（化学工程专业论文）深层超深层砂岩油层直井开发堵水工艺技术研究与应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 深层超深层砂岩油层直井开发堵水工艺技术研究与应用 化学工程 吴兴国( 签名) 王小泉( 签名) 摘要 油田开发的中后期，都将普遍面临稳油控水的问题，对于中深和浅层油气田的开发 来说，各油田都相继结合自己的特点摸索出了一整套行之有效的方法和相应的手段，也 已经形成了配套而且较为成熟的工艺技术系列。但对于塔里木油田深层超深层砂岩直井 开发油田而言，问题就变得非常复杂了，这些成熟技术都遇到了非常大的挑战。由于油 层埋藏深、高温、高压以及井身与管柱结构的复杂化使得堵水施工工艺非常复杂。稳油 控水主要有三个方面的措施：油层堵水、注水井调整吸水剖面及油田综合治理系统开发 方案的调整，其中以油层堵水最为直接和实惠，但对于塔里木油田深井超深井油层堵水 而言，其工艺难度最大，也没有成熟而且有现场应用成功的经验与方法可以借鉴。 深层超深层砂岩直井开发油层堵水工艺技术以“相渗差物性界面”堵水理论为 基础，通过对塔里木油田轮南等油田砂岩直井开发高含水油井出水规律的分析研究，建 立了油井出水机理的模型，提出了相应的封堵机理及施工工艺技术。通过对躺井l n 2 _ 2 5 1 5 井生产情况以及单井控制储量、采出程度分析，我们认为该井具有非常好的挖潜 的潜力；对其含水上升的特征分析，非常符合井周穿透类的特点，对测井资料认真分析 过后，采取井周穿透类油井堵水实施，取得了良好堵水效果及非常好的经济效益与社会 效益，也进一步证实了该理论的正确和实用性。通过对该井堵水效果的分析及堵水工艺 技术的认真分析，选择在其它几口井开展推广应用，取得了非常好的应用效果，该项技 术具有非常好的应用前景。 关键词：砂岩油井堵水采出程度 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：w a t e rs l m t - o f ft e c h n o l o g yi nv e r t i c a lw e l li ns a n d s t o n e s p e c i a l i t y ：c h e m i s t r ye n g i n e e r i n g n a m e ：w ux i n g g u o ( s i g n a t u r e ) 型丝星琢星眇 1 n 5 t r u c t 0r w a n gx i a o q u a ( s i g n a t u r e ) 旦笔扫丝纩叭一 a b s j k a 0 1 i tw i l lb ec o n f r o n t e dw i t ht h ep r o b l e mo fw a t e r c o n t r o l l i n ga n do i l - s t a b i l i z i n gd u r i n gt h e m e t a p h a s eo ra n a p h a s eo ft h ee x p l o i t a t i o no fo i l f i e l d ，a st ot h ee x p l o i t a t i o n so fm e d i u ma n d s h a l l o wo i l g a sf i e l d s ，t h e r ea r eal o to ff r u i t f u lm e t h o d sw a t e r c o n t r o l l i n 曲，b u ti t i sv e r y c o m p l i c a t e d i n d e e p o r s u p e r d e e p s a n d s t o n ev e r t i c a lw e l l si nt a r i m ，t h e s em a t u r e t e c h n o l o g i e se n c o u n t e r e dm o r t a lc h a l l e n g e s d u et ot h ed e e pe m b e d d i n g 、h i g ht e m p e r a t u r e 、 h i g hp r e s s u r ea n dt h ec o m p l e xo ft h ew e l ls t r u c t u r ea n ds t r i n g ，i tm a k e st h et e c h n o l o g yo f w a t e r c o n t r o l l i n gm o r ec o m p l i c a t e d t h e r e a r ep r e d o m i n a n t l yt h r e em e t h o d s ：b l o c k 。