地層水綜合管理方法的實(shí)現(xiàn):從油藏管理到環(huán)境保護(hù)

編譯:劉健 (大慶油田海拉爾石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部)

審校:潘建軍 (大慶油田海拉爾石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部)

地層水綜合管理方法的實(shí)現(xiàn):從油藏管理到環(huán)境保護(hù)

編譯:劉健 (大慶油田海拉爾石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部)

審校:潘建軍 (大慶油田海拉爾石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部)

厄瓜多爾的Oriente盆地、秘魯?shù)腗aranon盆地和哥倫比亞的Putumayo盆地內(nèi),大多數(shù)油田都產(chǎn)出大量的水。在多數(shù)情況下,隨著含水上升,產(chǎn)油量受到限制,從而導(dǎo)致一系列生產(chǎn)問(wèn)題,如結(jié)垢、腐蝕和出砂。地層水綜合管理方法是建立在對(duì)油藏中水流動(dòng)機(jī)理的理解和采出井見(jiàn)水機(jī)理的識(shí)別基礎(chǔ)上,對(duì)井筒和地面設(shè)備的生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè),最后對(duì)污水處理或回注情況進(jìn)行分析。

水平井 水系統(tǒng) 水問(wèn)題類(lèi)型地層水綜合管理 堵水技術(shù)

1 引言

Villano是位于厄瓜多爾Oriente盆地 Pastaza省熱帶雨林地區(qū)的一個(gè)重油油田,發(fā)現(xiàn)于1950年,從1999年開(kāi)始生產(chǎn)。出于對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)群落的考慮,油田采用海上模式進(jìn)行開(kāi)發(fā),油田內(nèi)不通公路,所有運(yùn)輸都通過(guò)直升機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉆井和生產(chǎn)設(shè)備僅限存放于V-A和V-B兩個(gè)平臺(tái),面積分別約為4 ha(1 ha=104m2)和2 ha。V-A平臺(tái)存放了1部鉆機(jī)、1部修井機(jī),還有鉆井設(shè)備庫(kù)、直升機(jī)起落場(chǎng)地、生活區(qū)、原油脫水設(shè)備,以及通過(guò)直徑12 in(1 in=25.4 mm)長(zhǎng)44 km管道將原油輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備 (CPF)的幾臺(tái)輸油泵。地層水在V-A平臺(tái)上處理后注入到2口回注井(WDW)中。V-B平臺(tái)為一個(gè)遠(yuǎn)程井場(chǎng),只有數(shù)量有限的幾臺(tái)設(shè)備。

Villano油田主要采用水平井進(jìn)行開(kāi)發(fā),已完鉆16口井,包括13口生產(chǎn)井 (電潛泵井)、2口回注井和1口目前已廢棄的發(fā)現(xiàn)井 (V-1)。在中央處理設(shè)備區(qū)額外有2口回注井。開(kāi)采層位和注入層位均為白堊紀(jì)的Hollin組油層。

2007年7月,11口井平均產(chǎn)水107 300 bbl/d (1 bbl/d=0.159 m3/d),當(dāng)時(shí)回注井V-9作業(yè)修井,使得1口高含水生產(chǎn)井V-11臨時(shí)關(guān)井。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)產(chǎn)水量將增加3倍。

Villano油田Hollin組油層巖石和流體性質(zhì):

◇孔隙度:17.0%

◇滲透率:600～800 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)

◇原始含水飽和度:15.0%

◇原始地層壓力:5 070 psi(1 psi=6.895 kPa)

◇目前地層壓力:4 950 psi

Villano油田過(guò)量產(chǎn)水的問(wèn)題已經(jīng)十分嚴(yán)峻,因?yàn)槠涞孛嬖O(shè)備已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。盡管從中央處理設(shè)備到V-A平臺(tái)的發(fā)電和輸電能力可以滿(mǎn)足目前的需要,但未來(lái)隨著產(chǎn)液量不斷增加,需要安裝功率更大的電潛泵,將無(wú)法滿(mǎn)足這部分新增的電力需求。

2 水管理

圖1所示為對(duì)整個(gè)水系統(tǒng)進(jìn)行地層水管理的綜合工程方法,圖2所示為相應(yīng)的水管理過(guò)程。目的是了解油藏中水流動(dòng)機(jī)理,識(shí)別采出井見(jiàn)水機(jī)理和產(chǎn)量約束,檢測(cè)地面設(shè)備的生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)行水處理或回注分析。然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合約束分析以確定出總體經(jīng)濟(jì)補(bǔ)救措施。在上述提議的方法中,通過(guò)評(píng)價(jià)整個(gè)水系統(tǒng)、判別問(wèn)題類(lèi)型和薄弱環(huán)節(jié),選擇有效的水系統(tǒng)管理解決方案。

