水平井砾石充填调流控水筛管完井技术
赵旭1,2, 龙武3, 姚志良1,2, 庞伟1,2     
1. 中国石化石油工程技术研究院, 北京 100101;
2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 北京 100101;
3. 中国石化西北油田分公司工程技术研究院, 新疆乌鲁木齐 830011
摘要: 针对常规水平井调流控水筛管完井存在封隔器封隔长度短、封隔段数有限和深井封隔器下入困难等技术难点,开展了水平井砾石充填调流控水筛管完井技术研究。在分析水平井砾石充填调流控水筛管完井技术原理及技术难点的基础上,分析对比不同类型调流控水筛管的优缺点,选用节流嘴式调流控水筛管或流道式调流控水筛管;根据水平井砾石充填调流控水完井的要求,优选聚合物低密度砾石作为充填砾石,并通过试验评价了砾石充填层的封隔效果,结果表明,砾石充填层可以阻止进入井筒内流体的横向流动,起到封隔器的作用;给出了砾石充填工艺,形成了水平井砾石充填调流控水完井技术。该技术在塔河油田A水平井进行了现场试验,与试验前相比,该井产油量提高了411.8%,含水率降低了13.5百分点。研究结果表明,水平井砾石充填调流控水筛管完井技术可以提高调流控水筛管的调控精度,起到稳油控水作用,具有一定的推广应用价值。
关键词: 水平井     筛管完井     砾石充填     调流控水     塔河油田    
Completion Techniques Involving Gravel-Packing Inflow-Control Screens in Horizontal Wells
ZHAO Xu1,2, LONG Wu3, YAO Zhiliang1,2, PANG Wei1,2     
1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 100101, China;
2. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Beijing, 100101, China;
3. Engineering and Technology Research Institute, Sinopec Northwest Oilfield Company, Urumqi, Xinjiang, 830011, China
Abstract: Conventional completion techniques involving inflow-control screen in horizontal wells are characterized by short packing intervals, limited packing intervals, difficulties in the installation of packers in deep wells and other technical challenges.Under such circumstances, research has been conducted to develop completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells.Based on studies related to technical principles and technical challenges in completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells, the advantages and drawbacks of screens of various types were reviewed.Subsequently, screens with choke nozzles or those with flowing channels were deployed.In consideration of requirements for completion involving grave-packing inflow-control screens in horizontal wells, polymer gravels with lower densities were used as packing gravels.Tests were conducted to assess the packing performances of gravels.Relevant results showed the gravel-packing layers could effectively eliminate horizontal flow of fluids in the borehole.Consequently, the layers might serve as packers.By highlighting gravel-packing techniques, completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells were developed.Field applications were performed in the horizontal Well A in the Tahe Oilfield.Compared with those before application, the the well productivity was enhanced by 411.8%, where as the water-cut was reduced by 13.5percent.Research results showed the completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells could effectively enhance the accuracy of the screen to stabilize oil production and to minimize the water cut. Such innovative technologies may be deployed more extensively to enhance production performances.
Key words: horizontal well     screen pipe completion     gravel packing     water flow control     Tahe Oilfield    

水平井调流控水筛管完井技术是20世纪90年代发展起来的,在国内外进行了大量的应用,并取得了很好的应用效果[1-7]。常规水平井调流控水筛管完井需要使用封隔器将水平段分段,以实现降低高渗段产液量、提高低渗段产液量和均衡水平井入流剖面的目的[8]。但采用封隔器对水平段进行分段时,存在分段数量有限、有效封隔部位较短、深井难以下入足够多的封隔器等问题,限制了水平井调流控水的调控精度。另外,深层水平井在进行二次控水完井时,如采用封隔器与调流控水筛管配合的完井工艺,由于前期完井的影响,很难满足控水要求。为此,笔者进行了水平井砾石充填调流控水筛管完井技术研究,优选了调流控水筛管和充填砾石,评价了砾石充填层的封隔性能,并在塔河油田A水平井进行了现场试验,结果表明,砾石充填层能起到封隔器的作用,可以代替常规封隔器对水平段进行分段,水平井利用砾石充填调流控水筛管完井技术进行完井,可以实现控水稳油的目的。

