油气藏的研究现状论文

采油气工程的论文

采油气工程是一个运用科学的理论、方法、技术与装备高效地钻探地下油气资源、最大限度并经济有效地将地层中的油气开采到地面，安全地将油气分离、计量与输运的工程技术领域。我整理的关于采油气工程的论文，欢迎大家一起来看看！

摘要 ：纵观我国石油开采技术发展的整个历程，从其最初的探索试验阶段发展到分层开采阶段，再发展到如今的多种油藏类型采油工艺技术、采油工程智能技术等，期间走过的道路是非常曲折和艰难的，同时，这也体现了石油人的勇于奉献和不断创新的精神。随着采油技术的不断发展，它的工艺配套技术也不断完善，这使得油田的产量也不断的提高，但与此同时，要想进一步提高我们的油田产量，则仍然需要不断的改进我们的采油技术，这才能够让我国的石油工程处于良好的发展之中，才能为我国的经济带来巨大的效益。目前，我国的大多数油田已经处于高含水，高产出阶段，产量呈递减的速度，水油比上升造成的油气田开采难度越来越大。因此，研究采油技术对我国的经济发展有重大的'意义。这对我国的经济带来的帮助也是不可估量的。

关键词 ：采油技术；工艺；产量；创新

采油是油田开采的过程中，根据开采的目标通过生产井和注入井对油藏采取的各项工程技术的总称。众所周知，油田的产量高低取决于采油技术的好与坏，因此，采油技术就成为我国实现油田开采技术的重要途径，另外，采油技术还影响采油速度的快慢、最终采收率的大小、经济效益的优劣等油田生产中的重要问题。

一采油技术的分类

近年来，国内外的采油新技术发展很迅速，有物理的、生物的、化学的以及各种综合的方法等，但其本质都是在努力提高原油采收率。从技术的应用时间顺序和技术原理上来看，可分为一次采油、二次采油和三次采油。顾名思义一次采油，就是依靠油藏天然能量进行油田开采的一种方法，常见的一次采油方法有溶解气驱、弹性水驱和气顶驱等；经过一次采油之后，地层压力明显变小，需要为油井注水以平衡地下能量的减弱，这被称为二次采油。通过二次采油之后，采取注水，并应用物理和化学方法，改变流体的性质、相态等，扩大注水的波及范围以便提高驱油效率，从而再一次提高采收率。三次采油主要是依靠化学方法，辅助开采最艰难的层面油藏，一般包括碱驱、聚合物驱、表面活性剂驱、聚合物复合驱等。与二次采油相比，三次采油的特点是高投入、高技术和高效益，在二次采油水驱的基础上向油层注入排驱剂来采油，不同的排驱剂有不同的排驱机理。三次采油增油的效果非常好，近年来已经被国内外广泛重视和研究。

二 我国采油技术的现状

1. 完井工程技术 。

完井工程是衔接钻井和采油工程的，但又与其相对独立的工程，从钻开油层开始，到下套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液、直到投产的一个过程。到目前为止，我国在直井、定向斜井、丛式井、水平井的技术上面已经达到了一定的技术高度，并且掌握了多种完井的方法，比如裸眼井补管完井、下套管射孔完井、套管内外绕丝筛管等完井方法。根据油田所处的地理位置及油藏情况等来确定并采用不同种类的方法，比如象华北迷雾山油藏，由于它的地质条件为碳酸盐岩裂缝油田，因此采用了裸眼完井方法，这样不但保护了生产阶段，且也取得了油井的高产，大大提高了采油率。另外，由于大庆油田属于老油田，所以采用了注水开发的方法，对加密井采用高密度钻井液完井并进行油层保护，这样取得了很大的成功。特别值得提出的是，我国在实践中发展配套了采油和钻井联合协作的技术，以保护油层、达到高产为目标。目前，我国的钻井技术较之以前有很大的发展，下套管射

