海上稠油油田开发中的井筒配置

海上稠油油田开发中的井筒配置

中国水域拥有丰富的石油和天然气资源。目前，海上勘探能力的可持续发展是国家石油产量增长和产量替代的重要组成部分。中国海域已发现石油储量主要集中在渤海海域,其中稠油储量已占渤海石油总储量的2/3以上。中国海油“十一五”期间石油产量中的稠油比重已超过50%,保证海上稠油油田的高产稳产是公司实现可持续发展的重大需求,但也面临着一系列技术挑战。在海上稠油油田开发中,通过增加油井数量来提高产量的方法将受到平台空间及经济性的制约;依靠增加生产压差来提高油井产能的方法将导致疏松砂岩油井出砂和水锥等问题。研究发现,通过多枝导流技术提高单井泄油面积,可减少开发井数和平台数量;通过适度出砂技术,可最大限度提高油井产能。2003年以来,多枝导流适度出砂技术(图1)在海上稠油油田进行了探索性应用,但在多枝导流油藏渗流机理、产能评价和井型优化设计技术等方面仍需深入研究。此外,多枝导流适度出砂钻采关键技术及设备仍然为国外公司所垄断,增加了海上油田开发成本。在国外技术封锁、国内无此技术的前提下,2004年中国海油立项展开多枝导流适度出砂技术攻关,经过多年的持续研究,解决了该技术的关键问题,并在渤海稠油油田完钻225口多枝导流适度出砂井,单井平均增产约20%,取得了良好的稠油开发效果,应用前景广阔。1出砂与矿井技术研究作为一个完整的技术体系,多枝导流适度出砂技术涵盖了油藏、钻井、完井、采油等多个方面,研究期间采取从理论分析到工具装置研制,再到现场应用的研究思路:1)从多枝导流和适度出砂2个方面分析油藏增产机理,并进行井型优化设计;2)开展出砂物理模拟试验,分析出砂对储层淤塞、渗透率的影响,研究挡砂精度设计方法;3)开展控砂理论及设计研究,确定防砂方式及防砂参数,评价防砂效果;4)开展配套钻完井技术研究,研制相关工具及软件系统,为实现多枝导流适度出砂技术提供软硬件支持;5)开展携砂采油技术研究,主要包括大排量电潜螺杆泵、出砂监测和油砂分离技术,解决带砂生产问题;6)开展含砂油井冲砂洗井工艺研究,解决砂埋后修井难题;7)开展多枝导流适度出砂技术体系的现场应用。2多分枝法确定砂油藏产量和生产能力的关键方法2.1多枝回流井地层渗透率模型首次建立了多枝导流适度出砂井大型井筒模拟实验装置(图3),用于出砂增产机理和多枝导流井开发规律的定量研究。采用图3所示的实验装置进行室内试验,并结合数值软件进行模拟,得到油井产能与分枝数的关系(图4):多枝导流井可扩大油藏泄油面积,提高油井的产能;随着分枝数量的增加,油井产能增加幅度变缓。通过微观可视化室内试验和数值模拟,对完井表皮系数、多枝导流井井筒流动、出砂增产机理等方法和理论进行了研究,得到疏松砂岩储层内微粒运移后介质渗透率的改善规律(图5):增大驱替压差、放宽挡砂精度,会造成出砂浓度增加,并显著提高储层渗透率;适度出砂可改善近井地带储层物性,最大程度释放油井产能。2.2井身素质及产能方程在室内试验的基础上,重新修正产能理论模型,提出了多枝导流适度出砂井的产能评价新方法,并建立了解析解模型。设Qm为主井筒产量,Qf为分枝段总产量,R为地层供给半径,L为主井筒总长度,Lm为主井筒有效长度,Lf为分枝段长度,Nf为分枝段数量,Dm为主井筒井径,Df为分枝段井径,α为分枝段与主井眼夹角,pr为地层压力,xf为分枝井段轴向位置,Kf为分枝段流入效率(主井眼优质筛网单层为0.4、双层为20.2、三层为20.125),Δpm为主井眼生产压差,Δpf为分枝井眼生产压差,则主井筒产能方程(改进Joshi水平井产能公式)为其中分枝段总产能方程为近井地层出砂带内孔隙度变化率为分枝段累积出砂量为分枝段等效孔隙度及渗透率为充填分枝段产量为2.3油气运移模拟及计算框图编制了一套多枝导流适度出砂井产能评价软件,可实现多枝导流井的优化设计、出砂增产动态预测、综合油藏数值模拟、多枝导流井产能评价等功能,软件计算框图如图6所示。使用该软件对渤海绥中36-1等3个油田共7口井进行了多枝导流适度出砂产能优化设计,采液指数平均增幅39.31%,具体数据见表1。3多分枝开挖技术3.1全井段钻柱动力学仿真采用多体动力学方法建立了钻井系统全井段仿真模型,并构建了基于稀疏矩阵存储技术、广义动量作为积分变量等技术的高效动力学求解器,与国际同类求解器相比,计算速度提高百倍以上。