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油 田
单一地质构造(或地层)因素控制下的、同一产油气面积内的油气藏总和称为油气田。一个油气田可能有一个或多个油气藏。
在同一面积内主要为油藏的称油田,主要为气藏的称气田。按控制产油气面积内的地质因素,将油气田分为3类:
①构造型油气田。指产油气面积受单一的构造因素控制,如褶皱和断层。②地层型油气田,区域背斜或单斜构造背景上由地层因素控制(如地层的不整合、尖灭和岩性变化)的含油面积。
③复合型油气田。产油气面积内不受单一的构造或地层因素控制,而受多种地质因素控制的油气田。
按最终可采储量值可分成4种:
①特大油(气)田:石油最终可采储量大于7亿吨(50亿桶)的油田。天然气可按1137米3气=1吨原油折算。
②大型油(气)田:石油最终可采储量0.7~7亿吨(5~50亿桶)的油(气)田。③中型油(气)田:最终可采储量710~7100万吨(0.5~5亿桶)的油(气)田。④小型油(气)田:石油最终可采储量小于710万吨(5000万桶)的油(气)田。全世界目前已发现并开发油田共41000个,气田约26000个,总石油储量1368.7亿吨,主要分布在160个大型盆地中。全世界可采储量超过6.85亿吨的超巨型油田有42个,巨型油田(大于0.685亿吨)328个。
油气藏如何形成大家都知道,一般的固体矿藏,如铁矿或煤矿,它们在哪里形成,就可以在哪里找到,唯有石油和天然气与众不同。如果把石油的诞生地称为石油的“故乡”,那么,找到油田的地方就是它的“归宿地”。石油这种离开“故乡”出走,而去“归宿地”落户的特征就是油气的运移。使它具有这一特征的原因是因为油气在地下是可以流动的。
(一)、油气的运移
从广义上说,油气在地层中的任何流动都可以通称为油气的运移。如生油层中生成的分散状态的油气,通过运移可以集中起来形成有工业价值的油气藏;已经形成的油气藏,在地壳运动的作用下又可以被破坏,使集中起来的石油再一次分散;有的出露到地面或成为人们可以观察到的“油气苗”,有的则可以运移到另外的地方重新集中起来,成为所谓的“次生油藏”,有的甚至完全暴露到地面全部逸散了。但通常所说的油气运移都是指的从分散到集中的运移,包括初次运移和二次运移。
初次运移是指生成的石油从生油层向邻近有孔隙、溶洞或裂缝的地层中的运移,这种地层称为“运载层”。运移的方向是多方位的,可以向上、向下或向四侧,把分散的星星点点的石油初步集中起来,就好象渭渭细流汇入江河一样。
二次运移又分前期和后期。前期是石油在运载层中的运移,后期运移是石油向“终点站”集中,在能够阻挡运移的地方停止下来聚集成为油藏。运移的方向一般是定向的,即运载层中的石油都朝着地层的高部位具有阻止运移的地方流去,使油气在这个地方达到最大程度的集中,就好象条条江河归大海一样。
(二)、油气运移的动力、方式、通道和时间
油、气会流动,这是它的内在因素,如果没有外来力量的推动,油气也是不会发生运移的,这种外来的力量就是促使油气发生运移的动力。
初次运移的主要动力是压力。这种压力是来自沉积物本身的重量。地层在沉积过程中逐渐加厚,越来越厚,本身重量也逐渐加大,因重量增加而产生的压力也越来越大。沉积物在这个压力作用下,体积由大变小,已生成的油和气,就从生油层中随同水一起,被挤到运载层中去了。知道了花生是通过榨油机施加的压力榨出的花生油,就不难理解生油层中的石油在压力作用下所发生的运移。
二次运移的主要动力是浮力。浮力来自油气的本身,因为油、气的密度比水小,在水中有浮升作用,当油气进入含水的运载层后,油气就在浮力的作用下朝着高处运移和集中。
运移方式指的是运移过程中油气的状态,因为油和气不容易溶解在水中,除了小部分的油气可以在水中以溶液的状态运移外,大部分都是以“油滴”和“气泡”的形式在含水的运载层中进行运移的,因此,水就是油气运移的“运载体”。
大量的“油滴”、“气泡”是在地下微细的通道中运动的。对初次运移来说,通道主要是相邻的运载层。对二次运移来说,通道主要是孔隙、裂缝、不整合和断层。它们走着曲曲弯弯的道路,克服许多阻力,艰难地前进着。所以,运移的速度是相当缓慢的。切不可把它们想象成是顺流而下的轻舟。
至于什么时间开始油气的初次运移,这要看生油层中生成了多少油和它所承受的压力的大小。如果生成的油达到足够饱满的时候或所受到的压力足以把油“挤”出来的时候,油就从生油层中运移到运载层中去了。
只有当构造运动形成圈闭时,储油气层的油、气、水在压力、重力以及水动力等作用下,继续运移并在圈闭中聚集,才能成为有工业价值的油气藏。
通过地质勘探,发现有工业价值的油田以后,就可以着手准备开发油田的工作了。
石油是怎么采集到地面上来的?
