石油开采

正文

石油是深埋在地下的流体矿物。最初人们把自然界产生的油状液体矿物称石油，把可燃气体称天然气，把固态可燃油质矿物称沥青。随着对这些矿物研究的深入，认识到它们在组成上均属烃类化合物，在成因上互有联系,因此把它们统称为石油。1983年9月第11次世界石油大会提出，石油是包括自然界中存在的气态、液态和固态烃类化合物以及少量杂质组成的复杂混合物。所以石油开采也包括了天然气开采。

石油在国民经济中的作用石油是重要能源，同煤相比，具有能量密度大(等重的石油燃烧热比标准煤高50%)、运输储存方便、燃烧后对大气的污染程度较小等优点。从石油中提炼的燃料油是运输工具、电站锅炉、冶金工业和建筑材料工业各种窑炉的主要燃料。以石油为原料的液化气和管道煤气是城市居民生活应用的优质燃料。飞机、坦克、舰艇、火箭以及其他航天器，也消耗大量石油燃料。因此，许多国家都把石油列为战略物资。

20世纪70年代以来，在世界能源消费的构成中，石油已超过煤而跃居首位。1979年占45%，预计到21世纪初，这种情况不会有大的改变。石油制品还广泛地用作各种机械的润滑剂。沥青是公路和建筑的重要材料。石油化工产品广泛地用于农业、轻工业、纺织工业以及医药卫生等部门，如合成纤维、塑料、合成橡胶制品，已成为人们的生活必需品。

1982年世界石油产量为26.44亿吨，天然气为15829亿立方米。1973年以来，三次石油涨价和1982年的石油落价，都引起世界经济较大的波动(见世界石油工业)。

油气聚集和驱动方式油气在地壳中生成后，呈分散状态存在于生油气层中，经过运移进入储集层，在具有良好保存条件的地质圈闭内聚集，形成油气藏。在一个地质构造内可以有若干个油气藏，组合成油气田。

储层 贮存油气并能允许油气流在其中通过的有储集空间的岩层。储层中的空间,有岩石碎屑间的孔隙,岩石裂缝中的裂隙，溶蚀作用形成的洞隙。孔隙一般与沉积作用有关，裂隙多半与构造形变有关，洞隙往往与古岩溶有关。空隙的大小、分布和连通情况，影响油气的流动，决定着油气开采的特征(见石油开发地质)。

油气驱动方式 在开采石油的过程中，油气从储层流入井底,又从井底上升到井口的驱动方式。主要有:①水驱油藏，周围水体有地表水流补给而形成的静水压头;②弹性水驱，周围封闭性水体和储层岩石的弹性膨胀作用;③溶解气驱，压力降低使溶解在油中的气体逸出时所起的膨胀作用;④气顶驱，存在气顶时，气顶气随压力降低而发生的膨胀作用;⑤重力驱,重力排油作用。当以上天然能量充足时，油气可以喷出井口;能量不足时，则需采取人工举升措施，把油流驱出地面(见自喷采油法，人工举升采油法)。

石油开采的特点与一般的固体矿藏相比，有三个显著特点:①开采的对象在整个开采的过程中不断地流动，油藏情况不断地变化，一切措施必须针对这种情况来进行，因此，油气田开采的整个过程是一个不断了解、不断改进的过程;②开采者在一般情况下不与矿体直接接触。油气的开采，对油气藏中情况的了解以及对油气藏施加影响进行各种措施，都要通过专门的测井来进行;③油气藏的某些特点必须在生产过程中，甚至必须在井数较多后才能认识到，因此，在一段时间内勘探和开采阶段常常互相交织在一起(见油气田开发规划和设计)。

要开发好油气藏，必须对它进行全面了解，要钻一定数量的探边井，配合地球物理勘探资料来确定油气藏的各种边界(油水边界、油气边界、分割断层、尖灭线等);要钻一定数量的评价井来了解油气层的性质(一般都要取岩心)，包括油气层厚度变化，储层物理性质，油藏流体及其性质,油藏的温度、压力的分布等特点,进行综合研究，以得出对于油气藏的比较全面的认识。在油气藏研究中不能只研究油气藏本身，而要同时研究与之相邻的含水层及二者的连通关系(见油藏物理)。

在开采过程中还需要通过生产井、注入井和观察井对油气藏进行开采、观察和控制。油、气的流动有三个互相联接的过程:①油、气从油层中流入井底;②从井底上升到井口;③从井口流入集油站，经过分离脱水处理后，流入输油气总站，转输出矿区(见油藏工程)。

石油开采技术

测井工程 在井筒中应用地球物理方法，把钻过的岩层和油气藏中的原始状况和发生变化的信息，特别是油、气、水在油藏中分布情况及其变化的信息，通过电缆传到地面,据以综合判断,确定应采取的技术措施(见工程测井，生产测井，饱和度测井)。

