水平井堵剂及堵水工艺研究

时间：2024-07-28

张莹辉

（西安石油大学，陕西西安 710065）

自20 世纪20 年代初，水平井理论就被正式提出[1]，后经多年的应用探索发展，其理论已经在世界各国开始被广泛关注及应用。由于水平井独特的井型，可以达到与储层最大化接触面积，高程度的提高采收率，增加经济效益[2]。但水平井也有其复杂性，比如接触层易见水，有时即使是“一点见水”也可能导致整个井“水淹”[3-5]。因为水平井油藏的应用情况复杂多样，一般的开发技术不适用于水平井，导致水平井在堵剂选择方面存在较大问题，堵水效果往往不是很理想。目前的主要问题集中在堵水的工艺选择和堵水参数的设计上[6]。本文通过研究水平井堵剂及堵水工艺，可减少水平井主要部位的堵水问题，尽量避免由于漏水而导致的灾难性问题；在油井方面，能使生产井的出水量与水油比下降，进而使生产井的生产周期延长。通过分析水平井结构、出水位置对出水性能的影响，研究出适合水平井的堵剂，并广泛应用于其他类型油井。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

2001 年美国的Kabir.A.H 开展了关于化学堵水与堵气的技术研究[7]。并指出虽然有很多化学方法可以用来解决在油气井中出水的问题，但这些化学反应都很复杂，一个具有一般化学背景的石油工程师很难选择并应用一个合适的方法。因此，Kabir.A.H 介绍了迄今为止所有可用的化学水/气关闭（WGSO）方法及优缺点。常用化学堵剂有，单体体系、聚合物凝胶、相对渗透率改性聚合物、无机凝胶、塑料等化学选择。较不常见的包括黏性驱油、诱导矿物沉淀选择性封堵和其他一些材料。

2006 年美国的P.D.Fernandes 和M.G.F.da Silva 等提出了一种新的水平井堵水驱油技术[8]。水平井流速分布不均匀会导致早期水/气锥进、水/气在驱替过程中的早期突破等。开发了水平井内部和周围的流动分析模型，水平井沿衬管或防砂装置具有不均匀间隔的槽或射孔。该模型对井内和井附近储层的流动进行耦合。使沿水平生产井或注入井的流动均匀化，以延迟气水锥进并提高波及系数。

1.2 国内研究现状

1999 年华北石油局韩振华、李金炭等研究了TC-938 堵剂在任平2 井堵漏中的应用[9]。作者指出，在钻井开发过程中，灰岩油藏出现漏失的严重程度更为明显，一旦出水将严重影响油井的钻进开发效果。通过研究TC-938 化学剂的性能、工作原理及优缺点，综合分析后应用于该井的现场使用，并取得了成功的堵水堵漏效果。

2005 年中国石油勘探开发研究院采油工程研究所的李宜坤、胡频等总结提出了关于水平井堵水的背景、现状及发展趋势[10]。1920 年水平井技术被提出，1940 年开始试验，1980 年便在国外得到广泛的应用。近年来水平井的应用开发日益增多，水平井油气产量呈较快上升趋势。从总体上来看，水平井堵水的研究仍然处于研究试验阶段。

2020 年大港油田石油工程研究院齐行涛研究了水平井分段定位找堵水技术及配套工艺研究与应用[11]。提出了一种新方法，该方法不局限于生产的时间，可以在合适的时间进行动态标记，进而找到出水部位，实施精准的堵水。

2 水平井特性分析

2.1 水平井出水特点及水型分析

水平井不同于其他井型，其井身最大化与油层接触，可大幅度提高油气田开发效率[12]。水平井大多会打在水油流度比较高的稠油油藏中，在这类油藏中，很容易会出现水锥。油井一旦见水，便会快速大量产水，水量急剧上升，如果不迅速有效的处理，可能会导致油井过早的“水淹”。

存在底水的水平井，在其开发油藏阶段，因为生产压力差值不均等及恢复程度不均等，井筒附近压降表现出锥形状油水相互界面变形程度增加，促使边水或底水四处流窜，进而油井被水淹没，水占据了大量空间，此情况下的形状定义为底水脊进。水在底水脊状油气储层初始过程中多数表示为点状。因为井底附近水能量足够充足，水平井被水淹没的速度较快。

