水平井中心油管控压缓水技术研究--陈培亮(编辑修改稿)

水平井中心油管控压缓水技术研究--陈培亮(编辑修改稿)内容摘要：

示意图 威德福 FloReg ICDs[30] (如图 13)外部有一个可选择的筛管。 该工具使用多个的流入孔开和关，产生需要的附加 由井筒摩阻产生的压降 来调节流入剖面。 水平井 中心油管控压缓水 技术研究 4 图 13威德 福 FloReg ICDs结构示意图 斯伦贝谢 ResFlow ICDs[30] (如图 14)，通过防砂筛管与 ICD 的集合，实现防砂和流入控制。 筛管外部是一个预钻孔基管。 在筛管的连接处装配一个 ResFlow ICD，流体从基管预钻孔流入，经过筛管，流入节流腔室，最后通过节流喷嘴。 通过一个四个陶质的节流喷嘴产生一个节流 由井筒摩阻产生的压降 调节流体流入量。 图 14斯 伦贝谢 ResFlow ICDs结构示意图 上述均衡流入控制装置（ ICDs）于上世纪九十年代已提出应用于水平井 底水油藏解决底水脊进问题，目前在国外已进行深入研究，并在各种类型的底水油藏得到广泛应用，各种井下监测技术已证明该技术对于底水油藏流入剖面的均衡控制的有效性。 由于保密原因，该均衡流入控制装置在文献中只有简单原理介绍，对装置的具体优化设计方法和设计理论以及设计技术均未描述，而且国外各大服务公司由于技术垄断，该技术的完井服务费用高。 所以研制具有自主知识产权的均衡流入控制装置对于我国的底水油藏高效经济开发很有必要。 油选择流入控制系统（ Oil Selective inflow Control System） [31]，该系统的原理是浮动球（ 如图 15中 34）的密度与地层水的密度一致，当水进入的环空腔室时，球上浮堵住流入孔（如 图 15中 34），当低于浮动球密度的油进入环空腔室时小球下落至腔室底部，使油从流入孔流入。 但含水率上升时浮动球堵塞流入孔时，将增加一个流入 由井筒摩阻产生的压降 ，控制地层水流入。 该系统的缺点是流入附加阻力不好控制，且当油水密度差异不大时该系统不适应，浮动球材质的抗温性能不好。 西南石油大学硕士研究生学位论文 5 图 15油选择流入控制系统结构示 意图 选择性渗透膜（ Permeable Membrane） [32]控水装置（如 图 16），该系统的原理是当地层水流入选择性渗透膜时，渗透膜膨胀、孔隙变小，地层水流入阻力加大。 当油流入选择性渗透膜时，渗透膜收缩，孔隙加大，油流入阻力变小。 选择性控制入流流体流入，从而达到控水目的。 图 16 选择性渗透膜控水装置示意图 双完井技术 [43]（ Dual Completion Technology），即油水分采技术。 底水上升 的原理是由于生产时产生了一向上的压力降，那么，若能在油水界面下产生一个相反的压力降则能阻止底水上升。 双完井技术就是在油水界面附近施加一个可控流量，形成一定压差来平衡采油过程中造成的油水界面处的 由井筒摩阻产生的压降。 图 17 和图 18是双完井技术两种完井形式。 图 17是同一直井下钻两个分支水平井，上分支水平井采油，下分支水平井采油。 图 18是直井钻开水层固井射孔采水，在油层部位侧钻水平井采油，实现油水分采。 水平井 中心油管控压缓水 技术研究 6 图 17双完井示意图 1 图 18 双完井示意图 2 智能完井系统（ Intelligent well Systems） [28]~[29]：控制气、水锥是国外智能完井的一个重要应用。 智能完井实际上是一种多功能的系统完井方式 ， 它允许操作者通过远程操作的完井系统来监测、控制和生产原油 ， 这种操作系统在不起出油管的情况下 ， 仅需一台地面调制解调器和一台个人专用计算机就能随时重新配置井身结构 ， 它还可以进行连续、实时的油层 管理 ， 采集实时的井下压力和温度等参数。 智能完井一般包括以下几部分 ： 井下信息收集传感系统 ； 井下生产控制系统 ； 井下数据传输系统 ； 地面数据收集、分析和反馈控制系统。 井下信息收集传感系统主要由多种传感器构成 ， 其中多相流流量测量采用普通传感器 ； 井下温度和压力的测量采用光纤传感器 ； 井筒和油藏中流体的粘度、组分、相对密度的评估采用微电子传感器。 智能完井可以控制气、水锥进 ， 加速生产 ， 提高油田最终采收率。 智能完井上的流入控制阀（ ICV/ICD）可以对不同层位有选择地进行开或关 ， 从而实现从特定油层段采油的目的。 