中海油深圳分公司總工程師譚呂：南海東部底水油藏水平井控水完井技術研究進展！

南海東部底水油藏分布廣泛,水平井開發方式可大幅度降低底水錐進速度,但由于水平段距離長,儲層非均質性和水平井跟趾效應造成的點狀見水易導致油井含水率大幅上升,降低生產效益。針對上述問題,南海東部油田采用ICD、AICD、C-AICD等控水工具,結合控水顆粒充填、智能分段分流等控水工藝,開展了底水油藏水平井控水完井技術研究與應用,取得顯著效果。圍繞南海東部底水油藏水平井控水完井技術研究進展,綜合分析了不同控水方式的控水原理、技術特點和不同控水完井工具的特性曲線數學模型,總結了不同生產預測技術的應用規模和不同控水完井技術的應用效果。在此基礎上提出了底水油藏水平井控水完井技術挑戰和發展趨勢,可為南海東部底水油藏水平井控水完井的進一步發展提供參考。

引言

  南海東部已有43個油田相繼投入開發,形成近海優質高產群,包括惠州油田群、西江油田群、陸豐油田群、流花油田群、番禺油田群和恩平油田群。南海東部油田為多層油藏油田,一個油田發育5～16個油藏,縱向上層狀邊水油藏和底水油藏交互存在,底水油藏的地質儲量約占總地質儲量的40%～60%。隨著鉆完井技術的不斷發展,水平井和多分支井等復雜井型憑借在抑制底水錐進方面的優越性,被廣泛應用于南海東部油田群^[1-4]。由于南海東部底水油藏普遍存在著較強的非均質性,且水平井一旦見水容易導致暴性水淹,因此采取不同類型的控水措施平衡水平井筒不同位置的流入量,最大程度降低含水上升速度,成為提高控水增油效果的關鍵技術^[5-7]。

  南海東部底水油藏水平井控水完井技術經歷了從變密度射孔完井^[8]、中心管完井^[9]到流入控制工具(簡稱ICD)、自主式流入控制工具(簡稱AICD)等不同階段。隨著變密度射孔完井和中心管完井逐漸退出,ICD、AICD已成為國內外底水油藏水平井開發中主體控水完井技術^[10-14]。近年來,國內還涌現出了顆粒充填結合ICD、AICD或C-AICD為特征的新型控水完井技術,并得到了一定范圍的應用。本文圍繞ICD、AICD、C-AICD以及控水顆粒充填完井技術的研究進展和發展趨勢展開綜述,以期為南海東部底水油藏水平井控水完井技術的進一步發展提供參考。

1 底水油藏水平井控水完井技術進展

1.1 ICD控水完井技術

  ICD控水完井技術通過抑制流經高滲層段的流量而生成更大的壓降,以此消除“跟趾效應”和滲透率非均質性引起的非均勻流動,一般在生產初期可以起到很好的控水效果,生產后期無法根據生產動態進行調節^[15]。目前應用的主要類型包括流道型ICD和噴嘴型ICD。

  1)流道型ICD。

  流道型ICD是應用最早的ICD類型之一^[16],通過不同類型的流道式幾何結構實現對入流流體的平衡,常見的幾何結構包括環繞基管的螺旋通道和混合式通道,流道型ICD主要依靠摩擦力產生大部分壓降,這種類型的ICD對流體的黏度高度敏感。

流道型ICD的特性曲線公式借鑒了流體力學計算方法,混合流體流經流道型ICD產生的壓降可以表示為^[17]

式(1)中:Δp_流道型ICD為流道型ICD產生的壓降,MPa; L為螺旋通道長度,m; D為螺旋通道直徑,m; μ為流體平均流速,m/s; g為重力加速度,m/s²; f為摩擦因子,無因次。

  2)噴嘴型ICD。

  噴嘴型ICD是相比于流道型ICD結構更簡單的ICD類型^[18]（圖1）,它通過一個小尺寸的噴嘴產生節流壓差,實現對入流流體的平衡,常見的幾何結構包括閥孔、噴嘴、噴管或文丘里管等。

