深层重油开采中将部分采出液作为射流泵动力液的循环使用

2010-11-16编译陈仙江赵海燕中油新疆油田公司

石油石化节能 2010年8期

关键词：轻油混合物比率

编译:陈仙江赵海燕 (中油新疆油田公司)

贾雪松杨士梅 (提高油气采收率教育部重点实验室·大庆石油学院)

审校:崔萍 (大庆石油学院)

深层重油开采中将部分采出液作为射流泵动力液的循环使用

编译:陈仙江赵海燕 (中油新疆油田公司)

贾雪松杨士梅 (提高油气采收率教育部重点实验室·大庆石油学院)

审校:崔萍 (大庆石油学院)

射流泵依靠轻油驱动抽油是深层重油储层采出重油的首选方法之一。一般,轻油量太多以致很难接受。降低轻油量的解决方法之一是部分采出液以合理的比率与轻油结合,然后将采出液-轻油混合物作为动力液再注入井中。这种情况下,混合物的黏度持续增加并且逐渐达到其平衡值,这种黏度平衡值是地层原油黏度、轻油黏度(VLO)、混合物中的轻油比率 (RLO),以及地层流体与动力液的体积流量之比 (M比率)的函数。因此轻油在混合物中的最佳比例可以通过迭代算法测定出来。以上提出的所有参数可导致生产管柱中采出液-轻油混合物黏度和压力降的变化,尤其是VLO和RLO。现场应用实例证明,使用的轻油量能够降低到50%以上。

重油开采射流泵动力液轻油比平衡黏度

1 介绍

通过普通人工提举方法从3 000 m以下的井中开采重油是很困难的。在这种情况下,有杆泵系统会承受抽油杆的伸长和断裂,而潜水泵系统在高的排出压力下会遭受高温和推力轴承负荷,进而泵的效率在低产量下大幅度降低。这就需要足够的气体用于气举系统,但是将气体压缩到高压是很昂贵的,并且达到低沉没度很困难。因此,需要找到更加有效的方法从深层重油储层中采油。

射流泵抽油系统是重油开采中有效的人工举升技术,该技术通过与地面高压流体混合,从而使储层中低压流体压力升高和采出。此外,射流泵系统结构简单,没有运动部件,体积小巧,并且能够抽取高黏度、强腐蚀性流体,显示了其在深井产油中的优点。另外,由于生产管柱中采出液黏度的减小和压力降的降低,轻油在深层重油井中可作为动力液使用。压力降的降低主要是由于在射流泵喉管中动力液和地层流体瞬间良好的混合。

射流泵是一种工作特性曲线类似于离心泵的动力泵。当轻油用作动力液时,在生产管柱中轻油的量不仅要足以降低地层流体的黏度,还要为地层流体提升到地面提供充分的能量。为了使提升有更大的灵活性和有效率,泵应该在较高的 R比率 (喷嘴截面积/喉管截面积)下运行。在深层重油井下它能提供高的 N比率,即 (PD-PS)/(PNPD),其中 PD、PS和 PN分别是泵的排出口压力、泵截面压力和动力液压力。低 M比率下能获得较高效率,研究中这已经得到证实,适用范围在0.3～1.2,地层深度4 500 m以上。上述情况下,当动力液 M=0.3～1.2时,轻油量应该是油井产液量的0.83～3.33倍。而当黏度减小时,轻油量应该是油井产液量的0.43倍左右。如果提供的轻油不足以满足大量的需求,射流泵系统的应用将受到限制。为了降低轻油使用量,提出了一项新技术,即在适当的比率下一部分采出液与轻油混合,然后将采出液-轻油混合物作为动力液重新注入油井中。这项新技术的关键在于怎样判断最理想的轻油比率,以最大化减小轻油的需求,然而要保证生产管柱中流体的低黏度性和合理的井口动力液压头,需要地面设施来提供。

2 新技术的可行性

与在高温深层重油井的井底相比,储层流体在地层中的流动更加容易。然而,由于热量损失和溶解气的分离,地层流体在生产管柱中的流动变得更加困难,并且导致流体黏度的急剧上升。

当一个深层重油井使用依靠混合动力液驱动的射流泵系统采油时,采出液-轻油混合物的黏度将比轻油的高,但比采出液的低。轻油比越低,混合物黏度越高。为了在实践中使用这项新技术,相对于轻油来说,混合动力液的黏度还有良好的稀释能力,使轻油使用量得到有效的降低。为此,需要研究黏度不同的两种油品的混合规律。

在不同RLO下的混合物黏度结果 (图1)表明,在常压50℃下轻油的黏度和重油黏度分别为11.5 mPa·s和80 000 mPa·s。但是,如果 RLO从25%降低到0%,混合物的黏度将从2 276.9 mPa·s提高到80 000 mPa·s。

图1 重油和轻油的混合黏度

这意味着如果轻油体积比等于或者大于40%,混合物的黏度将不能有效提高。此外,由于动力液和地层流体在射流泵喉管里混合较好,采出液的黏度有大幅度下降,它比地层流体黏度低得多。当采出液以合适的比例和轻油混合后,与轻油的稀释能力相比,混合的动力液仍然具有良好的稀释能力,并且能够作为动力液采出重油,其中轻油的需求量明显减少。

3 理论模型

3.1 混合动力液平衡黏度的测定

当一口油井一开始使用以轻油作为动力液的射流泵采油时,采出液的黏度通过下式计算:

当射流泵依靠轻油驱动时,μp(1)是采出液的黏度;μl是轻油黏度;μr是地层流体的黏度;M是油井产量与稀释量之比。

假设黏度为μp(1)的采出液在定比 r1下与轻油混合,那么混合动力液的黏度将由下式计算:

