老油田綠色低成本開發(fā)探索與實踐

李 陽，楊 勇

（1.中國石油化工股份有限公司，北京100728；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015）

2017年中國石油產(chǎn)量為1.92×108t，消費量卻達6.1×108t，對外依存度達64.7%，油氣供給安全形勢嚴峻，保持油氣產(chǎn)量穩(wěn)定成為保障中國能源安全的重要基石。同時，油氣行業(yè)既是能源的生產(chǎn)者，也是能源消耗與溫室氣體排放大戶。在能源革命及低油價的背景下，油氣行業(yè)既要面對新能源擠壓和節(jié)能減排的要求，又面臨著必須降低成本以實現(xiàn)效益開發(fā)的問題。

保持老油田原油產(chǎn)量穩(wěn)定面臨綜合含水率高、可采儲量采出程度高、剩余可采儲量采油速度高及儲采平衡率低等困難，油田可持續(xù)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)，高能耗、高成本、低效率的矛盾十分突出。統(tǒng)計表明，截至2017年底，中國東部老油田綜合含水率為92.0%，可采儲量采出程度為85.8%，可采儲量采油速度為1.5%，生產(chǎn)水油比急劇上升，開發(fā)成本快速增加，高耗低效矛盾不斷凸顯，影響油田的穩(wěn)產(chǎn)［1-3］。

如何保持老油田產(chǎn)量穩(wěn)定，減少油氣開發(fā)中的能量消耗、降低開發(fā)成本，實現(xiàn)能源循環(huán)利用，建設(shè)綠色油田是實現(xiàn)油氣行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是當前油氣行業(yè)亟需解決的一個重大問題。為尋求中國油氣行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新路徑，勝利油田進行了綠色低成本開發(fā)理論探索和技術(shù)實踐，在理論認識、方法、技術(shù)等方面取得了新的進展。

1 老油田綠色低成本開發(fā)的內(nèi)涵

老油田開發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其生產(chǎn)流程包含注入系統(tǒng)、油藏系統(tǒng)、產(chǎn)出系統(tǒng)（包括采油、集輸）等多個模塊，各模塊之間存在能量、物質(zhì)、成本的轉(zhuǎn)換和傳遞，各模塊內(nèi)又包含著層次分明的多元結(jié)構(gòu)（圖1），既有地下的、地面的因素，又有技術(shù)的、經(jīng)濟的和社會的因素，模塊之間、模塊內(nèi)不同因素之間相互影響、相互制約，單一模塊內(nèi)的最優(yōu)不能保證整個開發(fā)系統(tǒng)的最優(yōu)。在推動生態(tài)文明建設(shè)的今天，綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展成為老油田開發(fā)的必然趨勢，基于綠色低成本的開發(fā)決策模式，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化，對經(jīng)濟、環(huán)境、社會發(fā)展具有重大意義。

綠色低成本開發(fā)就是要改變傳統(tǒng)模塊化的生產(chǎn)-決策模式，構(gòu)建注入（I）、油藏（R）和采出（P）全流程（IRP）的產(chǎn)量、能耗、成本、環(huán)境四位一體的優(yōu)化決策模式，建設(shè)多元、協(xié)調(diào)、開放的綠色油田，保障油氣生產(chǎn)，降低能耗，增加產(chǎn)量，保護環(huán)境，支撐企業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國家油氣供給安全穩(wěn)定。

綠色低成本開發(fā)就是以原油生產(chǎn)過程中降低能耗為核心，在保持一定油氣產(chǎn)量規(guī)模的條件下，通過各子系統(tǒng)多因素協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)單位油氣產(chǎn)量的能耗及成本最低，既可以保障一定的產(chǎn)量規(guī)模，滿足國家能源安全和企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展的需要，又能降低能耗，提高油氣開發(fā)系統(tǒng)綜合效率，滿足綠色、高效、低成本的需求。系統(tǒng)最優(yōu)化的關(guān)鍵是實現(xiàn)系統(tǒng)各要素的多元協(xié)同。建立油田注入、油藏、采出、集輸?shù)饶K與產(chǎn)量、能量、成本的關(guān)系模型，外界產(chǎn)生的能量（電能、熱能等）通過注入系統(tǒng)將驅(qū)替介質(zhì)（水、氣等）注入到油藏系統(tǒng)中，使地下的油、氣運移，通過采出系統(tǒng)的舉升、處理、外輸?shù)拳h(huán)節(jié)，將油氣開采到地面形成產(chǎn)量。注入、采出系統(tǒng)的能耗及油藏系統(tǒng)的開發(fā)，均伴隨著成本的投入。

