海上油田水平井控水新工藝的研究與應(yīng)用

張斌斌，雷鴻，李良慶，胡澤根，袁征，黃杰

1.中海油田服務(wù)股份有限公司（天津 300450）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司（廣東 深圳 518000）

0 引言

目前，海上油氣田大量采用了水平井完井開(kāi)采的模式［1］，利用水平井技術(shù)開(kāi)發(fā)底水油藏相對(duì)直井具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以顯著增加井筒與儲(chǔ)層的接觸面，能夠在較低的生產(chǎn)壓差下獲得與常規(guī)直井或斜井相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量［2］。因此，對(duì)于各種油藏條件，水平井完井大都是優(yōu)先考慮的開(kāi)采方式。但隨著油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，也浮現(xiàn)出很多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在完井階段，水平井完井方式選擇不合理，導(dǎo)致一投產(chǎn)含水就迅速上升、水平井低含水期較短［3］；為實(shí)現(xiàn)增油，盲目提液導(dǎo)致油井出砂趟井，甚至報(bào)廢；注入水無(wú)效循環(huán)，給油田水處理帶來(lái)很大的壓力；采出程度低等問(wèn)題［4-6］。

針對(duì)上述油井高含水并伴隨出砂的問(wèn)題，進(jìn)行了控水新工藝的自主研究，形成了“環(huán)空阻流控水技術(shù)”新工藝。

1 技術(shù)原理

環(huán)空阻流控水技術(shù)主要是針對(duì)水平井在完井或修井階段，通過(guò)在水平段下入控水篩管，并在篩管和井壁之間充填滿阻水顆粒，相鄰篩管之間盲管段可視為有一定滲漏的環(huán)空封隔器，全井筒實(shí)現(xiàn)趨于無(wú)極限分段控水。其控水原理主要表現(xiàn)在：

1）阻水顆粒的真實(shí)密度為1 050 kg/m3，密度和海水、完井液接近，易攜帶；表面憎水親油，具備“過(guò)水阻力大、過(guò)油阻力小”的特性。

2）通過(guò)在篩管外環(huán)空充填密實(shí)的阻水顆粒層，沿水平段軸向上可抑制水發(fā)生橫向竄流，避免大段水淹。如圖1所示，徑向礫石層厚度一般在0.02 m，而篩管之間盲段長(zhǎng)度一般可設(shè)計(jì)3～5 m，軸向流動(dòng)壓降（ΔP2）約為徑向流動(dòng)壓降(ΔP1)的150～250倍，環(huán)空軸向竄流量（Q2）僅為地層進(jìn)入井筒的徑向流量(Q1)的1/250～1/150。

圖1 環(huán)空阻流控水原理示意圖

3）徑向上通過(guò)在高含水段設(shè)置較小孔徑的噴嘴式控水閥（集成在控水篩管內(nèi)），抑制水進(jìn)入篩管內(nèi)，減少高出水段產(chǎn)水量，從而達(dá)到降低水平段整體含水率的目的。如圖2 所示，流體從井筒進(jìn)入篩管需經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，沿著基管內(nèi)壁流動(dòng)至控水閥，再通過(guò)控水閥這個(gè)唯一通道進(jìn)入篩管內(nèi)，被生產(chǎn)出來(lái)。根據(jù)嘴流壓降原理［7］:

式中：Q為經(jīng)過(guò)孔眼的混合流體流量，m3/s；ρ為混合流體密度，kg/m3；Dv為ICD 孔眼尺寸，m；C為流動(dòng)系數(shù)，無(wú)因次。

在流動(dòng)系數(shù)C和流體密度ρ為定值d的條件下，相同壓差下，控水閥孔徑Dv縮小50%，流量Q減少75%。通過(guò)調(diào)整控水閥孔徑可以有效控制高含水段產(chǎn)液量。

2 實(shí)驗(yàn)研究

環(huán)空阻流控水技術(shù)的核心是阻水顆粒和控水閥，阻水顆粒的性能和充填率決定了防止流體軸向竄流的效果，控水閥的設(shè)置決定了徑向限流的強(qiáng)度。

2.1 阻水顆粒阻水透油性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)阻水顆粒阻水透油的性能，實(shí)驗(yàn)采用螺桿泵驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流體流經(jīng)“擋砂介質(zhì)過(guò)流性能評(píng)價(jià)裝置”，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的流量、壓力變化情況。

實(shí)驗(yàn)采用的徑向流驅(qū)替裝置主要由液罐、螺桿泵、透明填砂管（不同位置安裝有壓力傳感機(jī)構(gòu)，單節(jié)長(zhǎng)0.15 m）、回流舉升水泵（將流體循環(huán)至液罐）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、連接管路等部分組成（圖3）。

