石油是怎么采掘到地面的呢？_张烈辉.pdf

图1 美国夏威夷Mauna Loa火山喷发图2 墨西哥湾“深水区地平线”钻井平台井喷事故现场16石油知识 双月刊烃声/VOICE OF HYDROCARBONS石油是怎么采掘到地面的呢？策划：王瑞 文字：张烈辉 朗读：阎文宇（一）地球物理学家和地质学家利用地震勘探技术给地球做“B超”，找到石油与天然气在哪里，在什么地方聚集，最有可能在哪个区域集中等，然后，通过钻井建造一个从地面到地下的通道，进一步确定这些岩层中是否含有石油与天然气，这些石油与天然气究竟在什么深度、大概有多少、是否具有工业开采价值等。那么，钻井完工以后，地下的油气是否就乖乖地、自发地冒到地面呢？这个问题还要进一步探讨。我们知道，地球内部的热能是一种天然的能量，火山喷发就是其最强烈的表现，比如，2022年1月15日发生的汤加火山喷发就是如此。高温熔融状态的岩浆主要集中在离地表几百千米以下的上地幔层内，由于受到沉重的上覆岩层的压力，处于一种强烈的压缩状态，一旦出现裂缝，岩浆会沿着压力较弱的裂缝和地层浅薄处猛烈地喷发出来，喷出地面几千米高，气势壮观。同样地，油气深埋地下几百米、几千米甚至上万米，油气藏中也存在天然能量。而且，不同深度蕴藏的能量也不一样。世界上已发现的油气藏温度最高达200，地层压力接近200兆帕，相当于2万米海水深处的压力，是异常高温高压油气藏。例如，我国塔里木油田的克深区块油气藏深度达7000米，温度达193，地层压力达165兆帕，相当于16500米海水深处的压力，比马里亚纳海沟最深处11034米的压力还大，其中克深902井钻井深度达8028米，是世界上典型的高温高压油气藏。油气藏深埋在地下，储层岩石中的流体如石油、天然气和地层水都具有弹性，在上覆沉积岩层的重压下处于高度压缩状态，聚集较大的弹性能量，一旦油气层找到通道与地面连通，例如钻井建造的井眼、断层、裂缝等，地下能量就会释放，如果控制不好，就会造成重大的灾难。2010年4月20日，英国石油公司位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生井喷爆炸着火事故，钻井平台沉入海底，大面积海域受到严重污染。2003年12月23日，轰动全国的重庆开县罗家16H井重大井喷事故，65000人被紧急疏散安置。与此同时，地下的油气一旦找到流动的通道，有的就会因为地面、地下的压力差，势不可挡地喷出地面。好比液化罐中的天然气，一旦罐子的阀门打开，罐中的气体将带着巨大的“嘶嘶”声喷薄而出。随着地层中的流体沿着井筒通道源源不断地“涌”到地面，靠近井筒的地层压力自然就会下降，地下又会形成各种各样动力推动远离井筒的油气流向井底。因此，人们在初期采掘地下油气，就是利用油气藏自身的天然能量来实现的。通常，地下油气藏有五种天然能量助力油气采掘。一是靠油气藏的弹性能量采出部分油气。地下油气藏扫一扫 听一听图3 挤海绵图4 边水、底水油藏示意图2023 年第 1 期172023 年第 1 期底井筒地面的原油流动通道。采掘原油过程中，当地层压力下降到某一压力值（称之为饱和压力）时，溶解在原油中的天然气就会挣脱束缚从原油中不断“逃逸”出来，成为一个一个独立的气泡。随着采掘的进行，地层压力进一步降低，“逃逸”出来的一个一个独立、分散、自由流动的气泡变大、合并形成连续流动的气体，气体体积逐渐增大、膨胀将原油“推”向井底，这就是溶解在原油中的气体的作用，这种方式专业上称之为溶解气驱动。其实，这种方式也是弹性驱动的一种，不过它的弹性能量主要是气泡的膨胀，而不是液体和岩石的膨胀。