深水氣田幾項(xiàng)完井技術(shù)研究

田 崢,葉吉華，劉正禮，羅俊豐，張春杰，金 顥

[中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

深水氣田幾項(xiàng)完井技術(shù)研究

田 崢,葉吉華，劉正禮，羅俊豐，張春杰，金 顥

[中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

隨著海洋石油進(jìn)軍深水步伐的推進(jìn)，在南中國(guó)海深水作業(yè)實(shí)踐中遇到一系列作業(yè)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。惡劣的作業(yè)自然環(huán)境對(duì)深水完井提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，在完井工具和設(shè)備、施工工藝與完井技術(shù)策略上與淺水及陸地完井差異明顯。我國(guó)在深水鉆完井方面處于起步階段，相比國(guó)外存在不小差距。針對(duì)深水作業(yè)特點(diǎn)，分析了作業(yè)中的一些難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)以及深水完井的策略，研究了M深水氣田完井關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)射孔技術(shù)、精細(xì)化完井防砂控制技術(shù)、壓裂充填技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。結(jié)合我國(guó)南中國(guó)海深水完井作業(yè)實(shí)踐，對(duì)深水完井作業(yè)中的可能風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)技術(shù)措施進(jìn)行了總結(jié)和梳理。研究結(jié)果可為后續(xù)設(shè)計(jì)和作業(yè)提供參考。

深水完井; 策略; 防砂; 射孔; 壓裂

0 引 言

全球的重大勘探發(fā)現(xiàn)一半以上來(lái)自海洋，同時(shí)，未來(lái)世界油氣總儲(chǔ)量的44%來(lái)自深水。作為四大海洋油氣資源帶之一的南中國(guó)海(另外3個(gè)是波斯灣、歐洲北海和墨西哥灣)，地質(zhì)儲(chǔ)量為200×108～300×108t。深水油氣勘探開(kāi)發(fā)潛力巨大，是中國(guó)油氣資源的重要戰(zhàn)略接替區(qū)。

M氣田是我國(guó)開(kāi)發(fā)的第一個(gè)深水氣田，作業(yè)水深1 350～1 500 m，位于南中國(guó)海珠江口盆地29/26 區(qū)塊，香港東南310 km處，距離PY30-1油田64 km，距離LH11-1 油田102 km。2006年開(kāi)始成功鉆探，鉆遇55.5 m共4個(gè)含氣沙巖層，珠江組Sand1和珠海組Sand2、3、4。M氣田屬于正常壓力和溫度體系、中孔中高滲氣田。該氣田于2011年6月進(jìn)入完井現(xiàn)場(chǎng)施工階段，已完成全部9口井的完井作業(yè)，于2014年3月底成功投產(chǎn)。投產(chǎn)初期單井最大產(chǎn)量425×104m3/d，計(jì)劃生產(chǎn)15年。

本文旨在通過(guò)M氣田深水完井項(xiàng)目的完井作業(yè)實(shí)踐，對(duì)相關(guān)作業(yè)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)深水完井技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，為相關(guān)技術(shù)的深入研究提供參考。

1 深水完井特點(diǎn)

從完井的角度來(lái)看，深水油氣田與淺水和陸上油氣田沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。由于深水油氣田往往開(kāi)發(fā)的是高滲透的油氣層，故而其完井方法一定程度上反而比陸上油田更加簡(jiǎn)單。然而，深水井惡劣的作業(yè)環(huán)境、高風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的影響，給深水油氣田常規(guī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)不少的挑戰(zhàn)。

隨著我國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)的逐步實(shí)踐和深入，深水完井方面的作業(yè)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)逐步顯現(xiàn)：(1)風(fēng)、浪、流等自然海況環(huán)境惡劣，南海臺(tái)風(fēng)季節(jié)長(zhǎng)，頻繁的臺(tái)風(fēng)運(yùn)移對(duì)深水鉆完井作業(yè)影響較大。(2)流動(dòng)安全保障的影響，深水低溫對(duì)井筒流體的物性作用，水合物堵塞、結(jié)蠟、結(jié)垢等方面的影響。(3)防砂方案的制定。深水油氣田出砂后修井成本極高，因此一般采取保守而穩(wěn)妥的防砂方法。(4)遠(yuǎn)控操作、長(zhǎng)距離回接引起的環(huán)境負(fù)載高，極大地增加了施工風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)難度。(5)深水完井設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)代價(jià)高昂，對(duì)作業(yè)系統(tǒng)的可靠性提出了較高要求。(6)安裝維修等一系列水下作業(yè)需要水下機(jī)器人(ROV)配合，成本較高，到后期投產(chǎn)始終需要水下控制系統(tǒng)的配合[1]。此外，完井作業(yè)結(jié)束后，生產(chǎn)階段還面臨管柱防腐、環(huán)空圈閉壓力控制、控制管線無(wú)損連接等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

