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采油工程方案编制方法讲义

第一节绪论

1、采油工程方案在油田开发建设中的地位和作用

油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，在油田投入正式开发之前，必须编制油田开发总体建设方案，作为油田经济、高效开发的指导性文件，而采油工程方案是其中的重要组成部分和方案实施核心，在油田开发总体方案中起着承上启下的重要作用。

它是完成油藏工程方案开发指标的重要保障，也是地面工程建设的依据和工作出发点。

采油工程不仅是研究单项技术，而是通过编制的整体方案，把各单项技术有机地结合起来，在油田开发中有计划、分步骤地去实施，是评价油藏工程方案适应性和可操作性的直接手段，在油田开发中发挥指导作用。

2、采油工程方案编制原则及要求

采油工程方案编制一般应遵循如下原则：

（1）符合本油田开发的总体布置和技术政策

（2）适合油藏地质和环境特点

（3）加强敏感性研究，进行多方案优化

（4）采用先进而适用的工艺技术，并具良好操作性

（5）体现少投入多产出的经济原则

具体设计时有以下几点要求：

（1）充分应用油藏工程提供的基本资料，并以它们作为主要设计依据

（2）重点论证本油田（设计对象）开发的主要问题、基本工艺和关键技术

（3）结合油藏特点开展必要的室内和现场工艺试验，充分借鉴同类油田的经验

（4）采用先进的理论和设计方法，进行科学论证和方案的优选

（5）具有科学性、完整性、适应性、可操作性和经济性

3、编制采油工程方案前需要做的前期准备

（1）早期介入、熟悉和掌握油藏特点，参与油田开发的总体部署工作

（2）结合本油田特点和总体部署要求进行技术调研

（3）针对特殊问题开展专题研究或现场工艺试验，为方案编制做必要的技术准备

4、采油工程方案设计包含的主要内容

根据采油工程在油田开发过程中的任务，采油工程方案主要由“油藏概况”、“设计依据和原则”、“完井工艺设计”、“注水工艺设计”、“举升工艺设计”、“增产增注及配套工艺设计”、“经济评价”、“方案实施要求”等八部分组成。

第二节完井工程方案设计的内容与方法

完井工程是由从钻开油层开始到投产前的一系列单项工程组成，是钻井工程与采油工程的交汇点。

它设计的优化程度直接影响到油井的产能和油田的开发效益，是采油工程方案设计的重要组成部分。

完井工程研究的核心，一是从钻开油层开始到测井投产的全过程都要保护好油层，发挥油层的最大产能；二是进行完井优化设计，充分利用油层能量用最经济的方法合理地使油田投入开发。

一、从采油工程角度出发，对钻、完井工程中的各个环节提出要求

由于完井工程涉及钻井和测井等部门的一系列单项工程，因此采油工程方案中的完井工程部分不能代替钻井部门的单项工程设计，而是以油藏工程与采油工程相结合的观点，从采油工程角度出发，对钻、完井工程中的各个环节提出要求：

1、对井深的要求

2、对套管的要求

3、对固井工艺与质量的要求

二、完井方式的选择

合理的完井方式应该根据油田开发要求，按照油气藏类型和储层特性去选择最合适的完井方式。

目前常用的完井方式主要有射孔完井和限流法压裂完井，一般对于油层物性较好，渗透率较高的井可选择普通射孔完井；对于油层物性相对较差、渗透率较低的表外储层，部分井需要采用限流法压裂完井。

三、射孔完井工艺方案设计

1、射孔方式及工艺的选择

1）电缆射孔

电缆射孔分为普通电缆射孔、过油管射孔两种方法。

1普通电缆射孔

用这种方法射孔时，井内先不下入油管，以便下入较大直径的套管枪，射孔前用密度较高的压井液压井，使液柱压力高于预计的储层压力，在井口敞开的情况下，用电缆将射孔枪下入井内对油气层部位进行射孔。

