调流控水筛管配合颗粒充填控水技术研究与试验

时间：2024-09-03

万小进, 吴绍伟, 周泓宇, 袁辉, 宋立志

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

油井控水技术主要分在井筒中开展工作的机械控水与在近井地带开展工作的化学堵控水。截至目前，南海西部油田共实施机械控水3井次，成功率100%，虽然机械控堵水作业取得了较好的措施效果，但机械控堵水工艺主要存在找水难、筛管完井的老井难以建立有效的封隔单元、选井门槛高等难题，极大制约了常规机械控水的推广应用。南海西部油田共实施化学控堵水8井次，仅有3井次达到了预期效果，成功率仅为37.5%，且成功井的增油降水效果有限，化学控堵水主要存在用液量大、泵注风险高、储层保护难度大等多种问题[1-3]。结合目前机械和化学控堵水难题，本文提出了一种调流控水筛管配合颗粒充填的多级分段控水工艺技术。

一、技术原理

针对目前机械控堵水找水难、选井门槛高、化学控堵水储层保护风险大、措施成功率低等问题，开展了封隔体控水新工艺技术研究，该工艺利用充填紧实的颗粒层，降低环空轴向窜流量；调流控水筛管增加储层流体流入井筒内的流动阻力，减小高渗层的生产压差，调整全井筒压力剖面，实现全井段均匀产出；在高含水井段下入具有较大节流能力的调流控水阀，抑制高渗水层的产出，为其余低渗产油段增加生产压差，从而实现控水增油(图1)。

图1 控水工艺技术原理示意图

1. 封隔颗粒轴向防窜流机理

假设组成封隔体的技术参数如下：以内径157 mm套管为井壁，下入内径76 mm控水筛管；控水筛管长度为10 m，过滤段长8 m，盲管段长2 m(图2)。则L径向=1.9 cm，A径向=80 cm2，L轴向=200 cm，A轴向=30144 cm2，根据式(1)、式(2)得渗流阻力f：

(1)

(2)

(3)

式中：f—渗流阻力，MPa；Δp—生产压差，MPa；Q—产液量，m3；μ—流体黏度，mPa·s；K—渗透率，mD；L—筛管长度，cm；A—截面积，cm2。

由于流体相同，封隔颗粒的渗透率各向相同，所以μ和K的径向和轴向数值相同，可得：

(4)

通过理论计算，10 m筛管充填封隔颗粒后轴向渗流阻力约为径向渗流阻力的4×104倍。

图2 封隔体控水理论分析模型示意图

2. 调流控水筛管技术原理

调流控水筛管可在常规防砂筛管上增加流量调节功能，通过设置不同的喷嘴大小，使水平井各段均衡产液，通过设置流量界限，限制高产水段的产液量。调流控水筛管与充填的封隔颗粒配合使用，取代了常规裸眼封隔器的应用，可把水平井段分隔成多个分段，将经过每段筛管的流体集中控制并分别配置不同大小的喷嘴，地层流体流经喷嘴时将产生不同的流动阻力，达到均衡产液剖面的效果[4-10]。地层流体经过筛管的过滤层后，在基管与过滤层之间的环形空间内横向流动，再通过喷嘴流到管内，调流控水筛管结构如图3。

图3 喷嘴型调流控水筛管示意图

二、实验研究

实验装置总长为2 m，外部为内径124 mm的套管，内部为内径73 mm的普通筛管，环空充填40～60目的封隔颗粒。

径向阻力测量(图4)时采用20 mP·s的真空油，轴向阻力测量(图5)时采用1 mP·s的水，测试参数如表1所示。径向阻力平均值(对于20 mP·s的真空泵油)f径向= 0.03 MPa/(m3/d)；轴向阻力平均值(对于1 mP·s的水)f轴向=7.86 MPa/(m3/d)；由上述数据可得：在不考虑流体介质黏度不同的情况下，轴向阻力/径向阻力=7.86/0.03=262，若考虑测试时流体介质黏度的差异，轴向阻力/径向阻力为5 240，由此可见当环空充填满封隔颗粒介质后：①径向阻力很小，几乎不影响流体的流动；②轴向阻力很大，一定程度限制流体的流动，从而大幅降低流体的轴向窜流量。

