馮立 張學(xué)婧 蔣國(guó)斌 金東明 張華春 馬蔚東 劉文蘋

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

大慶油田經(jīng)歷了60余年持續(xù)開發(fā)，已進(jìn)入特高含水期，呈現(xiàn)出剩余油高度分散、低效無(wú)效水循環(huán)嚴(yán)重、開發(fā)儲(chǔ)層條件變差等諸多困難［1］，采油工程相應(yīng)面臨著單井產(chǎn)量低、能耗高、投資成本高等難題。為了適應(yīng)開發(fā)形勢(shì)變化，采油工程需要通過技術(shù)升級(jí)進(jìn)一步挖掘提產(chǎn)降耗和節(jié)資降本的潛力。為此，以滿足油田產(chǎn)能為目標(biāo)，按照邊設(shè)計(jì)、邊調(diào)整、邊實(shí)施的總體設(shè)計(jì)思想，通過嚴(yán)控技術(shù)節(jié)點(diǎn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、優(yōu)選新工藝技術(shù)，探索出一條采油工程降本增效設(shè)計(jì)的新途徑，滿足大慶油田新時(shí)期開發(fā)需要。

1 采油工程設(shè)計(jì)總體思路創(chuàng)新

隨著儲(chǔ)層對(duì)象不斷變化，油田開發(fā)技術(shù)逐漸多樣化和復(fù)雜化，采油工藝技術(shù)也隨之不斷創(chuàng)新和發(fā)展，形成了針對(duì)水驅(qū)、聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)、彈性開發(fā)等不同開發(fā)方式的工藝技術(shù)。以往采油工程采用的單項(xiàng)工藝設(shè)計(jì)模式已不能適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展需要。如圖1所示，采油工程設(shè)計(jì)以油藏工程部署和儲(chǔ)層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以油藏產(chǎn)能為目標(biāo)，通過調(diào)研采油工程技術(shù)現(xiàn)狀，認(rèn)真分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，歷史應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合，運(yùn)用技術(shù)評(píng)價(jià)優(yōu)選模型，開展射孔、壓裂、注水、舉升等各項(xiàng)工藝技術(shù)優(yōu)選。以單項(xiàng)工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)，配套成熟工藝優(yōu)選，建立多項(xiàng)采油工程技術(shù)組合，以單井產(chǎn)量、一次性投資及生產(chǎn)成本為約束條件，進(jìn)行系統(tǒng)性整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最高、投資最少、效益最優(yōu)的終極優(yōu)化目標(biāo)。

圖1 采油工程設(shè)計(jì)總體思路Fig.1 General idea of oil production engineering design

2 采油工程降本增效優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 采油工程技術(shù)優(yōu)選

從多項(xiàng)技術(shù)工藝中，科學(xué)地優(yōu)選出適用性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)是采油工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。經(jīng)過不斷研究和探索，通過將技術(shù)優(yōu)選要素和科學(xué)的理論方法相結(jié)合，針對(duì)采油工程設(shè)計(jì)中涉及到的射孔、壓裂、注入、舉升及相關(guān)配套工藝等技術(shù)方向分別從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用效果、生產(chǎn)管理及HSE等方面篩選關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建了包括注入工程、射孔工程、壓裂工程、舉升工程的一整套采油工程單項(xiàng)工藝多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

根據(jù)采油工程各專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)特性和應(yīng)用條件，建立了由KQI模糊評(píng)價(jià)模型、對(duì)標(biāo)分析模型、能耗分析模型、設(shè)備現(xiàn)狀分析模型、產(chǎn)量分析模型等組成的技術(shù)評(píng)價(jià)模型體系［2］。如圖2所示，基于多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，根據(jù)不同開發(fā)需求，確定評(píng)價(jià)等級(jí)，設(shè)置不同評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分值，再利用技術(shù)評(píng)價(jià)模型體系，根據(jù)最終綜合評(píng)價(jià)值結(jié)果擇優(yōu)選擇經(jīng)濟(jì)適用的單項(xiàng)工藝技術(shù)。

