水平井分段完井工具的室内试验及现场应用分析

靳荣博

中海油田服务股份有限公司 天津 300452

水平井在开发新油田和提高老油区效率方面发挥着越来越重要的作用。由于筛分完井具有采油面积大、施工工艺简单可靠的优点，60%以上的水平井采用筛分完井。然而，随着水平井开发中薄油气藏和周边地下水资源所占份额的增加，部分油井发生水淹，严重影响了开采效果。而分段或互补技术则能够达到不同层间的分离程度, 延长井的产出期,不需要水或低脱水处理,为后期的排水管理与排涝措施提供了有利条件。这是水平井完井科技的主要发展方向之一，也是开发水平井完井工具并进行实验室和现场试验的主要原因[1]。

1 水平井分段开发技术现状

近年来，水平井、分期完井和采油技术在我国得到了大力推广和应用。经过十多年的研究和测试，已经发生了两大变化：一是完井技术的变化，从水泥射孔完井到裸眼和管理完井，再到衬管完井和其他配套技术，适用于不同类型、不同油藏，具有水平完整性高、完井成本低、防止油层二次污染、提高水平井产能和采收率等优点：二是采油工艺的转换，从全井射孔投产发展成满足要求的分段生产技术，包括分段采油、分段堵水和提高采油能力的技术。我国在以上两个方面均取得了突破：膨胀包装油水的分段膨胀技术和水平井储罐低渗透分段压裂完井技术。还开发了八项新技术，包括长橡胶分段精制技术、单管外包装、分段涂饰技术、水泥填充长橡胶桶包装技术、生油包装分段技术、水平井分段密度（分段）分级技术、水平井分段采油技术、水平井完成智能水平井技术、借助智能水平井技术，稳定水平热井蒸汽注入并优化蒸汽注入参数[2]。

关键技术的研究和突破，配套仪器的改进，大规模技术的广泛推广应用，使水平井完井采油技术的应用取得了新的进展。新技术的应用将有效减缓低边水的积聚，延长油井的低水开采周期，提高采收率。

2 水平井分段完井工具

2.1 工具设计

水平井的部分修井可以通过改进现有延伸工具和设置工具的外部封隔器来实现。笔者设计的辅助工具主要包括外串和内串。外管帘线是填充管的帘线，该填充管与壳体一起进入井内，并通过外壳橡胶筒的延伸与井壁紧密接触，以允许水平面冷凝；内管串主要用于定位和设置外管包装。可根据实际需要清洗管面，与管道连通[3]。

2.2 室内试验

对新开发的139.7mm 气动外管包装进行了多次实验室测试，以检测并提高其特性，使之最终更符合现场施工条件。封隔器的测试步骤包括：

（1）将包装安装在试验台上，连接液压管，开始印刷；

（2）当压力升高11MPa 时，销钉剪断，封隔器的橡胶缸被液压缸压缩，外径开始增大，压力保持在4M～5MPa（约15min）。当液压缸向前移动时，橡胶缸被压下，外径逐渐增大[4]。

（3）一旦胶筒的外径达到最大值，液压缸将不再移动，压力持续升高。此时，锁定装置锁定，使液压缸不会后退；橡胶筒的外径最大，保持不变；膨胀试验结束。

（4）将139.7mm 外封隔器（工作直径244.5mm）放置在外壳（模拟钻筒）中，施加压力，测试其承压能力。试验结果如表1 和表2 所示。

表1 封隔器胶筒膨胀前后的外径mm

表2 管外封隔器承压能力试验

由表1 和表2 可见，压缩式管外径保持在约290mm的精度，可以完全压实井壁，并防止橡胶桶和井壁之间出现小开口。放大后，胶筒压力为20MPa，没有液体泄漏，证明加压外管封隔器能够满足现场应用的要求。

与常规封隔器相比，压缩式管外封隔器结构简单可靠，与多级封隔器配合使用时密封效果好，硬度高，固体橡胶筒内承压能力强。

3 分段完井工艺

3.1 工艺介绍

分阶段完工过程主要包括两个阶段：分阶段工具和在线工具的延伸和密封。分段完井工具应安全平稳地放置在地下，以确保区块的完整性，并为封隔器的膨胀和设置提供基础。内部管道工具补充延伸部分并设置封隔器，以实现分段完井的目标。具体流程如下：

