连续封隔体防止泥堵技术的应用及效果分析

时间：2024-07-28

李锋，李晓平，杨勇，刘成林，裴柏林

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都 610500

2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518000

3.安东柏林石油科技有限公司，北京昌平 102200

引言

水平井可大幅度地增加油层的裸露面积，减缓水锥和气锥，提高钻遇裂缝的几率和有选择地进入油气富集区，已在油气田开发中得到了广泛应用[1]。而油藏中多见砂泥岩储层、泥质隔夹层及泥质盖层等情况[2-5]。水平井钻井过程中，既要考虑避水高度，又要考虑泥岩层影响，还要面对复杂的地质情况，给井轨迹设计和控制带来巨大的挑战，因此，水平井井眼轨迹常常不可避免地穿过一个或多个泥岩段[6-7]。

泥岩段的存在会造成油井出泥、及由此导致的筛管堵塞等现象，严重影响油井的正常生产，如何让水平井通过完井控制泥质运移、防堵塞、维持产能成为行业内长期存在的技术难点[8-9]。而海上油田泥堵问题更加突出，因其作业成本高，一旦油井发生泥堵，经济损失巨大，有效地防泥、控泥尤为重要[10-11]。

1 泥质运移及泥堵机理

在水的浸泡下，泥岩层中的黏土矿物会发生膨胀、水化，在压差作用下，随地层流体进入井筒。如果井筒内无防砂筛管，泥质颗粒会随流体进入电潜泵中，在电潜泵入口处形成堵塞，造成电泵无吸液，发生机械故障，缩短电潜泵运行寿命[10]。如果井筒内存在防砂筛管，泥质颗粒会在筛管的防砂网表面形成泥饼，造成流体流入筛管的阻力增大，随着泥质颗粒的不断堆积，筛管外泥饼的覆盖范围不断扩大，油井产液量随之大幅度的下降，严重影响单井产能，甚至造成死井[6-11]。

泥质运移堵塞筛管的机理示意图如图1 所示。

图1 泥质运移堵塞筛管机理Fig.1 Process of the screen plugging caused by mud migration

裸眼完井时，泥岩段在筛管外流体的冲刷浸泡下，发生膨胀水化，并被筛管外流体携带至筛管防砂网处，泥质颗粒在此形成泥饼，最终使油层对应的筛管全部堵塞。另外，筛管防砂网上形成的泥饼会造成防砂网上压差增大，常使得防砂筛管发生局部破损，导致流量集中，冲蚀效应加剧，最终造成油井出砂[11]。

2 目前完井封隔泥岩方法的概况及主要问题

目前通过完井方式，封堵泥岩的常规方法有两种：套管完井射孔法及裸眼完井封隔器封隔法[8-12]。

套管完井射孔法，在整个生产段采用下套管后固井的方式与地层完全封隔后，根据测井曲线解释结果，利用射孔枪射孔，只射开含油段，避开泥岩段。其优点为封隔性好，能够有效封堵泥岩段。但其需要下套管、固井、射孔等作业，成本高、耗资大，而且如果固井质量不好，对泥的封隔效果亦无法保证，泥岩段流体仍然可以通过套管外窜流至射孔段，从炮眼产出[12]。套管完井射孔法适用于直井及定向井，因其生产段较短，下套管、固井及射孔成本较低。但在水平井的防泥、控泥作业中适用性较差，原因有二，一是随着水平井技术的发展，水平段的长度可达几百米至上千米，如采用套管完井射孔法防泥，成本巨大；二是在水平井水平段固井过程中，由于套管不居中，水平段长、摩阻大、水泥浆下沉等因素影响，固井质量无法保证[12-13]。

裸眼水平井封隔泥岩段普遍选用封隔器封隔法。该方法根据测井曲线解释结果，利用盲管及两端的遇液膨胀封隔器对每个泥岩段进行封隔，使得泥质颗粒径向上无法进入井内，轴向也无法窜入其他生产段[12-14]，见图2。

图2 裸眼完井封隔器封隔法原理图Fig.2 Mudstone isolate in borehole completion well with swellable packer