提出了大长细比的柔性钻杆与三维刚性井眼随机接触的点-圆柱基本几何接触模型和轴向包围盒接触检测原理,采用并行算法实现了含大量动态随机接触的全井钻柱动力学仿真,该仿真模型可以处理包含大长细比链接柔性结构、多个部件构成的底部钻具组合机构、钻柱与井壁大量的随机接触、复杂边界条件以及钻具造斜控制等诸多问题。全井段钻柱力学分析一直是钻井界的难题,在国内这方面的报道不多。笔者基于多体动力学计算程序成功地解决了该问题,使得对BHA设计可以兼顾考虑上部钻具对系统的影响。科技查新表明,用多体动力学建立全井段钻井系统的力学模型,这一方法在国际和国内尚属首次。3.2空心斜向器的设计及使用用于多枝导流井的空心斜向器共包括2部分:下部为中心有通孔的封隔器,上部为侧钻用的斜面部分(其轴向也为中空结构,斜面为25.4mm厚的盖板,可利用定向射孔射穿)。为防止开窗及钻进过程中钻具磨损斜面盖板,将斜面设计为凹型,并在斜面上部加装导向块,保证钻具不与斜面盖板接触。为保证定向射孔深度的准确,斜向器背面设计有2个同位素安装孔。除上述特点外,空心斜向器的送入和座挂方式也区别于以往的斜向器:采用专门设计的送入工具及控制阀,既可实现钻具与环空的循环(用于MWD找工具面),同时又可实现钻具内憋压来座封封隔器。座封后,上提钻具剪断销钉即可脱手。斜向器座封后,封隔器以上耐压17.24MPa,封隔器以下耐压20.69MPa,工具耐温135℃。3.3高分子聚合物hcp-h体系在分析海上疏松砂岩稠油油藏储层损害机理的基础上,研究了高分子聚合物与水分子间的相互作用,并基于分子缔合增粘及聚合物分子链束缚水原理,构建了以高分子胶束聚合物HCP-H为主剂的PMM钻井液体系。由于高分子聚合物HCP-H对钻井液束缚水作用,随着高分子聚合物HCP-H加量的增大,PMM钻井液体系的API和HTHP滤失量都在不断的下降,自由水含量降低超过30%,同时钻井液的携岩能力也逐渐增强,有利于储层保护和井壁稳定。PMM钻井液体系配方为:海水+0.15%Na2CO3+0.3%NaOH+1.2%~1.5%高分子聚合物HCP-H+2%降滤失剂HFL-1+3%JLX+3%KCl+5%QWY(200目)。渤海旅大5-2等3个油田共20口井应用效果表明,PMM钻井液具有携带能力强、低剪切速率粘度高、体系维护简单,特别是油气层保护效果显著等特点,其中LD5-2-B24M油井投产时产量高达120m3/d,超出设计配产1/3。4砂井适量法4.1防砂方式选择建立了一套防砂管防砂效果评价装置;通过大量的室内出砂模拟实验,并结合对国内外众多油田进行的统计分析,建立了海上不同性质储层防砂方式优选图版,综合考虑了粒度中值、非均值系数、泥质含量、蒙脱石含量等参数,最终形成了适合于我国海上油田的防砂方式选择图版(图7)。该防砂方式选择图版将粘土含量以及粘土矿物吸水膨胀性作为防砂方式优选的重要因素,弥补了以往设计方法的不足,目前已在我国海上油田生产井的防砂设计和实施中得到了应用,与常规防砂方式相比,产能可提高10%以上。4.2空心斜向器上分段侧钻利用实体膨胀管技术在井下形成永久可靠定位,解决了常规卡瓦所引起的分枝井技术瓶颈问题,可实现分枝井4级完井。1)空心斜向器侧钻系统,即在下分枝完井作业结束后,在主井眼中下入特殊设计的空心斜向器进行上分枝侧钻作业。其中,斜向器轴向为中空结构,利用定向射孔技术射穿斜面盖板后可实现2个井眼的连通。2)定向射孔技术,即在上分枝完井作业结束后,利用定向射孔技术,通过0相位射孔,射穿φ177.8mm尾管和水泥环以及空心斜向器的斜面盖板,而不射穿斜向器背面及φ244.475mm套管,沟通上下2个分枝,同时保证窗口处的密封性。3)多底井分采工艺,即在上部主井眼内下入顶部封隔器,通过定位密封和隔离密封相互配合,以及坐落接头和生产滑套的开关实现2个分枝的分采作业。4.3无固相-能自动破胶低分子充填液体系的研制1)超低界面张力清洁活性盐水完井液体系。针对普通盐水完井液与稠油存在不配伍问题,通过表面活性剂复配优选,研制了一套超低界面张力清洁活性盐水完井液体系,改善了完井液与稠油的配伍性,降低了稠油流动阻力,同时可降低油-液界面张力,达到保护储层的目的。