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  • 重大裝備 開發利器
    ——克拉瑪依油田研發稠油開發重要裝備紀實
    胡偉華

    2007年9月12日,作業人員在火驅試驗現場奮戰。當年,風城油田作業區水平井火驅先導試驗項目正式投用。 (風城油田作業區供圖)

    ????工欲善其事,必先利其器。對一個油氣田的勘探開發而言,隨著理論認識和技術水平的不斷提升,往往會帶來發展上一次次質的飛躍。而其中,石油裝備所起到的推動和促進作用同樣不可忽視。

    ????因為,新的理論與技術往往要“物化”為具體的機械裝備,才能發揮出科技進步的威力。裝備,是新理論新技術的載體。

    ????“鉆頭不到油氣不冒,裝備不強油氣難長?!边@句很多老石油們常常提到的順口溜就形象地點出了石油裝備對于油氣勘探開發生產的重要性。

    ????縱觀克拉瑪依油田稠油開采幾十年的發展歷程,正是伴隨著一個個重大裝備利器的誕生,才讓科技人員層出不窮的想法最終變為現實,才使各項先進的技術手段最終成功運用。

    ????也正是在這一個個“金剛鉆”的開路下,開發克拉瑪依稠油這個世界級難題的“瓷器活”才有了最為現實的前提和保證。

    2016年2月25日,科研人員在風城油田作業區火驅現場跟蹤水平井產出氣、液處理情況,并錄取相關資料。(風城油田作業區供圖)

    ????現實掣肘

    ????1983年3月,石油部全國稠油資源開發會議在北京召開。會上,遼河油田負責人關于稠油勘探開發成果的匯報,讓前來參加會議的克拉瑪依石油人艷羨不已:“咱克拉瑪依也有稠油呀!”

    ????是的。早在1958年,時任克拉瑪依礦務局生產技術處處長的張毅,就帶隊對克拉瑪依風城地區的這種難以流動的原油進行過開采試驗。

    ????也是在這次會議上,讓此時已擔任新疆石油局局長的張毅重新拾起了二十多年前的夢想——是時候開采克拉瑪依風城的稠油了。

    ????但與普通稀油的開采不同,要讓這種流不動的油流起來,面臨著太多的難題,其中一個關鍵的問題是對開采工藝的要求。于是,他把探路先鋒的工作交給了新疆石油管理局油田工藝研究所。

    ????于是,從那一年起,工藝研究所所長王國瑞帶領著一支由130人組成的“熱采隊”,在風城油田圍繞這樣一個問題開始了攻關:如何讓稠油產生流動性——既能夠從地底下被采出來,還能夠通過管道或車輛進行運輸。

    ????事實上,對于這個讓人發愁的稠油,國內外所有技術手冊的定義是這樣的:“黏度小于1萬厘泊的,叫做普通稠油;1萬厘泊至5萬厘泊,叫特稠油;大于5萬厘泊的,叫做超稠油?!倍鯂鹚麄兠鎸Φ某碛?,黏度是95萬厘泊。

    ????按照當時的資料,“熱水循環降黏法”可以使超稠油黏度降低到產生較好的流動性?!暗鎸︼L城油田這樣高黏度的超稠油,如果采用‘熱水循環法’,所消耗的煤和泵送熱水耗電的成本太高,顯然是無法承受的?!?/p>

    ????于是,熱采隊想到了另一種化學方法:在稠油中加降黏劑。

    ????經過十幾種配方、一百多次室內實驗,王國瑞他們找到了“風3號”和“風4號”兩種最佳配方,把95萬厘泊的超稠油黏度降到了79厘泊。這個黏度使超稠油機采成為了可能。

    ????但在進一步的工業化推廣中,研究人員發現,僅僅加入降黏劑不夠,還必須將物理和化學手段相結合。

    ????“先向油井內注入蒸汽,關井一段時間,待蒸汽的熱能向油層擴散后,超稠油的黏度大大降低了,就可以開井生產?!蓖鯂鸩扇〉倪@種方法,叫做“蒸汽吞吐法”。

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    2012年5月21日,風城油田作業區員工在巡檢新裝置。該作業區旋流除油試驗于2010年6月啟動,除油率可達90%以上,有效降低了污油產生量和污水后續系統的處理壓力。(風城油田作業區供圖)

    ????可即使采用這種方法,影響開采效果的因素仍有很多,最主要的是“蒸汽干度”,也就是純粹的水蒸氣的比例。但當時采用的國產鍋爐產生的蒸汽干度只有30%,一口井每天只能采出不到1噸的超稠油。