u p si n o i l - z o n e 、p r o f i l ea d j u s t i n ga n do i l f i e l ds y n t h e s i sf a t h e r s ，b u ti t i sv e r yd i f f i c u l tt of u l f i l li n t a r i m ，t h e r ei sn om a t u r ea n ds u c c e s s f u le x p e r i e n c e st ob eu s e df o rr e f e r e n c e b a s e do i lt h ew a t e rs h u t o f ft h e o r yo fd i f f e r e n c e so fp h a s ea n dp e r m e a b i l i t y ，w a t e r s h u t o f f t e c h n o l o g yo fv e r t i c a lw e l le x p l o i t a t i o ni nd e e pa n ds u p e r d e e ps a n d s t o n ei nt a r i m o i l f i e l d ，w es e tu pm o d e l so fw a t e rc o m i n go u tm e c h a n i s m sa n dp u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g b l o c k i n gu pm e c h a n i s m sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yt h r o u g ha n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h e w a t e rc o m i n g o u td i s c i p l i n a r yo fo i lw e l lo fh i g hw a t e r - c u t ，t h r o u g ha n a l y s i so fp r o d u c t i o n c i r c sa n ds i n g l ew e l lc o n t r o l l i n gr e s e r v e so ft h er e c l i n ew e l ll n 2 _ 2 5 1 5 ，w et h o u g h tt h a ti t h a dv e r y g o o dp o t e n t i a l s ；i t s w a t e rc o n t e n ta r i s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e n e t r a t i n gs o r ta r o u n dt h ew e l l ，a f t e rd e t a i l e da n a l y z i n gt h el o g g i n g d a t u me a r n e s t l y ，o i l w e l lw a t e rs h u t o f fs t e p so ft h ep e n e t r a t i n gs o r ta r o u n dt h ew e l lw a s a d o p t e d ，r e c e i v e db e t t e rw a t e rs h u t o f fe f f e c t a n dv e r yg o o de c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a l b e n e f i t s ，a n dv e r i f yt h et h e o r y sc o r r e c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t y t h i st e c h n o l o g yh a sv e r yg o o d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：s a n d s t o n e w a t e rs h u t - o f f p r o d u c t i o ne x t e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：如驾日期 学位论文使用授权的说明 缨壹趔! ：膏 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 巡吼毕 矽吼苹， l o 矽 j 口 第一章前言 第一章前言 油田开发的中后期，都将普遍面i 临稳油控水的问题，对于中深和浅层油气田的开发 来说，各油田都相继结合自己的特点摸索出了整套行之有效的方法和相应的手段，也 已经形成了配套而且较为成熟的工艺技术系列。但对于塔里木油田深层超深层油田开发 而言，问题就变得非常复杂了，这些成熟技术都遇到了非常大的挑战。