由于深水井完井及后期的修井作業(yè)成本高昂，在惡劣的作業(yè)自然環(huán)境中，對(duì)深水完井提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，具體涉及作業(yè)時(shí)效、防砂效果、生產(chǎn)中流體攜沙百分比、修井頻率等諸多方面。對(duì)此，深水完井作業(yè)中采取了不同于陸地的分上部完井和下部完井的深水完井工藝，采取了壓裂充填與篩管防砂相結(jié)合的保守防砂措施，在完井工具方面會(huì)考慮一趟多層管柱，射孔與防砂一趟完成，并采用國(guó)外先進(jìn)的工具來(lái)作業(yè)，以減少工具出現(xiàn)復(fù)雜情況帶來(lái)的時(shí)效性問(wèn)題，降低作業(yè)成本。

2 M深水氣田幾項(xiàng)關(guān)鍵完井技術(shù)

完井作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮的因素很多，主要有生產(chǎn)過(guò)程中井眼是否穩(wěn)定、生產(chǎn)過(guò)程中地層是否出砂、地質(zhì)和油藏工程特性、完井產(chǎn)能大小、鉆井完井的成本、綜合經(jīng)濟(jì)效益、采油工程要求等。最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是根據(jù)地層的地質(zhì)特點(diǎn)、油藏工程特點(diǎn)以及采油技術(shù)需求，確定最合理的完井方法。

從深水完井技術(shù)看，保護(hù)儲(chǔ)層、長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)、較少的修井需要和產(chǎn)能最大化是深水完井技術(shù)追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的途徑在于射孔技術(shù)、深水完井防砂技術(shù)、服務(wù)管柱優(yōu)化技術(shù)、壓裂充填等有較明顯特色的技術(shù)環(huán)節(jié)。

2.1 射孔技術(shù)

射孔即射孔彈穿透套管、水泥環(huán)和地層的過(guò)程。射孔是影響套管抗擠抗壓能力的重要因素[2]。套管射孔后孔周邊產(chǎn)生的射孔裂紋會(huì)在隨后的采注動(dòng)載作用下擴(kuò)展，引發(fā)管體低載荷脆裂。孔眼的不規(guī)則還會(huì)引起應(yīng)力集中，加劇裂紋擴(kuò)展。在松軟塑性地層中的套管會(huì)因抗擠壓強(qiáng)度嚴(yán)重下降而被擠毀[3]。因此，在射孔參數(shù)的優(yōu)選上需要進(jìn)行技術(shù)研究，射孔過(guò)密將影響套管強(qiáng)度，而射孔過(guò)疏則將影響油氣井產(chǎn)能。

通過(guò)有限元計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)[2]，射孔密度(簡(jiǎn)稱“孔密”)低于每米16孔時(shí)，套管抗擠壓強(qiáng)度變化不大。此外，相位角對(duì)套管側(cè)向抗壓強(qiáng)度影響較大。60°相位角為其臨界值，與同孔密的其他相位角射孔相比，套管的側(cè)向抗壓強(qiáng)度高得多。對(duì)于各向異性地層，由180°變到0°或90°時(shí)產(chǎn)能提高較大，而在0°和90°間變化時(shí)產(chǎn)能變化不大；對(duì)于各向同性地層，0°變到90°或180°時(shí)產(chǎn)能較大提高，90°和180°之間變化時(shí)產(chǎn)能變化不大。

M氣田完井設(shè)計(jì)中射孔管柱采用的是油管輸送射孔(TCP)。選擇這種工作管柱，主要是出于射孔作業(yè)的效率與可靠性方面的考慮。考慮套管的側(cè)向抗壓強(qiáng)度和產(chǎn)能最大化，設(shè)計(jì)相位角為60°/120°。根據(jù)完井井眼尺寸和射孔彈射孔效果考慮，選擇7英寸(1英寸=25.4 mm)射孔槍?zhuān)?根據(jù)產(chǎn)能與流通效率，設(shè)計(jì)孔密為每米59孔時(shí)，考慮射孔彈射孔穿透污染帶要求選擇49.5 g HMX型號(hào)的射孔彈。采用大孔徑射孔彈，射孔直徑約為1英寸。考慮到后續(xù)的壓裂將會(huì)提高產(chǎn)層的滲透率，產(chǎn)生的氣流通道遠(yuǎn)大于射孔的原始通道。

