海上油田水平井控水新工藝的研究與應用

張斌斌，雷鴻，李良慶，胡澤根，袁征，黃杰

1.中海油田服務股份有限公司（天津 300450）

2.中海石油（中國）有限公司 深圳分公司（廣東 深圳 518000）

0 引言

目前，海上油氣田大量采用了水平井完井開采的模式［1］，利用水平井技術開發底水油藏相對直井具有很大的優勢，可以顯著增加井筒與儲層的接觸面，能夠在較低的生產壓差下獲得與常規直井或斜井相當的產量［2］。因此，對于各種油藏條件，水平井完井大都是優先考慮的開采方式。但隨著油田進入開發后期，也浮現出很多問題，主要表現在完井階段，水平井完井方式選擇不合理，導致一投產含水就迅速上升、水平井低含水期較短［3］；為實現增油，盲目提液導致油井出砂趟井，甚至報廢；注入水無效循環，給油田水處理帶來很大的壓力；采出程度低等問題［4-6］。

針對上述油井高含水并伴隨出砂的問題，進行了控水新工藝的自主研究，形成了“環空阻流控水技術”新工藝。

1 技術原理

環空阻流控水技術主要是針對水平井在完井或修井階段，通過在水平段下入控水篩管，并在篩管和井壁之間充填滿阻水顆粒，相鄰篩管之間盲管段可視為有一定滲漏的環空封隔器，全井筒實現趨于無極限分段控水。其控水原理主要表現在：

1）阻水顆粒的真實密度為1 050 kg/m3，密度和海水、完井液接近，易攜帶；表面憎水親油，具備“過水阻力大、過油阻力小”的特性。

2）通過在篩管外環空充填密實的阻水顆粒層，沿水平段軸向上可抑制水發生橫向竄流，避免大段水淹。如圖1所示，徑向礫石層厚度一般在0.02 m，而篩管之間盲段長度一般可設計3～5 m，軸向流動壓降（ΔP2）約為徑向流動壓降(ΔP1)的150～250倍，環空軸向竄流量（Q2）僅為地層進入井筒的徑向流量(Q1)的1/250～1/150。

圖1 環空阻流控水原理示意圖

3）徑向上通過在高含水段設置較小孔徑的噴嘴式控水閥（集成在控水篩管內），抑制水進入篩管內，減少高出水段產水量，從而達到降低水平段整體含水率的目的。如圖2 所示，流體從井筒進入篩管需經過過濾網，沿著基管內壁流動至控水閥，再通過控水閥這個唯一通道進入篩管內，被生產出來。根據嘴流壓降原理［7］:

式中：Q為經過孔眼的混合流體流量，m3/s；ρ為混合流體密度，kg/m3；Dv為ICD 孔眼尺寸，m；C為流動系數，無因次。

在流動系數C和流體密度ρ為定值d的條件下，相同壓差下，控水閥孔徑Dv縮小50%，流量Q減少75%。通過調整控水閥孔徑可以有效控制高含水段產液量。

2 實驗研究

環空阻流控水技術的核心是阻水顆粒和控水閥，阻水顆粒的性能和充填率決定了防止流體軸向竄流的效果，控水閥的設置決定了徑向限流的強度。

2.1 阻水顆粒阻水透油性能評價

為了評價阻水顆粒阻水透油的性能，實驗采用螺桿泵驅替實驗流體流經“擋砂介質過流性能評價裝置”，監測實驗過程中的流量、壓力變化情況。

實驗采用的徑向流驅替裝置主要由液罐、螺桿泵、透明填砂管（不同位置安裝有壓力傳感機構，單節長0.15 m）、回流舉升水泵（將流體循環至液罐）、數據采集系統、連接管路等部分組成（圖3）。

圖3 油、水過流性能評價裝置

具體做法是在填砂管中填滿評價用阻水顆粒，分別用清水（黏度0.001 Pa·s）和柴油（黏度0.002 Pa·s）作為過流介質，測試沿長度15 cm的填砂管軸向滲流阻力，記錄指定長度測壓點壓力變化情況，來反映阻水顆粒在長井段水平方向的阻水性能。

以20/40 目阻水顆粒為例，測試同一目數的阻水顆粒分別對水和油的阻力。實驗數據見表1。隨著流量增加，過流壓差增加。

表1 油水通過性實驗數據

從圖4中可看出，20/40目阻水顆粒過水壓降是過油壓降的1.4～2.3 倍。在排量1.411×10-4m3/s（即12 m3/d）條件下，20/40 目阻水顆粒過水壓降約為過油壓降的2倍；實驗采用填砂管長度為0.15 m，而實際現場篩管上下盲段總和可達到3.0～4.5 m，該流量下水通過軸向礫石層產生的壓降將會提高20～30倍，過水壓降和過油壓降差值將提高20～30倍。

圖4 油、水過流性能曲線

通過上述實驗，表明阻水顆粒具備較好的透油阻水性能，有利于發揮環空阻流控水技術的軸向抑制竄流的作用。

2.2 環空阻流控水充填效果

為了研究采用環空阻流控水技術模擬現場施工條件下的充填效果，驗證控水篩管的盲管段能否得到有效充填，將控水閥安裝到70.44 mm（2■8"）ICD控水篩管上，將控水篩管連接下入171.5 mm（7"）水平套管試驗井筒，按照圖5所示流程，利用清水作為攜砂液將阻水顆粒充填到篩管、井筒環空。

