水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)

趙 旭， 龍 武， 姚志良， 龐 偉

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京100101；3.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

?鉆井完井?

水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)

趙 旭1，2， 龍 武3， 姚志良1，2， 龐 偉1，2

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京100101；3.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

針對常規(guī)水平井調(diào)流控水篩管完井存在封隔器封隔長度短、封隔段數(shù)有限和深井封隔器下入困難等技術(shù)難點，開展了水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)研究。在分析水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)原理及技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，分析對比不同類型調(diào)流控水篩管的優(yōu)缺點，選用節(jié)流嘴式調(diào)流控水篩管或流道式調(diào)流控水篩管；根據(jù)水平井礫石充填調(diào)流控水完井的要求，優(yōu)選聚合物低密度礫石作為充填礫石，并通過試驗評價了礫石充填層的封隔效果，結(jié)果表明，礫石充填層可以阻止進入井筒內(nèi)流體的橫向流動，起到封隔器的作用；給出了礫石充填工藝，形成了水平井礫石充填調(diào)流控水完井技術(shù)。該技術(shù)在塔河油田A水平井進行了現(xiàn)場試驗，與試驗前相比，該井產(chǎn)油量提高了411.8%，含水率降低了13.5百分點。研究結(jié)果表明，水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)可以提高調(diào)流控水篩管的調(diào)控精度，起到穩(wěn)油控水作用，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

水平井；篩管完井；礫石充填；調(diào)流控水；塔河油田

水平井調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的，在國內(nèi)外進行了大量的應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果[1-7]。常規(guī)水平井調(diào)流控水篩管完井需要使用封隔器將水平段分段，以實現(xiàn)降低高滲段產(chǎn)液量、提高低滲段產(chǎn)液量和均衡水平井入流剖面的目的[8]。但采用封隔器對水平段進行分段時，存在分段數(shù)量有限、有效封隔部位較短、深井難以下入足夠多的封隔器等問題，限制了水平井調(diào)流控水的調(diào)控精度。另外，深層水平井在進行二次控水完井時，如采用封隔器與調(diào)流控水篩管配合的完井工藝，由于前期完井的影響，很難滿足控水要求。為此，筆者進行了水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)研究，優(yōu)選了調(diào)流控水篩管和充填礫石，評價了礫石充填層的封隔性能，并在塔河油田A水平井進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，礫石充填層能起到封隔器的作用，可以代替常規(guī)封隔器對水平段進行分段，水平井利用礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)進行完井，可以實現(xiàn)控水穩(wěn)油的目的。

1 礫石充填調(diào)流控水篩管完井原理及技術(shù)難點

1.1 技術(shù)原理

水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是以自適應(yīng)調(diào)流控水篩管為核心，調(diào)流控水篩管與井壁間的環(huán)空充填礫石顆粒，用礫石充填層代替封隔器對水平段進行封隔分段。水平井礫石充填調(diào)流控水完井是在水平段內(nèi)布設(shè)調(diào)流控水篩管，篩管的上端連接充填轉(zhuǎn)換器及充填封隔器；進行礫石充填調(diào)流控水完井時，攜砂液攜帶充填礫石由井口注入，經(jīng)過上部的輸入管柱進入完井段，充填轉(zhuǎn)換器將攜砂液引入水平段調(diào)流控水篩管與井壁間的環(huán)空，攜砂液經(jīng)過篩管過濾將攜帶的礫石堆積在環(huán)空中，液體進入篩管內(nèi)筒，再次經(jīng)過充填轉(zhuǎn)換器進入套管環(huán)空后返至地面(見圖1)，水平段環(huán)空充滿礫石后結(jié)束。生產(chǎn)過程中，地層流體沿徑向流入調(diào)流控水篩管的距離短、接觸面積大、流動阻力?。挥捎谒骄{(diào)流控水篩管控流單元間的距離相對較長、環(huán)空橫截面積小，流體沿軸向流動阻力大，控流單元間的流動受到抑制。調(diào)流控水篩管可直接對所處位置的地層起到阻水穩(wěn)油的作用，實現(xiàn)水平段入流剖面的動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)流控水精度得到大幅度提高。

圖1 水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井管柱示意Fig.1 Pipe-string for completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells

