井下流量平衡器完井技術(shù)在疏松砂巖底水油藏水平井開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

曾顯磊 羅東紅 陶 彬 高曉飛 陳維華

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司； 2.中海石油（中國(guó)）有限公司番禺作業(yè)公司）

井下流量平衡器完井技術(shù)在疏松砂巖底水油藏水平井開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

曾顯磊1羅東紅1陶 彬2高曉飛1陳維華1

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司； 2.中海石油（中國(guó)）有限公司番禺作業(yè)公司）

針對(duì)南海珠江口盆地疏松砂巖底水油藏水平井開(kāi)發(fā)中底水快速錐進(jìn)問(wèn)題，采用了新型完井工具，即井下流量平衡器（簡(jiǎn)稱(chēng)ICD）完井。闡述了ICD延緩底水錐進(jìn)的原理以及應(yīng)用中ICD下入長(zhǎng)度、水平段分隔段數(shù)、ICD用量和開(kāi)孔數(shù)等參數(shù)基本設(shè)計(jì)及其優(yōu)化。XJG231油田應(yīng)用效果表明，ICD完井可明顯延緩底水錐進(jìn)，挖潛效果明顯，可為類(lèi)似油田開(kāi)發(fā)提供借鑒。

ICD完井技術(shù) 疏松砂巖底水油藏 水平井 XJG231油田

水平井技術(shù)以其能夠提高油氣井產(chǎn)能、增加泄油面積等優(yōu)越性已在油氣田開(kāi)發(fā)中越來(lái)越受到重視[13]。對(duì)于海上油氣田來(lái)說(shuō)，由于受平臺(tái)設(shè)施的限制，水平井開(kāi)發(fā)方式更具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，已受到國(guó)內(nèi)外油田作業(yè)者的青睞，但對(duì)于埋深較淺的疏松砂巖底水油藏（尤其是油藏比較薄）來(lái)說(shuō)，水平井開(kāi)發(fā)方式也遇到了新的挑戰(zhàn)。

因壓實(shí)和成巖作用不足，埋深較淺的疏松砂巖油藏，儲(chǔ)層膠結(jié)強(qiáng)度低、巖性疏松、砂巖均質(zhì)性強(qiáng)、滲透性良好，在利用水平井開(kāi)發(fā)時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)油井出砂的現(xiàn)象，而且由于流體沿水平段產(chǎn)生的摩擦損失，使得水平井跟端生產(chǎn)壓差較大，很容易引起水平井過(guò)早、過(guò)快見(jiàn)水，造成油井產(chǎn)量迅速降低，而采取提液增產(chǎn)措施又會(huì)加劇油井出砂程度。因此，油井出砂和底水快速錐進(jìn)一直是困擾疏松砂巖底水油藏水平井開(kāi)發(fā)的難題[4－5]。

近幾年隨著完井技術(shù)的發(fā)展，一種新型的完井工具——井 下 流 量 平 衡 器[6]（Inflow Control Device，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ICD）已受到越來(lái)越多油田作業(yè)者的關(guān)注，它不但能起到防砂的作用，而且可以降低水平井跟端的生產(chǎn)壓差，并且可以控制高水飽區(qū)或裂縫的產(chǎn)能來(lái)延緩底水的過(guò)快錐進(jìn)，最終達(dá)到平衡水平段生產(chǎn)壓差的效果。本文是在ICD理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)2009年底在南海珠江口盆地XJG231油田18H井中下入ICD的設(shè)計(jì)內(nèi)容、優(yōu)化過(guò)程和應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)，旨在為其他類(lèi)似油田開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 ICD延緩底水錐進(jìn)的原理

ICD通常與封隔器配合使用，將水平段分為若干部分，通過(guò)調(diào)節(jié)各部分的液量來(lái)調(diào)節(jié)水平段的壓降，實(shí)現(xiàn)均衡開(kāi)采。ICD控制壓降是通過(guò)2種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即控制流動(dòng)面積（噴嘴或孔眼型）和增長(zhǎng)流體過(guò)道（流道型），也有把這2種方式結(jié)合使用的，本文主要分析孔眼型ICD。ICD完井和普通篩管完井時(shí)，沿水平段壓降的分布特征如圖1所示。

