石油科普—石油开采

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石油开采

一、采油篇

1．石油史话

随着人类对石油研究的不断深入，到了20世纪，石油不仅成为现代社会最重要的能源材料，而且其五花八门的产品已经深入到人们生活的各个角落，被人们称为“黑色的金子”，“现代工业的血液”，极大地推动了人类现代文明的进程。

世界现代石油工业最早诞生于美国宾西法尼亚州的泰特斯维尔村。一个叫乔治?比尔斯的人于1855年请美国耶鲁大学西利曼教授对石油进行了化学分析，得出了石油能够通过加热蒸馏分离成几个部分，每个部分都含有碳和氢的成分，其中一种就是高质量的用以发光照明的油。1858年比尔斯请德雷克上校带人打井，1859年8月27日在钻至69英尺时，终于获得到了石油。从此，利用钻井获取石油、利用蒸馏法炼制煤油的技术真正实现了工业化，现代石油工业诞生了。

中国关于石油的记载要追朔到一千多年前，也是史不绝书，源远流长。早在公元32?92年，东汉历史学家班固所著的《汉书》中写道：高奴，有洧水，可燃。北魏郦道元在《水经注》中作了更详细的记载：“高奴县有洧水，肥可燃。水上有肥，可接取之。”后人又有叫“石漆”、石脂水、石头油。到了宋朝，沈括（1031?1095年）在《梦溪笔谈》中使用了石油这个词并亲自采集油样对石油的产状、性能、用途做了研究：“燃之如麻，但烟甚浓……疑其烟可用，试扫其煤以为墨，黑光如漆，松墨不及也……”沈括的研究揭示了石油不仅可以作为照明用而且可以提炼碳黑。他大胆预测“延川石液者是也，此物后必大行于世，自予始为之，盖石油至多，生于地中无穷。”此后虽然不少学者不断研究和论述，但是中国于石油的开采和应用始终处于原始状态。直到1905年清政府才批准建立“延长石油官厂”并于1907年7月成功打了中国大陆第一口现代油井?延1井并开始炼制煤油。1909年新疆地方政府也筹集30万两白银从俄国购置了提油机和挖油机在独山子打井成功。从此开始了中国现代石油工业的历史。

从1907年到中华人民共和国建立，四十多年漫长的岁月中，虽然历届政府都想开采石油，但是由于战乱和政治、经济腐败始终没有重大进展。到1949年全国年产量仅12万吨，原油加工能力17万吨。以新疆独山子油矿为例，新疆和平解放时职工150人，日产原油3～5吨。以至于外国有些专家预测中国是个贫油国。

1958年玉门油田年产达到105万吨。同年新疆克拉玛依获得重要发现，这是新中国建立后发现的第一个大油田。1960年大庆油田投入开发，1964年胜利油田、大港油田投入开发。1965年中国石油产品实现自给。随后辽河、中原、华北、四川、长庆、吉林等十几个油田成为重要石油生产基地。1978年全国原油产量突破一亿吨，中国终于摔掉了贫油国的帽子，跻身为世界产油大国。从1958年到1978年，仅仅用了20年的时间，中国就从一个“贫油国”一跃而成为年产亿吨的世界石油大国。这20年是中国石油工业最艰难，也是最富有朝气的迅猛发展时期，将永久地载入历史史册。目前中国从东北到华北、到中原、到西北、到海南，从陆地到海洋建立了几十个石油生产基地。其中大庆、胜利、辽河、新疆为排名前四名的特大型油田。

近几年中国海洋石油发展速度也很快，已经成为中国石油发展的新领域。地球表面约71%是海洋。目前海洋石油的勘探开发主要集中在靠近陆地的称之为大陆边缘的部分。大陆

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边缘又分为大陆架、大陆坡和大陆隆三部分。大陆架是指水深0～200米的台地部分，面积2300～2800万平方千米。专家预测石油地质储量3000亿吨，约占世界石油总储量的40%。大陆坡是指水深200～300米及可能更深的海洋盆地斜坡部分，位于大陆架外侧边缘，面积4400万平方千米。美国的加里福尼亚州和路易斯安那州的海洋石油就在大陆坡地区。大陆隆为深海区，包括火山山脉，面积约3.5亿平方千米，目前专家对在这个地区找油的前景较为悲观。

近海石油的勘探开发已有100多年的历史。1897年美国使用木制栈桥开始了第一次海洋钻井。1920年委内瑞拉搭制了木制平台进行钻井。1936年美国为了开发墨西哥湾陆上油田的延续部分，钻成功第一口海上油井并建造了木制结构生产平台，两年后，于1938年成功地开发了世界上第一个海洋油田。第二次世界大战后，木制结构平台改为钢管架平台。1964?1966年英国、挪威在水深超过100米、浪高达到30米、最高风速160千米/小时、气温至零下且有浮冰的恶劣条件下，成功地开发了北海油田。标志着人们开发海上油田的技术已臻成熟。目前已有80多个国家在近海开展石油商业活动，原油产量占世界石油总产量的30%左右。

中国大陆架是世界最宽的大陆架之一，总面积473万平方千米。据有关专家估计仅大陆架石油地质储量约250亿吨，天然气80000亿立方米。中国最早使用平台在海上打井是1963年，用土办法制造了中国第一座浮筒式钻井平台，于莺歌海距海岸4千米处打了三口井。1966年在渤海建立了第一座正式海上平台，同年12月31日渤海第一口探井开钻并于1967年6月14日喜获工业油流，从此揭开了海洋石油勘探开发的序幕。到1994年海上采集地震测线57万千米，打探井363口，发现油气构造88个，获得石油地质储量11.88亿吨、天然气地质储量1800亿立方米，年产量达到了647万吨。目前年产油量2500万吨，年产气量约50亿立方米。海洋石油勘探开发投资大，风险也大，但是由于油藏厚度大、储量丰度高、单井产量高，所以效益也高。当前仅大陆架473万平方千米的领域中，未开垦的处女地就十分广阔，如果再考虑整个大陆边缘，其发展前景更不可限量，因此海洋必将成为中国石油工业发展的新领域。

2．原油及天然气在地下是什么样子？

科学家们认为，远古时代的海洋生物死亡后，尸体和泥沙一起沉积在海底，形成“有机淤泥”。后来地壳不断沉降，有机淤泥越埋越深，最后与空气隔绝，加上地层深处的温度、压力的作用，经过复杂的物理、化学变化，逐步转化为石油和天然气。

在众多的描写石油工人为祖国贡献石油的文学作品中，常常便用“油海”、“油浪滚滚”这样的词语。那么原油在地下真的像海一样波浪滚滚吗？还是像湖泊一样平静如镜或者像长江、黄河一样川流不息呢？

日常生活中，大多数人使用过砂轮，当人们把少许水喷洒到砂轮上，会发现水立即渗入到砂轮中。众所周知，砂轮是由石英砂和胶结剂粘合而成。地下储集原油及天然气的大多数地层就像砂轮一样，也是由石英砂、长石等砾石与钙质或粘土在高温高压下胶结起来的岩石，地质上称这种岩石为砂岩。砂岩存在众多的、连通的孔隙，通常原油及天然气就储存在这些孔隙之中，如同水能储存在砂轮中一样。也有不少油层是石灰岩，石灰岩非常致密基本上没有孔隙，但由于地壳运动或水的冲刷，却有非常多的微裂缝和大大小小的溶洞。原油及天然气也能储集在这些微裂缝和溶洞中。石油工作者一项主要工作就是采用各种技术手段，把储集在孔隙中、微裂缝中的原油和天然气挤压出来，一点一滴地汇集到油井，通过油井采集到地面上来。

