深層重油開采中將部分采出液作為射流泵動力液的循環使用

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實驗室·大慶石油學院)

審校:崔萍 (大慶石油學院)

深層重油開采中將部分采出液作為射流泵動力液的循環使用

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實驗室·大慶石油學院)

審校:崔萍 (大慶石油學院)

射流泵依靠輕油驅動抽油是深層重油儲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合,然后將采出液-輕油混合物作為動力液再注入井中。這種情況下,混合物的黏度持續增加并且逐漸達到其平衡值,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),以及地層流體與動力液的體積流量之比 (M比率)的函數。因此輕油在混合物中的最佳比例可以通過迭代算法測定出來。以上提出的所有參數可導致生產管柱中采出液-輕油混合物黏度和壓力降的變化,尤其是VLO和RLO。現場應用實例證明,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,有桿泵系統會承受抽油桿的伸長和斷裂,而潛水泵系統在高的排出壓力下會遭受高溫和推力軸承負荷,進而泵的效率在低產量下大幅度降低。這就需要足夠的氣體用于氣舉系統,但是將氣體壓縮到高壓是很昂貴的,并且達到低沉沒度很困難。因此,需要找到更加有效的方法從深層重油儲層中采油。

射流泵抽油系統是重油開采中有效的人工舉升技術,該技術通過與地面高壓流體混合,從而使儲層中低壓流體壓力升高和采出。此外,射流泵系統結構簡單,沒有運動部件,體積小巧,并且能夠抽取高黏度、強腐蝕性流體,顯示了其在深井產油中的優點。另外,由于生產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力液使用。壓力降的降低主要是由于在射流泵喉管中動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力泵。當輕油用作動力液時,在生產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,泵應該在較高的 R比率 (噴嘴截面積/喉管截面積)下運行。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、泵截面壓力和動力液壓力。低 M比率下能獲得較高效率,研究中這已經得到證實,適用范圍在0.3～1.2,地層深度4 500 m以上。上述情況下,當動力液 M=0.3～1.2時,輕油量應該是油井產液量的0.83～3.33倍。而當黏度減小時,輕油量應該是油井產液量的0.43倍左右。如果提供的輕油不足以滿足大量的需求,射流泵系統的應用將受到限制。為了降低輕油使用量,提出了一項新技術,即在適當的比率下一部分采出液與輕油混合,然后將采出液-輕油混合物作為動力液重新注入油井中。這項新技術的關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,然而要保證生產管柱中流體的低黏度性和合理的井口動力液壓頭,需要地面設施來提供。

2 新技術的可行性

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

當一個深層重油井使用依靠混合動力液驅動的射流泵系統采油時,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。為了在實踐中使用這項新技術,相對于輕油來說,混合動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律。

在不同RLO下的混合物黏度結果 (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,混合的動力液仍然具有良好的稀釋能力,并且能夠作為動力液采出重油,其中輕油的需求量明顯減少。

3 理論模型

3.1 混合動力液平衡黏度的測定

當一口油井一開始使用以輕油作為動力液的射流泵采油時,采出液的黏度通過下式計算:

當射流泵依靠輕油驅動時,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是油井產量與稀釋量之比。

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

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

混合第 n步的動力液的黏度能夠由下式推導出:

從式 (3)可以看出,隨著計算程序的繼續,采出液-輕油混合物的黏度呈現一個上升、收斂的序列。

定義

上升、收斂序列的lglgμpower(n)可以用下式計算:

將0

定義

(6)式能寫成如下形式:

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

圖2 不同 n值時的混合黏度

3.2 混合物中最佳輕油比的測定

當在射流泵采油中使用混合動力液時,輕油比將顯著影響生產管柱中流體的黏度和井眼的壓力降。RLO越低,生產管柱中的流體黏度越高,壓力降也一樣,這需要動力液有較高的井口壓力(WHP)。地面設施要有能力提供足夠高的壓力給動力液并且使輕油量最小,同時需要測定混合動力液中最佳輕油比。

為了測定最佳輕油比,研發了如下迭代計算模式:

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

(2)測定初始RLO值,確定計算步驟。

(3)按式 (8)計算混合動力液的平衡黏度(μe)。

(4)當射流泵依靠混合動力液驅動時,計算μe的黏度和WHP值。

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

上平面縱向聯結系均采用平行形式，與弦桿在節點處相連，以抵抗橫向風荷載、豎向荷載及弦桿變形等產生的內力，上撐桿均采用箱形截面，截面寬度300mm，高度均為300mm，板厚12mm。

4 實例研究

該實例的油井資料如表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。用計算機模擬來測定該井生產最有效的 R比率。

表1 油井的一般參數

根據每個地面設備的額定壓力,在恒定的WHP和時間下計算輕油的最佳比 (表2)。

表2 利用混合動力液驅動的射流泵結果

當油井生產使用的射流泵只以輕油作為動力液時,輕油的需求量是59.6 m3/d,地面壓力為8.23 MPa。如果地面設備的額定壓力為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,地面設備的額定壓力與輕油需求量的關系如圖3所示,達到穩定時間大概是3～6天。

VLO、RLO、M比、地層流體黏度和動力液的井口溫度都會影響生產管柱內流體的黏度、井眼的壓力降和 WHP。為了對壓力降影響參數和WHP有更好的理解,給出了各參數和WHP之間的關系曲線 (圖4～圖6)。所有的圖都采用表1中同一個油井的數據,圖中出現的黏度都是在50℃的常壓下測量的。

圖3 地面設備額定壓力和輕油量的關系

VLO和地層流體的黏度對WHP的影響見圖4,在該圖中輕油在混合動力液中的比率為50%。可以看出:①當VLO恒定時,WHP隨地層流體黏度的增加而增加,當地層流體黏度恒定時,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 WHP的影響是非常小的,在這種狀態下,射流泵利用混合動力液驅動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WHP的影響就非常明顯,當地層流體黏度等于或大于80000 mPa·s時,WHP值非常高以致很難被接受;④VLO能對WHP產生很大影響,尤其在地層流體黏度很高的時候,這是因為WHP對動力液非常敏感,當利用采出液和輕油的混合物作為動力液時,在一種適當的輕油比 (圖中為50%)條件下,VLO對混合物黏度的影響較它對地層流體的影響大得多 (圖1),因此它能影響WHP,所以當采用采出液-輕油混合物時,應該使用低黏度輕油。

圖4 不同地層流體黏度時的WHP值(rl=rp=50%)

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

圖5 不同輕油比時的WHP值(rl=rp=50%)

注入油井之前,動力液在地面不同溫度時的WHP如圖6所示。從圖中可以看出,隨著動力液溫度的升高,WHP緩慢增長。因為在這種情況下,動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,在井筒里向下流動到射流泵的過程中,動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力液量是有限的,這也很大程度上限制了通過動力液帶來的熱量,即使動力液本身溫度很高。這就是當地面動力液溫度增加WHP也增加的原因,但非常不明顯。

圖6 不同地面動力液溫度時的WHP值(rl=rp=50%)

5 結論

(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力液可以減少輕油需求量的新技術。可行性分析證明了該技術的實用性,并且在大多數實例中輕油量能夠降低50%以上。

(2)構建的理論模型可以測定混合動力液的平衡黏度。

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

(4)M比率、輕油黏度和輕油比對壓力降和射流泵的作業效率有很大影響,而對地面動力液的溫度影響不大。如果VLO比較低,地層流體黏度對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)