圖1 水系統(tǒng)的組成:油藏、采出井、設(shè)備和注入井

2.1 油藏

具有活躍含水層或底水驅(qū)的油田,水能夠幫助向采出井方向驅(qū)替原油或抑制烴類(lèi)產(chǎn)量。為此引入“好水”和“壞水”的概念是很有益處的?！昂盟笔侵改軌驇椭沙鲎銐虻挠蛠?lái)支付水處理費(fèi)用的任何水,而減少利潤(rùn)的采出水被認(rèn)為是“壞水”。

圖2 水管理過(guò)程

2.2 采出井

綜合水管理研究中采出井模塊用于對(duì)造成采出井地層見(jiàn)水機(jī)理進(jìn)行調(diào)查。當(dāng)正確診斷出問(wèn)題所在并確定出“壞水”,就可以采取堵水措施。正確的診斷才能使控水措施有效。膚淺的診斷或者根本不進(jìn)行診斷會(huì)導(dǎo)致措施效果差或者負(fù)面效果。

本文提出了水問(wèn)題類(lèi)型 (PT)的劃分方式(圖3),按照解決問(wèn)題從易到難的順序進(jìn)行排列。該分類(lèi)主要適用于直井油井,但近似的分類(lèi)法可以用于水平井、產(chǎn)水氣井或產(chǎn)氣油井。

圖3 采出井中具有代表性的10類(lèi)主要水問(wèn)題

水問(wèn)題類(lèi)型是根據(jù)水流通道來(lái)確定的,可以分為三大類(lèi):敞噴流道 (第1、2、5和6類(lèi)問(wèn)題)、邊水驅(qū)或天然含水層 (第4、8、9和10類(lèi)問(wèn)題)、底水驅(qū) (第3和7類(lèi)問(wèn)題)。每種類(lèi)別都有其典型的產(chǎn)水史,有助于進(jìn)行分析診斷。這里沒(méi)有包括其他復(fù)雜類(lèi)型的問(wèn)題,并且在1口井內(nèi)可能存在不只一個(gè)問(wèn)題。但這種分類(lèi)為工程師對(duì)這些復(fù)雜類(lèi)型的問(wèn)題進(jìn)行分析診斷和尋求解決方案提供了有益的框架性指導(dǎo)。

2.2.1 第1類(lèi)問(wèn)題:油管/套管/封隔器漏失

該類(lèi)問(wèn)題如圖3a所示。典型的解決方案包括擠入堵水劑或采用機(jī)械堵水。第1類(lèi)問(wèn)題的首選是堵水措施。

2.2.2 第2類(lèi)問(wèn)題:套管外流動(dòng)

圖3b所示情況形成的主要原因是固井質(zhì)量不合格造成水流入套管外環(huán)空,次要原因是在套外形成一個(gè)“洞”。第2類(lèi)問(wèn)題的首選是堵水措施。

2.2.3 第3類(lèi)問(wèn)題:油水界面 (OWC)上升

圖3c代表的為油水界面均勻上升的情況,特點(diǎn)是流動(dòng)區(qū)域大、流速低、垂向滲透率低 (一般小于1 mD)。在垂直井中,該類(lèi)問(wèn)題可以通過(guò)采用機(jī)械方式對(duì)油井底部進(jìn)行報(bào)廢來(lái)解決,如進(jìn)行橋堵或打水泥塞。在水平井中,該問(wèn)題沒(méi)有近井筒解決方案,一旦水油比過(guò)高,則必須考慮側(cè)鉆。

2.2.4 第4類(lèi)問(wèn)題:無(wú)竄流的高滲層

圖3d所示為上下有頁(yè)巖 (或其他巖性)連續(xù)隔層的高滲層的情況。在這種情況下,水可能來(lái)自活躍的含水層或注入水。由于沒(méi)有油藏竄流,該類(lèi)問(wèn)題可以通過(guò)在注入井或生產(chǎn)井上采用堵水劑或機(jī)械堵水來(lái)解決。高滲透率可能是由層內(nèi)所包含的微裂縫形成的。第4類(lèi)問(wèn)題的首選是堵水措施。

