張 磊 潘 豪

（中海油研究總院，北京 100027）

穩(wěn)油控水技術(shù)在底水油藏水平井開(kāi)發(fā)前期設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 磊 潘 豪

（中海油研究總院，北京 100027）

針對(duì)番禺某油田前期設(shè)計(jì)中底水迅速突進(jìn)的問(wèn)題，闡述ICD、中心管等控水措施延緩底水錐進(jìn)的原理，對(duì)油田前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中ICD、中心管等控水效果進(jìn)行分析對(duì)比，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

穩(wěn)油控水；中心管；ICD；控水效果；敏感性

底水油藏在海上油田，特別是南海油田廣泛存在。水平井作為海上油田開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越多，從近3年開(kāi)發(fā)井型統(tǒng)計(jì)來(lái)看，水平井與定向井的比例超過(guò)3︰1，水平井高效開(kāi)發(fā)效果逐漸成為海上油田開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)。對(duì)已開(kāi)發(fā)水平井動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)大部分水平井存在以下情況：（1）底水突破后含水上升較快，產(chǎn)液結(jié)構(gòu)不斷惡化，提液增產(chǎn)難度越來(lái)越大；（2）平臺(tái)污水處理系統(tǒng)面臨的考驗(yàn)也日益加劇，節(jié)能減排的壓力日漸增大；（3）伴隨含水上升和油田產(chǎn)出液溫度的升高，設(shè)備的腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重，電潛泵生產(chǎn)周期將顯著變短，作業(yè)費(fèi)用進(jìn)一步增加。

水平井水淹問(wèn)題嚴(yán)重地限制了油田采收率的提高，對(duì)原油處理設(shè)備和環(huán)保要求構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，解決水平井水淹問(wèn)題已迫在眉睫，急需要一種經(jīng)濟(jì)有效的穩(wěn)油控水技術(shù)［1］。

一般認(rèn)為水平井在底水油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果縱向壓力梯度大于重力梯度底水就會(huì)錐進(jìn)，反之，就不會(huì)形成水脊，而水脊在根部錐進(jìn)的原因是水平井水平段內(nèi)的摩擦損失。流體沿水平井井筒流動(dòng)存在一個(gè)壓降，與根部相比，水平段末端生產(chǎn)壓降很小或者為零，水平段末段就出現(xiàn)產(chǎn)油少或不產(chǎn)油的井段。如果油藏壓降較大，在水平段根部這個(gè)壓力梯度最大處形成水脊，造成底水錐進(jìn)（如圖1）。底水油藏水平井底水脊進(jìn)與油層厚度、打開(kāi)程度、儲(chǔ)層物性、原油物性、水平井在油藏中的位置、水平段的流動(dòng)摩擦及生產(chǎn)壓差等因素有關(guān)［2-4］。

圖1 非均質(zhì)底水油藏底水脊進(jìn)示意圖

為了有效解決這一問(wèn)題，中海油進(jìn)行了大量探索，其中，以目前發(fā)展較快的穩(wěn)油控水完井技術(shù)應(yīng)用最廣。該技術(shù)的應(yīng)用成效已見(jiàn)端倪，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。穩(wěn)油控水完井技術(shù)為底水油藏水平井控水、提高采收率提供了一條有效途徑。

目前水平井控水完井技術(shù)主要有完井時(shí)下中心管、ICD篩管、變密度篩管及完井時(shí)對(duì)水平段分段完井，并在后期修井時(shí)采取卡水作業(yè)。

1 穩(wěn)油控水完井技術(shù)原理

1.1 分段完井控水

這種控水措施主要針對(duì)水平段地層不均質(zhì)性較強(qiáng)，對(duì)地層有較清楚的認(rèn)識(shí)，且井眼尺寸足夠大的情況。完井過(guò)程中，首先根據(jù)地層性質(zhì)差異將水平段分成若干段，下部完井時(shí)各段采用合適的篩管，之間使用膨脹封隔器分隔。生產(chǎn)中若測(cè)到某一段或某幾段出水嚴(yán)重，而其他段出水不嚴(yán)重，可在修井時(shí)使用兩端帶封隔器的盲管段將出水的層段卡死；也可下入帶有可調(diào)水嘴的中心管柱，進(jìn)行后期控水作業(yè)［5］。