（1）电子测量数据表明，非均质层位置良好，设计了最低外管柱组合；

（2）将管线降至设计井深度后，按压并放置管道的外包装；

（3）保压，打开压差均压环，循环环内泥浆和砂，然后注入水泥；

（4）更换水泥后，继续压缩，关闭分级环，等待凝固；

（5）准备擦拭工具，用于去除胶带中的残留痕迹；

（6）准备一组工具，将管放置在放置内管压缩机的位置；

（7）安装后，将冷凝密封添加到清洗阀中，以将其冲洗回泥饼中；

（8）卸料后，将管封隔器置于正压状态，打开限压器，将内管封隔器从底部向上放置；

（9）继续压缩并保持球座，拉出内管工具并执行分段补充。

图1 为水平井端流程图。

图1 水平井分段完井工艺示意图

3.2 技术优势

（1）采用压后外径大的固体压缩式外管压缩机，将固体橡胶组件嵌入压力能力高的地层中，保证分段质量；

（2）分段衬套内径比壳体内径小10mm，通过盲板的位置不易划伤，可双向重复排列，具有稳定的保压效果；

（3）内部绳索还可以通过单个钻孔来补充外包装和酸化的设置，从而缩短使用寿命并降低运营成本。

4 现场应用

4.1 长胶筒管外封隔器分段完井技术

长胶筒管外包装分段补充技术（图2 和图3）是一种广泛使用的外水平井分段补充方法，该技术的目的是在完井阶段驱动外部封隔器，然后驱动内管工具扩展封隔器，以实现预期的分段生产。该方法适用于有泥岩夹层的井，不适用于油罐内的热采。自胜利油田开始分段以来一直使用，直到2007 年长筒外包装试验结束，已成功推广应用近百口，油井的低含水开采期可延长5～10 个月,取得了较好的应用效果[5]。

图2 长胶筒管筛管式外封隔器分段完井

图3 长胶筒管滑套式外封隔器分段完井

4.2 水泥充填长胶筒封隔器分段完井技术

为延长封隔器的使用寿命，克服封隔器的失效问题，国内进行了水泥充填长管封隔器的分段水平井完井阶段关键技术研究。该技术设计用于在完井阶段将封隔器降到长橡胶带（筒体2～3m）外。激活时，使用水泥膨胀环延长和关闭封隔器；封隔器的井部分固化后，封隔器充满水泥以形成水泥盖，实现预期的分段生产（图4）。应用水泥包装技术从根本上解决了封隔器失效的问题，确保了封隔器的长期关闭。该技术在20 世纪80 年代末开始被国外使用，并在20 世纪90 年代被广泛应用于特定工艺井（如水平井）和特殊水池（如破碎的石灰石罐）。中国也开展了水泥污泥填充的研究。然而，由于设备和技术的限制，该技术主要用于套管表面处理。近年来，胜利采油研究院开展了分段定型技术研究，水泥填充长橡胶简易包装和展示完井。实施该技术的难点在于确保管道外的封隔器充满致密水泥，并有效分段，不会导致高密度水泥泄漏污染容器和显示器。根据不同的注水管道，目前已完成了双管延伸工艺和单管延伸工艺，并在冀东油田两口井中应用。

图4 水泥充填长胶筒封隔器分段完井示意图

4.3 遇油遇水膨胀封隔器分段完井技术

吸水膨胀封隔器保温技术是利用橡胶的油（水）膨胀性能自动膨胀并密封地下，以实现分段生产的目标。目前，许多外国公司都有比较成熟的排水包。哈里伯顿、Tam、Waffix 和其他公司致力于研究油/ 水膨胀封隔器，总共使用了近100 个水/ 油膨胀封隔器，最高压力为60MPa，耐温性为175℃。组合式油水膨胀封隔器是一部分油和一部分橡胶筒膨胀的组合。哈里伯顿混合油/ 水延伸（Genesis）是水膨胀和油膨胀材料的融合，而不是一部分水膨胀和一部分油膨胀，具有膨胀速度快、耐高压的特点。国内的胜利、华北和中国石油勘探院也在该领域开展了相关研究和应用。

4.4 水平井分段变密度射孔技术

水平井钻井作业在长井段射孔完井过程中，存在不能充分提高中部和后部油层产能、局部注水后注水困难等问题。为此，开发了水平井分段变密度射孔技术。根据容器的特点、井道、质量保证和其他信息，优化了水平井数量、周期长度、产能和射孔参数，提高了各射孔段的开发效果，促进不同程序措施的实施，提高了恢复率。

该技术已应用于胜利、塔河、大港等油田复杂断块油藏中，效果明显。其中大港油田将该技术应用于20 多口井，不同程度地缓解了见水时间，取得了显著效果。

5 结论

（1）水平井相位调整工具主要由内外壳螺纹组成。外部标志线可进行中间层绝缘，内部外壳串可设置坐封管外封隔器。

（2）设计采用固定加压外管包装，扩径后外径宽，密封效果好，承压能力强，完全满足分段结构的要求。

（3）分期完井技术的应用，成功解决了水平井地下水积聚等诸多问题，大幅度提高了开发效率。