水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)主要有以下特點：1)由于是用礫石充填層代替封隔器對水平段進行封隔分段，因此可以實現(xiàn)對水平段無限級封隔；2)整個水平段布設(shè)了調(diào)流控水篩管，無需找水，水平段任意位置出水都可以自動控水，對新增出水點不需進行重復(fù)堵水；3)調(diào)流控水管柱無活動部件，屬于機械控水，可靠性高。

1.2 技術(shù)難點

1) 調(diào)流控水篩管、上部充填封隔器和充填轉(zhuǎn)換器要同時入井并坐封，這對通井、刮管及完井管柱選擇提出了較高的要求。

2) 調(diào)流控水篩管的節(jié)流特性決定了無法采用高壓大排量攜帶礫石進行充填，因而需在小排量下保證水平段環(huán)空礫石的充填效果，這對礫石優(yōu)選、充填方法選擇及充填完井相關(guān)參數(shù)的優(yōu)選提出了較高要求。

3) 進行礫石充填時，調(diào)流控水篩管完井管柱有被砂埋堵塞的風(fēng)險。另外，上部輸入管柱與充填封隔器的連接部位發(fā)生泄露的風(fēng)險較高，這對輸入管柱的選擇、充填工藝、水平段完井管柱的外徑形狀提出了特別的要求。

4) 調(diào)流控水篩管是水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)控水穩(wěn)油的核心，要求其既能滿足前期充填礫石的需要，又能滿足后期控液的需要，對篩管參數(shù)的選擇提出了較高要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 調(diào)流控水篩管的優(yōu)選

傳統(tǒng)調(diào)流控水篩管按照控水節(jié)流方式可分為螺旋通道式、節(jié)流嘴式和混合通道式等3種類型[9-10]。螺旋通道式調(diào)流控水篩管內(nèi)設(shè)有螺旋通道或彎曲通道，流體流過螺旋通道或彎曲通道時，通過摩擦作用產(chǎn)生流動阻力，進而產(chǎn)生附加壓降。其優(yōu)點是過流面積大、通道內(nèi)流速低；缺點是由于油水黏度差異較大，在底水突破后，易形成水流優(yōu)勢通道。節(jié)流嘴式調(diào)流控水篩管采用若干結(jié)構(gòu)尺寸預(yù)先設(shè)置好的噴嘴，通過節(jié)流作用產(chǎn)生附加壓降。其優(yōu)點是設(shè)計簡單，入井之前可以根據(jù)井下情況通過調(diào)整噴嘴數(shù)量控制壓降；缺點是易受高速流體攜帶顆粒沖蝕且易發(fā)生堵塞?；旌贤ǖ朗秸{(diào)流控水篩管采用分散式逐步節(jié)流的原理，布置了一系列帶有流動槽的隔板，流體流過由隔板形成的各個連續(xù)腔室時產(chǎn)生壓降。其優(yōu)點是流體通過流動槽時，流動面積相對較大，降低了沖蝕和堵塞的可能性；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以上3種調(diào)流控水篩管均屬于被動控水裝置，其尺寸在完井之前或在完井時設(shè)置好，一旦投入生產(chǎn)后，不能再進行調(diào)節(jié)。

近年來，人們研制了具有主動調(diào)流控水功能的調(diào)流控水篩管，能夠根據(jù)產(chǎn)液情況自動調(diào)整附加阻力，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)流控水。主動調(diào)流控水篩管有浮動盤式和流道式2類。浮動盤式調(diào)流控水篩管采用預(yù)先設(shè)置的活動控制機構(gòu)，通過活動盤的上浮和下沉實現(xiàn)對流體入流通道的開啟和關(guān)閉，進而達到自動控制油水入流的目的。其優(yōu)點是控水針對性強，缺點是核心控制部件浮動盤的可靠性低。流道式調(diào)流控水篩管利用油水旋流運動勢能差異原理[11]，通過預(yù)設(shè)圓弧和分支流道對流入流體進行動態(tài)控制，具有流動面積相對較大，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的優(yōu)點。

水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井要求調(diào)流控水篩管的可靠性要高，由于要在篩管外充填礫石，要求調(diào)流控水篩管具有自適應(yīng)能力。綜合考慮水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井的要求及各種類型調(diào)流控水篩管的特點，可選用節(jié)流嘴式調(diào)流控水篩管或流道式調(diào)流控水篩管。

