海上油田水平井控水新工艺的研究与应用

2022-08-27张斌斌雷鸿李良庆胡泽根袁征黄杰

石油工业技术监督 2022年8期

张斌斌，雷鸿，李良庆，胡泽根，袁征，黄杰

1.中海油田服务股份有限公司（天津 300450）

2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司（广东深圳 518000）

0 引言

目前，海上油气田大量采用了水平井完井开采的模式［1］，利用水平井技术开发底水油藏相对直井具有很大的优势，可以显著增加井筒与储层的接触面，能够在较低的生产压差下获得与常规直井或斜井相当的产量［2］。因此，对于各种油藏条件，水平井完井大都是优先考虑的开采方式。但随着油田进入开发后期，也浮现出很多问题，主要表现在完井阶段，水平井完井方式选择不合理，导致一投产含水就迅速上升、水平井低含水期较短［3］；为实现增油，盲目提液导致油井出砂趟井，甚至报废；注入水无效循环，给油田水处理带来很大的压力；采出程度低等问题［4-6］。

针对上述油井高含水并伴随出砂的问题，进行了控水新工艺的自主研究，形成了“环空阻流控水技术”新工艺。

1 技术原理

环空阻流控水技术主要是针对水平井在完井或修井阶段，通过在水平段下入控水筛管，并在筛管和井壁之间充填满阻水颗粒，相邻筛管之间盲管段可视为有一定渗漏的环空封隔器，全井筒实现趋于无极限分段控水。其控水原理主要表现在：

1）阻水颗粒的真实密度为1 050 kg/m3，密度和海水、完井液接近，易携带；表面憎水亲油，具备“过水阻力大、过油阻力小”的特性。

2）通过在筛管外环空充填密实的阻水颗粒层，沿水平段轴向上可抑制水发生横向窜流，避免大段水淹。如图1所示，径向砾石层厚度一般在0.02 m，而筛管之间盲段长度一般可设计3～5 m，轴向流动压降（ΔP2）约为径向流动压降(ΔP1)的150～250倍，环空轴向窜流量（Q2）仅为地层进入井筒的径向流量(Q1)的1/250～1/150。

图1 环空阻流控水原理示意图

3）径向上通过在高含水段设置较小孔径的喷嘴式控水阀（集成在控水筛管内），抑制水进入筛管内，减少高出水段产水量，从而达到降低水平段整体含水率的目的。如图2 所示，流体从井筒进入筛管需经过过滤网，沿着基管内壁流动至控水阀，再通过控水阀这个唯一通道进入筛管内，被生产出来。根据嘴流压降原理［7］:

式中：Q为经过孔眼的混合流体流量，m3/s；ρ为混合流体密度，kg/m3；Dv为ICD 孔眼尺寸，m；C为流动系数，无因次。

在流动系数C和流体密度ρ为定值d的条件下，相同压差下，控水阀孔径Dv缩小50%，流量Q减少75%。通过调整控水阀孔径可以有效控制高含水段产液量。

2 实验研究

环空阻流控水技术的核心是阻水颗粒和控水阀，阻水颗粒的性能和充填率决定了防止流体轴向窜流的效果，控水阀的设置决定了径向限流的强度。

2.1 阻水颗粒阻水透油性能评价

为了评价阻水颗粒阻水透油的性能，实验采用螺杆泵驱替实验流体流经“挡砂介质过流性能评价装置”，监测实验过程中的流量、压力变化情况。

实验采用的径向流驱替装置主要由液罐、螺杆泵、透明填砂管（不同位置安装有压力传感机构，单节长0.15 m）、回流举升水泵（将流体循环至液罐）、数据采集系统、连接管路等部分组成（图3）。

图3 油、水过流性能评价装置

具体做法是在填砂管中填满评价用阻水颗粒，分别用清水（黏度0.001 Pa·s）和柴油（黏度0.002 Pa·s）作为过流介质，测试沿长度15 cm的填砂管轴向渗流阻力，记录指定长度测压点压力变化情况，来反映阻水颗粒在长井段水平方向的阻水性能。

以20/40 目阻水颗粒为例，测试同一目数的阻水颗粒分别对水和油的阻力。实验数据见表1。随着流量增加，过流压差增加。

表1 油水通过性实验数据

从图4中可看出，20/40目阻水颗粒过水压降是过油压降的1.4～2.3 倍。在排量1.411×10-4m3/s（即12 m3/d）条件下，20/40 目阻水颗粒过水压降约为过油压降的2倍；实验采用填砂管长度为0.15 m，而实际现场筛管上下盲段总和可达到3.0～4.5 m，该流量下水通过轴向砾石层产生的压降将会提高20～30倍，过水压降和过油压降差值将提高20～30倍。

