采油化学及集输化学-ycl2013

油田化学概论化学工程学院殷长龙

2013-7-21、钻井设备、钻井过程及钻井方法2、钻井液的功能及钻井液添加剂。3、固井的目的。4、采油过程中主要存在的问题。5、解决油水井问题的方法。6、油田采收率不高的原因及提高采收率的方法。思考题:前言

油田化学是用化学方法解决油田钻井、采油和原油集输过程中遇到问题的学科。钻井化学采油化学集输化学油田化学主要内容第一节、钻井工程（重点介绍）第二节、油气集输第三节、提高采收率方法第四节、解决油水井问题的方法一、钻井的目的和意义二、钻井的主要程序三、钻井设备、工具和仪器四、钻井的发展及趋势五、钻井关键技术六、钻井风险七、钻井取得的成就第一节钻井工程简介

一、钻井的目的和意义钻井的目的和意义寻找和证实含油气构造探明已证实的含油（气）构造的含油气面积和储量；取得油田的地质资料和开发数据将油气开采到地面上来一、钻井的目的和意义钻井的类型

根据钻井目的和任务不同，钻井可分为探井和开发井：探井地质普查阶段基准井剖面井构造井区域勘探阶段预探井详探井开发井生产井注入井检查井二、钻井的主要程序钻前准备定井位修公路平井场打基础设备搬运设备安装井口准备二、钻井的主要程序钻进钻进洗井接单根起下钻固井地质录井测井事故处理与钻进有关的几个基本概念接单根起下钻与钻进有关的几个基本概念二、钻井的主要程序钻进过程演示二、钻井的主要程序钻井过程第一次开钻(一开)：从地面钻出较大井眼，到一定设计深度后下表层套管。第二次开钻(二开)：从表层套管内用较小一些的钻头继续钻进，若地层不复杂，则可钻到目的层后下油层套管完井，若地层复杂，则下技术套管。第三次开钻(三开)：从技术套管内再用小一点的钻头往下钻进。根据情况，或可一直钻达预定井深，或再下第二层、第三层技术套管。再进行第四次、第五次开钻，直到最后钻到目的地层深度，下油层套管。二、钻井的主要程序完井和试油钻开油气层

油气层的特点：渗透性好、地层压力高

面临的问题：油气层易被污染、井喷

措施：（1）搞好地层孔隙压力的预测和监测（2）使用合理的钻井液密度钻油气层（3）使用和油气层配伍的钻井液（4）钻开油气层要尽量使用好固控设备二、钻井的主要程序完井和试油选择合理的完井方法

完井方法应能满足有效封隔油气水层，能减少油气流入井的阻力，能防止油气层井壁坍塌，保证油气井长期稳定高产，能满足注水、压裂、酸化等特殊作业要求。

安装完井井口装置

通过安装井口装置可以有控制的诱导油、气流，进行完井测试及投产后正常生产。

二、钻井的主要程序完井和试油试油

对可能出油（气）的生产层，在降低井内液柱压力的条件下，诱导油、气入井，然后对生产层的油、气产量、水产量，地层压力及油、气物理化学性质等进行测定，这一整套工艺技术就叫试油。只有通过试油才能知道油气层含油气情况。定井位地质设计试车修公路平场地打基础安装下导管安全检查一开下表层套管注水泥候凝安装井口试油油井完成井口完成井底完成钻进取心测斜电测井拆卸设备成本核算钻井设计准备工程二开钻进取心测斜电测井下中层套管注水泥候凝安装井口三开钻进取心测斜电测井中途测井下油层套管注水泥候凝安装试油井口移交生产石油钻井建井过程

三、钻井设备、工具和仪器钻井设备动力系统

钻机所需的各工作系统大多数是用柴油机做发动机，通过变速箱直接驱动或由柴油机发电来驱动钻井设备。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备提升系统

主要用来提升钻柱和下套管等。由井架、天车、游车、大钩、吊环等组成。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备旋转系统