储层的不同会影响钻进的速度和生产的产能，当储集层存在一些裂缝，这个时候使用一般的钻进方式达不到产能要求[13]，这时从水平方向上钻进便会使其产能大大的增加，相比于其他一些普通的垂直井而言，这样的钻井方式会在产量方面取得良好的成效。在石油行业最开始的时候，一些有裂缝的储集层应用最为广泛。随着油藏压力的减小，裂缝成为油藏中水的通道。这种水平井在遇到水时，水会快速进入油井，之后水与油量呈现此消彼长的趋势，油井内一大部分会被水占据。水平井钻井工艺在各种油田开发的过程中，为提高油藏的综合采收率，发挥了举足轻重的作用，带来了很大的利益。虽然水平井的优势有很多，但由于井筒和储层水平的特点，很容易生产大量的水、水平井如果大量生产水就会使井中含水量开始大幅度上升，而另一方面油的产量会大大降低，出水严重时更可能导致整个油井变成水井。

2.2 水平井堵水存在的问题[14]

由于水平井井型的特殊性，在油气田开发过程中，一旦发现油井有出水状况，如何快速有效的处理和应对是尤为重要的。水平井堵水的重点在于，首先，怎么去找到出水的具体位置，以便于制定更为准确的策略去处理应对；其次，研究分析哪种堵水剂最适用于这口井，选择出最为匹配的堵剂；最后，查阅资料，与每口井实际情况相结合，确定出最为适合的堵水工艺，有效实施堵水。

在对水平井的出水进行封堵的时候，其效果不能满足要求的主要原因是由于下面的几个问题：首先是堵水剂是把双刃剑，在选择封堵剂堵塞出水层位的时候，油井的正常生产也会受到影响，使产量大幅度下降。另一方面经济收益严重被其影响，表现为降低。堵水剂的封堵性能不足，对于储层出水层位的密封能力很低，封堵时间达不到预期要求，以至于堵水后所带来的优势差强人意。各种应用的化学药剂的价格相对较高，在这种大投入的情况下，即使产量稍有增加也不能满足经济的客观需要。在封堵出水油井的时候，发现所用化学药剂的适用范围很小，不能广泛应用。到了现在，在面对出水的水平井时常常一直延用由古至今的堵剂。但是，又因为这些堵剂有一定的弊端，导致堵水的作用达不到预期的要求。如何去改善水平井堵剂的性能，这是目前学者们的重点研究方向。所以，研究出一套适合水平井的且强度较高的堵水剂配方，制定出一套评价和试验方法是非常急迫的。

2.3 堵水剂的评价方法

成胶时间在科学研究中，指所用药剂以调配完成到其黏度第一次出现升高现象，多数情况下也可以称为堵水剂首次出现凝结现象所用的时间，还可以用弹性模量首次出现变大现象所用时间来表征。总结成胶时间的方式有三种：目测代码法、黏度突变法、模量交点法[15]。

3 水平井出水原因

3.1 地质因素

有的水平井藏油在裂缝中，其主要的出水形式是水层进入水平段的藏油裂缝中。刚开始，裂缝中的液体是油，随着进一步的挖潜，导致油层压力降低，原本储油的位置便开始有大量的水进入，在几天到一个月之内，水量骤增，油的产量急剧减少。在底层藏油的水平井开采中，当井底的压力差大于油水因密度不同而导致的重力差时，底层的水会进入井底，造成水淹现象，含水量急剧上升，产油量减少。如果竖直方向的渗透率变大，油、水界面将没有有效的分割层阻挡，水平井的含水量也会很快的上升。

3.2 油水性质

油和水的密度不一样，会导致底水脊进，随着油、水密度差的减少、其临界生产压力差也会逐渐的减少，导致油井容易出水现象。因稠油的密度比较高，黏度高且驱动其流动需要耗费更多的地层能量。而另一方面由于两者的密度关系影响。导致了生产井更容易被水淹。油和水的流速不一样，容易产生“指进”现象，且流速差距越大，越容易出水[13]。另一方面，油、水黏性差异越大，油水临界面产生的压差也将急剧减小，会导致水平井出水。对于稠油而言，油、水流速差异越大，其泄油通道的水饱和度稍微上升一点也容易引发含水量的大幅增长，一旦突破了临界值，产油率将快速下降。