图4 油、水过流性能曲线

通过上述实验，表明阻水颗粒具备较好的透油阻水性能，有利于发挥环空阻流控水技术的轴向抑制窜流的作用。

2.2 环空阻流控水充填效果

为了研究采用环空阻流控水技术模拟现场施工条件下的充填效果，验证控水筛管的盲管段能否得到有效充填，将控水阀安装到70.44 mm（2■8"）ICD控水筛管上，将控水筛管连接下入171.5 mm（7"）水平套管试验井筒，按照图5所示流程，利用清水作为携砂液将阻水颗粒充填到筛管、井筒环空。

图5 砾石充填实验流程图

171.5 mm（7"）水平套管实验井筒主要由3层管一体化工装、171.5 mm（7"）套管、观察短节、171.5 mm（7"）套管、观察短节、171.5 mm（7"）套管、堵头等组成，可以实现模拟环空泵入和油管返出流体的功能。

由于该颗粒密度低、易携带，因此施工排量要求较低。参考现场施工习惯，实验步骤如下：

1）沉砂池加水，连接管线，试压15 MPa。

2）关闭旁通针阀，循环排出套管内空气，校核流量计读数是否准确。

3）调节旁通针阀，以0.031 8 m3/min（0.2 bbl/min）为阶梯，从0 到0.318 m3/min（2.0 bbl/min）提高排量，进行循环测试，记录数据。停泵，根据测试结果调整施工排量。

4）搅拌罐加满液，控制砂比4%，搅拌均匀，以调整后排量进行砾石充填，观察充填效果。

5）施工后期逐步降排量，达到脱砂压力后停泵。

实验最终达到了脱砂压力约12.4 MPa，压力曲线如图6所示，理论充填砂量即设计砂量V1：V1=Vs+Vm，即筛管外环空体积与盲管外环空体积之和，为0.433 m3。根据加砂前后差值计算得到实际充填砂量V2=0.470 m3。可得到充填效率K：K=V2/V1,为108.5%，超过100%，说明有0.037 m3颗粒进入根部的盲套环空。结合盲套环空的单位长度环空体积：0.015 m3/m,可证明实际盲管埋高超过2 m，大于砾石充填的盲管埋高标准（1.83m），说明环空阻流控水试验的充填质量良好。

图6 充填实验曲线

如图7所示，充填实验完成后，玻璃观察窗和密实度观测孔填充密实程度很高，且砂量满足预期要求。

图7 充填密实情况

通过研究环空阻流控水充填规律，表明控水筛管的盲管段能够达到很好的充填效果，现场作业能够实现井筒环空100%的充填率，环空阻流控水在现场施工具备可行性。

3 环空阻流控水施工及工艺措施

海上油田中一些泥质含量较高的水平井在实施控水防砂措施后，存在油井提液量困难、最大液量太低，达不到理想的产油量［8］，筛管或近井筒被堵塞的现象，导致产液量逐渐下降［9］。为了避免此类情况，环空阻流控水技术采取的工艺措施包括：

1）考虑原井泥质含量或泥岩段占比，如果泥质含量过高，控水后可能存在泥质堵塞风险。兼顾防砂和控水效果，将阻水颗粒由较细粒度的40/60 目变为中等粒度的20/40目。

2）考虑保证控水效果和后期提液的双重需求，改变不同产液段的控水阀布置数量，在较好的油层可将控水阀适当加密；如油水分布不确定，可统一加密控水阀布置。

3）通过在不同水平段适当放大或缩小控水阀的孔径，来有效改善地层流入剖面，延缓见水时间，降低含水上升速度［10］。

4）现场进行充填作业时，在不压破地层的前提下，控制较高的施工压力，可填补地层亏空或裂缝，增强对近井筒和环空内流体流动的控制能力。

5）老水平井修井时，采用环空阻流控水技术还应注意压井液、暂堵剂与地层的配伍性，尽量减少地层漏失量，避免污染储层。

4 现场应用效果分析

Q 油田储层主要以高孔高渗疏松砂岩为主，前期开发中大批量采取水平井独立筛管完井，在油藏边底水的驱动下，油田含水上升较快，目前油田整体含水90%以上，大部分水平井生产过程伴随有出砂现象，治理起来非常困难，油田对有效防砂控水技术需求迫切。

Q1H 井是该油田的典型高含水出砂井，1 口208.25 mm（8⅟2"）裸眼水平井，于2014 年8 月15 日投产，原井下入134.75 mm（5⅟2"）优质筛管砾石充填防砂。2018 年化验出砂，最大出砂量0.1%，油井产液持续下降，停井前日产液360 m3/d，产油10.3 m3/d，含水97.12%，生产压差1.23 MPa。

油藏分析原井出水点不明确，大修再完井采用了环空阻流控水工艺，在原筛管内下入70.44 mm（2■8"）控水管柱进行环空阻流控水。修井完成后生产稳定，如图8所示，日产液330 m3/d，产油40.5 m3/d，含水87.72%，生产压差4.45 MPa。采取措施后存在流压略微降低的现象，通过提高周边对应注水井的配注量，有效改善了该情况。