地層水綜合管理方法的實現:從油藏管理到環境保護

編譯:劉健 (大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部)

審校:潘建軍 (大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部)

地層水綜合管理方法的實現:從油藏管理到環境保護

編譯:劉健 (大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部)

審校:潘建軍 (大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部)

厄瓜多爾的Oriente盆地、秘魯的Maranon盆地和哥倫比亞的Putumayo盆地內,大多數油田都產出大量的水。在多數情況下,隨著含水上升,產油量受到限制,從而導致一系列生產問題,如結垢、腐蝕和出砂。地層水綜合管理方法是建立在對油藏中水流動機理的理解和采出井見水機理的識別基礎上,對井筒和地面設備的生產薄弱環節進行檢測,最后對污水處理或回注情況進行分析。

水平井 水系統 水問題類型地層水綜合管理 堵水技術

1 引言

Villano是位于厄瓜多爾Oriente盆地 Pastaza省熱帶雨林地區的一個重油油田,發現于1950年,從1999年開始生產。出于對當地環境和生態群落的考慮,油田采用海上模式進行開發,油田內不通公路,所有運輸都通過直升機來實現。鉆井和生產設備僅限存放于V-A和V-B兩個平臺,面積分別約為4 ha(1 ha=104m2)和2 ha。V-A平臺存放了1部鉆機、1部修井機,還有鉆井設備庫、直升機起落場地、生活區、原油脫水設備,以及通過直徑12 in(1 in=25.4 mm)長44 km管道將原油輸到中央處理設備 (CPF)的幾臺輸油泵。地層水在V-A平臺上處理后注入到2口回注井(WDW)中。V-B平臺為一個遠程井場,只有數量有限的幾臺設備。

Villano油田主要采用水平井進行開發,已完鉆16口井,包括13口生產井 (電潛泵井)、2口回注井和1口目前已廢棄的發現井 (V-1)。在中央處理設備區額外有2口回注井。開采層位和注入層位均為白堊紀的Hollin組油層。

2007年7月,11口井平均產水107 300 bbl/d (1 bbl/d=0.159 m3/d),當時回注井V-9作業修井,使得1口高含水生產井V-11臨時關井。預計在未來10年內產水量將增加3倍。

Villano油田Hollin組油層巖石和流體性質:

◇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油田過量產水的問題已經十分嚴峻,因為其地面設備已經超過設計生產能力。盡管從中央處理設備到V-A平臺的發電和輸電能力可以滿足目前的需要,但未來隨著產液量不斷增加,需要安裝功率更大的電潛泵,將無法滿足這部分新增的電力需求。

2 水管理

圖1所示為對整個水系統進行地層水管理的綜合工程方法,圖2所示為相應的水管理過程。目的是了解油藏中水流動機理,識別采出井見水機理和產量約束,檢測地面設備的生產薄弱環節,進行水處理或回注分析。然后對整個系統進行綜合約束分析以確定出總體經濟補救措施。在上述提議的方法中,通過評價整個水系統、判別問題類型和薄弱環節,選擇有效的水系統管理解決方案。

圖1 水系統的組成:油藏、采出井、設備和注入井

2.1 油藏

具有活躍含水層或底水驅的油田,水能夠幫助向采出井方向驅替原油或抑制烴類產量。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沙鲎銐虻挠蛠碇Ц端幚碣M用的任何水,而減少利潤的采出水被認為是“壞水”。

圖2 水管理過程

2.2 采出井

綜合水管理研究中采出井模塊用于對造成采出井地層見水機理進行調查。當正確診斷出問題所在并確定出“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行診斷會導致措施效果差或者負面效果。

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

圖3 采出井中具有代表性的10類主要水問題

水問題類型是根據水流通道來確定的,可以分為三大類:敞噴流道 (第1、2、5和6類問題)、邊水驅或天然含水層 (第4、8、9和10類問題)、底水驅 (第3和7類問題)。每種類別都有其典型的產水史,有助于進行分析診斷。這里沒有包括其他復雜類型的問題,并且在1口井內可能存在不只一個問題。但這種分類為工程師對這些復雜類型的問題進行分析診斷和尋求解決方案提供了有益的框架性指導。

2.2.1 第1類問題:油管/套管/封隔器漏失

該類問題如圖3a所示。典型的解決方案包括擠入堵水劑或采用機械堵水。第1類問題的首選是堵水措施。

2.2.2 第2類問題:套管外流動

圖3b所示情況形成的主要原因是固井質量不合格造成水流入套管外環空,次要原因是在套外形成一個“洞”。第2類問題的首選是堵水措施。

2.2.3 第3類問題:油水界面 (OWC)上升

圖3c代表的為油水界面均勻上升的情況,特點是流動區域大、流速低、垂向滲透率低 (一般小于1 mD)。在垂直井中,該類問題可以通過采用機械方式對油井底部進行報廢來解決,如進行橋堵或打水泥塞。在水平井中,該問題沒有近井筒解決方案,一旦水油比過高,則必須考慮側鉆。