圖1 噴嘴型ICD

  目前南海東部廣泛采用的噴嘴型ICD特性曲線如圖2所示,在控水完井設計中可選用10個噴嘴尺寸孔徑。

圖 2 噴嘴型ICD特性曲線圖版

1.2 AICD控水完井技術

  自主式流入控制工具AICD可以認為是新一代的ICD,流體流過AICD產生的壓降主要取決于流體的組成或其他屬性,如密度、黏度、流速等,可以在不添加任何外部人為干預的情況下自動實現對入流流體的平衡,一般在生產中后期能夠根據含水變化自動產生一定壓降對水平井的生產進行調節,但在提液階段具有明顯的“控液”作用。目前應用的主要類型包括浮動圓盤型AICD和流道型AICD。

  1)浮動圓盤型AICD。

  浮動圓盤型AICD是具有自我調節能力ICD,在流道中引入了一個可以浮動的圓盤,流體通過浮動圓盤與閥下端的流動壓力越大時,浮動圓盤與閥上端的空隙越小,產生的阻流作用越大,如圖3所示。在相同的入口壓力下,對于黏性大的流體,流速較慢,產生壓差較小,浮動圓盤處于閥內的底部,對流體沒有阻礙; 對于低黏性流體,由于流動流體的速度較快,在壓力差的作用下,浮動圓盤向上移動,使得出口孔的流道面積減少,形成“擋水不擋油”的效果。

圖 3 浮動圓盤型AICD

  目前南海東部廣泛采用的浮動圓盤型AICD特性曲線如圖4所示,可以看出隨著含水的增加,浮動圓盤型AICD的壓降迅速增加。

圖 4 浮動圓盤型AICD特性曲線圖版

  2)流道型AICD。

  流道型AICD是一種具有較高可靠性、抗侵蝕性、耐腐蝕性和抗堵塞性的AICD,它沒有活動部件,允許高黏流體低速流動的同時限制低黏流體高速流動。與浮動圓盤型AICD一樣,流道型AICD不需要人為干預,通過改變流體的流動路徑為主要控制對象,實現對不同特性流體的控制。

流道型AICD和浮動圓盤型AICD的特性曲線類似,因此流道型AICD壓降可以采用式(3)計算,并結合實驗測試回歸相應參數得到。

1.3 C-AICD控水完井技術

由于ICD在油田生產初期可以起到一定的控水效果,但是到了生產后期無法進行自動調控,導致控水效果下降,AICD在生產初期控水現象不明顯,直到含水上升到一定程度后才能起到明顯的控水作用^[24]。近年來,一種結合了ICD和AICD特點的復合型控水裝置(C-AICD)在南海東部海域得到了應用,該裝置在生產初期利用ICD的特性來平衡不同滲透率地層的入流,在生產后期利用AICD的特性來限制高含水段的流入,從而實現全生命周期的油水平衡^[25],但其參數設計較為復雜,控水機理仍有待進一步研究。

1.4 控水顆粒充填完井技術

控水顆粒充填完井是將礫石填充技術與ICD控水完井的結合,將充填顆粒填充在控水工具(一般為ICD)與井壁之間的環形空間中,形成環空中的軸向封隔,限制每一井段入流流體對其他井段的影響,起到放置多個封隔器的作用,利用控水工具抑制高滲段流入,起到選擇性限流、均衡供液剖面作用,達到控水增油效果^[26],如圖5所示?？厮w粒充填完井通過礫石填充實現了對水平段軸向的連續封堵,充分發揮了控水工具的控水效能,但充填程度對控水效果會產生很大影響。

圖 5 控水顆粒充填完井

1.5 智能分段分流控水完井技術

  智能分段分流控水完井技術利用控水管柱將產層分隔成多段,每段下入電纜測調工作筒,通過電控配電器調整油嘴開度,控制每段油層的生產,產出液體經頂部封隔器以上機械滑套流至油套環空,再經電泵舉升至地面,如圖6所示。2023年南海東部油田首次實施了智能分段分流控水完井。智能分段分流控水完井大大增加了生產后期控水工具調整的靈活性,但也增加了技術的復雜性,提高了對工具可靠性的要求。

圖 6 智能分段分流控水完井

2 底水油藏水平井控水完井生產預測技術

隨著技術的發展,涌現出多種多樣的底水油藏水平井控水完井方式和控水完井工具,對于不同方式或工具的選擇以及不同參數的設計需要借助生產預測技術完成。目前能夠用于底水油藏水平井控水完井生產預測的技術方法主要分成2大類,即解析生產預測技術和數值模擬生產預測技術。