2.2 深水井防砂技術(shù)與策略

2.2.1 防砂方式選擇

儲(chǔ)層出砂對(duì)深水油氣田正常生產(chǎn)的危害較大，輕則對(duì)管線和閥門(mén)造成磨損和沖蝕，使得橡膠密封元件氣密性降低，重則影響產(chǎn)能，甚至掩埋儲(chǔ)層，需要頻繁修井清砂[4]。M氣田為深水氣田，采用水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)。后期修井的作業(yè)需要?jiǎng)訂T深水平臺(tái)，費(fèi)用高昂。因此，防砂方式與防砂精度的選擇對(duì)于M氣田來(lái)說(shuō)非常重要。深水油氣井防砂需要采用保守穩(wěn)妥的技術(shù)策略[4]。

M氣田屬于深水淺層氣田，儲(chǔ)層具有上覆巖層壓力低、成巖性差、膠結(jié)強(qiáng)度低的特點(diǎn)。氣層分布在珠江組的兩套砂體。氣田的1號(hào)產(chǎn)層為中等強(qiáng)度出砂，2號(hào)產(chǎn)層為強(qiáng)出砂。在對(duì)M氣田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須進(jìn)行先期完井防砂，配合防砂設(shè)備要抗腐蝕、具有較好的流通性并能有效持久地防砂。通過(guò)前期研究，針對(duì)該區(qū)塊不同井型，推薦防砂原則如下。

(1) 垂直井、定向井：裸眼內(nèi)防砂最好采用裸眼礫石充填完井。射孔套管內(nèi)防砂最好采用管內(nèi)礫石充填完井，如地層條件允許，應(yīng)盡量進(jìn)行壓裂礫石充填完井，以提高產(chǎn)能。

(2) 水平井：從最保險(xiǎn)的角度考慮，以裸眼礫石充填完井和管內(nèi)礫石充填完井最好。礫石充填時(shí)，直接用高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管替代常規(guī)的繞絲篩管，以增加防砂的有效性和壽命，然后再在高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管與裸眼或者套管的環(huán)空充填礫石。為了提高產(chǎn)量，建議使用陶粒作為礫石(不再推薦使用石英砂作為礫石)。如果氣層無(wú)底水，采用再進(jìn)一步建議壓裂礫石充填防砂，以提高產(chǎn)量。

根據(jù)前期研究，儲(chǔ)層出砂可能性大，從產(chǎn)能、防砂效果和防砂壽命考慮，選擇較保守的防砂方式：篩管壓裂充填防砂。M氣田采用單層管內(nèi)壓裂充填，在9-5/8英寸套管內(nèi)使用繞絲篩管。

2.2.2 防砂精度控制

根據(jù)Schwartz均勻分選系數(shù)與Saucier礫石充填設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[5]，在巖心砂粒分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行防砂精度計(jì)算分析。

根據(jù)Schwartz均勻分選系數(shù)計(jì)算C值(C=d40/d90)的，如圖1所示，1號(hào)砂體的分選系數(shù)小于5，按d10砂粒尺寸考慮防砂精度，均勻性屬于中等；2號(hào)砂體的分選系數(shù)大于10，均勻性較差，按d70砂粒尺寸考慮防砂精度。

圖1 M氣田1號(hào)、2號(hào)砂體均勻分選系數(shù)分布Fig.1 Evenly sorting coefficient distribution in No.1 and 2 sand body in M gas field

首先考慮1號(hào)砂礫石尺寸選擇。根據(jù)Schwartz分選系數(shù)選擇充填的礫石尺寸，通過(guò)計(jì)算可知，8～12目尺寸礫石滿足要求。這種尺寸的礫石能直接攔截10%的較大粒徑地層砂，其余的細(xì)砂粒則可通過(guò)地層砂自身砂礫架橋加以過(guò)濾和攔截。但是這種通過(guò)砂橋擋砂的篩選礫石原則，增加了地層砂對(duì)礫石層侵入堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)Saucier礫石充填設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[D50< 6 ×d50，其中d為地層砂直徑(mm)，D為礫石直徑(mm)]，選擇按16～30目礫石防砂，如圖2所示。