图4 径向渗流阻力实验测试示意图

图5 轴向渗流阻力实验测试示意图

表1 渗流阻力实验测试参数表

三、目标井概况

南海西部涠洲11-4油田A22井是2003年2月投产的一口水平井，生产层位为下洋组，采用内径157 mm的套管射孔完井，水平段长160 m，其中射孔段为140 m，2016年12月由于出砂、高含水等原因导致关停。

1. 出水原因分析

A22井无水采油期98 d，水驱方式为边、底水共同驱动，受油层下部钙质夹层影响，底水绕过夹层，从东北向推进。水平段跟端(1 180～1 220 m)平均渗透率为205 mD，水平段(1 280～1 340 m)趾端平均渗透率为713 mD，受层间非均质性影响，趾端水淹程度强于跟端，物性较差、产出比例少的跟端剩余潜力较大。从数值模拟结果来看，纵向上数模显示该油组已基本水淹，水平段跟端具有一定剩余油存在(含油饱和度33%)，水平段趾端水淹严重(含油饱和度20.0%～24.0%)；平面上剩余油主要分布在储层上部井间位置；数模拟合认为由于边底水共同作用，生产初期水平段趾端首先见水，后期油水界面抬升(约7 m)，整个水平段水淹严重，但跟端剩余油富集，具有一定的稳油控水潜力。

2. 出砂原因分析

2016年9月该井检泵修井后发现储层出砂，完井期间未防砂。从出砂预测分析来看，产层段1 310～1 340 m存在局部出砂风险，但该井射孔时未避射出砂风险段，且该井泥质含量高达20.9%，关停前含水高达96%，已开采14年未见出砂，随着开发时间的延长，地层胶结强度和出砂指数都在降低，超过出砂临界点导致出砂。

四、方案设计

1. 封隔颗粒选择

通过对该井取出砂样进行粒度分析，该井砂样粒度中值为60 μm，根据索西埃方法，该井颗粒充填目数为40～60目，考虑同时解决该井防砂和控水问题，由于调流控水筛管具有一定的节流效应，封隔颗粒充填在调流控水筛管外环空，所以封隔颗粒必须满足密度小、低排量易携带,才能满足调流控水筛管的充填需求。综合以上，采用了与海水密度几乎相同的轻质颗粒，满足易携带、充填的性能，且为达到良好的轴向防窜流功能，封隔颗粒的圆球度等基础物理性能需优于常规陶粒(表2)。

表2 封隔颗粒与常规陶粒物理性能对比表

2. ICD筛管设计

由于该井采用Ø177.8 mm套管射孔完井，ICD筛管选用内径76 mm的基管，外径120 mm，结合储层温度和流体性质，选择防硫化氢腐蚀的的L80-1Cr基管，筛管过滤精度为120 μm。由于趾端水洗程度高，属于高产水段，采用强控流方式抑制该段地层水的产出。跟端水洗程度弱，含油率高，为主要产油段，采用弱控流方式抑制该段地层水的产出。结合该井地质、油藏及生产情况，设计出该井不同层段的调流控水筛管参数配置(表3)。

表3 X1井方案设计基础数据

五、现场应用及效果

2018年2月，A22井实施了封隔体控水作业。首先对原井筒进行冲砂，冲砂作业结束后，按照设计方案及现场情况，累计下入180 m ICD筛管。按照颗粒粒径40～60目，砂比浓度2%，排量7.8～48 m3/h，泵压2～7 MPa，当实际充填颗粒量超过设计颗粒量(1.39 m3)时，通过降低充填压力至2 MPa，此时充填排量已低于设计结束排量，停止充填作业，由于部分颗粒进入射孔炮眼及部分亏空地层内，实际充填颗粒累计1.6 m3，充填效率115%，充填结束后直至反洗循环无颗粒返出，结束该井颗粒充填作业。

作业后该井不出砂，测试产液量380 m3/d，产油量90 m3/d，含水76%，较措施前产油增加30 m3/d、含水降低20%，且提供1 100 m3/d的液量空间供该平台其它井提液使用。