水平井找水-控水一體化智能完井技術(shù)及其應用*

崔小江 李海濤 李三喜 蔡 斌 李艷飛 葛俊瑞 王 楠

(1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 四川成都 610500； 2.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200235；3.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

水平井作為一種油田高效開發(fā)工具，因其與儲層接觸面積大的特點而被廣泛應用于海上油田薄互層油藏、底水油藏的開采[1]。由于受井眼軌跡、滲透率非均質(zhì)性、跟趾效應和避水程度等的影響，水平井也存在底水脊進、邊水錐進等問題，一旦地層水突破井筒，則含水率迅速上升形成水淹，會大幅降低儲層動用程度[2]。因此，成功發(fā)揮水平井產(chǎn)能和開發(fā)效益的關鍵，是有效控制水錐層段，均衡產(chǎn)液剖面，以實現(xiàn)降水增油的目的。目前，水平井的主要找水方法包括數(shù)值模擬[3-5]、生產(chǎn)測井工具(production logging tool，PLT)[6-7]、分布式光纖傳感器(distributed temperature sensor，DTS)[8-9]、緩釋型示蹤劑[10-12]等，主要的控水方法包括環(huán)空化學封堵、中心管控水[13]、雙水平井控水[14]、變完井參數(shù)控水、自動流入控制裝置控水等[15-20]。這些方法普遍存在效率低和操作復雜等問題，尤其是找水與控水之間相互獨立，極大地制約了控水完井的生產(chǎn)作業(yè)效率。

為了解決水平井開發(fā)邊底水油藏中找水-控水困難且作業(yè)效率低的問題，本文提出了一種水平井找水-控水一體化智能完井技術(shù)，該技術(shù)形成的智能完井管柱具備找水解釋產(chǎn)液剖面、控水均衡產(chǎn)液剖面功能，對于延緩新井見水時間、降低老井含水率及提高油井采收率具有重要意義。

1 水平井找水-控水一體化智能完井管柱

水平井找水-控水一體化智能完井技術(shù)是將找水和控水相結(jié)合，形成產(chǎn)液剖面解釋與產(chǎn)液剖面調(diào)整一體化的新工藝，能夠有效提高找水-控水作業(yè)效率，其智能完井管柱是實現(xiàn)該技術(shù)的工藝手段。

水平井找水-控水一體化智能完井管柱工藝通過封隔器將水平完井段分成多個生產(chǎn)段進行分段開采(圖1)，每個生產(chǎn)段均安裝包括固體示蹤劑、控水工具、開關短節(jié)和定壓短節(jié)的找水-控水單元：①在不同生產(chǎn)段安裝不同類型的智能緩釋型固體示蹤劑，用于監(jiān)測解釋產(chǎn)液剖面；②在不同生產(chǎn)段安裝數(shù)量不等的自動流入控制裝置(automatic inflow control device，AICD)對地層液體形成限流，均衡產(chǎn)液剖面；③管柱設有開關，可根據(jù)示蹤劑監(jiān)測解釋結(jié)果在地面主動調(diào)整各段AICD的開度，甚至關閉含水率過高的無經(jīng)濟價值生產(chǎn)段。

圖1 找水-控水一體化智能完井管柱示意圖

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

智能完井管柱的單段找水-控水單元如圖2所示，主要由示蹤短節(jié)、控水短節(jié)、開關短節(jié)和定壓短節(jié)4部分組成：①示蹤短節(jié)安裝有固體示蹤劑，用于標記不同生產(chǎn)段流體，找水解釋產(chǎn)液剖面；②控水短節(jié)安裝有AICD，對地層水產(chǎn)生附加壓力損失，降低水的流量；③開關短節(jié)用于調(diào)節(jié)各段AICD的開度，進一步調(diào)節(jié)各段產(chǎn)量；④定壓短節(jié)是流體從油管流入油藏的流動通道，使管柱具備沖砂解卡和后期不動管柱酸化壓裂的條件。