用来旋转钻柱，向钻头提供扭矩。由转盘、转盘变速箱、水龙头、方钻杆组成。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备循环系统

循环系统将钻头切削地层产生的热量和岩屑带出井眼。泥浆泵排出管线立管水龙带水龙头方钻杆钻柱环空井壁钻头吸入管线洗井液返出管线

问题清洗井底平衡地层压力冷却和润滑钻头稳定井眼等等。

答案钻井液钻井示意图钻井液钻井液功能（1）携带岩屑（良好的流变性）（2）清洗井底（密度小、剪切稀释能力强）（3）平衡地层压力（密度合适）（4）冷却和润滑钻头（良好的润滑性能）（5）稳定井眼（抑制泥页岩、良好造壁性能）（6）悬浮钻柱和套管（悬浮能力）（7）获取地层信息（8）传递水功率（剪切稀释能力强）钻井液处理剂

钻井液由分散介质、分散相和钻井液处理剂组成。钻井液处理剂主要分为15类。（1）密度调整材料（如重晶石）（2）pH调节剂（碱等）（3）降滤失剂（改性腐殖酸）（4）降粘剂（改性单宁）（5）增粘剂（改性纤维素）（6）絮凝剂（聚丙烯酰胺）（7）润滑剂（表面活性剂）（8）页岩抑制剂（钾盐）（9）解卡剂（稠化柴油）另外还有堵漏材料、缓蚀剂、起泡剂、除钙剂、乳化剂、温度稳定剂。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备井控系统

井控系统的作用是，当井内出现溢流、井涌时，可快速及时关闭井口防止井喷事故的发生。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备监测系统通过地质和钻井综合录井对井下的作业情况进行监测。通过司钻操作台的仪表对钻进参数如大钩负载、钻压、转数、扭矩、泵压、排量、钻速等进行记录和测量。三、钻井设备、工具和仪器钻井设备顶部驱动

水龙头与钻井马达总成三、钻井设备、工具和仪器钻井工具和仪器钻头

钻头是钻进中最重要的工具。钻头的不断改进促进了钻井技术的发展。

牙轮钻头（RollerBit)

金刚石钻头（DiamondBit)PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC切削元件聚晶金刚石复合片三、钻井设备、工具和仪器钻井工具和仪器钻柱主要组成：钻铤、钻杆、方钻杆主要作用：传递动力施加钻压输送洗井液延伸井眼等三、钻井设备、工具和仪器钻井工具和仪器动力钻具

螺杆钻具是靠钻井液流在螺杆钻具的定子和转子间的容积挤压得到扭矩和转数。

涡轮钻具则是靠钻井液流冲击装在涡轮轴上的转子而得到扭矩和转数。三、钻井设备、工具和仪器测量信息偏置导向执行机构控制机构MWD/LWD地面控制指令井下旋转导向钻井工具系统井眼信息导向指令双向通讯随钻测量系统地面监控系统半闭环导向钻井系统三、钻井设备、工具和仪器钻井工具和仪器其它钻井工具

三片式钻杆卡瓦

稳定器

大钳

吊环

吊卡

四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（普通定向井）四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（丛式井）四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（丛式井）四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（丛式井）

埕北1B井组时效提高30%以上平均钻井周期4.04天靶心距均在15m以内四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（水平井）四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（水平井）四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（大位移井）海油陆采利用现有平台开采边际小油田扩大平台控油面积多目标大位移井开采多个断块油气藏四、钻井的发展及趋势向“横”的方向发展（大位移井）埕北21-平1井水平位移3167.34米垂深2633.91米，测量井深4837.4米世界上位移最大的井：英国WF油田M-16井，位移10728m；英国WFM-14井，位移8938m，建井周期81.7天；Amoco公司在加拿大Wabasca油田完成的一口井，位移2988.3m、垂深411.9m，垂深位移比1：7.25；四、钻井的发展及趋势向“深”的方向发展（深井、超深井）

