水平井堵劑及堵水工藝研究

張瑩輝

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

自20 世紀(jì)20 年代初，水平井理論就被正式提出[1]，后經(jīng)多年的應(yīng)用探索發(fā)展，其理論已經(jīng)在世界各國開始被廣泛關(guān)注及應(yīng)用。由于水平井獨(dú)特的井型，可以達(dá)到與儲(chǔ)層最大化接觸面積，高程度的提高采收率，增加經(jīng)濟(jì)效益[2]。但水平井也有其復(fù)雜性，比如接觸層易見水，有時(shí)即使是“一點(diǎn)見水”也可能導(dǎo)致整個(gè)井“水淹”[3-5]。因?yàn)樗骄筒氐膽?yīng)用情況復(fù)雜多樣，一般的開發(fā)技術(shù)不適用于水平井，導(dǎo)致水平井在堵劑選擇方面存在較大問題，堵水效果往往不是很理想。目前的主要問題集中在堵水的工藝選擇和堵水參數(shù)的設(shè)計(jì)上[6]。本文通過研究水平井堵劑及堵水工藝，可減少水平井主要部位的堵水問題，盡量避免由于漏水而導(dǎo)致的災(zāi)難性問題；在油井方面，能使生產(chǎn)井的出水量與水油比下降，進(jìn)而使生產(chǎn)井的生產(chǎn)周期延長。通過分析水平井結(jié)構(gòu)、出水位置對出水性能的影響，研究出適合水平井的堵劑，并廣泛應(yīng)用于其他類型油井。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2001 年美國的Kabir.A.H 開展了關(guān)于化學(xué)堵水與堵氣的技術(shù)研究[7]。并指出雖然有很多化學(xué)方法可以用來解決在油氣井中出水的問題，但這些化學(xué)反應(yīng)都很復(fù)雜，一個(gè)具有一般化學(xué)背景的石油工程師很難選擇并應(yīng)用一個(gè)合適的方法。因此，Kabir.A.H 介紹了迄今為止所有可用的化學(xué)水/氣關(guān)閉（WGSO）方法及優(yōu)缺點(diǎn)。常用化學(xué)堵劑有，單體體系、聚合物凝膠、相對滲透率改性聚合物、無機(jī)凝膠、塑料等化學(xué)選擇。較不常見的包括黏性驅(qū)油、誘導(dǎo)礦物沉淀選擇性封堵和其他一些材料。

2006 年美國的P.D.Fernandes 和M.G.F.da Silva 等提出了一種新的水平井堵水驅(qū)油技術(shù)[8]。水平井流速分布不均勻會(huì)導(dǎo)致早期水/氣錐進(jìn)、水/氣在驅(qū)替過程中的早期突破等。開發(fā)了水平井內(nèi)部和周圍的流動(dòng)分析模型，水平井沿襯管或防砂裝置具有不均勻間隔的槽或射孔。該模型對井內(nèi)和井附近儲(chǔ)層的流動(dòng)進(jìn)行耦合。使沿水平生產(chǎn)井或注入井的流動(dòng)均勻化，以延遲氣水錐進(jìn)并提高波及系數(shù)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1999 年華北石油局韓振華、李金炭等研究了TC-938 堵劑在任平2 井堵漏中的應(yīng)用[9]。作者指出，在鉆井開發(fā)過程中，灰?guī)r油藏出現(xiàn)漏失的嚴(yán)重程度更為明顯，一旦出水將嚴(yán)重影響油井的鉆進(jìn)開發(fā)效果。通過研究TC-938 化學(xué)劑的性能、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合分析后應(yīng)用于該井的現(xiàn)場使用，并取得了成功的堵水堵漏效果。

2005 年中國石油勘探開發(fā)研究院采油工程研究所的李宜坤、胡頻等總結(jié)提出了關(guān)于水平井堵水的背景、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[10]。1920 年水平井技術(shù)被提出，1940 年開始試驗(yàn)，1980 年便在國外得到廣泛的應(yīng)用。近年來水平井的應(yīng)用開發(fā)日益增多，水平井油氣產(chǎn)量呈較快上升趨勢。從總體上來看，水平井堵水的研究仍然處于研究試驗(yàn)階段。

2020 年大港油田石油工程研究院齊行濤研究了水平井分段定位找堵水技術(shù)及配套工藝研究與應(yīng)用[11]。提出了一種新方法，該方法不局限于生產(chǎn)的時(shí)間，可以在合適的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)記，進(jìn)而找到出水部位，實(shí)施精準(zhǔn)的堵水。