圖2 智能完井工藝管柱單段找水-控水單元示意圖

1.2 管柱工作原理

示蹤短節(jié)、控水短節(jié)和開關短節(jié)采取串聯(lián)的方式進行連接，儲層流體先流入環(huán)空，隨后分別流經(jīng)示蹤短節(jié)、控水短節(jié)和開關短節(jié)，并從開關短節(jié)流入油管內(nèi)部，隨后被采出。

1.2.1找水原理

在高溫條件下，不同溶解性的化學示蹤物質(zhì)可與固化劑、膠結(jié)劑混合固化成型，制成水溶或油溶性固體示蹤劑[21-22]。安裝有固體示蹤劑的示蹤短節(jié)如圖3所示。水溶或油溶性固體示蹤劑只有在與各自目標流體接觸時才會釋放示蹤物質(zhì)，與非目標流體接觸時不會釋放化學示蹤物質(zhì)；水平井不同生產(chǎn)段安裝不同的水溶或油溶性固體示蹤劑，彼此互不影響。解釋產(chǎn)液剖面時，先關井24 h使示蹤劑持續(xù)釋放，形成高濃度示蹤劑團，重新開井并在井口進行高頻取樣，根據(jù)井口檢測到的化學示蹤物質(zhì)種類及其濃度隨時間的變化情況，找到出水位置和解釋產(chǎn)液剖面。固體示蹤劑的釋放速率很小且基本為常數(shù)，不受儲層流體流量、壓力、礦化度、pH值等因素的影響，因此，可在井筒中工作2年及以上。緩釋型固體示蹤劑找水解釋產(chǎn)液剖面比PLT、DTS等方式解釋產(chǎn)液剖面操作更為簡單、更加經(jīng)濟實惠。

圖3 智能完井工藝管柱單段示蹤短節(jié)實物圖

固體示蹤劑釋放速率為[23]

(1)

C(t)=C(0)e-f(qzone)t+Cdir

(2)

式(1)、(2)中：D為擴散系數(shù)，m2/s；v為速度，m/s；x為固體示蹤劑長度，m；C為固體示蹤劑釋放的化學示蹤物質(zhì)質(zhì)量濃度，kg/m3；C(0)和C(t)分別為初始與t時刻固體示蹤劑釋放的化學示蹤物質(zhì)濃度，kg/m3；Cdir為穩(wěn)態(tài)流動時化學示蹤物質(zhì)質(zhì)量濃度，kg/m3；f(qzone)為將化學示蹤物質(zhì)質(zhì)量濃度與流體流量結(jié)合起來的方程，通常定量估計。

1.2.2控水原理

控水短節(jié)內(nèi)安裝的AICD具有自動識別流體的功能，由于不同流體的黏度和密度存在差異，水、油流經(jīng)AICD時的路徑和旋流程度完全不同(圖4)，使得水的沿程和旋流壓降損失之和遠大于油的總附加壓降損失，因此，AICD具備過油阻水的性能[1]。水平井分段開采時，不同段由于儲層物性、井眼軌跡、避水高度等差異，設置了不同數(shù)量的控水短節(jié)。高產(chǎn)液段控水短節(jié)數(shù)量少，低產(chǎn)液段控水短節(jié)數(shù)量多，高產(chǎn)液段產(chǎn)量被限制而最終均衡產(chǎn)液剖面。除了通過控水短節(jié)中的AICD限流功能實現(xiàn)第一步自動控水降低整個水平井筒的含水率外，管柱還具有第二步主動調(diào)節(jié)的控水功能。水平井開采一定時間后，若監(jiān)測到水突破某個層段導致含水率太高，通過調(diào)節(jié)開關短節(jié)開度實現(xiàn)第二步主動調(diào)節(jié)控水，必要時關閉該生產(chǎn)段，進一步增油降水。這兩步控水方式既適用新井均衡產(chǎn)液剖面，也適用高含水老井調(diào)整產(chǎn)液剖面降低含水率。