深井、超深井钻井技术是为勘探和开发地层深处的油气资源而发展起来的。从我国的情况来看，陆上石油资源储量为694亿吨，目前探明172.8亿吨，探明率为25%；陆上天然气资源量

为30万亿立方米，目前探明1.2万亿立方米，探明率仅为4%。四、钻井的发展及趋势向“深”的方向发展（深井、超深井）深井、超深井钻井的特点：裸眼井段长，要钻穿多套地层压力系统；井壁稳定性条件复杂；井温梯度和压力梯度高；深部地层岩石可钻性差；钻机负荷大。四、钻井的发展及趋势向“深”的方向发展（深水钻井）

目前，在勘探比较成熟的海域例如墨西哥湾，石油勘探已转向深水海域，探井的水深已达到1500m，已开发了1000m水深的油田。我国南海的流花油田已从300m水深以下的油井中采出大量石油，并已在500m水深的海域钻过探井。

四、钻井的发展及趋势向“小”的方向发展（小井眼钻井）

小井眼是钻井向快和省方向发展的重要措施，当小井眼能够满足勘探和开发的要求时，它无疑是一种好办法。正是由于小井眼钻井节约了套管成本、破岩成本、动力成本和运输成本，它一般可节约成本35％~50％，边远和运输困难的地区可能节约50％~75％的投资。

四、钻井的发展及趋势向“巧”的方向发展（多底井钻井）

从一口定向井或水平井中侧钻，钻出两个或多个分支井眼，这种钻井称为多底井钻井，它能够提高了产层的产能，节省了钻井和油田开发的投资。

四、钻井的发展及趋势向“巧”的方向发展（欠平衡压力钻井）减小对油气层的伤害有利于发现低压油气层明显提高机械钻速减少压差卡钻和井漏事故泥浆柱压力>油层压力井钻规常泵入泥浆泥浆柱压力<油层压力井钻衡平欠油气层泵入泥浆油气层四、钻井的发展及趋势向“巧”的方向发展（连续管钻井）

显著提高起下钻换钻头的工作效率起下钻时可循环钻井液与欠平衡、超高压射流等钻井技术相容性好有利于实现自动化钻井Galileo连续管钻机四、钻井的发展及趋势向“智”的方向发展（地质导向钻井）概念:地质导向钻井就是在钻井过程中通过随钻测量多种地质和工程参数,对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据评价对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目标并在其中有效延伸。优点:使现场人员根据地质目标情况有效地控制井眼轨迹的走向，回避风险，从整体上提高油田勘探开发的总体效果。

四、钻井的发展及趋势向“智”的方向发展（地质导向钻井）

在复杂断块油藏、隐蔽油藏、薄油藏和老油田长期开采剩余的边底水构造油藏等复杂油气藏大有用武之地。随钻测量系统地质导向软件系统曲线对比和模型修正四、钻井的发展及趋势向“智”的方向发展（闭环钻井）开环钻井井下半闭环钻井井下闭环钻井全闭环钻井四、钻井的发展及趋势向“智”的方向发展（闭环钻井）

闭环钻井，即全部钻井过程依靠传感器测量多种参数，依靠计算机获取数据，并进行解释和发出指令，最后由自动设备来执行，使钻井过程变成一种无人操作的自动控制过程。其明显的优点是非正常钻井时间和体力劳动大大减少，井眼轨迹控制更加精确，既可严格按照预定轨迹钻进，也可完全根据地下情况钻进。五、钻井关键技术高效破岩技术

钻井是为了在地层岩石中形成一个井眼，因此，高效的破岩技术，是提高钻井速度、缩短建井周期、降低钻井成本的关键。在深井、超深井和大位移井中，由于起下钻时间占的比重越来越大，加上深部地层硬度和研磨性也越来越高，使得高效破岩技术在深井、超深井和大位移井中显得尤为迫切。五、钻井关键技术携岩技术

