石油是怎么個開采法的？

【專家解說】：海上油氣開發(fā)  海上油氣開發(fā)與陸地上的沒有很大的不同，只是建造采油平臺的工程耗資要大得多，因而對油氣田范圍的評價工作要更加慎重。要進(jìn)行風(fēng)險分析，準(zhǔn)確選定平臺位置和建設(shè)規(guī)模。避免由于對地下油藏認(rèn)識不清或推斷錯誤，造成損失。60年代開始，海上石油開發(fā)有了極大的發(fā)展。海上油田的采油量已達(dá)到世界總采油量的20％左右。形成了整套的海上開采和集輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備和技術(shù)。平臺的建設(shè)已經(jīng)可以抗風(fēng)、浪、冰流及地震等各種災(zāi)害，油、氣田開采的水深已經(jīng)超過200米。   當(dāng)今世界上還有不少地區(qū)尚未勘探或充分勘探，深部地層及海洋深水部分的油氣勘探剛剛開始不久，還會發(fā)現(xiàn)更多的油氣藏，已開發(fā)的油氣藏中應(yīng)用提高石油采收率技術(shù)可以開采出的原油數(shù)量也是相當(dāng)大的；這些都預(yù)示著油、氣開采的科學(xué)技術(shù)將會有更大的發(fā)展。   石油是深埋在地下的流體礦物。最初人們把自然界產(chǎn)生的油狀液體礦物稱石油，把可燃?xì)怏w稱天然氣，把固態(tài)可燃油質(zhì)礦物稱瀝青。隨著對這些礦物研究的深入，認(rèn)識到它們在組成上均屬烴類化合物，在成因上互有聯(lián)系,因此把它們統(tǒng)稱為石油。1983年9月第11次世界石油大會提出，石油是包括自然界中存在的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)烴類化合物以及少量雜質(zhì)組成的復(fù)雜混合物。所以石油開采也包括了天然氣開采。   石油在國民經(jīng)濟(jì)中的作用  石油是重要能源，同煤相比，具有能量密度大（等重的石油燃燒熱比標(biāo)準(zhǔn)煤高50％）、運(yùn)輸儲存方便、燃燒后對大氣的污染程度較小等優(yōu)點(diǎn)。從石油中提煉的燃料油是運(yùn)輸工具、電站鍋爐、冶金工業(yè)和建筑材料工業(yè)各種窯爐的主要燃料。以石油為原料的液化氣和管道煤氣是城市居民生活應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)燃料。飛機(jī)、坦克、艦艇、火箭以及其他航天器，也消耗大量石油燃料。因此，許多國家都把石油列為戰(zhàn)略物資。   20世紀(jì)70年代以來，在世界能源消費(fèi)的構(gòu)成中，石油已超過煤而躍居首位。1979年占45％，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，這種情況不會有大的改變。石油制品還廣泛地用作各種機(jī)械的潤滑劑。瀝青是公路和建筑的重要材料。石油化工產(chǎn)品廣泛地用于農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、紡織工業(yè)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等部門，如合成纖維、塑料、合成橡膠制品，已成為人們的生活必需品。   1982年世界石油產(chǎn)量為26.44億噸，天然氣為15829億立方米。1973年以來，三次石油漲價和1982年的石油落價，都引起世界經(jīng)濟(jì)較大的波動（見世界石油工業(yè)）。   