2.2.4 第4類問題:無竄流的高滲層

圖3d所示為上下有頁巖 (或其他巖性)連續隔層的高滲層的情況。在這種情況下,水可能來自活躍的含水層或注入水。由于沒有油藏竄流,該類問題可以通過在注入井或生產井上采用堵水劑或機械堵水來解決。高滲透率可能是由層內所包含的微裂縫形成的。第4類問題的首選是堵水措施。

2.2.5 第5類問題:注入井和采出井之間的裂縫

存在天然裂縫或斷層的水驅油層中,如出現圖3e所示情況,則表明采出井很快就要見水。在注入井中注入可動凝膠是一種很有效且又不會對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量。第5類問題的首選是堵水措施。

2.2.6 第6類問題:水層存在裂隙/裂縫

圖3f所示為底水區域內通過天然裂縫或連通斷層產出水的情況。如果人工裂縫向下 (或向上)穿透水層,則出現類似的問題。對于人工裂縫這類問題很容易判別,并且比較容易解決。應用可動凝膠的方法十分有效,但設計工程師將面臨三個難題: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,以維持近井筒區域的產能;③如果采用可動凝膠,那么必須經過仔細配置以阻止措施后返排。

2.2.7 第7類問題:錐進和指進

圖3g所示為垂直井的錐進問題。在水平井中,這種情況被稱作指進。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,也只是減少了產水量而不是完全封堵,很難經濟有效地確定注入凝膠的量。注入流體的一個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影響。

2.2.8 第8類問題:橫向波及程度差

來自含水層或注入水的邊水流過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,在流道砂體中該類問題尤為嚴重。需將注入水改道,使其遠離波及過的孔隙體積。需要大量或連續注入黏性流體,除了在原油價格很高的情況下,這兩種做法通常都不具有經濟適用性。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域內的原油比從地面鉆加密井更為經濟有效。流線模擬有助于通過優化現存井的產量來擴大波及面積。

2.2.9 第9類問題:重力分離層

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

2.2.10 第10類問題:有竄流的高滲透層

除了沒有隔層以外,圖3j所示高滲透率層的情況與圖3d類似。在這種情況下,由于受到遠離井筒的竄流的影響,在井筒附近采取任何改變產液剖面或注入剖面的嘗試,其效果都是暫時的。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濟。即使在這樣的條件下,在采取任何措施之前也都需要仔細篩選工藝?？赡苄枰扇〉拇胧┯忻芫嗷蜚@分支井。

2.3 設備

綜合地層水管理中的設備部分用來識別流體處理裝置的薄弱環節,通常集中于水處理容器、泵及其他設備。當時為了獲得預期的產液剖面,Villano油田曾在2003年進行過一次重大的設備升級。為了滿足未來生產的需要,還將需要進行一次處理設備升級。根據既定的產量目標,制定了中短期和長期兩個系統性解決方案,設計時考慮的所有設備升級不僅適用于中短期方案,而且也是長期方案中的一部分。

2.3.1 注水

注入井和油藏之間的關系可以按照與采出井中出現的10類問題相類似的方法進行劃分。但在注水井中沒有與第3類問題 (油水界面上升)和第7類問題 (錐進)對應的情況。注入井還存在其他幾方面問題。

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重,這取決于注入水的水質。水中可能包括堵塞物,如油、固體和/或細菌,水也可能與地層不配伍造成黏土膨脹或黏土運移,或者與地層水的組分不配伍導致結垢。注入能力下降有以下三種解決方案:

◇在地面進行水處理使污染最小化;

◇已經存在污染情況下,定期采取注入井增注或補孔措施;

◇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產生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有發生。即使不是這種情況,因為破裂壓力低于預期值、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而造成破裂壓力降低等原因,也經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:基質流動注入和敞開裂縫注入。注入井可以在兩種模式之間進行切換。然而,兩種模式之間切換是一個復雜現象。因為即使在很高的注入速度下,在達到很高的極限速度之前,在敞開裂縫模式下生產的注入井也很容易堵塞。在油田中已經觀測到這種現象。

在Villano油田,通過確保注入井在敞開裂縫模式下注入,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,尤其在關井或低速注入之后。敞開裂縫注入通常能夠在注水泵的正常壓力范圍內啟動。如果必要的話,這種模式可以通過臨時采用與井口相連的橇裝注水泵在較高注入壓力下實現。一種很好的做法是向現場人員提供井的性能曲線,要求他們定期將井的動態與曲線進行對比。任何正在生產的井如果處在曲線的基線以上,則應該考慮采取措施,例如進行短期的高速/高壓注水。

2.4 Villano油田系統評價

對Villano油田的油藏、生產井、地面設備、注入井的評價表明,油田生產主要受當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。

資料來源于美國《J PT》2009年3月

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

2009-05-07)