2.2.5 第5類(lèi)問(wèn)題:注入井和采出井之間的裂縫

存在天然裂縫或斷層的水驅(qū)油層中,如出現(xiàn)圖3e所示情況,則表明采出井很快就要見(jiàn)水。在注入井中注入可動(dòng)凝膠是一種很有效且又不會(huì)對(duì)裂縫造成不利影響的堵水方法,這些裂縫有助于增加油井產(chǎn)量。第5類(lèi)問(wèn)題的首選是堵水措施。

2.2.6 第6類(lèi)問(wèn)題:水層存在裂隙/裂縫

圖3f所示為底水區(qū)域內(nèi)通過(guò)天然裂縫或連通斷層產(chǎn)出水的情況。如果人工裂縫向下 (或向上)穿透水層,則出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。對(duì)于人工裂縫這類(lèi)問(wèn)題很容易判別,并且比較容易解決。應(yīng)用可動(dòng)凝膠的方法十分有效,但設(shè)計(jì)工程師將面臨三個(gè)難題:①由于裂縫體積未知,很難確定封堵體積;②措施也可能封堵產(chǎn)油裂縫,因此必須采取選擇性注入或注入后置液,以維持近井筒區(qū)域的產(chǎn)能;③如果采用可動(dòng)凝膠,那么必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)配置以阻止措施后返排。

2.2.7 第7類(lèi)問(wèn)題:錐進(jìn)和指進(jìn)

圖3g所示為垂直井的錐進(jìn)問(wèn)題。在水平井中,這種情況被稱(chēng)作指進(jìn)。解決方案之一就是注入一層凝膠。為了收到較好的效果,所需注入半徑至少為50 ft(1 ft=30.48 cm)。即便如此,也只是減少了產(chǎn)水量而不是完全封堵,很難經(jīng)濟(jì)有效地確定注入凝膠的量。注入流體的一個(gè)替代方案是在油層頂部附近鉆1口多分支井,以增加油水界面和回落水位之間的距離。兩種方法都可以降低錐進(jìn)影響。

2.2.8 第8類(lèi)問(wèn)題:橫向波及程度差

來(lái)自含水層或注入水的邊水流過(guò)波及程度差層的情況如圖3h所示。這種情況可能是由橫向滲透率非均質(zhì)性或各向異性或者是由不利的流度比造成的,在流道砂體中該類(lèi)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。需將注入水改道,使其遠(yuǎn)離波及過(guò)的孔隙體積。需要大量或連續(xù)注入黏性流體,除了在原油價(jià)格很高的情況下,這兩種做法通常都不具有經(jīng)濟(jì)適用性。在該種情況下,鉆加密井能夠提高采收率。利用鉆多分支井獲得未波及區(qū)域內(nèi)的原油比從地面鉆加密井更為經(jīng)濟(jì)有效。流線(xiàn)模擬有助于通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)存井的產(chǎn)量來(lái)擴(kuò)大波及面積。

2.2.9 第9類(lèi)問(wèn)題:重力分離層

圖3i所示為一垂向滲透性好的厚層。來(lái)自含水層的水或注入水由于重力分離作用只驅(qū)掃油層的底部。在重力分離作用起主導(dǎo)作用之前,在注入井采取的任何封堵底部射孔孔眼的措施對(duì)于驅(qū)替更多原油起的作用都十分有限。與上述錐進(jìn)的情況一樣,采出井有局部錐進(jìn)的情況,凝膠處理不可能收到持續(xù)效果。鉆多分支井對(duì)于獲得未波及區(qū)域內(nèi)的原油很有效。泡沫狀黏性流體也可以提高垂向波及效率,應(yīng)該考慮水氣交替工藝。

2.2.10 第10類(lèi)問(wèn)題:有竄流的高滲透層

除了沒(méi)有隔層以外,圖3j所示高滲透率層的情況與圖3d類(lèi)似。在這種情況下,由于受到遠(yuǎn)離井筒的竄流的影響,在井筒附近采取任何改變產(chǎn)液剖面或注入剖面的嘗試,其效果都是暫時(shí)的。如果高滲透層的厚度比油層的厚度小很多,而且高滲透層的滲透率比油層的滲透率高很多,在高滲透層注入深穿透凝膠可能比較經(jīng)濟(jì)。即使在這樣的條件下,在采取任何措施之前也都需要仔細(xì)篩選工藝。可能需要采取的措施有密井距或鉆分支井。

