谭 吕,张 宁,曹波波,等.南海东部底水油藏水平井控水完井技术研究进展[J].中国海上油气,2024,36(3):137-143.
TAN Lü,ZHANG Ning,CAO Bobo,et al.Research progress on water control completion technology for horizontal wells in bottom water reservoirs in the eastern South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2024,36(3):137-143.
(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518054; 2. 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 102249)
第一作者简介: 谭吕,男,高级工程师,1994年毕业于原石油大学(北京)石油工程专业获学士学位,2002年获原石油大学(北京)工程硕士学位,主要从事海洋油气田开发方向研究工作。地址:深圳市南山区后海滨路(深圳湾段)3168号中海油大厦A座(邮编:518054)。E-mail:tanlv@cnooc.com.cn。
南海东部底水油藏分布广泛,水平井开发方式可大幅度降低底水锥进速度,但由于水平段距离长,储层非均质性和水平井跟趾效应造成的点状见水易导致油井含水率大幅上升,降低生产效益。针对上述问题,南海东部油田采用ICD、AICD、C-AICD等控水工具,结合控水颗粒充填、智能分段分流等控水工艺,开展了底水油藏水平井控水完井技术研究与应用,取得显著效果。围绕南海东部底水油藏水平井控水完井技术研究进展,综合分析了不同控水方式的控水原理、技术特点和不同控水完井工具的特性曲线数学模型,总结了不同生产预测技术的应用规模和不同控水完井技术的应用效果。在此基础上提出了底水油藏水平井控水完井技术挑战和发展趋势,可为南海东部底水油藏水平井控水完井的进一步发展提供参考。
引言
南海东部已有43个油田相继投入开发,形成近海优质高产群,包括惠州油田群、西江油田群、陆丰油田群、流花油田群、番禺油田群和恩平油田群。南海东部油田为多层油藏油田,一个油田发育5～16个油藏,纵向上层状边水油藏和底水油藏交互存在,底水油藏的地质储量约占总地质储量的40%～60%。随着钻完井技术的不断发展,水平井和多分支井等复杂井型凭借在抑制底水锥进方面的优越性,被广泛应用于南海东部油田群[1-4]。由于南海东部底水油藏普遍存在着较强的非均质性,且水平井一旦见水容易导致暴性水淹,因此采取不同类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,成为提高控水增油效果的关键技术[5-7]。
南海东部底水油藏水平井控水完井技术经历了从变密度射孔完井[8]、中心管完井[9]到流入控制工具(简称ICD)、自主式流入控制工具(简称AICD)等不同阶段。随着变密度射孔完井和中心管完井逐渐退出,ICD、AICD已成为国内外底水油藏水平井开发中主体控水完井技术[10-14]。近年来,国内还涌现出了颗粒充填结合ICD、AICD或C-AICD为特征的新型控水完井技术,并得到了一定范围的应用。本文围绕ICD、AICD、C-AICD以及控水颗粒充填完井技术的研究进展和发展趋势展开综述,以期为南海东部底水油藏水平井控水完井技术的进一步发展提供参考。
1 底水油藏水平井控水完井技术进展
1.1 ICD控水完井技术
ICD控水完井技术通过抑制流经高渗层段的流量而生成更大的压降,以此消除“跟趾效应”和渗透率非均质性引起的非均匀流动,一般在生产初期可以起到很好的控水效果,生产后期无法根据生产动态进行调节[15]。目前应用的主要类型包括流道型ICD和喷嘴型ICD。
1)流道型ICD。