由于油层埋藏深、 高温、高压( 参见表1 塔里木己投入开发油田的基本情况) 以及井身与管柱结构的复杂 化使得堵水施工工艺非常复杂。稳油控水主要有三个方面的措施：油层堵水、注水井调 整吸水剖面及油田综合治理系统开发方案的调整，其中以油层堵水最为直接和实惠，但 对于塔里木油田深井超深井油层堵水而言，其工艺难度最大，也没有成熟而且有现场应 用成功的经验与方法可以借鉴。 表1 - 1 塔里木已投入开发油田基本情况 油田层位井深m压力m p a温度。c 备注 t 】4 7 8 0 5 1 8 7 4 8 0 1 1 2 02 井区 t i i4 8 0 05 2 6 0 4 8 7 01 2 12 井区 轮南 t 】i 【4 8 0 05 3 0 8 4 9 1 6 1 2 42 井区 j4 5 7 04 9 8 0 4 8 3 01 1 5 2 井区 桑塔木t i i i 4 6 2 0 5 0 9 3 4 9 1 9 1 1 2 t i 4 7 8 01 0 1 解放渠东t j4 4 2 04 7 3 9 4 l 4 11 0 7 t i n 4 4 6 01 0 8 c j3 7 3 03 4 3 7 3 3 0 81 0 04 2 2 井区 c 】i i 3 7 3 04 2 8 3 ，3 5 7 91 1 04 2 2 井区 塔中四c l3 4 5 0 3 2 8 8 1 0 04 0 2 井区 c 3 7 5 0 4 2 4 5 3 6 3 9 1 1 04 0 2 井区 c l 3 8 0 0 4 2 8 7 4 1 0 3 1 1 04 0 1 井区 目前国内外研究稳油控水方法的机构非常多，例如：欧共体就成立了专门的堵水研 究与现场跟踪实施以及效果评价的机构，主要由d e l f t 大学发起，不过他们的主要精力 和方向都放在油藏数值模拟上，他们认为首先必须认清油藏的类型及出水、含水上升的 规律。为此，他们每年都要花费大量的精力和时间来研究油藏的变化；其次是研究满足 各种条件要求( 主要是抗盐和耐高温、高强度) 的化学堵剂。美国的a p t ( 美国先进石 油公司) 联合哈里伯顿、道威尔等公司也开展了亚洲油田稳油控水专项技术服务，他们 在印度的雅加达还建有规模甚大专门的开放性实验室，专门用来研究和合成高温堵水剂。 认真分析他们堵水施工的情况，成功的例子也不多( 尤其针对底水锥进情况) ，他们依然 处于摸索阶段。国内研究堵水的机构就更多了，全国各大专院校以及北京院采油所都进 西安石油大学硕士学位论文 行了较长时间的稳油控水研究工作，在浅层及中深油气田的应用中也取得了一定的成绩。 不过到目前，他们还大多集中在堵剂的研制与性能评价上。 自1 9 9 5 年以来，塔里木探区结合深层超深层油田开发的特点，针对底水锥进开展了 一些有益的探索，先后在1 4 口井上进行了1 5 井次的可选择性化学堵剂堵水现场试验， 没有见到很好的堵水效果。加之操作费用高，前几年石油市场也不是非常景气，一度使 得塔里木油田的堵水工作陷入了瘫痪。这几年也基本没有开展化学堵水方面的研究与现 场应用。 通过对塔里木油田深层超深层化学堵水的组织及实施过程进行认真分析，造成化学 堵水失败的主要原因有以下三个方面的因素： ( 1 ) 没有( 完全) 摆脱浅层和中深油气田化学堵水工艺技术模式，基本是照抄照搬； ( 2 ) 没有结合塔里木油田油藏特点认真研究油井底水锥进的作用机理，堵水现场实 验商业性太重，研究工作做得太少； ( 3 ) 油藏地质与采油工程及井下作业缺少配合与沟通，重要的还是缺乏经验，在作 业工艺与水窜作用机理分析及封堵工艺的制订上缺少科学性和灵活性。 正是这三个方面的原因制约了塔里木油田稳油控水工作。 重新成立堵水项目组后，重新立题研究，旨在结合塔里木油田的特点，研究出适合 于深层超深层砂岩直井堵水工艺技术，并期望能取得现场应用的成功。经过一年的攻关 研究，建立了塔里木油田砂岩直井开发水窜作用机理的模型，并针对每一种出水类型都 提出了相应的挤注水泥封堵的具体操作程序与管柱结构，通过对油层底水上窜作用机理 的分析，结合塔里木油田深层油层的特点，找出堵水工艺的主要技术难点，制定出了相 应的堵水工艺技术措施，总结提出了“相渗差物性界面”理论，并成功地应用于现场， 取得了良好的堵水效果。此项技术先后在塔里木轮南、桑塔木、解放渠东以及塔中四等 油田油井堵水措施中得到了应用，获得了非常好的堵水增油效果，经济效益显著，为解 决塔里木油田砂岩直井开发封堵底水技术难题提供了有力的技术支持。经过实践总结， 然后再应用于生产实际，效果显著，充分说明了以相渗差物性界面理论为基础的挤注水 泥堵水技术在塔里木油田深层超深层砂岩直井堵水工作中的可行性、合理性和有效性。 当然本项技术还有待于进一步完善和发展，还需要进一步在现场应用中来得到验证。 第二章油层水窜作用机理分析 第二章油层水窜作用机理分析 对于堵水工艺而言，只有彻底弄清底水上窜的真正原因，才能作到“对症下药”、“有 的放矢”。为了确保堵水效果和减少堵水的风险，先研究“水窜”作用机理研究分析，并 得出正确的“水窜”结论就显得尤其重要了。