低滲透油藏智能間歇采油工藝研究及應用

趙永志 （大慶油田有限責任公司造價中心）

S 采油廠主要以低滲透油藏開發為主，地層供液能力比較差，油井產液量低。據不完全統計，678口低產液井平均單月耗電量可達到580×104kWh，導致電能的嚴重浪費，噸油成本增加；同時低產液井連續工作會使活塞在泵筒里干磨，容易損壞泵筒或活塞，導致泵漏，管桿磨損也嚴重，檢泵周期縮短，增加了作業費用。為解決低滲透油藏供液能力差所帶來的一系列問題，S 采油廠開始大規模推廣間歇采油工藝，并取得了較好的節能和延長檢泵周期的效果[1-2]。

1 前期應用情況及存在問題

在解決低滲透油藏供液能力差的問題上，S 采油廠初期實施間開井生產制度主要根據該井液面和員工經驗制定，抽油機啟停主要依靠工人定時到現場操作，間歇采油工藝在現場試驗期間取得了較好的提升泵效和節約電費的效果。

1.1 現場應用

經過多年來對間歇采油工藝現場的不斷摸索和總結，制定了一套完整的間開井管理辦法。首先是在間開井生產制度制定上，采取了人工經驗與功圖數據相結合的方式，即在考慮油井液面和產量的同時，跟蹤油井連續開井功圖數據，根據功圖的飽滿程度進一步優化間開制度。其次是在現場管理方面，采用三級管理方式，即管理區重點負責間開井間開制度的制定、優化、檢查和考核工作，采油站重點負責本單位間開井制度優化、運行情況，班組重點管理各間開井執行情況。

通過對間歇采油采取集中推廣和強化管理的方式，在節能和延長檢泵周期方面取得了較好的效果。2020 年，對450 口油井采取間歇采油，實施后， 與2018 年同井數對比， 節約電量為322.1×104kWh，單井相對檢泵周期延長105 d。同時還根據工業用電收費情況，按照價格時段劃分繪制電費“峰、平、谷”曲線圖，每天23:00—7:00的谷期電價是峰期的1/4，因此采取減少電價峰尖時間段開井，增加平谷時間段以進一步提升間開井生產效益。通過幾年來對間開時間段開展新一輪的優化，逐漸把開井時間排在電價谷、平時間段，最大限度避開峰尖時間段，大幅節約了電費，目前采油廠谷期開井時率達到90%以上。

1.2 存在問題

雖然S 采油廠間歇采油工藝取得了較好的效果，但在應用間歇采油工藝方面存在以下問題。

1）間開井生產工作制度仍不科學。所謂合理間開制度就是在充分發揮油井生產潛力的條件下，盡量減少開井時間，避免油井做無用功、提高效率、降低能耗和磨損。以往間開井工作制度的制定主要依靠經驗判斷，造成損液率高、無效開井時間長等問題。

2）啟停井方式過于落后。以往間開井主要依靠人工到現場進行操作，暴露出開井率受環境影響大，工作量大和夜間操作存在安全隱患大的問題。

3）間開井工藝配套不全面。油井出砂結垢問題比較嚴重，常常出現間開井停井恢復液面一段時間后再開井出現卡泵等問題。因此如何將間歇采油工藝提升至一種科學化和智能化的采油工藝成為了工作重點。

2 間歇采油工藝研究

前期現場實踐和調研成果表明，針對低滲透油藏低產井配套間歇采油工藝，可實現節能減排，延長檢泵周期，具有良好經濟效益。為進一步提升間歇采油工藝生產效益，實現間開井單井間開制度的科學制定和智能啟停[3-4]，S 采油廠從2020 年開始，以油藏為基礎研究對象，利用低滲透油藏間開井單井滲流模型建立間開生產模板指導間開制度確定，并開發了一套智能間歇采油系統，該系統實現了間開井數據采集、傳輸、分析、控制的全程智能化工作。

2.1 建立間開井生產模板

所謂科學合理的間開制度是指在最大程度發揮油井生產潛能的前提下盡量減少開井時間，做到開井泵效最大化，關井液面恢復相對速率最大化，因此制定合理開、關井時間點是該項工作的核心，建立一套間開生產模板可以科學指導間開井開關時間的確定[5]。

2.1.1 關井時間點的確定

低產井連續生產時，地層供液速度小于油井排液速度，這就造成動液面不斷下降，泵沉沒度和充滿程度降低，這種情況油井的泵效會受到很大的影響，低產井實施間開工藝最主要的目的就是使油井保持較高的泵效，因此需要將關井時間點與泵效緊密聯系起來。通過對生產單井的液面進行連續測試，記錄不同液面下的泵效，發現隨著油井連續生產時沉沒度不斷降低，開始階段泵效小幅度下降，而當沉沒度到達一個特定值后（70 m），泵效迅速降低，生產效果變差，但為保持泵內的液體充滿程度，減少泵運行時的干磨，實際泵效拐點應向上浮動50～100 m。該特征值為油井的設定泵效拐點，可以作為油井生產時的關井時間點。油井連續生產時泵效與沉沒度關系見圖1。