綠色低成本開發(fā)又是一個開放的系統(tǒng)，新材料、新工藝的進步和新業(yè)態(tài)、新技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展可以改變現(xiàn)有油氣開發(fā)方式，同時，成本、能耗和環(huán)境的發(fā)展要求企業(yè)技術(shù)革新，提高油氣生產(chǎn)全流程中的能效，降低單位油氣能耗及成本，實現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境保護雙重目標。

圖1 油田開發(fā)生產(chǎn)流程及各子系統(tǒng)的多元構(gòu)成Fig.1 Oilfield development and production process and the multiple composition of each subsystem

2 綠色低成本開發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化模型

從物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系入手，建立能量和產(chǎn)量的耦合模型、成本管理模型和系統(tǒng)最優(yōu)控制模型，構(gòu)建環(huán)境友好的生產(chǎn)決策模式，實現(xiàn)產(chǎn)量、能耗、成本、環(huán)境四位一體的最佳協(xié)同與匹配［4-7］。

2.1 能量和產(chǎn)量的耦合模型

油氣開采過程是能量的傳遞、能量-產(chǎn)量的轉(zhuǎn)換過程，主要包括注入系統(tǒng)的能量制取、傳輸與注入，油藏系統(tǒng)的能量到產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化，采出系統(tǒng)的采油和集輸耗能，能量綜合利用系統(tǒng)的能量梯級利用4個環(huán)節(jié)。

油氣開采過程中的系統(tǒng)總能耗為注入系統(tǒng)和采出系統(tǒng)的能耗：

在油藏系統(tǒng)中，能量經(jīng)注入系統(tǒng)傳入油藏轉(zhuǎn)化為油氣產(chǎn)量，其關(guān)系可表示為：

在采出系統(tǒng)中，能量消耗包括將油氣舉升至地面的舉升能耗、采出液體處理能耗、油氣外輸能耗、分離液體回注能耗等，其表達式為：

其中生產(chǎn)耗能的各個環(huán)節(jié)，也存在能量利用效率，如舉升系統(tǒng)的舉升效率和外輸系統(tǒng)的輸送效率等。

對于從油藏系統(tǒng)中輸出的余能，如果能夠循環(huán)利用，則（1）式變?yōu)椋?/p>

對于不同的油藏類型，注入的介質(zhì)不同，在油田開發(fā)循環(huán)中的能量產(chǎn)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的具體形式不同。以水驅(qū)開發(fā)和稠油熱采開發(fā)為例。

水驅(qū)開發(fā)過程主要是消耗電能將水注入到油藏中，實現(xiàn)能量到產(chǎn)量的轉(zhuǎn)換。其中，能量的變化過程及其與產(chǎn)量的關(guān)系為：

T與壓力場和飽和度場有關(guān)，可用黑油模型來描述［8］。

稠油熱采開發(fā)過程主要是通過燃燒天然氣將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，通過管線、井筒將高溫蒸汽注入到油藏中，在油藏中通過蒸汽與地下流體的相互作用，實現(xiàn)由熱能到油氣產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化。能量的變化過程及其與產(chǎn)量的關(guān)系為：

描述T的主要方程為熱采模型［9］，與常規(guī)黑油模型相比，除考慮壓力場、飽和度場之外，還需考慮熱焓場。

2.2 成本管理模型

根據(jù)成本管理的思想，將成本與產(chǎn)量、能量建立相互關(guān)系，即在油氣開發(fā)的各個系統(tǒng)、環(huán)節(jié)，伴隨著能量的傳遞、轉(zhuǎn)化和產(chǎn)量的產(chǎn)生，均存在著成本的消耗。全流程成本表達式為：

對于注水開發(fā)油藏：

對于注蒸汽開發(fā)油藏，區(qū)別體現(xiàn)在C1和C2這2個成本的不同：

從能量、產(chǎn)量、成本的構(gòu)成及數(shù)學(xué)模型上看，三者在油氣開采流程中相互耦合，需要采用系統(tǒng)化的思維進行優(yōu)化［5］，才能實現(xiàn)綠色發(fā)展的目標。