式中,μpower(1)是第一次循环中动力液的黏度;rl是轻油与混合动力液的体积比;rp是采出液与混合动力液的体积比。

混合第 n步的动力液的黏度能够由下式推导出:

从式 (3)可以看出,随着计算程序的继续,采出液-轻油混合物的黏度呈现一个上升、收敛的序列。

定义

上升、收敛序列的lglgμpower(n)可以用下式计算:

将0

定义

(6)式能写成如下形式:

图2绘制了在不同 n值下混合动力液的黏度。从图中可以看出,当 n等于6或者更高时,混合物的黏度达到恒定值。这说明在混合6或7次以后,动力液的黏度能够代表混合动力液的平衡黏度。

图2 不同 n值时的混合黏度

3.2 混合物中最佳轻油比的测定

当在射流泵采油中使用混合动力液时,轻油比将显著影响生产管柱中流体的黏度和井眼的压力降。RLO越低,生产管柱中的流体黏度越高,压力降也一样,这需要动力液有较高的井口压力(WHP)。地面设施要有能力提供足够高的压力给动力液并且使轻油量最小,同时需要测定混合动力液中最佳轻油比。

为了测定最佳轻油比,研发了如下迭代计算模式:

(1)在恒定的流量、R比率、M比率条件下,计算以轻油作为动力液时采出液的黏度。

(2)测定初始RLO值,确定计算步骤。

(3)按式 (8)计算混合动力液的平衡黏度(μe)。

(4)当射流泵依靠混合动力液驱动时,计算μe的黏度和WHP值。

(5)如果WHP和地面设备的额定压力之间的误差小于规定精确度,RLO就是混合物中轻油的最优比,否则RLO值要通过计算步骤修正,重复第三步直到满足规定的精确度。

上平面纵向联结系均采用平行形式，与弦杆在节点处相连，以抵抗横向风荷载、竖向荷载及弦杆变形等产生的内力，上撑杆均采用箱形截面，截面宽度300mm，高度均为300mm，板厚12mm。

4 实例研究

该实例的油井资料如表1所示,轻油的黏度是11.5 mPa·s(常压50 ℃条件下)。常压50 ℃下的地层流体黏度为20 000 mPa·s,地层条件为128℃、60 MPa,地层流体黏度只有32.6 mPa·s。用计算机模拟来测定该井生产最有效的 R比率。

表1 油井的一般参数

根据每个地面设备的额定压力,在恒定的WHP和时间下计算轻油的最佳比 (表2)。

表2 利用混合动力液驱动的射流泵结果

当油井生产使用的射流泵只以轻油作为动力液时,轻油的需求量是59.6 m3/d,地面压力为8.23 MPa。如果地面设备的额定压力为20 MPa,那么射流泵所需的轻油量为17.28 m3/d,降低了71%,而WHP是19.86 MPa。在采油中,地面设备的额定压力与轻油需求量的关系如图3所示,达到稳定时间大概是3～6天。

VLO、RLO、M比、地层流体黏度和动力液的井口温度都会影响生产管柱内流体的黏度、井眼的压力降和 WHP。为了对压力降影响参数和WHP有更好的理解,给出了各参数和WHP之间的关系曲线 (图4～图6)。所有的图都采用表1中同一个油井的数据,图中出现的黏度都是在50℃的常压下测量的。

图3 地面设备额定压力和轻油量的关系

VLO和地层流体的黏度对WHP的影响见图4,在该图中轻油在混合动力液中的比率为50%。可以看出:①当VLO恒定时,WHP随地层流体黏度的增加而增加,当地层流体黏度恒定时,WHP随VLO的增加而增加;②如果VLO比较低(如VLO=11.5 mPa·s),地层流体黏度对 WHP的影响是非常小的,在这种状态下,射流泵利用混合动力液驱动能够在具有较大地层流体黏度范围的深层重油井中使用;③如果VLO较高 (如VLO=100 mPa·s),地层流体黏度对WHP的影响就非常明显,当地层流体黏度等于或大于80000 mPa·s时,WHP值非常高以致很难被接受;④VLO能对WHP产生很大影响,尤其在地层流体黏度很高的时候,这是因为WHP对动力液非常敏感,当利用采出液和轻油的混合物作为动力液时,在一种适当的轻油比 (图中为50%)条件下,VLO对混合物黏度的影响较它对地层流体的影响大得多 (图1),因此它能影响WHP,所以当采用采出液-轻油混合物时,应该使用低黏度轻油。

图4 不同地层流体黏度时的WHP值(rl=rp=50%)

图5描述的是RLO和 M比率对WHP的影响。从图中可以看出,VLO和地层流体黏度不变,当RLO等于或大于40%时,WHP不会显著增加,这和图1类似。对 M比率来说,WHP随着 M比率的增加而增大,这是因为当 M增大时,采出液中地层流体的比率上升,这就导致了混合动力液中轻油的减少和WHP的增加。

图5 不同轻油比时的WHP值(rl=rp=50%)

注入油井之前,动力液在地面不同温度时的WHP如图6所示。从图中可以看出,随着动力液温度的升高,WHP缓慢增长。因为在这种情况下,动力液温度比采出液温度高并且它们之间的热交换能够使采出液的温度升高和黏度增加,这会增加井筒中的压力降。然而,由于油井的深度超过5 000 m,在井筒里向下流动到射流泵的过程中,动力液的热损失太大以致于很难保持较高温度。另外,在井眼中用来降低压力降的动力液量是有限的,这也很大程度上限制了通过动力液带来的热量,即使动力液本身温度很高。这就是当地面动力液温度增加WHP也增加的原因,但非常不明显。