将钻头破碎的岩屑从井底及时清除出去是提高钻速，减少钻井事故的关键。在大斜度井中，由于岩屑在重力作用下落到井壁下侧，影响钻柱的活动，增大了钻柱的摩阻扭矩，还容易引起井下复杂情况。五、钻井关键技术井眼轨迹技术

由于岩石的非均质性和各向异性，钻头在地层中钻进会受到地层力的影响井眼的不规则和钻柱的不稳定运动加大井眼轨迹预测的难度控制理论被引入到井眼轨迹控制领域，地面遥控可变弯接头和可变径稳定器被研制出来旋转导向钻井系统五、钻井关键技术井壁稳定技术

地层被打开后，井壁岩石便失去了原有的支撑力，如果井壁岩层固有的胶结强度较弱，便会失稳垮塌；有的地层如泥页岩地层容易吸水膨胀垮塌；有的地层如盐膏层容易发生蠕变；有的地层如盐岩层会导致钻井液性能变差，从而导致井下复杂情况。井壁稳定问题是目前迫切需要解决的问题，它严重制约了钻井的发展。五、钻井关键技术地层评价技术地层评价主要包括地层的工程特性评价和油层的含油气情况评价进行地层工程特性评价是为了安全、优质、高效的钻井进行油层含油气情况评价是为了提高油层的穿透率，提高油田开发效果五、钻井关键技术油气层保护技术为了防止油气流入井内，造成井涌、井喷等严重后果，通常使井内液柱压力略大于油气层压力当井内压力大于油气层压力时，钻井完井液中的固相颗粒也会侵入油气层的孔隙内，增加油气流动阻力，造成对油气层的严重损害正确诊断油气层损害机理是进行油气层保护的关键五、钻井关键技术钻井环保技术在钻井过程中，若因预防措施不力而对井喷失去控制，将会对周围环境造成严重污染对废弃的钻井液和其它废弃物处理不当，则会对周围环境或水源产生污染钻遇地下硫化氢等有害气体时处理不当，更会殃及人畜的生命六、钻井风险钻井风险因素钻井是一项多专业、多工种配合的野外流动作业，工作条件差，安全工作难度高钻井设备庞大而复杂，运动部件多，管线压力高，稍有不慎，极易造成设备或人员伤亡事故钻井工作是在几千米的地下进行的，看不见，摸不着，是一项非常隐蔽的地下工程。在钻井施工中会出现许多复杂情况和不确定因素，容易造成井下工程事故六、钻井风险常见的井下工程事故钻头事故（断刮刀片、掉牙轮和掉钻头等）钻具事故（钻具刺坏、断钻具等）套管事故（卡套管、断套管等）井下落物事故（小工具等落入井内）卡钻事故（钻具在井内不能上下活动或转动）注水泥事故（固井时水泥浆在钻具内未替出、水泥浆返高不够，或将水泥浆全部替出环形空间等）井喷失控事故（不能人为控制的钻井井喷）七、钻井取得的成就世界范围内：最深的井：前苏联SG-3井，井深达到12869m

水平位移最大的井：英国M-16井，水平位移达到10728m

井数最多的丛式井组：美国在0.03km2的面积上打下了284口井

中国范围内：最深的井：塔里木的塔参1井，井深7200m；水平位移最大的井：南海西江24-3-A14井，水平位移为8062m；井数最多的丛式井组：胜利油田河50丛式井组，在0.042km2的面积上打了42口井。第二节油气集输一、油气集输的研究对象和在油田建设中的地位二、油气集输的工作任务和工作内容三、油田产品及其质量指标四、油田生产对集输系统的要求五、油气集输流程六、油气集输流程布站方式1.油气集输的研究对象

油气集输的研究对象是油田内部原油及其伴生天然气的收集、加工处理和运输。

2.油气集输在油田建设中的地位集输系统是油田建设中的主要生产设施，集输系统在油田生产中起着主导作用。一、油气集输的研究对象和在油田建设中的地位1.油气集输的工作任务