2.3 系統(tǒng)最優(yōu)控制模型

水驅(qū)油藏油氣產(chǎn)量目標的對象可表示為：

從（15）式可以看出，若要得到模型的最優(yōu)解，需要提高各個環(huán)節(jié)系統(tǒng)效率、增大能量-產(chǎn)量轉(zhuǎn)換系數(shù)、降低全流程成本，因此，解決老油田的綠色發(fā)展問題，需要做好油藏管理、能量管理、成本管理3方面的工作。在油藏管理方面，在深化對油藏靜態(tài)與動態(tài)非均質(zhì)性、油水滲流規(guī)律的認識以及開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，提升油藏管理水平，提高能量轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)油田最大化產(chǎn)出；在能量管理方面，通過注入、采出與集輸處理系統(tǒng)一體化管理，提高能量的制取、注入、舉升、輸送效率，實現(xiàn)能量的高效、循環(huán)綜合利用；在成本管理方面，由節(jié)點管理向全流程系統(tǒng)化管理轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)整體的成本最優(yōu)。

3 老油田綠色低成本開發(fā)實踐

以上研究成果已在勝利油田進行了應(yīng)用和實踐。勝利油田經(jīng)過50多年的開發(fā)，整體進入特高含水期，水油比急劇上升，噸油綜合能耗逐漸增加，成本不斷上漲。據(jù)測算，油田綜合含水率從90%上升到98%，噸油標準煤消耗量提高了近3倍，噸油完全成本上升2倍以上，成本、能耗、產(chǎn)量、環(huán)境之間的矛盾越加突出。如何破解老油田高耗低效難題，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展是油田當前面臨的重大課題。近年來，基于老油田綠色開發(fā)思想，結(jié)合不同類型油藏開發(fā)規(guī)律和矛盾，探索低油價條件下油田效益開發(fā)新模式，實現(xiàn)老油田綠色低成本可持續(xù)發(fā)展。

圖2 傳統(tǒng)開發(fā)模式與綠色低成本開發(fā)模式對比Fig.2 Comparison of traditional production mode and green low-cost production mode

3.1 綠色低成本開發(fā)模式

油藏產(chǎn)出和注入的油、水、熱、氣、劑是開發(fā)成本構(gòu)成的主體。不同油藏類型，開發(fā)階段不同、開發(fā)方式不同、驅(qū)替介質(zhì)不同，油氣產(chǎn)量、單位油氣產(chǎn)量的能耗和成本存在較大差異，且互為影響，相互制約。圍繞如何最大程度采出原油，降低“水、熱、氣、汽、劑”等消耗量，提高綜合利用效能，綜合考慮油藏、能量、成本、環(huán)境等因素，建立了不同油藏類型、不同驅(qū)替介質(zhì)、不同開發(fā)方式、不同開發(fā)階段油藏綠色低成本開發(fā)模式［10-17］。

與傳統(tǒng)開發(fā)模式（圖2a）不同，綠色低成本開發(fā)模式（圖2b）是以注入介質(zhì)（水、汽、劑、氣等）和采出流體（油、氣、水等）為基本輸入?yún)?shù)，考慮不同開發(fā)方式和開發(fā)階段的產(chǎn)量、能耗和成本的變化規(guī)律，明確注入系統(tǒng)、油藏系統(tǒng)、采出系統(tǒng)和能量綜合利用系統(tǒng)的提高能量利用率、降低能耗和成本的技術(shù)對策，以環(huán)境友好和新技術(shù)、新材料等應(yīng)用為約束，利用綠色開發(fā)系統(tǒng)最優(yōu)控制模型，提出基于注入系統(tǒng)、油藏系統(tǒng)、采出系統(tǒng)和能量綜合利用系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的全流程協(xié)同優(yōu)化解決方案，建立不同開發(fā)階段產(chǎn)量、能耗、成本最優(yōu)化匹配關(guān)系，實現(xiàn)全過程水、熱、氣、汽、劑等的管理，以提高原油產(chǎn)量和能量利用率，降低單位油氣產(chǎn)量的能耗與成本，實現(xiàn)環(huán)境污染物零排放，實現(xiàn)老油田綠色、低碳、低成本持續(xù)高效開發(fā)。

