中国石油水平井堵水技术研究

中国石油水平井堵水技术研究

1水平井的完井方式20世纪20年代，水平井技术提出，矿场试验在20世纪40年代进行，20世纪80年代在美国、加拿大和其他国家得到广泛的工业化应用。现在水平井技术的应用已遍及世界上几乎所有的油气产区,成为油气田开发的重要技术。1)中国石油水平井应用简况中国石油在“八五”和“九五”期间开展了对水平井技术的研究和应用工作,并在不同油藏中开展了先导试验或推广应用。至2004年6月,中国石油累计完成水平井近400口,其中塔里木油田165口。2003年水平井年产油241×104t,占总产量的46%。其他如冀东、新疆、辽河等油田水平井的应用也已达到了一定规模。随着水平井技术的日益完善和我国经济的发展对石油资源的需求剧增,水平井数量及水平井油气产量的比重都将呈较快上升趋势。水平井应用的油藏类型主要有底水油藏、裂缝油藏、稠油油藏等。塔里木油田塔中4和塔中16底水油藏、新疆火山岩裂缝性油藏、哈德4薄层油藏,冀东油田高104-5复杂断块油藏利用水平井开发都取得了很好的效果。2)水平井的完井方式水平井完井方式主要有3种,即射孔完井、割缝衬管(筛管)完井和裸眼完井。射孔完井,可将层段分隔开进行分层作业,如堵水;割缝衬管(筛管)完井,不能有效地将层段分开,分层措施作业困难;裸眼完井,用在碳酸盐等坚硬不易坍塌的地层,特别是有垂直裂缝的地层,用裸眼封隔器等工具或适当的工艺可以进行分层措施,如堵水,酸化等。在这3种完井方式中,割缝衬管(筛管)完井堵水最困难,因为割逢衬管(筛管)与岩石壁面之间没有隔挡,流体可以径向和横向流动,在实践上要实现分层堵水成功率很小。而在塔里木油田,割缝衬管(筛管)完井占70%以上,此类水平井要堵水,必须在堵剂或工艺技术上有创新。3)水平井出水的类型由于水平井的特点,其出水方式与直井不同。主要有两种:底水脊进和裂缝突进。根据出水区域在水平段上的分布,底水脊进又细分为点状、线状和曲面状。由于同一油层的垂向渗透率不同,或者是水平段轨迹高低起伏,早期底水首先从高垂向渗透率的区域,或者接近油水界面的拐点进入油井,此为点状出水。在水平井生产上表现为含水率上升相对缓慢。如果油层纵向是均质的,井身轨迹呈直线,底水均匀脊进,形成线状出水。油井一旦见水,含水率上升很快,产油量明显下降。如果底水能量充足,油层渗透性较高,产量较大,线状见水就会发展成曲面出水。此时,油井严重水淹,油井成了水井。在塔里木油田,塔中4油藏水平井出水属于底水脊进类型,初期以点状见水为主,由于底水能量充足,部分井很快水淹。轮南油田虽为边水油藏,但发展到后期成为次生底水。地层水沿与水平段连通的裂缝进入油井是裂缝油藏常见的出水形式。在开采初期裂缝是油的通道,后来油层压力降低,裂缝变成了水的通道。与底水脊进不同的是,此类水平井见水后,一个月甚至几天之内,产水急增,产油骤减。新疆裂缝油藏水平井见水后的生产状况即如此。裂缝油藏水平井堵水的关键是找准出水裂缝,用大剂量高强度堵剂封堵。不论是底水脊进,或是裂缝突进,水平井见水后如不采取堵水措施,含水率将一直上升,因为水层的能量大于油层的能量,底水(水藏)的体积大于油藏的体积,且在同样的地层中水的渗流能力大于油的。4)水平井产水的危害水平井产水后降低了产油量,甚至损失储量。塔里木油田水平井中已有三分之一处于中、高含水期,产水已成了影响原油生产的问题。在新疆油田、冀东油田、大港油田等只要用水平井采油,就会产水,就有对堵水技术的需求。总之,不论是中国石油西部的新油田还是东部的老油田,不论是从技术应用还是从技术储备上讲,都有必要开展水平井堵水研究。2水平井堵水工艺水平井堵水技术涉及油藏、工艺、化学剂、测井和完井方式5个方面。由于水平井的特殊性,作业工艺复杂,测井(找水)资料少,加之割缝衬管(筛管)完井,都增加了堵水的难度。国内外对水平井堵水技术的研究主要在出水机理、堵水工艺(工具)和堵水剂3个方面。底水脊进机理的研究较多,但水平井堵水工艺(工具)和堵水剂仍在探索和试验之中。1)底水脊进机理在底水脊进机理研究方面,1986年Chaperon研究了各向异性地层的水脊变化规律,1989年Giger提出了描述水脊的二维数学模型,1989年Kapatzacos解决了底水脊进见水时间预测问题。近几年Permadi等人进行了新的研究。