1 砾石充填调流控水筛管完井原理及技术难点 1.1 技术原理

水平井砾石充填调流控水筛管完井技术是以自适应调流控水筛管为核心,调流控水筛管与井壁间的环空充填砾石颗粒,用砾石充填层代替封隔器对水平段进行封隔分段。水平井砾石充填调流控水完井是在水平段内布设调流控水筛管,筛管的上端连接充填转换器及充填封隔器;进行砾石充填调流控水完井时,携砂液携带充填砾石由井口注入,经过上部的输入管柱进入完井段,充填转换器将携砂液引入水平段调流控水筛管与井壁间的环空,携砂液经过筛管过滤将携带的砾石堆积在环空中,液体进入筛管内筒,再次经过充填转换器进入套管环空后返至地面(见图 1),水平段环空充满砾石后结束。生产过程中,地层流体沿径向流入调流控水筛管的距离短、接触面积大、流动阻力小;由于水平井调流控水筛管控流单元间的距离相对较长、环空横截面积小,流体沿轴向流动阻力大,控流单元间的流动受到抑制。调流控水筛管可直接对所处位置的地层起到阻水稳油的作用,实现水平段入流剖面的动态调节,调流控水精度得到大幅度提高。

图 1 水平井砾石充填调流控水筛管完井管柱示意 Fig.1 Pipe-string for completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal wells

水平井砾石充填调流控水筛管完井技术主要有以下特点:1) 由于是用砾石充填层代替封隔器对水平段进行封隔分段,因此可以实现对水平段无限级封隔;2) 整个水平段布设了调流控水筛管,无需找水,水平段任意位置出水都可以自动控水,对新增出水点不需进行重复堵水;3) 调流控水管柱无活动部件,属于机械控水,可靠性高。

1.2 技术难点

1) 调流控水筛管、上部充填封隔器和充填转换器要同时入井并坐封,这对通井、刮管及完井管柱选择提出了较高的要求。

2) 调流控水筛管的节流特性决定了无法采用高压大排量携带砾石进行充填,因而需在小排量下保证水平段环空砾石的充填效果,这对砾石优选、充填方法选择及充填完井相关参数的优选提出了较高要求。

3) 进行砾石充填时,调流控水筛管完井管柱有被砂埋堵塞的风险。另外,上部输入管柱与充填封隔器的连接部位发生泄露的风险较高,这对输入管柱的选择、充填工艺、水平段完井管柱的外径形状提出了特别的要求。

4) 调流控水筛管是水平井砾石充填调流控水筛管完井技术控水稳油的核心,要求其既能满足前期充填砾石的需要,又能满足后期控液的需要,对筛管参数的选择提出了较高要求。

2 关键技术研究 2.1 调流控水筛管的优选

传统调流控水筛管按照控水节流方式可分为螺旋通道式、节流嘴式和混合通道式等3种类型[9-10]。螺旋通道式调流控水筛管内设有螺旋通道或弯曲通道,流体流过螺旋通道或弯曲通道时,通过摩擦作用产生流动阻力,进而产生附加压降。其优点是过流面积大、通道内流速低;缺点是由于油水黏度差异较大,在底水突破后,易形成水流优势通道。节流嘴式调流控水筛管采用若干结构尺寸预先设置好的喷嘴,通过节流作用产生附加压降。其优点是设计简单,入井之前可以根据井下情况通过调整喷嘴数量控制压降;缺点是易受高速流体携带颗粒冲蚀且易发生堵塞。混合通道式调流控水筛管采用分散式逐步节流的原理,布置了一系列带有流动槽的隔板,流体流过由隔板形成的各个连续腔室时产生压降。其优点是流体通过流动槽时,流动面积相对较大,降低了冲蚀和堵塞的可能性;缺点是结构复杂。以上3种调流控水筛管均属于被动控水装置,其尺寸在完井之前或在完井时设置好,一旦投入生产后,不能再进行调节。

近年来,人们研制了具有主动调流控水功能的调流控水筛管,能够根据产液情况自动调整附加阻力,实现自适应调流控水。主动调流控水筛管有浮动盘式和流道式2类。浮动盘式调流控水筛管采用预先设置的活动控制机构,通过活动盘的上浮和下沉实现对流体入流通道的开启和关闭,进而达到自动控制油水入流的目的。其优点是控水针对性强,缺点是核心控制部件浮动盘的可靠性低。流道式调流控水筛管利用油水旋流运动势能差异原理[11],通过预设圆弧和分支流道对流入流体进行动态控制,具有流动面积相对较大,结构简单,可靠性高的优点。

水平井砾石充填调流控水筛管完井要求调流控水筛管的可靠性要高,由于要在筛管外充填砾石,要求调流控水筛管具有自适应能力。综合考虑水平井砾石充填调流控水筛管完井的要求及各种类型调流控水筛管的特点,可选用节流嘴式调流控水筛管或流道式调流控水筛管。