超低界面张力清洁活性盐水完井液体系配方为:天然海水+2.0%减阻剂HUL+0.5%~1.0%溶蚀剂HRS+2.0%粘土稳定剂HCS+2.0%缓蚀剂CA101-3+盐加重剂。2)无固相自动破胶低分子充填液体系。针对聚合物充填液在完井后期存在不能彻底破胶的问题,依据低分子量特种表面活性剂的成胶和破胶作用机理,研制了一种无固相、能自动破胶的低分子胶束充填液体系,解决了高分子聚合物充填液在完井后期不能自行破胶的问题。该充填液为无固相、低伤害且能够自动破胶,能够最大程度实现储层保护。当低分子胶束与地层原油、天然气接触时,由于胶束的内部是亲油的,烃分子进入到胶束的内部会使胶束膨胀,相互缠结的棒状胶束就会松开,棒状胶束向球状胶束转变,使液体粘度降低,最终变成单个分子溶于烃中。无固相自动破胶低分子充填液体系配方为:海水+3%~4%HVES胶束剂+2%HFL-6降失水剂+KCl/CaCl2加重。超低界面张力清洁活性盐水完井液和无固相自动破胶低分子充填液技术配合PMM钻井液已在渤海旅大5-2等3个油田共20口井中得到了成功试验和应用。5随地适用技术5.1振动信号采集模块为及时了解油井出砂情况,合理优化生产制度,需在线监测油井产出液含砂情况。在不改变生产管道的情况下,设计了一套基于振动信号分析的非植入式稠油出砂监测系统。该系统硬件包括高频振动传感器、高速采集设备和计算机,软件包括信号采集软件模拟和信号处理模块,信号采集原理如图8所示。高频振动信号由传感器采集经过滤波放大,然后经过高速采集卡将模拟信号转换为数字信号传送到计算机,由信号处理程序对这一信号进行处理,从而实现振动信号的监测。为了评估出砂监测系统的准确性,构建了以定量泵、加速喷嘴、放大鼓膜、原油加温装置、数据采集仪、高频信号传感器、数据采集分析软件为基本构成的室内出砂监测系统(图9)。根据IIR滤波器原理对出砂振动信号进行了滤波处理,并采用MATLAB编程进行了IIR高通滤波器的设计。对于处理后的出砂监测信号,由于方差值(或均方值)可作为振动信号平均能量(功率)的表达,因此可以根据不同实验条件下出砂振动信号方差值与含砂量、携砂速度等之间的相互关系来建立室内实验条件下的含砂量模型,即式中:Ms为信号方差值;Cg为含砂量,‰;v为携砂流速,m/s。5.2现场应用效果研制了一套密度低、可循环利用的泡沫修井液体系,实现了连续循环冲砂功能,解决了砂埋井的冲砂修井问题。现场应用效果显示,采用所研制的泡沫修井液体系可使冲砂井产能恢复率达到85.5%,携砂率大于90%。该修井液体系配方为:0.2%HA+0.2%AES+0.2%XC+0.2%CMC+0.25%Na2CO3+0.4%PAC+0.6%PAMS601+2%JLX-B+0.05%~0.10%PF-VIS+4%膨润土。5.3大排量电潜螺杆泵无砂体的性能开发了一套具有自主知识产权的低转速大排量电潜螺杆泵采油系统,允许油井最大含砂量1%,排量200m3/d,平均检泵周期达到331d以上(最高529d),满足了海上稠油含砂生产的人工举升的要求。与常规电潜螺杆泵系统相比,大排量电潜螺杆泵采油系统的先进性体现在以下几个方面:1)试制的2∶3旋线式等壁厚定子螺杆泵具有以下优点:良好的散热特性,提高了泵的工作寿命;均匀的橡胶膨胀,提高了泵的工作稳定性;单级承压高,提高了系统效率;整体可提高泵效,降低采油成本,具有良好的技术经济指标。2)与传统4级潜油电机相比,大功率6级潜油电机输出转速从1450r/min降到了980r/min,使得整个电潜螺杆泵系统配套单级行星减速结构将系统泵入转速降至200r/min以下成为了可能。3)减速器系统额定承载轴向力达到7t,额定输出扭矩达到1500N·m,减速比达到5∶1,满足配套6级电机使用的需要,为降低系统转速提供了有力的技术支持。6多枝回流适度出砂技术通过技术攻关所形成的多枝导流适度出砂技术已在绥中36-1、旅大5-2等17个稠油油田的225口井取得成功应用,单井平均增产约20%;截至2012年5月,累积产油1815.04万m3,累积增油363万m3,为海上稠油油田高效开发做出了巨大贡献。在多枝导流适度出砂技术攻关过程中,所形成的钻完井配套工具和工艺(随钻测井工具、新型筛管、完井工具、钻完井液等)、携砂采油装备(大排量电潜螺杆泵等)目前已取得规模化应用,为该技术的成功