淺層低滲油藏的采油工藝和壓裂工藝研究

周 錚

［中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300450］

伴隨著石油消耗速度的加快，國內(nèi)的各種優(yōu)質(zhì)油藏數(shù)量逐漸減少，已無法滿足人們對石油資源的需求。對此，油氣開發(fā)中心逐步轉(zhuǎn)移至淺層低滲油藏的開采，這類油田占新發(fā)現(xiàn)油藏的一半以上，由于其具有產(chǎn)能低、滲透率低的特點，開采難度相對較大。為穩(wěn)定石油的供應(yīng)，深入探討采油和壓裂工藝顯得尤為重要?，F(xiàn)就淺層低滲油藏的采油、壓裂工藝進(jìn)行如下論述，希望能為這類油田的開發(fā)、利用起到作用。

1 淺層低滲油藏的開發(fā)現(xiàn)狀

國際上，對于淺層低滲油藏并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只是一個相對概念。通過分析淺層低滲油藏的生產(chǎn)特征、滲透率，可以將其分為3個類型：一是一般低滲油田，這種儲層比較接近一般儲層，地層下的水飽和度為25%~50%，具有工業(yè)性的產(chǎn)能。但是對于鉆井、完井作業(yè)而言，極有可能會造成污染，有必要對儲層采取保護(hù)措施；二是特低滲油田，油田儲層含水飽和度大，這類油田的部分油層有低電阻，從某種程度上加大了測井難度。通常來講，這類儲層無法滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行壓裂作業(yè)；三是致密低滲儲層，空隙半徑小，油氣的進(jìn)入有一定難度，和有效儲層下線相似，多沒有自然產(chǎn)能，需要壓裂作業(yè)才能投產(chǎn)[1]。

在國外，淺層低滲油藏的開發(fā)已有一段時間，它們始終保持一個觀點，特別是高壓低滲油田，初次開采壓力大，天然氣能量充足，應(yīng)借助自然產(chǎn)能進(jìn)行開采，可以適當(dāng)延長低含水期、無水期的時間。借助溶解氣驅(qū)能量、彈性能量進(jìn)行開采，由于油層產(chǎn)能遞減速率較快，大大降低采收率，一般為10%。進(jìn)入低產(chǎn)期后，采用注水的方式開采，保持注水能量，此時采收率明顯提高，為20%。

2 淺層低滲油藏的采油工藝

按照舉油出井的方式，采油工程有很多種采油方法，常見如人工舉升法、自噴采油法，其中前者主要適用于油層能量小，無法自噴生產(chǎn)的油田，借助機(jī)械設(shè)備對底部的油流進(jìn)行能量的補(bǔ)充，將原油舉升出井口；后者則適用于淺層低滲透油田，是指油層借助自身的能量，將原油自油層趨到底部，然后從底部將原油噴到地面的一種方法，相較于人工舉升法，這種方式設(shè)備簡單、產(chǎn)量高。對于采油方式的選擇，通常根據(jù)舉升適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)評價、油井產(chǎn)能等方面確定，現(xiàn)就淺層低滲油藏的采油工藝技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 注水井增注技術(shù)

淺層低滲油藏的開采，其難點在于油藏滲透率低，油氣很難在孔隙流通。開采過程中，應(yīng)保證地層有著充足的壓力，從而減小開采難度。要想提高地層的壓力水平，可以借助注水量增加的方式增強(qiáng)壓力。在注水作業(yè)中，應(yīng)注意以下幾點：一是保證注水系統(tǒng)的水質(zhì)高，水質(zhì)問題是向淺層低滲油藏注水的保障，應(yīng)在開始注水至水流下注的整個過程，確保注水質(zhì)量達(dá)標(biāo)。二是保證注水壓力低于儲層破裂壓力，若注水系統(tǒng)啟動時壓力較大，自主吸水能力將很難負(fù)荷這類油田的要求，此時可以再次增加注水壓力，使其和儲層破裂的壓力相似，從而使接近油藏的位置出現(xiàn)細(xì)小裂縫，進(jìn)一步增加儲層的注水量。若借助壓力無法提升吸水能力，可采用短裂縫壓裂技術(shù)進(jìn)行輔助，注意保證其高度、長度處于規(guī)定范圍，以免影響注水結(jié)果。三是儲層的吸水能力要穩(wěn)定，石油開采過程中，極有可能會遇到速敏、酸敏的儲層，這些儲層存在很多黏土礦物顆粒，若開采過程給儲層帶來嚴(yán)重?fù)p傷，就會引發(fā)安全事故[2]。如若遇到這種情況，可用黏土填充，進(jìn)而增強(qiáng)儲層吸水能力的穩(wěn)定性。