我们要做的首要工作就是在结合钻井、完 井以及射孔等生产过程以及油田开发等油田自身的特点，将大量的高含水油井的生产情 况分类，再进行水窜作用机理的分析、归类。 面对众多的高含水油井，我们筛选出满足以下条件的油井作为本项堵水工艺技术研 究的主要对象： ( 1 ) 砂岩层状油藏开发，边底水能量足( 相对活跃或采用注水开发) ； ( 2 ) 径向渗透率远高于纵向渗透率( 目前轮南油田已经投入开发油层径向渗透率与 纵向渗透率比值一般在两倍以上，见表2 ) ； 表2 1 塔里木油田油层岩心水平渗透率与垂向渗透率差异统计表 渗透率( x 1 0 3 , u m 2 ) 深度 鼢 井号层位孔隙度平均水平渗平均垂向 m 肋 透率k h渗透率k v 4 7 4 4 5 31 8 7 67 4 6 53 9 1 41 9 1 l n 2 0 1 t 】 4 7 5 3 6 32 3 6 33 0 7 498 13 1 3 4 7 6 8 2 71 7 0 61 4 8 22 5 25 8 8 l n 2 0 6 t 1 4 7 7 3 8 12 3 0 84 4 2 8 32 0 7 1 42 1 4 4 7 8 0 0 32 1 8 53 2 0 7 58 3 4 33 8 4 4 7 4 1 2 02 2 0 04 6 42 0 32 2 9 u n 5 t 】 4 7 4 2 6 12 1 0 04 8 62 7 51 7 7 4 6 6 7 5 5 j f l 2 1 t i i 1 7 9 8 4 6 6 8 1 0 轮南油田j4 5 7 0 0 0 3 _ 5 d h l l c4 0 61 1 53 5 3 ( 3 ) 套管完成，射孔完井，直井开发。 除水平井外，目前塔里木油田投入开发的油田生产井大多符合上面的情况。由此我 们建立了以下几种底水上窜作用机理模型： 结合塔里木油田油藏实际和油田开发特点，我们归纳总结有以下六种出水机理： 2 1 管外窜槽类 因固井工程质量差或后期生产期间水泥环受破坏造成的套管管外窜槽。 形成油层底水管外窜槽从而造成“水淹油层”的情况，均是由于工程原因导致的， 在油田开发中也经常发生，尤其是对于深井超深井，发生的几率更高。管外窜槽可以分 西安石油大学硕士学位论文 为两种情况： ( 1 ) 油水层间有薄夹层，在井筒远处属底水，由于夹层薄，靠很短的水泥环往往很 难做到可靠封隔，这样，底水直接从套管外窜槽进入井筒。如图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 所 不。 ( 2 ) 针对底水油藏开发，在射开油层时，一般为了控制底水上升速度，人为留出一 段油层作为避水厚度，利用径向与纵向渗透率的差异，在油层内部形成一个薄夹层，类 似于前一种情况，往往也容易出现管外窜槽的情况。 认真分析对比上述两种情况，我们知道管外窜槽的主要特征是： ( 1 ) 油层生产初期即含水，含水可能很高，也可能较低，主要取决于油水层间的物 性差异。 ( 2 ) 常常由于水层底部能量充足，含水会逐渐上升，直至“水锁”相对活跃的油层 段，而有些物性相对较差的油层段很可能没有生产的贡献。所以发生“水锁”时单井产 油量远低于预测的正常单井控制产油量。 ( 3 ) 测井资料显示套管外固井质量差，甚至几乎无水泥，经管外验窜证实管外窜槽， 可顺利建立套管外循环。 图2 - 1 管外窜槽底水上升作用机理示意图( 生产前) 第二章油层水窜作用机理分析 图2 - 2 a 2 1 ，拼 - 、 引 j；蕞 * 震蜜 ( 生产后) 图2 3 管外窜槽类水窜作用机理示意图( 生产后) 西安石油大学硕士学位论文 、o 、 ，乏 蕾蹦 图2 - 4 管外窜槽类水窜作用机理不薏图( 生产后) 2 2 井周窜透类 油井近井地带存在着许多微裂缝，底水沿微裂缝上窜，在油层开发中后期，油层压 力常常远低于水层压力，造成“水淹”油层。 由于在钻井过程中的机械波冲击，相对于胶结程度较高、较脆的地层而言，极有可 能在井简附近形成一些纵向微裂缝( 主要受地应力控制) 。 而在固井过程中，水泥浆无法进入这些微裂缝。投入开发生产后，油层压力随生产 时间的推移而不断下降，在纵向上形成一定的压差后( 由于井下的复杂变化情况) ，原先 产生的存在于近井地带的微裂缝一旦受到某些因素的诱发即会成为底水上窜的一条“捷 径”，底水很快窜入油层，造成“水锁”油层甚至于倒灌油层。如图2 5 、2 - 6 所示。 经过仔细对比分析，我们认为l n 2 2 5 1 5 井正属于这类情况。其特征主要表现为： ( 1 ) 地层物性好，产量相对较高，在生产初期基本不含水，随着生产时f b - 的推移，生 产压差逐步增大，在某一时刻突然开始产水，而且含水很快上升，在短期内便出现油层 “水锁”，无论测产液剖面( 全含水) 还是测残余油饱和度( 均为水层) 都不能反映地层 内部的真实情况。 f 2 1 油层产油不多，远远低于正常预测的单井控制产油量，而含水则很高，有的高达 9 0 ，甚至1 0 0 。这主要是由于地层纵向渗透率较低，水层能量得到了保护，油水层间 压力相差较大，地层水一旦在井周沿微裂缝上窜后，很快会出现水层“封堵”油层，油 第二章油层水窜作用机理分析 层的产液能力或者贡献受到“活跃”水层的制约。 