2.2 完井参数的优化

调流控水筛管完井参数优化设计应根据井的井眼轨迹、井径、地层渗透率和含油饱和度等参数,利用专业的设计软件,对水平井段合理划分流动单元,优化设计每段筛管的节流性能,使各水平井段具有基本相同的生产能力,达到均衡产液的目的,以最大限度地提高油井产量,控制底水脊进。对于由边水和底水局部突进引起的油井见水,调流控水筛管也能自动控制出水量,使油井正常生产[12-13]

设供油区内平均油藏压力为pr,将裸眼水平井段分为n段,第i段的井底流动阻力为:

(1)

则第i段的有效生产压差pi为:

(2)

式中:Δpwfi为第i段的井底流动阻力,MPa;Δpsi为第i段管外砂环中的渗流阻力,与所处地层的流量成正比,无砂环时Δpsi=0,有砂环时利用达西公式计算,MPa;Δpci为第i段调流控水筛管的流动附加阻力,与调流控水筛管的性能及完井参数有关,其计算方法见文献[14],MPa;Δpfi为第1段至第i段筛管内的流动阻力,可根据管流流动阻力公式求出,MPa;pi为第i段的有效生产压差,MPa;pr为地层供油区内平均油藏压力,MPa。

要控制各段的产液量,就应控制各段的有效生产压差pi,也就是控制各段的井底流动阻力Δpwfi。如果不考虑各分段Δpsi的差异,即可根据各段储层的物性、流体特性及筛管的管内流动阻力优化各段调流控水筛管的完井参数,以调节各段的生产压差剖面和产液剖面,实现控水稳油的目的。

2.3 充填砾石的优选

在砾石充填过程中,由于调流控水筛管具有节流特性,需采用小排量稳定携砂充填技术进行充填,因此砾石的密度要低。砾石充填后长期处于高温、高压和高矿化度地层水环境下,这就要求砾石耐高温、耐高压挤压和在高矿化度条件下的稳定性好。通过对10多种应用于钢铁、防砂、化工等多个行业的砾石在高温、高压和高矿化度条件下的稳定性试验,优选出了聚合物低密度砾石作为充填砾石,其性能参数为:密度1.00~1.05 g/cm3,粒径0.2~0.4 mm,耐温大于200 ℃,耐压大于60 MPa,耐矿化度为18×104 mg/L,破碎率不大于0.5%,酸溶解度不大于2.5%。

2.4 砾石充填层封隔性能评价

砾石充填层具有良好的封隔性能是实现水平井砾石充填调流控水筛管完井的关键,为此,进行了以油、水为介质的径向和轴向的阻力测试试验,以评价砾石充填层的封隔性能。砾石填充层封隔性能评价试验装置如图 3所示。试验时将长10 m的φ114.0 mm筛管插入到该装置的φ190.5 mm模拟井筒内,环空填满砾石颗粒。

图 2 砾石充填层封隔性能评价试验装置 Fig.2 Testing devices for packing performances of the gravel-packing layers

分别从径向和轴向试验装置的流体入口泵入流体,对比流体通过砾石颗粒的径向流动能力和轴向流动能力。试验结果为:

1) 黏度60 mPa·s的轻质油分别从φ190.5 mm模拟井筒外的径向和轴向流体入口注入环空,在压差为4 MPa条件下测得轻质油沿径向通过砾石充填层的流量约为19 m3/d,沿轴向通过砾石充填层的流量约为0.06 m3/d,径向流动能力是轴向流动能力的317倍。

2) 黏度为1 mPa·s的地层水分别从φ190.5 mm模拟井筒外的径向和轴向流体入口注入环空,在压差为2 MPa条件下测得地层水沿径向通过砾石充填层的流量约为660.9 m3/d,沿轴向通过砾石充填层的流量约为1.9 m3/d,径向流动能力是轴向流动能力的347倍。

从试验结果可以看出,流体径向通过砾石充填层的流动能力是轴向通过砾石充填层的300余倍。这表明砾石充填层能够在保证流体径向流入井筒内的前提下,阻止流体在环空内的轴向流动,起到了封隔器的作用。

2.5 砾石充填工艺

完井管柱下至设计位置后,投球加压坐封充填封隔器,以密度为1.01~1.05 kg/L的清水为携砂液携带砾石由输入管柱注入,经充填转换器输送至调流控水筛管与井壁间的环形空间,清水将砾石携带到位后,由于调流控水筛管具有过滤作用,砾石滞留在水平段环空内形成封隔层,清水通过筛管进入调流控水完井管柱内部,再次经过充填转换器流至充填封隔器上部的输入管柱与套管内壁之间的套管环空,最后经过套管环空进入井口外的循环罐,完成一次充填循环; 不断重复上述充填循环,直至水平段环空充填满砾石为止[15-17]。泵注程序为水平井砾石充填调流控水筛管完井的核心,分为2个阶段:第一阶段是泵注排量不变,将砾石携带至井底;第二阶段是泵注压力不变,随着由趾端至跟端逐渐填满砾石,泵注排量逐渐降低。