天然气也是储存在这些地下岩层的孔隙、微裂缝、孔洞中，有的和原油同时存在，有的

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单独存在。天然气的主要成分是甲烷，其余为不同含量的乙烷、丙烷及二氧化碳、氮气、硫化氢等。地下的天然气，在高温高压的作用下，其形态有些是溶于原油里，有些储存于油藏的顶部，还有些地层只有天然气没有石油。随着压力的降低溶于原油里的天然气也将逐步分离出来变成气体。天然气是一种清洁、便捷的燃料，能有效提高人们的生活质量。

3．油井——油层与地面的通道

人们为了取得地下水开凿了水井。水井实际是水层与地面的通道。石油和天然气埋藏在地下的油气层中，要把它开采出来，也需要在地面和地下油（气）层之间建立一条油气通道，称为油井。油井比水井复杂得多，主要由三部分组成，即井筒、完井结构和井口装置。

井筒由多层同心钢管并经水泥固结后形成。油井中下入的第一层管子叫导管，其作用是建立最初的钻井液循环通道保护井口附近的地表层；油井中下入的第二层管子叫表层套管，一般为几十至几百米，其作用是封隔上部不稳定的松软地层和浅水层；油井中下入的第三层套管叫技术套管，是钻井中途遇到高压油、气、水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时，为保证钻井能钻到设计深度而下的套管；油井中下入的最内层套管叫油层套管，油层套管的下入深度取决于油层深度和完井结构。其作用是封隔油、气、水层，建立一条供长期开采油、气的通道。以上各层套管都要用水泥与地层固结在一起，并与井口装置连接起来，形成永久性通道。正常采油生产时还要再下入油管，以便携带抽油泵、各种工具进入井内并通过油管将油气导出。

下入钢管后，仅仅建成了井眼，通道还不完善，还需要完井。完井是为满足各种不同性质油气层的开采需要，而选择的油、气层与井底的连通方式和井底结构。裸眼完井法：是指在油层部位不下入套管，整个油层完全裸露，油层与地面通过油井直接连通。农村水井常用此方法。射孔完井法：是目前油井完井中应用最多的一种方法，用一种特殊的枪对准油、气层，射穿套管和水泥环并进入地层一定的深度，使油气通过射开的孔眼流入井筒，实现油层与井筒连通。贯眼完井法：是指钻穿油气层后，把带有孔眼的套管下到油气层部位，油气从地层经过孔眼流入井筒。砾石筛管完井法：是在油层部位下入绕丝筛管，然后在筛管与井壁之间充填一定粒度砾石，油气经过筛管、穿过砾石层流入井筒。

井筒一旦和油气层连通后，就会处于高压状态，因此还必须有一套能控制和调节油气生产的设备，这套设备就叫做井口装置。主要由套管头、油管头和采油树组成，其作用是控制油气的流动。

套管头位于整个采油树的最下端，把井内各层套管连接起来，使各层套管间的环形空间密封不漏；油管头是安装在套管头上面，其作用是悬挂井内的油管，并密封油管和油层套管之间的环形空间。目前普遍采用顶丝法兰悬挂法，即在套管四通上安装一个顶丝法兰，顶丝法兰内有一上大下小的锥形通道。油管悬挂器也是一个锥形体，上带密封圈，在全井筒油管重量的拉力下，油管悬挂器牢牢地坐在顶丝法兰的座里。顶丝的作用是防止井内压力太高时将油管柱顶出。采油树，有人认为是一棵树。其实是业内对井口装置约定俗成的称谓，最早因其形似圣诞树而得名。它由闸门、四通、油嘴等组成。其作用是通过开启或关闭闸门及调节油嘴的大小，来调节油气井生产并与地面集油管线连接。

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4．石油是怎么采集到地面上来的？?兼谈自喷采油

很早很早以前，人们用最简单的提捞方式开采原油，就像用吊桶在水井中提水一样，用绞车把原油从油井中提取上来。但这种方法只适用于油层非常浅、压力很小、产量很低的油井。如1907年中国延长油矿的延1井，井深81米，日产油1～1.5吨。1911年打的延2井，井深157米，日产油100千克。当时都是用转盘绞车把原油从油井中提捞上来的。

随着石油工业的发展，越来越多产量高、油层埋藏很深的油田被发现，原来那套人工提捞的方法无法在这些油井上使用，所以逐渐被淘汰，自喷采油和各种人工举升采油的方法应运而生。

一口油井用钻井的方法钻孔、下入钢管连通到油层后，原油就会像喷泉那样，沿着油井的钢管自动向地面喷射出来。油层内的压力越大，喷出来的油就越快越多。这种靠油层自身的能量将原油举升到地面的能力，称为自喷，用这种办法采油，称为自喷采油，常发生在油井开发的初期。

那么油井为什么会自喷呢？石油和天然气深埋于地下封闭的岩石构造中，在上覆地层的重压下，它们与岩石一起受到压缩，从而集聚了大量的弹性能量，形成高温高压区。当油层通过油井与地面连通后，在弹性能量的驱动下，石油、天然气必然向处于低压区的井筒和井口流动。这就像一个充足气的汽车轮胎一样，当拔掉气门心后，被压缩的空气将喷射而出。油层与油井的沟通一般情况下靠射孔完成。射孔是用特殊的枪和子弹把套管、水泥环、油层射开。一旦射孔完成，就像拔掉了封闭油层的气门心，油气将通过油井喷射到地面。

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需要给油层补充能量，如注入水或注入天然气等，增加油层的压力，以延长油井的自喷期。

当通过注水、注气仍不能满足油井的自喷条件时，人们将采用特殊的机械装置将原油从井底抽吸出来，这就是人工举升采油方法。

5．什么是人工举升采油？

随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，油井最终会停止自喷。由于地层的地质特点，有的油井一开始就不能自喷。对于上述不能自喷的油井，必须用人工举升的方法给油流补充能量，将井底的原油采出来。目前，利用人工举升将原油从井底举升到地面的方法可分为气举法和抽油法两大类。

气举法：气举法是指地层尚有一定能量，能够把油气驱动到井底，但地层供给的能量不足以把原油从井底举升到地面上时，需要人为地把气体注入井底，将原油举升出地面的人工举升采油方式。它的举升原理和自喷井相似，是通过向油套环空注入高压气体，并通过油管上的多组气举阀在不同压力、不同井段时让一部分气体迸入油管，用以降低井筒中液体的密度，在井底流动压力的作用下，将液体排出井口。同时，注入的高压气体在井筒上升的过程中，体积逐渐增大，气体的膨胀功对液体也产生携带作用。气举适用于油井供液能力较强、地层渗透率高的油井。海上采油、深井、斜井、含砂井、含气井和含有腐蚀性成分而不宜用其他人工举升采油方式开采的油井，都可采用气举采油。气举采油的优点是井口、井下设备比较简单、管理调节比较方便；缺点是地面设备系统复杂、投资大，而且气体能量的利用率

较低。

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抽油法：抽油法主要是深井泵采油，可分为有杆泵采油和无杆泵采油两大类。

①有杆泵采油：

有杆泵采油是指抽油机通过下入井中的抽油杆，带动井下抽油泵的活塞做上下往复运动，把油抽汲到地面的人工举升采油方法。这种方法用量最多，大约占世界人工举升采油总井数的80%～90%。

②无杆泵采油：

无杆泵采油是指不用抽油杆传递动力，而是用电动机、高压液体等驱动井下泵，即用特殊的抽油泵如电动潜油离心泵、螺杆泵、射流泵、水力活塞泵开采原油。分别叫电动潜油泵

采油、螺杆泵采油、射流泵采油、水力活塞泵采油。

电动机下到几百米甚至上千米的油井里，从井口下一根特殊电缆接在潜油电动机上。当电缆供电后，潜油电动机旋转带动潜油离心泵的多级叶轮转动。每一级叶轮都给井底原油增加一定的能量，就如同抽水机给水增加压力一样。当原油经过多级叶轮转动后，压力会升得很高，于是油就从井底举到井口。潜油电动机直接带动潜油离心泵，省去了不必要的动力消耗。因此，它的功率比抽油机高得多，能节约用电。它可用于很深的高产井，也便于实现油田生产自动化。油方法如除了电潜泵之外还有螺杆泵采油、射流泵采油、水力活塞泵采油等人工举升采油方法。

6．抽油机是如何把原油抽吸到地面上来的?