圖4 智能完井工藝管柱單段控水短節(jié)AICD油水流動路徑示意圖[1]

1.2.3開關短節(jié)工作原理

開關短節(jié)具有多個工作制度，每個工作制度對應1個開度，用于控制井筒流入油管流體的流量。當井口對油管打壓值達到開關短節(jié)的響應壓力時，其工作制度就會發(fā)生改變，控制打壓次數(shù)即可控制開關短節(jié)開度。不同生產(chǎn)段安裝的開關短節(jié)對應的響應壓力不同(圖5)，因此不同生產(chǎn)段工作制度的調(diào)節(jié)互不影響。根據(jù)井筒產(chǎn)液剖面解釋結(jié)果，可以確定各段開關短節(jié)最佳工作制度及設定打壓程序，即可調(diào)節(jié)各段開度，進一步降低含水率。如果監(jiān)測到某生產(chǎn)段水完全突破井筒，含水率過高而沒有生產(chǎn)價值時，可以關閉該生產(chǎn)段，使生產(chǎn)效益最大化。

圖5 智能完井工藝管柱開關短節(jié)工作示意圖

1.2.4定壓短節(jié)工作原理

定壓短節(jié)(圖6)是油管內(nèi)部流體進入油套環(huán)空和儲層的流動通道，能夠?qū)崿F(xiàn)管柱下井過程中循環(huán)洗井解卡，以及后續(xù)不動管柱酸化壓裂作業(yè)的目的。當油管打壓使作用在定壓短節(jié)內(nèi)部達到設定的開啟響應壓力(定壓短節(jié)開啟響應壓力大于開關短節(jié)響應壓力)時，定壓短節(jié)的流動通道開啟，洗井液或酸化壓裂液流入地層；當作用在其內(nèi)部的壓力低于開啟響應壓力時，流動通道閉合，油管內(nèi)部流體無法進入地層。通過井口調(diào)節(jié)作用在定壓短節(jié)內(nèi)部壓力的大小，即可實現(xiàn)定壓短節(jié)重復開關。

圖6 智能完井工藝管柱單段定壓短節(jié)實物圖

1.3 管柱短節(jié)性能實驗

為了保證下井后管柱正常工作，對管柱的短節(jié)性能或組成短節(jié)的主要物質(zhì)進行室內(nèi)實驗驗證。圖7為管柱單個生產(chǎn)段開關短節(jié)、定壓短節(jié)的室內(nèi)實驗裝置示意圖，其中高壓工裝用于模擬井筒高壓，泵1模擬油管打壓，泵2模擬地層壓力；壓力傳感器1、2用于監(jiān)測測試短節(jié)內(nèi)、外部壓力。

圖7 智能完井工藝管柱室內(nèi)實驗裝置示意圖

圖8為完井管柱各短節(jié)的實驗結(jié)果。①開關短節(jié)實驗結(jié)果(圖8a)表明，油管打壓的壓力值達到開關短節(jié)設計的響應壓力時，開關短節(jié)工作制度會發(fā)生改變，從而驗證了開關短節(jié)的精準變換工作制度的性能。②定壓短節(jié)實驗結(jié)果(圖8b)表明，當油管打壓的壓力值達到定壓短節(jié)設計的開啟響應壓力時，定壓短節(jié)流動通道打開，并一直保持開啟；當油管打壓的壓力值低于定壓短節(jié)開啟響應壓力時，定壓短節(jié)流動通道關閉，從而驗證了定壓短節(jié)的開啟和關閉的精準響應性能。③固體示蹤劑釋放速率實驗結(jié)果(圖8c)表明，釋放速率呈現(xiàn)出初期高，隨后急劇降低，最后趨于穩(wěn)定的釋放規(guī)律；穩(wěn)定后的釋放速率均很小，最高為0.01 mg/(L·min)，可供長期使用。以上完井管柱實驗結(jié)果表明，開關短節(jié)、定壓短節(jié)響應壓力及示蹤劑釋放速率性能正常，有助于將找水-控水結(jié)合提高產(chǎn)液剖面解釋和產(chǎn)液剖面調(diào)整作業(yè)效率。