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。
自喷井的产量一般来说都是比较高的,例如,中东地区有些油井每口油井日产油量可高达1-2万吨。中国华北油田开发初期,很多油井日产千吨以上,大庆油田的高产井日产200-300吨。据统计,目前世界上约有50%-60%的原油是靠自喷方法开采出来的,特别是中东地区的油井,大多数油井有旺盛的自喷能力。由于这种方法不需要复杂昂贵的设备,油井管理比较方便,是一种高效益的采油方法。所以,在油井开发过程中,人们都设法尽可能地保持油井长期自喷。到了开发的中后期,油层的压力会逐渐减小,不足以将地层内的原油驱替到井底并举升到地面,就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,这就是抽油机。
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。
图1 抽油机结构图
1—底座;2—支架;3—悬绳器;4—驴头;5—游梁; 6—横梁轴承座;7—横梁;8—连杆;9—曲柄销装置; 10—曲柄装置;11—减速器;12—刹车保险装置; 13—刹车装置;14—电动机;15—配电箱。
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。
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。
油田集输
石油和天然气由油井流到地面以后,又如何把它们从一口口油井上集中起来,并把油和气分离开来,再经初步加工成为合格的原油和天然气分别储存起来或者输送到炼油厂,这就是通常称之为“油田集输技术”和“油田地面建设工程”。
油田的集输技术和建设,是据不同油田的地质特点和原油性质,不同的地理气候环境,以及油田开发进程的变化而选定、而变化的。例如,由于原油粘度大小、凝固点高低的不同,高寒与炎热地区的差别,对原油的集输技术就有很大的影响;又如,有的原油和天然气中,因含硫化氢,需经脱硫后才能储存和输送出去,这就要有相应的脱硫技术和建设;再如,当油田开发进入中、后期,油井中
既有油、气,又有大量的水,不仅要把油、气分离开来,而且还要把水分离出来,把油、气处理成合格的产品,把水也要处理干净,以免污染环境„„如此等等的众多问题所涉及的众多技术与工程建设,都是油田建设的主要内容。
原油集输就是把油井生产的油气收集、输送和处理成合格原油的过程。这一过程从油井井口开始,将油井生产出来的原油和伴生的天然气产品,在油田上进行集中和必要的处理或初加工。使之成为合格的原油后,再送往长距离输油管线的首站外输,或者送往矿场油库经其它运输方式送到炼油厂或转运码头;合格的天然气集中到输气管线首站,再送往石油化工厂、液化气厂或其他用户。
概括地说油气集输的工作范围是指以油井为起点,矿场原油库或输油、输气管线首站为终点的矿场业务。
一般油气集输系统包括:油井、计量站、接转站、集中处理站,这叫三级布站。也有的是从计量站直接到集中处理站,这叫二级布站。集中处理、注水、污水处理及变电建在一起的叫做联合站。
油井、计量站、集中处理站是收集油气并对油气进行初步加工的主要场所,它们之间由油气收集和输送管线联接。
(一)油井的地面建设
采油井分两种类型:即自喷井和机械采油井。