圖2 采油工程技術(shù)評(píng)價(jià)優(yōu)選流程Fig.2 Evaluation and optimization process of oil production engineering technology

2.2 采油工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

2.2.1 基于相控建模的壓裂優(yōu)化

水力壓裂作為油氣增產(chǎn)的主要措施之一已被廣泛應(yīng)用于油田開發(fā)生產(chǎn)［3］。經(jīng)過多年發(fā)展，直井壓裂優(yōu)化技術(shù)已趨于成熟，但水平井因其井身結(jié)構(gòu)的特殊性，在不同井段鉆遇儲(chǔ)層性質(zhì)均存在差異，加之隨著水平井體積壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，優(yōu)化方法也需要更新，以適應(yīng)水平井壓裂技術(shù)發(fā)展，提高水平井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)先進(jìn)性。

基于相控建模的壓裂優(yōu)化方法以油藏?cái)?shù)據(jù)和地質(zhì)建模為基礎(chǔ)，考慮井間干擾及井位、沉積相帶、油層厚度、孔隙度和滲透率、壓裂規(guī)模、裂縫間距等因素進(jìn)行壓裂參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 基于相控建模的壓裂優(yōu)化流程Fig.3 Fracturing optimization process based on phasecontrolled modeling

根據(jù)產(chǎn)液量與無(wú)因次壓力以及井底流動(dòng)壓力之間的關(guān)系，建立水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型(式1)。結(jié)合地質(zhì)建模和產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，兼顧考慮油井投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性，對(duì)水平井縫長(zhǎng)、裂縫間距等參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。結(jié)合不同壓裂參數(shù)條件組合，以產(chǎn)油量和施工成本為主要指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，從而優(yōu)選經(jīng)濟(jì)效果最佳的設(shè)計(jì)方案。

式中，q為日產(chǎn)液量，m3/d；K為油藏儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2；h為油層厚度，m；pi為地層壓力，MPa；t為生產(chǎn)時(shí)間，d；pwf為井底流動(dòng)壓力，MPa；B為體積系數(shù)；μ為黏度，mPa · s；pD為內(nèi)裂縫中的無(wú)因次壓力；tD為無(wú)因次時(shí)間。

2.2.2 抽油機(jī)節(jié)能優(yōu)化

為了適應(yīng)油井含水率、產(chǎn)液量等工況條件變化，滿足施工中便利調(diào)參的需要，變頻、變速等節(jié)能技術(shù)投入到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。傳統(tǒng)參數(shù)計(jì)算模型不能精確描述變速率下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，因此，面向復(fù)雜工況的抽油機(jī)、電機(jī)、控制柜三者能耗耦合的計(jì)算方法成為一項(xiàng)技術(shù)難題［5］。為此，研究了基于能耗精細(xì)描述的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，建立面向多傳動(dòng)鏈耦合的電機(jī)、控制柜輸出功率、轉(zhuǎn)速和能量供給的二次函數(shù)模型［6］，形成一套適用于復(fù)雜工況的抽油機(jī)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)方法和節(jié)能優(yōu)選技術(shù)。

無(wú)論是放養(yǎng)或舍養(yǎng)，有抗養(yǎng)殖與無(wú)抗養(yǎng)殖氨基酸總量雞肉中3.91%和4.08%，肝臟中32.62%和29.9%，有抗養(yǎng)殖略高；必需氨基酸雞肉中0.99%和0.933 3%，兩組差別不顯著，肝臟中13.01%和14.81%，有抗養(yǎng)殖略低；非必需氨基酸肉中3.083 6%和2.968 6%，兩組差別不顯著，肝臟中16.952%和17.794%，有抗養(yǎng)殖略低，但不大；呈鮮味氨基酸中雞肉中0.601%和0.638%，兩組差別不顯著，肝臟中6.44%和5.98%，有抗養(yǎng)殖稍高。