流道型ICD是应用最早的ICD类型之一[16],通过不同类型的流道式几何结构实现对入流流体的平衡,常见的几何结构包括环绕基管的螺旋通道和混合式通道,流道型ICD主要依靠摩擦力产生大部分压降,这种类型的ICD对流体的黏度高度敏感。
流道型ICD的特性曲线公式借鉴了流体力学计算方法,混合流体流经流道型ICD产生的压降可以表示为[17]
式(1)中:Δp流道型ICD为流道型ICD产生的压降,MPa; L为螺旋通道长度,m; D为螺旋通道直径,m; μ为流体平均流速,m/s; g为重力加速度,m/s2; f为摩擦因子,无因次。
2)喷嘴型ICD。
喷嘴型ICD是相比于流道型ICD结构更简单的ICD类型[18]（图1）,它通过一个小尺寸的喷嘴产生节流压差,实现对入流流体的平衡,常见的几何结构包括阀孔、喷嘴、喷管或文丘里管等。
图1 喷嘴型ICD
目前南海东部广泛采用的喷嘴型ICD特性曲线如图2所示,在控水完井设计中可选用10个喷嘴尺寸孔径。
图 2 喷嘴型ICD特性曲线图版
1.2 AICD控水完井技术
自主式流入控制工具AICD可以认为是新一代的ICD,流体流过AICD产生的压降主要取决于流体的组成或其他属性,如密度、黏度、流速等,可以在不添加任何外部人为干预的情况下自动实现对入流流体的平衡,一般在生产中后期能够根据含水变化自动产生一定压降对水平井的生产进行调节,但在提液阶段具有明显的“控液”作用。目前应用的主要类型包括浮动圆盘型AICD和流道型AICD。
1)浮动圆盘型AICD。
浮动圆盘型AICD是具有自我调节能力ICD,在流道中引入了一个可以浮动的圆盘,流体通过浮动圆盘与阀下端的流动压力越大时,浮动圆盘与阀上端的空隙越小,产生的阻流作用越大,如图3所示。在相同的入口压力下,对于黏性大的流体,流速较慢,产生压差较小,浮动圆盘处于阀内的底部,对流体没有阻碍; 对于低黏性流体,由于流动流体的速度较快,在压力差的作用下,浮动圆盘向上移动,使得出口孔的流道面积减少,形成“挡水不挡油”的效果。
图 3 浮动圆盘型AICD
目前南海东部广泛采用的浮动圆盘型AICD特性曲线如图4所示,可以看出随着含水的增加,浮动圆盘型AICD的压降迅速增加。
图 4 浮动圆盘型AICD特性曲线图版
2)流道型AICD。
流道型AICD是一种具有较高可靠性、抗侵蚀性、耐腐蚀性和抗堵塞性的AICD,它没有活动部件,允许高黏流体低速流动的同时限制低黏流体高速流动。与浮动圆盘型AICD一样,流道型AICD不需要人为干预,通过改变流体的流动路径为主要控制对象,实现对不同特性流体的控制。
流道型AICD和浮动圆盘型AICD的特性曲线类似,因此流道型AICD压降可以采用式(3)计算,并结合实验测试回归相应参数得到。
1.3 C-AICD控水完井技术
由于ICD在油田生产初期可以起到一定的控水效果,但是到了生产后期无法进行自动调控,导致控水效果下降,AICD在生产初期控水现象不明显,直到含水上升到一定程度后才能起到明显的控水作用[24]。近年来,一种结合了ICD和AICD特点的复合型控水装置(C-AICD)在南海东部海域得到了应用,该装置在生产初期利用ICD的特性来平衡不同渗透率地层的入流,在生产后期利用AICD的特性来限制高含水段的流入,从而实现全生命周期的油水平衡[25],但其参数设计较为复杂,控水机理仍有待进一步研究。
1.4 控水颗粒充填完井技术
控水颗粒充填完井是将砾石填充技术与ICD控水完井的结合,将充填颗粒填充在控水工具(一般为ICD)与井壁之间的环形空间中,形成环空中的轴向封隔,限制每一井段入流流体对其他井段的影响,起到放置多个封隔器的作用,利用控水工具抑制高渗段流入,起到选择性限流、均衡供液剖面作用,达到控水增油效果[26],如图5所示。控水颗粒充填完井通过砾石填充实现了对水平段轴向的连续封堵,充分发挥了控水工具的控水效能,但充填程度对控水效果会产生很大影响。
图 5 控水颗粒充填完井
1.5 智能分段分流控水完井技术