现有的水平井完井防泥技术仍然存在以下问题：（1）封隔器封隔法是利用遇液膨胀封隔器与裸眼井壁壁面贴合启到封隔作用的，但是实际应用中，因为井眼扩径（如5.5′′井眼遇到地层疏松段时，扩径至8.5′′，其中，1′′=2.54 cm）、井壁形状不规则等条件，会造成遇液膨胀封隔器与井壁的贴合困难，导致遇液膨胀封隔器封隔失效；（2）受井下高温、高压、含盐、腐蚀等条件影响，遇液膨胀封隔器封隔胶皮易破损、老化，造成封隔失效；（3）遇液膨胀封隔器具有一定的外径，使其能够膨胀后紧贴井壁，但入井过程中，受裸眼井壁缩径、井轨迹曲率大小影响，存在一定的遇阻风险，所以在工程实践中，下入封隔器个数有限（通常不超过6 个），分隔段数有限，当水平井钻遇多个泥岩层时，封隔器无法实现对所有泥岩段有效封隔[14-16]。

3 连续封隔体技术

3.1 技术思路

技术思路起始于安东柏林公司应用封隔体防泥窜流实验的相关研究结果及应用前景展望。文献[17]中，利用充填紧实的连续封隔体颗粒封隔泥质进行了室内实验，观察泥质穿过连续封隔体颗粒充填腔的情况，并根据实验现象及特征通过渗流力学等方法进行了机理分析。

室内实验装置如图3 所示，填砂罐内顶部为黏土层，下部为充填紧实的封隔体颗粒，通过泵从填砂罐顶部注入水模拟泥质运移的过程[17]。

图3 文献[17]室内实验装置图Fig.3 Laboratory experimental instrument sketch in Ref.[17]

文献[17]室内实验照片见图4。

图4 文献[17]室内实验照片Fig.4 Laboratory experimental photos in Ref.[17]

实验过程中发现：（1）启泵后，在注入压力不变的情况下，填砂罐出口流出液体流量不断下降，直至再无液体产出，说明从系统内部发生了堵塞（图4a）；（2）刚启泵时，出口液体为浅黄色，其中有极其微细的泥质流出（图4b），10 min 后液体开始变清澈，先混后清的实验现象表明泥饼形成，堵住了泥质流出通道（图4c）；（3）将封隔体颗粒及黏土层从填砂罐推出后观察，粗的泥质颗粒只在连续封隔体颗粒形成的空间内运移了3 cm 左右的距离（图4d），填砂罐下防砂过滤网上面无泥质颗粒存在，证明连续封隔体充填有效地控制了泥质运移的程度。

该实验同样表明，可通过连续封隔体颗粒充填在地层中防止泥质运移。因此，本文将上述实验室成果应用到实践中，将一维的机理运用到三维的空间，通过充填筛管与井壁形成的环形空间，形成圆筒状连续封隔体充填腔，在环空内设置屏障，从而在径向上防止泥岩段的泥质及含泥流体进入对应筛管，轴向上防止泥岩段的泥质及含泥流体窜入出油段筛管。

3.2 机理分析

使用连续封隔体防止泥堵技术时，连续封隔体颗粒需紧密地充满筛管与井壁形成的环形空间，其目的在于不留可容许泥质颗粒及含泥流体窜流的缝隙，避免出现泥质轴向窜流，而影响出油段筛生产。泥质颗粒及含泥流体进入筛管只能依靠径向渗流通过连续封隔体颗粒充填形成封隔环，相当于文献[17]中填砂罐内的封隔体颗粒充填层。泥质颗粒受摩擦力影响，形成桥堵，在与连续封隔体颗粒交接的界面上不断地形成泥饼，增大泥质颗粒及含泥流体进入连续封隔体充填空间的阻力，直至完全阻碍泥质颗粒及含泥流体的运动。

应用连续封隔体技术封隔泥岩段的机理示意图见图5 及图6，其中，箭头所示为泥质运移方向，泥岩段的泥质颗粒及含泥流体受自身形成的泥饼封堵，径向上无法进入连续封隔体充填腔内，轴向上更无法窜流至出油段筛管处。

图5 连续封隔体颗粒堵泥机理示意图Fig.5 Continuous pack-off technology in mud blocking prevention schematic diagram

图6 连续封隔体颗粒堵泥机理剖面示意图Fig.6 Cross section of continuous pack-off technology in mud blocking prevention

3.3 技术难点

要达到预想的封隔效果，需要保证封隔体颗粒在环形空间有效紧实的充填，一方面，能够保证不留窜槽，避免轴向窜流；另一方面，充填紧实的封隔体颗粒可以有效地支撑泥岩段井壁，避免泥岩段井壁坍塌、掉块及其对防泥工作造成负面的影响。

