Transcript 石油鑽採技術-蘊藏量評估(2-1)

石油鑽採技術-蘊藏量評估
吳柏裕
December 2, 2010
鑽井
 鑽井：其工程作業即鑽井孔。首先，在可能的
油氣封閉構造上方先鑽鑿一個預設深度的孔洞。
 從地表鑽井孔的五個基本步驟：
1. 在井孔中放置鑽頭、鑽鋌與鑽桿。
2. 連接方鑽桿與轉盤，並開始鑽進。
3. 在鑽進過程中，藉由循環泥漿移除鑽屑。
4. 隨著井孔加深，增加連結鑽桿的數量。
5. 當鑽達目標深度後，起出井孔內的鑽桿、鑽鋌
與鑽頭。
The Major Parts of a Drilling Rig
鑽桿
•
•
可容納稱為接頭(tool joints)的特殊絲扣之
鋼管，。
鑽桿連結地表鑽機、井底裝置(bottomhole
assembly)與鑽頭(Bit)，負責將鑽井流體
泵送至鑽頭，並使井底裝置與鑽頭能夠升、
降與旋轉。
鑽鋌
•
•
•
•
•
•
由堅硬的鋼棒加工製造而成的厚壁鋼管。
鋼管間彼此連接以提供泥漿循環之管道。
提供鑽頭所需荷重以破壞岩石。
為了精確地控制鑽頭所需的重量，鑽井人員需仔細地監
測鑽頭剛移離井底時的重量。
此後，再緩慢且小心地將鑽串下至接觸井底，並持續下
放，致使鑽頭荷重上升，以及地表掛載的荷重下降。
如果地表測量顯示低於鑽頭剛移離井底時20,000磅，即
表示鑽頭需增加20,000磅的荷重(在直井時)。此外，井
內的MWD感應器可精確地測量鑽頭荷重，並將資料傳
至地表。
鑽井流體 – 泥漿
鑽井泥漿必須提供的功能如下：
1. 冷卻鑽頭。
2. 潤滑鑽頭與鑽串。
3. 清潔鑽頭並將鑽屑攜至地表。
4. 控制井底壓力。
5. 穩定頁岩。
mud system
水龍頭 (Swivel)
•
•
一個機械裝置，必須同時吊掛鑽串重量、
提供其下方的鑽串轉動。
但其上部維持固定，以及允許大量的高壓
泥漿通過固定部分與轉動部分，而不洩漏。
下套管與下水泥
•
•
在井孔安裝套管以防止崩塌。套管與環孔
留有空間，以使套管維持在井孔中央。
下套管人員將套管下至井孔。下水泥人員
利用底塞、水泥乳、頂塞與泥漿，將水泥
乳向套管底部泵送。鑽井泥漿的壓力使水
泥乳填塞套管與環孔間的孔隙。最後，水
泥乳可以開始硬化，並測試硬度、對準
(alignment)與封固狀況等性質。
油氣井測試
•
持續地鑽進、下套管與水泥，直到循環泥漿所
攜出的鑽屑顯示已達到目標層。此時即移除井
內的鑽井設備，並展開各項油氣井測試以驗證
是否有油氣，測試項目包括：
1. 電測：將電測儀與氣體偵測設備下至井內，測
量岩層性質，以測定孔隙率與飽和率。
2. 地層測驗：將測量設備下至井內，測量井內壓
力，此可顯示是否已達儲集層，並測定流體種
類、流速、壓力與滲透率。
3. 採岩心：採集岩心以進行儲集岩特性分析。可
測定孔隙率、滲透率、飽和率與孔隙壓力。
Reservoir Type
• Oil reservoir
– Crude oil
– Volatiled oil
• Condensate reservoir
• Gas reservoir
– Wet gas
– Dry gas
PVT Diagram
Composition of oil and gas
Compone
Crude
nt
oil
（MOL %）
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7+
Volatiled
oil
Condensat
e
Wet
gas
Dry
gas
48.83
2.75
1.93
1.60
1.15
1.59
42.15
64.36
7.52
4.74
4.12
2.97
1.38
14.91
84.42
5.07
2.56
1.74
0.83
0.60
4.78
89.84
3.75
1.88
1.05
0.77
0.41
2.30
95.85
2.67
0.54
0.32
0.08
0.12
0.42
100.00
100.00
100.00
100.0 100.00
0
Reserves Estimation
•
•
•
•
Volumetrical Method
Material Balance
Decline Curves Method
Reservoir Simulation
Volumetrical Method
• For oil reservoir