卜、： r r 夕、 圜麓 图2 5 井周窜透类水窜作用机理示意图( 水窜前) ：二= 叁 # 刊 ，厂k 霞 离豳 图2 - 6 井周窜透类水窜作用机理示意图( 水窜后) 西安石油大学硕士学位论文 f 3 ) 对于砂岩层来说，有时测井资料显示地层可能有微裂缝存在，我们认为并非地层 的天然裂缝，主要受人为因素影响。此外，由于有时怀疑管外窜槽，实行管外验窜的实 际结果都是管外不窜。分析其原因是：微裂缝虽可导致底水上窜，但其渗透性可能同于 油层或略差而比“活跃”水层径向渗透率低，加上试挤验窜的排量远大于生产的产量， 很难沿微裂缝建立管外循环。 2 3 部分水淹常规类 由于油层物性差异，一般是下层物性较好，而又相对靠近油水界面，边底水锥进较 快，造成上部物性较差的油层段贡献少，下部油层段彻底“水淹”，继而水锁上部油层。 下部油层变成水层而成为上部油层的“底水”。这即为部分水淹常规类。 在油田投入开发初期，往往为了尽量发挥油井潜能，将所有油层段全部打开生产， 只在油层底部留出一定厚度作为油水隔层。对于个由粗一细的沉积旋回来说，一大段 储层虽然都是油层，且属于同一油层段，但在纵向上的分布仍然存在小层间的物性差异， 详细见图2 7 、2 - 8 。其主要特征表现为以下几个方面： 圈 爪、 蘑墨 l 灸 图2 7 部分水淹常规类水窜作用机理示意图( 水淹前) ( 1 ) 油井生产初期不含水，而在生产一段时间后，下部油层开始产水，并逐渐“水 淹”，而上部物性较差的油层仍然会作出一定的贡献，油井含水呈缓慢上升态势。 ( 2 ) 含水上升到一定程度，仍具有自喷能力时测产液剖面，主要产液集中在物性较 好的产层段。显然，水也是由此侵入，在单井控制产油区，仍有一定的残余油量未能产 第二章油层水窜作用机理分析 出。 图2 - 8 部分水淹常规类水窜作用示意图( 水淹屉) ( 3 ) 因含水太高，生产方式改机采后，高含水呈平稳态势，长期来看，油井产出液 中也含有油，采油成本偏高。这类高含水井目前在塔里木油田较多。 ( 4 ) 油水层间压力差异大，甚至于油层压力还略高于水层压力，所以不会出现倒灌 现象。而一旦关井观察，井筒内的油水比还会发生变化，原油上浮，置换地层水，这样 井筒中的地层水也会侵入油层；但是重新开井生产时，刚开始产出的液体中油量还会较 多，过后很快含水上升，直至关井前油井的含水水平，即：水层是略低压高渗层，而油 层是略高压低渗层。 2 4 部分水淹特殊类 在油田开发生产过程中，我们遇到一些违反常规的或由某些特殊因素的影响造成的 不同于一般情况的特例。可以分为两种情况： ( 1 ) 沉积反旋回上部物性较好的油层段率先水淹，而下部油层的贡献极为有限，仍 有潜力可挖； ( 2 ) 对于大段油层而言，纵向上可划分若干小层，而且层间夹层很薄或根本没有夹 层，射孔往往将油层及夹层全部射开生产，在油井生产后期，其间的某个或某些物性相 对较好的小层率先水淹。详见图2 - 9 和2 。1 0 。这类特殊情况的生产情况类似于部分水淹 常规类的情况，需要结合动态测井资料和油藏工程资料综合分析判断。开展此类油井的 西安石油大学硕士学位论文 研究还需要进行找水测试，通过各方面资料的分析方可找准出水层段。 图2 9 部分水淹常规类水窜作用机理示意图( 水淹后) = 蠹 一灸 塞 一 企 l圈 图2 1 0 部分水淹常规类水窜作用机理示意图( 水淹后) 1 0 第二章油层水窜作用机理分析 2 5 彻底水淹类 在油田开发晚期，边底水锥进，彻底“水淹”油层，油井单井控制的产油区内，可 产出的油量已基本全部产出，油井已基本处于残余含油区域以外，已不再具有产油能力。 在注水开发的层状油藏，一般采取边部注水开发，而对于具有一定块状特征的油藏， 有时也采取底部注水开发的方式。对于层状油藏，往往是比较靠近油水边界的油井最早 水淹，而这些水淹井的般处理也都是转注或作其他用，可以作为系统开发方案的调整 井。造成这样结果的主要原因是边水的侵入。详细参见图2 1 1 。其主要生产特征表现为： ( 1 ) 生产初期，油井不含水，生产一段时间后，油井开始见水，含水逐步上升，直 至油井产出液含水率1 0 0 ，此时油井“彻底水淹”。 ( 2 ) 油井靠近油水界面边界，油层物性相对较好，边水推进很明显，很快，测井( 残 余油饱和度) 反映油层已经彻底“水淹”。 ( 3 ) 产油量与预计的油井水淹前应该产油量几乎相等，与系统开发方案的预计结果 基本符合。 t 连韭 | 【 i 、违 | 。 易 湖斗 黼 鬓融 嘲 多 越j 鼬 黼 址目 s 女5 图2 1 1 彻底水淹类水窜作用机理示意图 西安石油大学硕士学位论文 2 6 复合类 在第三至第五种情况下，又同时出现管外窜槽的情况，其生产特征不变。因为在井 筒内合采与管外相通，结果都一样，只是在堵水工艺的选择和实施上有一定的差异。如 图2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 所示。) 