利用兩種不同支撐劑在長水平井段完井的礫石充填新方法

編譯:王亞娟 遲明 李紅英 鄧軍 李旭梅

審校:張華光1

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院;2.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院;3.長慶油田公司生產(chǎn)運行處)

利用兩種不同支撐劑在長水平井段完井的礫石充填新方法

編譯:王亞娟1遲明2李紅英1鄧軍3李旭梅1

審校:張華光1

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院;2.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院;3.長慶油田公司生產(chǎn)運行處)

新方法對于巴西海上油田開發(fā),尤其是超深海中的稠油油井,水平井段長達1 000～2 000 m來說,無疑是油田開發(fā)的經(jīng)濟型驅(qū)動器。這些井的幾何形狀保證了有效的油藏泄流,維持了稠油油田的合理生產(chǎn)指數(shù)。在這些井中,大部分是較低的破裂壓力梯度。眾所周知,礫石充填施工期間的動態(tài)壓力可以輕而易舉地克服底層破裂壓力。為完成這項任務(wù)并且避免地層傷害,提出了一種新方法,在β波階段,有較大幅度的壓力增長,此時泵入輕質(zhì)支撐劑。本文展示了采用兩種支撐劑進行礫石充填完井施工設(shè)計的計算機模擬。

水平井 礫石 充填 支撐劑

1 簡介

大部分海上油田往往是超深稠油油藏。這些油藏多是膠結(jié)疏松的砂巖地層,因而需要采用適當(dāng)?shù)姆郎凹夹g(shù)。出砂會導(dǎo)致地面和井下多方面問題,如設(shè)備腐蝕和油/氣/水分離器內(nèi)沉積物的產(chǎn)生。

深海項目的經(jīng)濟開發(fā)需要以最少的鉆井?dāng)?shù)獲得維持油井高產(chǎn)能指數(shù)的有效油藏泄流。

要達到這一目的,一個關(guān)鍵的選擇就是鉆長水平段井。裸眼礫石充填水平井在膠結(jié)疏松地層是達到這些目標(biāo)的一個有效途徑。

由于條件苛刻,礫石充填放置是有一定風(fēng)險性的。在超深海中,沉積層很薄,這會產(chǎn)生較小的地層破裂阻力。另外,在較長水平井段泵入礫石會在裸眼井筒中產(chǎn)生較大的動態(tài)壓力。這些方面是軟件開發(fā)中的主要因素,最終能準(zhǔn)確計算礫石充填過程中的壓力變化并優(yōu)化施工泵速。

為了使礫石充填施工成功,應(yīng)考慮不同的水壓限制,施工過程中的動態(tài)壓力應(yīng)保持在一個壓力窗口中:

◇下限:孔隙壓力或可避免早期端部脫砂的最小排量;

◇上限:破裂壓力。

如果井筒壓力在任何時候都低于孔隙壓力,地層流體將會流入井筒或者使井壁失穩(wěn)。另一方面,如果井筒壓力高于地層破裂壓力,完井液將會進入地層,可能造成地層污染、液體漏失和早期端部脫砂。

另一個重要問題是要確保施工在最低排量下進行,以避免鼠洞早期脫砂。由于鼠洞裸眼段直徑更大,如果排量太低,所形成的α波或許會足夠高而阻止砂子進入井筒,立即在鼠洞產(chǎn)生β波。后果就是直井段井底壓力立即增加,裸眼段未充填而不得不放棄施工。

一直以來,沒有較可行的礫石充填操作窗口,這主要發(fā)生在動態(tài)壓力較高的情況。用輕質(zhì)支撐劑進行充填是降低壓力水平的關(guān)鍵。

在β波傳播過程中,流體通過篩管和洗井管柱之間的狹小環(huán)形間隙時會在直井段井底產(chǎn)生較大的壓力。在α波傳播過程中,動態(tài)壓力則沒有那么重要。其他能夠在狹窄的操作窗口中完成礫石充填的策略還包括分流閥、輕質(zhì)支撐劑和更替路徑的選擇。

本文提出了一種新的構(gòu)想,即在施工中泵入兩種不同的支撐劑:

◇在α波階段采用常規(guī)支撐劑,該階段的壓力在操作窗口范圍內(nèi);

◇在β波階段泵入輕質(zhì)支撐劑,該階段動態(tài)壓力增高,因而采用較低的排量。

這種方法結(jié)合多次波排列,將會縮短施工時間和降低支撐劑費用并保證篩管被常規(guī)支撐劑所覆蓋(理論上常規(guī)支撐劑強度更大)。

2 基本原理

對施工進行設(shè)計的關(guān)鍵是對控制α波沉積的主要因素的可靠認識。這就允許對常規(guī)支撐劑的多次α波的構(gòu)想和用輕質(zhì)支撐劑啟動β波的準(zhǔn)確排量進行設(shè)計。

兩個控制α波高度的機理:

◇受礫石和攜帶流體密度差支配的沉降力;

◇混合物軸向流動在界面懸浮產(chǎn)生的剪切力。

研究表明,礫石尺寸和濃度在操作窗口中對α波高度的影響不大,排量和顆粒密度控制整個過程。圖1示出在使用常規(guī)和輕質(zhì)支撐劑時α波高度與排量之間的關(guān)系。圖2則說明α波高度在4種排量下隨著支撐劑密度的變化而變化。

