比例可以通過迭代算法測(cè)定出來。以上提出的所有參數(shù)可導(dǎo)致生產(chǎn)管柱中采出液-輕油混合物黏度和壓力降的變化,尤其是VLO和RLO。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例證明,使用的輕油量能夠降低到50%以上。

重油開采 射流泵 動(dòng)力液輕油比 平衡黏度

1 介紹

通過普通人工提舉方法從3 000 m以下的井中開采重油是很困難的。在這種情況下,有桿泵系統(tǒng)會(huì)承受抽油桿的伸長和斷裂,而潛水泵系統(tǒng)在高的排出壓力下會(huì)遭受高溫和推力軸承負(fù)荷,進(jìn)而泵的效率在低產(chǎn)量下大幅度降低。這就需要足夠的氣體用于氣舉系統(tǒng),但是將氣體壓縮到高壓是很昂貴的,并且達(dá)到低沉沒度很困難。因此,需要找到更加有效的方法從深層重油儲(chǔ)層中采油。

射流泵抽油系統(tǒng)是重油開采中有效的人工舉升技術(shù),該技術(shù)通過與地面高壓流體混合,從而使儲(chǔ)層中低壓流體壓力升高和采出。此外,射流泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,沒有運(yùn)動(dòng)部件,體積小巧,并且能夠抽取高黏度、強(qiáng)腐蝕性流體,顯示了其在深井產(chǎn)油中的優(yōu)點(diǎn)。另外,由于生產(chǎn)管柱中采出液黏度的減小和壓力降的降低,輕油在深層重油井中可作為動(dòng)力液使用。壓力降的降低主要是由于在射流泵喉管中動(dòng)力液和地層流體瞬間良好的混合。

射流泵是一種工作特性曲線類似于離心泵的動(dòng)力泵。當(dāng)輕油用作動(dòng)力液時(shí),在生產(chǎn)管柱中輕油的量不僅要足以降低地層流體的黏度,還要為地層流體提升到地面提供充分的能量。為了使提升有更大的靈活性和有效率,泵應(yīng)該在較高的 R比率 (噴嘴截面積/喉管截面積)下運(yùn)行。在深層重油井下它能提供高的 N比率,即 (PD-PS)/(PNPD),其中 PD、PS和 PN分別是泵的排出口壓力、泵截面壓力和動(dòng)力液壓力。低 M比率下能獲得較高效率,研究中這已經(jīng)得到證實(shí),適用范圍在0.3～1.2,地層深度4 500 m以上。上述情況下,當(dāng)動(dòng)力液 M=0.3～1.2時(shí),輕油量應(yīng)該是油井產(chǎn)液量的0.83～3.33倍。而當(dāng)黏度減小時(shí),輕油量應(yīng)該是油井產(chǎn)液量的0.43倍左右。如果提供的輕油不足以滿足大量的需求,射流泵系統(tǒng)的應(yīng)用將受到限制。為了降低輕油使用量,提出了一項(xiàng)新技術(shù),即在適當(dāng)?shù)谋嚷氏乱徊糠植沙鲆号c輕油混合,然后將采出液-輕油混合物作為動(dòng)力液重新注入油井中。這項(xiàng)新技術(shù)的關(guān)鍵在于怎樣判斷最理想的輕油比率,以最大化減小輕油的需求,然而要保證生產(chǎn)管柱中流體的低黏度性和合理的井口動(dòng)力液壓頭,需要地面設(shè)施來提供。

2 新技術(shù)的可行性

與在高溫深層重油井的井底相比,儲(chǔ)層流體在地層中的流動(dòng)更加容易。然而,由于熱量損失和溶解氣的分離,地層流體在生產(chǎn)管柱中的流動(dòng)變得更加困難,并且導(dǎo)致流體黏度的急劇上升。

當(dāng)一個(gè)深層重油井使用依靠混合動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)的射流泵系統(tǒng)采油時(shí),采出液-輕油混合物的黏度將比輕油的高,但比采出液的低。輕油比越低,混合物黏度越高。為了在實(shí)踐中使用這項(xiàng)新技術(shù),相對(duì)于輕油來說,混合動(dòng)力液的黏度還有良好的稀釋能力,使輕油使用量得到有效的降低。為此,需要研究黏度不同的兩種油品的混合規(guī)律。

在不同RLO下的混合物黏度結(jié)果 (圖1)表明,在常壓50℃下輕油的黏度和重油黏度分別為11.5 mPa·s和80 000 mPa·s。但是,如果 RLO從25%降低到0%,混合物的黏度將從2 276.9 mPa·s提高到80 000 mPa·s。

