海上水平裸眼井分艙防砂與智能分采完井技術(shù)

畢闖 劉偉，2 孫麗 馮碩 楊樂樂 于沖

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井分公司 4.中海油田服務(wù)股份有限公司)

0 引 言

渤海油田作為國內(nèi)海上主力開發(fā)油田，在保障國內(nèi)油氣資源安全供給方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，人工智能技術(shù)在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的迅速發(fā)展促使海上油田向數(shù)字化、智能化跨越，“中心處理平臺(tái)+無人平臺(tái)”逐漸成為海上油田的生產(chǎn)開發(fā)模式[1-3]。無人平臺(tái)便于生產(chǎn)管理，減少人力成本，提高生產(chǎn)安全性，但對油氣井的遠(yuǎn)程監(jiān)測和調(diào)控提出了更高要求，智能完井技術(shù)需求日益迫切[4-6]。水平裸眼井是當(dāng)前渤海油田主力開發(fā)井型，通過鉆遇2個(gè)甚至多個(gè)砂體，能有效提高單井產(chǎn)量，降低整體開發(fā)成本。然而，渤海油田以疏松砂巖為主要產(chǎn)層，占探明儲(chǔ)量的84%以上，油井出砂問題已成為渤海油田面臨的主要生產(chǎn)難題[7-9]。同時(shí)，水平裸眼井由于跟趾效應(yīng)和儲(chǔ)層非均質(zhì)性，含水體積分?jǐn)?shù)上升問題日益凸顯，部分油田生產(chǎn)井的含水體積分?jǐn)?shù)高達(dá)98%[10]，已成為渤海油田低產(chǎn)低效井和關(guān)停井的首因[11-12]。智能完井作為油田實(shí)時(shí)注采管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集傳輸井下監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反演油藏變化，實(shí)時(shí)決策優(yōu)化生產(chǎn)方案并遠(yuǎn)程調(diào)控[13]，為無人平臺(tái)的遠(yuǎn)程生產(chǎn)監(jiān)控提供了解決方案。同時(shí)，智能完井技術(shù)還可以精細(xì)化管理油藏，根據(jù)儲(chǔ)層非均質(zhì)特點(diǎn)實(shí)施油氣井的單層單段監(jiān)測與調(diào)控，控制產(chǎn)液/注水/注氣剖面均衡，抑制氣、水突破，可有效解決水平裸眼井見水早、含水體積分?jǐn)?shù)上升快等問題[14]。

相較于傳統(tǒng)完井工藝，水平裸眼井智能完井的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在2方面：分艙防砂和智能分采。分艙防砂是在井筒內(nèi)不同層位建立相互間的流動(dòng)屏障以避免井筒內(nèi)產(chǎn)生層間竄流，為智能開采提供相對獨(dú)立的生產(chǎn)環(huán)境，這包括防砂管柱與地層間大環(huán)空以及防砂管柱與生產(chǎn)管柱間小環(huán)空的有效封隔；智能分采生產(chǎn)管柱是在各生產(chǎn)層位添加井下流動(dòng)控制裝置，即智能滑套，通過地面調(diào)節(jié)滑套開度大小控制各個(gè)層位的產(chǎn)出液量，實(shí)現(xiàn)單井多艙的獨(dú)立精確控制，兩者共同配合實(shí)現(xiàn)對油藏的遠(yuǎn)程精細(xì)化生產(chǎn)開發(fā)。針對分艙防砂和智能分采的需求以及存在的問題，梳理當(dāng)前水平井裸眼礫石充填及智能完井方式，優(yōu)化工具工藝，建立了一套分艙與智能完井分采工藝。該工藝可滿足海上油田水平裸眼井遠(yuǎn)程監(jiān)控、分艙調(diào)控的生產(chǎn)需求和施工簡單、低成本的作業(yè)需求。

1 水平裸眼井分艙防砂

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)