– OOIP=7,758Ahψ(1-Swi)/Boi
– N=OOIP*ER
• For gas reservoir
– OGIP=43,560Ahψ(1-Swi)/Bgi
– G=OGIP*ER
• OOIP:Original oil-in-place(STB) N:oil reserve(STB)
OGIP:Original gas-in-place(scf) G:gas reserve(scf)
7,758:bbl/acre-ft
43,560:ft3/acre-ft
A:area, acre
h:net formation thickness,ft
ψ:porosity, fraction Swi:initial water saturation , fraction
Boi(Bgi) : initial oil(gas) formation volume factor
ER:recovery factor,fraction
Material Balance
• Basic Concept
– (cumulative oil produced and its original
dissolved gas)+(cumulative Free gas and
water produced)-(cumulative expansion of oil
and its dissolved gas and free
gas)=(cumulative water entering the reservoir)
• General form
– N=
Np〔Bt+0.1781Bg(Rp-Rsi〕-(We-Wp)
Boi﹛mBg/Bgi+Bt/Boi-(m+1) ﹝1-△p(Cf+SwCw)/(1-Sw﹞﹜
Decline Curves Method
• Exponential decline
– q=qie-Dt
• Harmonic decline
– q=qi/(1+Dit)
• Hyperbolic decline
– q=qi(1+bDit)-1/b
• b=0 exponential decline
• b=1 Harmonic decline
油氣層模擬
•
•
•
•
藉由電腦進行油氣層模擬，以測量來自油氣層
與油氣層內的流體流動。
油氣層模擬器係立基於涵蓋岩石物理性質的油
氣層模型，以暸解流體行為隨時間的變化。
模擬器通常會以歷史壓力與生產資料進行校正，
稱為歷史調諧(history matching)。
模擬器一旦經過成功地校正，將可用於預測各
種潛在情境下油氣層未來的產量，如鑽新井、
注入多種流體與激勵生產等。
Exploration
Development
Geology
Well pattern
Geophysical
Drilling & completion
Geochemical
Pipeline
Drilling
Surface Facilities
Test
Reservoir simulation
Reserves estimation
Production
Primary
Secondary
EOR
IOR
•
•
油氣井一經鑽鑿，且被證實具有商業價值
的蘊藏量，此井必須進行完井，以允許油
氣自油氣層生產至地表。
這個程序包含以套管強化井壁、評估油氣
層壓力與溫度，並安裝適當的生產設備以
確保油氣有效地自生產井產出。
Christmas-tree assembly
Tubing head
casing head
13-3/8” casing
9-5/8” casing
7” casing
4-1/2” casing
tubing
upper packer
lower packer
Wellhead (井口裝置)
• The wellhead consists of three
components:
– the casing head.
– the tubing head.
– the 'christmas tree'.
The casing head(套管頭)
Consists of heavy fittings.
Provide a seal between the casing and the
surface.
Support the entire length of casing.