2.2 大壓差采油技術(shù)

2.2.1 有桿泵抽油工藝

有桿泵抽油工藝適用于各類油田的開采，比如多層完井、小井眼井等，其由抽油機(jī)、抽油泵（安裝于油管柱下方）、抽油桿柱組成。抽油桿柱將地面設(shè)備的動力、運(yùn)動力傳至抽油泵柱塞，促使其來回運(yùn)動，油管柱液體增壓，將油層產(chǎn)液抽到地面。此工藝優(yōu)點眾多，比如設(shè)備操作簡單，易于掌握；淺井投資小，開采費用低，能量利用率高；可調(diào)節(jié)產(chǎn)能，錄取相關(guān)的資料數(shù)據(jù)；適用于高腐蝕、結(jié)垢的原油舉升。同樣，其也有一些缺點：井斜摩阻損失大，套管受磨損；設(shè)備尺寸大，機(jī)動性差，不適于海上平臺；中井、深井開采費用高。但總體上看，有桿泵是當(dāng)前普遍使用的采油泵。

應(yīng)注意，在該工藝使用期間，應(yīng)結(jié)合油層的實際情況，對采油工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，技術(shù)參數(shù)界定為：一是滿足油井的提液需求，即在現(xiàn)有開采技術(shù)的許可下，滿足開發(fā)要求，發(fā)揮油層潛力；二是應(yīng)保持較高的系統(tǒng)效率和泵效；三是抽油桿柱組合應(yīng)符合等強(qiáng)度原則，確保各級抽油桿均勻受力[3]。另外，還要科學(xué)地選擇油管柱、抽油機(jī)等配套設(shè)備，保證該工藝技術(shù)充分發(fā)揮作用。表1為常用抽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

表1 常用抽油機(jī)的各項參數(shù)

2.2.2 水利活塞泵抽油工藝

水利活塞泵以液體（加熱后）為動力液，抽油操作中，動力液由四通閥持續(xù)進(jìn)入油管，經(jīng)由液力馬達(dá)帶動抽油泵運(yùn)作。產(chǎn)出液經(jīng)過增壓處理后，排向油套環(huán)形空間，與動力液混合，然后返回地面。水利活塞泵的優(yōu)點為：通過對動力液循環(huán)速度的控制，對泵沖次進(jìn)行調(diào)節(jié)；泵效高，一般為65%~70%；適用于多層完井、深井和斜井，檢泵時不需要起下管柱。缺點為：動力液消耗量大，若當(dāng)動力液不充足，將無法開采；高排量井投資大，類似氣舉，操作費用高；不適于小井眼井、高油氣比井。

2.2.3 螺桿泵采油工藝

螺桿泵由電機(jī)、電控箱、機(jī)架、大四通等組成，泵井下構(gòu)成為定子、轉(zhuǎn)子、抽油桿等。工藝原理為電控箱將電流輸至電機(jī)，通過皮帶將動力傳至輸入軸（減速箱），結(jié)合卡瓦向抽油桿、轉(zhuǎn)子傳送旋轉(zhuǎn)動力。井下的螺桿泵由定子、轉(zhuǎn)子組成，彼此之間形成多個密閉空腔，轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動時，空腔會從一端轉(zhuǎn)至另一端，從而將液體提到地面。工藝優(yōu)點為：井下部件少，地面設(shè)備操作簡單；設(shè)備的機(jī)動性好，適用于結(jié)垢、高黏原油的開采；能量利用率低。缺點是不適于高排量井和深井。