在現(xiàn)有水平裸眼井礫石充填工藝的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多種類型的裸眼分艙充填技術(shù)探索和嘗試。在防砂管柱中下入密封筒，進(jìn)行整體充填，裸眼段有分艙需求時(shí)，通過在防砂管柱中下入中心管及隔離密封實(shí)現(xiàn)小環(huán)空的機(jī)械封隔。然而，此類工藝僅依賴充填陶粒的流動(dòng)阻力阻止流體層間流動(dòng)，未能在大環(huán)空形成有效的流動(dòng)屏障，易造成層間干擾。進(jìn)一步地在防砂管柱上增加膨脹封隔器，以膨脹封隔器封隔大環(huán)空，以密封筒+隔離密封封隔小環(huán)空。在現(xiàn)場作業(yè)中，該管柱有2種作業(yè)方式：一種是先充填后坐封，該作業(yè)模式下，因?yàn)榉郎肮苤獯嬖诔涮畹[石，膨脹封隔器無法與地層直接接觸，在封隔后，防砂管柱與地層間依然存在由充填礫石形成的高滲流通道，不能實(shí)現(xiàn)大環(huán)空的有效封隔；另一種是先坐封后充填，該方式盡管可以實(shí)現(xiàn)大小環(huán)空的有效封層，但是施工工藝較為復(fù)雜，隔離封隔器坐封與礫石充填分艙完成，施工周期長，成本較高[15-17]。

1.2 旁通隔離防砂管柱

為了實(shí)現(xiàn)大小環(huán)空的雙重有效封隔并簡化作業(yè)工藝，設(shè)計(jì)了一種新的旁通隔離封隔器(見圖1)，主要由擴(kuò)張膠筒、遇油遇水膨脹膠筒和旁通關(guān)閉閥3部分組成，本體上設(shè)置有旁通通道。旁通隔離封隔器的主要工作方式是通過坐封機(jī)構(gòu)和膠筒膨脹實(shí)現(xiàn)水平井分段，通過旁通關(guān)閉閥控制旁通通道的開關(guān)，三者相互配合實(shí)現(xiàn)對攜砂液流動(dòng)通道的控制。

圖1 旁通隔離封隔器

防砂管柱及內(nèi)服務(wù)管柱如圖2所示。具體施工模式如下。①充填作業(yè)前，一次性坐封所有的擴(kuò)張膠筒，對旁通隔離封隔器外的環(huán)空通道進(jìn)行有效封隔，并打開所有的旁通通道保證充填砂通過；擴(kuò)張膠筒設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)封隔器坐封完成后，液壓被鎖定，保證封隔器的有效封隔。②充填作業(yè)時(shí)，攜砂液從旁通入口流入，從旁通出口流出，從而跨隔旁通隔離封隔器，一次完成多段充填，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。③充填作業(yè)完成后，關(guān)閉旁通通道。

圖2 防砂及內(nèi)服務(wù)管柱

在生產(chǎn)階段，膨脹膠筒遇油遇水膨脹，由于膠筒外側(cè)沒有充填砂的存在，膠筒膨脹后能夠緊貼井壁，為有效封隔管外串流提供了二次保證，同時(shí)為后續(xù)分層開采的實(shí)施提供便利的井筒條件，作業(yè)安全性較高。

1.3 關(guān)鍵工具測試

旁通隔離封隔器的可靠性是影響水平井分段礫石充填作業(yè)的關(guān)鍵。通過試驗(yàn)對封隔膠筒、旁通關(guān)閉機(jī)構(gòu)和坐封機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行測試驗(yàn)證。

1.3.1 封隔膠筒

擴(kuò)張膠筒和膨脹膠筒作為旁通封隔器的主要組成部件，能夠?qū)Υ笮…h(huán)空形成有效封隔，是水平井分艙礫石充填施工的關(guān)鍵。分別對兩者的封隔效果進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 密封膠筒測試結(jié)果