孔完井、裸眼完井、各种衬管完井技术被一些油田采用，并取得了十分显著的成绩。

2. 人工举升工艺技术 。

根据各类油田在不同开发阶段的需要，在最近的五十多年中，我国发展配套和应用了多种人工举升工艺技术，比如：抽油机有杆泵采油技术、电动潜油泵采油技术、水力活塞泵采油技术、地面驱动螺杆采油技术、气举采油技术等等。借鉴国外的先进技术，又研发了井下诊断和机杆泵优化等技术问题，极大地提高了采油效率。

3. 分层注水技术 。

分层注水技术已经在多层油藏注水开发中被广泛应用，它的关键技术就是要提高注入水在地下的波及效率。早在多年前，克拉玛依油田就在调整中应用了分层注水技术，并且取得了非常好的效果。研究成功的管式活动配水器和支撑式封隔器，在油田的分注中发挥了一定的积极作业，并且取得的结果非常令人满意。90年代河南油田、大庆油田进一步研究成功了液压投捞式分层注水管柱、并且达到了一次可测试、调整多层的细分注水的目的。

4. 热超导技术 。

热超导技术是控制物质的热阻，并且使它趋近于零，它主要是利用化学技术，在封闭的管体内加入复合的化学介质，利用物质受热不均产生的相变，激活气状分子，使其在巨大的气化潜热中以声速传递热量。热超导技术主要有两种，第一种是能耗自平衡稠油技术，它主要是利用超导液，在地下注入超导液之后，利用其导热的性能，把地下的热能传递到井口，从而提高井口产出液的温度。在不经过任何加热装置辅助的情况下，最大限度地实现清蜡降粘、减少抽油机悬点载荷、提高泵效的节能目标。另外一种是超导加热热洗技术，它是将应用超导技术加热之后的产出液注入到油套内，通过循环升高井筒内的温度，从而实现清蜡降粘的目的。采用这种技术的好处是环保，并且成本低、效率高，而且安全可靠，是油田普遍应用的一种技术。

另外，我国的采油技术还有压裂、酸化工艺技术，堵水、调剖工艺技术，稠油及超稠油开采技术，多层砂岩油藏“控水稳油”配套技术等。

三 目前采油技术遇到的问题

常规采油工艺难以满足目前开发的需要，主要体现在：一是大泵提液技术越来越大，目前应用的大抽液泵主要有泵和泵两种。二是有杆泵加深泵挂受到限制。三是斜井采油技术需要进一步突破，由于需要加深的泵挂，部分油井的杆、管等抽油设备进入斜井段。四是高温限制了电潜泵的应用范围。另外就是开发后期的垢、绣现象日益严重；重复堵水的措施的效果日益变差了等。

四 采油技术的前景展望

未来采油技术的发展趋势主要体现在复合驱油法、混相法、热力采油法、微生物法等等。并且在未来油田的生产中，生物工程技术也将会得到广泛的应用。由于生物技术在其他行业的广泛应用，并且取得良好的效果，这便使其成为采油技术的一种新的研究。随着老油田注水开采的延续，石油的综合含水的不断上升，污水处理已经成为一个棘手的问题，而生物工程技术具有污染小、成本低的特点，这使得它将成为油田采油技术中的一项新的技术，而且会不断地提高原油采收率。

另外，碳纳米管在油井中也得到了广泛的应用，其密度小，但强度却是钢的100倍。未来的油田开采中将会利用其轻、柔软、结实等特点，制作油管或抽油杆，其性能会比现在的钢管更强，这将为油田的开发和挖潜做出更大的贡献。

根据我国石油和天然气的发展战略，针对西部油区的油井深度大、产量变化范围广、地质矿藏多样以及复杂、气候恶劣、天然气充足等特点，应该采用较先进的采油技术，从而提高开采的效率，这对我国的经济发展起到了促进的作用。