因此，这种方式采掘过程中，压力下降很快，采掘出的原油量降得也快，特别是当“逃逸”出的气体进入井底后，气把油“排挤”到了一边，原油就几乎产不出来了，采掘出来的就基本上是气体了。四是靠油藏顶部或上部的天然气可采出部分原油。有的油藏在油层上方或顶部还有一个气层，就好像油层顶部戴了一顶“帽子”，“帽子”中的天然气处于高度压缩状态。采掘原油时，地层压力下降，它们会膨胀“推”动原油运动图5 气顶驱油藏能膨胀、可收缩。为什么这么讲呢？因为它里边的液体是可压缩的，它里边坚硬如铁板的岩石也是可压缩的。一个四周完全封闭的油气藏可以简单地看成一个充满了气的皮球，如果我们在这个皮球上刺一个小孔，皮球里面受压缩的气体就会喷出来。同样的道理，当钻井工人从地面钻一口井到地下油层，地面压力低，油层压力高，地下地面就会有很大的压力差，在这个压力差的作用下，上覆地层就像挤海绵一样将石油从油层挤到油井，并通过井眼“冒”出地面。其实，这个“挤海绵”的过程，有两个推手。一是地层压力下降，液体自身体积膨胀，二是岩石进一步被压缩，充满液体的空隙逐渐减小。这一“胀”一“缩”共同作用，迫使地层原油最终“冒”到地面，这种方式俗称弹性驱动。这种驱动方式有时威力很大，破坏性很强，可能会导致地面下沉。例如，加利福尼亚州的长滩威明顿油田开采就造成了城市下降。二是靠与油气藏相连通的天然水域的能量采出部分油气。地下油气藏往往与一个很开阔的天然水域连通，并非都是四周封闭的。与四周封闭的油藏不同，这类油藏采掘过程中，地层压力下降，与其连通水域的水会“侵”入油藏，填补被采掘后的原油空间，阻止压力下降，这种方式专业上称之为水压驱动。不过，有些情况下水域的存在并非是好事。例如，对于存在裂缝，尤其是存在大裂缝的油气藏，如果与其连通的水域面积大、水体的能量很强，油气采掘过程中水会沿裂缝快速“突”进或“窜”进。当水“跑”得比油气更快，就可能导致油气井过早见水，甚至水淹油气藏，采掘出来的油气产量低。例如，菲律宾海上一个小的Nido油田就发生了这种情况，强烈的底水能量导致油井过早水淹，公司被迫关闭。我国四川威远震旦系气藏，由于强烈的底水作用和大裂缝的存在，气井过早见水、水淹，导致气藏全面停产并关闭。三是靠原油中溶解的天然气也可采出部分油气。地下原油与地层水最大的区别就是溶解了天然气，有时溶解的天然气量还很大。一旦钻井钻开油层，便形成油层井图6 二次采油18石油知识 双月刊烃声/VOICE OF HYDROCARBONS到井底，这种方式称为气顶膨胀驱动，也叫气压驱动。这种方式采掘过程中，地层压力和采掘出的原油量下降很快。当地层中膨胀的天然气到达井底后，气把油“排挤”到一边，油井就基本上只产气，几乎采不出油了。因此，对于这类油藏，石油工程师们绞尽脑汁想办法，先采掘油藏中的油，让气层中的天然气“均匀”膨胀推动油到井底，待将油“吃干榨尽”之后再来采掘“帽子”中的气。这种方式采掘出的原油可以达到整个油藏地质储量的20%30%，一般高于溶解气驱动方式。五是依靠油层自身的重力可采掘出部分油气。大家都知道，地球上任何物体都有重力，地下油、气也不例外。依靠油层中原油本身重力作用将油推入井中，称之为重力驱动。什么情况下重力“驱”油效果最好呢？通常，当油层渗透性较好、油层较厚、油层倾斜且较陡时，重力驱动是最有效的。重力作用有时威力很大，通常采掘出来的原油量可以达到总的地质储量的30%60%，是非常可观的。在油藏采掘初期，通常依靠这五种天然能量中的一种或几种的共同作用采掘出地层中的部分原油，这种采掘方式被称为“一次采油”。显然，一次采油揭开了地下油气的神秘面纱，沉睡了数百万年甚至上亿年的油气依靠自身的天然能量摆脱各种束缚，沿着“井筒”这个通道“冒”到地面。可惜的是，这种方式由于没有任何外来能量补充到油层中。