油氣聚集和驅(qū)動方式  油氣在地殼中生成后，呈分散狀態(tài)存在于生油氣層中，經(jīng)過運(yùn)移進(jìn)入儲集層，在具有良好保存條件的地質(zhì)圈閉內(nèi)聚集，形成油氣藏。在一個地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)可以有若干個油氣藏，組合成油氣田。   儲層  貯存油氣并能允許油氣流在其中通過的有儲集空間的巖層。儲層中的空間,有巖石碎屑間的孔隙,巖石裂縫中的裂隙，溶蝕作用形成的洞隙?？紫兑话闩c沉積作用有關(guān)，裂隙多半與構(gòu)造形變有關(guān)，洞隙往往與古巖溶有關(guān)?？障兜拇笮?、分布和連通情況，影響油氣的流動，決定著油氣開采的特征（見石油開發(fā)地質(zhì)）。   油氣驅(qū)動方式  在開采石油的過程中，油氣從儲層流入井底,又從井底上升到井口的驅(qū)動方式。主要有:①水驅(qū)油藏，周圍水體有地表水流補(bǔ)給而形成的靜水壓頭；②彈性水驅(qū)，周圍封閉性水體和儲層巖石的彈性膨脹作用；③溶解氣驅(qū)，壓力降低使溶解在油中的氣體逸出時所起的膨脹作用；④氣頂驅(qū)，存在氣頂時，氣頂氣隨壓力降低而發(fā)生的膨脹作用;⑤重力驅(qū),重力排油作用。當(dāng)以上天然能量充足時，油氣可以噴出井口；能量不足時，則需采取人工舉升措施，把油流驅(qū)出地面（見自噴采油法，人工舉升采油法）。   石油開采的特點(diǎn)  與一般的固體礦藏相比，有三個顯著特點(diǎn)：①開采的對象在整個開采的過程中不斷地流動，油藏情況不斷地變化，一切措施必須針對這種情況來進(jìn)行，因此，油氣田開采的整個過程是一個不斷了解、不斷改進(jìn)的過程；②開采者在一般情況下不與礦體直接接觸。油氣的開采，對油氣藏中情況的了解以及對油氣藏施加影響進(jìn)行各種措施，都要通過專門的測井來進(jìn)行；③油氣藏的某些特點(diǎn)必須在生產(chǎn)過程中，甚至必須在井?dāng)?shù)較多后才能認(rèn)識到，因此，在一段時間內(nèi)勘探和開采階段常?；ハ嘟豢椩谝黄穑ㄒ娪蜌馓镩_發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)）。   要開發(fā)好油氣藏，必須對它進(jìn)行全面了解，要鉆一定數(shù)量的探邊井，配合地球物理勘探資料來確定油氣藏的各種邊界（油水邊界、油氣邊界、分割斷層、尖滅線等）；要鉆一定數(shù)量的評價井來了解油氣層的性質(zhì)（一般都要取巖心），包括油氣層厚度變化，儲層物理性質(zhì)，油藏流體及其性質(zhì),油藏的溫度、壓力的分布等特點(diǎn),進(jìn)行綜合研究，以得出對于油氣藏的比較全面的認(rèn)識。在油氣藏研究中不能只研究油氣藏本身，而要同時研究與之相鄰的含水層及二者的連通關(guān)系（見油藏物理）。   在開采過程中還需要通過生產(chǎn)井、注入井和觀察井對油氣藏進(jìn)行開采、觀察和控制。油、氣的流動有三個互相聯(lián)接的過程：①油、氣從油層中流入井底；②從井底上升到井口；③從井口流入集油站，經(jīng)過分離脫水處理后，流入輸油氣總站，轉(zhuǎn)輸出礦區(qū)（見油藏工程）。   石油開采技術(shù)   測井工程  在井筒中應(yīng)用地球物理方法，把鉆過的巖層和油氣藏中的原始狀況和發(fā)生變化的信息，特別是油、氣、水在油藏中分布情況及其變化的信息，通過電纜傳到地面,據(jù)以綜合判斷,確定應(yīng)采取的技術(shù)措施（見工程測井，生產(chǎn)測井，飽和度測井）。   鉆井工程  在油氣田開發(fā)中，有著十分重要的地位，在建設(shè)一個油氣田中，鉆井工程往往要占總投資的50％以上。