圖8 智能完井工藝管柱完井管柱短節(jié)實驗結(jié)果

1.4 管柱下井工藝

按照設計的控水管柱結(jié)構(gòu)方案，在貓道上連接引錐、油管、定壓短節(jié)、開關短節(jié)、控水短節(jié)、示蹤短節(jié)、生產(chǎn)層位封隔器等，緩慢下入井筒以防井口掉入小物件；同時在地面將頂部封隔器與下入工具連接，一體化完井管柱下入到預設位置，投球座封頂部封隔器，試壓驗封合格后，工具脫手；隨后泥漿泵正打壓座封生產(chǎn)層位封隔器；最后下電泵生產(chǎn)管柱，正常投產(chǎn)。

2 現(xiàn)場應用

2.1 方案設計

目標井X8井位于中國某海域Y油田。由于Y油田屬于底水油藏，為了提高X8井的儲層動用程度，降低因儲層非均質(zhì)性引起的底水脊進和錐進程度，X8井采用找水-控水一體化智能完井技術(shù)完井工藝。

根據(jù)X8井完井段儲層、流體物性(表1)及井眼軌跡等參數(shù)，建立箱型底水油藏數(shù)值模擬預測常規(guī)完井時的水脊剖面，油藏在X、Y、Z方向的尺度分別為1 000、400和18 m。模擬結(jié)果如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，底水容易在X8井完井段中部突破并發(fā)生水淹，因此限制中部產(chǎn)量、相對提高跟端和趾端產(chǎn)量，才能達到均衡產(chǎn)液剖面的目的。

圖9 X8井常規(guī)完井含油飽和度剖面

表1 Y油田X8井基本物性參數(shù)

基于X8井中部產(chǎn)液大而跟端、趾端產(chǎn)液小，因此井在采用找水-控水一體化智能完井技術(shù)完井時，完井段被封隔器分為3段進行生產(chǎn)。改變3段中每段長度和AICD數(shù)量，即可形成不同管柱結(jié)構(gòu)完井方案(表2)，相應的含油飽和度剖面模擬結(jié)果和累積產(chǎn)油量見圖10、11。可以看出，方案6的含油飽和度剖面在縱向上更為均衡，完井段中部產(chǎn)量被限制；在生產(chǎn)2 000 d時，累積增油量3×104m3，增油率達11.5%。

表2 X8井找水-控水一體化智能完井不同方案的管柱參數(shù)

圖10 X8井找水-控水一體化智能完井不同方案的含油飽和度剖面

圖11 X8井找水-控水一體化智能完井不同方案的預測產(chǎn)量

2.2 效果評價

X8井根據(jù)方案6形成了找水-控水一體化完井管柱，開關短節(jié)下入時的初始工作制度處于全開狀態(tài)。該井于2019年11月12日順利下入并投產(chǎn)，產(chǎn)油量最高達500 m3/d，截至2020年1月7日產(chǎn)油量為400 m3/d，仍處于無水產(chǎn)油期(圖12)，找水-控水一體化智能完井技術(shù)在X8井的應用成效顯著。

圖12 X8井采用找水-控水一體化智能完井技術(shù)后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1)水平井找水-控水一體化智能完井技術(shù)，能夠有效延緩水平井底水突破時間、提高儲層動用程度，同時簡化了找水和控水工藝流程。

2)水平井不同生產(chǎn)段開關短節(jié)的配合運用，使找水-控水一體化智能完井技術(shù)在具備AICD自動識別流體控水的同時，還具備主動調(diào)節(jié)功能，極大提高了管柱的控水效率，有很強的推廣意義。