随着原油采掘的不断进行，地层不断亏空，压力不断降低，最终只能采掘出原始地质储量的5%20%。道理很简单，因为岩石、流体的弹性能量是有限的。这好比弹簧被压缩一样，开始弹力很强，随着弹簧体积扩展，弹力越来越弱，最终失去弹力。正因为如此，科学家们给这种方式又取了一个名字，叫“衰竭”开采方式。（二）通常，一次采油只能采掘出原始地质储量的5%20%，那么，有没有办法在一次采油的基础上，将油气藏中更多的油气采掘出来呢？当然有的。我们已经知道，如果没有任何外来能量补充，一次采油方式下，油层会慢慢亏空，总有一天，地层中的天然能量会消耗殆尽，再没有能力助力地层中的原油“冒”到地面，大量原油没有动力运动到井底，只能滞留在地下。最严重的亏空，甚至会引起地层的下陷。例如加利福尼亚州的长滩威明顿油田，从20世纪30年代开始生产，20世纪40年代开始发现地表呈碗状沉降。碗的中心至今已经降了9米，使得城市的大部分区域下沉。因此，通常情况下，油藏靠天然能量采掘一段时间后，石油工程师们就会向地层中补充能量以此来补偿采掘造成的能量亏空。目前，通常的做法是在地面通过注入井将“水或气体”人工注入油层中。“水或气体”进入油层有两个目的：一是补充地层能量亏空以保持地层的压力，另一个目的是驱赶地层中的原油向油井方向运动，提供动力将依靠天然能量不能采掘出的那部分原油“举”到地面，这种方式习惯上称之为“二次采油”。从地面把水注入油层驱赶原油的采掘方式，称为注水驱油，简称水驱。在日常生活中，我们用水来洗锅、洗碗或者冲洗地面，除去表面的油、垢、泥、沙、灰尘及各种杂质，实际上就是水驱或水洗。其实，具体到油藏的采掘，道理也差不多。注水驱油的操作过程较为简单。一般情况下，一次采油一段时间后，油层压力降低，地层能量存在一定亏空。此时，石油工人们在地面通过泵加压，把水“灌”到油层中。水源可以由地面储罐、水塘提供，也可以是地层中某一层位的地层水通过重力作用注入等。注水井可以是直井，也可以是水平井或复杂结构井，可以是新钻的井，也可以是生产井转为注入井等。通过注水来采掘原油最关键的问题是，注入油层中的水能否非常有效地驱赶油层中的原油。大家可能会想，是不是水注得越多越好或者注水井钻得越多越好呢？其实，并非我们想象的那样简单。矿场实际情况是，水注多了，有时反而产生不利的影响。现场实际注扫一扫 听一听图7 注采井网图8 油藏CO2、N2 、烟道气、惰性气、空气图9 主要化学驱油方式2023 年第 1 期192023 年第 1 期（三）水时，石油工程师们会系统考虑很多问题。比如说，在什么地方钻井？钻多少注水井？是钻直井注水还是钻水平井注水？钻多少生产井？注水井和生产井之间距离多少合适？注水井什么时候开始注水？注多少水量合适？是快速注入还是慢慢注入？注水井是长期注或是注一个月停一个月或是注一个月停两个月？是开采早期注水还是中后期注水好？因此，注水采掘原油里边有很多学问，涉及一系列问题要准确确定。现在，油藏工程师们可以通过一系列科学的方法和技术来解决这些问题了。一般情况下，注水驱油这种方式能采掘出原始原油地质储量的30%35%。有的油藏注水驱赶原油效果不一定好，但注入气体效果却不错。注气驱油的思路与注水差不多，它是通过注入井从地面往油藏中注入气体来采掘原油。气体的种类很广泛，可以是烃类气体，如天然气、液化石油气等，也可以是非烃类气体，如二氧化碳气体、氮气、烟道气、惰性气、空气等。根据气体来源，注气驱油可分为天然气驱、二氧化碳驱、氮气驱、烟道气驱、惰性气驱、空气驱等。不过，用气“驱”油比用水“驱”油的机理要复杂很多。油藏经历了一次采油，即天然能量采掘，二次采油即注水、注气采掘之后，大概只能采出油藏中原油储量的30%40%。