在使用ICD完井時(shí)，流體從地層流入井壁與ICD之間的環(huán)空，然后經(jīng)過(guò)ICD流入到井筒內(nèi)部。流體在通過(guò)ICD時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿井筒逐漸變小的附加壓降ΔpICD，使得整個(gè)井筒中環(huán)空壓力（ΔpDD）保持平衡（圖1a）。這樣，ICD就起到了調(diào)整壓降變化的作用，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)油藏向井筒供液的均衡推進(jìn)。而普通篩管完井中沿水平井筒的生產(chǎn)壓差剖面是漸變的（圖1b），從趾端到跟端，生產(chǎn)壓差逐漸增大，使得底水在水平井跟端更容易快速錐進(jìn)，導(dǎo)致油井過(guò)早見(jiàn)水，產(chǎn)油量迅速降低。

圖2為流體在某孔眼型ICD中的流動(dòng)示意圖，流體流動(dòng)順序可分為：①?gòu)暮Y管流入到篩管與基管間的間隙，由于本段基管上并無(wú)流入通道，流體只能沿著此間隙流入ICD；②流體通過(guò)ICD的孔眼進(jìn)入ICD內(nèi)部，產(chǎn)生紊流，然后紊流通過(guò)基管上的孔進(jìn)入基管內(nèi)部；③流體通過(guò)基管上的孔進(jìn)入基管內(nèi)部，最后流入井筒。

流體經(jīng)過(guò)孔眼時(shí)，流量和壓差的關(guān)系可由公式（1）[8]表示

公式（1）是由伯努利方程演化而來(lái)，其中：CD是流量系數(shù)，它取決于孔板結(jié)構(gòu)；Δp是壓差，Pa；ρ是流體密度，kg/m3；Q是流量，m3/s；d是孔眼直徑，m。

根據(jù)伯努利方程可知：當(dāng)流體由大通道流經(jīng)小孔眼時(shí)流速變快，壓力降低，壓差變大。如果每段的ICD孔眼打開(kāi)數(shù)目相同，則ICD在每段產(chǎn)生的附加壓差應(yīng)接近；但在某個(gè)特殊井段（如高滲透段）的ICD孔眼打開(kāi)數(shù)目減少時(shí)，相當(dāng)于該井段總的孔眼直徑在減小，這樣該井段的流速則變得更快，壓差也變得更大，但液體流過(guò)的總量在減少。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)不同井段的ICD孔眼打開(kāi)數(shù)目來(lái)控制生產(chǎn)壓差的目的。

2 ICD在珠江口盆地XJG231油田18H井的應(yīng)用

2.1 18H井概況

18H井是2009年底在珠江口盆地XJG231油田部署的一口調(diào)整井，目的是挖潛HJ3B油藏剩余油。該油藏先期投產(chǎn)的4口水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)顯示：油井含水上升速度比較快，油井開(kāi)發(fā)效果不理想。分析認(rèn)為，該油田HJ3B油藏埋深田J3B m左右，儲(chǔ)層巖性主要為細(xì)—中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，儲(chǔ)層膠結(jié)疏松，膠結(jié)物含量占巖石總成分的3%～5%；油藏油層最大厚度約11 m，縱向上夾層分布較少，且底水能量強(qiáng)。這樣的油藏條件很容易導(dǎo)致底水在水平井局部的快速錐進(jìn)，油井開(kāi)發(fā)效果差。因此，決定在18H井應(yīng)用ICD完井技術(shù)。

2.2 ICD應(yīng)用基本設(shè)計(jì)

ICD應(yīng)用基本設(shè)計(jì)主要是確定以下參數(shù)：ICD的下入長(zhǎng)度、水平段被分隔的段數(shù)、每段中ICD的用量和孔眼打開(kāi)數(shù)目。

