基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法
杨阳, 曹砚锋, 隋先富, 于继飞, 欧阳铁兵    
中海油研究总院, 北京 100028
摘要: 目前海上油田总体开发方案中,机械采油方式优选方法单一,以定性指标为主,缺乏必要理论支撑与数据支持。为此,综合考虑技术指标、经济指标、工程指标的影响,以机械采油方式优选为目标,采用等级加权法对技术、经济和工程3个指标的影响因素进行赋值以及分配权重,建立了海上机械采油方式优选方法。利用该优选方法对海上X稠油油田的机械采油方式进行了优选,开发初期产液量为40~108 m3/d时,推荐采用螺杆泵开采;开发后期产液量达到200 m3/d时,考虑X油田为稠油油田,应采取降黏措施,推荐采用电潜泵+掺稀/化学降黏方式开采。优选结果与该油田总体开发方案中的机械采油方式一致,且该油田机械采油方式与优选结果一致的井,都正常生产。这表明基于等级加权法的机械采油方式优选方法可以指导海上油田选用合理、经济、对海洋工程影响较小的机械采油方式,从而提高海上油田的开发效益。
关键词: 海上油田    采油方式    机械采油    等级加权法    层次分析法    
Optimizal Method of Offshore Oil Artificial Lift Modes Based on Hierarchical Grade-Weighted Method
YANG Yang, CAO Yanfeng, SUI Xianfu, YU Jifei, OUYANG Tiebing    
CNOOC Research Institute, Beijing, 100028, China
Abstract: Currently, the method used for optimizing mechanical artificial lift methods in offshore oil fields is developed during the overall development plan.Generally speaking, there is insufficient theoretical support or data available in these processes.For that reason, it is important to develop a new analytical approach that incorporates all relevant technical, economic, and engineering factors.To improves the process, a hierarchical, grade-weighted method can be deployed to assign these three indicators for establishing a model of optimal offshore artificial lift.The newly developed method has been deployed for identification of optimal artificial lifts in X Oilfield for heavy oil development.The result shows that in the early stages of development, liquid production was 40-108 m3/d, and accordingly, a screw pump was proposed for its development.In the late stages of development, with liquid production was above 200 m3/d, ESP and dilution or chemical viscosity-reducer should be deployed to reduce viscosity of heavy oil.Results obtained by using the proposed method coincided with those specified in an overall development plan.In addition, all optimal wells that adopt artificial lift techniques identical to selection results have normal production.It can seen that the hierarchical grade-weighted method can could be deployed to identify artificial lifts with outstanding economic performances that will enhance the recovery in offshore environments.Eventually, the development efficiency in offshore oil and gas fields can be dramatically enhanced.
Key words: offshore oilfield    oil production method    mechanical recovery    hierarchical grade-weighted method    analytic hierarchy process    

我国大部分海上油田都采用机械采油方式,主要有电潜泵、射流泵、气举、螺杆泵等,另外,对水力潜油泵(HSP)等新型机械采油方式也进行了可行性研究[1]。在油田开发过程中,机械采油方式是否合理对于油井产能的充分释放、生产成本的降低以及采收率的提高有着非常重要的影响。目前,海上油田选择机械采油方式的方法较为简单,只是将几种机械采油方式的优缺点进行对比,再结合油田的基本参数进行定性评价,缺乏理论支撑与数据支持,优选结果难以令人信服。

近年来,国内外学者对于机械采油方式的选择进行了深入研究[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16],但是针对的都是陆上油田,对海上油田机械采油方式优选研究甚少。考虑到海上油田采油的特殊性,选择机械采油方式时不仅要考虑技术上可行,还要有好的经济效益,同时要充分考虑采油方式对后续海洋工程方面的影响,例如占地面积、动力来源以及施工难度等,而国内外学者在以往的研究中没有考虑机械采油方式对海洋工程方面的影响。

等级加权法是简洁实用的决策方法,计算简单,所需定量数据较少,具有一票否决机制,但是也存在打分主观性较强的缺点。针对该问题,可以根据多名海上采油专家的意见进行综合打分,使打分系统更具针对性,更加适合海上机械采油方式的优选,变缺点为优点。因此,笔者引入等级加权法,考虑技术指标、经济指标和工程指标的各种影响因素,以机械采油方式为目标,建立了海上机械采油方式优选方法。