将分散的油井产物、分别测得各单井的原油、天然气和采出水的产量值后，汇集、混输、处理成出矿原油、天然气、液化石油气及天然汽油，经储存、计量后输送给用户的油田生产过程。

二、油气集输的工作任务和工作内容

油气分离原油净化原油稳定天然气净化轻烃回收水处理工作内容2.油气集输的工作范围和工作内容

油气集输的工作范围是指以油井为起点，矿场原油库或输油、输气管线首站为终点的矿场业务。3.油气集输工作内容框图

商品原油的质量指标

1.质量含水率：合格原油含水率不大于1％，优质原油含水率不大于0.5％。对于凝析油和稠油有不同的质量含水率要求

2.饱和蒸气压：储存温度(或60℃)下原油的饱和蒸气压不大于当地气压

3.含盐量：不大于50g/m3三、油田产品及其质量指标商品天然气的质量指标

1.露点：最高输送压力下天然气的露点应低于输气管埋深处最低环境温度5℃；

2.硫化氢含量：不大于20mg/m3；

3.C5＋含量：不大于50g/m3；

4.有机硫含量：(CS2和COS)含量不大于250mg/m3。

油气集输液化石油气的质量指标液化石油气的主要成分是C3和C4。1.组成要求：

a.C1＋C2含量：不大于3％(摩尔百分数)

b.C5＋含量：不大于2％(摩尔百分数)2.饱和蒸气压：

38℃时的饱和蒸气压不大于15个大气压（绝对）－10℃时的饱和蒸气压大于3个大气压（绝对）

3.体积含水量：不大于0.5％油气集输净化污水标准

对于净化污水有两个标准，分别为回注标准和排放标准，对其所含杂质的要求不同。陆上排放污水的水质要求:排放污水含油低于5mg/L。海上排放污水水质要求：渤海海域排放污水含油量小于30mg/L；南海海域为小于50mg/L。回注污水的水质要求：达到本油田规定的注水水质标准，包括悬浮物浓度大小、含油浓度及细菌含量。特别关注回注污水与地层配伍性。油气集输四、油田生产对集输系统的要求

1.满足油田开发和开采的要求采输协调集输系统应考虑油田生产的特点油田生产的特点是连续却又不均衡，主要原因在于：

a.油井数量增加，含水量上升，产液量增加；

b.自喷井间歇自喷或改抽，高产井变为低产井；

c.个别抽油井改为注水井，油井生产一段时期后要停产修井；

d.生产层系调整，油品组成和物性发生变化。

油气集输2.集输系统能够反映油田开发和开采的动态

油气在地层内运动的情况只能通过集输系统管网和设备测量所得的参数来反映。油田开发和开采的变化，反映到地面集输系统中就是：油、气、水产量、出砂量、气油比、温度、压力等参数的变化。

油气集输3.节约能源、防止污染、保护环境

节约能源主要体现在以下几个方面：

a.充分利用自喷井、抽油井的能量，减少转油环节，在有条件的油田提高第一级的分离压力，减少动力消耗；

b.流程密闭，降低损耗；

c.充分收集和利用油气资源，生产稳定原油、干气、液化石油气、天然汽油等产品，减少油田生产的自耗气量；

d.采用先进高效的处理设备，如高效分水设备、高效泵等。油气集输

在油田生产过程中必然要产生三废：◆废液（含油污水、污油）；◆废渣（含油泥砂、污垢）；◆废气（加热设备排放气、特殊情况下的放空天然气）。

集输系统应该具有消除三废污染、保护环境的工程措施。油气集输4.集输系统应安全可靠，并有一定的灵活性集输系统的是一个统一的整体，而且事故的抢修和抢救都比较困难。这就要求集输系统：一方面，设备应尽可能简单、安全可靠、不需要经常性的维修；另一方面，一旦发生异常情况，要有一定的调整能力。油气集输5.与辅助系统协调一致集输系统还有一些配套的辅助系统，一起构成油田地面总系统，互相联系、互相制约，应该统筹规划、协调一致，使油田地面系统总体最优。海上油气田生产辅助设施有别于陆上油田。除此之外，集输系统还应遵循一般工程项目应遵循的共同原则，如：经济效益；国家规定的各种规范，如：安全防火规范等。油气集输五、油气集输流程

