水平井控气技术在海上气顶油藏应用研究

梁 丹康晓东杨俊茹王旭东

(中海油研究总院海洋石油高效开发国家重点实验室,北京100028)

水平井控气技术在海上气顶油藏应用研究

梁 丹,康晓东,杨俊茹,王旭东

(中海油研究总院海洋石油高效开发国家重点实验室,北京100028)

由于气顶油藏气顶气的产量不稳定,逐年衰竭较快,无法作为平台燃气透平电站的燃料使用,且海上油田储集运输成本高,因此在海上气顶油藏开发过程中尽量采用控气稳油的开发方式,降低能源浪费。AICD流入控制装置基于伯努利原理,在延缓气顶锥进的同时具备油井见气后对低黏度气相流入井筒的限制功能。AICD在挪威Troll油田进行了成功的矿场应用,在同一时间段,生产气油比仅为未使用AICD油井的1/3,累产油量增加了20%。针对渤海Q油田的气顶底水稠油油藏,应用ECLIPSE软件的多段井模型,对AICD水平井控气技术进行了数值模拟计算。计算结果表明,AICD装置有效地将气油比从1 000～2 500 m3/m3控制到500～1 000 m3/m3,累产油提高12%～15%。

海上气顶油藏; 水平井; AICD装置; 控气机理

气顶油藏由于自身的复杂性,使其在开发中遇到的问题较多,其中气锥是面临的主要问题之一[1-3]。随着开发的进行,地层压力降低,使得油气界面下移,最终将会导致油井气锥,由于气相黏度较低,将在锥进处形成快速通道,使得产油量急剧下降,气油比升高,油藏采收率低[4-7]。而且对于海上油田来说,这部分气顶气的产量不稳定,逐年衰竭较快,无法作为平台燃气透平电站的燃料使用,若进行外输,单独铺设天然气管线的费用较高、不经济,常常通过火炬燃烧或冷放空,造成能源浪费、环境污染。因此,海上气顶油田开发需要采用控气稳油的开发方式,尽量减少和限制气顶气的产出,实现节能减排、降低能源浪费。

为了满足海上气顶油藏的开发需求,提出了水平井结合流入控制装置的控气技术。针对水平井因“趾跟效应”、储层非均质性和流体流变性差异产生的气锥现象,在完井段上安装流入控制装置,通过产生附加压降来保证流入剖面沿整个水平段的均匀性,从而实现了延缓气体锥进、延长油井生产周期和提高油藏采收率的目的。

1 控气稳油技术机理

在均质气顶油藏中,气顶锥进主要受沿水平井筒方向压力降的影响,容易在水平段跟部发生气锥现象。在非均质气顶油藏中,气顶锥进主要受沿水平井筒方向地层非均质性和压力降的双重影响,从而造成气体从水平井的部分井段突破。通过安装流入控制装置在跟部或者高渗透区域形成一个附加压力降来平衡油藏与井筒之间的压力不均匀性,使得近井筒油藏压力近似呈直线变化,从而实现水平井各井段均匀的流入剖面,减缓气顶锥进的速度。目前国内外已研制出各种不同的流入控制装置,主要分为被动流入控制装置(ICD)和自动流入控制装置(AICD)两大类。

ICD在下井投入生产之后,不能再进行调节,且ICD只能延缓气顶的锥进速度,推迟见气时间,当气一旦突破后,ICD不能减小或阻止突破的影响[8]。AICD装置在兼顾ICD装置原有功能的基础上,同时具备油井见气后对气相流入井筒的限制功能,从而达到控气稳油的目的。

AICD控气装置主要包括浮片型和浮动圆盘型(见图1)[9-11]。平衡片型AICD利用浮力原理,即油气的密度差来控制平衡片的开启或关闭。由于气体的密度小于油的密度,当气体流经井内某一区域时,该区域内流体密度减少,导致浮片无法继续完全开启,造成流动面积减少、流动阻力增加;当井筒内全部充满气体时浮片关闭;当油流过时,浮片在浮力作用下又会打开。浮片型AICD仅处在室内研究阶段,还未在现场进行应用。

