海上機械控水完井技術應用現狀及發展趨勢

摘要：海上油田主要以水平井開發為主，如何有效控制含水上升速度是各油田面臨的主要問題之一。海上油田應用的機械控水完井技術包括中心管控水、變密度篩管控水、ICD/AICD分段控水、充填調流控水、C-AICD控水、找控水一體化等。總結了各方法的技術原理、優缺點和適用范圍，其中充填調流控水和ICD分段控水是海上油田主要應用的兩種機械控技術，前者利用輕質覆膜顆粒作為軸向封隔材料，適用于地層非均質性強、水平段長的油井控水，廣泛應用于渤海和南海東部油田；而ICD分段控水技術需要準確設計封隔器坐封位置，因此適用于地層情況認識清楚、非均質性不強的油井控水，主要應用于南海東部油田。基于技術現狀，展望了機械控水完井技術的發展趨勢，分析結果可為海上油田控水完井方式的選擇和后續技術的發展提供借鑒。

關鍵詞：控水完井；中心管；ICD；AICD；充填控水；控水穩油

中圖分類號：TE952 " " " " 文獻標志碼：A " " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.012

Application and Development Trend of Offshore Mechanical Water-Controlled Completion Technology

XIN Yicheng，WANG Huazhen，GAO Yancai，YUAN Zheng，ZHANG Binbin

（China Oilfield Service Company Limited，Tianjin 300459，China）

Abstract： Offshore oilfields are typically developed using horizontal wells. One of the main challenges faced by each oil field is effectively controlling the rate of water content rise. Mechanical water control completion technologies used in offshore oilfields include central water contro，variable density screen water control，ICD/AICD stage water control，filling flow control water control，C-AICD water control，and water search and control integration. The text describes the technical principles，advantages，and disadvantages，as well as the application scope of each method. Two main mechanical control technologies used in offshore oil fields are filling flow control and ICD subsection water control. The first method utilizes light film-coated particles as axial sealing materials and is appropriate for water control in oil wells with strong formation heterogeneity and long horizontal sections. This method is widely used in oil fields located in the Bohai Sea and eastern South China Sea. On the other hand，ICD subsection water control technology necessitates precise design of packer setting position，making it suitable for oil well water control with clear formation conditions and low heterogeneity. The mechanical water-controlled completion technology is primarily utilized in the eastern oilfield of the South China Sea. The current technical situation and development trends of this technology are highlighted in this article. The results can be a reference for the selection of water control completion methods and the development of subsequent technologies in offshore oil fields.

Key words： water-controlled completion；Central tube；ICD；AICD；Filling water control；Control water and stabilize oil

海上油田開發中，受平臺空間的限制，大多采用水平井開發來提高單井控制儲量，增大泄油面積，但底水錐進、注入水突破等導致含水快速上升是制約水平井開發的主要因素之一［1-4］。渤海油田水平井井深較淺，水平段長度較短，大部分區塊已進入開發中后期，平均含水率達到80%以上，部分油田含水率接近90%。南海東部油田水平段長度較長，日產液量較高，在大液量生產的條件下無水采油期短，目前高含水井占比近90%，且主要以特高含水井為主。南海西部高含水油田數量已經超過一半，主要以高含水井為主。

生產井一旦見水，水在水平井壁與防砂管柱間的環空中極易發生竄流，導致油井含水率快速上升和注入水無效循環，增加平臺污水處理負荷，限制整個平臺的產液能力。對于疏松砂巖油藏來說，地層膠結強度低，水的沖刷還會加劇地層出砂，堵塞篩管或井筒，增加了電潛泵砂卡損壞的風險。因此如何延長油井見水時間、均衡水平段產液剖面是海上油田水平井生產亟需解決的問題之一。

1 國內外機械控水完井技術

1.1 簡易中心管控水

中心管控水完井由Brekke［5］于1994年首次提出，其控水原理是在防砂篩管內插入中心管，使水平井跟端的流體在中心管與防砂管柱間的環空中繞流后流入井筒內，該方式會在跟端形成了一個附加壓降，如圖1所示，降低水平井跟趾段效應導致的產液不均衡問題。后來油田對中心管控水技術進行了改進，將中心管與篩管或其他完井管柱分段連接，下入特定位置以抑制該處的油水前緣推進速度。2012年渤海油田應用中心管限制跟端邊水流動能力，目標井儲層均勻，為中高孔、中高滲油藏，措施后含水下降18%，效果顯著。2016年南海西部油田應用了中心管分段控水技術，目標井鉆遇儲層非均質性強，采用中心管+滑套+密封筒組合方式實現分段調整控水，措施后初期含水下降16%，降水效果良好但生產壓差提高。