HJ3B油藏的具體參數(shù)如下：儲(chǔ)層厚度41.1 m，儲(chǔ)層寬度914.5 m，垂向滲透率與水平滲透率比值為0.1，油藏壓力18.61 MPa，油藏溫度82.2℃，原油密度0.849 g/cm3，原油地下粘度5.56 mPa·s，泡點(diǎn)壓力0.51 MPa。18 H井信息如下：水平段長(zhǎng)度500 m，井眼尺寸φ215.9 mm，ICD外徑114.3 mm。油藏模型使用穩(wěn)態(tài)Joshi模型，最大目標(biāo)產(chǎn)液量3180 m3/d（此液量為后期高含水期的液量，而不是初期液量），油藏和ICD之間的環(huán)空滲透率假設(shè)為1000 mD。采用NETool軟件進(jìn)行模擬分析。ICD完井模型如圖3所示。

圖3 ICD完井模擬示意圖

（1）ICD設(shè)計(jì)下入長(zhǎng)度 18H井水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度510 m（3030～3540 m），一般情況下ICD的下入長(zhǎng)度與水平段一致，因此18H井ICD的下入長(zhǎng)度為510 m。

（2）水平段被分隔的段數(shù) 水平段被分隔的段數(shù)與長(zhǎng)度由滲透率各向異性決定，并根據(jù)滲透率變化曲線(xiàn)來(lái)決定封隔器的位置。HJ3B油藏前期已有4口水平井，因此設(shè)計(jì)時(shí)借用與18 H井距離較近的3H井作參考，用其水平滲透率來(lái)做初步設(shè)計(jì)。根據(jù)預(yù)測(cè)的18H井水平滲透率分布結(jié)果，將18H井水平段分隔為5段（封隔器下入5個(gè)，長(zhǎng)6.1 m，膨脹后外徑304.8 mm）。圖4為18H井3000～3350 m井段預(yù)測(cè)的水平滲透率的分布結(jié)果。

圖4 XJG231油田18H井水平段預(yù)測(cè)的水平滲透率分布圖

（3）ICD的用量 每個(gè)被分隔的井段中都由若干個(gè)ICD單元（基管單根）組成，而每個(gè)ICD單元由單個(gè)ICD和篩管構(gòu)成。ICD的設(shè)計(jì)用量＝（水平段長(zhǎng)度－封隔器總長(zhǎng)）/基管單根長(zhǎng)。設(shè)計(jì)階段18 H井基管單根長(zhǎng)為10 m，其中ICD長(zhǎng)度約1 m。據(jù)此設(shè)計(jì)下入48個(gè)ICD，每段ICD的用量分別為8、10、10、10、10個(gè)。

（4）孔眼尺寸和每段ICD的開(kāi)孔數(shù) 選用威德福公司生產(chǎn)的孔徑為φ3.175 mm的ICD下入18H井。綜合考慮摩阻、地層表皮系數(shù)、孔眼數(shù)量與尺寸等因素對(duì)壓降和流量影響，同時(shí)滿(mǎn)足足夠的附加壓降和最大目標(biāo)產(chǎn)液量要求，經(jīng)過(guò)模擬分析，最終確定每段ICD的10個(gè)孔全部打開(kāi)（表1）。

表1 XJG231油田18H井鉆前ICD應(yīng)用的基本設(shè)計(jì)結(jié)果

2.3 ICD應(yīng)用基本設(shè)計(jì)優(yōu)化

18H井完鉆后，根據(jù)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)水平段進(jìn)行了快速ELAN解釋?zhuān)⒏鶕?jù)實(shí)際鉆井軌跡對(duì)ICD應(yīng)用的基本設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）ICD下入長(zhǎng)度 由于18H井水平段的尾端（3350～3501 m）軌跡控制不理想，距離油水界面比較近，因此對(duì)ICD原設(shè)計(jì)下入長(zhǎng)度進(jìn)行了調(diào)整：3350～3501 m井段用盲管封堵，其余360 m（2990～3350 m）有效井段下入ICD。