3.3 井身结构

水平井藏油的位置越接近油井的底部，其临界压力越小，产生水锥的初始速率也比较低，更容易发生“水淹”[13]。

当水平井的水平部分较短时，能够很快的产生水脊，水脊的两边倾斜度很大，油水分界的地方变形也很大。当水平井的水平部分较长时，产生水脊的时间比较长，水脊两侧的坡度也比较缓慢。随着水平段不断增长，水平井出水的时间也将变长，开采效率将提高。

3.4 工作制度及措施不当

随着开采的不断进行，水平井的产量将逐渐减少，从经济方面来考虑，水平井的产量不能始终保持在临界产量下，到了一定的阶段，其产量要大于临界产量，油井出水。在生产或增长作业的时候，油层和水层容易连通，导致油井含水量增加。

4 水平井所用堵剂的研究

4.1 水平井堵剂性能要求[16]

水平井出现水突破之后产油量大幅度降低，含水迅速升高，如果不及时采取有效的封堵措施，便会严重影响到油井的挖潜，甚至会导致关井。适当采用调堵技术抑制水平井过多出水是解决面临问题的有效手段。多年以来，经过国内外众多石油行业的技术专家的努力，不断的进行试验总结，在试验中与其他常规的堵水剂进行了多次比较分析，最终得出水平井堵剂应具备的几个最基本要求：流变性能要好；要足够稳定要足够安全；封堵性能强；工艺要切实可行。

水平井的堵水特性主要取决于其完井的方式，大致可以分为以下几种：割缝衬管完井、裸眼完井和固井射孔完井。经分析比较，在进行水平井堵水工艺时最困难的是割缝衬管完井，主要的影响因素是其衬管和储层之间缺少一定的隔挡，水进入井筒后便分为横向流和径向流这两种形式。另一方面，机械隔离仅仅能在开发井里面发挥作用，但是在衬管和储层面之间空间处的作用效果却差强人意，难以实现。

4.2 水平井所用堵剂主要类型[11]

（1）因为水泥的价格低廉、强度很大，可以应用于大多数情况的温度，所以在很早就被用来做堵剂。而且，经过多年仍然是研究应用的重点。主要的种类有水基、油基和微粒水泥。水泥堵剂的不足之处是颗粒悬浮性较差，不利于深层次的运移，注入后会使得水流绕行，使得有效期较短。在对油水的选择性方面，水基水泥毫无选择，且在动工的时候也会出现很多难以预料的风险，易产生安全事故。因为水泥颗粒较大，只能够封堵住高的、大的渗透层、很难进入中低渗透层，因而在使用该方法时，成功的概率较低，所能使用的有效时间较短。

（2）颗粒类堵水剂应用甚广，因其有自身独特的优点，即可很好的对高、特高渗透地层进行有效封堵。在油井开发过程中应用到这种堵水剂时，它的颗粒大小要和管道的大小相匹配，当其半径是三倍到九倍的喉道半径时，这个时候的堵塞效果最好，缺点是容易沉积、选择性较差、强度不太高。

（3）凝胶类堵水剂不同于其他堵水剂，有其独特的优点。最为突出的是强度高、有效期长。不足之处是具有温度使用范围，同时也存在其他的一些潜在的危害，价格昂贵无选择性等。

5 水平井堵水工艺研究

在生产井出水的情况下，堵水的办法主要有[18]：机械法和化学法。由于水平井出水的位置大不相同，因此，在堵水工艺过程中选择相应的堵水剂时，要严格依据实际的出水情况来定。通常按照出水部位情况可以划分为具体的三种出水方式，分别为产层趾部出水、产层中部多点位出水和产层底部出水。由此对应产生了三种工艺可以有效地进行堵水，主要为：对应保护液-井底压力平衡法封堵技术、笼统注入法和可降解屏蔽暂堵法。