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穆海朋1，2，3 马开华1 丁士东1 周仕明1

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石油大学（北京），北京 102249）

摘 要 随着钻遇低压地层的增多，国内与之相适应的密度减轻材料的研究不足体现得越来越明显，特别是具有较高承压能力的高性能空心玻璃微珠类材料研究显得尤为不足。笔者调研了国内外相关领域对空心微珠的研究认为，尽管国外在该领域的研究处于领先位置，但目前还未见到高性能空心微珠制备理论的相关报道；空心玻璃微珠的成分、粒径相近时，密度越大的微珠抗压强度相对较大；在成分、密度相近时，粒径越小的微珠抗压强度相对较大；从物理本质出发，可将空心微珠研制的方法划分为化学沉积法、溶液烘干成球法和粉体熔融成球法3类；对于高性能空心微珠的研制，笔者建议针对空心微珠壳层的化学组分进行研究，以得到胶结好、耐高温的壳层；在工艺上，建议采用高温熔融充气的方法，熔融态可以使壳层结构更加致密，并且可以通过控制送料和送气的速率来更好地控制空心度和球壳的大小。

关键词 空心玻璃微珠 密度减轻材料 低密度水泥浆 低密度钻井液 油气井

Research Development of Low Density Hollow Glass Superbead

MU Haipeng1，2，3，MA Kaihua1，DING Shidong1，ZHOU Shiming1

（ Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China； Exploration ＆ Production Research Institute，Beijing 100083，China； University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract With the increase of low pressure formations we are drilling，the deficiency of research in low density material appears more at this matter，the writer has surveyed the research of hollow glass superbead in correlative domain，the latter conclusion we can research level of hollow glass superbead with high strength is still very low，and it needs study in a deep-going some hollow glass superbeads have similar component and grain size，the one which has higher density possesses higher some hollow glass superbeads have similar component and density，the one which has smaller grain size possesses higher are three method to prepare the hollow glass superbead，such as electroless plating method， solution drying method，powder fusion technics of preparing hollow glass superbead contains chemical constituent of lamella，sphere forming and hollow research hollow glass suiperbeads with high strength，the authors propose the suggestions below：first，study the chemical composition of materials，to get good cementation lamella with anti high temperature capability；second，use material at fusion state and blow gas，because this will make the lamella more compact，and will control the hollowness ＆ the thickness of lamella moreeasier.

国家科技重大专项《海相碳酸盐岩固井完井技术研究》，项目编号：2008zx05005-006-004。

Key words hollow glass superbead；weight reducing material；light weight cement slurry；light weightmud；oil ＆ gas well

人类一个多世纪对石油的过度钻井和开采，使得现在全球范围内的石油大部分储存在能量枯竭并且较深的地层中。尽管石油储量还非常丰富，但较低的地下能量使得这些油气难以开采。欠平衡钻井技术是在钻井过程中保持井筒压力低于地层压力的钻井技术［1～3］，它兼具防漏和保护油气层的双重作用，因此是开发这些低压油气藏的较优钻井方式。应用这种钻井方式进行钻进，要求使用的钻井液和固井水泥浆都必须是高压下密度稳定的低密度体系。

高性能空心玻璃微珠是实现高压下密度稳定的低密度体系的主要材料。目前国内石油工程领域使用的这种材料大都是国外3M公司的HGS系列产品。笔者在调研国内外空心玻璃微珠在相关领域研究成果的基础上，提出了高性能空心玻璃微珠的研究思路。