圖3 油、水過(guò)流性能評(píng)價(jià)裝置

具體做法是在填砂管中填滿評(píng)價(jià)用阻水顆粒，分別用清水（黏度0.001 Pa·s）和柴油（黏度0.002 Pa·s）作為過(guò)流介質(zhì)，測(cè)試沿長(zhǎng)度15 cm的填砂管軸向滲流阻力，記錄指定長(zhǎng)度測(cè)壓點(diǎn)壓力變化情況，來(lái)反映阻水顆粒在長(zhǎng)井段水平方向的阻水性能。

以20/40 目阻水顆粒為例，測(cè)試同一目數(shù)的阻水顆粒分別對(duì)水和油的阻力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。隨著流量增加，過(guò)流壓差增加。

表1 油水通過(guò)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖4中可看出，20/40目阻水顆粒過(guò)水壓降是過(guò)油壓降的1.4～2.3 倍。在排量1.411×10-4m3/s（即12 m3/d）條件下，20/40 目阻水顆粒過(guò)水壓降約為過(guò)油壓降的2倍；實(shí)驗(yàn)采用填砂管長(zhǎng)度為0.15 m，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)篩管上下盲段總和可達(dá)到3.0～4.5 m，該流量下水通過(guò)軸向礫石層產(chǎn)生的壓降將會(huì)提高20～30倍，過(guò)水壓降和過(guò)油壓降差值將提高20～30倍。

圖4 油、水過(guò)流性能曲線

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，表明阻水顆粒具備較好的透油阻水性能，有利于發(fā)揮環(huán)空阻流控水技術(shù)的軸向抑制竄流的作用。

2.2 環(huán)空阻流控水充填效果

為了研究采用環(huán)空阻流控水技術(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件下的充填效果，驗(yàn)證控水篩管的盲管段能否得到有效充填，將控水閥安裝到70.44 mm（2■8"）ICD控水篩管上，將控水篩管連接下入171.5 mm（7"）水平套管試驗(yàn)井筒，按照?qǐng)D5所示流程，利用清水作為攜砂液將阻水顆粒充填到篩管、井筒環(huán)空。

圖5 礫石充填實(shí)驗(yàn)流程圖

171.5 mm（7"）水平套管實(shí)驗(yàn)井筒主要由3層管一體化工裝、171.5 mm（7"）套管、觀察短節(jié)、171.5 mm（7"）套管、觀察短節(jié)、171.5 mm（7"）套管、堵頭等組成，可以實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)空泵入和油管返出流體的功能。

由于該顆粒密度低、易攜帶，因此施工排量要求較低。參考現(xiàn)場(chǎng)施工習(xí)慣，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）沉砂池加水，連接管線，試壓15 MPa。

2）關(guān)閉旁通針閥，循環(huán)排出套管內(nèi)空氣，校核流量計(jì)讀數(shù)是否準(zhǔn)確。

3）調(diào)節(jié)旁通針閥，以0.031 8 m3/min（0.2 bbl/min）為階梯，從0 到0.318 m3/min（2.0 bbl/min）提高排量，進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)。停泵，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整施工排量。

4）攪拌罐加滿液，控制砂比4%，攪拌均勻，以調(diào)整后排量進(jìn)行礫石充填，觀察充填效果。

5）施工后期逐步降排量，達(dá)到脫砂壓力后停泵。

實(shí)驗(yàn)最終達(dá)到了脫砂壓力約12.4 MPa，壓力曲線如圖6所示，理論充填砂量即設(shè)計(jì)砂量V1：V1=Vs+Vm，即篩管外環(huán)空體積與盲管外環(huán)空體積之和，為0.433 m3。根據(jù)加砂前后差值計(jì)算得到實(shí)際充填砂量V2=0.470 m3。可得到充填效率K：K=V2/V1,為108.5%，超過(guò)100%，說(shuō)明有0.037 m3顆粒進(jìn)入根部的盲套環(huán)空。結(jié)合盲套環(huán)空的單位長(zhǎng)度環(huán)空體積：0.015 m3/m,可證明實(shí)際盲管埋高超過(guò)2 m，大于礫石充填的盲管埋高標(biāo)準(zhǔn)（1.83m），說(shuō)明環(huán)空阻流控水試驗(yàn)的充填質(zhì)量良好。