油管頭(The tubing head)
•
•
•
類似套管頭。
在套管內與地表運作，提供管串的封閉。
支持套管全長，以及提供地表的連接以控
制流體流出生產井。
聖誕樹總成(X-mas tree Assembly)
• 聖誕樹為一利用閥門、輸送管及相關
配件，用以控制油氣從套管頭流出量
之設備。
• 為生產井設施最容易目視見到的部分。
• 可用於生產井生產過程中，碳氫化合
物產量之地表監測與調整。
套管
•
•
套管主要由一連串之金屬管所組成，用以設置在新鑽井
孔中。套管功能在於強化井孔壁的強度，確保油氣不會
從井孔洩漏並噴出地表，並保持其他流體或氣體僅在地
層之間流動。
五種套管形式:
導向套管
地表套管
中間套管
內襯管串
生產套管
填塞器(Packer)
• 填塞器為一井下裝置，用以完全隔絕生產管線與
套管間之環狀區域，但並不能用來作為控制生產、
注入或處置之用。
• 典型的填塞器通常利用可擴張的彈性元件，形成
環狀水力密封。
• 填塞器可利用適用條件、設置方式及可再利用性
加以分類。
完井
•完井通常指一口井最後的完成過程，使其能夠開
始生產石油或天然氣。
-裸孔完井
-傳統穿孔完井
-防砂完井
-多層完井
裸孔完井(Open
Hole Completion
)
• 裸孔完井為最基本的完井方式，適用在強度高且
不會坍塌之地層。
• 裸孔完井方式為將套管直接下到生產層上方，並
保持套管底端開通，不裝任何保護濾網(filter)。
• 地層須先經過酸處裡或液裂隙處裡才適於使用裸
孔完井。
Open Hole Completion
casing
OIL/GAS
OIL/GAS
傳統穿孔完井
• 傳統穿孔完井為將生產套管下至生產層上方，並下套管進
行水泥封固。
• 針對套管壁進行小孔徑穿孔，使地層之碳氫化合物能夠流
入井孔中，並不破壞套管對於井孔之支撐與保護功能。
• 穿孔主要利用特製設備貫穿地層與裸井間之套管、水泥及
其他隔絕層。
• 子彈穿孔(bullet perforators)，為過往常用之穿孔方式，藉
由在地面引燃井中之火藥並發射子彈，將子彈穿透套管及
水泥。
• 噴射穿孔(jet perforating)，為現今較常用之穿孔方式，借
由電流引燃火藥產生噴射氣流，藉以穿透套管及水泥。
Single String Completion
Tubing
Perforation
OIL/GAS
Casing
OIL/GAS
Dual String Completion
Tubing
Perforation
OIL/GAS
Packer
OIL/GAS
OIL/GAS
Casing
OIL/GAS
防砂完井(Sand Exclusion Completion)
• 防砂完井主要針對地層為疏鬆砂層所設計的完井方式。
• 防砂完井目的在於使油氣能流入井孔，並避免地層疏鬆砂
流入井孔當中。
• 砂粒進入井孔中將會導致套管及其他設備腐蝕。
• 常用之防砂方法為設置過篩或濾層裝置，阻絕砂粒進入井
孔中，裝置設置之前則必須先進行地層疏鬆砂之粒徑分析。
• 過篩裝置為設置在套管內，濾層裝置則為礫石所填充，設
置在套管外，兩者均能有效防止地層砂進入井孔中，在裸
孔完及穿孔完井均能適用。
Screen Pipe
Gravel Packing(堆礫防砂)
Casing
Tubing
Cement
Packer
gravel
Screen pipe
多層完井
• 多層完井為不同高程之地層可同時生產油氣進入
同一井孔中，且不同層油氣不互相混合。
• 常使用在鑽井鑽遇多層生產層，或水平井欲提高
生產效率也會採用多層完井。
• 阻絕層常被用來避免不同生產層油氣互相混合。
• 當不同生產層過於接近時，常使得油氣進入井孔
中會互相混合，此時硬質橡膠填塞器可用來作為
隔絕不同層油氣生產之用。
Production
• Phase of commercial operation
of an oil field.