2.2 完井參數(shù)的優(yōu)化

調(diào)流控水篩管完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)根據(jù)井的井眼軌跡、井徑、地層滲透率和含油飽和度等參數(shù)，利用專業(yè)的設(shè)計軟件，對水平井段合理劃分流動單元，優(yōu)化設(shè)計每段篩管的節(jié)流性能，使各水平井段具有基本相同的生產(chǎn)能力，達到均衡產(chǎn)液的目的，以最大限度地提高油井產(chǎn)量，控制底水脊進。對于由邊水和底水局部突進引起的油井見水，調(diào)流控水篩管也能自動控制出水量，使油井正常生產(chǎn)[12-13]。

設(shè)供油區(qū)內(nèi)平均油藏壓力為pr，將裸眼水平井段分為n段，第i段的井底流動阻力為：

Δpwfi=Δpsi+Δpci+Δpfi

(1)

則第i段的有效生產(chǎn)壓差pi為：

pi=pr-(Δpsi+Δpci+Δpfi)

(2)

式中：Δpwfi為第i段的井底流動阻力，MPa；Δpsi為第i段管外砂環(huán)中的滲流阻力，與所處地層的流量成正比，無砂環(huán)時Δpsi=0，有砂環(huán)時利用達西公式計算，MPa；Δpci為第i段調(diào)流控水篩管的流動附加阻力，與調(diào)流控水篩管的性能及完井參數(shù)有關(guān)，其計算方法見文獻[14]，MPa；Δpfi為第1段至第i段篩管內(nèi)的流動阻力，可根據(jù)管流流動阻力公式求出，MPa；pi為第i段的有效生產(chǎn)壓差，MPa；pr為地層供油區(qū)內(nèi)平均油藏壓力，MPa。

要控制各段的產(chǎn)液量，就應(yīng)控制各段的有效生產(chǎn)壓差pi，也就是控制各段的井底流動阻力Δpwfi。如果不考慮各分段Δpsi的差異，即可根據(jù)各段儲層的物性、流體特性及篩管的管內(nèi)流動阻力優(yōu)化各段調(diào)流控水篩管的完井參數(shù)，以調(diào)節(jié)各段的生產(chǎn)壓差剖面和產(chǎn)液剖面，實現(xiàn)控水穩(wěn)油的目的。

2.3 充填礫石的優(yōu)選

在礫石充填過程中，由于調(diào)流控水篩管具有節(jié)流特性，需采用小排量穩(wěn)定攜砂充填技術(shù)進行充填，因此礫石的密度要低。礫石充填后長期處于高溫、高壓和高礦化度地層水環(huán)境下，這就要求礫石耐高溫、耐高壓擠壓和在高礦化度條件下的穩(wěn)定性好。通過對10多種應(yīng)用于鋼鐵、防砂、化工等多個行業(yè)的礫石在高溫、高壓和高礦化度條件下的穩(wěn)定性試驗，優(yōu)選出了聚合物低密度礫石作為充填礫石，其性能參數(shù)為：密度1.00～1.05 g/cm3，粒徑0.2～0.4 mm，耐溫大于200 ℃，耐壓大于60 MPa，耐礦化度為18×104mg/L，破碎率不大于0.5%，酸溶解度不大于2.5%。

2.4 礫石充填層封隔性能評價

礫石充填層具有良好的封隔性能是實現(xiàn)水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井的關(guān)鍵，為此，進行了以油、水為介質(zhì)的徑向和軸向的阻力測試試驗，以評價礫石充填層的封隔性能。礫石填充層封隔性能評價試驗裝置如圖3所示。試驗時將長10 m的φ114.0 mm篩管插入到該裝置的φ190.5 mm模擬井筒內(nèi)，環(huán)空填滿礫石顆粒。

圖2 礫石充填層封隔性能評價試驗裝置Fig.2 Testing devices for packing performances of the gravel-packing layers