綜合考慮水驅(qū)、聚驅(qū)、復(fù)合驅(qū)不同驅(qū)替方式采出液黏度，不同沖程、沖次、泵深等工況對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，修正了傳統(tǒng)電參數(shù)計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)不同抽油機(jī)系統(tǒng)組合下能耗的精細(xì)描述。以能耗最低為目標(biāo)對(duì)不同機(jī)電組合進(jìn)行優(yōu)選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舉升系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。舉升能耗預(yù)測(cè)模型為

式中，W為修正后油井日耗電量，kW · h；μ為流體黏度，mPa·s；ρ為采出液密度，kg/m3；k1，k2，k3為控制柜、電動(dòng)機(jī)及綜合影響修正系數(shù)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該能耗預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)誤差率均不超過±5%。通過不同工況下的抽油機(jī)、節(jié)能電機(jī)和控制柜優(yōu)化匹配及綜合評(píng)價(jià)，模型平均符合率在80%以上，單井可節(jié)約投資5%以上。

2.2.3 抽油機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化

抽油機(jī)舉升占大慶油田全部舉升方式的90%以上，平均系統(tǒng)效率為30.87%，系統(tǒng)效率低于25%井?dāng)?shù)占比18.76%，有進(jìn)一步提升的空間。通過精準(zhǔn)挖掘潛力、典型工況優(yōu)化、建立系統(tǒng)優(yōu)化模板，進(jìn)一步提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，降低舉升能耗。

通過創(chuàng)新抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)效率計(jì)算理論及數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率挖潛方向精準(zhǔn)分析［6］。將抽油機(jī)井系統(tǒng)按照拖動(dòng)裝置、抽油機(jī)、盤根盒、抽油桿和抽油泵等不同機(jī)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分。將各節(jié)點(diǎn)實(shí)際效率和理想效率的比值定義為節(jié)點(diǎn)效率因數(shù)，以節(jié)點(diǎn)效率因數(shù)作為抽油機(jī)井優(yōu)化潛力的判斷指標(biāo)。將效率因數(shù)實(shí)測(cè)值與理想值雷達(dá)圖面積之比定義為視在效率因數(shù)，作為抽油機(jī)井總體優(yōu)化潛力指標(biāo)。以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)效率影響原因分類，制定參數(shù)及設(shè)備優(yōu)化措施［6］。

如圖4所示，列舉了某井優(yōu)化措施前后效率因數(shù)變化情況，其中拖動(dòng)系統(tǒng)效率因數(shù)由0.39提高到0.85，抽油泵效率因數(shù)由0.53提高到0.87，整個(gè)系統(tǒng)效率提升明顯。該方法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用439口井，優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)效率因數(shù)均提高到0.85以上，系統(tǒng)效率提高2.85%，節(jié)電率達(dá)到15.8%。

圖4 優(yōu)化前后各節(jié)點(diǎn)效率因數(shù)變化Fig.4 Changes in efficiency factor of each node before and after optimization

2.2.4 老井措施工藝優(yōu)化

采油工程措施規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)于老井控遞減及保證整體經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。不同措施工藝組合、井?dāng)?shù)實(shí)施比例對(duì)區(qū)塊產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生直接影響，精準(zhǔn)分配工藝措施、篩選措施工藝類型、優(yōu)化新井工藝結(jié)構(gòu)是老井措施工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［7］。

不同于一般的工藝設(shè)計(jì)效果預(yù)測(cè)，采油工程措施規(guī)劃的效果預(yù)測(cè)，要求用盡可能少的參數(shù)和較快的預(yù)測(cè)速度獲得較高的預(yù)測(cè)精度［8］。面對(duì)龐大的老井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，需要建立針對(duì)性的模型方法以實(shí)現(xiàn)科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。遺傳算法具有較強(qiáng)的快速全局搜索能力，但求精確解效率較低。蟻群算法分布、并行、全局收斂能力強(qiáng)，但是求解速度慢。如圖5所示，為了提高算法的求解精度和效率，創(chuàng)新研究了融合算法，將遺傳算法和蟻群算法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，預(yù)測(cè)增油量、降水量、增注量、凈現(xiàn)值等信息，以措施整體經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，在滿足措施工作量、成本等約束條件下，優(yōu)化措施工作量以及篩選措施候選井，最大限度提高措施的整體經(jīng)濟(jì)效益。將該方法編制成軟件，利用數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)用，再通過軟件進(jìn)行措施優(yōu)化，大大提高整體優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