自喷井井口的设备一般有采油树、清蜡设备(如:绞车、钢丝、刮蜡片)、油嘴、水套加热炉、油气计量分离器等(井口房和值班房根据当地的气候条件和社会因素考虑是否设置)。
机械采油井目前一般采用有深井泵(即管式泵)、水力活塞泵、电动潜油泵和射流泵四种采油方式。机械采油井场的工艺设备和辅助设备主要有:采油树、油气计量分离器、加热和清蜡设备及采油机械。因为机械采油的方式不同,所以在井口的地面工程也就有所不同,水力活塞泵采油技术是现在比较先进的机械采油方式,下面就此来谈井口的工程建设内容。
水力活塞泵采油是用高压液体作为井下抽油泵动力的无杆抽油泵。主要用于比较深的井、丛式井、结蜡井、稠油井以及条件较复杂的油井。水力活塞泵抽油装置,由地面泵组、井口装置和管线系统、水套加热炉、沉降罐和井下水力活塞泵机组等部分组成。
水力活塞泵一般用稀油作为动力液。可用本井或邻井的原油经分离器脱气,再经过水套加热炉(或换热器)加热到60C左右,进入沉降罐然后被吸入高压三柱塞泵,加压后的原油(动力液),通过井口四通阀注入油管,推动井下水力活塞泵组液马达上下往复运动,中间拉杆带动抽油泵,抽出井内的油。在井内工作过的动力液和抽出的原油通过油管与套管的环形空间上升到地面,通过四通阀进入油气分离器。脱气的油再回到沉降罐,沉降后一部分再进入地面泵循环使用,另一部分进入集油干线。
(二)计量站的设置和建设
计量站的作用主要是计量油井油气产量,并将一定数量(7~14口)油井的油气汇集起来,再通过管道输送到油气处理站。另外,计量站还向井口加热设备提供燃料等。
计量站的种类,按建筑结构分有:砖混结构、大板结构和列车式;按工艺流程分有:单管计量站、双管计量站和三管计量站。计量站的设施,一般有各井来油管汇(也叫总机关)、计量分离器、加热炉、计量仪表等。
油气集输流程是油田地面工程的中心环节。采用什么样的流程,主要取决于各油田地质条件、油井产量、原油的物理性质、自然条件以及国民经济和科学技术的发展水平等。国内外油气集输流程的发展趋势基本是小站计量,大站集中处
理,密闭输送,充分利用天然资源。总的有两种流程:
⒈ 高凝、高粘原油的加热输送流程:
随着石油工业的发展,高凝、高粘原油在石油总产量中所占的比例日益增加。对这类原油国内外一般都采用加热输送。
加热输送分直接加热输送和间接加热输送。直接加热输送是用炉子加热或掺热液与井口油气水混合加热而进行输送;间接加热输送是采用热水伴随、蒸汽伴随或电表皮效应等加热方式进行输送。我国有些油田,像胜利油田、江汉油田、扶余油田、辽河油田等,在部分地区是采用井口加热保温、单管出油的油气混输小站流程;也有采用双管掺液保温的油气混输小站流程;还有采用了三管热水伴随小站流程。
⒉ 单管或双管不加热密闭混输流程:
在欧美国家的大多数油田采用的都是这种流程。其原因是原油的物性好,或油田自然条件好,油井出油温度高。我国的有些油田,根据原油物性和油田自然条件的可能,也采用了井口不加热流程,但有的仍不能采用这种流程。
(三)集中处理站(联合站)的工程建设
集中处理站是油田油气集输流程的重要组成部分。它所承担的任务、建设规模和在油田的建设位置,一般由总体规划根据开发部门提供的资料综合对比后确定。
集中处理站包括:油气工艺系统、公用工程(供电、供排水、供热、通讯、采暖、通风、道路、土建等)、供注水、污水处理、消防、变电以及必要的生产设施。
集中处理站的主要设备有:分离器、含水油缓冲罐、脱水泵、脱水加热炉、脱水器、原油缓冲罐、稳定塔送料泵、稳定塔、稳定塔加热炉、稳定原油储罐、外输泵、流量计、污水缓冲罐、污水泵等。