不同油藏類型驅(qū)油介質(zhì)不同，在油田開發(fā)循環(huán)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化及利用路徑不同（圖3），在進行系統(tǒng)優(yōu)化過程中，要把握全流程介質(zhì)狀態(tài)及能量變化規(guī)律，進行針對性的目標優(yōu)化。對于注蒸汽開發(fā)，實施全過程熱管理，通過提高制熱系統(tǒng)效率、輸熱系統(tǒng)效率、油藏系統(tǒng)的熱能利用率和處理系統(tǒng)的余熱高效利用，提高稠油油藏經(jīng)濟油汽比。對于注水開發(fā)，實施一體化水管理，通過提高注-采-輸水循環(huán)系統(tǒng)效率，油藏系統(tǒng)注水利用率和處理系統(tǒng)污水資源化利用，延長特高含水油藏經(jīng)濟開采生命期。

圖3 注蒸汽、注水開發(fā)能量轉(zhuǎn)化及利用路徑示意Fig.3 Schematic of energy transformation and utilization path of steamand water flooding

3.2 綠色低成本開發(fā)實例

3.2.1 稠油熱采油藏

勝利油田草20塊為稠油油藏，1990年蒸汽吞吐開發(fā)。截至2015年底，平均單井吞吐周期為10.1次，原油采出程度為21.7%，綜合含水率為97.6%。從2010年到2015年底，單井產(chǎn)油量由5.6 t/d下降到1.8 t/d（降幅為68%），成本由1 756元/t上升到2 896元/t（增幅為65%），單位能耗由792 kW·h/t上升到1 185 kW·h/t（增幅為50%），產(chǎn)量、成本、能耗矛盾突出。

針對以上問題，利用綠色低成本開發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化模型，明確了導(dǎo)致開發(fā)效果逐漸變差的主要原因是開發(fā)技術(shù)不適應(yīng)，井間汽竄、層間差異不均衡；蒸汽干度較低，蒸汽腔難以進一步擴大、蒸汽補充能量較弱。優(yōu)化確定了“變單井吞吐為組合吞吐，實施全過程保持蒸汽干度提高系統(tǒng)效率”［18］的綜合解決方案。方案實施后，沿程熱損失降低15%，輸汽熱效率提高3.5%，油汽比從0.44 t/t上升到0.69 t/t，操作成本下降280元/t，單位能耗下降173 kW·h/t。

該技術(shù)在勝利油田307個井組實施，平均制熱效率提高了1.1%，平均輸熱效率提高了1.4%，平均井筒熱損失降低了8.0%，稠油油汽比已連續(xù)6年穩(wěn)定在0.53 t/t左右，實現(xiàn)了產(chǎn)量的穩(wěn)定和采收率的不斷提升，單位成本和能耗上升態(tài)勢得到有效遏制，老油田綠色低成本開發(fā)的經(jīng)濟與社會效益不斷顯現(xiàn)。

3.2.2 水驅(qū)開發(fā)油藏

勝利油田東辛油田辛1斷塊為屋脊斷塊油藏，1975年投入開發(fā)。截至2010年底，僅有1口井生產(chǎn)，日產(chǎn)油量僅為0.4 t/d，含水率高達97.7%，操作成本為1 485元/t，處在近廢棄狀態(tài)。

研究表明，若維持現(xiàn)狀繼續(xù)生產(chǎn)，含水率將緩慢升高，單位成本持續(xù)增加，單位能耗近似線性增長。應(yīng)用綠色低成本開發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化模型，確定了綜合解決方案：一是創(chuàng)新人工仿強邊水開發(fā)技術(shù)［19］，充分利用老井，降低油藏綜合含水率和成本；二是提升油藏壓力，提高注采系統(tǒng)效率；三是通過污水回注，提高水資源循環(huán)利用率。

方案實施后，單井日產(chǎn)油量由0.4 t/d上升到10.5 t/d（圖4），區(qū)塊日產(chǎn)油量由0.4 t/d上升到54.6 t/d，提高采收率7.5個百分點，達到47.5%，單位完全成本為32美元/bbl，實現(xiàn)了近廢棄油藏的二次開發(fā)。同時，實現(xiàn)了污水零排放，保護了黃河口濕地環(huán)境，生態(tài)效益顯著。