圖2 后期下入帶有水嘴的中心管控水管柱

1.2 ICD篩管完井控水

ICD（inflow control device）［2］控水技術(shù)使用一些可以調(diào)整打開(kāi)或關(guān)閉的小孔來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確控制地層和生產(chǎn)管柱之間的流動(dòng)壓差，促使沿井眼長(zhǎng)度產(chǎn)生一個(gè)均勻的流入剖面，使油藏能夠更有效的生產(chǎn)，從而提高油井產(chǎn)量和油藏采收率。其主要作用有：延遲水平井跟部位置水錐/氣錐的產(chǎn)生；延遲高滲透地層或裂縫地層中水和氣體的產(chǎn)出；在非均質(zhì)地層中降低不均勻的流入剖面；減少常規(guī)完井中的環(huán)空流動(dòng)和交叉流動(dòng)；避免防砂完井中由于熱點(diǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的篩管腐蝕。

ICD篩管完井技術(shù)下部完井管柱如圖3和圖4所示。

圖3 XJ23-1-A18H井下部完井管柱

圖4 HZ26-1-9SaSb井下部完井管柱

ICD完井控水對(duì)非均質(zhì)性油藏和邊底水油藏適用性很強(qiáng)。但前提是要有比較準(zhǔn)確的地層物性資料，以便于分段和設(shè)置ICD參數(shù)，這對(duì)于非均質(zhì)油藏顯得尤為重要。另一個(gè)影響因素是出砂情況。ICD是讓通過(guò)流體經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的小孔、細(xì)小的管道或槽道來(lái)增加流動(dòng)阻力，對(duì)于出砂嚴(yán)重、特別是細(xì)粉砂較多的地層，存在著一定的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，所以下入ICD需要結(jié)合油藏特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)要求，完井就需慎重考慮［6］。

1.3 中心管完井控水

中心管技術(shù)是目前常用的一種控制底水錐進(jìn)的措施，其方法是在水平段井筒內(nèi)下入一段中心油管。在水平井中，如果水平段均質(zhì)性較好，則最大生產(chǎn)壓差會(huì)產(chǎn)生在水平段根部，最小生產(chǎn)壓差會(huì)產(chǎn)生在水平段趾部。下入中心管的作用是降低水平段根部和趾部之間生產(chǎn)壓差的差值，一定程度上減緩底水錐進(jìn)的速度［7］。

若某井水平段長(zhǎng)600m，根部生產(chǎn)壓差為2MPa，趾部生產(chǎn)壓差為0.8MPa，水平段為均質(zhì)的，此時(shí)水平段平均生產(chǎn)壓差為2MPa。假設(shè)下入中心管后平均生產(chǎn)壓差仍為2MPa，此時(shí)最大生產(chǎn)壓差將發(fā)生在水平段中部，最小生產(chǎn)壓差發(fā)生在根部和趾部，且生產(chǎn)壓差的最大差值將會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)的一半，由1.2MPa降為0.6MPa，這就是中心管減緩底水錐進(jìn)的原理［8］，如圖5 所示。

圖5 中心管減緩底水錐進(jìn)作用原理

圖6 PY5-1-A05H井中心管示意圖

為增強(qiáng)分段控水效果，國(guó)內(nèi)一些公司提出下入中心管的同時(shí)還一起下入階梯篩管和遇油/遇水封隔器，其管柱示意圖如圖6所示。

這種配合使用方法在理論上比單純的下入“中心油管和普通篩管”的組合方法效果更好。因?yàn)椤爸行墓?階梯篩管”組合方式對(duì)非均質(zhì)性適應(yīng)性更好，操作靈活性更高。階梯篩管其附加壓降產(chǎn)生和控水的原理是：