1.3.2 旁通關(guān)閉機(jī)構(gòu)

為防止充填作業(yè)過程工作液對關(guān)閉機(jī)構(gòu)造成沖蝕損壞，設(shè)計(jì)了關(guān)閉套保護(hù)裝置；為防止關(guān)閉機(jī)構(gòu)的誤關(guān)閉，在其前后均設(shè)計(jì)了鎖定機(jī)構(gòu)。同時(shí)，裝配備用旁通關(guān)閉機(jī)構(gòu)，在主用關(guān)閉機(jī)構(gòu)不能正常關(guān)閉時(shí)，通過備用關(guān)閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旁通的關(guān)閉，如圖3所示。

圖3 關(guān)閉機(jī)構(gòu)

對關(guān)閉機(jī)構(gòu)在常規(guī)和旁通通道帶砂條件下的關(guān)閉可靠性進(jìn)行室內(nèi)測試，帶砂條件采用黃油黏合陶粒砂模擬。將旁通關(guān)閉閥固定到地鉗上，液壓拉拔機(jī)連接開關(guān)工具，在關(guān)閉套位置反復(fù)推拉進(jìn)行開關(guān)測試，可觀測到開關(guān)工具打開或關(guān)閉，未發(fā)生卡阻現(xiàn)象。

1.3.3 旁通隔離坐封機(jī)構(gòu)

旁通隔離坐封機(jī)構(gòu)見圖4。下入時(shí)，坐封孔密封在下密封筒內(nèi)；坐封時(shí)，坐封孔位于上下密封筒之間，流體通過密封孔進(jìn)入膠筒使之膨脹封隔。分別測試坐封工具的通過性和密封性：坐封工具往復(fù)通過密封筒，通過順暢；上、下接頭配合Hydril511盲堵和變扣，中間坐封孔配合密封筒密封，整體內(nèi)腔加壓21 MPa，穩(wěn)壓15 min無壓降。

圖4 坐封機(jī)構(gòu)

2 水平裸眼井智能分采

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)

海上智能完井已經(jīng)逐步形成測調(diào)一體分注技術(shù)、無線智能注采技術(shù)、液控智能注采技術(shù)和有纜智能注采技術(shù)等4大體系。無線智能注采技術(shù)處于研發(fā)階段，應(yīng)用較少；液控智能和有纜智能注采技術(shù)相對成熟、應(yīng)用多。這2種技術(shù)體系主要依靠智能生產(chǎn)滑套的控制方式，即電控[18]和液控[19]。其中，電控智能滑套控制管線少，一根電纜控制多個(gè)智能生產(chǎn)滑套，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，下管柱作業(yè)相對簡單。但由于井下環(huán)境復(fù)雜，受井底高溫高壓、流體腐蝕以及電信號傳輸穩(wěn)定性的影響，電控智能滑套可靠性差，目前在海上多用于智能分艙注水井。液控智能滑套受液壓驅(qū)動(dòng)，可調(diào)節(jié)開度在4～9級，工具及控制管線更為可靠，在海上已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用。但也存在相應(yīng)缺點(diǎn)，因控制管線多，作業(yè)期間需要穿越多道封隔器，作業(yè)復(fù)雜，相比常規(guī)完井作業(yè)延長了作業(yè)時(shí)間，增加了成本。

2.2 智能分采管柱優(yōu)化

為減小作業(yè)難度，通過重新設(shè)計(jì)各層產(chǎn)液流動(dòng)通道，將液控智能滑套優(yōu)化在頂部封隔器以上位置，以減少液控智能滑套及其控制管線的下入深度和封隔器穿越數(shù)量，降低作業(yè)難度與風(fēng)險(xiǎn)，管柱組合見圖5a。