    ????無奈,1984年,油田工藝研究所副所長彭順龍只得帶人到國外考察高干度鍋爐,并在美國訂購了兩臺,這兩臺鍋爐產出的蒸汽干度達到了60—70%。

    ????考察熱采稠油效率的最主要指標是油汽比:注入的蒸汽越少,采出的稠油越多,效率就越高。

    ????用國產鍋爐熱采的油汽比不到0.1,而這兩臺美國鍋爐可以使油汽比達到0.2——超出了一倍多。從經濟效益的角度講,油汽比達到0.2%,風城的超稠油可以實現稠油的工業化開采。

    ????這一巨大的差距讓大家一下看到了自身在設備上的明顯不足,也讓很多人開始意識到,沒有先進的石油裝備作為依托,即使認識到問題所在,也無法有效加以解決。

    ????厚積薄發

    ????2012年8月22日,由新疆油田公司工程技術公司經過4年攻關研發的“高干度油田注汽鍋爐和高干度蒸汽生產方法”,獲得國家發明專利。

    ????這一裝備的問世,為克拉瑪依油田超稠油的開發又一次帶來了福音。

    ????超稠油因其黏稠又容易凝固,很難被開采出來,因而被稱為“流不動的油田”,是世界公認的原油開采難題。整個中國發現的稠油地質儲量有十幾億噸,其中風城油田占了近四億噸。如何讓風城這近四億噸儲量的超稠油乖乖地從地下來到地面“重見天日”,發揮其重要的經濟和國防建設價值,是克拉瑪依油田多年的夙愿。

    ????在稠油開發的長期攻關中,工程技術公司作為克拉瑪依油田裝備制造的大本營,始終依靠“自主研發”,為取得這場戰役的勝利不斷攻堅克難。而長期困擾大家的在稠油開發中鍋爐蒸汽干度問題就是他們一直關注的重點。

    ????以在風城油田實施的 SAGD技術而言,它要求注入井底的蒸汽干度≥70-75%,而用普通鍋爐的話,注入井底的蒸汽干度通常不到50%。別看兩者只是在數字上相差了20%,但要把50%變為70%,卻需要分別攻克高效汽水分離、飽和濃鹽水摻混汽化、過熱、再摻混一體化、燃燒工況自動調節、配套高溫水處理、觸摸屏控制系統等一系列核心技術問題,并將其融合成一個穩定高效的運行體系并形成量產,難度非常高。

    ????技術人員決定專門為此研制配套的系列油田過熱注汽鍋爐。

    ????工程技術公司產品開發研究所所長周建平非常清楚:如果SAGD可以成功應用,那將讓克拉瑪依油田稠油開采實現跨越式發展,與之匹配的油田過熱注汽鍋爐性能也要實現跨越式發展,而且已迫在眉睫、刻不容緩!

    ????雖然當時國內外并無這種鍋爐成功研發的先例,但公司二十多年的鍋爐研制實踐經驗給了大家信心。技術人員下定決心一定要啃下這塊“硬骨頭”:國內外沒有的產品,不代表我們就不能生產出來!

    ????一支由十多名技術研發骨干組成的“高干度過熱注汽鍋爐項目研發小組”迅速組建。走在這條從無到有的創新之路上,隊員們都做好了“吃苦”的準備。

    ?2020年9月21日,風城油田作業區員工在重32井區檢查注汽鍋爐運行情況。本報首席記者 閔勇 攝

    ????摸索前行

    ????首先要進行項目調研。研發小組多次與國內知名鍋爐制造廠家進行學習交流,從海量的相關技術資料中收集分析整理任何可能有用的信息。

    ????周建平回憶道:“當時我們研制油田過熱注汽鍋爐的知識和經驗比較欠缺,遇到研發難題找不到癥結時壓力非常大,但我們非常樂觀、信心十足,堅信一定能攻克各種難題?!?/p>

    ????研發小組結合SAGD開發工藝的特殊要求,在常規鍋爐的基礎上,針對過熱器、分離器、摻混器、自動化系統等核心部件進行了重新設計并不斷優化改進。

    ????油田過熱注汽鍋爐在風城油田重32井區、重37井區試運行時,研發設計、調試人員吃住在井場。

    ????試運行中,由于儲層比預期的復雜,發生了井下篩管受汽竄出砂破壞,舉升能力不足導致蒸汽室不能向下推進,蒸汽壓力過低等實際運行方面的技術問題。

    ????“問題”就是命令,不管白天晚上,只要有問題,研發小組立馬就在現場著手研究解決。鍋爐房噪音特別大,操作人員需要戴耳塞保護聽力,研發人員在里面進行調試往往一待就是五六個小時;夏天,鍋爐房里溫度有時能高達六十多攝氏度,研發人員帶著防暑藥品,往往一進去就是半天,出來時全身上下早已被汗水浸透;白天現場調試改進,晚上繼續設計、計算、繪圖……