一個油氣田的開發(fā)，往往要打幾百口甚至幾千口或更多的井。對用于開采、觀察和控制等不同目的的井（如生產(chǎn)井、注入井、觀察井以及專為檢查水洗油效果的檢查井等）有不同的技術(shù)要求。應(yīng)保證鉆出的井對油氣層的污染最少，固井質(zhì)量高，能經(jīng)受開采幾十年中的各種井下作業(yè)的影響。改進(jìn)鉆井技術(shù)和管理，提高鉆井速度，是降低鉆井成本的關(guān)鍵（見鉆井方法，鉆井工藝，完井）。   采油工程  是把油、氣在油井中從井底舉升到井口的整個過程的工藝技術(shù)。油氣的上升可以依靠地層的能量自噴，也可以依靠抽油泵、氣舉等人工增補(bǔ)的能量舉出。各種有效的修井措施，能排除油井經(jīng)常出現(xiàn)的結(jié)蠟、出水、出砂等故障，保證油井正常生產(chǎn)。水力壓裂或酸化等增產(chǎn)措施，能提高因油層滲透率太低，或因鉆井技術(shù)措施不當(dāng)污染、損害油氣層而降低的產(chǎn)能。對注入井來說，則是提高注入能力（見采油方法，采氣工藝，分層開采技術(shù)，油氣井增產(chǎn)工藝）。   油氣集輸工程  是在油田上建設(shè)完整的油氣收集、分離、處理、計(jì)量和儲存、輸送的工藝技術(shù)。使井中采出的油、氣、水等混合流體，在礦場進(jìn)行分離和初步處理，獲得盡可能多的油、氣產(chǎn)品。水可回注或加以利用，以防止污染環(huán)境。減少無效損耗（見油田油氣集輸）。   石油開采中各學(xué)科和工程技術(shù)之間的關(guān)系見圖。 石油開采   石油開采技術(shù)的發(fā)展  石油和天然氣的大規(guī)模開采和應(yīng)用，是近百年的事。美國和俄國在19世紀(jì)50年代開始了他們各自的近代油、氣開采工業(yè)。其他國家稍晚一些。石油開采技術(shù)的發(fā)展與數(shù)學(xué)、力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械工程、電子學(xué)等學(xué)科發(fā)展有密切聯(lián)系。大致可分三個階段：   初期階段  從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代。隨著內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，對油料提出了迫切的要求。這個階段技術(shù)上的主要標(biāo)志是以利用天然能量開采為主。石油的采收率平均只有15～20％，鉆井深度不大，觀察油藏的手段只有簡單的溫度計(jì)、壓力計(jì)等。   第二階段  從30年代末到50年代末，以建立油田開發(fā)的理論體系為標(biāo)志。主要內(nèi)容是：①形成了作為鉆井工程理論基礎(chǔ)的巖石力學(xué)；②基本確立了油藏物理和滲流力學(xué)體系，普遍采用人工增補(bǔ)油藏能量的注水開采技術(shù)。在蘇聯(lián)廣泛采用了早期注水保持地層壓力的技術(shù)，使石油的最終采收率從30年代的15～20％，提高到30％以上，發(fā)展了以電測方法為中心的測井技術(shù)和鉆4500米以上的超深井的鉆井技術(shù)。在礦場集輸工藝中廣泛地應(yīng)用了以油氣相平衡理論為基礎(chǔ)的石油穩(wěn)定技術(shù)?；窘⒘伺c油氣田開發(fā)和開采有關(guān)的應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)體系。   