1 国内外空心微珠在石油工程中的应用

目前空心玻璃微珠在石油程中的应用主要体现在低密度钻井液技术和低密度固井水泥浆技术两个方面。

低密度钻井液技术

尽管利用油包水、水包油以及充气或泡沫的方法都可以实现密度在左右的低密度钻井液体系，但是这些体系都存在着较为严重的缺陷［4］。例如，油包水或水包油钻井液使用的主要材料是柴油，这就存在着严重的环境污染问题；充气或泡沫钻井液具有较大的可压缩性，这就会使井下脉冲信号发生大幅度衰减，从而严重地制约了MWD、LWD等技术的现场应用。相对于这两种低密度钻井液体系，利用空心玻璃微珠得到的低密度钻井液一方面不会对环境产生污染，具有环境友好的优点；另一方面由于其具有不可压缩性［5，6］，从而不会影响井下脉冲信号的传递，进而可以更好地应用于利用MWD、LWD等技术的复杂结构井的钻进中。

20世纪60年代初，苏联曾用空心玻璃微珠作为密度减轻剂来进行防漏作业［7］。20世纪90年代后，美国开始使用空心玻璃微珠配置低密度钻井液［8］。近年来［9］，空心玻璃微珠低密度钻井液已成功地在美国、俄罗斯多口低压油气井和欠平衡钻井中进行了推广应用。近几年随着深井超深井技术的推广，井下压力越来越高［9～11］，因此具有较高承压能力的高强度空心玻璃微珠有助于确保低密度钻井液在井下高压作用下保持密度稳定，从而具有更好的应用推广价值。美国休斯敦的钻井研究中心的测试表明［12］，高强度的空心玻璃微珠在通过钻头喷嘴后的破碎率非常低，并且可以通过调整喷嘴的角度来减少喷嘴对空心玻璃微珠的磨损。

国内2007年孟尚志［4］等利用密度为 、的HGS产品得到了密度为和的低密度钻井液体系。得到的体系除了具有较优的流变性、降滤失特性、润滑特性之外，还具有较高的承压能力，分别可以用于1700m和2800m井深的钻井中；体系中使用的密度减轻材料HGS粒径非常小，因此在现场应用中可以确保不会影响固控设备的使用。2008年耿晓光［10］等利用HGS材料配置了密度低于 g/cm3的低密度钻井液体系，并将该体系用于大庆油田外围的扶杨低渗透储油层的开发过程。2009年陈思路［13］在沈289井的钻井中应用了密度为的HGS水包油钻井液，实现了低压潜山油气藏的人工诱导欠平衡钻井过程，并达到了保护油气层的目的。应用该技术在有效降低钻井液密度的同时，由于空心玻璃微珠的存在确保了钻柱内钻井液的纯液相状态，从而还解决了常规随钻测量仪器在多相流中不能有效传递信号的问题。

低密度固井水泥浆技术

21世纪后，美国3M公司研制出了抗压强度超过100MPa的HGS系列空心玻璃微珠。该技术的出现使得微硅-微珠复合低密度水泥浆体系实现了密度达到左右并且兼具高强度、高压力稳定性的超低密度水泥浆体系。近几年来为了满足钻井作业要求和适应复杂的井身结构的需要，对低密度钻井液的要求也随之增加，这样就使得微珠-气体泡沫低密度水泥浆技术逐渐发展、成熟。最近几年国外公司多采用在微珠低密度水泥浆的基础上［14～16］，利用泡沫技术进一步降低水泥浆密度的低密度水泥浆技术。墨西哥中南部Samaria区域存在着严重的异常低压地层钻井问题，该区域地层的破裂压力梯度非常低（～）。采取先配制密度为～的微珠水泥浆，然后将水泥浆充气至密度为。自从引进了微珠-泡沫低密度水泥浆技术之后，施工者已经能够成功地将水泥浆循环到尾管以上，提高了该地区的固井质量。

2006年国内的张宏军等［17］利用3M公司生产的HGS空心玻璃微珠研制出了密度为～ 的超低密度水泥浆体系，并成功应用于中国石化重点深探井塔深1井中。2007年孙福全等［18］在新型耐压空心微珠研究的基础上结合颗粒级配理论研制出了密度为的超低密度水泥浆体系。该体系稳定性好，水泥48h（70℃）强度不小于18MPa。2009年孙新华等［19］利用强度高、球形度好、粒度均匀的玻璃微珠，以紧密堆积理论为指导，研制出了密度为～的超低密度水泥浆体系。