圖4 辛1斷塊人工仿強邊水驅(qū)單井生產(chǎn)動態(tài)曲線Fig.4 Single well production curve of artificial strong edge water flooding in Xin1 fault block

勝利油田水驅(qū)油藏綠色開發(fā)模式得到規(guī)?；瘧?yīng)用，有效減緩了產(chǎn)量遞減，年均減緩遞減1.93個百分點，控制含水率每年上升減緩0.31個百分點，老區(qū)可采儲量增加了4 819×104t，實現(xiàn)了儲采平衡，為勝利油田效益可持續(xù)開發(fā)提供重要支撐。

4 認識與思考

通過老油田綠色低成本開發(fā)的理論研究與開發(fā)實踐，取得以下幾點認識：①綠色發(fā)展是石油行業(yè)未來生存發(fā)展的基礎(chǔ)，建立油田開發(fā)全流程、全生命周期的理論體系、評價方法，探索綠色、低碳、循環(huán)綜合解決方案，是促進石油行業(yè)綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。②建立了基于全流程的產(chǎn)量、能耗、成本、環(huán)境四位一體優(yōu)化模型，通過模型驅(qū)動科學(xué)決策，指導(dǎo)了礦場綠色開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新與實踐。③勝利油田結(jié)合低油價油田效益開發(fā)需求，進行了綠色低成本開發(fā)理論探索和技術(shù)實踐，在理論認識、方法、技術(shù)等方面取得了進展，初步建立了不同類型油藏效益開發(fā)新模式，實現(xiàn)了老油田綠色低成本開發(fā)。④綠色低成本開發(fā)內(nèi)涵豐富，影響因素復(fù)雜，涉及參數(shù)眾多，目前尚處在理論研究和方法探索階段，下一步應(yīng)充分借助大數(shù)據(jù)信息平臺和智能化優(yōu)化算法等，持續(xù)深化研究，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

符號解釋：

E——油氣開采過程中的系統(tǒng)總能耗，J；E入——注入系統(tǒng)產(chǎn)生的總能耗，J；E產(chǎn)——采出系統(tǒng)的能耗，J；E轉(zhuǎn)——從注入系統(tǒng)傳遞到油藏系統(tǒng)，用于轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量的能量，即油藏系統(tǒng)的入口能量，J；η入——注入系統(tǒng)效率，包含多個環(huán)節(jié)，如能量制取效率、管線傳輸效率、井筒注入效率等；Q——油氣產(chǎn)量，t；T——油藏系統(tǒng)的入口能量到油氣產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，受地質(zhì)條件、油藏流體性質(zhì)、開發(fā)技術(shù)、開發(fā)方式等影響，t/J；E舉——油氣舉升至地面的舉升能耗，J；E處理——采出液體處理能耗，J；E外輸——油氣外輸能耗，J；E回注——分離液體回注能耗，J；E余——油藏系統(tǒng)中輸出的余能，J；η注水——注水效率，%；p——壓力，MPa；So——含油飽和度；η制——制熱效率，受鍋爐溫度、型號、排煙溫度等參數(shù)影響，%；η輸——輸熱效率，受管線材質(zhì)、輸送距離、保溫技術(shù)等參數(shù)影響，%；H——熱焓，J；C——流程成本，元；C1——輸送成本，元；C2——注入成本，元；C3——驅(qū)替成本，與油氣產(chǎn)量、能量轉(zhuǎn)化效率有關(guān)，元；C4——采出液處理、回注成本，與油氣產(chǎn)量、含水率有關(guān)，元；Cw1——注水開發(fā)輸送成本，與注水量、注水效率有關(guān)，元；Cw2——注水開發(fā)注入成本，與油井舉升能耗、舉升效率有關(guān)，元；η舉——舉升效率；Cw3——注水開發(fā)驅(qū)替成本，與油井采液總量、能量-產(chǎn)量轉(zhuǎn)化系數(shù)有關(guān)，元；Cw4——注水開發(fā)采出液處理、回注成本，與油氣產(chǎn)量、含水率有關(guān)，元；fw——綜合含水率，%；Ch1——注蒸汽開發(fā)輸送成本，與制熱總量、制熱效率有關(guān)，元；Ch2——注蒸汽開發(fā)注入成本，與輸熱總量、輸熱效率有關(guān)，元；Q注——注入量，m3；ηi——各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)效率；C0——目標成本，元。