图1 不同类型AICD装置示意图Fig.1 Schematic diagram of different types of AICD devices

浮动圆盘型AICD装置,又被称为RCP(Rate Controlled Production)阀,其主要依据伯努利方程中流体动态压力与局部压力损失之和恒定的理论,流经装置的不同流体黏度的变化影响装置内圆盘的开度。当相对黏度较高的油流经装置时,圆盘开度较大;当相对黏度较低的气或水流经装置时,圆盘因黏度变化引起的压降自动减小开度。油、气、水三相分别流过RCP阀的典型流速剖面如图2所示。从图2中可以看出,在同一压力下,油相的流速明显高于水相和气相,说明RCP阀对低黏的水相和气相起到了很好的限制作用。

图2 油气水三相流过AICD的流速剖面图(μo=460 mPa·s)Fig.2 Oil-gas-water three-phase flow through the AICD flow profile(μo=460 mPa·s)

式中,ρmix为混合相密度,kg/m3;μmix为混合相黏度, m Pa·s;ρo、ρw、ρg分别为油、水、气的密度,kg/m3;μo、μw、μg分别为油、水、气的黏度,mPa·s;ao、aw、ag分别为油、水、气的体积分数;ρcal为校准密度,kg/

基于大量的室内实验数据回归出RCP阀的压力降方程(式(1)),不同流体通过RCP阀的压力降主要与流体性质(密度和黏度)和流速有关。m3;μcal为校准黏度,mPa·s;y为黏度指数,无量纲;q为混合相体积流速,m3/d;x为流量指数,无量纲;aAICD为AICD强度,针对不同油田设计特定类型的RCP阀,AICD强度取值与RCP类型和流体性质有关,0.1 MPa/[(kg·m-3)(m3·d-1)x]。

2 AICD水平井控气技术矿场应用效果

AICD水平井控气技术主要在挪威Troll油田进行了现场试验和应用[12]。Troll油气田位于挪威西海岸60 km的Horda地区,目前是北海最大的油气田,油藏厚度薄且带有厚气顶。其中西部油区(TWOP)油层厚度为22～26 m,西部气区(TWGP)油层厚度为11～13 m。油田开发面临最大的挑战就是避免气顶气锥进,因此为了获得较好的采油效果,该油田主要应用水平井进行开发。

由于受到平台天然气处理能力和运输困难的限制,要求在提高原油产量的同时控制天然气的产出,因此从2008年11月开始,该油田先后在3口(Q-21、P-13和P-21)水平分支井中安装了RCP阀, RCP阀以嵌入式的方式和筛管合为一体构成智能控气短节并与其他管柱链接,从现场的应用效果来看,3口井都获得成功,RCP阀有效地抑制了气体产出,保证了原油稳定生产。

图3为P-13水平分支井的井眼轨迹图,该井有BY1H和BY2H 2个分支,2分支相距191 m,其中仅BY2 H分支安装了RCP阀。

图3 Troll油田P-13水平分支井的井眼轨迹图Fig.3 Well trajectory of P-13 horizontal eell in Troll field

由于安装了RCP阀的原因,导致BY1H和BY2H两个分支的生产动态发生了明显的区别(见图4和图5)。

图4 Troll油田P-13井的生产气油比Fig.4 Production gas oil ratio of well P-13 in Troll field

图5 Troll油田P-13井生产气油比与累产油的关系Fig.5 The relationship between gas oil ratio and cumulative oil production of Well P-13 in Troll field

从图4和图5中可以看出,BY1H分支发生了明显的气锥现象,气体突破后,井筒的气油比快速上升,最高达到1 500 m3/m3左右,而BY2 H由于安装了RCP阀,生产气油比也有所抬升,但相对较为稳定,2012年4月的生产气油比仅为BY1 H分支的1/3,同时,由于限制了天然气的产出,累产油也得到了很大的提升,BY2H累产油相比BY1H分支提升了20%,达到了稳油控气的目的。