– Primary recovery
– Secondary recovery
– Enhanced oil recovery
– Improved oil recovery
初級採收(Primary recovery)(1)
•為第一階段油氣(hydrocarbon)之生產，乃
透過儲油(氣)層內所含之自然能量驅動，
例如氣驅、水驅或重力驅動，將油氣由地
層經井孔帶至地表；
•油氣層初期之壓力通常大於油氣井之孔底
壓力，藉由兩者之壓力差將油氣經井底帶
至地表。油氣層內壓力隨生產過程而洩降，
亦將導致壓力差異變小；
初級採收(Primary recovery)(2)
•為降低孔底壓力或提高油氣層與孔底間壓力差以
提高產率，有其建置人工採油系統之必要，例如：
加裝幫浦、潛水式馬達或氣舉裝置，此過程亦被
認為是初級採收階段；
•初級採收之階段極限，大致分以下情況：油氣層
壓力極低導致產率不符經濟效益；生產管串之水
氣(油)比例太高。初級採收階段採收率通常不高，
一般約蘊藏量之10%左右。
•亦稱初級生產
二次採收(1) (Secondary)
•油氣採收之第二階段，一般作法為透過外
部注入水或氣。經由鄰近注入井注入至與
油氣層連通之地層，使注入之水或氣進入
油氣層內產生驅動；
•二次採收之目的主要為維持油氣層壓力及
驅動油氣至生產井孔；
•最主要之二次採收工程技術有二：注氣驅
動及水沖排法。
二次採收(2)
•一般言，注氣驅動乃注氣至油氣層之氣帽區；而
水沖排則注入油氣層生產區以排掃油氣層之油氣；
•而壓力維持之方法亦可用於初級採收階段；
•二次採收之階段極限，可分以下情況：注入之氣
(水)以一定比例之量於生產井產出，抑或其產率
已無法達到經濟效益；
•較成功之初次與二次採收，其採收率約佔埋藏量
(OOIP)之15%至40%。
增強採油[Enhanced Oil Recovery(EOR)](1)
•為油氣採收之第三階段。結合複雜之工程
技巧以改變油氣層原本之狀態；
•增強採油之應用可始於二次採收階段後，
抑或是採收階段之任何時間點；
•增強採油之目的不僅在於重建油氣層壓力，
亦須同時改進油氣驅動及其流動性。
增強採油[Enhanced Oil Recovery(EOR)](2)
•增強採油之主要方法有三種：1. 化學沖排法(鹼
性水沖排或膠狀聚合物沖排, alkaline flooding
or micellar-polymer flooding)；2. 混溶驅替
法(miscible displacement)；3. 熱採收法(熱蒸
氣沖排或燃燒法, steamflood or in-situ
combustion)
•增強採油方法之最佳化應用取決於油氣層之溫度、
壓力、深度、油層淨厚(net pay)、滲透性、殘油
(水)飽和度、孔隙率以及油層流體之狀態(例如油
之API、比重及黏滯度等)。
•增強採油又稱改進採油(improved oil recovery)
或三級採收(tertiary)，其縮寫為EOR。
Improved oil recovery(IOR)
Any improved recovery method used entails the
introduction of energy into a reservoir in order to
force out the oil.
化學沖排
•一般注入過程乃使用特殊之化學溶液；
•膠狀液、鹼性液及皂狀物質之應用主要目
的，乃為降低油氣層內油與水間之介面張
力；
•聚合物如聚丙烯酰胺或多醣
(polyacrylamide or polysaccharide)，
其應用主要目的為增進排掃效率。
Polymer
Polymer Flooding
混溶驅替
•混溶驅替主要目的為油氣層壓力之維持及改善油
之移動，其原理乃降低油水交介面之張力導致混
溶；
•其注入氣體包括液化石油氣(LPG)，例如丙烷、高
壓甲烷、富含較輕碳氫化合物之甲烷、高壓氮氣
及二氧化碳，並於適當之油氣層溫度壓力條件下
注入；
•最常應用於混溶沖排之液體為二氧化碳，其因乃
相較於液化石油氣(LPG)可降低油之黏滯度及花費
較低成本。
CO2 Flooding
熱採收
•熱採收一般用於採收API低於20之重油或黏滯度高
之油。此類油無法流動，除非透過加熱方式，使
油之黏滯度降至足以流動至生產井為最低要求限
度；
•而原油之物理與化學特性亦會因熱供應效應而產
生變化；
•熱液注入方式通常為蒸氣注入(蒸氣沖排或循環蒸
氣注入)；
•另外，亦可透過現地燃燒方式進行熱採收。
Thermal recovery
 Thermal recovery is used to produce viscous,
thick oils with API gravities less than 20. These
oils cannot flow unless they are heated and their
viscosity is reduced enough to allow flow toward
producing wells.
 Crude oil undergoes physical and chemical
changes because of the effects of the heat
supplied.
 Hot fluid injection such as steam injection
(steamflood or cyclic steam injection).
 In-situ combustion processes.
Steam injection