油藏在一次采油、二次采油之后，仍然有60%70%的原油被“束缚”在地层中成为“残余油”，这么多“残余油”躺在地下睡大觉拿不出来，实在是太可惜了。于是，石油工程师们又想出了一个奇招，就是在二次采油基础上，通过注入井向油藏里注入各种化学药剂。与二次采油最大的不同是，这些注入的化学药剂在油藏中原本不存在，它们通过物理变化、化学变化来改善油、气、水及岩石相互之间的性能，以此来进一步提高原油采掘量，这种方式专业上称之为三次采油，也称之为提高采收率方法。这就好比医生给病人开药治病一样，药到病除。这种方式是“解放”束缚在孔道中的残余油的法宝之一，通常可以多采出5%20%原始原油地质储量。目前的三次采油中，矿场普遍应用的是“化学驱”方式。简单地讲，是把化学药剂注入油层中让油藏吃“药”，从而让更多的残余油动起来，被采出来。大家知道，原油一般比水稠。因此，在同样的外力推动下，原油要比地层水跑得慢。但是，石油工人们希望地层水“跑”得慢，在“跑”的时候，能很好地推动原油运动到井底。如果地层很均质，孔洞大小差不多，渗透能力差扫一扫 听一听图11 化学驱及化学驱过程20石油知识 双月刊烃声/VOICE OF HYDROCARBONS不多，水对油的推动效果就比较好。实际上，在二次采油中，用水来驱赶地层原油时由于油水黏度的差异容易出现“指进”现象，也就是注入的水像“手指”一样参差不齐地推进，结果是油井很快产出水，长时间油水同时产出，严重时，油井被水淹，几乎只产水，不产油。如果地层中广泛存在裂缝时这种现象更严重。此外，如果地层中有诸如裂缝、优势通道等的“高速公路”，又会怎么样呢？很明显，水会沿着“高速公路”狂奔而快速到达井底，这种现象称之为“水窜”，实际上是一种水患、水害。一旦发生水窜，后果非常可怕，会导致油井大量产水甚至水淹而被迫停产。注气也会发生类似现象。目前，微生物采油技术也是国内外一项科技含量高的三次采油技术。不同于化学驱油方法，微生物采油是从地面将微生物及其营养源注入地下油层，使微生物在油层中生息繁殖，一方面改善原油物性，提高原油的流动性，一方面利用微生物在油层中生长代谢产生的气体、生物表面活性物质、有机酸、聚合物等物质来提高原油采掘量。这种方式成本低、效果好、无污染，越来越受到人们广泛的重视。一次采油、二次采油、三次采油主要用于黏度低、易于流动的稀油的采掘，对于地层中稠油这些方法可行吗？直观对比可以看到，稀油一般可以像水一样流动，而稠油却很难流动，这是稠油黏度高造成的；有的稠油黏度极高，就像“黑泥”一样，甚至可以用铁锹铲起，可以直接用手抓起来。可见，稠油的流动性极差，而如此黏稠的流体，自然很难在地层中极其狭小的孔隙内流动。不难想象，一次、二次、三次采油的方法难以有效地让稠油“动”起来，尤其是超稠油、特稠油或沥青等。有什么办法可以让难流“动”、流不“动”的稠油动起来呢？石油工程师们在实践探索中找到了一种行之有效的方法，就是往这类油藏地层中注入热能，例如通过蒸汽、热水等来加热地层，降低原油的黏度，让稠油变“稀”，流动起来，以此提高原油的采掘量，这种方式称之为热力采油方法。这一灵感源于原油的黏度及流动性能对温度变化的敏感性，这一点与我们生活中常见的食用猪油、蜂蜜类似。秋冬季节随着气温的降低，可以发现猪油、蜂蜜明显变稠，甚至变得像固体一样，但夏天时蜂蜜就会变得很稀，将猪油倒入热锅中时，会发现随着油温的升高，油逐渐变稀且非常易于流动。加热油藏的方式有很多，目前在现场常用的有注热水、注蒸汽、油层就地燃烧、电磁加热等方法。根据不同的加热方式，也形成了各种各样图10 水窜示意图因此，石油工程师们想方设法要控制这种水害。