图2 1 2 复合类水窜作用机理示意图 堵 i 谭 蓦爨 图2 1 3 复合类水窜作用机理示意图( 水淹后) 笙三童迪堡查窒堡旦塑垄坌塑 斟 u 险禽 童誉 _ # g tg 图2 1 4 复合类水窜作用机理示意图 西安石油大学硕士学位论文 第三章塔里木油田砂岩直井堵水工艺技术的主要技术难点 深层超深层油藏的开发不同于浅层或中深层油藏。由于钻井及修井费用非常高，不 可能采取加密井网的方法来提高采收率，稀井高产是我们油田追求的方法，也是到目前 塔里木各个油田采取的方法。因此油井出水对单井的产油量甚至整个区块( 油田) 的产 油量均会有较大影响，从而也就突显出稳油控水工作的重要性，其中油井堵水工作是最 为困难，也是最为直接的手段。 综合过去油田开展的“化学堵水”工艺技术的特点，从油井堵水工艺角度来分析， 我们认为塔里木油田砂岩直井堵水工艺技术的主要技术难点有以下四点： ( 1 ) 井身结构复杂，造成井下管柱结构优化设计非常困难，从而增加了堵水现场施 工的难度。 由于井深，地质情况复杂，往往不得不靠多层油层套管来完井，一方面造成堵水工 艺技术设计时堵水管柱优化设计的困难，尤其是采用y 2 4 1 或y 2 2 1 类型的封隔器的操作 不方便，很难确定个合理的加压值；另一方面，在堵水现场施工的时候，管柱的颤动 对管柱损耗非常大，个别油井在开采层( 堵水施工层) 上部还有射孔层段，势必需要通 过下封隔器且在环空打平衡来确保堵剂不对上部射孔层段造成伤害，而此时平衡压力很 难建立。 ( 2 ) 油层埋藏深，地层温度高，压力高，不仅增加了堵剂选择的困难，在施工压力 的控制和管柱的选型上方面也增加了难度。 目前，在塔里木油田还没有发现一种真正的耐高温的选择性化学堵剂，这样就使得 我们深层超深层砂岩直井堵水工艺技术遇到了很大挑战。显然，一昧地只依靠堵剂( 工 作只停留在堵剂的研制上) 无法解决越来越迫切的油井堵水技术难题。此外，由于堵水 都是高压连续作业，对井下工具的要求非常苛刻( 耐压高，操作灵活等) ，一旦工具失灵， 堵剂就不能准确进入目的层。这样就需要控制一个合理的注入压力，又需要有管柱及井 下工具的安全保障。 ( 3 ) 目前高含水井大部分为机采井，缺乏动态监测分析资料，很难就资料分析来确 定油井的出水层段。 对于机采井的找水不能仅仅依靠生产测井资料，还需要依靠d s t 工具进行找水测试 ( 注意：在射孔层段座封还需要配以特殊的封隔器) ，而且需要进行多项测试，这样就会 增加很多费用。如果找水不准，堵水就难以实现。所以我们需要花大量的精力来找准机 采井的出水层段。 ( 4 ) 堵水工艺的复杂化，又增加了作业费用，显然在确保堵水效果的前提下，还需 要制定一个合理的经济的费用指标。 过去我们没在这些方面多做工作，只是强调堵水的效果，一味要求取得现场的成功。 等1 5 个井次化学堵水施工完结算成本时才知道控制成本的重要性。成本过高也是限制化 第三章塔里术油田砂岩直井堵水工艺技术的主要技术难点 学堵水工艺技术在塔里木油田发展( 取得突破) 的主要因素之一。 不计算作业队以及其它辅助费用，仅一次化学堵水的材料费和施工施工费用就高达 7 0 万元，就目前的原油价格而言，至少也需要3 0 0 吨原油来核销成本。我们追求的是经 济实惠而又有效的堵水工艺技术，如何寻找到一种投入少又非常有效、值得推广的堵水 工艺技术是我们此项工作的重点和难点。 西安石油大学硕士学位论文 第四章堵水工艺技术研究与现场应用 4 1 堵水工艺技术系统措施方案的设计 完成油层“水窜”作用机理的研究，并明确了塔里木深层超深层油层堵水工艺技术 的主要难点后，下面的问题就是需要以水窜作用机理为起点，把工艺技术难点作为我们 的主攻方向，将深层超深层油层堵水作为一个系统工程，编制出一套适合于深层超深层 堵水工艺技术的系统措施方案。其重点包括以下五个方面：如何找准出水层段；如 何合理使用堵剂；如何合理优化设计堵水施工管柱结构；如何科学设计施工参数； 如何作到经济有效。 完成堵水工艺技术系统措施方案的设计所需要完成的主要内容是：a 、油层“水窜” 机理的综合分析判断和油井井身质量的检查；b 、堵剂的优选与设计；c 、注堵井下管柱 结构和挤注作业施工参数的优化设计及封堵机理分析；d 、系统工艺方案的经济评估。 a 、找准出水层位，检查井身质量 在录取相关资料( 产液剖面、地层复压、静压、残余油饱和度) 的基础上，还必须 结合相关的完井资料( 完井测试、录井及试油试井等) 、油藏系统开发资料、油藏模拟资 料以及油井生产情况等资料来综合分析判断，方可排除一些表观上的假象，准确判断出 水层位，确定油水界面，尤其是针对第二类和第五类水窜作用机理的区别判断。找水的 目的就是为了结合“水窜”作用机理来建立科学合理的理论模型，这是堵水工作的基础， 直接影响到堵水工艺设计的合理性和最终堵水效果。 检查井身质量的目的就是为了了解套管的完好程度及固井质量，以利于采取补救措 旋或者在堵水管柱设计及挤注作业施工中制定相应的应对措施。 b 、堵剂的选择 塔里木油田开展油井堵水实验所采取的各种堵剂从其提供的性能指标资料和室内实 验的数据看，似乎都比较好，均称之为“抗高温抗盐的选择性堵剂”。但是现场试验的结 果却不甚理想。