站内管线尽可能在地面以上架空(电缆、仪表线等可同架),这样既便于维修和管理,又不易腐蚀。站外管线尽可能沿路敷设,以便施工、维修和管理。
下面着重介绍原油脱水和原油稳定: ⒈ 原油脱水
所有的油田都要经历含水开发期的,特别是采油速度大和采取注水强化开发的油田,无水采油期一般都较短,油井见水早,原油含水率增长快。原油含水不仅增加了储存、输送、炼制过程中设备的负荷。而且增加了升温时的燃料消耗,甚至因为水中含盐等而引起设备和管道的结垢或腐蚀。因此,原油含水有百害无一利。但水在油田开发过程中,几乎是原油的“永远伴生者”,尤其是在油田开发的中后期,油井不采水,也就没有了油。所以原油脱水就成为油田开发过程中一个不可缺少的环节,一直受到人们的重视。
多年的反复实践,现在研究成功的多种原油脱水工艺技术有:
沉降分离脱水。这是利用水重油轻的原理,在原油通过一个特定的装置时,使水下沉,油、水分开。这也是所有原油脱水的基本过程。
化学破乳脱水。即利用化学药剂,使乳化状态的油水实行分离。化学破乳是原油脱水中普遍采用的一种破乳手段。
电破乳脱水。用于电破乳的高强度电场,有交流电,直流电、交一直流电和脉冲供电等数种。其基本原理是通过电离子的作用,促使油、水离子的分离。
润湿聚结破乳。在原油脱水和原油稳定过程中,加热有利于原油粘度的降低和提高轻质组份的挥发程度。这也就促使了油水分离。
原油脱水甚费能源,为了充分利用能源,原油脱水装置与原油稳定装置一般都放在一起。为了节约能源,降低油气挥发损耗,通过原油稳定回收轻质烃类,油田原油脱水工艺流程已趋向于“无罐密闭化”。无罐流程的显著特点就是密闭程度高,油气无挥发损耗。在流程密闭过程中,原油脱水工艺流程的密闭是一个关键环节,因为它的运行温度较高,停留时间又长,油气容易挥发损耗。据测定,若采用不密闭流程,脱水环节的油气损耗约占总损耗的50%。
原油脱水设备则是脱水技术的体现,它在原油脱水过程中占有重要地位。一项脱水设备结构的合理与否,直接关系到脱水的效果、效率和原油的质量,以及生产运行成本,进而影响原油脱水生产的总经济效益。因此,人们结合油气集输与处理工艺流程逐渐走向“无罐化”,即不再使用储罐式沉降分离设备,而较普遍地采用了耐压沉降分离设备,研制了先进的大型的脱水耐压容器。电脱水器是至今效率最高,处理能力最强,依靠电场的作用对原油进行脱水的先进设备。电脱水器的形式有好多种,如:管道式、储罐式、立式园筒形、球形等。随着石油工业的发展,经过不断地实践与总结,趋向于大批采用卧式园筒形电脱水器。它的处理规模与生产质量均已达到较高水平,每台设备每小时的处理能力就能达到设备容积的好几倍,净化油含水率可降到0.03%以下。为了加快油田建设速度,提高脱水设备的施工予制化程度,将卧式电脱水器、油气分离器、火筒加热炉、沉降脱水器等四种设备有机的组合为一体,这种四合一设备,不仅结构紧
凑,而且节约了大量的管线、阀门、动力设备,特别是油田规模多变的情况下,这种合一设备可以根据生产规模的需要增加或减少设置台数,所以说它具有较大的机动灵活性。
⒉ 原油稳定
原油稳定就是把油田上密闭集输起来的原油经过密闭处理,从原油中把轻质烃类如:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等分离出来并加以回收利用。这样,原油就相对的减少了挥发作用,也降低了蒸发造成的损耗,使之稳定。原油稳定是减少蒸发损耗的治本办法。但是,经过稳定的原油在储运中还需采取必要的措施,如:密闭输送、浮顶罐储存等。