第三階段  從60年代開始，以電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)廣泛用于油、氣田開發(fā)為標(biāo)志，開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展。主要方面有：①建立的各種油層的沉積相模型，提高了預(yù)測儲油砂體的非均質(zhì)性及其連續(xù)性的能力，從而能更經(jīng)濟(jì)有效地布置井位和開發(fā)工作；②把現(xiàn)代物理中的核技術(shù)應(yīng)用到測井中，形成放射性測井技術(shù)，與原有的電測技術(shù), 加上新的生產(chǎn)測井系列,可以用來直接測定油藏中油、氣、水的分布情況，在不同開發(fā)階段能采取更為有效的措施；③對油氣藏內(nèi)部在采油氣過程中起作用的表面現(xiàn)象及在多孔介質(zhì)中的多相滲流的規(guī)律等，有了更深刻的理解，并根據(jù)物理模型和數(shù)學(xué)模型對這些現(xiàn)象由定性進(jìn)入定量解釋（見油藏?cái)?shù)值模擬），試驗(yàn)和開發(fā)了除注水以外提高石油采收率的新技術(shù)；④以噴射鉆井和平衡鉆井為基礎(chǔ)的優(yōu)化鉆井技術(shù)迅速發(fā)展。鉆井速度有很大的提高?？梢源蚋鞣N特殊類型的井，包括叢式井，定向井，甚至水平井，加上優(yōu)質(zhì)泥漿，使鉆井過程中油層的污染降到最低限度；⑤大型酸化壓裂技術(shù)的應(yīng)用使很多過去沒有經(jīng)濟(jì)價值的油、氣藏，特別是致密氣藏,可以投入開發(fā),大大增加了天然資源的利用程度。對油井的出砂、結(jié)蠟和高含水所造成的困難，在很大程度上得到了解決（見稠油開采，油井防蠟和清蠟，油井防砂和清砂，水油比控制）；⑥向油層注蒸汽，熱采技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)使很多稠油油藏投入開發(fā)；⑦油、氣分離技術(shù)和氣體處理技術(shù)的自動化和電子監(jiān)控，使礦場油、氣集輸中的損耗降到很低，并能提供質(zhì)量更高的產(chǎn)品。   靠油藏本身或用人工補(bǔ)給的能量把石油從井底舉升到地面的方法。19世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了專門開采石油的油井。早期油井很淺，用吊桶汲取。后來井深增加，采油方法逐漸復(fù)雜，分為自噴采油法和人工舉升采油法兩類，后者有氣舉采油法和泵抽采油法（又稱深井泵采油法）兩種。 自噴采油法：  當(dāng)油藏壓力高于井內(nèi)流體柱的壓力，油藏中的石油通過油管和采油樹自行舉升至井外的采油方法。石油中大量的伴生天然氣能降低井內(nèi)流體的比重，降低流體柱壓力，使油井更易自噴。油層壓力和氣油比（中國石油礦場習(xí)稱油氣比）是油井自噴能力的兩個主要指標(biāo)。   油、氣同時在井內(nèi)沿油管向上流動，其能量主要消耗于重力和摩擦力。在一定的油層壓力和油氣比的條件下，每口井中的油管尺寸和深度不變時，有一個充分利用能量的最優(yōu)流速范圍，即最優(yōu)日產(chǎn)量范圍。必須選用合理的油管尺寸，調(diào)節(jié)井口節(jié)流器（常稱油嘴）的大小，使自噴井的產(chǎn)量與油層的供油能力相匹配，以保證自噴井在最優(yōu)產(chǎn)量范圍內(nèi)生產(chǎn)。   為使井口密封并便于修井和更換損壞的部件，自噴井井口裝有專門的采油裝置，稱采油樹（見彩圖）。自噴井的井身結(jié)構(gòu)見圖。自噴井管理方便，生產(chǎn)能力高,耗費(fèi)小,是一種比較理想的采油方法。很多油田都采取早期注水、注氣（見注水開采）保持油藏壓力的措施，延長油井的自噴期。 