圖1 兩種支撐劑的α波高度

圖2 支撐劑密度對α波高度的影響

3 多次α波排列

該技術(shù)涉及在低排量泵注階段泵入充填礫石,該泵注程序隨著施工的進行而改變,它必須使井下的壓力始終維持在操作窗口的范圍內(nèi)。

α波應(yīng)該始于填充高度較低的高排量階段,一直持續(xù)到達到破裂壓力 (或者最大安全壓力)。一旦β波開始形成,可以注意到排量突然降低不能克服破裂壓力上限 (圖3中的藍線)。這是流動路徑偏向篩管和沖洗管柱之間形成的有限環(huán)空的結(jié)果。從這一點開始,泵注排量向下的臺階可以保證地層的完整性。此時排量降低,因而一列新的更高的α波開始形成。這個過程將在可行的排量范圍內(nèi)重復(fù)幾次,直到環(huán)空達到完全充填。

這種方法保證了篩管完全覆蓋。如果因為井身軌跡彎曲或沖洗困難,直到環(huán)空完全充填也不可能置換出β波,那么篩管已經(jīng)被多次發(fā)出的α波保護起來。

重要的是,在β波階段實施的每個新的排量,在前一次α波頂部會建立一個新的α波高度 (桔色點線,見圖4)。這在未發(fā)出的β波的整個井筒中都會發(fā)生。

圖3 支撐劑密度對α波高度的影響

圖4 20/40目砂輕質(zhì)支撐劑模擬

4 多種支撐劑

一旦多次α波階段結(jié)束,如前所述,低排量泵入輕質(zhì)支撐劑將會從前一個臺階末尾產(chǎn)生等高的α波。因為支撐劑密度較低,排量要低于結(jié)束α波階段時的排量,以使β波壓力更低。圖5示出泵入常規(guī)和輕質(zhì)支撐劑時的排量關(guān)系,它們形成的砂體高度是相同的。

5 實例研究

對一口典型的超深水井設(shè)計進行了模擬,并考慮了極端條件,如:水深2 000 m,水平裸眼段長1 500 m,且破裂壓力低。模擬輸入的數(shù)據(jù)如下:

◇水深:2 000 m

◇裸眼段長度:1 500 m

◇油藏垂深:2 927.7 m或9 611.9 ft(1 ft=30.48 cm)

◇篩管:外徑6.13 in;內(nèi)徑4.89 in

◇篩管位置:中心

◇管柱:外徑5 in;質(zhì)量19.5 lb/ft

◇沖洗管柱:外徑4 in;內(nèi)徑3.48 in

◇造斜點:2 500 m

◇裸井眼偏角:90°

◇流體密度:9.1 ppg(1 ppg=120 kg/m3)

◇礫石密度:1 lb/gal

◇支撐劑類型:20/40目砂

◇壓力梯度:0.58 psi/ft(1 psi/ft=22.621 kPa/m)

◇孔隙壓力ECD:8.60 ppg

◇破裂壓力ECD:10.77 ppg

◇組合井口防噴器

所有模擬在基于Martins模型專利軟件的基礎(chǔ)上進行。圖4是20/40目砂的模擬結(jié)果,藍色三角線表明最大排量未引起地層破裂,綠色菱形表明最低排量避免了鼠洞的早期脫砂,紅色矩形是預(yù)定的泵注程序,紅色圓點是相對于裸眼井徑的α波高度。

結(jié)果表明β波序列末尾沒有操作窗口,在這種情況下,要保證整個環(huán)空充填是不可能的。計算出的最高和最低排量相同 (約4.5 lb/min)。此時采用輕質(zhì)支撐劑施工是一個自然的選擇。圖5是模擬結(jié)果,表明在施工末尾有正常的3～5 lb/min的操作窗口。

圖5 20/40目砂輕質(zhì)支撐劑模擬

最終,對用兩種支撐劑施工進行了分析。圖6表明施工中產(chǎn)生相同砂堆高度所需的砂子和輕質(zhì)支撐劑的排量關(guān)系。圖7給出了模擬結(jié)果,考慮到α波階段20/40目砂。在β階段采用輕質(zhì)支撐劑 (相對密度=1.75;20/40目)。因為α波階段結(jié)束砂排量為12.0 lb/min,所以使用輕質(zhì)支撐劑的β波的初始泵排量應(yīng)為8.6 lb/min。在施工末尾再一次建立了3.0～5.0 lb/min的可行操作窗口。

施工設(shè)計最后一個泵注程序臺階保證砂床濃度達到72%,保證篩管被支撐劑完全覆蓋,使鼠洞早期脫砂的風(fēng)險降到最小。

圖6 產(chǎn)生相同砂體高度的等效排量

圖7 兩種支撐劑的模擬結(jié)果

表1是整個施工階段的模擬時間,此外還有每次模擬的砂量、輕質(zhì)支撐劑的用量 (砂、輕質(zhì)支撐劑和混合支撐劑)。結(jié)果表明,采用兩種支撐劑具有顯著的經(jīng)濟性,采用兩種支撐劑設(shè)計的附加物流最小。

表1 三次不同支撐劑用量和時間關(guān)系

6 結(jié)論

在α波階段填充常規(guī)支撐劑,在β波階段填充輕質(zhì)支撐劑,組合成一個在苛刻條件下保證整個環(huán)空礫石充填的有效途徑,能使井筒內(nèi)水力條件達到最低,同時又降低了成本。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.013

資料來源于美國《SPE 112481》

2009-04-24)