圖1 油井連續生產時泵效與沉沒度關系Fig.1 Relationship between pump efficiency and submergence during continuous production of oil wells

進而可將泵效換算成油井排出量，沉沒度換算成動液面，即油井連續生產時排出量與動液面的關系見圖2，將設定泵效拐點（關井時間點）左面定義為高速采油區，右面定義為低速采油區。

圖2 油井連續生產時排出量與動液面關系Fig.2 Relationship between discharge and dynamic fluid level during continuous production of oil wells

2.1.2 開井時間點的確定

油井停井過程中液面開始恢復，液面恢復速度由地層供液能力決定，可以通過建立滲流模型來確定地層供液速度，進而計算液面恢復速率，然后根據液面恢復情況確定開井時間點。

目前國內外低滲透油藏滲流研究都是基于啟動壓差理論。低滲透儲層孔喉細小，滲透率低，泥質含量高，微觀孔隙結構復雜，致使固液間相互作用強，相比于中高滲透儲層，邊界層所占流體比例更高，因此大大增加了孔道壁等黏土礦物質與液相的滲流阻力[6-8]；從微觀角度看，低滲透儲層滲流半徑極其微小，毛管力的作用也加劇了低滲透儲層的滲流阻力。在地層中，不同的孔隙半徑對應不同的滲流阻力，只有外來的驅動力高于每個孔隙半徑所對應的滲流阻力，才能驅動小孔隙中的流體，無數的小孔隙綜合作用，在低滲透油藏的開發中反映出需要給定一個啟動壓力方能使油流被正常驅動，這也是低滲透油藏區別于中高滲透油藏的一大特性[9-11]，因此建立滲流的運動方程時要附加一個啟動壓力，下面將利用該理論推導低滲透油藏產能方程式：

運動方程：

式中：Vo為滲流速度，為驅動壓力梯度，Pa/m；G為擬啟動壓力梯度，Pa/m；ko為油藏有效滲透率，10-3μm2；μo為原油黏度，mPa·s。

輔助方程：

式中：Qo為油井產量，m3/s；pb為供給壓力，Pa；p為壓力，Pa；h為油層厚度，m；Bo為原油體積系數；k為油藏絕對滲透率，10-3μm2；ki為油藏初始絕對滲透率，10-3μm2；kro為原油相對滲透率；a3為巖石變形對滲透率影響的壓力敏感性系數；a1、b1、c1、a2、b2為回歸系數。

結合各方程，可推導出低滲油藏產能方程式為：

式中：α為應力敏感系數；β為單位制變化系數；K為滲透率，mD；h為油層有效厚度，m；ρ0地面原油密度，g/cm3；Pe為邊界地層壓力，MPa；Pw為井底流壓，MPa；C0為原油體積系數變化率，%；a為氣體溶解系數，m3/(m·MPa)；Pc為套壓，MPa；H為井深，m。

方程未知參數較多無法求解，引入輔助測試手段反推未知參數。

單井關井后液面隨時間的恢復情況見圖3，每5 min 取一個數據點，做出液面恢復與時間的關系圖并對液面恢復求導數，結合井筒數據（油套環空截面積）得到液面高度與地層供液速度的關系，并將相應數值帶入產能公式，進而確定該區塊產能公式中的各未知參數。

圖3 單井關井后液面隨時間的恢復情況Fig.3 Recovery situation of liquid level with time after single well shutdown

通過推導的產能公式可以得到單井在關井狀態下，流入量與動液面的關系曲線見圖4。可以看出，液面恢復初期，地層流入量高，液面處于高速恢復區，當動液面數值達到1 860 m 后，地層流入量開始大幅度下降，動液面進入低速恢復區，所以應保持油井關井時動液面低于1 860 m，因此設置1 860 m 處為開井點。

圖4 流入量與動液面關系曲線Fig.4 Relationship curve between inflow and dynamic liquid level

結合圖2 和圖4 可建立間開井單井生產模板見圖5，在1 860～2 120 m 的范圍內，計算出其平均日排液量為3.1 m3/d，平均日流入量為2.1 m3/d，再根據間開時間計算公式，求得該井的開井時間為12 h，關井時間為12 h。該井原生產制度為開井14 h，關井10 h，應用生產模板實施新的間開制度后，開井時間減少2 h/d，實現日節電50 kWh，每天產液量和產油量都沒有受到影響。