当前完井过程中的充填工艺主要针对砾石充填，砾石充填完井示意图见图7。

图7 砾石充填完井示意图Fig.7 Gravel pack completion schematic diagram

砾石充填防砂采用传统的颗粒充填方式可能存在泥质堵塞筛管和筛管破损的情况；还存在水平段防泥堵效果很差的问题，其主要原因在于无法实现全水平段充填率均达到100%：砾石与充填液比重较大，充填时和充填后，易在水平段沉降，在水平段顶部形成窜槽（图7），难以实现紧密充填[18-20]。

3.4 解决办法

根据砾石充填工艺中存在的问题分析，在连续封隔体颗粒充填过程中采取如下措施，以保证连续封隔体颗粒在筛管与井壁形成的环形空间内能够充填紧实。

（1）选用比重低的颗粒，以缩小颗粒与充填液的密度差，使其更便于被充填液携带。

（2）加入摩阻降低剂，降低颗粒间的摩擦阻力，使其更易于被充填液携带。

（3）利用ICD 控流筛管回流充填液，因为每根筛管上都有一到两个节流孔，使得充填界面与节流孔存在流体压差，轴向的渗流压力梯度迫使连续封隔体颗粒堆积紧实。

充填过程如图8 所示。

图8 连续封隔体颗粒充填过程Fig.8 Filling process of continuous pack-off particles

由T1时刻开始充填，连续封隔体颗粒随充填液由油管注入井内，在生产管柱上方的封隔器内，由滑套口呈雾状流进入筛管与裸眼井壁形成的环形空间，充填液通过控流筛管回流，红色箭头为充填液携带连续封隔体颗粒进入方向，蓝色箭头为充填液回流方向，连续封隔体颗粒被筛管过滤网拦截，留在控流筛管与裸眼井壁形成的环形空间，在沉降作用下，连续封隔体颗粒不断堆积在控流筛管下方。

在T2时刻，连续封隔体颗粒已经堆积满控流筛管下部空间，从水平段趾端方向开始淹没控流筛管。此时充填液依然通过上部滑套入口进入筛管与井壁形成的环形空间，但回流基本依靠筛管上部流道。连续封隔体充填区域内因为颗粒密度较低，在流动压力推动下，使得封隔体颗粒在已充填空间内进一步堆紧、堆满。

T1时刻至T2时刻的充填阶段称为α 充填阶段，T2时刻后连续封隔体颗粒充填开始进入β 阶段。

在T3时刻，进入β 充填阶段后，连续封隔体颗粒不断由趾端向根端淹没控流筛管，被淹没的筛管不再参与回流，可供回流的筛管数量不断减少，见图中蓝色回流箭头。充填液在流动压差及控流筛管节流的双重作用下，向连续封隔体颗粒充填区域渗流，对堆积的封隔体颗粒起到渗流挤压的作用，冲击堆积及渗流挤压的同时作用，使连续封隔体颗粒堆积越来越紧。

连续封隔体颗粒淹没所有筛管后，在T4时刻完成封隔体颗粒充填全过程。

3.5 渗流挤压梯度的计算

对连续封隔体颗粒的渗流挤压是控制流动压力梯度实现的，连续封隔体颗粒堆积界面前的压力为

摩阻损失梯度计算的通用公式为

摩擦阻力系数f可根据管壁相对粗糙度和雷诺数查出。环空流动时，流动管当量直径计算公式为

受封隔体颗粒充填的影响，渗流通过封隔体充填区域到达已淹没控水筛管节流孔的流量特别低，则被淹没的控流筛管节流孔处的压力约等于控水筛管内的压力

连续封隔体颗粒堆积界面与控流筛管节流孔距离为L时，则在连续封隔体颗粒堆积界面到控流筛管节流孔的距离内，压力梯度为

假设连续封隔体堆积界面垂深与控水筛管节流孔垂深相等，则

3.6 连续封隔体颗粒充填技术参数

选取超轻密度材料制作连续封隔体颗粒，其密度接近于水，充填过程中沉降速度慢，在小排量充填情况下不易形成砂桥，从而最大程度保证充填效率[21-25]。选取的超轻密度连续封隔体颗粒密度为1.03～1.06 g/cm3，是砾石充填石英砂密度的45%，如采用密度为1.03 g/cm3的海水作为充填液，其密度差是砾石充填的1.5%[21-25]。同时该超轻材料还具备物理化学性质稳定的特点，耐温耐压分别达到140°C和40 MPa，在井底高温、高压条件下，不易发生物理化学变化，进而影响封隔泥岩的效果[21-26]。