3 AICD技术在渤海气顶油田的应用探索

渤海Q油田的H砂体为气顶底水稠油油藏(见图6),油藏中部埋深1 082 m,地层原油黏度342 mPa·s,油层平均有效厚度为7.0 m,油柱高度为9 m,气柱高度15 m,气顶厚度在1.2～1.8 m,气顶储量大,底水能量弱,仅为0.5倍水体。目前该油田处于整体开发方案编制阶段,应用2注5采的水平井井网模式。由于砂体油层厚度薄,气顶能量足,气锥是开发方案编制过程中油井面临的主要问题之一。砂体5口生产井中预计2口井会发生气锥现象,在投产6个月左右,气顶将会在A3 H井发生突破,生产气油比最高达到2 500 m3/m3,气顶突破后,导致产油量也急剧下降,油井累产油量低。

图6 渤海Q油田H砂体油藏剖面图Fig.6 Reservoir profile of H sand body in Bohai Q field

为了研究AICD技术控气稳油的作用,应用ECLIPSE数值模拟软件建立多段井模型,对安装和不安装AICD装置的情况进行模拟。对于方案中预计会发生气锥的2口水平生产井,按照1节/20 m的频率安装AICD。模拟计算结果如图7和图8所示。

从图7、8中可以看出,应用AICD装置后,有效控制了气体锥进速度和气体产出量,生产气油比控制在500～1 000 m3/m3,单井累计产油量预期提高12%～15%,有效改善了水平井开发效果。

图7 安装和不安装AICD条件下的生产气油比对比Fig.7 The comparison of production gas oil ratio with and without ACID

图8 安装和不安装AICD条件下的累产油对比Fig.8 The comparison of cumulative oil production with and without ACID

4 结论

(1)气顶油藏在开发过程中容易发生气锥现象,气锥后,气油比大幅上升,产油量急剧下降,控气稳油技术已成为海上气顶油田开发中的重要技术难题。

(2)AICD装置在实现ICD减缓气顶锥进功能的基础上,同时具备油井见气后对气相流入井筒的限制功能,从而达到控气稳油、提高最终采收率的目的,为海上气顶油藏开发探索出了一条新的思路。

(3)AICD装置种类很多,其中应用较为成熟的是浮动圆盘型AICD装置,其控气机理主要是依据伯努利方程来实现对高黏油相的放行而对低黏气相的限制作用。

(4)在对储层流体高压物性和沿水平井段的储层渗透率分布进行准确分析的基础上,对AICD装置进行选型设计,并通过数值模拟优化AICD的安装位置和数量,然后现场安装施工,确保每个环节的准确无误才能保证AICD技术在现场成功应用。

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(编辑 王亚新)

Study on Horizontal Well Gas Control Technology Applied to Offshore Gas Cap Reservoir

Liang Dan,Kang Xiaodong,Yang Junru,Wang Xudong
(State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Research Center of CNOOC,Beijing100028,China)

Because gas production in gas cap reservoirs is not stable,it can't be used as the fuel of platform gas turbine power station,so the storage and transportation cost of offshore oil field is high.Therefore,in the process of developing offshore gas cap reservoirs,the development mode of gas control should be used to reduce energy waste.The AICD inflow control device, based on the Bernoulli principle,can delay the gas break through,and after the well gas break through,it can restrict gas flow into the wellbore.AICD technology in Norway Troll oil field is applied successfully.At the same time,the production gas oil ratio of the AICD wells is one-third that of the unused AICD wells,and cumulative oil production is increased by 20%.Aiming at the gas cap and bottom water heavy oil reservoirs in Bohai Q oilfield,the multi-well model of ECLIPSE is used to simulate the AICD technology of horizontal wells.The calculation results show that the ACID device effectively reduces the gas oil ratio from 1 000～2 500 m3/m3to 500～1 000 m3/m3,and the accumulated oil increases by 12%to 15%.Horizontal well combined with AICD gas control technology can provide a new way for the development of offshore gas cap reservoir,and it has broad application prospects.

Offshore gas cap reservoir;Horizontal well;AICD device;Gas control mechanism;Application exploration

TE53

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.011

1006-396X(2017)01-0049-05投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-19

:2016-11-28

中海油资助项目“秦皇岛33-1南油田I期开发可研、ODP研究”(2016FS-12)。

梁丹(1982-),女,硕士,高级工程师,从事油气田开发方面的研究;E-mail:liangdan@cnooc.com.cn。