2.3 設(shè)備

綜合地層水管理中的設(shè)備部分用來(lái)識(shí)別流體處理裝置的薄弱環(huán)節(jié),通常集中于水處理容器、泵及其他設(shè)備。當(dāng)時(shí)為了獲得預(yù)期的產(chǎn)液剖面,Villano油田曾在2003年進(jìn)行過(guò)一次重大的設(shè)備升級(jí)。為了滿(mǎn)足未來(lái)生產(chǎn)的需要,還將需要進(jìn)行一次處理設(shè)備升級(jí)。根據(jù)既定的產(chǎn)量目標(biāo),制定了中短期和長(zhǎng)期兩個(gè)系統(tǒng)性解決方案,設(shè)計(jì)時(shí)考慮的所有設(shè)備升級(jí)不僅適用于中短期方案,而且也是長(zhǎng)期方案中的一部分。

2.3.1 注水

注入井和油藏之間的關(guān)系可以按照與采出井中出現(xiàn)的10類(lèi)問(wèn)題相類(lèi)似的方法進(jìn)行劃分。但在注水井中沒(méi)有與第3類(lèi)問(wèn)題 (油水界面上升)和第7類(lèi)問(wèn)題 (錐進(jìn))對(duì)應(yīng)的情況。注入井還存在其他幾方面問(wèn)題。

2.3.2 注入能力下降

注入井中的污染憋壓通常比采出井更為嚴(yán)重,這取決于注入水的水質(zhì)。水中可能包括堵塞物,如油、固體和/或細(xì)菌,水也可能與地層不配伍造成黏土膨脹或黏土運(yùn)移,或者與地層水的組分不配伍導(dǎo)致結(jié)垢。注入能力下降有以下三種解決方案:

◇在地面進(jìn)行水處理使污染最小化;

◇已經(jīng)存在污染情況下,定期采取注入井增注或補(bǔ)孔措施;

◇超破裂壓力注水。

2.3.3 地層酸化

注入水帶入地層中的硫酸鹽還原菌會(huì)產(chǎn)生H2S,間歇向地層中注入殺菌劑可以避免這種情況。

2.3.4 超破裂壓力注入

超破裂壓力注入的情況時(shí)有發(fā)生。即使不是這種情況,因?yàn)槠屏褖毫Φ陀陬A(yù)期值、缺乏注入壓力控制 (尤其是由于污染造成憋壓)、地面冷水注入使得油層溫度降低進(jìn)而造成破裂壓力降低等原因,也經(jīng)常造成注入井超破裂壓力注入。

Villano油田回注井主要采用兩種注入方式,這兩種方式注入能力差別顯著:基質(zhì)流動(dòng)注入和敞開(kāi)裂縫注入。注入井可以在兩種模式之間進(jìn)行切換。然而,兩種模式之間切換是一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象。因?yàn)榧词乖诤芨叩淖⑷胨俣认?在達(dá)到很高的極限速度之前,在敞開(kāi)裂縫模式下生產(chǎn)的注入井也很容易堵塞。在油田中已經(jīng)觀(guān)測(cè)到這種現(xiàn)象。

在Villano油田,通過(guò)確保注入井在敞開(kāi)裂縫模式下注入,能夠獲得最大注入能力。這種模式可能偶爾需要高速/高壓注入,尤其在關(guān)井或低速注入之后。敞開(kāi)裂縫注入通常能夠在注水泵的正常壓力范圍內(nèi)啟動(dòng)。如果必要的話(huà),這種模式可以通過(guò)臨時(shí)采用與井口相連的橇裝注水泵在較高注入壓力下實(shí)現(xiàn)。一種很好的做法是向現(xiàn)場(chǎng)人員提供井的性能曲線(xiàn),要求他們定期將井的動(dòng)態(tài)與曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。任何正在生產(chǎn)的井如果處在曲線(xiàn)的基線(xiàn)以上,則應(yīng)該考慮采取措施,例如進(jìn)行短期的高速/高壓注水。

2.4 Villano油田系統(tǒng)評(píng)價(jià)

對(duì)Villano油田的油藏、生產(chǎn)井、地面設(shè)備、注入井的評(píng)價(jià)表明,油田生產(chǎn)主要受當(dāng)前地面處理能力和污水回注能力的限制。然而,降低采出井含水也是可能的。

資料來(lái)源于美國(guó)《J PT》2009年3月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.016

2009-05-07)