（2）水平段分隔段數(shù) 圖5為18H井2990～3350 m井段鉆后水平段滲透率分布圖，據(jù)此將水平段分為6段。圖5中淺藍(lán)色指示線(xiàn)示意封隔器的下入深度。

圖5 XJG231油田18H井鉆后水平段滲透率分布圖

（3）每段ICD用量 根據(jù)ICD下入長(zhǎng)度和水平井段分隔段數(shù)優(yōu)化結(jié)果，維持基管單根長(zhǎng)度10 m不變，對(duì)ICD用量進(jìn)行優(yōu)化，共下入33個(gè)ICD，每段ICD的用量分別為5、6、6、6、6、4個(gè)。

（4）每段ICD開(kāi)孔數(shù) 模擬結(jié)果顯示：在普通篩管完井條件時(shí)，18 H井第一段（跟端區(qū)域）產(chǎn)水量比較大，平均在3.6 m3/（d·m），是其它各段的3.5倍（圖6左），而產(chǎn)油量?jī)H為其它各段的50%（圖6右），因此需要在ICD完井時(shí)調(diào)節(jié)孔眼的打開(kāi)數(shù)目來(lái)限制高產(chǎn)水井段的貢獻(xiàn)。

18H井設(shè)計(jì)的最大流量為3180 m3/d。根據(jù)公式（1），在流量一定的情況下，可計(jì)算出最優(yōu)的過(guò)流面積與通過(guò)每節(jié)ICD的壓降值。單節(jié)ICD的過(guò)流面積除以每孔的孔眼面積，就可得出開(kāi)孔數(shù)。

通過(guò)模擬優(yōu)選得出如下孔眼打開(kāi)方案：第1段ICD的孔眼打開(kāi)數(shù)為1，其余各段孔眼全部打開(kāi)（表2）。模擬結(jié)果顯示：第1段產(chǎn)水量約為1.5 m3/（d·m），同比降低60%（普通篩管完井方式），與其它各段的產(chǎn)水量基本相同；從產(chǎn)油量上看，雖然第1段的貢獻(xiàn)降低了30%，但其它各段的產(chǎn)油量增加約30%，水平井總體產(chǎn)油量增加28%左右，效果明顯得到改善（圖7）。

圖6 XJG231油田18H井普通篩管完井水平段產(chǎn)油、產(chǎn)水量貢獻(xiàn)圖

表2 XJG231油田18H井鉆后ICD應(yīng)用基本設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

圖7 XJG231油田18H井ICD完井水平段產(chǎn)油、產(chǎn)水量貢獻(xiàn)圖

2.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

（1）生產(chǎn)動(dòng)態(tài)描述 2009年12月5日，18H井自噴投產(chǎn)，在投產(chǎn)后的前70天中，平均日產(chǎn)油量330 m3，含水率穩(wěn)定在3%左右，初期效果已明顯優(yōu)于其它老井。2010年2月10日后，該井含水率才開(kāi)始緩慢上升，啟泵前含水率僅為27.7%。2010年5月25日，該井啟泵生產(chǎn)，日產(chǎn)油量從230 m3上升到650 m3，含水并沒(méi)有大幅增加；2010年10月底，該井平均日產(chǎn)油量508 m3，含水64%。截至2010年10月底，該井已累計(jì)生產(chǎn)原油13萬(wàn)m3。

（2）開(kāi)發(fā)效果對(duì)比 18 H井位于1 H井和3 H井的尾端中部，與2口鄰井的平面距離大約180 m。18H井投產(chǎn)時(shí)，1 H井和3H井已連續(xù)生產(chǎn)約600天，分別采出原油14.1萬(wàn)m3和24.0萬(wàn)m3，含水率達(dá)到94%和88%。

圖8為HJ3B油藏各生產(chǎn)井累積產(chǎn)油量與含水率對(duì)比圖，可以明顯看到，5口井在達(dá)到相同累積產(chǎn)油量時(shí)，18 H井含水率較低。如累積產(chǎn)油量為8萬(wàn)m3時(shí)，18 H井（圖8中綠線(xiàn)）的含水率為45%，而其余4口井則達(dá)到70%或90%（圖8中3 H、4 H井的部分點(diǎn)含水率突然大幅度降低是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)關(guān)停后測(cè)試的數(shù)據(jù)異常）。