圖6 充填實(shí)驗(yàn)曲線

如圖7所示，充填實(shí)驗(yàn)完成后，玻璃觀察窗和密實(shí)度觀測(cè)孔填充密實(shí)程度很高，且砂量滿足預(yù)期要求。

圖7 充填密實(shí)情況

通過(guò)研究環(huán)空阻流控水充填規(guī)律，表明控水篩管的盲管段能夠達(dá)到很好的充填效果，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)井筒環(huán)空100%的充填率，環(huán)空阻流控水在現(xiàn)場(chǎng)施工具備可行性。

3 環(huán)空阻流控水施工及工藝措施

海上油田中一些泥質(zhì)含量較高的水平井在實(shí)施控水防砂措施后，存在油井提液量困難、最大液量太低，達(dá)不到理想的產(chǎn)油量［8］，篩管或近井筒被堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)液量逐漸下降［9］。為了避免此類情況，環(huán)空阻流控水技術(shù)采取的工藝措施包括：

1）考慮原井泥質(zhì)含量或泥巖段占比，如果泥質(zhì)含量過(guò)高，控水后可能存在泥質(zhì)堵塞風(fēng)險(xiǎn)。兼顧防砂和控水效果，將阻水顆粒由較細(xì)粒度的40/60 目變?yōu)橹械攘６鹊?0/40目。

2）考慮保證控水效果和后期提液的雙重需求，改變不同產(chǎn)液段的控水閥布置數(shù)量，在較好的油層可將控水閥適當(dāng)加密；如油水分布不確定，可統(tǒng)一加密控水閥布置。

3）通過(guò)在不同水平段適當(dāng)放大或縮小控水閥的孔徑，來(lái)有效改善地層流入剖面，延緩見(jiàn)水時(shí)間，降低含水上升速度［10］。

4）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，在不壓破地層的前提下，控制較高的施工壓力，可填補(bǔ)地層虧空或裂縫，增強(qiáng)對(duì)近井筒和環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)的控制能力。

5）老水平井修井時(shí)，采用環(huán)空阻流控水技術(shù)還應(yīng)注意壓井液、暫堵劑與地層的配伍性，盡量減少地層漏失量，避免污染儲(chǔ)層。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

Q 油田儲(chǔ)層主要以高孔高滲疏松砂巖為主，前期開(kāi)發(fā)中大批量采取水平井獨(dú)立篩管完井，在油藏邊底水的驅(qū)動(dòng)下，油田含水上升較快，目前油田整體含水90%以上，大部分水平井生產(chǎn)過(guò)程伴隨有出砂現(xiàn)象，治理起來(lái)非常困難，油田對(duì)有效防砂控水技術(shù)需求迫切。

Q1H 井是該油田的典型高含水出砂井，1 口208.25 mm（8?2"）裸眼水平井，于2014 年8 月15 日投產(chǎn)，原井下入134.75 mm（5?2"）優(yōu)質(zhì)篩管礫石充填防砂。2018 年化驗(yàn)出砂，最大出砂量0.1%，油井產(chǎn)液持續(xù)下降，停井前日產(chǎn)液360 m3/d，產(chǎn)油10.3 m3/d，含水97.12%，生產(chǎn)壓差1.23 MPa。

油藏分析原井出水點(diǎn)不明確，大修再完井采用了環(huán)空阻流控水工藝，在原篩管內(nèi)下入70.44 mm（2■8"）控水管柱進(jìn)行環(huán)空阻流控水。修井完成后生產(chǎn)穩(wěn)定，如圖8所示，日產(chǎn)液330 m3/d，產(chǎn)油40.5 m3/d，含水87.72%，生產(chǎn)壓差4.45 MPa。采取措施后存在流壓略微降低的現(xiàn)象，通過(guò)提高周邊對(duì)應(yīng)注水井的配注量，有效改善了該情況。

圖8 控水措施前后生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論

1）環(huán)空阻流控水技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)井筒環(huán)空軸向相鄰段之間的竄流控制以及徑向進(jìn)入篩管的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)水平井有效地控水。

2）相同排量下，阻水顆粒對(duì)油阻力小，對(duì)水阻力大，利于改善油井控水效果。

3）環(huán)空阻流控水技術(shù)結(jié)合了控水和礫石充填防砂兩大特點(diǎn)，控水效果明顯，防砂有效期長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)油井控水防砂的雙重目的。

4）油井實(shí)施環(huán)空阻流控水技術(shù)后，應(yīng)制定合理的生產(chǎn)制度，密切跟蹤生產(chǎn)參數(shù)、出砂量及臨井注入?yún)?shù)，提高采油量，保證防砂、控水效果。

5）環(huán)空阻流控水工藝在出水不明確的老井已顯現(xiàn)出很好的控水穩(wěn)油效果，在新井完井時(shí)應(yīng)用此項(xiàng)工藝，其全生命周期控水穩(wěn)油效果會(huì)更好。