智能完井上的传 感器能够监测各油层油、气、水量 ， 根据实时监测数据修正油井工作制度，优化控制生产。 当生产中出现水或气的锥进时 ， 可通过调整层段流量 (即关闭产水或产气层 ， 控制注水或注气等 )来延缓水或气的锥进 ， 从而实现加速生产 ， 提高油田最终采收率的目的。 因此 ， 对于油层性质差距较大 ， 需进行多层合采或合注的井或需控制水、气锥进的井可采用智能完井。 化学控水技术 [27]（ Chemical Control Water Technologies），国外 在过去 20 年在化学控水技术取得了一些进展，国外把各种化学控水体系分为三类： ① 封堵剂（ Sealants），封堵剂永久封堵水层，后期无法解堵； ② 超性能碳氢水泥体系 (Hydrocarbon Ultrafine Cement Systems， HUCS)，超性能碳氢水泥体系用于封堵裂缝和溶洞，该体系遇水水化阻止水流过，若体系未被水化在生产时可返排出来，而不损害地层； ③ 相渗透率调节剂（ Relative Permeability Modifers， RPW），相渗透率调节剂堵水机理是通过大分链在水相中伸展、在油相中收缩降低水相渗透率来达到控水的目的。 国外各种化学控水体系在底水油藏水平井中有两种应用形式：一种是发现水平井筒西南石油大学硕士研究生学位论文 7 中某处出水后，再泵人控水剂于出水位置进行堵水，是一种后期堵水方法；另一种是在油层和水层之间注入封堵剂打一人工隔板防止水向油层流入。 国内水平井控水技术研究现状 1).水平井油藏与井筒耦合流动研究现状 (1).产能指数模型与井筒流动模型耦合 李晓平（ 2020 年） [33]运用 与 Dikken 相似的方法 ，建立了水平井油藏与井筒耦合模型。 王瑞和（ 2020 年） [34]采用拟三维思想，把流体在三维空间的流动分为垂直裂缝流、近井区径向流、孔眼汇聚流，建立了井筒单元段的油藏渗流模型，进而根据质量和动量守恒原理建立了油藏与井筒耦合模型。 (2).半解析产能模型与井筒流动模型耦合 刘想平（ 1999 年） [35]运用镜像反映与势叠加原理推导了无限大地层水平井势分布，然后利用物质守恒原理，建立了油藏流动与井筒流动耦合的稳态模型。 黄学军（ 2020 年） [36]运用与 Penmatcha 相似的方法，建立了水平井油藏与井筒耦合的非稳态模型。 段永刚（ 2020 年） [37]基于非稳态流，将水平井的油藏渗 流与井筒流动视为一个相互作用的整体，建立了油藏与井筒耦合条件下的不稳定流动数学模型，进一步建立Laplace 空间中的计算模型，从而能够在油藏模型中利用大量现存的水平井渗流数学模型及其压力解，通过迭代求解可以获得定产量条件下的井筒流入剖面， 由井筒摩阻产生的压降 分布等重要信息。 王小秋（ 2020 年） [38]在无限大均质地层弹性不稳定渗流解析解的基础上，建立了水平井油藏与井筒耦合的非稳态模型，并结合具体实例对耦合模型的求解得 到了水平井筒内的 由井筒摩阻产生的压降 分布与产量分布，揭示了井筒与油藏耦合条件下射孔完井水平井的变质量流动特性。 汪 志 明（ 2020 年） [39]基于非均质油藏不同完井方式的水平井完井表皮系数模型及等效井径模型，运用势叠加原理，建立了非均质油藏水平井油藏与井筒耦合流动模型。 2).水平井控水技术应用现状 (1)采水采气联合消除水、气锥进方法 窦宏恩 [40]根据油井生产时的 由井筒摩阻产生的压降 分布，设计出消除底水、边水突破油井的工艺方法即油层和水层两层同时生产 ，其基本原理与国外的双完井技术相同，这个工艺是采用积极的方法来 延缓底水 脊进。 (2)分段生产控水技术 2020年，胜利采油院的宋开利 [41]对水平井分段采油工艺管柱进行了研究。 认为 常规技术无法有效控制 和延缓底水脊进。 为此， 对于 采用分段射孔的完井方案，设计了两种水平井分段采油工艺管柱。 一种是 以 SPY44l型丢手封隔器为主的卡水工艺管柱；另一种是以皮碗式封隔器为主的封上采下生产管柱。 现场应用表明， 此技术有效的延缓了底水水平井 中心油管控压缓水 技术研究 8 脊进。 (3)化学堵底水技术 国内冀东油田 于 2020 年 [42]在直井进行了先期堵水技术研究，油层射开前在油水界面打化学隔板延缓底水上窜，在不污染生产层段的情况下通过调节堵剂性能和注入参数来提高堵剂的波及效率，在油水界面充分分布形成有效阻挡。 对堵水时机、高黏度高强度复合凝胶堵剂的开发、优化工艺设计 3 方面 进行了室内研究。 