（1）多層疊合的過(guò)濾網(wǎng)，具有一定阻力，能夠產(chǎn)生附加壓降；

（2）地層砂粒沉積于過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)，堵塞部分過(guò)濾網(wǎng)孔道，降低了滲透性，大大增加了過(guò)濾件產(chǎn)生附加壓降的能力；

（3）充填于環(huán)空內(nèi)的積砂或砂橋能夠產(chǎn)生較大的附加壓降；

（4）篩管孔密度不同，泄流面積不一樣，能夠產(chǎn)生不同的附加壓降；

（5）相對(duì)低滲的環(huán)空積砂和部分堵塞吼道的過(guò)濾件流體流動(dòng)特征為滲流，其符合達(dá)西定律。

表1 番禺某油田開(kāi)發(fā)井含水率預(yù)測(cè)

中心管完井對(duì)出砂量的多少不太敏感，并且中心管配合變密度篩管完井對(duì)大量出砂井的控水效果可能更好。因?yàn)樽兠芏群Y管的壓降原理主要是地層砂粒沉積于過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)，堵塞部分過(guò)濾網(wǎng)孔道，降低了滲透性，從而增加了過(guò)濾件產(chǎn)生附加壓降的能力。若出砂量大，砂粒充填于環(huán)空內(nèi)的積砂或砂橋，由于篩管孔密度不同，泄流面積不一樣，能夠產(chǎn)生不同的附加壓降。因此，理論上變密度篩管對(duì)非均質(zhì)油層控水也是適用的［9-10］。

2 番禺某油田A2H井前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中控水措施選擇

番禺某油田主力儲(chǔ)層為底水油藏，且開(kāi)發(fā)底水油藏較多。前期研究中，該油田生產(chǎn)初期存在出砂的可能性，需要防砂。鑒于油藏油層厚度薄，縱向上夾層分布較少，且底水能量強(qiáng)。這樣油藏條件容易導(dǎo)致底水在水平井局部錐進(jìn)。從生產(chǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，含水上升很快（見(jiàn)表1），需要有效地減緩底水錐進(jìn)，控制含水上升。根據(jù)油藏要求，建議在生產(chǎn)井中采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂频姿F進(jìn)。

2.1 A2H井基本數(shù)據(jù)

A2H井開(kāi)發(fā)層位為RE15.1，油品為較高黏度重質(zhì)油。結(jié)合油藏Eclipse模型，利用NETool軟件，可以得到井位和油藏的橫向剖面圖（見(jiàn)圖7）；圖8為井筒縱向剖面及含油飽和度分布圖；圖9為井筒附近垂直滲透率分布圖。

圖7 A2H井位橫向剖面圖

圖8 A2H井位縱剖面及含油飽和度分布圖

A2H井所在儲(chǔ)層油品具有高比重、較高黏度的特點(diǎn)，所以，水、油流度比較小，有利于底水錐進(jìn)。井筒附近含油飽和度分布不均，將會(huì)造成井筒各段的出水量不一致，導(dǎo)致出水剖面不均勻。垂直滲透率呈不均勻分布（范圍：（366～1 154）×10-3μm2），也會(huì)導(dǎo)致出水剖面不均勻，增加高滲透率井段底水突進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，A2H井生產(chǎn)過(guò)程中存在含水率上升過(guò)快的可能，需要采取控水措施。