这种射孔方法的主要优点有：

穿透深，孔径大，尤其是当钻井污染严重时，其射穿污染区的深度要比其它类型的射孔大。

其缺点为：

高压层射孔时难以有效地控制防喷；受电缆强度限制不能一次进行长井段射孔；由于采用正压射孔，射孔时会造成油气层的损害和孔眼堵塞，射孔后孔眼得不到及时清洗。

2过油管射孔

过油管射孔是先前采用的一种负压射孔技术。

射孔前，井内掏空一定的深度，使井底液柱压力低于储层压力，然后下入油管，安装井口装置，连接地面管线；射孔时用电缆将射孔枪通过井口密封装置，穿过油管下至油管鞋以下油层位置，然后装好井口，引爆射孔；射孔后上提电缆，通过井口防喷盒取出射孔枪。

这种射孔方法的缺点有：

a.过油管枪由于受到油管内径的限制，其枪身必然较小。

这就限制了聚能射孔弹的装药量。

因而无法产生较深、较大的孔眼和较高的孔密，往往不能穿透钻井损害区。

b.弹与套管壁之间的间隙较大，从而使射孔弹穿透深度降低。

c.小直径射孔枪不能适应高密度射孔的需要。

目前这种方法已很少使用。

2）油管传输射孔

油管传输射孔工艺是为了克服电缆射孔与过油管射孔的不足而研制的，既有过油管射孔负压、易控制的特点，又有套管射孔的大枪径、大孔径、深穿透、高孔密的优点，还可以满足大斜度井、水平井、稠油井、高温、高压及含H2S等井负压条件下射孔的需要。

油管传输射孔是将射孔枪直接接在油管下端，用油管把枪带入井下，借助于放射性测井或接箍定位器，把射孔枪对准油气层，装好井口后，通过环空加压，或投棒引爆，使射孔枪射孔，穿透套管及水泥环进入储层，建立流体通道，油管传输射孔有以下优点：

a.由于射孔枪直接在油管下端，故射孔枪具有较大的直径，射孔弹的装药量较大，国产YD-102射孔弹装药量为23-27g/发，射孔弹的穿透性能强，且具备高孔密，高相位的射孔条件。

b.它是在安装好井口采油树和放喷管线后才射孔的，对于高压油气井及H2S含量高的井尤为安全可靠，既不会造成无控制井喷事故，又不必取出射孔枪，直接投入生产。

c.由于射孔枪易于推入井中，故适合于大斜度井、水平井、稠油井或其它难以使电缆下入的井。

d.易于射开厚层储层。

由于油管传输射孔不需要电缆和防喷管，故射孔枪长度不受限制。

e.油管传输射孔管串上可以安装地层测试器，一次下井完成射孔和完井地层测试作业，这就减少了起下管柱次数，缩短了试油周期，降低了建井成本。

f.可以实现有控制的负压射孔。

2、射孔参数的选择

射孔参数包括孔深、孔密、孔径、相位角和射孔格式，优选射孔参数时应尽可能地同时考虑钻井损害、射孔损害以及地层的非均质性的影响，根据需要和可能进行最优化设计。

（1）孔深、孔密的优选

孔深和孔密对射孔完井的产能有很大的影响。

在射孔孔眼穿透钻井损害后，射孔完井的产能将有较大幅度的提高。

在孔深已经很大后（超过46厘米），再靠增加孔深来提高产能，其效果就不明显了，而且对疏松砂岩地层孔眼太深还会降低孔眼的稳定性。

因此，孔深的选择应以超过钻井损害带而又不影响孔眼的稳定性为宜。

在孔密很小时，提高孔密的增产效果很明显，当孔密增大到某一程度时，提高孔密的增产效果就不明显了，而且孔密太大还会造成套管损害，使射孔成本过高。

一般认为26-39孔/米的孔密是使射孔成本最低，油井产能最大的理想射孔密度。

（2）孔径的优选

孔径对油井的产能也有一定的影响，但不如孔深、孔密的影响大。

当孔径在0.25in和0.5之间变化时，产能的增加最显著。

目前，国外射孔采用的射孔孔眼直径为0.25-0.5in，而国内射孔采用的孔径为0.32-0.48in。

对于一般的砂岩地层选择孔径在0.63-1.27cm（0.25-0.5in）较好，但对于稠油井、高含蜡井以及出砂严重的油层，为了减少摩擦阻力、降低流速、减少冲刷作用和携砂能力，应采用直径为1.9cm或更大的孔眼。