在砾石充填过程中,由于调流控水筛管具有节流功能,也就增加了泵注清水流过每根筛管的阻力,迫使泵注清水将砾石携带至水平段趾端,提高砾石充填效果。另外,超低密度砾石颗粒充填后所形成的连续封隔层是由砾石颗粒紧密堆积而成的,颗粒之间不粘连,是一个个独立的个体,如果后期作业需要取出调流控水筛管,可以通过反循环冲砂的方法将砾石冲出后,即可将控水管串从井筒中取出。

3 现场试验

塔河油田A水平井完钻井深4 970.00 m,地层压力47.29 MPa,油层厚度9.00 m,地层温度107.6 ℃,地层渗透率390.3 mD,孔隙度21.1%,原油密度0.84 kg/L,原油黏度1.995 mPa·s,水平段长约300.00 m。该井前期采用射孔完井,投产6年后,由于发生底水脊进,含水率高达到94.7%,日产油只有1.7 t。为控制底水脊进,调整水平井入流剖面,该井采用水平井砾石充填调流控水筛管完井技术进行二次完井,利用水平井调流控水筛管的阻水稳油特性达到控水稳油、提高油井采收率的目的。根据该井水平段井眼轨迹、井径及储层的渗透率、孔隙度、吸液能力,确定了该井的调流控水完井参数、充填方式及砾石用量。该井调流控水筛管完井管柱自下而上为φ101.6 mm丝堵+φ101.6 mm调流控水筛管×340.30 m+φ148.0 mm充填滑套总程+φ148.0 mm顶部封隔器总成+φ148.0 mm坐封工具。完井管柱下至设计位置后,坐封顶部封隔器,加压丢手后,开始进行小排量砾石充填。该井顺利完成砾石充填调流控水筛管完井施工,然后下入生产管柱进行求产,结果见表 1

表 1 A水平井采用砾石充填调流控水筛管完井技术前后的产能 Table 1 Productivities before and after the application of completion techniques involving gravel-packing inflow-control screens in horizontal Well A
时间
节点
生产压差/
MPa
产油量/
(t·d-1)
产水量/
(t·d-1)
产液量/
(t·d-1)
含水
率,%
调流控水完井前2.01.739.041.094.7
调流控水完井后3.28.737.746.481.2
理论分析结果*3.22.762.472.596.3
 注:*为未采用水平井砾石充填调流控水筛管完井技术,只是提高生产压差的理论计算结果。

表 1可以看出:A水平井采用砾石充填调流控水筛管完井技术后,总产液量变化不大,产油量由1.7 t/d提高到8.7 t/d,提高了411.8%,含水率由94.7%降至81.2%,降低了13.5百分点;与只提高生产压差相比,产油量由2.7 t/d提高到8.7 t/d,提高了222.2%,含水率由96.3%降至81.2%,降低了15.1百分点。由此可以看出,砾石充填调流控水筛管完井技术能够提高水平井产油量、降低含水率,起到稳油控水作用,实现无限级控水增油完井。

4 结论与建议

1) 水平井砾石充填调流控水筛管完井技术可用于新井完井以及老井的二次完井,完井管柱结构简单,可靠性高,在后期可以起出。

2) 采用超低密度砾石充填层对水平井段进行封隔分段可以实现对水平段的无限级封隔,达到无限制控水;采用调流控水筛管对地层出水进行动态控制,可以对出水点进行自动控水,具有更高的控水增油效率。

3) 现场试验表明,砾石充填调流控水筛管完井技术可以提高水平井产油量,降低含水率,实现水平井控水稳油生产的目的。

4) 建议进一步深入开展水平井调流控水筛管完井条件下的砾石充填工艺研究,完善砾石充填的效果,增强砾石充填层的封隔能力,提高水平井砾石充填调流控水筛管完井技术的控水增油效果。

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文章信息

赵旭, 龙武, 姚志良, 庞伟
ZHAO Xu, LONG Wu, YAO Zhiliang, PANG Wei
水平井砾石充填调流控水筛管完井技术
Completion Techniques Involving Gravel-Packing Inflow-Control Screens in Horizontal Wells
石油钻探技术, 2017, 45(4): 65-70.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(4): 65-70.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201704011

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收稿日期: 2016-05-11
改回日期: 2017-04-25

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