现场应用表明，底水油藏先期堵水可实现油井低含水投产，采出程度大大提高，效果好于底水锥进后再进行后期治理。 戴彩丽 （ 2020年） [43]等对海上油田水平井底水脊进控制技术进行了研究。 提出利用水基 堵剂对水的封堵率高而对油的封堵率低 这一特性的 选择性堵剂 、由 地层渗透率差异或 相 对 渗透率差异产生的 选择性注入 以及 用过顶替液 (聚合物溶液 )将油层中的堵剂过顶替出油层，为产油留下通道 的 过顶替 等 方法来控制底水脊进。 (4)底 水油藏水平井变密度射孔控水技术 李洪山 （ 2020年 ） [44]对水平井底水油藏变密度射孔技术优化进行了研究。 他从改变水平井射孔密度的角度人手，人为控制生产压差，使水平井的水平段从远井地带到近井地带，固定生产压差生产，从而减缓水平井的底水“脊进”。 由于水平井水平段的存在摩阻，水平段跟部的摩阻大、流压低，易造成底水“脊进”。 他在射孔器材上采用变孔密射孔设计方案，提出了射孔设计的计算方法，人为控制生产压差， 从而 减缓底水的上升速 度。 目前，西南石油大学 熊友明 教授又在上述研究的基础上深入研究，在技术上取得了更大的进展： ，进行水平井段长度上的变密度、变穿深等变射孔参数优化组合，均匀消除沿水平井段长度上的钻井污染剖面并追求产量最大化； ，进行水平井段长度上的变密度、变穿深等变射孔参数优化组合，合理利用钻井污染剖面并追求产量最大化同时延缓和控制底水锥进。 (5)均衡控水技术 针对水平井开发底水油藏，西南石油大学熊友明 教授 进行了大量研究： ① 提出了带 ECP 的 打孔管分段堵水新型完井方法 [45]，如 下图 19所 示： 图 19 带 ECP的打孔管配合特 殊堵水完井管柱示意图 这种新型带 ECP 打孔管配合特殊堵水完井管柱的完井方法优点是： 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 a、水平段中的完井管柱为不同长度的打孔管、盲管配合 ECP 组成，依靠合理的盲管长度达到有效延缓底水锥进的目的； b、由于预先将水平井分段，具备后期对水平井实施化学或者机械堵水的功能。 该完井方法中，盲管和筛管 (或者打孔管 )的长度与比例配置是关键问题，长度与比例配置合理会起到延缓底水锥进的作用，对产能的影响小；长度与比例配置不合理将会对产能有较大的影响并且不能起到延缓底水锥进的效果。 该方法已在南海礁灰岩底水油藏应用，取得了很好的 效果。 该方法的缺点是判断出水层位困难，需下入找水仪器；且只能在一定程度上延缓底水锥进。 ② 2020 年 熊友明教授与胜利油田联合进行了找水基础理论研究，在如上图 19 所示的带 ECP 的打孔管配合特殊堵水完井管柱基础上加入下入压力、温度计，根据出水而井筒流压分布、温度的变化从而判断出水位置，从而实施机械堵水。 相对国外同类找水装置具有可靠、简单、经济等优点。 ③ 熊友明教授针水平井延缓和控制底水，提出了变盲筛管控水、变密度射孔控水技术、中心油管控压控水技术 [1][2]， 中心油管控压控水技术在中国海洋油田西江 231 延缓和控制水平井底水脊进取得巨大成功。 国内安东石油公司研制了一种节流控水筛管，如图 110所示 ，该筛管通过施加一定的流体流入阻力，从而达到控水目的。 该技术在 2020 在冀东油田进行了应用，取得的效果不是很明显，具体设备结构仍然需要优化。 图 110 安东石油公司节流控水筛管结构示意图 研究的 技术思路与主要内容 本文研究的技术思路是： 以渗流力学与 工程流体力学 为理论基础 ， 首先分析底水突破的机理，证明水平井中底水突破的不可避免性，分析水平井底水非均衡脊进的原因，由此提出 中心油管控压缓水 技术；接着 从连续性方程和动量守恒方程 出发 ， 建立 油藏渗流 、 井筒 管 流 及 中心油管段环流 的耦合 模型 ， 并编制 中心油管完井 设计程序，通过对实例油藏 中心油管完井 的优化研究证明 中心油管完井 技术的可行性和正确性。 本文研究的主要内容是： ①底水油藏底水锥进 /脊进机理研究。 ②水平井井筒流的特点及影响水平井非均衡流入剖面原因研究， ③基于 底水非均衡流入的原因，对均衡排液控制完井技术研究； ④ 考虑井斜角不为 90o 时的水 平井井筒单相 管流的 压降 模型研究； ⑤ 考虑井斜角不为 90o 时中 心油管段单相环空流的 压降 模型研究 ； 水平井 中心油管控压缓水 技术研究 10 ⑥油藏 井。