2 水平井特性分析

2.1 水平井出水特點(diǎn)及水型分析

水平井不同于其他井型，其井身最大化與油層接觸，可大幅度提高油氣田開發(fā)效率[12]。水平井大多會(huì)打在水油流度比較高的稠油油藏中，在這類油藏中，很容易會(huì)出現(xiàn)水錐。油井一旦見水，便會(huì)快速大量產(chǎn)水，水量急劇上升，如果不迅速有效的處理，可能會(huì)導(dǎo)致油井過早的“水淹”。

存在底水的水平井，在其開發(fā)油藏階段，因?yàn)樯a(chǎn)壓力差值不均等及恢復(fù)程度不均等，井筒附近壓降表現(xiàn)出錐形狀油水相互界面變形程度增加，促使邊水或底水四處流竄，進(jìn)而油井被水淹沒，水占據(jù)了大量空間，此情況下的形狀定義為底水脊進(jìn)。水在底水脊?fàn)钣蜌鈨?chǔ)層初始過程中多數(shù)表示為點(diǎn)狀。因?yàn)榫赘浇芰孔銐虺渥?，水平井被水淹沒的速度較快。

儲(chǔ)層的不同會(huì)影響鉆進(jìn)的速度和生產(chǎn)的產(chǎn)能，當(dāng)儲(chǔ)集層存在一些裂縫，這個(gè)時(shí)候使用一般的鉆進(jìn)方式達(dá)不到產(chǎn)能要求[13]，這時(shí)從水平方向上鉆進(jìn)便會(huì)使其產(chǎn)能大大的增加，相比于其他一些普通的垂直井而言，這樣的鉆井方式會(huì)在產(chǎn)量方面取得良好的成效。在石油行業(yè)最開始的時(shí)候，一些有裂縫的儲(chǔ)集層應(yīng)用最為廣泛。隨著油藏壓力的減小，裂縫成為油藏中水的通道。這種水平井在遇到水時(shí)，水會(huì)快速進(jìn)入油井，之后水與油量呈現(xiàn)此消彼長的趨勢，油井內(nèi)一大部分會(huì)被水占據(jù)。水平井鉆井工藝在各種油田開發(fā)的過程中，為提高油藏的綜合采收率，發(fā)揮了舉足輕重的作用，帶來了很大的利益。雖然水平井的優(yōu)勢有很多，但由于井筒和儲(chǔ)層水平的特點(diǎn)，很容易生產(chǎn)大量的水、水平井如果大量生產(chǎn)水就會(huì)使井中含水量開始大幅度上升，而另一方面油的產(chǎn)量會(huì)大大降低，出水嚴(yán)重時(shí)更可能導(dǎo)致整個(gè)油井變成水井。

2.2 水平井堵水存在的問題[14]

由于水平井井型的特殊性，在油氣田開發(fā)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)油井有出水狀況，如何快速有效的處理和應(yīng)對是尤為重要的。水平井堵水的重點(diǎn)在于，首先，怎么去找到出水的具體位置，以便于制定更為準(zhǔn)確的策略去處理應(yīng)對；其次，研究分析哪種堵水劑最適用于這口井，選擇出最為匹配的堵劑；最后，查閱資料，與每口井實(shí)際情況相結(jié)合，確定出最為適合的堵水工藝，有效實(shí)施堵水。

在對水平井的出水進(jìn)行封堵的時(shí)候，其效果不能滿足要求的主要原因是由于下面的幾個(gè)問題：首先是堵水劑是把雙刃劍，在選擇封堵劑堵塞出水層位的時(shí)候，油井的正常生產(chǎn)也會(huì)受到影響，使產(chǎn)量大幅度下降。另一方面經(jīng)濟(jì)收益嚴(yán)重被其影響，表現(xiàn)為降低。堵水劑的封堵性能不足，對于儲(chǔ)層出水層位的密封能力很低，封堵時(shí)間達(dá)不到預(yù)期要求，以至于堵水后所帶來的優(yōu)勢差強(qiáng)人意。各種應(yīng)用的化學(xué)藥劑的價(jià)格相對較高，在這種大投入的情況下，即使產(chǎn)量稍有增加也不能滿足經(jīng)濟(jì)的客觀需要。在封堵出水油井的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)所用化學(xué)藥劑的適用范圍很小，不能廣泛應(yīng)用。到了現(xiàn)在，在面對出水的水平井時(shí)常常一直延用由古至今的堵劑。但是，又因?yàn)檫@些堵劑有一定的弊端，導(dǎo)致堵水的作用達(dá)不到預(yù)期的要求。如何去改善水平井堵劑的性能，這是目前學(xué)者們的重點(diǎn)研究方向。所以，研究出一套適合水平井的且強(qiáng)度較高的堵水劑配方，制定出一套評價(jià)和試驗(yàn)方法是非常急迫的。