综合考虑成本及产层保护等因素，选用含盐度3%的海水作为充填液，其密度为1.03 g/cm3，与密度为1.05 g/cm3的连续封隔体颗粒混合充填可形成雾状流，有利于提高充填率。

选择最大泵注压力时，由于泵注压力与筛管内压力差值越大，越有利于连续封隔体颗粒轴向上的渗流挤压，使得封隔体颗粒堆积的越紧实，故可在确保不高于地层破裂压力的情况下适当提高泵压。

3.7 充填施工步骤

主要充填施工步骤有以下6 个部分：（1）下入包含ICD 控流筛管的下部完井管柱；（2）利用完井液循环测试排量与油压关系；（3）正循环充填封隔体颗粒至筛管与裸眼井壁形成的环形空间；（4）根据注入压力及排量指示，结束正循环充填；（5）反循环洗井；（6）起充填管柱。具体连续封隔体颗粒充填作业流程如图9 所示。

图9 连续封隔体颗粒充填作业流程Fig.9 Work flow for continuous pack-off particles filling

4 现场应用实例分析

4.1 应用背景

LF 油田位于中国南海珠江口盆地08 区块西端。该区块2370 层为新近系珠江组下部的砂岩层，物性较好，属于中孔、中高渗储集层。在2370 层之上发育有一套巨厚的陆棚相泥岩，形成了良好的储盖组合。2370 层为背斜构造油藏，有效厚度在10.4～23.2 m，为典型的块状边水砂岩油藏。

A7H1 井是为了挖潜未被波及到的构造边角区域剩余油而钻的调整井。该储层目前采出程度较高，已进入开发中后期，油水界面抬升；该井构造部位相对较低，局部水淹及底水锥进风险较大。综合考虑以上因素，为了保证油井产能，设计水平井轨迹与储层顶端盖层距离小于1 m，但钻井轨迹存在波动，钻进过程钻穿部分泥岩段的可能性极大，防泥为初期完井设计中要考虑的重要因素。

实钻过程更增大了防泥的必要性。在钻水平段的过程中，由于出油层岩石倾角向下，水平段轨迹受此影响不断下行，共用4 趟工具进行钻进，前3 趟均无法达到良好的轨迹控制效果，增斜困难，水平井轨迹发生偏移，为了矫正井轨迹，下入第4 趟工具，井轨迹上挑，因构造变低，误入顶部泥质盖层。该井设计井深3 861 m，水平段长度550 m，实际水平段长度201 m，其中，趾端74 m 钻入储层顶部泥岩层，有效井段仅为120 m。

泥岩段占总水平段长度的36.82%，开发过程中必须要采取防泥、控泥措施。另外，由于共下入四趟工具，多次增斜、降斜矫正井轨迹，造成井轨迹波动较大，出现不规则井眼、大肚子现象，每米曲率达到0.18°，遇液膨胀封隔器下入遇卡风险巨大，封隔效果无法保证，传统封隔器封隔法可行性较低。综合考虑以上因素，选用连续封隔体技术防泥，连续封隔体技术是通过在筛管与井壁环空充填特殊颗粒形成紧密的封隔环实现封隔，在任何可以实现循环的空间均可有效充填，形成防泥屏障，技术优势明显。

4.2 施工过程

由A7H1 井的井身结构，设计了该井的连续封隔体防泥完井方案（图10）。

图10 A7H1 井封隔体充填后完井结构示意图Fig.10 Continuous pack-off completion technology wellbore schematic for Well A7H1

下部完井管柱下深3 450.0 m，共计下入24根ICD 筛管；封隔器坐封在3 192.5 m；根据井眼尺寸及完井管柱结构组成，计算连续封隔体充填量为1.9 m3；封隔体颗粒粒径选取为40～70 目（0.21～0.42 mm）；该区域地层破裂压力为8.2 MPa，泵注压力设置为6.0 MPa。