1995年Permadi指出,底水脊进最初发生在靠近水平井跟部的地方,并且脊顶逐渐向井筒中流体流向相反的方向移动;即使含水率到了99%,底水也没有到水平井段的高部位,因此在射孔完井的水平井中,靠近高部的井段应加密射孔;底水脊进油井后含水一直增加,但油层厚,水平段长的油井,含水上升率相对较慢,见水前的产油量较高。1997年Souza等用数学模型研究了水平井底水脊进突破时间和突破后流体的流动状态。用油田实例进行了计算,并与用ECLIPSE模拟的结果进行了对比。2004年Wibowo等用物理模型研究了底水驱油藏中重力、粘滞力和毛细管力对水平井产能的影响,结论是产能随重力与粘滞力的比值的增加而增加,随粘滞力与毛细管力的比值的减小而增加,重力和毛细管力的作用对水脊界面有重要影响。国内在水平井技术研究上虽起步较晚,但在理论和应用上都有所发展。中国石油勘探开发研究院、塔里木油田的研究人员对水平井底水脊进机理做了一些研究,结合油田实际提出了底水脊进的几种方式。2)堵水工艺在堵水工艺上应用于矿场的有SchlumbergerDowell公司的应用在割逢衬管(筛管)水平井堵气的环空化学封隔器(AnnularChemicalPacker,ACP),俄罗斯苏尔古特石油天然气股份公司应用于封堵水平井管外窜流的尾管过滤工艺。在钻井工艺上,还有打双水平井筒法:首先将一水平井段打在产油层,另一水平井段打在油水界面处,然后通过油水界面处水平井向地层中注入堵剂,形成人工隔板,阻止底水脊进的发生;诱导水平裂缝的方法:在打水平井时直井段打到油水界面处,并在此处压裂形成水平裂缝,然后通过水平裂缝注入强度较高的堵剂形成水平隔板,阻止底水脊进;将水平段打在油层的顶部,延缓底水脊进的速度和时间。1993～1997年ArcoAlaska和SchlumbergerDowell公司在Alaska的PrudhoeBay油田应用ACP技术进行水平井堵水(气)。该油藏上有气顶,下有底水,并且气、水均已侵入了含油带。为了在割逢衬管(筛管)水平井堵气,提出了应用连续油管和跨式封隔器将堵剂注入割逢衬管(筛管)和岩石壁之间的环形空间,然后堵剂凝固形成不渗透的阻流环套,即为ACP技术。将ACP和机械封隔器配合还可以进行对ACP附近出水层位进行堵水(气)作业。在现场应用前,对ACP技术进行了详细研究,并做了Yard实验。俄罗斯苏尔古特石油天然气股份公司应用于封堵水平井管外窜流的尾管过滤工艺原理与ACP相同,都是在割缝衬管(筛管)与岩石壁之间打一个不渗透的阻流环套。胜利油田是我国较早应用水平井技术的油田,在水平井堵水工艺方面有一些经验,如在射孔完井的水平井上用封隔器分层堵水,打水泥塞或桥塞堵端部的出水层位等。大庆油田用预置工作筒的方法进行侧钻水平井堵水,石油大学(华东)在塔里木轮古油田和南海涠洲11-4油田采用笼统注入的方法进行水平井堵水,见到了效果。3)堵水剂在加拿大西部的PelicanLake油田有4口生产重油的水平井采用从割缝衬管中挤入聚合物溶液的方法进行了堵水。法国石油研究院的Zaitoun等人用低水解度的HPAM在水平气井上堵水取得成功。PrudhoeBay油田将低分子量聚丙烯酰胺交联体系用于基岩堵气,高分子量聚丙烯酰胺交联体系用于裂缝堵水。2002年在科威特WafaRatawi油田鲕岩油藏1口裸眼水平井上用新型聚合物冻胶进行堵水,获得了成功。这口井水平段的跟部(A点)出水,而趾部(B点)产油。用封隔器堵水和挤水泥不但有风险,费用高,而且水会绕过封隔器和水泥重新进入油井。经论证,决定用两种聚合物冻胶体系,一种类似HEC的体系作为暂堵剂放置在趾部,以保护油层;一种高温有机交联剂聚合物体系作为堵水剂注入跟部。两种化学剂都通过连续油管注入,堵水后含水率从82%降低到70%～80%。胜利油田曾在砂砾岩油藏水平井用水泥及超细水泥堵水,工艺技术上成功。粘土、水玻璃曾用在底水、裂缝油藏水平井的堵水,并见到了一定效果。除了上述3个方面外,在水平井找水技术、堵水物理模拟实验研究和施工优化设计上进行了一些探索和实践。Schlumberger、新疆测井公司、大庆测井公司曾在塔里木油田进行过6井次的产液剖面测井,IFP、PRRC、石油大学、中国石油勘探开发研究院等对水平井进行过物理模拟实验研究。特别是石油大学(华东)对水平井底水脊进进行了系统的模拟实验研究,将实验结论用以指导南海油田的水平井堵水,取得成功。在施工设计上考虑了底水油藏中油水原始界面位置、裂缝油藏中裂缝的数量和延伸长度等设计堵水剂的用量。