圖1 重油和輕油的混合黏度

這意味著如果輕油體積比等于或者大于40%,混合物的黏度將不能有效提高。此外,由于動(dòng)力液和地層流體在射流泵喉管里混合較好,采出液的黏度有大幅度下降,它比地層流體黏度低得多。當(dāng)采出液以合適的比例和輕油混合后,與輕油的稀釋能力相比,混合的動(dòng)力液仍然具有良好的稀釋能力,并且能夠作為動(dòng)力液采出重油,其中輕油的需求量明顯減少。

3 理論模型

3.1 混合動(dòng)力液平衡黏度的測(cè)定

當(dāng)一口油井一開始使用以輕油作為動(dòng)力液的射流泵采油時(shí),采出液的黏度通過下式計(jì)算:

當(dāng)射流泵依靠輕油驅(qū)動(dòng)時(shí),μp(1)是采出液的黏度;μl是輕油黏度;μr是地層流體的黏度;M是油井產(chǎn)量與稀釋量之比。

假設(shè)黏度為μp(1)的采出液在定比 r1下與輕油混合,那么混合動(dòng)力液的黏度將由下式計(jì)算:

式中,μpower(1)是第一次循環(huán)中動(dòng)力液的黏度;rl是輕油與混合動(dòng)力液的體積比;rp是采出液與混合動(dòng)力液的體積比。

混合第 n步的動(dòng)力液的黏度能夠由下式推導(dǎo)出:

從式 (3)可以看出,隨著計(jì)算程序的繼續(xù),采出液-輕油混合物的黏度呈現(xiàn)一個(gè)上升、收斂的序列。

定義

上升、收斂序列的lglgμpower(n)可以用下式計(jì)算:

將0

定義

(6)式能寫成如下形式:

圖2繪制了在不同 n值下混合動(dòng)力液的黏度。從圖中可以看出,當(dāng) n等于6或者更高時(shí),混合物的黏度達(dá)到恒定值。這說明在混合6或7次以后,動(dòng)力液的黏度能夠代表混合動(dòng)力液的平衡黏度。

圖2 不同 n值時(shí)的混合黏度

3.2 混合物中最佳輕油比的測(cè)定

當(dāng)在射流泵采油中使用混合動(dòng)力液時(shí),輕油比將顯著影響生產(chǎn)管柱中流體的黏度和井眼的壓力降。RLO越低,生產(chǎn)管柱中的流體黏度越高,壓力降也一樣,這需要?jiǎng)恿σ河休^高的井口壓力(WHP)。地面設(shè)施要有能力提供足夠高的壓力給動(dòng)力液并且使輕油量最小,同時(shí)需要測(cè)定混合動(dòng)力液中最佳輕油比。

為了測(cè)定最佳輕油比,研發(fā)了如下迭代計(jì)算模式:

(1)在恒定的流量、R比率、M比率條件下,計(jì)算以輕油作為動(dòng)力液時(shí)采出液的黏度。

(2)測(cè)定初始RLO值,確定計(jì)算步驟。

(3)按式 (8)計(jì)算混合動(dòng)力液的平衡黏度(μe)。

(4)當(dāng)射流泵依靠混合動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)時(shí),計(jì)算μe的黏度和WHP值。

(5)如果WHP和地面設(shè)備的額定壓力之間的誤差小于規(guī)定精確度,RLO就是混合物中輕油的最優(yōu)比,否則RLO值要通過計(jì)算步驟修正,重復(fù)第三步直到滿足規(guī)定的精確度。

上平面縱向聯(lián)結(jié)系均采用平行形式，與弦桿在節(jié)點(diǎn)處相連，以抵抗橫向風(fēng)荷載、豎向荷載及弦桿變形等產(chǎn)生的內(nèi)力，上撐桿均采用箱形截面，截面寬度300mm，高度均為300mm，板厚12mm。

4 實(shí)例研究

該實(shí)例的油井資料如表1所示,輕油的黏度是11.5 mPa·s(常壓50 ℃條件下)。常壓50 ℃下的地層流體黏度為20 000 mPa·s,地層條件為128℃、60 MPa,地層流體黏度只有32.6 mPa·s。用計(jì)算機(jī)模擬來測(cè)定該井生產(chǎn)最有效的 R比率。

表1 油井的一般參數(shù)

根據(jù)每個(gè)地面設(shè)備的額定壓力,在恒定的WHP和時(shí)間下計(jì)算輕油的最佳比 (表2)。

表2 利用混合動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)的射流泵結(jié)果

當(dāng)油井生產(chǎn)使用的射流泵只以輕油作為動(dòng)力液時(shí),輕油的需求量是59.6 m3/d,地面壓力為8.23 MPa。如果地面設(shè)備的額定壓力為20 MPa,那么射流泵所需的輕油量為17.28 m3/d,降低了71%,而WHP是19.86 MPa。在采油中,地面設(shè)備的額定壓力與輕油需求量的關(guān)系如圖3所示,達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間大概是3～6天。