进入油田放眼望去，无数台抽油机不紧不慢地上下运动，像是无数高大的毛驴在十分吃力地负重前行，驴头不停地上下摆动，类似作揖磕头，于是人们给它起了个俗名叫“磕头机”。在国内外油田，有80%的非自喷井都是用抽油机来采油的。其实仅仅有抽油机不能采油，还必须配备井下抽油泵及连接抽油泵和抽油机的抽油杆。

磕头机、抽油泵、抽油杆组合起来叫有杆泵抽油系统，这是最传统、最典型的人工举升采油方法。抽油机主要由底盘、减速箱、曲柄、平衡块、连杆、横梁、支架、驴头、悬绳器及刹车装置、电动机、电路控制装置组成。工作原理是：由电机供给动力，经传动皮带将电机的高速旋转运动传递给减速器，经两级减速后变为低速转动，并由四连杆机构将旋转运动变为驴头悬点的上下直线往复运动。抽油杆一头用钢丝绳悬挂在驴头悬点上，一头与井下抽油泵连接，带动下入井中的抽油泵工作，将井液抽汲到地面。

抽油杆是两端带螺纹的10m左右长的钢杆，一根根用螺纹连接起来，最上端连接抽油机，下端连接抽油泵活塞并将动力传递给抽油泵。

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抽油泵的原理和水井的手压式抽水泵相似，有工作筒和活塞。工作筒接在油管下部，工作筒下部有固定阀门，下到井筒液面以下。活塞是空心的，上面有游动阀，它是用抽油杆下到工作筒里去的。抽油杆带动活塞上下运动，当活塞在磕头机和抽油杆的带动下向上运动时，游动阀在液体压力下关闭，这时活塞上面的原油就从工作筒内提升到上面的油管里去，再流到地面管道中。同时，工作筒内下腔室的压力降低，油管外的原油就依靠地层压力顶开固定阀流入工作筒内。同样，当活塞在磕头机和抽油杆的带动下向下运动时，工作筒内下腔室压力升高，固定阀门关闭，工作筒内的原油就顶开游动阀排到活塞上面去，此时，油管外的原油不能进入工作筒内。这样，深井泵活塞上下往复运动，井里的原油就被源源不断地抽到油管里去，并不断地从油管排到地面。

7．天然气是怎样开采出来的?

天然气也同原油一样埋藏在地下封闭的地质构造之中，有些和原油储藏在同一层位，有些单独存在。对于和原油储藏在同一层位的天然气，会伴随原油一起开采出来。对于只有单相气存在的，我们称之为气藏，其开采方法既与原油的开采方法十分相似，又有其特殊的地方。

由于天然气密度小，为0.75～0.8千克/立方米，井筒气柱对井底的压力小；天然气粘度小，在地层和管道中的流动阻力也小；又由于膨胀系数大，其弹性能量也大。因此天然气开采时一般采用自喷方式。这和自喷采油方式基本一样。不过因为气井压力一般较高加上天然气属于易燃易爆气体，对采气井口装置的承压能力和密封性能比对采油井口装置的要求要高的多。

天然气开采也有其自身特点。首先天然气和原油一样与底水或边水常常是一个储藏体

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系。伴随天然气的开采进程，水体的弹性能量会驱使水沿高渗透带窜入气藏。在这种情况下，由于岩石本身的亲水性和毛细管压力的作用，水的侵入不是有效地驱替气体，而是封闭缝缝洞洞或空隙中未排出的气体，形成死气区。这部分被圈闭在水侵带的高压气，数量可以高达岩石孔隙体积的30%～50%，从而大大地降低了气藏的最终采收率。其次气井产水后，气流入井底的渗流阻力会增加，气液两相沿油井向上的管流总能量消耗将显著增大。随着水侵影响的日益加剧，气藏的采气速度下降，气井的自喷能力减弱，单井产量迅速递减，直至井底严重积水而停产。目前治理气藏水患主要从两方面入手，一是排水，一是堵水。堵水就是采用机械卡堵、化学封堵等方法将产气层和产水层分隔开或是在油藏内建立阻水屏障。目前排

水办法较多，主要原理是排除井筒积水，专业术语叫排水采气法。

小油管排水采气法是利用在一定的产气量下，油管直径越小，则气流速度越大，携液能力越强的原理，如果油管直径选择合理，就不会形成井底积水。这种方法适应于产水初期，地层压力高，产水量较少的气井。

泡沫排水采气方法就是将发泡剂通过油管或套管加入井中，发泡剂溶入井底积水与水作用形成气泡，不但可以降低积液相对密度，还能将地层中产出的水随气流带出地面。这种方法适应于地层压力高，产水量相对较少的气井。

柱塞气举排水采气方法就是在油管内下入一个柱塞。下入时柱塞中的流道处于打开状态，柱塞在其自重的作用下向下运动。当到达油管底部时柱塞中的流道自动关闭，由于作用在柱塞底部的压力大于作用在其顶部的压力，柱塞开始向上运动并将柱塞以上的积水排到地面。当其到达油管顶部时柱塞中的流道又被自动打开，又转为向下运动。通过柱塞的往复运动，就可不断将积液排出。这种方法适用于地层压力比较充足，产水量又较大的气井。

深井泵排水采气方法是利用下入井中的深井泵、抽油杆和地面抽油机，通过油管抽水，套管采气的方式控制井底压力。这种方法适用于地层压力较低的气井，特别是产水气井的中后期开采，但是运行费用相对较高。

8．油井为什么要清蜡？

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在油井管理中，防蜡和清蜡是一项经常性的工作。蜡是原油中的一种成分，由于油层在地下，温度高、压力大，蜡溶解在原油中。当原油沿油管流出时，温度、压力都降低，蜡就从原油中分离出来，很容易粘在油管壁上。开始较少，以后越积越多，妨碍油流通过。油管、原油和蜡就如同我们身体里的血管、血液和血脂，血液中血脂含量高，就会附着在血管壁上，阻碍血液循环，损害我们健康的身体。同样，原油中蜡的析出会严重影响油井正常生产，因此需要经常清除。

要保证油井畅通，我们应该像对待疾病态度一样，即以预防为主，并且坚持防、清并举的方针。首先需要阻止蜡的析出和蜡附着在管壁上，其次需经常清蜡。长期以来，石油工作者对于防蜡、清蜡技术十分重视，在生产实践中创造出了一些实用的工艺技术。

（1）防蜡：

在温度高、原油中轻质成分含量高的井中，因油中的蜡不易析出，可不采取措施。在不具备上述条件的含蜡井中，必须选择合理的工作制度，使油井保持一定的压力，防止油中的溶解气过早逸出。因溶解气逸出会降低蜡的溶解能力。

如果油中的蜡已经析出，人们要在表面比较粗糙的油管壁上，衬上一层很薄的又不易粘结石蜡的玻璃或是涂上一层涂料，通常叫玻璃衬里油管或叫涂料油管。这样蜡就不容易粘结在油管壁上，容易被原油携带到地面上。实践证明这种防蜡效果十分显著。