其实在现场应用中不应该有绝对的选择性堵剂，即便是有，而对于“水 窜”作用机理中的第二类情况而言，如果采取这样的方法堵水，其施工结果将是灾难性 的。为此，我们选择堵剂时就不再考虑选择性，而只要求能封堵。在此前提下，对堵剂 的要求是：要封得死，固得住；不具备腐蚀性，对金属设备及管柱没有腐蚀；经 济，投资费用不能过高；方便施工，泵注性好。显然，目前油田所采用的化学堵剂无 法满足以上要求。而我们通常采用的高温油井水泥能满足这些要求，可以通过调整缓凝 剂及降滤失剂等添加剂的用量配置成水泥浆作为封堵剂来满足不同的性能要求。 c 、注堵工艺的优化设计及封堵机理及计算部分详细参见4 2 d 、系统工艺方案的经济评估 堵水措施方案必须是经济有效的。这就要求：工艺有效果，措施有效益。我们在实 际工作中摸索出来的挤水泥堵水工艺技术投资少，实际应用的效果非常明显，为该项目 第四章堵水工艺技术研究与现场应用 的下一步研究与继续在现场推广应用打下了良好的基础。为完成系统工艺技术方案的经 济评估，我们还需要从以下几个方面加强研究：要认真作好油藏数值模拟工作，准确 计算单井控制残余产油量。准确掌握市场动态，结合油田实际，认真作好原油开发综 合成本核算，效益评估要准确。准确计算投资数目，并充分考虑各方面的风险及以外 情况( 包括两个方面：一是工艺技术本身的不完善及井况的影响；二是地层情况的复杂 多变性) ，油井堵水是有风险的，不能一味追求成功率，主要看整体效益。 总之，效益评估需要遵循实事求是的原则，尽量避免人为失误，确保工艺技术的有 效率。 4 2 注堵工艺的优化设计及封堵机理及计算 找准出层段，选择了合适的堵剂，接着完成堵水工艺技术的优化设计最重要的工作 就是注堵工艺方案设计，它主要包括井下管柱优化设计、注堵工作程序及堵剂用量计算、 挤注施工参数优化设计及封堵后的完井工艺措施等。由于不同的出水类型需要有不同的 堵水工艺甚至不同的封堵机理，堵剂的用量设计及挤注方式也不尽然相同。 1 、管外窜槽类封堵工艺设计及封堵机理 对于管外窜槽造成的底水上窜，其堵水工艺较简单，采用常规挤注管柱循环封堵方 式即可，而且只需要少量的水泥浆。 封堵作业程序 ( 1 ) 准备工作： i 、循环压井，确保井筒干净，油井不溢不漏； i i 、刮壁通井，确保井况良好，补孔工具及封堵管柱入井顺畅； i i i 、根据油井温度、压力等资料设计并完成水泥浆室内配方实验，编辑挤水泥施工 设计。 ( 2 ) 射孔：依据测井资料，一般采取电缆传输常规射孔工艺，在下部水层的项部或 靠下一点部位补孔，射孔段长度在o 5 1 o m ，孔密：8 1 6 孔米，以提供循环注堵通 道。 ( 3 ) 下封堵管柱试挤验窜，循环清洗管外窜槽通道，做水泥浆复核实验。 ( 4 ) 挤注水泥封堵作业，完井候凝。 ( 5 ) 钻磨、刮壁，再射孔( 在原射孔段) ，然后测试生产完井。 、注堵工艺设计及主要技术参数 ( 1 ) 封堵管柱结构设计：主要采用一套弘s v 挤注封隔器，利用其中心腔室滑阀， 通过挤注管柱下带一根配套的插管来操作滑阀的开关，一方面可随心所欲地实现验窜、 挤注等井下操作，另一方面可有效控制挤注后的水泥浆倒窜，确保堵水效果。这种封隔 器的可钻性好，性能稳定，能满足挤注要求，也不会对后续恢复生产产生影响。 注堵管柱与验窜试挤管柱结构相同，见图4 - 1 。 西安石油大学硕士学位论文 图4 1 管外窜槽类堵水机理分析示意图( 注堵作业) ( 2 ) 配置水泥浆的要求：重点放在缓凝时间的调整上，一般初凝时间需要控制在5 8 小时即可，用量为1 2 m 3 ，复核实验也要符合室内实验技术要求。 ( 3 ) 挤注程序的要求：首先低压大排量( 2 0 0 - - - 3 0 0 l m i n ) 替入水泥浆。前后分别 垫隔离液0 5 1 0 m 3 ，水泥浆用量一般只需要1 0 1 5 m 3 ，按设计要求将水泥浆替入至 封隔器顶面，插管入座，实施低压低排量顶替，泵压小于2 0 m p a ，排量在1 0 0 - - 2 0 0 l m i n ， 以防止水泥浆进入油层，然后上提管柱1 2 根油管，反循环洗井将管柱内剩余的水泥浆 循环洗出。 ( 4 ) 完井候凝4 8 7 2 小时后，钻磨水泥塞及封隔器，刮壁通井恢复油井生产( 一 般要求在原生产井段补孔后再完井生产) 。 封堵作用机理分析 管外窜槽封堵工艺相对比较简单，主要采取循环封堵，在套管外补打一水泥“环塞”， 以封堵底水的管外窜槽。详细见图4 - 1 、4 - 2 、4 - 3 。 蔓婴兰 堕查三苎垫查婴塞量望堑壁旦 一 le g 图4 - 2 管外窜槽类堵水机理分析示意图( 中完侯凝) l 志芝 誉 ，呵 一 盈豳 图4 - 3 管外窜槽类堵水机理分析示意图( 完井投产) 1 9 西安石油大学硕士学位论文 2 、井周窜透类封堵工艺设计及封堵机理 井周窜透造成底水上窜的情况，十分特别，纯属理论推测，但l n 2 2 5 1 5 等井的 实例又证实了此类情况存在的真实性和可信性，其封堵方式类似于管外窜槽封堵，但技 术要求与封堵机理则大不相同。 