圖5 遺傳蟻群融合算法流程Fig.5 Process of genetic ant colony fusion algorithm

2.3 采油工程方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)資增效，滿足大慶油田方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)、技術(shù)優(yōu)選規(guī)范化等方面需要,通過設(shè)計(jì)內(nèi)容及過程標(biāo)準(zhǔn)化、工藝優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品供應(yīng)商評(píng)價(jià)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)平臺(tái)化等方面建設(shè)，創(chuàng)建了大慶油田采油工程方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化模板(圖6)。結(jié)合大慶油田水驅(qū)、化學(xué)驅(qū)及外圍區(qū)塊實(shí)際，明確了9大項(xiàng)方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容，針對(duì)內(nèi)容單元進(jìn)一步細(xì)分，規(guī)范了設(shè)計(jì)步驟、節(jié)點(diǎn)要素、優(yōu)化方法，細(xì)化了44小項(xiàng)設(shè)計(jì)要素。建立了以應(yīng)用規(guī)模，應(yīng)用效果、故障率和售后服務(wù)為主要指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法，形成了推薦產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)化了物資采購(gòu)招標(biāo)程序。在方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)了設(shè)計(jì)平臺(tái)，由數(shù)據(jù)手工輸入、計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一平臺(tái)輸入、計(jì)算、輸出，實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)信息化和網(wǎng)絡(luò)化。

圖6 采油工程方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模板Fig.6 Standard template for oil production engineering design

通過采油工程方案標(biāo)準(zhǔn)化模板指導(dǎo)，規(guī)范工藝、材料、設(shè)備優(yōu)選，從工藝設(shè)計(jì)源頭切入，有效實(shí)現(xiàn)了降低技術(shù)投資，規(guī)范、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，周期由原來的40 d縮短至25 d，實(shí)現(xiàn)了采油工程方案的管理提升、設(shè)計(jì)提升、效益提升，取得了良好的應(yīng)用效果。

3 應(yīng)用效果

“十三五”期間，采油工程降本增效整體設(shè)計(jì)思想和方法累計(jì)設(shè)計(jì)井?dāng)?shù)近7 000口，累計(jì)新建成產(chǎn)能約500萬(wàn)t，減少投資約9億元，老井措施優(yōu)化工作量約30萬(wàn)井次，措施增油近400萬(wàn)t，為大慶油田3 000萬(wàn)t原油穩(wěn)產(chǎn)提供了有力技術(shù)保證。通過科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，與“十三五”初期相比，檢泵率下降5.1個(gè)百分點(diǎn)，檢泵周期延長(zhǎng)76 d，系統(tǒng)效率提高2.2個(gè)百分點(diǎn)，在井?dāng)?shù)增加的情況下，能耗降低15.6 %。

4 結(jié)論及建議

(1)大慶油田采油工程系統(tǒng)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念、開展工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷挖掘降本增效潛力，為新區(qū)效益建產(chǎn)提供了有效技術(shù)支撐。通過對(duì)老井的措施規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)施，有效減緩了已開發(fā)油田綜合遞減速度，為大慶油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)保證。

(2)采油工程設(shè)計(jì)應(yīng)更加注重與新型低碳環(huán)保材料、新型低成本材料、智能控制技術(shù)、高效節(jié)能采油工藝技術(shù)相結(jié)合，提高優(yōu)化方法的先進(jìn)性，進(jìn)一步提升采油工程降本增效的空間。

(3)隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟，應(yīng)充分利用油田開發(fā)積累的大量數(shù)據(jù)，加快采油工程智能化設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)，不斷提高采油工程設(shè)計(jì)整體質(zhì)量和效率，進(jìn)而促進(jìn)油田開發(fā)整體效益提升。