（2）清蜡：

由于使用玻璃衬里油管或涂料油管会增加开采成本，难以大范围应用。即便使用了，频繁的修井作业也会损坏玻璃衬里或涂料。因此防蜡的成功率不可能达到100%，这就还需要清蜡。清蜡就是把已经粘结在油管壁上的蜡及时清除掉。当前大量应用的有机械清蜡和化学清蜡等方法。

机械清蜡就是把一种特制的刮蜡器下入井内，有些固定在抽油杆上，随抽油杆上下往复运动。有些刮蜡器设计得很巧妙，可以自动地沿着抽油杆在一定的井深范围内上下爬行。从而把粘结在油管壁上的蜡刮掉，然后随原油流到地面。

化学清蜡就是用药剂或加热的办法把粘在油管壁上的蜡熔化掉。加热的方法有电加热、热油循环、蒸汽加热等，这可根据油井的具体情况而选择。目前各油田应用较多的是热油循环清蜡方法。

9．压力表——采油工人的“火眼金睛”

进入油田，你会发现到处有压力表。当你与采油工聊天时，每个采油工都会如数家珍般报出一连串油井压力数据，令你目瞪口呆。一个油田有很多口油井，少则几百口，多则几千口、上万口油井。每一口油井都要连续生产很多年。所以，要开发好一个油田就必须管理好每一口油井。

搞好油井管理重要的环节是必须准确地求取各项生产数据。油井的管理和汽车、车床等设备的管理不同。汽车和车床生产中有了故障，可以把它拆开直接进行观察、修理。而油层深埋在地下，各种采油工具也隐蔽在井筒中，所以人们要想知道油层的变化情况或想知道工具的运转情况，只能通过各种仪表反映出的数据来进行分析和判断。这就如同医生给病人看病，先测体温、量血压、照CT一样，目的是求得一个准确的判断，以便“对症下药”。油井经常要取的资料中，测量各种压力数据是一项很重要的内容。压力是油层能量的具体体现，有人说，压力是油田的“灵魂”。因此测量并记录油井的各种压力，对分析油井，认识油层，管好生产具有很重要的意义，是采油工人管理油井的重要工作之一。油井需测量的压力主要有：

（1）油压：油压是油流从井底流到井口的剩余压力。测量油压的压力表安装在采油树

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油嘴前与油管连接的位置上。测得的油压高，说明油井的供液能力强；油压低，说明油井的供液能力弱。

（2）套压：测量套压的压力表安装在采油树套管闸门处，与油管和套管之间的环形空间连通。它的大小反映环形空间压力大小及天然气从油中分离出来的多少。油井在正常生产中，套压是基本稳定的。

（3）回压：测量回压的压力表安装在油井输油干线上。连接的位置靠近采油树油嘴。回压反映从油井到计量站之间地面管线中的流动阻力。若测得的回压高，说明油粘度高或因油中含蜡较多，蜡析出附着在管壁上，阻碍了油的流动。

（4）流动压力：流动压力也叫井底压力，它是用特制的井底压力计来测量的。在生产条件不变时，流动压力是随着油层压力变化而变化的，油层压力和流动压力的差值通常叫生产压差。它可以用油嘴来控制，油嘴直径越大，流动压力就越小，生产压差就越大，油层出油就越多。但是生产压差过大，短期产油量虽然高了，有时反而会造成原油脱气、油层水淹、油层压力迅速下降，严重影响油井生产、极大地减少累积产油量。所以，必须合理控制生产压差。

（5）分离器压力：测量分离器压力的压力表安装在计量站的生产分离器上。它反映计量站所属油井原油集中到计量站后输往联合站的能力。合理地调整、利用这个压力不仅能达到节能降耗的效果，而且能提高油井的产量。

采油工人通过众多的压力表，不仅能知道几千米深的地下油层情况，而且能知道十几千米外输油管道和联合站情况。可见，压力表就是采油工人的一双名副其实“火眼金睛”，引导人们从乱草丛中找到开启地下油库的“金钥匙”。

10．一次采油、二次采油和三次采油

在石油界，通常把仅仅依靠岩石膨胀、边水驱动、重力、天然气膨胀等天然能量来采油的方法称为一次采油；把通过注气或注水，提高油层压力的采油方法称为二次采油；把通过注入流体或热量，这些流体能改变原油粘度或改变原油与地层中的其他介质界面张力，用这种物理、化学方法来驱替油层中不连续的和难采原油的方法称为三次采油。

在一次采油阶段，在地层里沉睡了亿万年的石油，可以依靠天然能量摆脱覆盖在它们之上的重重障碍通过油井流到地面。这种能量正是来源于覆盖在它们之上的岩石对其所处的地层和地层当中的流体所施加的重压。在上覆地层的重压下，岩石和流体中集聚了大量的弹性能量。当油层通过油井与地面连通后，井口是低压而井底是高压，在这个压差的作用下，上覆地层就像挤海绵一样将石油从油层挤到油井中并举升到地面。随着原油及天然气不断产出，油层岩石及地层中流体的体积逐渐扩展，弹性能量也逐渐释放，总有一天，当弹性能量不足以把流体举升上来时，地层中新的压力平衡慢慢建立起来，流体也不再流动，大量的石油会被滞留在地下。就像弹簧被压缩一样，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。

在二次采油阶段，人们通过向油层中注气或注水，可以提高油层压力，为地层中的岩石和流体补充弹性能量，使地层中岩石和流体新的压力平衡无法建立，地层流体可以始终流向油井，从而能够采出仅靠天然能量不能采出的石油。但是，由于地层的非均质性，注入流体总是沿着阻力最小的途径流向油井，处于阻力相对较大的区域中的石油将不能被驱替出来。即便是被注入流体驱替过的区域，也还有一定数量的石油由于岩石对石油的吸附作用而无法采出，这就像用清水冲洗不能去除衣物上沾染的油污一样。另外，有的原油在地下就像沥青一样根本无法在油层这种多孔介质中流动，因此，二次采油方法提高原油采收率的能力是有限的。

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在三次采油阶段，人们通过采用各种物理、化学方法改变原油的粘度和对岩石的吸附性，可以增加原油的流动能力，进一步提高原油采收率。三次采油的主要方法有热力采油法、化学驱油法、混相驱油法、微生物驱油法等。

热力采油法主要是利用降低原油粘度来提高采收率。其中蒸汽吞吐法就是热力采油法的一种常用方法。它利用原油的粘度对温度非常敏感的特性，采取周期性地向油井中注入蒸汽，注入的热量可使油层中的原油温度升高数十至上百摄氏度，从而大大降低了原油粘度，提高了原油的流动能力。蒸汽吞吐过程一般分为三个阶段：第一阶段是注汽阶段。此阶段将高温蒸汽快速注入油层中，注入量一般在千吨当量水以上，注入时间一般几天到十几天。第二阶段是焖井阶段。也就是在注汽完成后立即关井，便于蒸汽携带的热量在油层中有效交换，从而加热油层。关井时间不宜太长或太短，一般2～5天为宜。第三阶段是采油阶段，此阶段一般又包括自喷和抽油两个阶段。因高温高压注汽时的井底附近压力较高，为自喷提供了能量，自喷阶段一般维持几天到数十天，此时主要产出物为油井周围的冷凝水和大量加热过的原油。当井底压力与地层压力接近时，就必须转入抽油阶段，该阶段持续时间长达几个月到