钻井工程 在油气田开发中，有着十分重要的地位，在建设一个油气田中，钻井工程往往要占总投资的50%以上。一个油气田的开发，往往要打几百口甚至几千口或更多的井。对用于开采、观察和控制等不同目的的井(如生产井、注入井、观察井以及专为检查水洗油效果的检查井等)有不同的技术要求。应保证钻出的井对油气层的污染最少，固井质量高，能经受开采几十年中的各种井下作业的影响。改进钻井技术和管理，提高钻井速度，是降低钻井成本的关键(见钻井方法，钻井工艺，完井)。

采油工程 是把油、气在油井中从井底举升到井口的整个过程的工艺技术。油气的上升可以依靠地层的能量自喷，也可以依靠抽油泵、气举等人工增补的能量举出。各种有效的修井措施，能排除油井经常出现的结蜡、出水、出砂等故障，保证油井正常生产。水力压裂或酸化等增产措施，能提高因油层渗透率太低，或因钻井技术措施不当污染、损害油气层而降低的产能。对注入井来说，则是提高注入能力(见采油方法，采气工艺，分层开采技术，油气井增产工艺)。

油气集输工程 是在油田上建设完整的油气收集、分离、处理、计量和储存、输送的工艺技术。使井中采出的油、气、水等混合流体，在矿场进行分离和初步处理，获得尽可能多的油、气产品。水可回注或加以利用，以防止污染环境。减少无效损耗(见油田油气集输)。

石油开采中各学科和工程技术之间的关系见图。 石油开采技术的发展石油和天然气的大规模开采和应用，是近百年的事。美国和俄国在19世纪50年代开始了他们各自的近代油、气开采工业。其他国家稍晚一些。石油开采技术的发展与数学、力学、地质学、物理学、机械工程、电子学等学科发展有密切联系。大致可分三个阶段:

初期阶段 从19世纪末到20世纪30年代。随着内燃机的出现，对油料提出了迫切的要求。这个阶段技术上的主要标志是以利用天然能量开采为主。石油的采收率平均只有15~20%，钻井深度不大，观察油藏的手段只有简单的温度计、压力计等。

第二阶段 从30年代末到50年代末，以建立油田开发的理论体系为标志。主要内容是:①形成了作为钻井工程理论基础的岩石力学;②基本确立了油藏物理和渗流力学体系，普遍采用人工增补油藏能量的注水开采技术。在苏联广泛采用了早期注水保持地层压力的技术，使石油的最终采收率从30年代的15~20%，提高到30%以上，发展了以电测方法为中心的测井技术和钻4500米以上的超深井的钻井技术。在矿场集输工艺中广泛地应用了以油气相平衡理论为基础的石油稳定技术。基本建立了与油气田开发和开采有关的应用科学和工程技术体系。

第三阶段 从60年代开始，以电子计算机和现代科学技术广泛用于油、气田开发为标志，开发技术迅速发展。主要方面有:①建立的各种油层的沉积相模型，提高了预测储油砂体的非均质性及其连续性的能力，从而能更经济有效地布置井位和开发工作;②把现代物理中的核技术应用到测井中，形成放射性测井技术，与原有的电测技术,加上新的生产测井系列,可以用来直接测定油藏中油、气、水的分布情况，在不同开发阶段能采取更为有效的措施;③对油气藏内部在采油气过程中起作用的表面现象及在多孔介质中的多相渗流的规律等，有了更深刻的理解，并根据物理模型和数学模型对这些现象由定性进入定量解释(见油藏数值模拟)，试验和开发了除注水以外提高石油采收率的新技术;④以喷射钻井和平衡钻井为基础的优化钻井技术迅速发展。钻井速度有很大的提高。可以打各种特殊类型的井，包括丛式井，定向井，甚至水平井，加上优质泥浆，使钻井过程中油层的污染降到最低限度;⑤大型酸化压裂技术的应用使很多过去没有经济价值的油、气藏，特别是致密气藏,可以投入开发,大大增加了天然资源的利用程度。对油井的出砂、结蜡和高含水所造成的困难，在很大程度上得到了解决(见稠油开采，油井防蜡和清蜡，油井防砂和清砂，水油比控制);⑥向油层注蒸汽，热采技术的应用已经使很多稠油油藏投入开发;⑦油、气分离技术和气体处理技术的自动化和电子监控，使矿场油、气集输中的损耗降到很低，并能提供质量更高的产品。

海上油气开发海上油气开发与陆地上的没有很大的不同，只是建造采油平台的工程耗资要大得多，因而对油气田范围的评价工作要更加慎重。要进行风险分析，准确选定平台位置和建设规模。避免由于对地下油藏认识不清或推断错误，造成损失。60年代开始，前瞻中国油田服务行业发展前景与投资战略规划海上石油开发有了极大的发展。海上油田的采油量已达到世界总采油量的20%左右。形成了整套的海上开采和集输的专用设备和技术。平台的建设已经可以抗风、浪、冰流及地震等各种灾害，油、气田开采的水深已经超过200米。