2008年万伟等［20］利用超细水泥、具有活化性能的漂珠以颗粒级配理论为依据研制出了密度为～的超低密度水泥浆体系，该体系具有稳定性高、水泥体积无收缩、抗高温性能稳定等优点；并于2009年利用国外的HGS18000玻璃微珠与常用漂珠进行复配研制了密度为的超低密度水泥浆体系。2008年程荣超等［21］将分形几何理论引入到了颗粒级配模型中，建立了颗粒群分形级配模型，在此基础上研制了密度为的低密度水泥浆体系，在塔里木深井中进行了应用；并进一步利用3M微珠、超细水泥等研制得到了密度为的低密度水泥浆体系。

可以看出：这些低密度、超低密度体系大都选用3M公司的HGS产品作为减轻剂。目前还未见到国内的空心玻璃微珠类产品现场应用的相关报道，因此需要加强这方面的研究。

2 国内外高强度空心微珠的研究现状

国外空心玻璃微珠的研究

目前空心玻璃微珠的生产技术主要由国外几个大厂家掌握［12］，如3M、PQ、Emerson及日本的旭硝子公司等，其中美国的3M公司的产品占据了其国内外大部分石油工程领域的市场。美国3M公司经过多年的研究，已经形成了多个系列的空心微珠产品，并形成了7个HGS系列高性能空心玻璃微珠产品［15］。表1显了3M公司高性能空心玻璃微珠的性能，表2为3M公司主要的玻璃微珠产品。

表1 3M公司高性能空心玻璃微珠的性能

从表1中可以看出：3M公司的高性能空心玻璃微珠的主要成分是碱石灰硅酸玻璃，化学性能稳定，软化温度高达600℃，因此具有抗高温的特性。

表2 3M公司空心玻璃微珠HGS系列性能对比

从表2可以看出：

1）HGS2000—HGS6000这5种产品，粒径分布非常接近，其抗压强度与密度有关，密度越大的产品抗压强度越大。因此，在微珠颗粒粒径相近的情况下，微珠的承压能力与其密度有关，密度越大微珠的抗压强度越大。

2）HGS10000和HGS18000这2种产品，密度都是，粒径相对较小的HGS18000具有更高的强度。因此，在微珠密度相同的情况下，微珠的承压能力与其粒径有关，粒径越小微珠的抗压强度越大。

国内空心玻璃微珠的研究

国内低密度、高强度空心玻璃微珠的研究仍然缺乏，几乎完全依赖于进口。虽然在20世纪70年代国内就有研究单位开始采用炉熔融法进行空心玻璃微珠的研制工作［22～24］，但至今未能形成规模化生产。20世纪90年代初，国内也有厂家耗巨资引进一条空心玻璃微珠的研制生产线，但生产的微珠性能太差，无法满足高性能的要求。

目前国内对高性能空心玻璃微珠的研究有文献报道的只有中国科学院的理化技术研究所。中国科学院理化技术研究所潘顺龙等［22］以软化学法为基础，研制出了一条既可以提高微珠性能，又可以提高微珠成珠率的空心玻璃微珠生产工艺新路线。表3为研制的空心玻璃微珠承压性能。

表3 国内空心玻璃微珠性能

从表3可以看出：密度为时，12MPa压力下该玻璃微珠破碎率高达％；当密度达到时，12MPa压力下破碎率只有％。这说明随着空心玻璃微珠密度的增大，承压能力增大。对照表2可以看出，国内高性能空心玻璃微珠的研究与国外还有较大的差距。