一年以上不等，是原油产出的主要时期。

化学驱油法主要是通过注入一些化学剂增加地层水的粘度，改变原油和地层水的粘度比，减小地层中水的流动能力和油的流动能力之间的差距，同时，降低原油对岩石的吸附性，从而扩大增粘水驱油面积，提高驱油效率。中国大庆油田采用以聚丙稀酰胺为主体的注聚合物三次采油试验，明显地提高了原油采收率，取得了十分可观的经济效益。混相驱油法主要是通过注入的气体与原油发生混相，可以降低原油粘度和对岩石的吸附性，常用的气体有天然气和二氧化碳。微生物驱油法是利用微生物及其代谢产物能裂解重质烃类和石蜡，使石油的大分子变成小分子，同时代谢产生的气体CO2、N2、H2、CH4等可溶于原油，从而降低原油粘度，增加原油的流动性，达到提高原油采收率的目的。

11．海洋采油

海洋油气勘探开发是海洋技术最重要的组成部分。近百年的实践表明：海洋油气田的勘探开发技术复杂，涉及学科门类繁多；建设周期长，一般建设总周期5～10年；工程投资大，据英国北海油田资料统计，开发一个油田约需要成本50～300亿英镑。随海区环境、水深不同，一般比陆上油田投资高出3～10倍。风险大，恶劣的自然环境常给石油开发带来灾害。1980年3月27日挪威“亚历山大”号钻井船在北海倾覆，123人罹难。1983年美国阿科石油公司租用“爪哇海”号钻井船在中国莺歌海遭暴风袭击沉没，82人死亡。1988年7月6日英国北海一个平台爆炸，死亡167人，直接经济损失28.7亿英镑，当年产量损失13.5亿

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英镑。探井成功率低，世界钻井记录统计，平均钻20口井才能获一口商业性生产井。利润高，英国北海油田开发后由一个贫油国，跻身于年产亿吨的世界石油大国，北海油田年毛利25%。挪威北海油田的产值占全国总产值的20%，由一个经济困难的国家一跃成为世界人均收入最高的富国之一。中国海洋石油总公司人均年产油约800吨，居全国油田人均产油量之首。

海洋采油技术和陆上采油技术大体相同，无论是举升技术、注入技术、增产技术、修井技术、集输技术几乎都可以照搬陆上工艺。以举升技术为例，除了抽油机采油方法因为占地太大无法使用外，其他举升方式完全一样。海洋常用的采油方法是自喷采油、气举采油、电

泵采油和水力泵采油。

但是海洋采油和陆上采油比较，也有自身特点：首先，海洋采油的安全问题比陆上要更多地被人们关注，因此油井的井底和井口必须设置安全阀，一旦发生意外，安全阀将自动把油井关闭，避免更大损失，也防止原油污染海域；第二，海洋采油井从设计上就要求油层套管比陆上的尺寸大。目前陆上油田油层多数使用51/2套管，个别地方使用7套管。而海洋一般使用7套管，甚至用95/8油层套管，这是因为海上油井单井产量较高，而且从安全考虑采油管柱下入工具较多，同时为追求高产可能会用双管法采油，这都要求油层套管尺寸要大一些；第三，海洋油井的导管叫隔水导管，除了保护油井外，还要求与平台导管架连接成整体共同承受海浪、浮冰的横向冲击载荷，因此比陆上油井导管尺寸要大、强度要高、下入深度要长；第四，陆上多为直井，海上多为定向井，海上建筑平台和敷设海底管线耗资昂贵，所以尽量在一个平台多打一些井，目前中国一个井口平台设36口井，其中35口为定向井；第五，安置在水下的井口越来越多，随着科学技术的进步，人们正由近海向深海进军，试想当水深超过1000米时，井口导管架该是一个多么大的庞然大物，而海上施工机具又该具备何等负载能力？于是人们已经研究并实施安装海底井口底盘，用钻井船通过海底底盘钻出多口定向井，通过潜水员或机器人安装海底采油树。

海洋技术是世界性技术课题之一，海洋石油的发展如火如荼，会有一系列的技术难题等待人们去攻克，海洋也会逐步揭开自己的神秘面纱，为人类贡献更多的石油资源。

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二、注入篇

1．油田为什么注水？

油井停止自喷后，你知道怎样使其恢复青春继续生产原油吗？你知道如何尽量多地把埋藏在地下的原油开采出来吗？

阅读了“采油篇”后，你已经知道一个油田在开采初期，大多数油藏能依靠油层原始地层压力驱动原油和天然气通过油井管柱，自己喷到地面的管道中来。但是，生产到一定时期油井就停止喷油了。这是因为随着油气的不断喷出，地层内部的压力逐渐降低，当油层的剩余压力降低到低于油井管柱中液体给油层造成的回压时，就不能再把原油举升到地面上来了。这时我们在这个油田的边部或油层低部位或油井相间的位置打一部分注水井，通过高压注水泵把合格的水注入到与油井出油层相同的层位。一方面用水来占据原先贮存油气的位置，使原油不断被水挤推到油井井底并喷流到地面；另一方面补充油气流出后造成的地下压力损失。这种方法叫油田注水。油田注水是国内外都在采用的一种保持油井稳定生产，并最大限度地把原油从地下驱替到地面上来的有效办法。根据一个国家的石油开采政策和油藏性质，油田注水有早期注水和后期注水之说。中国绝大多数油田都采用早期注水方式，即当油井开始生产时，同时开始注水。而在西方各国则多数是先采油，以最低的成本，迅速回收投资，获取利润。当地层压力降低了很多，原油生产量大幅度下降时，才开始注水。大庆油田采用早期注水技术使油田稳产30

年，在世界上都享有较高声誉。

2．水是怎样被注到油层的？

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除氧、杀菌，必要时要添加一些专用化学药剂。含磺酸盐的水还要经过曝晒，污水还要进行除油处理才能作为注入水储存在供水站。供水站把处理好的水输送到注水泵站，注水泵站用高压泵（多级离心泵或柱塞泵），按照各配水间需要的压力和水量，经过高压管道把水送到配水间。配水间的作用是把高压水分配到各注水井，并用流量计对来水和分配到各注水井的水进行计量。配水间装有很多压力表，随时监测各管线的压力。工人们在配水间可以根据各注水井需要的压力和水量进行调控。注水井，是把水注到油层的最后装置。注水井由高压井口装置、套管、油管、压力表组成。配水间的水通过地面管线进入油管或油、套管环形空间向油层注水。如果注水井同时给几个层注水，也可以在油管上安装各种装置，如封隔器、配水器等。通过这些装置，人们就可以根据需求，将水科学地分配到各个油层。这些装置也同时能测试各层的实际进水量，每口井要定期测试各层的实际注水量以确定是否达到了设计指标。工人们要随时观察记录各注水井的水量、压力变化，发现有不正常的情况，及时分析原因，采取调配、洗井或修井等措施，使注水井恢复正常。

3．注入水的来源

油田注水用水量很大，假如一个油田日产油1万吨，这些油在地下占的孔隙体积大约是1万多立方米，那么为了保证油田稳产一般就要日注1万多吨水，以保证油层压力平衡。随着开发时间延长，由于流体对孔隙的冲刷，油层中的孔隙通道会发生变化，这时部分注入水会无效循环，注水量还要逐渐增加。同样日产1万吨石油，到后期就可能是日注水几万立方米。由此推算，1年的用水量、10年、20年的用水量就是个非常大的数字。因此，注入水的水源是否稳定，有无保证长期供应的能力，是个不小的难题。

注入水的水源，从大的方面说，可以是淡水或海水，也可以是油田开发中随原油产出的水。淡水水源可以是江、河、湖、泉水或浅层地下井水。因为淡水资源匮乏，地面水又是农业用水的主要来源，加上受自然条件的限制和季节变化的影响，水源很不稳定。况且水中杂质和各种细菌含量较高，净化的成本也高，一般油田都尽量不作为主要水源。