智能分段分流控水完井技术利用控水管柱将产层分隔成多段,每段下入电缆测调工作筒,通过电控配电器调整油嘴开度,控制每段油层的生产,产出液体经顶部封隔器以上机械滑套流至油套环空,再经电泵举升至地面,如图6所示。2023年南海东部油田首次实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产后期控水工具调整的灵活性,但也增加了技术的复杂性,提高了对工具可靠性的要求。
图 6 智能分段分流控水完井
2 底水油藏水平井控水完井生产预测技术
随着技术的发展,涌现出多种多样的底水油藏水平井控水完井方式和控水完井工具,对于不同方式或工具的选择以及不同参数的设计需要借助生产预测技术完成。目前能够用于底水油藏水平井控水完井生产预测的技术方法主要分成2大类,即解析生产预测技术和数值模拟生产预测技术。
2.1 解析生产预测技术
解析生产预测技术采用稳态产能模型解决油藏向水平井筒的流入问题,采用多相流动模型解决水平井筒的变质量流动问题,采用特性曲线模型解决不同控水完井方式的流动问题。构建由油藏、井筒、控水阀件组成的节点网络,以各节点的压力为纽带,将不同流动模型结合在一起进行求解,如图7所示。
图 7 解析生产预测技术节点分析示意图
解析生产预测技术计算快捷、简便,可以解决ICD控水完井、AICD控水完井、控水颗粒充填完井的预测问题,但其计算结果只能是静态的,无法对长期的生产动态进行准确求解,南海东部海域各油田在控水技术发展初期,大量采用此类方法对控水参数进行初步设计,应用规模达到200井次以上。
2.2 数值模拟生产预测技术
数值模拟生产预测技术将油藏、控水完井工具和水平井筒视为3个不同空间尺度的流动,分别建立油气水三相的渗流模型、控水完井工具特性模型、水平管流模型、颗粒充填层渗流模型,以各个空间尺度的接触面为链接节点,进行不同空间尺度流动的耦合数学模型研究,该方法采用了多段井耦合数学模型的思路,通过建立“镶边”的大型系数矩阵,实现对底水油藏水平井不同类型控水完井方式的生产动态模拟,如图8所示。数值模拟生产预测技术及相应的自研软件是目前南海东部海域底水油藏控水完井生产预测和参数优化的主要手段,可以解决ICD控水完井、AICD控水完井、C-AICD控水完井、控水颗粒充填完井,应用规模达到150井次以上。
图 8 控水颗粒充填完井数值模拟模型矩阵
3 南海东部控水完井技术应用效果
南海东部油田水平井占总井数78%,底水锥进快、油田含水快速上升、油田综合含水高达92.2%,以水带油模式的产水量高,导致高能耗、高排放,地面水处理设施升级改造频繁,水处理成本加大,限制了主力油田开发。随着含水上升,稳油需求使得产出水剧增,平台水处理设备面临瓶颈及外排压力。为了控制水平井底水的过早突破,南海东部积极探索控水稳油技术,改善开发效果,中心管、变密度筛管、ICD、AICD、C-AICD、控水颗粒充填、智能分段分流等控水技术先后被引进和应用。截至2023年12月,ICD、AICD、C-AICD、控水颗粒充填及智能分段分流五类控水方式累计应用238口井(图9),形成了一整套海上油田水平井控水技术。
图 9 南海东部各类控水技术应用情况
结合南海东部6个油田的实际生产数据,利用基于数值模拟生产预测技术的自研软件对不同控水完井方式的应用效果开展后评估分析,结果表明:
1)ICD控水完井具有早期抑制底水的特点,几乎在南海东部海域的每个油田都取得了一定的控水效果;
2)AICD控水完井在常规稠油油藏取得了较好效果,但在稀油油藏中由于在高含水阶段产生压差过大,导致生产后期提液困难,限制了其应用的规模;
3)控水颗粒充填完井对于常规稠油油藏和裂缝性油藏具有较好的控水效果,对于砂岩油藏,尤其是水平段较长的情况下,控水效果仍待进一步观察。
分析认为,不同控水完井方式的控水原理不同,适应性也各不相同,早期控水明显优于晚期控水。到目前为止,南海东部控水效果显著,已投入控水成本4.8亿元,累计增油超80万方,累计少产水超6600万方,折合减少碳排放48万吨,增创产值超30亿元。