2.2.4 氣舉采油工藝

由于淺層低滲油藏的特殊性，開采難度相對較大，油藏開采率也不高。對于滲透性比較低的天然氣而言，借助氣舉采油工藝可以改善開采量。工藝優(yōu)點包括：井下設(shè)備簡單，不受井溫的控制；防腐蝕簡單；高排量時，能量利用率高；適用于小井眼井和斜井。缺點是：高壓氣舉不安全；人工舉升投資高，需要建設(shè)循環(huán)管線，鋼材消耗量大，利用率低；容易形成乳化物，增加原油的處理難度；低排量時，能量利用率低。

2.2.5 電潛泵采油工藝

電潛泵采油工藝特點是，將電機(jī)直接放在井下，避免使用大型傳動裝置，采油效率高，適用于海上平臺、斜井采油，方便自動化管理。而且，適應(yīng)廣泛的排量變化，排量調(diào)整簡單，強(qiáng)化排液能力強(qiáng)。缺點是：不適于高溫井、低產(chǎn)井；高汽油比井泵效率低，結(jié)垢、出砂井容易出事故，泵部件易腐蝕和受損。

3 淺層低滲油藏的壓裂工藝

壓裂工藝是指采油時借助水力作用，使油層形成裂縫，也稱油層水力壓裂。油層出現(xiàn)裂縫后，加入支撐劑填充裂縫，提高油層滲透能力，增加產(chǎn)油量。該工藝是低滲油藏開發(fā)的有效手段，在多年的發(fā)展中，壓裂工藝在材料性能、設(shè)備等方面取得很大的進(jìn)步，工藝技術(shù)也越來越成熟。

3.1 控縫高壓裂技術(shù)

控縫高壓裂技術(shù)，是指在前置液中混入導(dǎo)向劑，同時進(jìn)入裂縫。根據(jù)裂縫方向和高度，科學(xué)地選擇導(dǎo)向劑，在裂縫底部、頂部形成遮擋層，增強(qiáng)裂縫末梢阻抗，防止裂縫延伸。一般來講，上浮式導(dǎo)向劑用于縫隙頂部，下浮式導(dǎo)向劑則用于底部，由于裂縫高度會受阻抗、巖石物質(zhì)等因素影響，形成低滲隔層，控制裂縫的高度[4]。控縫高壓裂技術(shù)主要適用于淺層低滲油藏，因為其在壓裂作業(yè)中容易使壓裂高度進(jìn)入遮擋層。

3.2 分層壓裂技術(shù)

分層壓裂技術(shù)適用于多層油田，包括：①機(jī)械分層壓裂技術(shù)，借助封隔器分離油層的隔層，逐層進(jìn)行壓裂處理；②封隔器分層壓裂技術(shù)，此技術(shù)應(yīng)用廣泛，借助軸向荷載產(chǎn)生徑向膨脹、軸向壓縮，從而分隔油層。缺點是工藝復(fù)雜，實施難度大；③限流分層壓裂技術(shù)，對每層孔眼直徑、數(shù)量進(jìn)行控制，若壓裂層孔眼數(shù)量比較小，需要增加壓裂液的注入量，來提升壓裂層的壓力。同時，借助孔眼摩阻增加井底壓力，達(dá)到逐層壓裂的效果。

3.3 選擇性壓裂技術(shù)

選擇性壓裂技術(shù)包括：一是填塞球選擇壓裂技術(shù)，借助封堵球暫時封堵油層（低破裂壓力）；二是蠟球選擇性壓裂技術(shù)，借助蠟球封堵高滲層，壓裂低滲層。待油田產(chǎn)油后，蠟球逐漸消失，從而釋放更多的油量。這種工藝的實施，需要充分了解井下環(huán)境，嚴(yán)格控制蠟球數(shù)量，因為蠟球價格低廉，所以其經(jīng)濟(jì)效益比較高。