圖8 XJG231油田HJ3B油藏各生產(chǎn)井累積產(chǎn)油與含水率對(duì)比圖

同時(shí)應(yīng)注意到，在HJ3B油藏目前的5口生產(chǎn)井中，1H—4H井分別于2008年4月投產(chǎn)，而18H井則是2009年12月投產(chǎn)；因此，當(dāng)18H井投產(chǎn)時(shí)，已不具備優(yōu)勢(shì)，此時(shí)該油藏的采出程度已達(dá)23%。但就是在這種情況下，18H井投產(chǎn)后效果能超過(guò)前期投產(chǎn)的開(kāi)發(fā)井，更體現(xiàn)了該井使用ICD的優(yōu)越性。

（3）開(kāi)發(fā)效果預(yù)測(cè) 目前18H井電潛泵的運(yùn)行頻率為42 Hz，而電泵最大頻率60 Hz，因此仍有較大提液空間。由于該井還未真正進(jìn)入遞減階段，生產(chǎn)預(yù)測(cè)時(shí)只是借助于油藏?cái)?shù)模軟件。

為了真實(shí)體現(xiàn)ICD在油藏模擬軟件（Eclipse）中的效果，研究人員在油藏模型中引入了多段井和分支井技術(shù)，使得模型能在結(jié)構(gòu)上反映ICD的特征。結(jié)果證明，用這種手段很好地實(shí)現(xiàn)了與18 H井的歷史擬合（如圖9中實(shí)際含水率與數(shù)模含水率基本吻合）。在歷史擬合比較合理基礎(chǔ)上，模型預(yù)測(cè)到2017年，18H井能累計(jì)采出原油49萬(wàn)m3。

圖9 XJG231油田18H井?dāng)?shù)模歷史擬合分析圖

3 結(jié)束語(yǔ)

ICD完井技術(shù)在XJG231油田的成功應(yīng)用表明，在利用水平井開(kāi)采疏松砂巖底水油藏時(shí)，ICD不但能起到防砂的作用，更重要的可以平衡水平段的生產(chǎn)壓差、降低水平井跟端或其它高滲帶的產(chǎn)水量、改善油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。當(dāng)然，在使用ICD完井時(shí)，不但應(yīng)在鉆前進(jìn)行認(rèn)真的論證，還要根據(jù)實(shí)鉆軌跡形狀和測(cè)井解釋結(jié)果對(duì)ICD應(yīng)用基本設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使其更具有針對(duì)性。

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Application of ICD completion technique in horizontal well for developing unconsolidated sand reservoir with bottom water

Zeng Xianlei1Luo Donghong1Tao Bin2Gao Xiaofei1Chen Weihua1
（1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067；2.Pan Yu Operation Company of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067）

As for the rapid coning of bottom water while the horizontal well is used to develop the unconsolidated sand reservoir，a new type of completion tool（ICD）is introduced.Included are the explanations of principle of delaying the bottom water coning as well as the design parameters and their optimization，such as the length of ICD in use，the number of compartmentation of horizontal section，the usage of ICD and the number of orifice openings.The application of inflow control device （ICD）in XJG2 3－1 Field demonstrates that the completion technology can effectively delay the bottom water coning，so that it provides the experience for developing the other similar fields.

inflow control device；completion technique；unconsolidated sand reservoir with bottom water；horizontal well；XJG23－1 oilfield

曾顯磊，男，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于原江漢石油學(xué)院石油地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，目前從事油氣田開(kāi)發(fā)工作。地址：廣東省深圳市蛇口工業(yè)二路1號(hào)海洋石油大廈（郵編：518067）。E－mail：zengxl2＠cnooc.com.cn。

2010－12－10改回日期：2011－07－25

（編輯：孫豐成）