4 南海东部控水技术挑战及发展趋势
截至目前,以ICD、AICD为主的控水完井工具逐步形成了系列产品并在南海东部海域各油田得到广泛应用,底水油藏水平井控水技术得到全面发展,但仍然存在一些问题亟需解决。
4.1 技术挑战
1)底水油藏水平井控水完井工具灵活性不足。
南海东部各油田广泛采用的ICD和AICD控水工具,在现场实际操作过程中,以随钻测井获得的渗透率作为设计依据开展控水工具参数设计,然后随控水管柱一次下入井中,下入后不再进行参数调整。一方面,由于储层的油水分布复杂,在生产过程中很难判断水平段出水点的位置; 另一方面,没有足够的措施对后期的产液剖面进行进一步的调整。因此,如何提高控水完井工具的灵活性,实现全生命周期的高效控水是摆在当前的一个重要问题。
2)底水油藏水平井控水完井方式生产预测技术待完善。
南海东部已实现100%自主控水动态模拟和设计,控水技术措施有效率达90%以上,但随着各种新型控水完井工具、新型控水完井技术的出现,使得底水油藏水平井近井地带的流动愈加复杂,流动规律更加多变,对控水完井的生产预测技术提出了更高要求。
3)底水油藏水平井控水完井方式优选标准待建立。
南海东部提出了“一井一策”的差异化精细控水原则,最大程度上发挥控水工具效能,针对6个主力油田提出了控水方式的总体选用原则,但是影响底水油藏水平井控水效果的因素是多方面的,选择什么样的控水完井方式既需要考虑累产油,也要考虑产出水的处理能力,更要考虑投资和成本,建立一个适合于南海东部海域的控水完井方式优选标准势在必行。
4.2 发展趋势
1)水平井分段智能调控完井技术。
随着智能完井技术的发展,以远程遥控“智能阀”为代表的新型控水装置开始涌现,结合井下油水监测功能的传感器,形成了结构更加复杂、控制更加精密、操作更加灵活的水平井分段智能调控技术(即分舱控水技术),逐步实现对底水油藏的动态监测以及对水平井各段产液量的调控,降低油井含水率并保持产油稳定。南海东部各油田计划在2024年部署20口分段智能调控水平井。
2)智能生产优化技术。
底水油藏水平井控水完井生产预测技术实现了不同维度流动相互耦合的生产动态模拟,但实际生产要求根据获得的井下油水信息进行控水工具参数实时调整、动态优化,促使生产预测技术向满足油藏信息反馈、控水效果预测、控水阀件优化调整、油藏信息收集的智能生产优化方向发展。
3)控水完井优选标准。
南海东部已形成了初步的控水完井设计和评估标准,提出了控水完井方式选择的基本流程,随着生产预测技术精度的不断提升、复合控水新模式的不断涌现,集合投资成本、原油产出、产水处理、能耗效率、经济效益和绿色发展等多因素于一体的新标准正在形成。
5 结论
1)南海东部各油田广泛采用了ICD、AICD、C-AICD、控水颗粒充填、智能分段分流等多种控水完井技术,累计增油超80万方,累计少产水超6600万方,控水效果显著,为油田稳油控水、节能减排、增产稳产提供了有力手段。
2)南海东部底水油藏控水技术实践表明,底水油藏水平井控水完井工具的灵活性仍有不足,控水完井生产预测技术的适应性仍待完善,底水油藏水平井控水完井方式优选标准亟待建立,未来将围绕新型分段智能调控完井技术、智能生产优化技术和控水完井优选标准开展进一步的攻关。
来源：中国海上油气
因与重大事件时间冲突，组委会决定将2024第三届中国油气人工智能科技大会举办时间调整为8月1-3日。摘要征集截止时间延长至：2024年7月26日；分批发送录用通知截止时间延长至：2024年7月29日；论文全文截止时间延长至：2024年9月19日。
本次大会以“‘人工智能+油气’——驱动油气产业绿色低碳高效新篇章”为主题，旨在搭建一个高层次、专业化的交流平台，深入探索智能化技术在油气绿色低碳中的开发利用，推动互联网、大数据、人工智能与实体经济的深度融合，共同为油气行业的智能化进程添砖加瓦。
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