人工舉升采油法：  人為地向油井井底增補(bǔ)能量，將油藏中的石油舉升至井口的方法。隨著采出石油總量的不斷增加，油層壓力日益降低；注水開發(fā)的油田，油井產(chǎn)水百分比逐漸增大，使流體的比重增加，這兩種情況都使油井自噴能力逐步減弱。為提高產(chǎn)量，需采取人工舉升法采油（又稱機(jī)械采油），是油田開采的主要方式，特別在油田開發(fā)后期，有泵抽采油法和氣舉采油法兩種。 氣舉采油法：  將天然氣從套管環(huán)隙或油管中注入井內(nèi)，降低井中流體的比重，使井內(nèi)流體柱的壓力低于已降低了的油層壓力，從而把流體從油管或套管環(huán)隙中導(dǎo)出井外。有連續(xù)氣舉和間歇?dú)馀e兩類。多數(shù)情況下，采用從套管環(huán)隙注氣、油管出油的方式。氣舉采油要求有比較充足的天然氣源；不能用空氣，以免爆炸。氣舉的啟動壓力和工作壓力差別較大。在井下常需安裝特制的氣舉閥以降低啟動壓力，使壓縮機(jī)在較低壓力下工作,提高其效率,結(jié)構(gòu)和工作原理見圖。在油管外的液面被壓到氣舉閥以下時，氣從A孔進(jìn)入油管,使管內(nèi)液體與氣混合,噴出至地面。管內(nèi)壓力下降到一定程度時,油管內(nèi)外壓差使該閥關(guān)閉。管外液面可繼續(xù)下降。油井較深時，可裝幾個氣舉閥，把液面降至油管鞋，使啟動壓力大為降低。 氣舉采油法：   氣舉井中產(chǎn)出的油、氣經(jīng)分離后，氣體集中到礦場壓縮機(jī)站,經(jīng)過壓縮送回井口。對于某些低產(chǎn)油井,可使用間歇?dú)馀e法以節(jié)約氣量，有時還循環(huán)使用活塞氣舉法。   氣舉法有較高的生產(chǎn)能力。井下裝置簡單，沒有運(yùn)動部件，井下設(shè)備使用壽命長，管理方便。雖然壓縮機(jī)建站和敷設(shè)地面管線的一次投資高，但總的投資和管理費(fèi)用與抽油機(jī)、電動潛油泵或水力活塞泵比較是最低的。氣舉法應(yīng)用時間較短，一般為15～30％左右；單位產(chǎn)量能耗較高，又需要大量天然氣；只適用于有天然氣氣源和具備以上條件的地區(qū)內(nèi)有一定油層壓力的高產(chǎn)油井和定向井,當(dāng)油層壓力降到某一最低值時,便不宜采用；效率較低。 泵抽采油法：  人工舉升采油法的一種（見人工舉升采油法）。在油井中下入抽油泵，把油藏中產(chǎn)出的液體泵送到地面的方法，簡稱抽油法。此法所用的抽油泵按動力傳動方式分為有桿和無桿兩類。   有桿泵  是最常用的單缸單作用抽油泵（圖1），其排油量取決于泵徑和泵的沖程、沖數(shù)。有桿泵分桿式泵、管式泵兩類。一套完整的有桿泵機(jī)組包括抽油機(jī)、抽油桿柱和抽油泵（圖2）。 泵抽采油法 泵抽采油法   抽油機(jī)主要是把動力機(jī)(一般是電動機(jī))的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動，帶動抽油桿和泵，抽油機(jī)有游梁式和無游梁式兩種。前者使用最普遍，中國一些礦場使用的鏈條抽油機(jī)屬后一種（見彩圖）。抽油桿柱是連接抽油機(jī)和抽油泵的長桿柱,長逾千米,因交變載荷所引起的振動和彈性變形，使抽油桿懸點(diǎn)的沖程和泵的柱塞沖程有較大差別。抽油泵的直徑和沖程、沖數(shù)要根據(jù)每口油井的生產(chǎn)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算來優(yōu)選。在泵的入口處安裝氣體分離裝置——?dú)忮^，或者增加泵的下入深度，以降低流體中的含氣量對抽油泵充滿程度（即體積效率）的影響。 泵抽采油法   有桿泵是一個自重系統(tǒng),抽油桿的截面增加時,其載荷也隨著增大。