目前多数油田注水用水都是打一些水源井，有浅井和深井，浅井是淡水，一般很少用。深井地层水可能是淡水，也可能是高矿化度水。就油田注水用水来说要比地面水清洁得多。

最有发展前途的是用海水，近海或海上油田多以海水作为注入水。但因高含氧和盐，腐蚀性强，净化处理和防腐问题也会增加注水的成本。

油田开发初期，注入的水多以上述各类水源为主。到油田开发中、后期，注入的水或地层原有的水随原油大量产出，将这些水进行油水分离、净化处理，俗称污水。目前各油田把污水作为注水的主要水源，既做到了重复利用，又防止了排放造成的环境污染。井水或海水只作为不足部分的补充。

4．为什么对注入水的水质有严格要求？

油气是储存在油层岩石的孔隙或微细裂缝里。孔隙性的油层孔隙直径只有几个微米至十几个微米，相当于头发直径的几分之一或十几分之一，与人的毛细血管差不多。要想把油层里的油气尽量多地用水驱替出来，最重要的是防止注入的水带进杂质堵塞孔隙。被带进去的杂质有可能是悬浮的固体颗粒、有化学腐蚀性物质及厌氧性细菌、腐蚀性物质和与钢管、岩石表面反应生成的沉淀物。这些物质中，有些是一次性堵塞，有些如细菌会不断繁殖，逐步堵塞地层出油通道。因此，除了对注入水进行精细过滤之外还要进行除氧、杀菌及减少腐蚀性物质的各种物理、化学处理。

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经过大量的科学研究和现场实践，对水质的处理有了一套完整的处理方法和质量检测的方法。石油工业行业标准对不同渗透率的油层注入水质规定了严格的指标。以渗透率小于0.1平方微米（毫达西）的油层为例，规定的水质指标是：直径小于1微米的悬浮固体颗粒含量每升水不超过1毫克；三价铁离子的含量每升水不超过0.5毫克，这是为防止三价铁离子与地层水中的氢氧根生成不溶于水的沉淀；不含与地层水反应能生成沉淀的物质；不含硫酸盐还原菌；铁细菌每升水不超过1000个；含氧量每升水不超过0.5毫克；不含硫化氢；含油量每升水不超过5毫克；酸碱度的指标用pH值表示，控制在7～8。

尽管如此，现场上为了保证长期正常注水，还要针对油层的特殊情况，加入一些其他化学物质。比如有的油层粘土含量高，这些粘土遇水易膨胀松散，需要加入粘土稳定剂；为防止在地层或管线中结垢，要加入防垢剂等。做了这么多努力对仍然不能达到配注要求的注水井，就要采取提高注水压力或酸化、压裂等更昂贵的方法解除油层的堵塞，提高油层的吸水能力。

5．注入水的水量是根据什么配置的？

对一个完整封闭的油层，注水量的配置要进行很多研究、试验分析和计算。

知道了油层的厚度和面积，再用仪器测出从油层取出的含油岩石的孔隙度，就能计算出整个油层的孔隙体积，这个体积就是要用水去驱替油气的总体积。在开发实践中，注入水并不能全部留在油层中并把油气全部驱替出来。而是注水一段时间后，注入水中的一部分就随着石油一起出来。且随着注水时间延长，出水量逐渐增加，直到油井完全出水时，油层中仍然有相当数量的油气没有被驱替出来。因此，注入水的总量需按油层的总孔隙体积的几倍来预测。

油层的孔隙体积常用波义尔定律孔隙仪法、液体饱和法和真空法等方法测定。对于不同渗透率的岩心（钻井时用特殊钻头钻取的油层岩石），不同测定方法测试的数值会有些偏差，需根据岩心特点选用某种方法。岩心总体积一般用排开液体法测定。孔隙度在实验室测试并计算，其定义是：油层岩心的孔隙体积占同一块岩心总体积的百分数。孔隙度与油层厚度和油层面积的乘积就是油层的总孔隙体积。

根据理论计算和现场经验，一般是在测算了油层产出水能充分利用的基础上，再按总孔隙体积的1.5～1.7倍准备水源。

在注水过程中，为保持油层压力和驱油效率，一般情况下一个油层的日注入水量与日采出液量保持1∶1的关系。至于每口注水井应注多少水，由于注水井数与油井数的比例不同，油层各部位的注水井控制的油层情况也不相同，因此，分配到每口注水井上的日注水量也是有差异的，可能是1∶1，1∶2或1∶3等。但对一个油层、一个油藏乃至一个油田，其注水总量与采出液总量一般都控制在1∶1水平上。

6．怎样测出注入水的方位走向？

在油田的地面图上，可以清楚地表示出油井、注水井的分布情况，注水井和周围对应油井的方向距离也都一目了然。然而到了深埋在地下几百米到几千米的油层部位，注水井与油井之间的油层分布情况并不像地图上那样简单。也许两者之间是不连通的，也许注水井周围各方向上油层的渗透能力差异很大，也许有未被认识的断层把油井和注水井完全隔断。这样，注入水很容易沿着高渗透能力的方向或沿着断层跑到我们不希望去的方向，而难以发挥提高油井产量的驱油作用。所以搞清楚注入水的走向，对于提高注水效益至关重要。

怎样才能测出注入水的走向呢？经过多年的探索，首先使用了示踪剂法，这就像侦察员

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追踪嫌疑人的脚印一样，给注入的水加个特殊“记号”。带“记号”的水从哪个方向上的油井被检测出来，经过多长时间才检测出来，就可以判断注入水在油层里的走向和流动速度。根据走向和流动速度再结合其他资料，技术人员就能知道该采取什么措施来改变水流方向。

用来做“记号”的物质被叫作示踪剂。它应是不与油层里物质反应或吸附，稳定性好、无毒、使用安全、对测井无影响、来源广、成本低，特别是要很容易地被检测出来。经过大量的试验和筛选，有两类物质可用，一种是放射性的示踪剂，如氚水、氚化氢、氚化丁醇等。另一类是化学示踪剂，如硫氰酸铵、硝酸铵溴化钠、碘化钠等。这些都需溶在水里在一定时间内注入注水井。注入后就在周围油井上每天连续采样分析检测，直到在油井上连续检测到几个含量高峰值以后，才算检测结束。最先检测到的方向可以认为是注入水的主要走向。

用示踪剂法的缺点是检测周期长，成本也高。于是科研人员又研究了一种新方法，叫大地电位法检测注水水流方向。把用示踪剂法几十天甚至几个月的工作周期缩短到十天以内，成本也不高。其原理是利用精密仪器和计算机软件检测大地电位的变化，测出水流方向。在注水井正常注水时，用注水井套管给地层接通一个高稳定度的一定强度和一定频率的电流，地面和地下就形成了一个电位场。在注水井井底位置对应地面上的坐标为中心，在每15°角1条的放射线上，以相同距离布检测点。一口注水井周围要在24个方向上布72个检测点，看上去是三圈。检测每个点的电位差，就得到正常电位场的一组数值。然后向注水井中注入含有高电解质的溶液比如食盐溶液，该溶液和注入的水一样流入地层。这时，供给地层的电流就会大量通过低电阻的电解质溶液流向油层深部，从而使有电解质溶液的方向上与没有电解质溶液的方向上其电流密度有了很大差异，也就是大地电位场发生了异常变化。这时，再通过仪器检测出异常电位场的一组数据，与正常电位场进行比较。由此可以很清楚看到不同方向上的异常变化，就可以判断出哪个方向是注入水的主要走向。这种方法具有国际先进水平，准确率很高，国内很多油田都用这种方法进行水流方向的测试。