1 不同机械采油方式敏感因素及得分

根据等级法将不同机械采油方式的指标进行分类,并对各个指标及敏感因素进行分级。将各类因素分为最好、好、适合、不好、不可行5个等级,相应的等级数值分别为4,3,2,1,0。用等级法筛选比较简单,因为某一方法中只要有一个为零,则不能采用,也就是一票否决。

海上油田选择机械采油方式与陆上油田稍有不同,不仅要考虑技术和经济指标,还要考虑工程指标。技术指标的敏感因素包括产液量、举升高度、流体油藏特性及生产操作问题、井型、采油工艺及后期措施和复杂性参数。经济指标的敏感因素包括初期投资、操作成本、配套设施费用和维护费用。考虑到海上油田采油的特殊性及机械采油方式对后续海洋工程方面的影响,工程指标的敏感因素包括占地面积、动力来源、对平台要求和施工难度。

表 1表 3是海上采油专家给出的不同机械采油方式技术、经济和工程指标的敏感因素得分。

表1 不同机械采油方式技术指标敏感因素得分 Table 1 Sensitivity of technical indicators for different artificial lift modes
敏感因素 技术指标敏感因素得分
电潜泵 水力潜油泵 液压抽油机 螺杆泵 水力射流泵 气举
产液量 高产液量(≥200 m 3/d) 4 4 2 0 3 4
中产液量(50~200 m 3/d) 4 4 4 3 4 4
低产液量(<50 m 3/d) 2 2 4 4 4 2
举升高度 深(≥3 000 m) 1 0 1 0 0 1
中深(2 000~3 000 m) 2 0 2 0 1 3
中(1 000~2 000 m) 3 2 3 2 2 4
浅(<1 000 m) 4 4 4 4 4 4
流体油藏特性及生产操作问题 高气油比(≥100 m 3/m 3) 2 3 2 4 2 4
高黏度(≥100 mPa·s) 2 2 2 4 3 2
高含蜡(>10%) 3 2 2 4 3 1
腐蚀 1 1 1 2 1 2
井温≥100 ℃ 2 3 3 2 3 4
井温<100 ℃ 4 4 4 3 4 4
含砂量≤1% 3 3 2 4 2 4
含砂量>1% 0 0 0 4 0 2
井型 定向井适应性 2 2 2 2 3 2
小井眼适应性 2 1 2 2 1 4
采油工艺及后期措施 强化采液能力 4 2 3 2 2 2
采油工艺完整性 4 1 2 2 2 3
试井,取资料 3 3 3 2 2 4
运转周期 3 3 2 1 2 3
复杂性参数 使用可靠性 3 1 2 2 2 3
能量利用效率 2 2 2 3 2 1
设备简便性 3 3 2 3 2 2
表2 不同机械采油方式经济指标敏感因素得分 Table 2 Sensitivity of economic indicators for different artificial lift modes
敏感因素 经济指标敏感因素得分
电潜泵 水力潜油泵 液压抽油机 螺杆泵 水力射流泵 气举
初期投资 2 1 2 3 1 1
操作成本 2 2 2 2 2 3
配套设施费用 2 2 2 3 2 1
维护费用 2 3 2 2 3 3
表3 不同机械采油方式工程指标敏感因素得分 Table 3 Sensitivity of engineering indicators for different artificial lift modes
敏感因素 工程指标敏感因素得分
电潜泵 水力潜油泵 液压抽油机 螺杆泵 水力射流泵 气举
占地面积 2 2 1 3 2 1
动力来源 3 2 3 3 2 0或4
对平台要求 3 1 1 2 1 1
施工难度 3 2 2 3 2 2
2 不同指标和敏感因素权重的确定 2.1 确定不同指标敏感因素的权重

利用层次分析法[17],根据不同机械采油方式技术适应性评价指标,运用Staaty提出的1-9比率标度法[18],邀请若干海上采油专家和工程技术人员,对不同指标敏感因素的相对重要程度进行判断,并构造判断矩阵,利用Matlab编程进行计算。

2.1.1 技术指标敏感因素的权重分配

技术指标敏感因素的权重分配需要考虑2种情形,一种是普通油藏,另一种是稠油油藏及出砂油藏。

普通油藏的判断矩阵P为:

式中:P为技术指标;B1为产液量;B2为举升高度;B3为油藏流体特性及生产操作问题;B4为井型;B5为采油工艺及后期措施;B6为复杂性参数。

利用Matlab编程计算普通油藏判断矩阵的最大特征值及对应特征向量,并对特征向量进行归一化。普通油藏判断矩阵的最大特征值为6.223 1,特征向量W=(0.748 8,0.483 8,0.327 9,0.140 1,0.275 2,0.048 2),归一化特征向量W1=(0.370 0,0.239 0,0.162 0,0.069 2,0.136 0,0.023 8)。

普通油藏判断矩阵的一致性指标为0.0446 2,平均随机一致性指标为1.26,则普通油藏判断矩阵的随机一致性比率小于0.1,因此,普通油藏判断矩阵具有满意的一致性。故普通油藏技术指标敏感因素中产液量的权重b1=0.370 0,举升高度的权重b2=0.239 0,油藏流体特性及生产操作问题的权重b3=0.162 0,井型的权重b4=0.069 2,采油工艺及后期措施的权重b5=0.136 0,复杂性参数的权重b6=0.023 8。

稠油油藏及出砂油藏的判断矩阵P′为:

利用Matlab编程计算稠油油藏及出砂油藏判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量,并对特征向量进行归一化,检验判断矩阵的一致性。通过计算得到稠油油藏及出砂油藏技术指标敏感因素中产液量的权重b1=0.258 0,举升高度的权重b2=0.169 9,油藏流体特性及生产操作问题的权重b3=0.383 4,井型的权重b4=0.061 6,采油工艺及后期措施的权重b5=0.104 4,复杂性参数的权重b6=0.022 8。

2.1.2 经济指标敏感因素的权重分配

经济指标敏感因素的判断矩阵P1为:

式中:P1为经济指标;C1为初期投资;C2为操作成本;C3为配套设施费用;C4为维护费用。

通过计算得到经济指标敏感因素中初期投资的权重c1=0.185 0,操作成本的权重c2=0.3452,配套设施费用的权重c3=0.099 7,维修费用的权重c4=0.370 1。

2.1.3 工程指标敏感因素的权重分配

工程指标敏感因素的判断矩阵P2为:

式中:P2为工程指标;D1为占地面积;D2为动力来源;D3为对平台要求;D4为施工难度。

通过计算得到工程指标敏感因素中占地面积的权重d1=0.509 7,动力来源的权重d2=0.273 1,对平台要求的权重d3=0.152 2,施工难度的权重d4=0.066 8。

2.2 确定不同指标的权重

不同指标判断矩阵P3为:

式中:P3为机械采油方式;E1为技术指标;E2为经济指标;E3为工程指标。

通过计算得技术指标的权重e1=0.527 8,经济指标的权重e2=0.332 5;工程指标的权重e3=0.139 6。

3 计算不同机械采油方式的得分

利用加权法对机械采油方式的得分进行计算,技术指标、经济指标和工程指标的得分为各敏感因素的得分与其权重相乘后相加,最终机械采油方式的得分为3指标的得分与其权重相乘后相加,计算公式为:

式中:F1为技术指标得分;f1为产液量得分;f2为举升高度得分;f3为油藏流体特性及生产操作问题得分;f4为井型得分;f5为采油工艺及后期措施得分;f6为复杂性参数得分;F2为经济指标得分;f7为初期投资得分;f8为操作成本得分;f9为配套设施费用得分;f10为维护费用得分;F3为工程指标得分;f11为占地面积得分;f12为动力来源得分;f13为对平台要求得分;f14为施工难度得分;F为机械采油方式得分。

4 实例计算

海上X油田的地面原油具有黏度高、密度大、含硫量低、凝固点低和含蜡量中等的特点,属重质稠油。该油田南区油藏埋深900~1 300 m,配产40~108 m3/d,开发6年后单井的产液量达到200 m3/d以上,最高可达279 m3/d,并且产出液含水率急剧增大,举升深度1 000 m左右,井温52.1~56.1 ℃,气油比为6 m3/m3,地层原油黏度为413~741 mPa·s,地面脱气原油黏度为1 789~3 635 mPa·s,平均2 343 mPa·s,含蜡量4%,井型为定向井和水平井,产出液无固相和腐蚀性流体,无产出液气井可以当做动力来源。