圖2 M氣田d50砂礫尺寸分布圖Fig.2 Sand coefficient distribution of d50 in M gas field

下面討論2號(hào)砂體礫石尺寸選擇。2號(hào)砂體分選系數(shù)大于10，分選性較差，上下砂體粒度存在一定差異。根據(jù)Schwartz法則，以d70為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。上部砂體較粗，選擇20～40目的礫石尺寸，下部砂體相對(duì)較細(xì)，根據(jù)計(jì)算需要選擇40～60目的礫石，如圖3所示。根據(jù)Saucier法則進(jìn)行計(jì)算，上部2/3的儲(chǔ)層適合20～40目的礫石，下部約10 m厚度的儲(chǔ)層適合40～60目的礫石。如果按照通常的礫石尺寸原則,應(yīng)選擇40～60目的礫石，但是這種較細(xì)的礫石，會(huì)降低井筒周?chē)目紫抖群蜐B透率，礫石層和篩管堵塞的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，最終對(duì)整體產(chǎn)量產(chǎn)生影響較大。而且下部10 m儲(chǔ)層較致密，孔隙度和滲透率較低，氣體流速小于0.012 m/s[6]，出砂的風(fēng)險(xiǎn)較低。因此，綜合考慮，選擇20～40目的礫石進(jìn)行該層的防砂。

2.3 壓裂充填技術(shù)

壓裂充填防砂技術(shù)是針對(duì)中高滲透油藏開(kāi)發(fā)中因地層出砂導(dǎo)致油井減產(chǎn)或停產(chǎn)而研究的一種新型措施，具有防砂和增產(chǎn)的雙重作用。其實(shí)質(zhì)就是采用端部脫砂技術(shù)使攜砂液在裂縫端部脫砂，然后膨脹與充填裂縫，形成短而寬的高導(dǎo)流能力滲流通道。

M氣田深水完井壓裂充填施工作業(yè)步驟分為6步：(1)射孔、下入篩管，然后在高于地層破裂壓力的施工壓力下向地層中泵入前置液，起裂地層；(2)繼續(xù)泵入前置液，使裂縫在產(chǎn)層中延伸；(3)再泵入低砂比攜砂液，阻止裂縫面積進(jìn)一步增加；(4)緊接著泵入砂比逐漸升高的攜砂液，提高裂縫的導(dǎo)流能力，同時(shí)支撐劑從縫端到縫口逐漸充填裂縫；(5)當(dāng)裂縫寬度即裂縫導(dǎo)流能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，停止壓裂施工；

圖3 不同深度產(chǎn)層地層砂激光粒度分布圖Fig.3 Laser particle size distributions of reseyvoir sand in different depths

(6)最后采用常規(guī)礫石充填方法充填篩管和套管之間的環(huán)空。

壓裂充填防砂的核心工藝是端部脫砂。對(duì)于高滲透油氣藏，增大縫寬比增大縫長(zhǎng)更有助于提高產(chǎn)量。圖4為M氣田壓裂充填作業(yè)圖。以實(shí)際程序過(guò)程進(jìn)行作業(yè)說(shuō)明。

圖4 M氣田壓裂充填作業(yè)壓力圖Fig.4 Pressure diagram of M gas field during fracturing and filling operation

1～2階段：泵入前置液，隨泵入量的增加可見(jiàn)地面管柱壓力逐漸增大，主要原因是前置液在管柱內(nèi)的循環(huán)摩阻和內(nèi)外管柱壓差。2～3階段：關(guān)萬(wàn)能防噴器，前置液密度小于環(huán)空液體密度，所以此時(shí)雖然已停泵，但內(nèi)管柱內(nèi)仍然存在2.41 MPa壓力。3～4 階段：向地層內(nèi)擠注前置液，同時(shí)泵入攜砂液，在此期間由于液體密度隨含砂濃度增大逐漸增大，地面管柱壓力逐漸下降。5～6階段：不同濃度的攜砂液逐漸被擠入地層，環(huán)空和管柱內(nèi)壓力逐漸上升，可見(jiàn)礫石充填封隔器下部充填物濃度逐漸上升。6～7階段：逐漸減小排量，脫砂，直到出現(xiàn)最大脫砂壓力，當(dāng)泵速降低至2.39 m3/min時(shí)，出現(xiàn)最大脫砂壓力32.41 MPa，此時(shí)礫石充填封隔器下部充填物濃度達(dá)到最大值1 200 kg/m3。壓裂礫石充填完井所需排量一般大于水平井裸眼礫石充填完井與高速水充填完井。壓裂礫石充填泵排量一般都在6.36 m3/min左右，礫石充填系數(shù)達(dá)到了953 kg/m，而在Campos盆地甚至還達(dá)到了1 667 kg/m，而高速水礫石充填或裸眼礫石充填一般不超過(guò)1.59 m3/min，礫石充填系數(shù)一般不超過(guò)149 kg/m。這說(shuō)明壓裂礫石充填完井獲得的導(dǎo)流能力比高速水礫石充填與水平井裸眼礫石充填大。