（3）相位角的优选

由于射孔的相位角可以人为地控制，所以选择适当的相位角对提高射孔完井的产能也是十分重要的。

在均质地层中，900相位角最佳；在非均质严重的地层，1200相位角最好。

在射孔密度较高情况下，或在疏松砂岩地层中，600相位角最好，同时600相位角也是维持套管强度的最佳相位角。

（4）射孔格式的选择

西南石油学院研究对比了螺旋、交错和简单三种布孔格式，认为螺旋布孔优于交错布孔，而交错布孔又优于平面简单布孔。

由于螺旋不孔是在枪身的每一平面上只射一个孔，枪身变形小，有利于施工，因此，最优的选择应是螺旋布孔。

3、射孔液的选择

射孔时使用的射孔液，要考虑液体与储层的配伍性。

射孔液应满足密度可调节；对套管和油管的腐蚀性小；高温下性能稳定；射孔液采用无固相体系；具有低滤失性。

四、完井过程中的油层保护

1、钻井时要求选择合适的泥浆比重、泥浆类型，施工过程中注意控制合理的压差、钻井流速梯度和起下钻速度、尽量缩短钻井液对油层的浸泡时间。

2、在固井过程中，采用低密度水泥，用降失水剂控制泥滤失量，并缩短水泥浸泡时间。

3、尽量缩短施工时间，减少各种液体对油层的浸泡。

第三节注水工程方案设计内容与方法

一、注水工程方案设计的原则

1、严格控制注入水水质，应用现有工艺技术防止水质二次污染，确保注入水水质全面达标。

2、认真分析油层吸水能力，根据开发过程中对注水量的需要，确定合理的注入压力系统。

3、注水管柱设计应能够满足开发配注要求、满足作业措施要求，达到技术上可行、经济上合理的要求。

4、注重注水工艺的实用性、配套性和高效性，尽可能应用现有成熟的技术，提高油田开发效果。

二、注入水水质要求

1、水驱水质要求

加密调整井主要开采对象为薄差油层和表外储层，故注入水要求采用表外层注入水水质标准，即深度处理水，水质要求按Q/SYDQ0605-2000标准执行。

2、聚驱水质要求

在聚合物驱油过程中，水的矿化度越高，聚合物溶的粘度越低，因此，聚驱过程中要严格控制其矿化度，聚驱水质标准要求注入水的矿化度必须低于800mg/L，建议从空白水驱阶段开始注低矿化度清水，即空白水驱和注聚阶段采用同一水质，后续水驱阶段原则上应含聚污水，但由于设备限制，也可注普通请水或污水。

聚驱注入水水质按Q/SYDQ0060-2000标准执行。

三、注水量及压力预测

严格依据地质开发方案提供的预测值。

四、注入工艺管柱设计

1、注入管柱设计应遵循的原则

①能满足保护套管、测吸水剖面、压力测试、洗井、进行酸化增注和化学调剖等工艺措施；

②分层注水时可以顺利起下配水芯子，满足改变各层工作制度的要求；

③注水管柱总体配套简单可靠。

油管在满足抗拉强度的条件下可以选用相同钢级，在使用一个周期后可以上下掉头，改变油管的受力状态和腐蚀情况，延长油管使用寿命；

④在深井注水时必须下封隔起和防顶卡瓦，保证封隔器胶筒不移动，确保密闭可靠。

为防止注水温度变化引起油管长度变化破坏封隔器密闭性能，可采用插入管式结构使油管保持一段自由行程；

⑤油套管环形空间注入防腐保护液，保护套管。

基于以上设计原则对注水管柱进行强度设计，并根据油藏工程配注的要求针对具体油藏进行配套管柱设计。

2、油管直径的确定

水驱：

由于清水的粘度比较小，所以其沿程压力损失也小，管径对沿程压力损失影响不大，从经济角度考虑选用小管径油管节省投入。

聚驱：

由于聚合物溶液属于非牛顿拟塑性流体，当聚合物分子量达到950～1200万，浓度达到1000mg/L时，其粘度是清水粘度的30多倍，因此，在聚合物溶液注入过程中，沿程压力损失要比注清水时大。