中心管控水完井［6］方式結構簡單、成本低，經濟效益較高，但是對流體附加的流動阻力有限。早期中心管控水技術無法抑制環空中的竄流，控水籠統，后期雖開發了中心管分段控水，但其控水原理是關閉出水段，嚴重影響了單井產能。因此中心管控水技術僅適用于均質地層中油井控水完井，且油藏處于低含水期。近年來隨著ICD/AICD控水閥、控水篩管等的規模應用，單一的中心管控水完井作業越來越少。

1.2 變密度篩管控水

變密度篩管控水技術來源于定向井變密度射孔，1991年Landman等［7］研究了定向井變密度射孔后井筒產液剖面的預測。此后國內外技術人員設計了變密度篩管控水完井，其控水原理［8-9］就是根據儲層物性分布設計不同孔密的篩管組合，調節各段的過流通道數量，進而控制產液剖面，管柱如圖2所示。該完井方式結構簡單、成本低，且具備一定的擋砂能力。但篩管本身過流面積較大，提供的附加阻力有限，且海上需求復雜多樣，非標性質的變密度篩管加工難度大，因此應用較少。

1.3 ICD分段控水

ICD控水閥（Inflow Aontrol Device）的概念最早由Brekke和Lien［5］提出，并于1994年應用于水平井控制水錐。根據地層滲透率和飽和度的分布，設計封隔器的下入位置，利用封隔器對水平井管外環空進行分段封隔，阻擋流體在井壁與管柱間的軸向竄流，同時利用ICD控水閥的限流作用，控制流體徑向產液速度，抑制高滲段的產液量，實現延長油井見水時間的目的，技術原理如圖3所示。ICD分段控水技術主要應用于南海東部油田高液量油井的完井作業［10-12］，與未控水的同層位鄰井相比，生產初期單井平均含水率降低2%，平均日產油增加6 m3/d，降水增油效果一般。

ICD分段控水完井可以根據地層物性針對性地進行控水設計，延長油井見水時間。但該完井方式受封隔器下入數量的限制，軸向分段數量有限，無法實現精細化控水。總體來講ICD分段控水適用于地層非均質性不強且未發生水淹的油藏，延緩底水錐進速度，延長油井水淹時間。

1.4 AICD分段控水

在國內海上油田使用較多的AICD控水閥（Automatic Inflow Control Device）主要有兩種類型［14-16］：浮板型和螺旋通道型，結構如圖4所示。前者依據伯努利方程中流體動態壓力與局部壓力損失之和恒定的原理，自動調整不同粘度流體流通的通道大小。而螺旋通道型AICD控水閥主要依靠不同粘度流體進入閥體時切向速度的不同控制流體流動路徑，增大過閥摩阻進而抑制產水速度。南海西部某油田應用了螺旋型AICD中心管分段控水技術，目標井地層認識清楚，分段設計依據充足，儲層物性較好，措施后與油藏預測相比含水率降低34%，日增油69 m3，截至目前已生產36個月，含水率依然低于同期預測值，降水增油效果顯著。

AICD分段控水原理與ICD控水閥分段控水原理和優缺點基本相同，但AICD閥具有流體識別功能，能夠對油水附加不同的阻力，實現控水目的，因此AICD控水閥分段控水技術可以用于后期水淹段的控水，適用范圍更廣。

1.5 充填調流控水完井

充填調流控水完井技術［17-20］的原理是在防砂管柱與裸眼井壁環空中充填疏水顆粒，如圖5所示，增加流體軸向竄流的阻力，提高分段的精細化程度，再配合ICD/AICD控水閥的徑向調流控水作用，實現均衡油水產液剖面的目的。該技術最早由Augustine等［21］于2006年提出，在西非加蓬近海的Etame油田ET-6H井應用了ICD控流篩管充填陶粒的施工工藝，后續國內又研發了一種表面涂覆聚乙烯等材料的充填顆粒［22］，通過改變顆粒的潤濕性，使其具有密度低和親油疏水的特性，在相同流量條件下疏水顆粒過流壓降更大，表明疏水顆粒對水的流動阻力更大，如圖6所示。利用顆粒易沖刷、易攜帶的特性，充填調流控水完井技術還可用于海上油田大修井的復產降水以及裂縫型碳酸鹽巖油藏控水，增大地層水流向井筒的阻力，提高控水能力。充填調流控水完井已在海上油田應用超50井次，平均含水率降低5%～15%，平均日增油10～50 m3/d，單井最長有效期達38個月，降水增油效果顯著。

充填調流控水完井無需下入封隔器，依靠顆粒疏水特性能夠實現環空的精細化分段，配合控水篩管達到雙重控水、雙重防砂的一體化能力，因此該技術適用于地層非均質性強、地層認識不清的水平井籠統控水，也可用于老井二次防砂控水完井。由于疏水顆粒和控水閥組合后具有雙重阻水效果，充填調流控水技術完井壓降更大，因此該完井方式要求地層能量充足，以保證油藏的配產要求。