圖5 智能分采管柱

由圖5a可知，第一層產(chǎn)出流體通過頂部封隔器的旁通流入頂部以上環(huán)空，再通過環(huán)空式液控智能滑套流進(jìn)油管，環(huán)空式液控智能滑套內(nèi)部有限流裝置，可以控制過流面積，從而控制第一層的生產(chǎn)，如紅色箭頭所示；第二層產(chǎn)出流體直接流入油管，罩式液控智能滑套連接在油管上，內(nèi)部設(shè)置有堵塞器控制過流面積，從而控制第二層的生產(chǎn)，如綠色箭頭所示。管柱中舉升設(shè)備為罐裝泵，考慮到罐裝泵的氣體處理能力較弱，在產(chǎn)氣量較大的油藏中存在氣鎖風(fēng)險(xiǎn)。為此進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)管柱，增加1個(gè)生產(chǎn)封隔器和1個(gè)機(jī)械滑套，地層產(chǎn)液從油管經(jīng)過機(jī)械滑套流入環(huán)空，再通過常規(guī)電泵舉升至地面；過電纜封隔器上安裝有放氣閥，當(dāng)氣體集聚到一定程度時(shí)，打開放氣閥，氣體從油套環(huán)空中放出，管柱組合見圖5b。

此外，液控智能滑套有獨(dú)立的地面控制設(shè)備，可以通過海底光纜進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中心對智能滑套的遠(yuǎn)程調(diào)控，滿足無人值守平臺(tái)的應(yīng)用。

2.3 智能分采機(jī)理分析

采用節(jié)點(diǎn)分析法對不同智能生產(chǎn)管柱條件下智能生產(chǎn)滑套的井下流量控制原理進(jìn)行分析。節(jié)點(diǎn)分析法也叫系統(tǒng)分析法，其理論基礎(chǔ)是將原油從地層流入井底，再從井底流向井口的過程看作一個(gè)整體。以油管入口為節(jié)點(diǎn)O，油從地層流入井底，遵從地層滲流規(guī)律，流量與生產(chǎn)壓差正相關(guān)，其井底壓力與產(chǎn)量的關(guān)系曲線稱為地層滲流曲線(IPR曲線)；油從井底流到地面遵從垂直管流規(guī)律，流量隨井底壓力增大而增大，其井底壓力與產(chǎn)量的關(guān)系曲線稱為垂直管流曲線(TPR曲線)。IPR和TPR兩條曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的產(chǎn)量就是在該管柱條件下油氣井的最佳產(chǎn)量[20]。圖6a是自噴井的IPR和TPR曲線。

圖6 不同生產(chǎn)條件下流入(IPR)和流出(TPR)曲線圖

流體從地層流入井筒所需壓差pa與流體從井底流出地面所需壓差pb的和為定值p。假設(shè)地面油管壓力為0，此壓力p即為地層壓力：

pa+pb=p

(1)

式中：pa為特定排量下流體流入井筒所需壓差，MPa；pb為特定排量下流體從井底流至地面所需壓差，MPa；p為地層壓力，MPa。

在油田生產(chǎn)過程中，由于地層能量不足，無法實(shí)現(xiàn)自噴，需要舉升設(shè)備輔助，例如電潛泵、螺桿泵、射流泵及氣舉等，此時(shí)油從井底流到地面將不再是簡單的垂直管流規(guī)律。圖6b以電潛泵舉升井為例，展示了人工舉升生產(chǎn)條件下的IPR和TPR曲線。因?yàn)楣苤性黾恿穗姳玫呐e升能力，相同井底流壓下可以提供更大排量的生產(chǎn)能力。舉升條件下井筒內(nèi)壓力關(guān)系為：

pa+pb-pc=p

(2)

式中：pc為電泵入口與出口間壓差，MPa，由于電泵為增壓作用，所以為負(fù)值。

在智能完井中，流體通過滑套的阻力隨開度變化，滑套入口與出口處的壓差、流量及流量系數(shù)間的關(guān)系為：

(3)