3 国内外空心微珠的理论研究

目前国内外制备空心玻璃微珠的方法主要有模板法、乳液法、喷雾干燥法、粉末法、液滴法和干燥凝胶法等［25～30］，但是还没有系统的空心玻璃微珠制备理论［31～34］方面的相关报道。笔者从这些方法的物理本质出发，将其划分为3类：一是化学沉淀法；二是溶液烘干成球法；三是粉体熔融成球法。

化学沉淀法制备空心球

化学沉淀法主要是利用材料在预置模板上沉积而后去除模板得到空心球。先选用特定的物质作为模板［24～27］（如聚苯乙烯微球、SiO2等硬模板微球，以及胶束、乳液液体等软模板），通过控制前驱体在模板表面组装、吸附、沉淀反应，以及利用溶胶-凝胶法等物理和化学方法形成表面包覆壳层，然后借助溶解、加热或化学反应等方法除去模板，从而获得所需材料的空心结构微球。

图1为化学沉淀法制备空心微球的示意图。主要包括3个步骤：(1)选取适当尺寸的球形实心球作为模板；(2)利用溶胶-凝胶法、层层自组装法、界面反应法等方法在实心球表面沉淀形成壳；(3)利用溶解、加热或化学反应等方法去除壳内模板。

图1 化学沉淀法制备空心球的原理

该方法可以通过控制反应物的增加量来控制壳体的厚度；通过选用预置模板球的大小来控制空心的大小。

溶液烘干法制备空心球

液滴法、乳液法和喷雾干燥法［28～31］都属于这类方法。这类方法采用的原料必须是水溶性的，首先将材料溶于水形成稳定的体系；然后利用液滴发生器使溶液在干燥器或者高温立式炉中下落，下落过程中吹气形成空心球；之后干燥、精炼、冷却、收集（图2）。这类方法的主要设备有立式液滴炉、液滴发生器等。

图2 溶液烘干法制备空心球示意

粉体熔融制备空心球

热熔融法主要是使材料达到高温熔融态，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球状，并进行吹气处理或内部发泡进而形成空心球（图3）。常用的粉末冶金法、干燥凝胶法［32～34］都属于这种类型的方法。

图3 熔融法制备空心球的原理

上述几种理论方法尽管过程不一样，但都主要包括两个理论：一是成球理论；二是空心化理论。成球理论主要有3种：利用预置球体模板、液滴重力下成球以及熔融态表面张力作用成球。空心化理论也主要有3种：消除预置内核、充气成空心以及内部发泡成空心。

4 结论及建议

结论

1）随着深井、超深井技术的推广以及能量枯竭地层的增多，高压下密度稳定的低密度钻井液、低密度水泥浆技术的应用越来越多，然而目前国内使用的高性能空心玻璃微珠大部分是国外3M公司的产品，这就需要加强高性能空心玻璃微珠的研发力度。

2）空心玻璃微珠成分相近时，承压能力与密度、粒径等多方面因素有关；在微珠颗粒粒径相近的情况下，微珠的承压能力与其密度有关，密度越大微珠的抗压强度越大；在微珠密度相同的情况下，微珠的承压能力与其粒径有关，粒径越小微珠的抗压强度越大。

3）目前空心球制作的原理主要有化学沉淀法、溶液烘干成球法以及粉体熔融成球法3种。这几种理论方法尽管过程不一样，但都主要包括成球理论和空心化理论。成球理论主要有3种，空心化理论也主要有3种。

建议

通过调研分析，建议从以下几个方面对高性能空心微珠密度减轻材料进行研究：

1）针对空心微珠壳层的化学组分进行研究，以得到胶结好、耐高温的壳层。

2）在成球工艺上，建议采用高温熔融的成球方法。相对于化学沉淀和溶液烘干的方法，材料在高温熔融状态形成的结构会更加致密。

3）在空心工艺上，建议采用充气的方法，可以通过控制送料和送气的速率来控制空心度和球壳的大小。预置内核的方法更适用于化学沉淀法；内部发泡的方法，其发泡的大小不易控制，容易使壳变得不均匀。

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