圖9 A2H沿井筒垂直滲透率（kv/kh=0.5）

2.2 普通篩管完井

首先計(jì)算分析在不控水完井下，油井在井生產(chǎn)第一年時(shí)的產(chǎn)量和含水率。選擇在生產(chǎn)初期的油藏模型作為分析對(duì)象，根據(jù)開(kāi)發(fā)指標(biāo)，設(shè)置條件如下：定產(chǎn)量為1 245m3/d，地層壓力為13.01MPa。井筒尺寸為215.9mm；割縫篩管外徑為177.8mm，內(nèi)徑為157.1mm。根據(jù)NETOOL軟件計(jì)算水平段下普通篩管完井，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 普通篩管完井下番禺A2H井計(jì)算結(jié)果

圖10 A2H沿井筒出水剖面

圖11 A2H環(huán)空和管內(nèi)壓力曲線

普通篩管完井下，油井剛生產(chǎn)時(shí)的含水率達(dá)到63.41%。從圖8的沿井筒出水剖面來(lái)看，根部高產(chǎn)水，井筒中間和趾部產(chǎn)水相對(duì)較少。出水剖面不均勻現(xiàn)象非常突出。根據(jù)油藏開(kāi)發(fā)指標(biāo)，A2H井在常規(guī)完井下，生產(chǎn)2年后含水率增加到95%。因此，A2H井可以考慮控水完井，延緩底水脊進(jìn)。

2.3 ICD篩管控水完井

2.3.1 初步設(shè)計(jì)

ICD的選擇和孔徑：A2H開(kāi)發(fā)層位為RE15.10，儲(chǔ)層油品為高黏度、低含硫的重質(zhì)油。參考南海已采取的 ICD 類型（Channel、Nozzle），考慮到 Nozzle ICD可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，并且該ICD對(duì)黏度不敏感，暫選Nozzle ICDNozzle ICD主要參數(shù)：孔徑為0.1in，流動(dòng)系數(shù)為0.7（正常值）。

水平段分段數(shù)：前期設(shè)計(jì)階段，水平段被分隔的段數(shù)和長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)的水平段滲透率有關(guān)。因此，基于油藏提供的單井水平段滲透率分布，初步劃分水平段的段數(shù)和確定各段長(zhǎng)度。

ICD個(gè)數(shù)和開(kāi)孔數(shù)：在初選時(shí)每段中ICD個(gè)數(shù)為該段長(zhǎng)度/ICD的長(zhǎng)度。開(kāi)孔數(shù)在初選時(shí)結(jié)合普通篩管完井生產(chǎn)初期的出水剖面來(lái)確定。

2.3.2 優(yōu)化參數(shù)

ICD的關(guān)鍵參數(shù)初步選定后，利用NETOOL軟件計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到的出水剖面和含水率大小，細(xì)化ICD的分段數(shù)和各段長(zhǎng)度、開(kāi)孔數(shù)等參數(shù)，直至該井的出水剖面趨于均衡，含水率最低。優(yōu)選封隔器分段方案如下：

利用NETool軟件，對(duì)下入ICD控水篩管完井計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 ICD控水完井分段結(jié)構(gòu)

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，ICD篩管完井通過(guò)增加不同井段流體從地層到管內(nèi)不同大小的阻力，起到均衡出水剖面的作用，含水率降低，增加了油井產(chǎn)油量。

2.3.3 敏感性分析

在水平井中下入ICD過(guò)程中可能遇阻問(wèn)題，由于封隔器外徑大于篩管的外徑，所以，遇卡部位很可能在封隔器處。為分析ICD平衡篩管進(jìn)入儲(chǔ)層不同深度下對(duì)控水效果的影響，分別考慮下入完整的從趾部到根部的前 5、4、3、2、1 段時(shí)，分析 ICD 對(duì)均衡剖面、降低含水率的作用。

表4 A02H井采取ICD控水篩管完井計(jì)算結(jié)果表

圖12 A02H井沿井筒方向出水剖面

ICD篩管未下到位，就達(dá)不到控水效果，有的比普通篩管完井的含水率還高，所以，施工過(guò)程中應(yīng)盡量滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 中心管完井