式中：Q為通過滑套流量，m3/s；K為流量系數(shù)，無量綱；A為滑套開度，m2；Δp為滑套進(jìn)出后壓力差，MPa；ρ為流體密度，kg/m3。

產(chǎn)出流體通過智能生產(chǎn)滑套時(shí)的壓力損耗為：

(4)

由式(4)可知，壓差與過流面積的平方成反比，與流量的平方成正比。井筒內(nèi)壓力關(guān)系為：

pa+pb-pc+pd=p

(5)

式中：pd為滑套出口與入口間壓差，MPa。

圖6c展示了智能完井條件下的IPR和TPR曲線。由圖6c可知，工程回壓、電泵頻率不變時(shí)，滑套開度增大或減小，pd隨之減小或增大，在圖中表現(xiàn)為綠色曲線斜率減小或增大，最佳產(chǎn)量隨之增大或減小。滑套開度越大，綠色曲線斜率越小，最佳產(chǎn)量越大。

圖6d以2層智能分采管柱為例，討論滑套開度對產(chǎn)量的影響。假設(shè)一口2層分采井同時(shí)生產(chǎn)2個(gè)儲(chǔ)層，智能滑套1和2分別控制第一層和第二層，第一層和第二層地層壓力分別為28與24 MPa。以滑套出口為節(jié)點(diǎn)O，通過流入油管的流量為第一層和第二層的流出流量總和。穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，第一層和第二層的產(chǎn)量分別A1和B1，總產(chǎn)量為C1。當(dāng)減小智能滑套1開度時(shí)，第一層流入曲線斜率增大，總流入曲線斜率增大，最佳產(chǎn)量由C1減小為C2。此時(shí)，第一層和第二層的產(chǎn)量分別為A2和B2，即第一層產(chǎn)量減小，第二層產(chǎn)量增加。當(dāng)增大智能滑套1開度時(shí)，生產(chǎn)變化與之相反。此認(rèn)識可為生產(chǎn)中后期的生產(chǎn)調(diào)控提供指導(dǎo)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用井基本情況

渤海某油田位于南部海域，是萊北低凸起淺層勘探發(fā)現(xiàn)的億噸級巖性大型油田，整體表現(xiàn)為受伸展斷層控制的復(fù)雜斷塊特征。主要目的層段以分流河道型淺水三角洲沉積為主，砂體厚度5～15 m，發(fā)育天然堤、河漫灘等沉積砂體，厚度2～4 m，整體表現(xiàn)為薄砂層與泥巖互層。該油田屬于巖性油氣藏，設(shè)計(jì)采用水平井開發(fā)，砂體規(guī)模小，厚度薄、非均質(zhì)性強(qiáng)，較適合進(jìn)行分層開采，以提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本。S井是該油田的一口水平井，實(shí)際完鉆井深為3 999 m，71°穩(wěn)斜段長達(dá)2 600 m，最大井斜93°。該井上部物性好，下部物性偏差，所在砂體后期注水開發(fā)，考慮水平井跟趾效應(yīng)和非均質(zhì)性，上部井段后期存在出水風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合油田儲(chǔ)層特點(diǎn)及開發(fā)需求，使用水平裸眼井分艙與智能完井工藝完井，分兩層完井，旁通隔離封隔器下入位置如圖7所示。

圖7 S井實(shí)鉆井眼軌跡

3.2 作業(yè)情況概述

3.2.1 刮管洗井

組合下入刮管洗井管柱，在過電纜封隔器及頂部封隔器坐封位置上下30 m范圍內(nèi)刮管3次，大排量正循環(huán)鉆井液洗井，直至返出干凈。正替過濾KCl鹽水洗井，其間間歇上下活動(dòng)管柱，直至返出液NTU值小于70。

3.2.2 防砂作業(yè)