在日注入量为200m3时，我们对直径φ60.3mm、φ73mm和φ88.9mm油管进行敏感性分析，管径越小，管损越大。

从表中可以看出，φ73mm和φ88.9mm油管都可以采用，但从技术成熟程度和经济角度考虑，推荐采用J55钢级直径为φ73mm、壁厚为5.5mm的油管。

　注聚过程中沿程压力损失

内容

外径

注入量（m3/d）

流速

（m/s）

沿程阻

力系数

雷诺数

沿程压力损

失（MPa）

φ60.3

200

1.17

0.352

3.95

5.28

φ73

200

0.767

0.398

3.13

2.08

φ88.9

200

0.51

0.447

3.95

0.84

3、管柱结构设计

结合各油田的地质特点，各油层的目前水淹状况，对于油层渗透性单一，层间渗透级差较小，目前水淹状况差异不大的注入井，可采用笼统注水方式，对于油层非均质严重，层间水淹状况差异较大的注入井可采用分层注水方式。

（1）笼统注水管柱设计

当水井射孔层数少或小层中夹层厚度小，在现有技术条件下分隔不开小层时，可采用笼统注水管柱。

笼统注水管柱由保护封隔器、工作筒、喇叭口及光油管组成。

（2）分层注水管柱设计

为减少层间、层内及平面矛盾，要求具备分层条件的水井均应进行分层注水。

分层配水管柱是实现同井分层注水的重要技术手段。

注水井管柱的选择要满足成熟、经济、配套的要求。

大庆油田大面积应用的分层配水管柱有同心式和偏心式两种。

前者可用于注水层段划分较少、较粗的油田开发初期，目前已不常用；后者适用于注水层段划分较多较细的中、高含水期。

（表）

4、注水井投注试注工艺

（1）投注工艺

对于选定的注水井应根据油藏情况选择合适的投注工艺，其中包括排液转注和不排液直接转注两种。

排液后转注可以清除近井地带的污染，有利于把水注入地层，并可采出部分原油，减少注水井附近油层的原油储量损失。

不排液直接转注是目前低压低渗透油层的最佳转注方式，它可以防止低压区块的出现，还可节省排液用的提液设备和工艺管线投资。

为使水井不排液直接注水达到配注要求，试注工艺必须满足两个条件：

1）要做到彻底洗井，洗井过程中不能伤害油层；

2）要能较好地解除钻、完井、射孔过程中造成的近井地带伤害，具有一定的增注作用。

（2）试注工艺的要求

1）为确保油田有较好的吸水能力，所有注水井试注前均应对井筒及近井地带进行清洁处理。

一般先采用酸浸，再用热泡沫混气水洗井。

必要时还要进行防膨处理。

2）试注时要求缓慢升压，试注时间从注水量稳定为原则。

注水量和注水压力稳定后，要求测吸水指示曲线，并求出吸水指数，为配注提供依据。

3）注水一个月后要求用同位素测吸水剖面，了解各小层的吸水能力及差异。

5、水井增注及调剖工艺措施

（1）水井增注

1）水井压裂

水井压裂主要有：

普通压裂、多裂缝压裂、限流法压裂，重复压裂、定位平衡压裂和高能气体压裂。

应根据地层情况选用适合于本油田的压裂工艺。

2）水井酸化

水井酸化是大庆油田主要的增注措施之一。

目前注水井采用的主要是活性酸解堵技术；注聚井采用的是2004年通过油公司认定的表面活性剂解堵技术。

（2）注水井调剖技术

针对层段内含有多个小层、且非均质严重，无法用机械方法再进行细分注水这种情况，就需要采用注水井调整吸水剖面技术，限制高含水和强水淹层的注水量，提高中低渗透层和低含水部位的注水量。