X油田为重质稠油油田,开发初期产液量在低、中范围内,开发后期在高产液量范围内,故分开发初期和开发后期进行计算,其他参数都在正常范围内。

4.1 开发初期机械采油方式优选

1) 低产液量( < 50 m3/d)井机械采油方式优选。将油田配产、举升高度、井温、气油比等基本参数输入用Matlab编制好的计算程序中,计算结果显示:电潜泵得分为2.316 7;水力潜油泵得分为2.122 8;液压抽油机得分为2.335 7;螺杆泵得分为2.818 3;水力射流泵得分为2.481 3;气举得分为0。由此可看出开发初期低产液量时,螺杆泵的得分远大于其他机械采油方式,故开发初期低产液量时推荐使用螺杆泵采油。

2) 中产液量( < 200 m3/d)井机械采油方式优选。将配产改为108 m3/d,其他参数不变进行计算,计算结果显示:电潜泵得分为2.589 0;水力潜油泵得分为2.395 2;液压抽油机得分为2.335 7;螺杆泵得分为2.682 1;水力射流泵得分为2.481 3;气举得分为0。开发初期中产液量时螺杆泵得分最高,故开发初期中产液量时推荐使用螺杆泵采油。

4.2 开发后期机械采油方式优选

开发后期产液量增大,并且产出液含水急剧增加。计算结果显示:电潜泵得分为2.589 0;水力潜油泵得分为2.395 2;液压抽油机得分为2.063 4;螺杆泵得分为0;水力射流泵得分为2.345 2;气举得分为0。电潜泵得分远高于其他机械采油方式,考虑到产出液含水率升高,井筒流体黏度大幅度降低,十分适合电潜泵举升。由于该油田是稠油油田,最好同时采取掺稀或掺化学药剂降黏措施,故开发后期推荐选用电潜泵+掺稀/化学降黏的采油方式。

4.3 机械采油方式选择

计算结果表明:开发初期产液量不高,含水率也不高,采用螺杆泵采油;开发后期随着产液量增大,含水率也急剧增大,改用电潜泵+掺稀/化学降黏的方式开采。这与海上X油田总体开发方案设计中采油方式的选择相一致。

对X油田开采过程中的机械采油方式进行了统计,结果如下:

1) 前期使用螺杆泵采油,后期转电潜泵采油的井有7口,目前正常生产;

2) 前期使用电潜泵,投产很短时间便转螺杆泵采油的井有4口。这是由于这些井产液量较小(10 m3/d左右),前期使用电潜泵采油,机械采油方式选择不当,应使用螺杆泵采油;

3) 开发过程中一直使用螺杆泵采油的井有4口,目前有3口井已经停产,停产前日产液50 m3左右,停产原因是抽油杆脱落,暂未修井;一直使用电潜泵采油的井有4口,目前2口井由于无产出液停产,停产前日产液量110 m3左右,其原因是泵轴断,暂未修井。

由此可以看出,开发前期使用电潜泵和整个开发过程一直使用电潜泵或者螺杆泵采油的井,都存在一定的问题,而前期使用螺杆泵,后期转电潜泵采油的井正常生产。这与由等级加权法推荐的前期使用螺杆泵后期转电潜泵的机械采油方式相一致,说明笔者建立的基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法是可行的。

5 结论及建议

1) 基于等级法、层次分析法以及加权法建立了海上机械采油方式优选方法,并利用Matlab软件编写了计算程序,弥补了海上油田总体开发方案中机械采油方式优选中存在的理论薄弱的缺点。

2) 计算实例表明,基于等级加权法的机械采油方式优选方法可以指导海上油田机械采油方式的优选。

3) 在应用基于等级加权法的机械采油方式优选方法优选机械采油方式时,应根据海上油田的具体情况,增加敏感因素,并对一些敏感因素进行细分,以进一步提高优选采油方式的准确性与适用性。

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杨阳, 曹砚锋, 隋先富, 于继飞, 欧阳铁兵
YANG Yang, CAO Yanfeng, SUI Xianfu, YU Jifei, OUYANG Tiebing
基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法
Optimizal Method of Offshore Oil Artificial Lift Modes Based on Hierarchical Grade-Weighted Method
石油钻探技术, 2016, 44(1): 73-78
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(1): 73-78.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201601014

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收稿日期: 2015-7-17
改回日期: 2015-12-24

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