按照配管表先后下入帶有旁通隔離封隔器的外層防砂管柱和內(nèi)層服務(wù)管柱，驗(yàn)證旁通隔離封隔器坐封位置，正循環(huán)測試鉆井泵，確認(rèn)工具連接正常。下鉆至設(shè)計(jì)深度，上提管柱至頂部封隔器坐封位置，循環(huán)替出裸眼段鉆井液，投球坐封頂部封隔器并驗(yàn)卡驗(yàn)封。繼續(xù)上提管柱至指定位置，環(huán)空加壓坐封旁通隔離封隔器。繼續(xù)加壓剪切可開關(guān)單流閥柱塞銷釘，泄壓至0，下放管柱至負(fù)荷位置，標(biāo)記充填與反循環(huán)位置，開始礫石充填作業(yè)。防砂泵進(jìn)行循環(huán)測試優(yōu)化，確定礫石充填作業(yè)參數(shù)：砂質(zhì)量濃度40 kg/m3，排量0.8 m3/min，α波鉆桿壓力5.01～5.12 MPa，β波鉆桿壓力5.12～6.92 MPa。當(dāng)脫砂壓力為12 MPa時(shí)充填作業(yè)結(jié)束，進(jìn)行反循環(huán)作業(yè)，返出鉆桿內(nèi)陶粒，充填作業(yè)結(jié)束。

3.2.3 下智能分采管柱

根據(jù)管柱組合(見圖5a)下入智能分采生產(chǎn)管柱，連接智能生產(chǎn)滑套后進(jìn)行試壓作業(yè)，確保工具正常，隨后帶壓下入。連接電泵機(jī)組時(shí)注意更換電機(jī)油，測量絕緣電阻。穿過電纜封隔器時(shí)要對控制管線及電纜進(jìn)行回接后的測試，確保下入過程中各類工具正常，控制管線及電纜通過多線纜保護(hù)器固定在油管上。下入位置后送油管掛，拆卸防噴器組及升高立管，安裝采油樹，完井作業(yè)結(jié)束。

3.3 作業(yè)效果

該井礫石充填效率100%，施工作業(yè)順利，日產(chǎn)油108 m3，超配產(chǎn)10%，取得了良好的增儲(chǔ)上產(chǎn)效果。同時(shí)，該井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)可通過海底光纜遠(yuǎn)傳至中心處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了油井的遠(yuǎn)程監(jiān)測與調(diào)控。該井的成功建井，驗(yàn)證了分艙充填與智能分采管柱的可行性，豐富了國產(chǎn)防砂工具序列，為水平井分艙防砂和控水提供了新的開發(fā)思路，也為智能分采井的實(shí)施提供了作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論及認(rèn)識

(1)建立了一套水平裸眼井分艙防砂管柱及工藝技術(shù)。分艙防砂通過旁通隔離封隔器實(shí)現(xiàn)水平裸眼段一趟分艙礫石充填，作業(yè)簡單高效、成本低，可為智能完井管柱提供作業(yè)環(huán)境。

(2)建立了一套新型水平裸眼井智能分采管柱，將智能滑套放置在頂部封隔器以上，降低了生產(chǎn)管柱下入難度，同時(shí)可有效應(yīng)對高含氣油田電潛泵易氣鎖的問題，為分艙生產(chǎn)調(diào)控提供了技術(shù)手段。

(3)采用節(jié)點(diǎn)分析法從理論角度闡述了智能分采管柱的生產(chǎn)控制作用和層間影響：分艙調(diào)控會(huì)產(chǎn)生艙間干擾，智能完井各艙產(chǎn)量組合數(shù)為各層滑套可調(diào)開度數(shù)量的乘積，可為中后期的生產(chǎn)調(diào)控提供指導(dǎo)。

(4)在渤海某油田的一口井應(yīng)用了水平祼眼井分艙防砂與智能分采完井技術(shù)。該技術(shù)體系解決了水平祼眼井防砂、分采等問題，為智能化、無人化平臺(tái)建設(shè)提供了技術(shù)支撐。