此外，对于那些套损井或固井技术状况差无法进行分层注水的井，也需要进行调剖处理。

选择调剖剂时应根据大庆油田地质特点去选。

第四节机械采油工艺设计内容与方法

一、机械采油方式选择原则

机械采油方式选择首先根据开发方案要求，结合油田的实际情况来确定，主要考虑以下原则：

1、确保圆满完成开发方案提出的产能要求。

2、所选择的采油方式成熟可靠、配套程度高，能适应油井较长开发期的需要。

3、尽量选用统一规格，便于生产管理。

4、充分体现“投资少、见效快、效果好”的经济特点。

二、各种举升工艺对生产条件的适应性分析

1、有杆泵

有杆泵采油是应用最普遍的采油方式。

优点是设备结构直观，管理及维护队伍成龙配套，除地面电机外，全部是机械件，设备自身不受温度压力等生产条件的影响，可以适应较大液量范围和下泵深度，且能满足测试要求。

缺点是地面设备笨重，涉及装机、装基础等因素，调换机型时工作量较大，不适合在沼泽地或水泡子等恶劣地表环境内应用。

2、电动潜油离心泵

电动潜油离心泵的主要优点是可以适应排液能力大的井，井筒内温度高，不易结蜡，生产管理简单方便。

国内实际应用的排液量范围为30-700m3/d（主要应用于150m3/d以上的井，以下的井应用较少）。

缺点主要有：

一是气液比不能过高，否则泵不能正常工作，易造成过多的欠载停机；二是需要保证一定的过流散热条件，不能应用于低渗透油田和产能太低的井，以免发生电机抽空损坏，且经济上不合理；三是电器部件在井下，受温度影响，限制下泵深度。

3、螺杆泵

优点是：

采油装置简单，在同样排液能力下，其系统装置一次投资低于有杆泵和电潜泵，由于它是地面装置驱动杆柱匀速旋转驱动井下泵，不象抽油机那样拖动杆柱作大幅度往复运动，因此地面装置小巧简单，系统效率比有杆泵高，耗电少，可比有杆泵节电5%-7%，耗电量是电潜泵的一半左右。

另外，由于螺杆泵是通过螺旋挤压排液，且橡胶具有可塑性，因此在对稠油、砂、气的适应性方面要优于电潜泵和有杆泵。

缺点：

一是定子是橡胶件，耐温受到限制，不能应用与供液能力太低有抽空危险的特低产井，以免造成橡胶磨损坏；二是没有抽油机调参范围大；三是不能频繁停机或停机时间过长。

三、对可能采用的举升工艺进行综合评价，优选举升方式

原则上优选出的举升方式，应既能满足地质开发方案中所给的预测产液量及测试要求，还要最大限度降低一次性投资和维护费用。

从抽油机、电泵和螺杆泵三种举升设备液量适应范围比较而言，抽油机液量适应范围最广、调参余地大、配套工艺成熟，工人操作熟练，但83mm以上大泵杆管偏磨严重，检泵周期短，投资居中。

电泵可满足抽油机无法满足的200m3以上大排量井，但各排量泵液量调整范围窄，小于100m3的小排量泵经济上不合适，维护费用高。

螺杆泵在三种举升设备中投资最低，且具备节能降耗的优点，中、小排量泵工艺较为成熟，但测试等配套工艺还有待研究完善。

因此，根据以上三种工艺情况并结合目前生产实际综合分析，得出：

对于120t/d以上液量井，推荐采用电泵方式生产；对于80-120t/d之间的井推荐采用抽油机+深井泵方式生产；对于0-80t/d之间的井，从稳定性及降低投资角度考虑，新井尽量采用抽油机方式生产，老井推荐采用螺杆泵方式生产，但对于有测试要求的井，仍然应采用抽油机方式生产。

四、不同举升方式下的设备选择

1、抽油机井的机、泵、杆优选设计

（1）泵径的选择

以预测的产液能力和泵效为依据，根据冲程、冲次确定泵径，在选择泵径、冲程、冲次的组合时，应以长冲程、中低冲次为原则，将调参余地留在地面。

泵径计算公式

D=0.0297

式中：

D—泵径，m；

q—油井预测液量，t/d；

s.n—分别为泵径选择原则中所确定的冲程和冲次，m、min-1；

η—所要求达到的泵效（可取目前生产油井的平均泵效）；

ρi—油水混合液密度，t/m3（含水90％时取0.986；含水95％时取0.993）。

备注：

上表中泵效按45％计算。

（2）泵筒长度的选择

在确定泵规格时，有效泵筒长度须满足抽油机最大冲程长度的要求。

（3）泵型的选择

管式泵适合于供液能力较强的中、浅深度的生产井；对产液量低的深抽井，从减少检泵作业工作量角度，应选择杆式泵。

根据生产实际，我厂抽油泵型的选择以管式泵为主。

（4）抽油杆的选择

选择原则：

在满足生产的条件下，应按照直径小、重量轻的原则确定各级杆柱尺寸，以减少材料消耗和动力浪费。

目前抽油杆主要根据强度，按照单级杆的选择原则进行设计。

强度计算：

根据公式σ＝

或[σmax]=（

+0.5625σmin）Kσmax≤[σmax]