2.3 堵水劑的評價(jià)方法

成膠時(shí)間在科學(xué)研究中，指所用藥劑以調(diào)配完成到其黏度第一次出現(xiàn)升高現(xiàn)象，多數(shù)情況下也可以稱為堵水劑首次出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象所用的時(shí)間，還可以用彈性模量首次出現(xiàn)變大現(xiàn)象所用時(shí)間來表征?？偨Y(jié)成膠時(shí)間的方式有三種：目測代碼法、黏度突變法、模量交點(diǎn)法[15]。

3 水平井出水原因

3.1 地質(zhì)因素

有的水平井藏油在裂縫中，其主要的出水形式是水層進(jìn)入水平段的藏油裂縫中。剛開始，裂縫中的液體是油，隨著進(jìn)一步的挖潛，導(dǎo)致油層壓力降低，原本儲(chǔ)油的位置便開始有大量的水進(jìn)入，在幾天到一個(gè)月之內(nèi)，水量驟增，油的產(chǎn)量急劇減少。在底層藏油的水平井開采中，當(dāng)井底的壓力差大于油水因密度不同而導(dǎo)致的重力差時(shí)，底層的水會(huì)進(jìn)入井底，造成水淹現(xiàn)象，含水量急劇上升，產(chǎn)油量減少。如果豎直方向的滲透率變大，油、水界面將沒有有效的分割層阻擋，水平井的含水量也會(huì)很快的上升。

3.2 油水性質(zhì)

油和水的密度不一樣，會(huì)導(dǎo)致底水脊進(jìn)，隨著油、水密度差的減少、其臨界生產(chǎn)壓力差也會(huì)逐漸的減少，導(dǎo)致油井容易出水現(xiàn)象。因稠油的密度比較高，黏度高且驅(qū)動(dòng)其流動(dòng)需要耗費(fèi)更多的地層能量。而另一方面由于兩者的密度關(guān)系影響。導(dǎo)致了生產(chǎn)井更容易被水淹。油和水的流速不一樣，容易產(chǎn)生“指進(jìn)”現(xiàn)象，且流速差距越大，越容易出水[13]。另一方面，油、水黏性差異越大，油水臨界面產(chǎn)生的壓差也將急劇減小，會(huì)導(dǎo)致水平井出水。對于稠油而言，油、水流速差異越大，其泄油通道的水飽和度稍微上升一點(diǎn)也容易引發(fā)含水量的大幅增長，一旦突破了臨界值，產(chǎn)油率將快速下降。

3.3 井身結(jié)構(gòu)

水平井藏油的位置越接近油井的底部，其臨界壓力越小，產(chǎn)生水錐的初始速率也比較低，更容易發(fā)生“水淹”[13]。

當(dāng)水平井的水平部分較短時(shí)，能夠很快的產(chǎn)生水脊，水脊的兩邊傾斜度很大，油水分界的地方變形也很大。當(dāng)水平井的水平部分較長時(shí)，產(chǎn)生水脊的時(shí)間比較長，水脊兩側(cè)的坡度也比較緩慢。隨著水平段不斷增長，水平井出水的時(shí)間也將變長，開采效率將提高。

3.4 工作制度及措施不當(dāng)

隨著開采的不斷進(jìn)行，水平井的產(chǎn)量將逐漸減少，從經(jīng)濟(jì)方面來考慮，水平井的產(chǎn)量不能始終保持在臨界產(chǎn)量下，到了一定的階段，其產(chǎn)量要大于臨界產(chǎn)量，油井出水。在生產(chǎn)或增長作業(yè)的時(shí)候，油層和水層容易連通，導(dǎo)致油井含水量增加。

4 水平井所用堵劑的研究

4.1 水平井堵劑性能要求[16]