    ????路亞莉是小組里唯一的女士,2008年開始現場試驗時,她的孩子剛剛一歲多,而她駐扎在風城試驗現場,兩三個月才能回家一次。每次回家她抱著孩子親了又親,舍不得放手,對孩子的思念和愧疚交織在一起的復雜感受,常常讓這位年輕的母親心碎……

    ????就這樣,春去秋來,幾度寒暑,研發小組全體成員以信心為支柱,互相支持、互相鼓勵,一路摸索前行。

    ????大顯身手

    ????2008年8月22日,經過不斷研究、改進、優化設計,克拉瑪依油田第一臺油田過熱注汽鍋爐自主研發成功,并向國家知識產權局申報國家專利;2009年10月,經過優化改造后的油田過熱注汽鍋爐樣機投入試驗,鍋爐蒸汽出口干度可達100%,過熱度可達到25℃,完全滿足SAGD對“蒸汽”的技術要求。

    ????2011年,鍋爐實現批量生產,首批6臺油田過熱注汽鍋爐陸續在風城重18井區順利投產,有效滿足了油田特超稠油注汽開發工藝需求。

    ????2012年8月22日,工程技術公司“高干度油田注汽鍋爐和高干度蒸汽生產方法”獲得國家知識產權局頒發的發明專利證書。

    ????研發小組成員紛紛感慨道:“終于能松一口氣了!”

    ????數據顯示,運用普通鍋爐進行蒸汽吞吐和蒸汽驅等傳統稠油開采方式,采收率一般在22%-28%。而應用“高干度油田注汽鍋爐和高干度蒸汽生產方法”專利技術,使稠油采出程度達到50%;單井產量達45噸以上,是普通直井的10倍、水平井的5倍;油汽比達到0.48,超過了方案設計指標。在節能方面,已投入使用的19臺油田過熱注汽鍋爐,年節約清水(減少污水排放)16.8萬噸,年節省天然氣2535.8萬立方米。

    ????2535萬立方米天然氣是什么概念?這大致相當于當時克拉瑪依全體市民一年的天然氣消耗量。

    ????經過近幾年的不斷研發和改進完善,目前該類型鍋爐從點爐到產生過熱蒸汽已全程實現自動化控制管理,無需人員值守,技術創新水平在國內首屈一指。

    ????幾年來,該公司還先后設計開發出SAGD、火驅專用井口裝置等,有效滿足了油田不同工況的稀、稠油開發要求。

    ????2012年9月,在中國(克拉瑪依)國際石油天然氣及石化技術裝備展覽會上,工程技術公司的注汽鍋爐、抽油機、井口裝置等六大系列特色裝備在克拉瑪依會展中心集體亮相,向國內外友人充分展示了工程技術公司技術成熟、服務廣泛、一體化工程技術保障的優勢。

    ?2020年9月21日,風城油田作業區SAGD一號采油站,一架架稠油開采裝置矗立在注汽管線交織的生產現場。本報首席記者 閔勇 攝

    ????助力火驅

    ????國內各油田稠油老區注蒸汽開采已進入開發后期,面臨采出程度低、油氣比低、噸油操作成本高等問題,亟待尋求接替開采技術。

    ????火驅技術是通過注氣井連續注入空氣,點燃并加熱油層,將原油推向生產井的一種稠油熱采技術,具有熱效率高、采收率高、節能環保等優勢,是比較理想的接替開采技術,新疆油田公司于2008年啟動了“紅淺1井區直井火驅先導試驗”,這是中石油首個自主管理、自主開發的火驅項目。紅淺1井區火驅先導試驗經過近8年的室內攻關和現場試驗,使這個蒸汽開采后停產10年的廢棄油藏重新產油,階段采出程度達到22.5%,取得了階段成果,形成了配套技術,具備了工業化開發的條件。

    ????在火驅試驗項目中,點火工藝技術是火驅采油的關鍵技術之一,為此,承擔任務的工程技術研究院科研人員經過8年現場試驗和室內攻關自主研制了固定式、小直徑移動式、連續管一體式等系列點火器和配套車載點火裝置,實現了點火設備的“自動化、模塊化、標準化、系列化”,可以滿足不同井型、深度的點火需求,為火驅技術的推廣應用提供了重要的技術支撐。

    ????火驅監測技術是生產調控、安全生產以及能否順利實施的關鍵。針對火驅高溫、高產氣兩大生產特點,工程技術研究院先后研發了井下溫度壓力監測技術、產出氣監測技術、火線前緣監測技術相結合的火驅動態監測系列技術,整體達到國際先進水平。

    ????保障SAGD

    ????SAGD即蒸汽驅重力輔助泄油技術,是目前世界上最先進的稠油開采技術。

    ????2008年10月1日,在股份公司的一個實驗項目——風城油田重32井區SAGD先導實驗區,第一對SAGD水平井完井。這對水平井的完井,意味著克拉瑪依油田通過科技創新,在超稠油開發技術的探索上又前進了一步。