A7H1 井完钻后实施连续封隔体防泥技术裸眼完井，在6′′井眼内下入控水筛管。初始排量0.6 m3/min，初始泵入压力6.3 MPa；最高泵注压力8.0 MPa，对应排量0.6 m3/min，充填进入β 充填阶段；整个充填过程共充填封隔体颗粒2.335 m3，耗时6 h，充填率123%。在进入β 充填阶段后，通过降排量、定泵注压力充填。第三次降排量时，泵注压力为8.0 MPa，排量为0.5 m3/min。充填液由油管注入，经控水管柱上方的顶部封隔体处，由滑套口进入环空充填；充填液回流先通过控水管柱，至顶部封隔器处则进入油套环形空间返回地面。因此，注入及流出的摩阻均可简化为两段分别计算

式中：

根据相关参数计算得知注入摩阻为1.45 MPa，返排摩阻为0.45 MPa。根据式（6），计算连续封隔体充填界面至其淹没的最近一根筛管间的渗流挤压梯度高达0.6 MPa/m，此压力梯度足以让密度与水相近的封隔体颗粒堆积紧实。

4.3 防泥效果分析

目前，该井已经投产8 个月，无水采油17 h，初期日产液430 m3，当前日产液443 m3；含水率由初期的91%降至目前的83.4%（图11）。截至2020年2 月底，累产油0.91×104m3，与钻前预测基本一致。在投产后的8 个月生产时间内，井口监测未见固相颗粒产出物，无黏土物质返出地面。且电潜泵工作正常，未发生因进泥引发机械故障影响生产的情况。

从生产动态（图11）上观察，在油嘴、泵频、生产压差稳定的条件下，含水率由91.0% 降至83.4%，油水比增大，而日产液略增，由429 m3增至444 m3，日产油量、日产液量的双升证明了该井产能未受到泥岩段影响；而从本井采液指数曲线（图11）上可以看出，计算采液指数曲线平稳，返排结束时采液指数为118.6 m3/（d·MPa），当前采液指数为119.1 m3（/d·MPa），整体变化幅度低于4.8%，采液指数无大幅变化，分析认为该井并无泥质运移，堵塞筛管，影响产能的过程。

图11 A7H1 井生产动态曲线Fig.11 Production dynamic curves for Well A7H1

LF 油田2370 层连通性好、均质性强，A7H1 井与邻井产能具有一定可比性，因此，可通过对比产能，判断泥岩段对A7H1 的影响。由于该井误入泥质盖层，其有效井段仅为120 m，因此，以米采液指数为指标与邻井进行对比。因投产时间不同，为剔除相对渗透率影响，取邻井同期含水率米采指数进行对比（表1）。A7H1 井的米采液指数为0.96 m3（/d·MPa·m），与邻井相差不大，与平均值0.98 m3（/d·MPa·m）仅差2.02%，且A7H1 井米采液指数与邻井米采液指数相近，而参与对比的邻井均未钻遇泥岩段，证明该井产液能力符合该区块的基本储层条件，进一步证明连续封隔体技术对趾端泥岩段封堵有效。

表1 A7H1 井米采指数对比Tab.1 Comparison of liquid productivity index per meter for Well A7H1

通过以上分析，可以确定应用连续封隔体技术封隔泥岩段的设计目标得以实现，即对泥岩段进行有效封隔，保障生产不受泥岩段影响。

从实践效果及机理分析可以看出，连续封隔体颗粒防泥技术具有以下技术优势：

（1）适用范围广。只要是可建立循环的空间均可以实现有效充填，所以连续封隔体封隔泥岩段技术适用于各种井型，在直井、定向井、水平井防泥作业上均可发挥作用；对充填空间的形状无要求，所以可用于裸眼井，对井径大小及形状不固定的裸眼井外环空依然可以实现紧密充填。

（2）有效期长。封堵颗粒物化性质稳定、耐温耐压，泥质颗粒和含泥流体不会因连续封隔体颗粒发生的物理化学反应而重新窜入井筒内部。

（3）功能全面。可结合控水筛管使用，实现控水、防砂、防泥堵、增油有机结合[21-25]。

（4）工艺简单。因对整个生产段均进行了紧密充填，所以无需通过测井解释落实泥岩段位置，全井段自适应控堵；对泥岩段个数、长度无限制，对封隔区域内的所有泥岩段均可起到封隔作用。