水平井出現(xiàn)水突破之后產(chǎn)油量大幅度降低，含水迅速升高，如果不及時(shí)采取有效的封堵措施，便會(huì)嚴(yán)重影響到油井的挖潛，甚至?xí)?dǎo)致關(guān)井。適當(dāng)采用調(diào)堵技術(shù)抑制水平井過多出水是解決面臨問題的有效手段。多年以來，經(jīng)過國內(nèi)外眾多石油行業(yè)的技術(shù)專家的努力，不斷的進(jìn)行試驗(yàn)總結(jié)，在試驗(yàn)中與其他常規(guī)的堵水劑進(jìn)行了多次比較分析，最終得出水平井堵劑應(yīng)具備的幾個(gè)最基本要求：流變性能要好；要足夠穩(wěn)定要足夠安全；封堵性能強(qiáng)；工藝要切實(shí)可行。

水平井的堵水特性主要取決于其完井的方式，大致可以分為以下幾種：割縫襯管完井、裸眼完井和固井射孔完井。經(jīng)分析比較，在進(jìn)行水平井堵水工藝時(shí)最困難的是割縫襯管完井，主要的影響因素是其襯管和儲(chǔ)層之間缺少一定的隔擋，水進(jìn)入井筒后便分為橫向流和徑向流這兩種形式。另一方面，機(jī)械隔離僅僅能在開發(fā)井里面發(fā)揮作用，但是在襯管和儲(chǔ)層面之間空間處的作用效果卻差強(qiáng)人意，難以實(shí)現(xiàn)。

4.2 水平井所用堵劑主要類型[11]

（1）因?yàn)樗嗟膬r(jià)格低廉、強(qiáng)度很大，可以應(yīng)用于大多數(shù)情況的溫度，所以在很早就被用來做堵劑。而且，經(jīng)過多年仍然是研究應(yīng)用的重點(diǎn)。主要的種類有水基、油基和微粒水泥。水泥堵劑的不足之處是顆粒懸浮性較差，不利于深層次的運(yùn)移，注入后會(huì)使得水流繞行，使得有效期較短。在對油水的選擇性方面，水基水泥毫無選擇，且在動(dòng)工的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)很多難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，易產(chǎn)生安全事故。因?yàn)樗囝w粒較大，只能夠封堵住高的、大的滲透層、很難進(jìn)入中低滲透層，因而在使用該方法時(shí)，成功的概率較低，所能使用的有效時(shí)間較短。

（2）顆粒類堵水劑應(yīng)用甚廣，因其有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即可很好的對高、特高滲透地層進(jìn)行有效封堵。在油井開發(fā)過程中應(yīng)用到這種堵水劑時(shí)，它的顆粒大小要和管道的大小相匹配，當(dāng)其半徑是三倍到九倍的喉道半徑時(shí)，這個(gè)時(shí)候的堵塞效果最好，缺點(diǎn)是容易沉積、選擇性較差、強(qiáng)度不太高。

（3）凝膠類堵水劑不同于其他堵水劑，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。最為突出的是強(qiáng)度高、有效期長。不足之處是具有溫度使用范圍，同時(shí)也存在其他的一些潛在的危害，價(jià)格昂貴無選擇性等。

5 水平井堵水工藝研究

在生產(chǎn)井出水的情況下，堵水的辦法主要有[18]：機(jī)械法和化學(xué)法。由于水平井出水的位置大不相同，因此，在堵水工藝過程中選擇相應(yīng)的堵水劑時(shí)，要嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際的出水情況來定。通常按照出水部位情況可以劃分為具體的三種出水方式，分別為產(chǎn)層趾部出水、產(chǎn)層中部多點(diǎn)位出水和產(chǎn)層底部出水。由此對應(yīng)產(chǎn)生了三種工藝可以有效地進(jìn)行堵水，主要為：對應(yīng)保護(hù)液-井底壓力平衡法封堵技術(shù)、籠統(tǒng)注入法和可降解屏蔽暫堵法。

6 結(jié)語

通過以上研究，主要得出以下結(jié)論及認(rèn)識(shí)：

（1）通過查找文獻(xiàn)，對水平井出水特性和水平井堵劑存在的問題進(jìn)行了分析；

（2）探討了出水原因和水平井找水方法；

（3）研究了不同井堵劑對水平井的堵水特性。

最后經(jīng)分析總結(jié)提出了：保護(hù)液-井底壓力平衡法封堵技術(shù)、籠統(tǒng)注入法和可降解屏蔽暫堵法的堵水工藝。