    ????克拉瑪依油田稠油超稠油資源豐富,淺層稠油經過二十多年的規模開發,已形成配套技術。但對于50℃原油黏度2×104mpa·s以上的超稠油缺少有效開采技術,采用常規注蒸汽開發方式難以有效動用。

    ????對于采用常規熱采技術無法經濟有效開采的油砂和超稠油而言,SAGD技術無疑是一種有效的開采技術。

    ????然而,隨著井控安全要求的提高和帶壓作業工藝技術的推進,技術人員發現原有SAGD井口的產品結構和管柱懸掛方式不能滿足返液和后續作業的需要。

    ????針對這個問題,工程技術研究院科研人員經過攻關自主研制了新型SAGD芯軸式平行雙管井口,以滿足SAGD開發工藝及熱采帶壓作業的需求。

    ????“新型SAGD井口,不僅能夠滿足SAGD注汽階段注汽、測試、返液及后期生產的工藝過程要求,而且解決了后期修井過程的井控問題,為新疆油田公司SAGD工藝的應用和完善奠定了裝備基礎?!惫こ淘貉芯克a品設計人員申玉壯介紹。

    ????不僅如此,通過多年攻關,該院技術人員還研發形成了淺層雙水平井SAGD鉆采工程配套技術體系,自主研制了完整配套的鉆完井、注汽、舉升、監測等配套工藝及設備,保障了風城油田作業區難動用淺層超稠油油藏的規?;_發。

    ????SAGD開發主要有雙水平井、直井—水平井組合和單水平井3種布井方式。其中雙水平井SAGD蒸汽腔發育體積大、驅油效率高,而雙水平井SAGD從預熱啟動到正常生產這一過程產油量很少,且通常需要3—6個月甚至更長時間,導致蒸汽消耗量大、能量利用率低及產出液處理難等一系列問題。

    ????同樣,針對這一系列問題,工程院技術人員根據風城超稠油油藏具有黏度高、滲透率低、導熱系數低、非均質性強的特點和風城油砂特征,開展了風城油砂擴容機理研究、理論模型、研制施工設備及配套工藝,形成SAGD快速啟動技術,實現快速建立井間連通。實施這一系列技術的油井,平均縮短預熱周期60%,節約蒸汽54%。這一系列技術打破了技術壟斷,填補國內空白,實現了技術國產化。

    ????針對SAGD技術,僅新疆油田公司工程技術研究院就通過攻關,形成了7項發明專利、29項實用新型專利、7項標準(規范)、1套軟件、23套工具、21篇論文、2部著作等成果,總體水平達到了國際領先水平。

    ????安全穩產

    ????了解稠油生產的人都知道,放套管氣是稠油生產最為日常也最為重要的一項基礎工作。在開發稠油過程中,油井套管內會產生大量氣體,如不及時排出,將會影響油井的正常生產。

    ????這種生產特性要求油井每天都要進行套管氣放壓,由此就產生了兩個問題。

    ????一是員工勞動強度大。目前,風城油田采油一站開井數量在930口以上。按照風城油田作業區要求,每口井每天需要放套氣2至3次,上產時期甚至增加到3至4次。這使得一線員工們勞動強度很大,而且當井下壓力較大時,人工完成一次放氣少則10分鐘,多則半小時,勞動效率較低;

    ????二是環境污染,放壓管線架設在地面上,放氣時產生噪聲,且井下壓力容易把原油攜帶噴出,造成井場地表和空氣污染。

    ????通過自主研究,工程院技術人員發明制造了井下定壓放氣閥。這一裝置的應用可以在很大程度上解決這個難題。放氣閥被安裝在稠油井上下油管之間,當油井內的套管環形空間氣體壓力高于油管內部壓力時,氣體進入油管內腔;當套管內的氣體壓力低于油管內壓力時,氣體由套管進油管,以此達到穩定放氣的效果。

    ????2013年,風城油田作業區在重32井區20口井上安裝了這種放壓閥,結果顯示,安裝放氣閥的油井產量明顯高于相鄰的同輪次油井,穩產效果顯著。

    ????人們運用科技發現了稠油,承載著新技術新工藝的機械裝備又助力了稠油開采?;仡櫩死斠烙吞飵资甑某碛烷_發歷程,各類重要裝備為稠油開發不斷注入著蓬勃的生機。我們相信,隨著更多新裝備的不斷誕生,克拉瑪依的稠油開發必將得到更加有力的保障。

    ????明日請關注克拉瑪依油田稠油開發的奮進歷程系列報道之十:《重大創新利國利民——克拉瑪依油田稠油開發技術創新的綜合效益分析》)

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    時間:2020-10-22    來源:克拉瑪依日報
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