当今世界上还有不少地区尚未勘探或充分勘探，深部地层及海洋深水部分的油气勘探刚刚开始不久，还会发现更多的油气藏，已开发的油气藏中应用提高石油采收率技术可以开采出的原油数量也是相当大的;这些都预示着油、气开采的科学技术将会有更大的发展。

谁确保世界满足其能源需求，同时最大限度地降低对地球的风险？你的第一个猜测可能不是世界上最大的石油公司。但是在与沙特阿美公司的休假研究项目中，WPI教授Nancy Burnham（一位公开声明的环保人士）了解到，事实上，该公司使用纳米技术等方法以尽可能少的环境破坏来提取资源。

“在我学到很多关于石油公司的知识之前，我认为他们是一位典型的环保人士，”Burnham先生曾与沙特阿美公司进行过磋商。沙特阿美公司是国有石油企业沙特阿拉伯王国和完全集成的，全球石油和化工企业。

“确实，石油公司有很多财富，但它们也为我们提供了一个我们依赖的宝贵资源，并且大部分都投资了可再生能源，他们知道，为了公司的未来，他们必须开始投资在可再生能源中，“她说。

在休假期间，物理学和生物医学工程学副教授伯纳姆与该公司在波士顿的纳米技术研究中心合作。该研究集中在如何提高石油开采效率。

“事实证明，当你把油放下来时，油不会坐在那里等你，它不会像你在电视上看到的那样涌出，”她说。大约10-25％的可用石油本身就会出现。她解释说，接下来的20-25％更难提取，其余的50-70％仍然较难，这取决于该地点的地质情况。

石油公司可以将其余的石油留在原地，并转移到另一个领域，以便首先将25-50％的石油淘汰出去。但是这种选择是低效和短视的，Burnham解释说。首先，它需要大量的基础设施来清除一半的油; 将石油囤积起来并转移到另一个地点是不经济的，而且成本高昂，从而留下可用的石油。另外，“ 石油开采的许多安全问题与地面泄漏有关，因此我们需要的油井越少，泄漏的风险就越低。”Burnham补充道。

而且，即使美国完全可再生能源的时间表非常乐观，也是30年，而可再生能源并非稳定的能源来源，她指出。为了加热房屋，电力汽车和制造产品，石油公司不能将石油抛在后面。

解决方案是使用工具和技术将剩余的油甩出地面。

“油田非常复杂，有很多层岩石，你不能跳进一个魔法太空船，飞下来看它在哪里，你需要工具来帮助估计它在哪里，”伯纳姆说。

一种技术利用在一个领域中具有多个井。从一个井中提取会导致地下的油流动一点。通过将工程纳米颗粒投放到一口井中，您可以监测周围的井，并在数周内检测到颗粒正在出现的位置。Burnham说，这告诉工程师油的扩散方式，指出未来的油井应该在哪里取出剩余的油。

另一个挑战是油粒往往会粘在彼此和其他岩壁上，使得它们难以提取。这种粘性加上油，盐水和水的流体组成，使得颗粒难以从一口井扩散到下一口井。Burnham和她的Aramco同事Shannon Eichmann发表了一篇论文，通过纳米技术，工程师可以修改化学成分，使颗粒不会粘附在岩壁上，更容易迁移到下一口井。

伯纳姆的工作已经产生了两篇论文，一篇正在审查的手稿和三篇受邀谈话。她说，她的休假让她对岩石作为纳米结构有了新的认识，并教她如何帮助人们了解石油公司可以被更广泛地视为能源公司。

“我真的学到了很多东西，令人耳目一新，因为工作非常不同，我看到我所知道的东西可以应用到完全不同的领域，”她说。

即将离任的可持续发展总监John Orr承认，随着绿色能源和技术的不断增加，化石燃料的提取尽可能符合环境要求，这一点非常重要。

Orr说：“在校园和全球范围内，对我们提取和使用石油产品的意见广泛。“幸运的是，越来越多的人口认识到尽快转向清洁和可再生能源的重要性，同时，我们必须努力减少对生产的环境危害并使用我们的碳基能源源。

“伯纳姆教授的研究是WPI正在发生的科技工作的一个例子，旨在改善当前社会效益与长期全球可持续性之间的平衡，”他说。

伯纳姆的经验使她深入了解了产业界和学术界之间的差异。

“与学生交流，我现在可以说我有一些行业经验，并且可以更好地为学生提供有关他们职业生涯的建议，”她说。事实上，通过她与沙特阿美公司的协会，她能够推荐一名WPI毕业生在那里工作。随后，这名学生被录用，这是她休假的结果，她觉得很有收获。