2.1 解析生產預測技術

解析生產預測技術采用穩態產能模型解決油藏向水平井筒的流入問題,采用多相流動模型解決水平井筒的變質量流動問題,采用特性曲線模型解決不同控水完井方式的流動問題。構建由油藏、井筒、控水閥件組成的節點網絡,以各節點的壓力為紐帶,將不同流動模型結合在一起進行求解,如圖7所示。

圖 7 解析生產預測技術節點分析示意圖

解析生產預測技術計算快捷、簡便,可以解決ICD控水完井、AICD控水完井、控水顆粒充填完井的預測問題,但其計算結果只能是靜態的,無法對長期的生產動態進行準確求解,南海東部海域各油田在控水技術發展初期,大量采用此類方法對控水參數進行初步設計,應用規模達到200井次以上。

2.2 數值模擬生產預測技術

數值模擬生產預測技術將油藏、控水完井工具和水平井筒視為3個不同空間尺度的流動,分別建立油氣水三相的滲流模型、控水完井工具特性模型、水平管流模型、顆粒充填層滲流模型,以各個空間尺度的接觸面為鏈接節點,進行不同空間尺度流動的耦合數學模型研究,該方法采用了多段井耦合數學模型的思路,通過建立“鑲邊”的大型系數矩陣,實現對底水油藏水平井不同類型控水完井方式的生產動態模擬,如圖8所示。數值模擬生產預測技術及相應的自研軟件是目前南海東部海域底水油藏控水完井生產預測和參數優化的主要手段,可以解決ICD控水完井、AICD控水完井、C-AICD控水完井、控水顆粒充填完井,應用規模達到150井次以上。

圖 8 控水顆粒充填完井數值模擬模型矩陣

3 南海東部控水完井技術應用效果

南海東部油田水平井占總井數78%,底水錐進快、油田含水快速上升、油田綜合含水高達92.2%,以水帶油模式的產水量高,導致高能耗、高排放,地面水處理設施升級改造頻繁,水處理成本加大,限制了主力油田開發。隨著含水上升,穩油需求使得產出水劇增,平臺水處理設備面臨瓶頸及外排壓力。為了控制水平井底水的過早突破,南海東部積極探索控水穩油技術,改善開發效果,中心管、變密度篩管、ICD、AICD、C-AICD、控水顆粒充填、智能分段分流等控水技術先后被引進和應用。截至2023年12月,ICD、AICD、C-AICD、控水顆粒充填及智能分段分流五類控水方式累計應用238口井(圖9),形成了一整套海上油田水平井控水技術。

圖 9 南海東部各類控水技術應用情況

  結合南海東部6個油田的實際生產數據,利用基于數值模擬生產預測技術的自研軟件對不同控水完井方式的應用效果開展后評估分析,結果表明:

  1)ICD控水完井具有早期抑制底水的特點,幾乎在南海東部海域的每個油田都取得了一定的控水效果;

  2)AICD控水完井在常規稠油油藏取得了較好效果,但在稀油油藏中由于在高含水階段產生壓差過大,導致生產后期提液困難,限制了其應用的規模;

  3)控水顆粒充填完井對于常規稠油油藏和裂縫性油藏具有較好的控水效果,對于砂巖油藏,尤其是水平段較長的情況下,控水效果仍待進一步觀察。

  分析認為,不同控水完井方式的控水原理不同,適應性也各不相同,早期控水明顯優于晚期控水。到目前為止,南海東部控水效果顯著,已投入控水成本4.8億元,累計增油超80萬方,累計少產水超6600萬方,折合減少碳排放48萬噸,增創產值超30億元。

4 南海東部控水技術挑戰及發展趨勢

  截至目前,以ICD、AICD為主的控水完井工具逐步形成了系列產品并在南海東部海域各油田得到廣泛應用,底水油藏水平井控水技術得到全面發展,但仍然存在一些問題亟需解決。