原油稳定具有较高的经济效益,可以回收大量轻烃作化工原料,同时,可使原油安全储运,并减少了对环境的污染。
原油稳定的方法很多,目前国内外采用的大致有以下四种:
一是,负压分离稳定法。原油经油气分离和脱水之后,再进入原油稳定塔,在负压条件下进行一次闪蒸脱除挥发性轻烃,从而使原油达到稳定。负压分离稳定法主要用于含轻烃较少的原油。
二是,加热闪蒸稳定法。这种稳定方法是先把油气分离和脱水后的原油加热,然后在微正压下闪蒸分离,使之达到闪蒸稳定。
三是,分馏稳定法。经过油气分离、脱水后的原油通过分馏塔,以不同的温度,多次气化、冷凝,使轻重组分分离。这个轻重组分分离的过程称为分馏稳定法。这种方法稳定的原油质量比其它几种方法都好。此种稳定方法主要适用于含轻烃较多的原油(每吨原油脱气量达10立方米或更高时使用此法更好)。
四是,多级分离稳定法。此稳定法运用高压下开采的油田。一般采用3~4级分离,最多分离级达6~7级。分离的级数多,投资就大。
稳定方法的选择是根据具体条件综合考虑,需要时也可将两种方法结合在一起使用。
(四)原油库的建设
用来接收、储存和发放原油的场所叫原油库。原油库具有储存油品单
一、收发量大、周转频繁等特点,它是油田正常生产和原油外运(或外输)的一个重要
衔接部分。
根据不同的原油外运方式,原油库可分以下几种。
铁路外运原油库:油库内建有专用铁路线及有关装油设备。如大庆油田在六十年代,其原油主要就是靠铁路外运,油罐列车每天象长龙一样,从油库将原油源源不断的运向全国有关炼油厂。
管线外输原油库:是利用管线将原油外输到各用油单位。但是,利用管线外输的油田,又不一定都有原油库,如华北油田就没有原油库。华北的原油往北送往石楼,往南送往沧州和石家庄炼油厂都是用管线输送。根据输送距离和油量等因素,输送管线途中还应设有加热和加压站。
联合外运原油库:利用铁路槽车和管线,将原油输送给用油单位。如胜利油田的原油以前是管输到辛店,从辛店站又用铁路槽车往外运,后来又建了东营至黄岛的输油管线来外输原油。靠近海或江河的油田,也可考虑用船来将原油送给用油单位。另外对边远的一些面积小、产油量少的油田,或者新建的油田还没形成系统时,也可用汽车拉油外运。如二连的阿尔善油田,在开发初期即是以汽车来外运原油的。还有冀中油田的有些区块,建设原则就是先建站、后建线,先拉油、后输油。
原油库一般由收油、储存、发放设备及公用工程、生产和生活设施等部分组成。收油设备主要是指收油用的阀组。储存原油的设备主要是储罐。油田上的原油储罐主要是立式园柱型金属油罐。常用的有无力矩罐、拱顶罐和浮顶罐。从降低原油的蒸发损耗来看,浮顶罐比其它结构形式的罐都优越。发放设备是指将原油外运或外输所需要的设备。采用铁路外运时,需要建铁路专用线、装油鹤管、栈桥、装油泵和计量设备等。采用管线外输时,需要安装外输泵、外输阀组、加热设备和计量设备等。联合外运(输)油库的发放设备,则是以上两种油库发放设备的综合。在可能的条件下,应充分利用地形高差来装车,以节省能源。
油库的公用工程与原油处理站的公用工程基本一致。要强调的是油库的安全和消防。原油库一旦发生火灾和爆炸,后果是不堪设想的。
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