1.6 C-AICD智能控水閥控水

ICD控水閥主要依據節流效應限制高滲段的產能，但見水后無法限制產水速度。AICD控水閥可在見水后限制水的過流量，但是在前期未見水時，高滲段生產不受限制，無法延長油井無水或低含水采油期。針對上述問題，國內外研究了C-AICD智能控水閥完井技術［23-24］，如圖7所示，控水原理是在ICD短節內安裝AICD閥，地層流體流過ICD閥后需要再經過AICD閥才能進入基管內，在前期生產時利用ICD的節流效應抑制高滲段產量，均衡水平井筒各段的產液剖面，中后期見水后利用AICD控水閥的相選擇功能抑制水的產量，延緩油井含水上升。

目前該技術已在南海東部油田進行過礦場試驗，目標井利用封隔器分段封隔環空，分別設計各段C-AICD控水閥的數量，投產八個月后該井含水率上升至88%，含水率比預測值低5.5%，累計產油量較預測值高0.6×104 m3，在一定程度上延緩了底水錐進。智能控水閥分段控水需要下入分段封隔器，并設計各段的控水閥數量，因此該技術結合了ICD和AICD分段控水的優勢，適用范圍與兩種技術基本相同。

1.7 示蹤找控水一體化控水

示蹤找水方法根據示蹤劑的不同分為化學示蹤劑和量子示蹤劑［25-26］，可以監測井下動態產液情況，相較于傳統測井找水技術具有監測結果準確、作業成本低、監測時間連續的特點。水平井機械控水完井技術是為了實現延長油井見水時間和抑制含水上升速度的目的，如果能夠精確判斷主要出水段，可以有效提高控水的精確性。因此國內學者開展了找控水一體化完井技術，其原理是在控水短節中組合示蹤貼片，同時在短節上安裝控制滑套，工作原理如圖8所示。流體流經示蹤帶再通過控水閥進入管柱內，通過井口取樣并解釋后可以判斷各段產液貢獻，再利用機械或液壓等方式關閉滑套封堵水淹段，降低油井含水率。

找控水一體化完井技術已在國內進行了礦場試驗，將水平段劃分為三段，分別設計各段AICD控水閥數量，投產兩個月后基本仍處于無水采油期。找控水一體化完井技術利用封隔器實現環空分段封隔，因此適用條件也與分段控水相近。

2 機械控水完井發展趨勢

“十三五”期間海上油田機械控水完井技術快速發展，水平井控水完井作業數量逐漸增多，但降水增油效果不一。目前國內各油田基本采用鄰井對比法評價控水效果，但由于各井投產時間不一，儲層內油水分布或含水飽和度會發生變化，此時與鄰井對比缺乏有效性。因此未來機械控水技術應當基于大數據分析的原理，建立控水井數據庫，歸納措施井的基本概況、措施類型和生產數據等，通過降維等方式形成控水選井選層標準和量化評價模型，建立措施響應機制，提高機械控水完井措施效果。

“十四五”時期海上油田將持續加大復雜油氣藏開發關鍵技術攻關力度，機械控水完井技術應緊跟勘探開發方向，持續研發新型控水完井技術和工具，包括在高溫高壓地層、稠油熱采井中控水/氣閥的應用和智能分倉控水技術等，提升工具穩定性和工藝適用性。機械-化學復合控水完井技術也是海上油田控水的熱點，充分利用ACP化學封隔器、選擇性可溶堵水顆粒等，提升環空封堵效果和縫控堵水能力，以解決大修井分段困難、裂縫竄流等問題。

3 結論

目前國內外海上油田常用的機械控水完井技術包括中心管控水、變密度篩管控水、ICD/AICD控水閥分段控水、充填調流控水等。對于均質地層，可以選用中心管或變密度篩管控水完井方式，降低作業成本；對于各段物性差異明顯且沒有薄夾層的非均質地層，可以采用控水閥分段控水完井技術，限制環空水竄進而降低油井含水上升速度；對于油水互層或帶有薄夾層的強非均質性地層，且地層能量充足時，可以采用充填調流控水完井，實現環空近似精細化分段，提高控水效果。C-AICD智能控水閥、找控水一體化控水完井技術已在海上油田開展了礦場試驗，控水效果較好，后續可以與充填調流控水技術結合提高技術的適用范圍和控水強度。后續機械控水技術應當在現有成果的基礎上總結規律，評價各技術在海上油田各井況條件下的適用性，同時研發新產品、新工藝，適應海上油田探勘開發方向和開發需求。

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