3.4 斜井水力壓裂技術(shù)

斜井壓裂施工過程中，受自身斜度的影響，多數(shù)伴有近井筒效應(yīng)，支撐劑、壓裂液進(jìn)入裂縫時，受額外摩阻的影響而提前脫砂，導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)和預(yù)期不符，影響油藏產(chǎn)能。對此，可以在前置液中添加支撐劑段塞（低砂比），使液體出現(xiàn)較強(qiáng)的切割作用。對于近井地帶的裂縫，切割作用能夠幫助液體流動，減少摩擦阻力。此外，對于裂縫比較多的近井帶，這種支撐劑段塞可以有效堵塞小縫隙，增加主縫隙的寬度。

3.5 注意事項

（1）設(shè)計原則。為保證壓裂工藝的實施效果，應(yīng)基于油藏的地質(zhì)特征、油藏的開發(fā)方案，以提高單井產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)為抓手，借助試驗、理論分析等方式優(yōu)選壓裂工藝參數(shù)。在保證產(chǎn)能的情況下，明確裂縫半長，盡量通過壓裂調(diào)整產(chǎn)液剖面，延長開采期。

（2）壓裂液的選擇。在淺層低滲油藏壓裂過程中，壓裂液是主要的工作液，既可以傳遞壓力，又會形成水力裂縫，壓裂液選擇期間應(yīng)綜合考量儲層性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)狀況。在淺層低滲油藏壓裂作業(yè)中，壓裂液的性能尤為重要。由于油層淺、地層能量小、溫度低，應(yīng)保證壓裂液有濾失量低、低溫交聯(lián)等特點，考慮壓裂液是否會傷害儲層，使用快速返排、傷害小的壓裂液[5]。目前對于井深不超過800m的井，通常使用表面張力低、低溫下徹底破膠的壓裂液。

（3）支撐劑的選擇。其作用是分隔和支撐裂縫的壁面，使壓裂施工完成后裂縫始終有效支撐，從而消除地層的徑向流，促使流體進(jìn)入裂縫?；诹W(xué)性質(zhì)，可以將支撐劑分為：一是脆性支撐劑，變形小，硬度大，易在高閉合的壓力下破碎，比如玻璃球、石英砂等；二是四韌性支撐劑，變形大，承壓面積隨之變化，如鋁球、核桃殼等?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外常用的支撐劑為人造陶粒、天然石英砂，前者適用于不同閉合壓力，特點是耐溫、抗壓強(qiáng)度大、密度高、抗鹽等；后者適用于低閉合壓力的淺井，特點是價格低、密度低、抗壓強(qiáng)度低、來源廣等。

（4）壓裂改造管柱。對于淺層低滲油藏，采用278//平式油管。以國產(chǎn)J55平式油管為例，各項指標(biāo)見表2。

表2 國產(chǎn)J55平式油管強(qiáng)度設(shè)計表

4 結(jié)語

隨著我國人均消費水平的提升，私家車數(shù)量逐年上漲，石油產(chǎn)品需求量也隨之增加，給我國的石油生產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)。石油資源經(jīng)過多年的開采，其品質(zhì)逐漸降低，淺層低滲油藏數(shù)量增多，加強(qiáng)對這類油井采油、壓裂工藝的研究，對穩(wěn)定原油產(chǎn)量具有重要意義。由于采油工藝、壓裂工藝比較多，而且每種工藝技術(shù)的特點不同，給石油企業(yè)工作的開展帶來難度?；诖?，石油企業(yè)應(yīng)結(jié)合油井特征、生產(chǎn)需求，科學(xué)地選擇工藝技術(shù)，以滿足生產(chǎn)需求，提高原油利用率。