3 深水完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

深水完井作業(yè)中存在諸多作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，任何一項(xiàng)作業(yè)失敗都可能對(duì)后期投產(chǎn)造成影響，甚至造成完井作業(yè)失敗。只有提前制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案及應(yīng)對(duì)措施，才能在遇到突發(fā)情況時(shí)有的放矢。表1總結(jié)了M深水氣田完井作業(yè)中可能的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的解決方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 就完井作業(yè)而言，深水油氣田與淺水油田和陸上油田沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，其最大特點(diǎn)在于作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本提高了。由此對(duì)深水完井作業(yè)提出了一系列技術(shù)要求：高效、安全、可靠、成本控制。在南海深水完井作業(yè)實(shí)踐中，攻克了一系列技術(shù)和工具的難點(diǎn)，逐步總結(jié)出相關(guān)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

(2) 有限元模擬分析表明，射孔作業(yè)中的孔密、相位、射孔彈類(lèi)型等技術(shù)參數(shù)直接決定生產(chǎn)套管的強(qiáng)度和后期儲(chǔ)層產(chǎn)能。結(jié)合地層情況，優(yōu)化射孔參數(shù)，在保持套管滿足生產(chǎn)強(qiáng)度要求的情況下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能最大化。

(3) 分析研究了M氣田的深水完井方式選擇及控砂精度，該技術(shù)是完井中的關(guān)鍵技術(shù)。其核心在于精細(xì)化控制地層出砂、油氣井壽命最大化、儲(chǔ)層生產(chǎn)產(chǎn)能最大化的綜合臨界度的權(quán)衡。

(4) 總結(jié)前期深水作業(yè)實(shí)踐，進(jìn)行深水完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，列出了深水完井中可能存在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施。

表1 M深水氣田完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施Table 1 Deepwater well completion operation risk points and solutions in M gas field

[1] 程仲，牟小軍，張俊斌，等.南海東部深水氣田完井作業(yè)實(shí)踐[J]. 石油鉆采工藝，2014，36(3)：33.

[2] 熊友明，潘迎德. 各種射孔系列完井方式下水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1996，18(2)：56.

[3] 雷征東，安小平，李相方.射孔完井出砂預(yù)測(cè)新模型及其在射孔優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 油氣井測(cè)試，2006，15(6)：10.

[4] 熊友明，張偉國(guó)，羅俊峰，等. 番禺30-1 氣田水平井精細(xì)防砂研究與實(shí)踐[J]. 石油鉆采工藝，2011，33(4)：34.

[5] 海上油氣田完井手冊(cè)編委會(huì).海洋石油完井手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[6] 王利華，鄧金根，周建良，等.適度出砂開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海上油氣，2011，23(2)：107.

SeveralWellCompletionTechnologiesforDeepwaterGasField

TIAN Zheng, YE Ji-hua, LIU Zheng-li, LUO Jun-feng, ZHANG Chun-jie, JIN Hao

(ShenzhenBranchofCNOOC,Shenzhen,Guangdong518067,China)

With the development of offshore oil exploitation into the deepwater region, we encounter a series of difficulties and challenges in practice in the South China Sea during deepwater operation. The severe natural environment puts forward higher technology standards and requirements on deepwater well completion. In the aspects of well completion tools, equipment, construction technology and strategy, there exists obvious difference between deepwater tasks and shallow water or land operations. According to the characteristics of deepwater operation, some difficulties and key technologies are analyzed. The completion sand control, perforating technology, and fracturing filling technology are studied separately. In the deepwater well completion practice in South China Sea, the possible risk points and technical solutions are summarized. The results can provide reference for the subsequent design and operation.

deepwater well completion; strategy; sand control; perforation; fracturing

TE257；TE52

A

2095-7297(2015)01-0012-06

2015-01-26

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05026-001-04)

田崢(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋深水鉆完井技術(shù)方面的研究。