但总的来看,水平井堵水技术正处于初级研究、试验阶段。3选择性堵水剂的应用1)油藏研究水平井出水的原因,一是由于井身结构的因素,如套管漏失,管外窜流等;二是地层、油藏的因素,如底水,边水,裂缝,高渗透层等。油藏因素起主要作用,且比较复杂。因此水平井堵水离不开油藏研究,要利用油藏研究的成果,弄清楚水平井出水的机理和规律。2)产出剖面测试(找水)技术找准出水层位是堵水成功的三个条件之一。Schlumberger公司虽然发明了FLAGSHIP水平井产出剖面测井技术,但由于费用昂贵而不能广泛应用。胜利、大庆、新疆等虽在水平井测井技术上进行了研究开发,但都没能从根本上解决水平井测井问题。3)化学剂技术这是水平井堵水,甚至是整个油田化学领域中最活跃的技术。化学剂技术的突破,往往标志着一个新技术时代的到来。因此,在研究中投入大量的资金和人力进行这方面的研究,国内国外莫不如此。从已有的资料看,国外在水平井堵水中多使用相对渗透率调整剂(RPM),为高分子聚合物或冻胶类,国内应用的是水泥、水玻璃等对油、水没有选择性的无机堵水剂。对于出水层位清楚的水平井,如果井身结构允许,可以用封隔器或水泥塞将要堵水的层位分隔开,进行工艺选择性堵水。对于出水层位不清,或由于井身结构或工艺技术的原因,不能进行物理分隔,则必须实施化学选择性堵水,即依靠堵剂在油、水环境中具有不同的化学性能的特点实现堵水不堵油,或少堵油的目的。选择性堵水剂可以用在所有的要堵水的油井,不论是直井,或是水平井;层间出水,或是层内出水;孔隙结构地层,或是裂缝地层,等等。从堵水剂技术的出现开始,研究人员一直在积极地寻找和实验、应用选择性堵水剂,提出了几十种有机、无机化学剂,但从总的情况看,没有一种选择性堵水剂得到广泛的应用。原因如下:一是选择性不强,堵住了水,但同时油的产量也下降了,没有经济效益;二是价格昂贵,投资回报低;三是适用的油藏化学环境太窄。解决这三个问题的根本出路在于找到合适的化学剂。这些化学剂应具有较强的油、水选择性,合成生产方便,化学性能稳定,适应性强,施工工艺简单。如在本课题的研究中做到这一步,就可以解决绝大多数的油井出水问题。堵水剂,特别是选择性堵水剂是最重要的研究内容。4)施工工艺技术ACP,尾管过滤,机械封隔器,水泥塞,预置工作筒,笼统注入等,这些都是根据水平井的井身结构、出水层位、出水类型等具体特点及堵水剂本身的具体性质而应用的施工工艺技术。ACP和尾管过滤工艺是对割缝衬管(筛管)完井水平井堵水技术的创新,但作业工序复杂,也可能由于重力作用不能形成完整的环套;形成的阻流环套强度小;不能进入地层深部等。机械封隔器和水泥塞仅用在射孔完井、部分裸眼完井的水平井堵水。预置工作筒虽是一种堵水办法,但在出水层位并非如开发之前地质分析的那样时,预置的工作筒可能用不上。笼统注入非选择性堵水剂要冒巨大的风险,因为出水层位的压力往往比出油层位的高,堵水剂进入油层将使堵水作业事与愿违。5)物理模拟实验研究和施工优化设计技术底水脊进或裂缝突进的机理和堵水剂作用机理的研究要进行物理模拟实验,但目前的模型设计简单,仅能观察到现象,不能准确推演本质。没有水平井堵水优化设计的工具,用量、压力、段塞的设计只能凭从直井得到的经验。塔里木油田水平井处在高温、高盐、高压的油藏环境中,不少井是割缝衬管(筛管)完井,水平井段长,出水层位不清楚,这些都给堵水增加了困难。新疆油田裂缝油藏水平井、冀东油田复杂断块油藏水平井的堵水都有各自的特殊性。解决这些已经存在或潜在的问题,将对水平井开发具有重要意义。4水平井堵水工艺技术研究1)难点水平井堵水具有共性的瓶颈技术难点有3个:一是出水层位判定技术,二是堵水工艺技术,三是堵水剂技术。出水层位判定技术与水平井测井技术密切相关;堵水工艺技术与井下工具、管柱技术、完井方式、堵水剂特性有关;堵水剂技术与化工技术工艺、材料科学有关,是研究比较活跃的技术难点。2)重点水平井堵水最大的重点是堵水剂,特别是有较强的油、水选择性,合成生产方便,化学性能稳定,适应性强,施工工艺简单的选择性堵水剂的研究开发。其次,适合油藏、油井特点的选择性堵水工艺研究也是水平井堵水的重点。两个选择性——堵剂的选择性和工艺的选择性研究的突破是水平井堵水技术能工业化应用的关键。5水平井堵水问题目前中国石油的水平井主要分布在塔里木、冀东、新疆、大港、辽河、大庆等6个油田。塔里木油田部分水