分別從徑向和軸向試驗裝置的流體入口泵入流體，對比流體通過礫石顆粒的徑向流動能力和軸向流動能力。試驗結(jié)果為：

1) 黏度60 mPa·s的輕質(zhì)油分別從φ190.5 mm模擬井筒外的徑向和軸向流體入口注入環(huán)空，在壓差為4 MPa條件下測得輕質(zhì)油沿徑向通過礫石充填層的流量約為19 m3/d，沿軸向通過礫石充填層的流量約為0.06 m3/d，徑向流動能力是軸向流動能力的317倍。

2) 黏度為1 mPa·s的地層水分別從φ190.5 mm模擬井筒外的徑向和軸向流體入口注入環(huán)空，在壓差為2 MPa條件下測得地層水沿徑向通過礫石充填層的流量約為660.9 m3/d，沿軸向通過礫石充填層的流量約為1.9 m3/d，徑向流動能力是軸向流動能力的347倍。

從試驗結(jié)果可以看出，流體徑向通過礫石充填層的流動能力是軸向通過礫石充填層的300余倍。這表明礫石充填層能夠在保證流體徑向流入井筒內(nèi)的前提下，阻止流體在環(huán)空內(nèi)的軸向流動，起到了封隔器的作用。

2.5 礫石充填工藝

完井管柱下至設(shè)計位置后，投球加壓坐封充填封隔器，以密度為1.01～1.05 kg/L的清水為攜砂液攜帶礫石由輸入管柱注入，經(jīng)充填轉(zhuǎn)換器輸送至調(diào)流控水篩管與井壁間的環(huán)形空間，清水將礫石攜帶到位后，由于調(diào)流控水篩管具有過濾作用，礫石滯留在水平段環(huán)空內(nèi)形成封隔層，清水通過篩管進入調(diào)流控水完井管柱內(nèi)部，再次經(jīng)過充填轉(zhuǎn)換器流至充填封隔器上部的輸入管柱與套管內(nèi)壁之間的套管環(huán)空，最后經(jīng)過套管環(huán)空進入井口外的循環(huán)罐，完成一次充填循環(huán);不斷重復(fù)上述充填循環(huán)，直至水平段環(huán)空充填滿礫石為止[15-17]。泵注程序為水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井的核心，分為2個階段：第一階段是泵注排量不變，將礫石攜帶至井底；第二階段是泵注壓力不變，隨著由趾端至跟端逐漸填滿礫石，泵注排量逐漸降低。

在礫石充填過程中，由于調(diào)流控水篩管具有節(jié)流功能，也就增加了泵注清水流過每根篩管的阻力，迫使泵注清水將礫石攜帶至水平段趾端，提高礫石充填效果。另外，超低密度礫石顆粒充填后所形成的連續(xù)封隔層是由礫石顆粒緊密堆積而成的，顆粒之間不粘連，是一個個獨立的個體，如果后期作業(yè)需要取出調(diào)流控水篩管，可以通過反循環(huán)沖砂的方法將礫石沖出后，即可將控水管串從井筒中取出。

3 現(xiàn)場試驗

塔河油田A水平井完鉆井深4 970.00 m，地層壓力47.29 MPa，油層厚度9.00 m，地層溫度107.6 ℃，地層滲透率390.3 mD，孔隙度21.1%，原油密度0.84 kg/L，原油黏度1.995 mPa·s，水平段長約300.00 m。該井前期采用射孔完井，投產(chǎn)6年后，由于發(fā)生底水脊進，含水率高達到94.7%，日產(chǎn)油只有1.7 t。為控制底水脊進，調(diào)整水平井入流剖面，該井采用水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)進行二次完井，利用水平井調(diào)流控水篩管的阻水穩(wěn)油特性達到控水穩(wěn)油、提高油井采收率的目的。根據(jù)該井水平段井眼軌跡、井徑及儲層的滲透率、孔隙度、吸液能力，確定了該井的調(diào)流控水完井參數(shù)、充填方式及礫石用量。該井調(diào)流控水篩管完井管柱自下而上為φ101.6 mm絲堵+φ101.6 mm調(diào)流控水篩管×340.30 m+φ148.0 mm充填滑套總程+φ148.0 mm頂部封隔器總成+φ148.0 mm坐封工具。完井管柱下至設(shè)計位置后，坐封頂部封隔器，加壓丟手后，開始進行小排量礫石充填。該井順利完成礫石充填調(diào)流控水篩管完井施工，然后下入生產(chǎn)管柱進行求產(chǎn)，結(jié)果見表1。