式中：

σ－抽油杆折算应力，Pa；

σmax、σmin－分别为最大和最小应力，Pa；

σa－交变应力的应力幅，Pa；

σB－抽油杆抗拉强度极限，Pa；

[σmax]－最大许用应力，Pa；

K-余量系数。

目前，我厂在用抽油杆材质为20CrMo,其许用应力为90-110MPa之间，根据以上公式计算出不同泵径下，不同规格抽油杆的最大下泵深度见下表。

不同泵径下抽油杆的选择

泵径mm

抽油杆规格mm

最大下泵深度m

1200，1400（1400，1700）

1400，1700（1700，2100）

1000，1250（1200，1400）

1150，1400（1400，1800）

1400，1600（1700，2100）

57（56）

1050，1300（1200，1500）

800，950（900，1100）

950-1150（1150，1400）

750-950（850，1050）

650-750

注：

表中最大下泵深度只考虑杆的强度（括号内为双驴头机），详细计算结果见校核附表。

（5）抽油机的选择

载荷和扭矩的计算：

抽油机的选择，应在产能预测和泵杆计算的基础上进行，载荷、扭矩不能超过额定值。

对于新井设计时应按照近远期最高液量选泵，用最大参数进行选机校核计算。

载荷计算公式：

式中：

Pmax－悬点最大载荷，N；

Pmin－悬点最小载荷，N；

P液－液柱重量，N；

P杆－杆柱重量，N；

－井液与杆管的摩擦力（非高粘油井可不计此项）；

D-抽油泵泵径mm

d-抽油杆杆径mm

L-抽油杆长度m

rl-混合液重度取9.66×103N/m3

rG-钢的重度取77.42×103N/m3

s-冲程m

n-冲次数min-1

扭矩计算公式：

1普通机：

M=0.3S+0.236S（Pmax-Pmin）

2双驴头机：

M=0.22S（Pmax-Pmin）

通过计算表明：

抽油杆的许用应力为90-110MPa、泵径小于70㎜的情况下，对于不同抽油机型而言，影响下泵深度的主要是抽油杆的应力，泵径大于70㎜的情况下，下泵深度主要受减速箱扭矩的影响。

因此，在不考虑沉没度影响情况下，综合考虑抽油杆应力、扭矩的影响，经计算初步给出最大下泵深度参考，见下表。

不同机型最大下泵深度参考表

机型

冲程

冲次

最大下泵深度×103（m）

16mm抽油杆

19mm抽油杆

22mm抽油杆

25mm抽油杆

38mm

44mm

38mm

44mm

57mm

70mm

83mm

95mm

6-3-18

1.35-1.7

1.15-1.4

1.6-1.9

1.4-1.5

1.4

0.9

0.65

0.6

6-3-26

1.2-1.4

1.0-1.25

1.4-1.65

1.2-1.4

1.4

1.0

0.7

0.65

8-3-26

1.35-1.7

1.15-1.4

1.6-2.0

1.4-1.7

1.6-2.0

1.15-1.3

0.9-0.95

0.9

8-3-37

1.2-1.4

1.0-1.25

1.4-1.7

1.2-1.4

1.4-1.6

1.05-1.3

0.8-0.95

1.0

10-3-37

1.2-1.4

1.0-1.25

1.4-1.7

1.2-1.4

1.4-1.6

1.05-1.3

0.8-0.95

1.0

0.75

10-3-53

1.2-1.4

1.0-1.25

1.4-1.7

1.2-1.4

1.4-1.6

1.05-1.3

0.8-0.95

0.95-1.15

0.75-0.95

10-4.2-53

4.2

1.2-1.4

1.0-1.25

1.4-1.7

1.2-1.4

1.4-1.7

1.05-1.3

0.8-0.95

0.95-1.0

0.75

10-5-37

1.4-

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