油气集输流程是油、气在油田内部流向的总说明，即从生产油井井口起到外输、外运的矿场站库，油井产物经过若干个工艺环节，最后成为合格油、气产品全过程的总说明。各工艺环节的功能、主要技术指标和操作参数以及各工艺环节间的相互关系和连接管路的特点等，都要在集输流程中加以说明。

油气集输计量方式

◆集中计量◆分散计量

计量站接转站联合站油气集输流程密闭的措施

采用耐压卧式罐代替立式常压罐，并架高采用油气混输泵采用大罐抽气充分利用自喷井和抽油井的能量，减少转油环节。这就需要考虑布站方式油气集输六、集输流程布站方式

根据井口到联合站(集中处理站)站间站场的级数区分一级布站：联合站（集中处理站）二级布站：计量站（计量接转站）＋联合站（集中处理站）三级布站：计量站＋接转站＋联合站（集中处理站）一级半布站：井场阀组＋联合站（集中处理站）油气集输流程示例

油气集输油气集输油气集输系统的组成

油田地面集输系统由各种站和管线组成。管线按所输送的介质分为油、气、水单相管路和油气混输管路以及油气水混输管路。按用途分为出油管线、集油管线、输油管线、集气管线、输气管线。站，名称不统一，大致有：计量站、接转站、计量接转站、转油站（转油脱水站）、联合站、集中处理站、增压集气站、压气站。第三节提高采收率3.1采收率采收率指油田采出的油量占地质储量的百分数，可表示为：采收率=波及系数×洗油效率波及系数：驱油剂波及到的油层容积与整个含油容积的比值。驱油剂：为了提高原油采收率从油田注入井注入油层将油驱至油井的物质。洗油效率：驱油剂波及到的地方所采出的油量与这个地方储量的比值。采油方式可以划分为不同层次一次采油：利用油层原有能量采油。采收率可达10~25%二次采油：当油层能量耗竭时，水井注水，补充能量；从油井抽油。采收率可达15~25%经过一次采油和二次采油之后，地下仍有至少50%的原油未采出!!!3.2油层采收率低的原因油层的非均质性驱油剂的粘度低驱油剂的洗油效率低地层是非均质的，可以用渗透率不同表示。渗透率：表示流体通过多孔介质能力的大小。造成驱油剂的纵向波及系数较低

辽河油田曙光采油厂6456井k1k2k3注入水沿高渗透层突进示意图k2>k3>

k1注入水是驱替油的；水总是沿阻力最小的地方前进；注入水主要沿高渗透带突进；水对高渗透带不断冲刷；高渗透带渗透率进一步升高；水更易沿高渗透带突进空板饱和水后饱和油后水驱油0.5min水驱油1min水驱油5min水驱油15min水驱油后3.2油层采收率低的原因油层的非均质性驱油剂的粘度低驱油剂的洗油效率低以低粘的流体驱动高粘度的流体，容易发生驱油剂的指进现象，称为粘性指进(fingering)。造成驱油剂平面波及系数低。油井水井3.2油层采收率低的原因油层的非均质性驱油剂的粘度低驱油剂的洗油效率低油层是一个多孔介质：比表面积大油层存在多相：有多个相界面界面现象对驱油剂的洗油效率有重要影响地层润湿性对采收率影响亲水地层，有利于驱油剂将油驱替下来亲油地层，不利于驱油剂将油驱替下来固体表面对液体润湿固体表面对液体不润湿油水界面张力对采收率影响油水界面张力越低，驱油剂的洗油效率越高一般油水界面张力为10mN/m;理论上，油水界面张力降至10-3mN/m，驱油剂可以把残余油全部驱