4.1 技術挑戰

  1)底水油藏水平井控水完井工具靈活性不足。

   南海東部各油田廣泛采用的ICD和AICD控水工具,在現場實際操作過程中,以隨鉆測井獲得的滲透率作為設計依據開展控水工具參數設計,然后隨控水管柱一次下入井中,下入后不再進行參數調整。一方面,由于儲層的油水分布復雜,在生產過程中很難判斷水平段出水點的位置; 另一方面,沒有足夠的措施對后期的產液剖面進行進一步的調整。因此,如何提高控水完井工具的靈活性,實現全生命周期的高效控水是擺在當前的一個重要問題。

  2)底水油藏水平井控水完井方式生產預測技術待完善。

  南海東部已實現100%自主控水動態模擬和設計,控水技術措施有效率達90%以上,但隨著各種新型控水完井工具、新型控水完井技術的出現,使得底水油藏水平井近井地帶的流動愈加復雜,流動規律更加多變,對控水完井的生產預測技術提出了更高要求。

  3)底水油藏水平井控水完井方式優選標準待建立。

  南海東部提出了“一井一策”的差異化精細控水原則,最大程度上發揮控水工具效能,針對6個主力油田提出了控水方式的總體選用原則,但是影響底水油藏水平井控水效果的因素是多方面的,選擇什么樣的控水完井方式既需要考慮累產油,也要考慮產出水的處理能力,更要考慮投資和成本,建立一個適合于南海東部海域的控水完井方式優選標準勢在必行。

4.2 發展趨勢

  1)水平井分段智能調控完井技術。

  隨著智能完井技術的發展,以遠程遙控“智能閥”為代表的新型控水裝置開始涌現,結合井下油水監測功能的傳感器,形成了結構更加復雜、控制更加精密、操作更加靈活的水平井分段智能調控技術(即分艙控水技術),逐步實現對底水油藏的動態監測以及對水平井各段產液量的調控,降低油井含水率并保持產油穩定。南海東部各油田計劃在2024年部署20口分段智能調控水平井。

  2)智能生產優化技術。

  底水油藏水平井控水完井生產預測技術實現了不同維度流動相互耦合的生產動態模擬,但實際生產要求根據獲得的井下油水信息進行控水工具參數實時調整、動態優化,促使生產預測技術向滿足油藏信息反饋、控水效果預測、控水閥件優化調整、油藏信息收集的智能生產優化方向發展。

  3)控水完井優選標準。

  南海東部已形成了初步的控水完井設計和評估標準,提出了控水完井方式選擇的基本流程,隨著生產預測技術精度的不斷提升、復合控水新模式的不斷涌現,集合投資成本、原油產出、產水處理、能耗效率、經濟效益和綠色發展等多因素于一體的新標準正在形成。

5 結論

  1)南海東部各油田廣泛采用了ICD、AICD、C-AICD、控水顆粒充填、智能分段分流等多種控水完井技術,累計增油超80萬方,累計少產水超6600萬方,控水效果顯著,為油田穩油控水、節能減排、增產穩產提供了有力手段。

  2)南海東部底水油藏控水技術實踐表明,底水油藏水平井控水完井工具的靈活性仍有不足,控水完井生產預測技術的適應性仍待完善,底水油藏水平井控水完井方式優選標準亟待建立,未來將圍繞新型分段智能調控完井技術、智能生產優化技術和控水完井優選標準開展進一步的攻關。

來源：中國海上油氣

中國油氣人工智能科技大會

摘要截稿倒計時13天

因與重大事件時間沖突，組委會決定將2024第三屆中國油氣人工智能科技大會舉辦時間調整為8月1-3日。摘要征集截止時間延長至：2024年7月26日；分批發送錄用通知截止時間延長至：2024年7月29日；論文全文截止時間延長至：2024年9月19日。 

本次大會以“‘人工智能+油氣’——驅動油氣產業綠色低碳高效新篇章”為主題，旨在搭建一個高層次、專業化的交流平臺，深入探索智能化技術在油氣綠色低碳中的開發利用，推動互聯網、大數據、人工智能與實體經濟的深度融合，共同為油氣行業的智能化進程添磚加瓦。

我們向全國油氣行業的專家、學者及企業代表發出誠摯的邀請，并啟動優秀論文征集活動。此次會議與《石油鉆探技術》、《石油科學通報》聯合征稿，評選出的一二等優秀論文將刊發在《石油鉆探技術》專題或者《石油科學通報》?？?。

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