其中一种比较有效的方法是往油藏中注入化学药剂来增加水的黏度，让水变得稠点，跑得慢一点，并且让它分散进入更多流动通道中，能在更大范围内“驱”油到井里。此外，类似我们日常生活中用洗洁精洗碗，注入化学药剂的另外一个目的就是让原油挣脱岩石的“束缚”，离开岩石表面成为“自由”流动的油并在水的推动下流向井筒，这就是化学驱油方法的思路。化学驱油就是通过注入一些化学药剂，例如碱、表面活性剂，增加地层水的黏度，降低地层中水的流动能力，减少水与油在流动能力之间的差距，同时降低岩石对原油的“束缚”能力，使变“稠”后的水进入更多的孔道，以此达到增加“驱”油面积、提高“驱”油效率的目的。这种方式对水驱之后“滞留”在孔道中的“残余油”开采十分有效，因此，我们国家三次采油的主要方向是化学驱油方法。根据所使用化学物质的不同，化学驱油方式很多，目前主要有聚合物驱油、表面活性剂驱油、碱驱油等。不同方式，用的药不同，蕴含的机理不同，但目的都是在二次采油基础上进一步提高产量。图13 蒸汽驱示意图图14 凝析气藏注水、注气开发、减少凝析油损失2023 年第 1 期212023 年第 1 期的热力采油方法，例如热水驱、蒸汽驱、蒸汽吞吐、火烧油层等。凝析气藏是一种特殊的气藏，是介于油藏和气藏之间的一种特殊气藏。虽然凝析气藏也产油，称之为凝析油。但在气藏原始温度压力条件下，凝析油在地下以气相存在。而常规油藏乃至轻质油藏在地下以油相存在，伴生的气体在地下常常溶解于油，称为单一油相。一般气藏在开采过程中很少产凝析油。凝析气藏开发方式与干气藏开发方式有很大区别。对于凝析气藏来说，除了把地下天然气采出来之外，还要防止在地层压力下降时出现凝析油析出从而导致损失。因此，根据凝析气藏中凝析油的含量及经济性，目前其开发方式主要有两种：衰竭开发和保持地层压力开发。对于天然气中凝析油含量低的凝析气藏，从经济的角度来看，衰竭开发费用较低，是可取的。保持地层压力开发是提高凝析油采收率的主要方法，尤其是针对凝析油含量较高的凝析气藏，不保持压力开采，凝析油的损失可以达到原始凝析油储量的30%60%。这种方式和原油“二次采油”方式原理相同，通过向地层中注入水或气体，气体可以是干气、氮气或氮气与天然气的混合物，也可以是空气或二氧化碳。注干气通常是将气田本身产出的天然气经过凝析油回收和处理后，再回注到气藏。注水一般是针对缝洞型气藏采用水、气交替注入或同时注入，目的是改善注气时气体的波及体积，防止气窜。采用保持压力的方式需要大量的投资，要购置压缩机，而且在相当长时间内无法利用天然气。有的凝析气藏产出的气量少，不能满足回注的气量，还需要从附近的气田购买天然气。因而，有无供气气源也是决定采取什么方式保持压力的重要因素。参考文献张列辉.石油简史M.北京：石油工业出版社，2022.图12 各种各样的采油方法一次采油、二次采油、三次采油主要是针对油藏开采发展起来的。由于原油和天然气物性的差异，气藏与油藏的开发方式有很大的不同。目前，气藏的开采方式有气体膨胀驱、水驱。气体膨胀驱或气驱，主要针对干气藏，依靠气体膨胀驱动来采出气体，一次开采可以采出高达90%左右的原始天然气地质储量。究其根本，也就是靠天然能量衰竭开发。水驱，主要针对有边水、底水的气藏，与存在边水、底水的油藏的水驱类似，可分为弹性水驱气藏和刚性水驱气藏。弹性水驱气藏以气驱为主，水体区域一般较小，能量较弱，具有封闭性。刚性水驱气藏以水驱为主，此时气藏边水、底水与气藏圈闭以外的地层水或与地面天然水域有联系，水体区域很大，为无限水体。例如加拿大海狸河气田泥盆系的气藏。对于边水、底水气藏，一般只能开采出30%50%的原始天然气储量。水驱没有膨胀气驱的采收率高。