圖5 礫石充填實驗流程圖

171.5 mm（7"）水平套管實驗井筒主要由3層管一體化工裝、171.5 mm（7"）套管、觀察短節、171.5 mm（7"）套管、觀察短節、171.5 mm（7"）套管、堵頭等組成，可以實現模擬環空泵入和油管返出流體的功能。

由于該顆粒密度低、易攜帶，因此施工排量要求較低。參考現場施工習慣，實驗步驟如下：

1）沉砂池加水，連接管線，試壓15 MPa。

2）關閉旁通針閥，循環排出套管內空氣，校核流量計讀數是否準確。

3）調節旁通針閥，以0.031 8 m3/min（0.2 bbl/min）為階梯，從0 到0.318 m3/min（2.0 bbl/min）提高排量，進行循環測試，記錄數據。停泵，根據測試結果調整施工排量。

4）攪拌罐加滿液，控制砂比4%，攪拌均勻，以調整后排量進行礫石充填，觀察充填效果。

5）施工后期逐步降排量，達到脫砂壓力后停泵。

實驗最終達到了脫砂壓力約12.4 MPa，壓力曲線如圖6所示，理論充填砂量即設計砂量V1：V1=Vs+Vm，即篩管外環空體積與盲管外環空體積之和，為0.433 m3。根據加砂前后差值計算得到實際充填砂量V2=0.470 m3。可得到充填效率K：K=V2/V1,為108.5%，超過100%，說明有0.037 m3顆粒進入根部的盲套環空。結合盲套環空的單位長度環空體積：0.015 m3/m,可證明實際盲管埋高超過2 m，大于礫石充填的盲管埋高標準（1.83m），說明環空阻流控水試驗的充填質量良好。

圖6 充填實驗曲線

如圖7所示，充填實驗完成后，玻璃觀察窗和密實度觀測孔填充密實程度很高，且砂量滿足預期要求。

圖7 充填密實情況

通過研究環空阻流控水充填規律，表明控水篩管的盲管段能夠達到很好的充填效果，現場作業能夠實現井筒環空100%的充填率，環空阻流控水在現場施工具備可行性。

3 環空阻流控水施工及工藝措施

海上油田中一些泥質含量較高的水平井在實施控水防砂措施后，存在油井提液量困難、最大液量太低，達不到理想的產油量［8］，篩管或近井筒被堵塞的現象，導致產液量逐漸下降［9］。為了避免此類情況，環空阻流控水技術采取的工藝措施包括：

1）考慮原井泥質含量或泥巖段占比，如果泥質含量過高，控水后可能存在泥質堵塞風險。兼顧防砂和控水效果，將阻水顆粒由較細粒度的40/60 目變為中等粒度的20/40目。

2）考慮保證控水效果和后期提液的雙重需求，改變不同產液段的控水閥布置數量，在較好的油層可將控水閥適當加密；如油水分布不確定，可統一加密控水閥布置。

3）通過在不同水平段適當放大或縮小控水閥的孔徑，來有效改善地層流入剖面，延緩見水時間，降低含水上升速度［10］。

4）現場進行充填作業時，在不壓破地層的前提下，控制較高的施工壓力，可填補地層虧空或裂縫，增強對近井筒和環空內流體流動的控制能力。

5）老水平井修井時，采用環空阻流控水技術還應注意壓井液、暫堵劑與地層的配伍性，盡量減少地層漏失量，避免污染儲層。

4 現場應用效果分析

Q 油田儲層主要以高孔高滲疏松砂巖為主，前期開發中大批量采取水平井獨立篩管完井，在油藏邊底水的驅動下，油田含水上升較快，目前油田整體含水90%以上，大部分水平井生產過程伴隨有出砂現象，治理起來非常困難，油田對有效防砂控水技術需求迫切。

Q1H 井是該油田的典型高含水出砂井，1 口208.25 mm（8?2"）裸眼水平井，于2014 年8 月15 日投產，原井下入134.75 mm（5?2"）優質篩管礫石充填防砂。2018 年化驗出砂，最大出砂量0.1%，油井產液持續下降，停井前日產液360 m3/d，產油10.3 m3/d，含水97.12%，生產壓差1.23 MPa。

油藏分析原井出水點不明確，大修再完井采用了環空阻流控水工藝，在原篩管內下入70.44 mm（2■8"）控水管柱進行環空阻流控水。修井完成后生產穩定，如圖8所示，日產液330 m3/d，產油40.5 m3/d，含水87.72%，生產壓差4.45 MPa。采取措施后存在流壓略微降低的現象，通過提高周邊對應注水井的配注量，有效改善了該情況。

圖8 控水措施前后生產曲線

5 結論

1）環空阻流控水技術能夠實現井筒環空軸向相鄰段之間的竄流控制以及徑向進入篩管的控制，能夠實現水平井有效地控水。

2）相同排量下，阻水顆粒對油阻力小，對水阻力大，利于改善油井控水效果。

3）環空阻流控水技術結合了控水和礫石充填防砂兩大特點，控水效果明顯，防砂有效期長，能夠實現油井控水防砂的雙重目的。

4）油井實施環空阻流控水技術后，應制定合理的生產制度，密切跟蹤生產參數、出砂量及臨井注入參數，提高采油量，保證防砂、控水效果。

5）環空阻流控水工藝在出水不明確的老井已顯現出很好的控水穩油效果，在新井完井時應用此項工藝，其全生命周期控水穩油效果會更好。