圖5 間開井單井生產模板Fig.5 Production template of single well for intermediate well

應用低滲透油藏滲流理論建立了9 個區塊95 口井的間開生產模板，該方法能夠保證間開井有較大地層供液能力和較大的油井排出量，有利于油井提高泵效，最大限度的節約電能，降低開采成本。利用現場數據對滲流模型進行驗證發現模型誤差5%，95 口井重新制定間開生產制度后，實現日開井時間減少192 h，節電2 238.5 kWh，核實日產油只減少0.13 t，節約經濟效益1 250 元/d。

2.2 智能間歇采油系統

在建立間開井生產模板指導間開井生產的同時，為提升間歇采油工藝智能化程度，開發了一套智能間歇采油系統，該系統可利用間開生產模板和示功圖制定間開生產制度，同時可實現抽油機智能啟停。智能間歇采油系統工作流程見圖6，現場專業數據采集裝置定時采集油井生產數據并上傳至數據中繼站，然后通過GPRS 網絡將數據傳輸至服務器，服務器利用上傳數據建立間開生產模板或利用示功圖制定間開生產制度，進而將該生產制度轉化為開關指令反饋給現場油井智能控制器開關，實現抽油機無人操作的自動啟停[12-13]。

圖6 智能間歇采油系統工作流程Fig.6 Work flow of intelligent intermittent oil production system

2.3 間歇采油工藝機采及地面配套技術

在完成間開生產模板和智能間歇采油系統的同時，針對間歇采油工藝在現場遇到的工程問題，加強了機采及地面配套技術的攻關與應用。

由于油井結垢、出砂造成泵卡等問題而無法實施間開，與某公司合作研制了長柱塞防落物抽油泵，該泵為短泵筒、長柱塞，可阻止垢或砂粒入泵筒，有效解決了S 采油廠地區結垢出砂區塊停井后再開井的泵卡問題。長柱塞防落物抽油泵及作業起出情況見圖7。

圖7 長柱塞防落物抽油泵及作業起出情況Fig.7 Anti-falling object oil pumping pump with long plunger and operation lifting situation

3 現場應用及效果

截止2021 年底，S 采油廠已推廣實施545 口間開井，與間開前對比，取得了顯著的節電效果，從2017—2021年間開井累計節約電量1 316.3×104kWh，累計節約電費1 399.9 萬元，同時間開井整體檢泵周期相對延長173 d。

2021 年1 月以來，通過對348 口間開井配套智能間歇采油系統技術進行工作制度優化（其它井暫時不需要調整），其中95 口井采用間開生產模板技術，253 口井采用功圖有效沖程控制技術，智能間歇采油系統配套技術應用情況見表1，優化后平均單井日開井時間減少了1.9 h，日節電8 071.5 kWh，實現全年多節電285×104kWh，節約電費200 萬元，實現了間開井生產效益的最大化。同時完成了60口結垢嚴重間開井的長柱塞防落物抽油泵的配套工作，配套后的間開井未出現開井后泵被卡的情況。

智能間歇采油工藝的實施，間開井整體的檢泵周期、泵效、系統效率、工況合格率、間開率也得到了大幅度的提高，545 口間開井的各項指標明顯好于往年，其中檢泵周期相對延長68 d，實現全年節約桿管費用150 萬元，泵效提升5.1%，系統效率提升1.5%，工況合格率提升5.03%，間開率提升19%。智能間歇采油工藝實施前后間開井各項指標對比見表2。

在節能減排的同時，智能間歇采油系統的配套應用實現了S 采油廠遠程控制的自動啟停，大幅度降低了勞動強度，無需工人到現場操作，避免天氣環境因素影響間開率的同時，杜絕安全隱患，提高了生產安全性，取得顯著社會效益，提升間歇采油技術在全局的推廣價值。

4 結論

1）間歇采油工藝可有效解決低滲透油藏產量低、泵效低、檢泵周期短等問題，可大幅度降低能耗并提升低產井生產效益。

2）低滲透油藏低產井連續生產時在泵效拐點處泵效急劇下降，可以利用間歇工藝避免泵效拐點，間開井停井恢復液面過程中液面恢復速率會從高速恢復區進入低速恢復區，應合理制定開井時間節點，避免停井時間過長造成液面恢復變慢。

3）應用長柱塞防落物抽油泵可有效解決結垢區塊間開井開井后被卡問題，針對冬季氣溫低，部分間開井由于單井回壓高無法實施間開的問題，可通過地面摻水伴熱改造解決。

4）智能化間歇采油技術的推廣可將間開工藝技術從過去的人工經驗模式升級為智能模式，有較強的推廣價值。