各種材質(zhì)制成的抽油桿的下入深度，都是有極限的，要增加泵的下入深度，主要須改變抽油桿的材質(zhì)、熱處理工藝和級次。根據(jù)抽油桿的彈性和地層流體的特征，在選擇工作制度時，要選用沖程、沖數(shù)的有利組合。有桿泵的工作深度在國外已超過 3000m,抽油機(jī)的載荷已超過25t，泵的排量與井深有關(guān),有些淺井日排量可以高達(dá)400m3,一般中深井可達(dá)200m3,但抽油井的產(chǎn)量主要根據(jù)油層的生產(chǎn)能力。有桿抽油機(jī)泵組的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,維修管理方便,在中深井中泵的效率為50％左右，適用于中、低產(chǎn)量的井。目前世界上有85％以上的油井用機(jī)械采油法生產(chǎn)，其中絕大部分用有桿泵。   無桿泵  適用于大產(chǎn)量的中深井或深井和斜井。在工業(yè)上應(yīng)用的是電動潛油泵、水力活塞泵和水力噴射泵。   電動潛油泵  是一套多級離心泵和電動機(jī)直接連接的機(jī)泵組。由動力電纜把電送給井下的電機(jī)以驅(qū)動離心泵，把井中的流體泵送到地面，由于機(jī)泵組是在套管內(nèi)使用，機(jī)泵的直徑受到限制,所以采取細(xì)長的形狀（圖3）。為防止井下流體(特別是水)進(jìn)入電樞使電機(jī)失效，需采取特殊的密封裝置，并在泵和電動機(jī)的連接部位加裝保護(hù)器。泵的排量受井眼尺寸的限制,揚(yáng)程決定于泵的級數(shù),二者都取決于電動機(jī)的功率。電動潛油泵適用于中、高產(chǎn)液量，含氣和砂較少的稀油或含水原油的油井。一般日排量為100～1000m3、揚(yáng)程在2000m以內(nèi)時，效率較高,可用于斜井。建井較簡單，管理方便，免修期較長，泵效率在60％左右；但不適用于高含氣的井和帶腐蝕性流體的井，下井后泵的排量不能調(diào)節(jié)，機(jī)泵組成本較高，起下作業(yè)和檢修都比較復(fù)雜。 泵抽采油法   水力活塞泵  利用地面泵注入液體驅(qū)動井下液壓馬達(dá)帶動井下泵，把井下的液體泵出地面。水力活塞泵的工作原理與有桿泵相似，只是往復(fù)運(yùn)動用液壓馬達(dá)和換向閥來實(shí)現(xiàn)（圖 4）。水力活塞泵的井下泵有單作用和雙作用兩種，地面泵都用高壓柱塞泵。流程有兩種：①開式流程。單管結(jié)構(gòu)，以低粘度原油為動力液，既能減少管道摩擦阻力，又可降低抽出油的粘度，并與采出液混在一起采出地面。②閉式流程。用輕油或水為動力液,用水時要增添潤滑劑和防腐劑,自行循環(huán)不與產(chǎn)出的液體相混，工作過程中只需作少量的補(bǔ)充。水力活塞泵可以單井運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以建泵組集中管理，排量適應(yīng)范圍寬，從每日幾十到上千立方米等，適用于深井、高揚(yáng)程井、稠油井、斜井。優(yōu)點(diǎn)是可任意調(diào)節(jié)排量，起下泵可不起油管，操作和管理方便。泵效率可達(dá)85％以上。缺點(diǎn)是地面要多建一條高壓管線,動力液要處理,增加了建井和管理成本。 泵抽采油法   水力射流泵  帶有噴嘴和擴(kuò)散器的抽油泵（圖5）。水力射流泵沒有運(yùn)動零件,結(jié)構(gòu)簡單,成本低，管理方便，但效率低，不高于30～35％，造成的生產(chǎn)壓差太小，只適用于高壓高產(chǎn)井。一般僅在水力活塞泵的前期即油井的壓力較高、排量較大時使用；當(dāng)壓力降低、排量減少時，改用水力活塞泵。