VLO、RLO、M比、地層流體黏度和動(dòng)力液的井口溫度都會(huì)影響生產(chǎn)管柱內(nèi)流體的黏度、井眼的壓力降和 WHP。為了對(duì)壓力降影響參數(shù)和WHP有更好的理解,給出了各參數(shù)和WHP之間的關(guān)系曲線 (圖4～圖6)。所有的圖都采用表1中同一個(gè)油井的數(shù)據(jù),圖中出現(xiàn)的黏度都是在50℃的常壓下測(cè)量的。

圖3 地面設(shè)備額定壓力和輕油量的關(guān)系

VLO和地層流體的黏度對(duì)WHP的影響見圖4,在該圖中輕油在混合動(dòng)力液中的比率為50%?？梢钥闯?①當(dāng)VLO恒定時(shí),WHP隨地層流體黏度的增加而增加,當(dāng)?shù)貙恿黧w黏度恒定時(shí),WHP隨VLO的增加而增加;②如果VLO比較低(如VLO=11.5 mPa·s),地層流體黏度對(duì) WHP的影響是非常小的,在這種狀態(tài)下,射流泵利用混合動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)能夠在具有較大地層流體黏度范圍的深層重油井中使用;③如果VLO較高 (如VLO=100 mPa·s),地層流體黏度對(duì)WHP的影響就非常明顯,當(dāng)?shù)貙恿黧w黏度等于或大于80000 mPa·s時(shí),WHP值非常高以致很難被接受;④VLO能對(duì)WHP產(chǎn)生很大影響,尤其在地層流體黏度很高的時(shí)候,這是因?yàn)閃HP對(duì)動(dòng)力液非常敏感,當(dāng)利用采出液和輕油的混合物作為動(dòng)力液時(shí),在一種適當(dāng)?shù)妮p油比 (圖中為50%)條件下,VLO對(duì)混合物黏度的影響較它對(duì)地層流體的影響大得多 (圖1),因此它能影響WHP,所以當(dāng)采用采出液-輕油混合物時(shí),應(yīng)該使用低黏度輕油。

圖4 不同地層流體黏度時(shí)的WHP值(rl=rp=50%)

圖5描述的是RLO和 M比率對(duì)WHP的影響。從圖中可以看出,VLO和地層流體黏度不變,當(dāng)RLO等于或大于40%時(shí),WHP不會(huì)顯著增加,這和圖1類似。對(duì) M比率來說,WHP隨著 M比率的增加而增大,這是因?yàn)楫?dāng) M增大時(shí),采出液中地層流體的比率上升,這就導(dǎo)致了混合動(dòng)力液中輕油的減少和WHP的增加。

圖5 不同輕油比時(shí)的WHP值(rl=rp=50%)

注入油井之前,動(dòng)力液在地面不同溫度時(shí)的WHP如圖6所示。從圖中可以看出,隨著動(dòng)力液溫度的升高,WHP緩慢增長。因?yàn)樵谶@種情況下,動(dòng)力液溫度比采出液溫度高并且它們之間的熱交換能夠使采出液的溫度升高和黏度增加,這會(huì)增加井筒中的壓力降。然而,由于油井的深度超過5 000 m,在井筒里向下流動(dòng)到射流泵的過程中,動(dòng)力液的熱損失太大以致于很難保持較高溫度。另外,在井眼中用來降低壓力降的動(dòng)力液量是有限的,這也很大程度上限制了通過動(dòng)力液帶來的熱量,即使動(dòng)力液本身溫度很高。這就是當(dāng)?shù)孛鎰?dòng)力液溫度增加WHP也增加的原因,但非常不明顯。

圖6 不同地面動(dòng)力液溫度時(shí)的WHP值(rl=rp=50%)

5 結(jié)論

(1)提出了在深層重油井中使用一部分采出液-輕油混合物作為射流泵的動(dòng)力液可以減少輕油需求量的新技術(shù)?？尚行苑治鲎C明了該技術(shù)的實(shí)用性,并且在大多數(shù)實(shí)例中輕油量能夠降低50%以上。

(2)構(gòu)建的理論模型可以測(cè)定混合動(dòng)力液的平衡黏度。

(3)通過迭代法可以計(jì)算混合動(dòng)力液中輕油的最佳比,在保證生產(chǎn)管柱中較低的流體黏度和合理的井口動(dòng)力液壓力的同時(shí),通過該法可以計(jì)算出輕油量的最小值。

(4)M比率、輕油黏度和輕油比對(duì)壓力降和射流泵的作業(yè)效率有很大影響,而對(duì)地面動(dòng)力液的溫度影響不大。如果VLO比較低,地層流體黏度對(duì)WHP的作用就非常小。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.007

資料來源于美國《SPE/PS-CIM/CHOA 97511》

2009-04-22)