封堵作业程序 ( 】) 准备工作： i 、循环压井，确保井简干净，油井不溢不漏； i i 、刮壁通井，确保井况良好，补孔工具及封堵管柱入井顺畅； i i i 、根据油井温度、压力等资料设计并完成水泥浆室内配方实验，编辑挤水泥施工 设计。 ( 2 ) 射孔：采取电缆常规射孔工艺，对准下部水层项部射孔0 ，5 一1 o m ，孔密：8 1 6 孔，米，以提供挤注封堵通道。 ( 3 ) 下挤注封隔器和挤注管柱，试挤求地层吸收指数，做水泥浆复核实验。 ( 4 ) 挤注水泥封堵作业，完井侯凝。 ( 5 ) 钻磨刮壁，原生产井段射孔，测试生产完井。 注堵工艺设计及主要技术要求 ( 1 ) 封堵管柱结构设计：与管外窜槽封堵管柱结构相同。见图4 a 。 ( 2 ) 水泥浆配制要求：初凝时间在8 1 0 小时，用量1 3 m 3 ，复核实验符合室内 实验技术要求。 ( 3 ) 挤注程序及要求：首先低压较大排量( 2 0 0 - - 3 0 0 l m i n ) 替置水泥浆至封隔器 顶面附近，前后垫隔离液1 o m 3 ，插管入座，然后进行较高压低排量挤注作业。根据需 要留下一些水泥浆( 0 5 0 8 m 3 ) ，泵压控制在3 5 m p a 以下，排量控制在2 0 0 l 加i n 以下。 施工完上提管柱1 2 根油管反洗( 有时也不必反洗) 。 ( 4 ) 、完井、候凝4 8 7 2 小时，然后钻磨灰塞及封隔器，刮壁通井，原生产井段射 孔测试，恢复油井生产。 封堵机理分析 主要通过挤注少量水泥浆，在水层的顶部打一个封口，同时又封堵井周的油水层问 微裂缝，封隔底水井周窜透，其作用机理详见图4 - 4 、4 - 5 、4 - 6 。 笙婴兰堕垄三苎垫查堑塞量翌堑壁旦 砧g 图4 - 4 井周窜透类堵水机理分析示意图 图4 5井周窜透类堵水机理分析示意图( 中完候凝) 2 1 西安石油大学硕士学位论文 图4 6 井罔窜透类堵水机理分析示意图 3 、部分水淹常规类封堵工艺技术设计及封堵机理分析 部分水淹常规类情况在油田开发中较为常见，也是塔里木油田开发中需要花大量精 力研究和现场实施堵水的主要类型。 封堵作业程序 ( 1 ) 准各工作： i 、循环压井，确保井筒干净，油井不溢不漏； i i 、刮壁通井，确保井况良好，补孔工具及封堵管柱入井顺畅； i i i 、根据油井温度、压力等资料设计并完成水泥浆室内配方实验，编辑挤水泥施工 设计。 ( 2 ) 下挤注封隔器及挤注管柱，试挤求地层吸收指数，做水泥浆复核实验。要求封 隔器座封在油水界面以上0 5 1 o m 。 ( 3 ) 挤注水泥封堵作业，候凝。 ( 4 ) 钻磨刮壁，油层段补孔，底界控制在油水界面以上1 2 m ，测试，完井生产。 注度工艺设计及主要技术参数 ( 1 ) 封堵管柱结构设计，同样采用一套e z s v 挤注封隔器，管柱带插管操作中心 腔滑阀，但考虑到封隔器要射孔井段上座封，影响其密封性能，在管柱的设计上，还另 外加了1 2 级测试用裸眼封隔器或水力膨胀封隔器，可有效地形成2 3 m 的封隔段， 第四章堵水工艺技术研究与现场应用 为挤注提供坚实可靠的封隔效果。详细参见图4 7 。 图4 7 部分水淹常规类堵水机理分析示意图 ( 2 ) 水泥浆配制要求：初凝时间设计为8 1 2 小时，用量可根据实际需要用下面的 公式来计算： w = 0 9 r t h o ( r a 2 + r ) 2 - r d 2 4 + 7 【r w 2 h 4 + e = r t 3 6 h d p ( r 。+ r r d ) + r w z h 】4 + 其中： r ：封堵深度，1 7 1 ； w ：水泥浆用量，m 3 ； 1 1 ：油层有效厚度，m ； 一：钻头直径，m ； o ：油层有效孔隙度，； r w ：套管内径，m ； h ：开采层底界至挤注封隔器的距离，m ； ：附加量，由现场施工经验决定，一般为o 3 o 5 m 3 西安石油大学硕士学位论文 复核实验要求符合室内实验的技术要求。 ( 3 ) 挤注作业要求相同于封堵井周窜透类的挤注要求，只是实际的挤注量要求大些。 ( 4 ) 完井，候凝7 2 小时后钻磨灰塞及封隔器，补孔测试，注意补孔底界控制在油 水界面以上1 2 m ，测试压差不宜过高，完井生产初期最好控制一定的产量进行生产。 、封堵机理分析 通过挤注一定量的水泥浆，对水淹层段进行井周封1 ：2 堵水，封堵深度控制在0 5 - - 2 o m ，所以要求候凝充分，初期测试生产要求控制一定的压差，其作用详细吉利见图4 - 8 、 4 9 。 图4 _ 8 部分水淹常规类堵水机理分析示意图 茎婴童堕查三堇堡查堡塞兰翌堑堡旦 - - _ _ ，_ h - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 漕i ? 虫澎奠 图4 - 9 部分水淹常规类堵水机理分析示意图 4 、部分水淹特殊类封堵工艺设计及机理分析 部分水淹特殊类情况在油田开发中虽不多见，但从理论上分析，其存在是有可能的， 而且到目前我们也找到了这样的类型实例。对于大厚层多小层油藏内注水开发的情况而 言，就会出现这样的出水情况。我们研究这类情况及封堵机理主要是为今后处理类似的 问题提供理论依据和技术储备。 封