7．为什么要分层注水，怎样实现分层注水？

如果一个油田地下的油层有多个，而且分层厚度不大，为节约资金，多采取油井和注水井同时、多层采注的方式开发。给多个油层注水的注水井，是否需要分层注水，是由这些油层的差异决定的。由于各油层都是独立封闭的储油体，它们在形成油层的地质时期形成的条件不同，有的油层看上去像馒头，孔隙很大。有的油层看上去像砖头，虽然能吸水但看不出有孔隙。而且各油层含油气组分、原始压力和温度、厚度、封闭条件等都有差异。其中孔隙大的油层出油容易，产油量大，压力下降快，在同样压力下注水，它比别的油层吸水量多，注入水容易穿过油层从油井出来。油井里有了出水层，就会使油井产量大幅度下降。另外对注水井而言，在同一压力系统注水，某些层段大量进水，别的层就进水少甚至不进水，那样不进水的油层里的油也就驱替不出来。为了使各油层能按着配注量合理、均匀注水，以提高各油层的水驱油效率，科学家研究出了分层注水的办法，被国内外油田作为油田注水开发最

有效的办法而广泛应用。

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分层注水最简单的办法是在油管上接一个封隔器，放在要分开注水的两组油层之间，就像在油管外面套上一个环形胶圈，这个胶圈采用某种方式使其变形而紧贴在套管内壁和油管外壁上，把油管和套管环形空间隔开，并保证在一定的压力和温度下也不会上下窜通。在地面上从套管闸门给环形空间注水进入封隔器上面一个油层（组），从油管给封隔器下面一个油层

（组）注水，注入量按各层需要的水量由地面控制，这叫一级两段分注。

如果想使多个油层配注得更加合理，还可以将多个油层分成三段或四段，用两个封隔器，配套3个配水器或用三个封隔器配套四个配水器，就可实现两级三段或三级四段分层配注。分层配注的各层注水量是经过认真测试的，如果经测试需要对某层调配注水量，就可以用一个投捞器把某个配水器上的水嘴捞起来，更换成合适的再投放到配水器上。同样，如果想停止对某层注水，就把对应层的配水器上的水嘴换成死堵。

8．各油层吸水状况测试

为了知道注水井中，哪个层吸水能力好，哪个层吸水能力差或不吸水，有多种测试方法，现场上叫测分层吸水剖面。

一种方法是放射性同位素载体法。人们研制了一种放射性测井仪可以对各注水层测出一条放射性曲线。通过对这条曲线的分析，就可以知道正常注水时各油层放射性强度的基础状态。然后在注入的水中加入一些带放射性元素的细小颗粒，均匀混入水中，随着注入水进入各个油层，由于各层吸水量不同，会有不同数量的细小颗粒被油层表面吸附下来，吸水量大的油层，其表面吸附的放射性元素的细小颗粒就多，吸水量小的油层，其表面吸附的放射性元素的细小颗粒就少，这样各层放射性强度差异程度会显著地增加。这时再用放射性测井仪重新测一条曲线，与原测的基础曲线对比，增加的异常值，就反映了对应油层的吸水能力。现场上使用的放射性物质叫放射性同位素，常用的有I131（碘），Zn65（锌），Hg110（汞）等。

另一种方法是测分层指示曲线的方法，求得分层的吸水指数来计算各层吸水能力的好坏。假如一个层分三个层段注水，先测一个全井的吸水指示曲线。做法是用等差数列确定五个注水压力点，每个压力点稳定注水30分钟，计量注入量，以日注水量表示。五个压力点对应五个流量，可以画出一个直线，被叫作全井吸水指示曲线。然后把底部的配水器上的水嘴换成死堵，再按上述方法操作，可以得到上两层的吸水指示曲线，用全井各压力点的流量减去上两层各对应压力点的数值，就得到最下层压力点的流量数。同理，再把中间一个配水器堵起来，进行上述同样操作，得到的是最上层的数值。用上两层的数值减去最上层的对应

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数值，即得到了中间层的相应数值，这样就分别测到了三个层段的吸水量。根据注水井与周围采油井的合理注采比关系，把确定注水井中各层应该注入的合理注水量与实测数值进行比较，如果吸水量与设计配水量不符，则调整相应层段的水嘴，直到达到设计要求。除上述方法之外，还有投球测试法和浮子流量计法，井温测井法等，可以根据分注井使用的分注方法和现场具备的仪器设备条件选用

9．注气开采

人们为了提高油田采油速度和采收率，探索了向油层中注入各种流体的可行性。其中技术上比较成熟且已较多应用的有向油层注天然气、二氧化碳等。

早在1900年，就曾有人提出用注气提高采收率。因为天然气可以与原油任意混合，产出后也不增加额外的油气分离的负担，所以最早被应用于现场。一般注天然气采用两种方法，一种是像注水一样的做法，将天然气直接注入油层，另一种是在油层的顶部注气。针对不同的油藏，选择的方法得当，可以获得很高的采收率。

向油层注二氧化碳气则比较复杂。由二氧化碳的性质决定，使用二氧化碳驱油有混相驱和非混相驱之分。能否实现混相决定于油层的温度和地下石油的性质，因为二氧化碳与油气物质不是初接触混相，而是在一定的温度下与石油中较轻烷烃混合消除界面张力，达到混相条件。因此，要取得较高的采收率，需要对不同油层的混相压力进行计算，并进行大量的模拟试验，研究二氧化碳在各种条件下与油层中油气的相互变化关系，才能确定合理的注气模式。为了提高注二氧化碳的波及体积，还有时采用二氧化碳与水交替注入或与表面活性剂形成泡沫体系的注入法等方式。注入的方式合理，二氧化碳的洗油效果有可能达到90%以上。

在埋藏较浅的油层，不适用二氧化碳混相驱，但也可以用非混相驱的办法注二氧化碳。可以起到在油层里膨胀原油、降低原油粘度、较好驱替原油等效果。虽然不如混相驱获得的采收率高，驱油效果也不错。经一些先导试验证明，混相驱注600多立方米二氧化碳就可以得到1立方米油，非混相驱的二氧化碳经多次循环利用每立方米油的气耗量仅为140立方米。注二氧化碳也给油稠气少的油层提供了增加采收率的途径，这能使粘度为120厘泊的原油降低到10厘泊的降粘效果，就很有吸引力。

二氧化碳在工业上是废弃物，排入大气会造成环境污染。把烟道气注入油层，则是典型的废物利用，这是天然气来源之一。在矿场上，也有蕴藏二氧化碳气的气层，可作为注气的气源。

人们在研究利用二氧化碳驱油的同时，也在探索用氮气驱油，不久的将来，有了氮气分离的简便易行的办法后，可能大量投入使用。

三、增产篇

1．怎样使油井增加产量？

人们都知道，在同样地区开凿的水井，有些井产水量多，有些井产水量少。油井的产量也有高有低，如1878年在台湾苗栗钻的中国第一口油井每天只产油0.759吨，而1901年美国得克萨斯州钻一口井日产油高达上万吨。油井日产如此悬殊既有先天因素也有人为原因，如含油丰度、石油的油品性质都会直接影响油井产量；再有就是油层允许油流动的天然通道不一样，更会直接影响油井产量。通道大，油流动时就容易些；通道小，石油流动就会很困难。以上几个方面是影响油井产量的一些先天因素。至于人为原因，是指钻井、修井、采油

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过程中，限于技术水平难免对油层造成污染，这种污染或多或少会堵塞油流通道，也会影响油井产量。

石油科技工作者一直在探索使油井增加产量的方法，随着科学技术的不断进步，人们已掌握了许多增加油井产量的技术。如：针对天然能量不足，采用向油层注水、注气等方法提高地层能量，保持或增加油井产量；针对地下石油粘度大的问题，采用注蒸汽加热的方法，使稠油变稀，增加油自身流动能力；粘度随温度变化的关系见原油粘?温曲线示意图。