利用NETool軟件，模擬計(jì)算時(shí)采用“中心管+普通篩管”完井的結(jié)構(gòu)。由于中心管尺寸越大，環(huán)空摩阻越大，對(duì)根部控水效果越明顯。為增強(qiáng)中心管控水效果，結(jié)合已下入管柱內(nèi)徑大小，選取中心管的外徑為127mm，內(nèi)徑為111.9mm。

圖13 篩管、中心管和ICD完井下A2H沿井筒出水剖面

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果可知，在一定尺寸下，將中心管下入水平段1/2處時(shí)，含水率相對(duì)較低。但下入中心管完井預(yù)測(cè)的含水率與油藏配產(chǎn)中的含水率大小基本一樣，下入中心管控水完井并沒(méi)有起到明顯的控水作用。

根據(jù)現(xiàn)有資料，利用NETool軟件針對(duì)邊、底水驅(qū)動(dòng)類型A2H井模擬了ICD控水完井和“中心管+普通篩管”等控水完井的生產(chǎn)效果。通過(guò)計(jì)算得出利用ICD控水完井效果較好，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整出水剖面的作用，使出水剖面趨于均衡。

對(duì)于ICD下入深度、砂堵、結(jié)垢等敏感性進(jìn)行分析，上述因素均會(huì)不同程度影響其ICD控水效果。

鑒于A2H井地下原油黏度較小，油藏配產(chǎn)的生產(chǎn)壓差不大，在不下中心管的情況下，水平段根部和趾部的生產(chǎn)壓差差值比較小，因此下入中心管的作用不會(huì)特別明顯。

A2H井開(kāi)發(fā)初期含水率上升較快，且生產(chǎn)年限較短，后期調(diào)整余地較小，為保證在生產(chǎn)周期內(nèi)有效的底水錐進(jìn)，推薦A2H井采用ICD方式控水。

表5 ICD控水篩管下入不同段數(shù)時(shí)完井計(jì)算結(jié)果表

對(duì)于變密度篩管完井，目前無(wú)法比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)變密度篩管的實(shí)際控水效果，因?yàn)橐恍﹨?shù)較難選取，且限于NETOOL軟件的局限性，本文暫不討論。分段完井控水前期分段，后期下入帶水嘴的中心管柱，其控水機(jī)理與ICD類似，且中心管柱下入時(shí)間靈活，考慮到該油田油藏預(yù)測(cè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)年限較短，且分段完井后期下入帶水嘴中心管柱技術(shù)目前尚未在國(guó)內(nèi)使用。因此，本階段暫不推薦，待技術(shù)成熟后再考慮。

表6 中心管不同下入深度對(duì)生產(chǎn)情況的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

目前行業(yè)內(nèi)仍沒(méi)有一個(gè)確切而完善的手段來(lái)準(zhǔn)確衡量各種控水措施的適應(yīng)性，也無(wú)法準(zhǔn)確提出油田的全壽命的控水措施。在油田前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，不僅要考慮穩(wěn)油控水技術(shù)問(wèn)題，還應(yīng)考慮整個(gè)油田開(kāi)發(fā)策略及方向。建議結(jié)合諸多因素，最終確定合理且經(jīng)濟(jì)的控水措施方案。

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Application of Stabilizing Oil Production Controlling Water Cut Technique in Horizontal Well for Pre-developing with Bottom Water Reservoir

ZHANG Lei PAN Hao
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027)

As for the rapid coning of bottom water while the preliminary design of Panyu oilfield,this article includes that the explanations of principle of delaying the bottom water coning by ICD central tube and so on.Then it introduces in details the analysis,comparison,selection,design optimization of ICD and central tube in the oil field pre-development design.

stabilizing oil production and controlling water cut；central tube；ICD；water controlling effect；sensitivity

TE32

A

1673-1980(2012)05-0040-07

2012-03-26

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05024-003)

張磊（1984-），男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，研究方向?yàn)橥昃夹g(shù)。