表1 A水平井采用礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)前后的產(chǎn)能

Table 1 Productivities before and after the application of completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal Well A

時間節(jié)點生產(chǎn)壓差/MPa產(chǎn)油量/(t·d-1)產(chǎn)水量/(t·d-1)產(chǎn)液量/(t·d-1)含水率，% 調(diào)流控水完井前2017390410947 調(diào)流控水完井后3287377464812 理論分析結(jié)果?3227624725963

注：* 為未采用水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)，只是提高生產(chǎn)壓差的理論計算結(jié)果。

從表1可以看出：A水平井采用礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)后，總產(chǎn)液量變化不大，產(chǎn)油量由1.7 t/d提高到8.7 t/d，提高了411.8%，含水率由94.7%降至81.2%，降低了13.5百分點；與只提高生產(chǎn)壓差相比，產(chǎn)油量由2.7 t/d提高到8.7 t/d，提高了222.2%，含水率由96.3%降至81.2%，降低了15.1百分點。由此可以看出，礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)能夠提高水平井產(chǎn)油量、降低含水率，起到穩(wěn)油控水作用，實現(xiàn)無限級控水增油完井。

4 結(jié)論與建議

1) 水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)可用于新井完井以及老井的二次完井，完井管柱結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在后期可以起出。

2) 采用超低密度礫石充填層對水平井段進行封隔分段可以實現(xiàn)對水平段的無限級封隔，達到無限制控水；采用調(diào)流控水篩管對地層出水進行動態(tài)控制，可以對出水點進行自動控水，具有更高的控水增油效率。

3) 現(xiàn)場試驗表明，礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)可以提高水平井產(chǎn)油量，降低含水率，實現(xiàn)水平井控水穩(wěn)油生產(chǎn)的目的。

4) 建議進一步深入開展水平井調(diào)流控水篩管完井條件下的礫石充填工藝研究，完善礫石充填的效果，增強礫石充填層的封隔能力，提高水平井礫石充填調(diào)流控水篩管完井技術(shù)的控水增油效果。

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[編輯 劉文臣]

Completion Techniques Involving Gravel-Packing Inflow-Control
Screens in Horizontal Wells

ZHAO Xu1,2,LONG Wu3,YAO Zhiliang1,2,PANG Wei1,2

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing，100101，China；2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing，100101，China；3.EngineeringandTechnologyResearchInstitute,SinopecNorthwestOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang,830011，China)

Conventional completion techniques involving inflow-control screen in horizontal wells are characterized by short packing intervals,limited packing intervals,difficulties in the installation of packers in deep wells and other technical challenges.Under such circumstances,research has been conducted to develop completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells.Based on studies related to technical principles and technical challenges in completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells,the advantages and drawbacks of screens of various types were reviewed.Subsequently,screens with choke nozzles or those with flowing channels were deployed.In consideration of requirements for completion involving grave-packing inflow-control screens in horizontal wells，polymer gravels with lower densities were used as packing gravels.Tests were conducted to assess the packing performances of gravels.Relevant results showed the gravel-packing layers could effectively eliminate horizontal flow of fluids in the borehole.Consequently,the layers might serve as packers.By highlighting gravel-packing techniques,completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells were developed.Field applications were performed in the horizontal Well A in the Tahe Oilfield.Compared with those before application,the the well productivity was enhanced by 411.8%,where as the water-cut was reduced by 13.5percent.Research results showed the completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells could effectively enhance the accuracy of the screen to stabilize oil production and to minimize the water cut. Such innovative technologies may be deployed more extensively to enhance production performances.

horizontal well;screen pipe completion;gravel packing;water flow control;Tahe Oilfield

2016-05-11；改回日期：2017-04-25。

趙旭(1981—)，男，遼寧撫順人，2004年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，2009年獲中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師，主要從事井筒內(nèi)復(fù)雜流動與控制、現(xiàn)代完井工程方面的研究。E-mail：zhaoxu46@163.com。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題六“海相碳酸鹽巖油氣井井筒關(guān)鍵技術(shù)(二期)”(編號：2011ZX05005-006-004)資助。

10.11911/syztjs.201704011

TE257+.3

A

1001-0890(2017)04-0065-06