针对油层油流通道小或油流通道堵塞的难题，人们发明了压裂及酸化技术，用以有效地改善油流通道，可数倍地提高油井产量；针对易出砂的油井采用防砂采油、排砂采油以及压裂和防砂相结合的工艺，增加这类井的产量；针对出水影响产量的油井，人们又研究出了各

种堵水、调驱工艺。以上是油井增产较为常用的有效方法，目前已在国内外油田广泛应用。

2．一种神奇的增产方法?压裂

地面排水通常采用挖沟开渠的方法，沟渠越深、越宽，排水能力就越强。在几千米深的地下怎样增强排油能力，提高油井产量呢？人们发明的压裂工艺技术就是众方法之一。压裂是人为地使地层产生裂缝，地下的这些裂缝就相当于地面的沟渠，可大大改善油在地下的流动环境，使油井产量增加。压裂的方法分水力压裂和高能气体压裂两大类。

水力压裂是靠地面高压泵车车组将流体高速注入井中，借助井底憋起的高压，使油层岩石破裂产生裂缝。为防止泵车停止工作后，压力下降，裂缝又自行合拢，在地层破裂后的注入液体中，混入比地层砂大数倍的砂子，同流体一并进入裂缝，并永久停留在裂缝中，支撑裂缝处于开启状态，使油流环境长期得以改善。

水力压裂，使地层产生的裂缝形态，一般较单一，但因岩石的性质不同，所生成裂缝的宽窄、长短也不一样。对于硬岩层，最终获得的支撑缝宽3毫米左右，缝长可达百米以上。有人也曾对这些数据提出过质疑：几千米的地下，看不见摸不着，压裂真能获得百米长的裂缝吗？回答是肯定的。它不仅能由一套复杂的公式计算出来，而且多次在现场实践中得到佐证。如某油田胡12-17井的水力压裂过程中，与该井相距150米的胡12-18井喷出了压裂用砂，同时该井抽油泵被砂卡死。12-17井的这些压裂用砂只能通过地下裂缝才能到达12-18井，说明这次压裂生成的裂缝，至少在150米以上。事实上现在也可以通过仪器测试出裂缝的几何形态，也进一步证明了压裂的效果。当前水力压裂技术已经非常成熟，油井增产效果明显，早已成为人们首选的常用技术。特别对于油流通道很小，也就是渗透率很底的油层增产效果特别突出。

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温度，使地下油变稀，油更容易产出。由于该工艺产生的裂缝较短，一般用于解除油层近井地带的堵塞。

3．水力压裂必备的材料

在水力压裂中，高压泵车向井内挤入的液体总称为压裂液。为防止裂缝合拢而填入裂缝的砂子总称为支撑剂。压裂液和支撑剂是水力压裂必备的材料。

压裂液的种类很多，有水基压裂液?是以水为基本母体配制而成的压裂液。最常用的是水基冻胶压裂液，它是在水中加入增稠剂（植物胶或高分子聚合物）、交联剂、破胶剂、杀菌剂、防粘土膨胀剂等配制而成。

油基压裂液?是以矿物油为基本母体配制而成的压裂液。最常用的为油基冻胶压裂液，是在稀的原油或柴油中添加稠化剂配制而成。稠化剂有四类：皂类、磷酸酯铝盐类、醇盐类、脲类。

泡沫压裂液?是用添加了增稠剂的淡水或盐水溶液为母液，在发泡剂存在的条件下，再混入气体配制而成。常用气体有二氧化碳、氮气、空气。

另外还有乳化压裂液、酸基压裂液等。

一个较理想的压裂液应具备以下性能：

可用较少的液体获得较大的裂缝，即压裂液有较小的滤失性能；容易泵送，即摩阻系数小；悬砂能力强，以保证携带支撑剂进入裂缝深处，支撑更长的裂缝；对油层和新生成的裂缝的损害应尽可能的小，易于从地层中返出，以保证压裂增产效果。另外从环保的角度出发，压裂液还应符合环保的要求。

压裂用的另一种材料为支撑剂。最早使用的支撑剂为天然石英砂，价格便宜、取材方便，加之当时的井浅，石英砂有较好的适应性，故广泛得以使用。后来随着井况的变化，又试验使用核桃壳、玻璃珠等，但都由于各自的缺点没有推广。近几年用于深井的支撑剂是由铝钒土烧制的圆球状颗粒，中国称之为陶粒，最常用的陶粒直径为0.5～0.8毫米。加工方法有两种，一种是将原材料熔融后喷吹成型，表面光滑，圆球度好；另一种方法是将材料加工成颗粒然后烧结，圆球度差于喷吹陶粒，但密度较喷吹成型的小，加工成本也低。

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不难看出，在高压下陶粒的性能要优于石英砂。这也是为什么浅井一般用石英砂，深井用陶粒的主要原因。

4．油井出砂和出砂油井的采油方法

油井在生产过程中，有些油井在产油的同时，往往会有地层的砂子随油产出，石油工作者称此为油井出砂。凡是出砂的油井其产油层都是砂岩。砂岩是由砂粒经粘土、碳酸钙及其他物质在高温高压下粘结而成的岩石。易出砂的砂岩一般都成岩差，胶结强度低，地下产出油的拖曳力就足以破坏砂粒之间的粘结，使砂子随油流出。还有，易出砂的地层，粘结砂粒的主要成分之一是粘土，一但油井见水，粘土易膨胀，岩石受到破坏，油井出砂将更为严重。

油井生产过程中，地层产出的砂如果不能全部被带至地面，部分砂会沉入井底，日积月累，将会砂埋油层，致使油井停产。因此对这类井必须采用特殊的采油方法。目前成熟的方法有两种，一种是防砂采油，即用人工方法将砂阻隔在油井以外，不让油井出砂，其专业用语叫防砂；另一种方法是排砂采油，即不控制地让地层在生产过程中自然出砂，并使地层产出的砂随油流采至地面进行处理。

目前使用范围最广的是防砂采油。防砂的方法很多，归纳起来为两大类：一类是化学防砂，指用化学方法，向地层挤注可使地层砂粘结在一起的各种液体化学物质，在井筒周围形成一道坚固的人工井壁，将可移动的砂阻隔在油井以外。新形成的人工井壁有比地层大得多的强度，可抗住油流的冲刷，从而达到防止地层出砂的目的；另一类方法为机械防砂，这一方法是在油层部位设置一个可挡住地层砂通过的网状工具，通常使用绕丝筛管，并在工具以外填充砾石，见砾石充填防砂示意图。这些工具耐冲刷强度远大于地层，又有着允许油通过的极好能力，可达到防砂采油的目的。最近几年又发展了一种压裂防砂工艺，这种方法将压裂和防砂相结合，不但可防止油井出砂还可提高油井产量。

排砂采油：排砂采油的关键是采用耐砂磨的抽油泵，让油井以最大能力产油，将地层产出砂带至地面。有资料报道，一口井在生产期出砂可达千方以上，大量砂的采出，使近井地带油流通道增大，原油产量可数倍于防砂采油（见防砂采油和排砂采油日产对比表）。

排砂采油初期，油井出砂有个上升期，然后就逐渐降低，然后维持在一个轻微出砂情况下生产。实践证明，排砂采油效益不错，所以世界上已有数千口井改变了防砂采油的作法，采用了排砂采油。由于该技术是新发展起来的，暴露的问题还有待进一步解决，如地层大量出砂后，易于引起油井套管变形，影响油井寿命，若将这一问题解决好，该技术将更富有挑战性。

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