利用兩種不同支撐劑在長水平井段完井的礫石充填新方法

編譯:王亞娟 遲明 李紅英 鄧軍 李旭梅

審校:張華光1

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院;2.蘭州理工大學機電工程學院;3.長慶油田公司生產運行處)

利用兩種不同支撐劑在長水平井段完井的礫石充填新方法

編譯:王亞娟1遲明2李紅英1鄧軍3李旭梅1

審校:張華光1

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院;2.蘭州理工大學機電工程學院;3.長慶油田公司生產運行處)

新方法對于巴西海上油田開發,尤其是超深海中的稠油油井,水平井段長達1 000～2 000 m來說,無疑是油田開發的經濟型驅動器。這些井的幾何形狀保證了有效的油藏泄流,維持了稠油油田的合理生產指數。在這些井中,大部分是較低的破裂壓力梯度。眾所周知,礫石充填施工期間的動態壓力可以輕而易舉地克服底層破裂壓力。為完成這項任務并且避免地層傷害,提出了一種新方法,在β波階段,有較大幅度的壓力增長,此時泵入輕質支撐劑。本文展示了采用兩種支撐劑進行礫石充填完井施工設計的計算機模擬。

水平井 礫石 充填 支撐劑

1 簡介

大部分海上油田往往是超深稠油油藏。這些油藏多是膠結疏松的砂巖地層,因而需要采用適當的防砂技術。出砂會導致地面和井下多方面問題,如設備腐蝕和油/氣/水分離器內沉積物的產生。

深海項目的經濟開發需要以最少的鉆井數獲得維持油井高產能指數的有效油藏泄流。

要達到這一目的,一個關鍵的選擇就是鉆長水平段井。裸眼礫石充填水平井在膠結疏松地層是達到這些目標的一個有效途徑。

由于條件苛刻,礫石充填放置是有一定風險性的。在超深海中,沉積層很薄,這會產生較小的地層破裂阻力。另外,在較長水平井段泵入礫石會在裸眼井筒中產生較大的動態壓力。這些方面是軟件開發中的主要因素,最終能準確計算礫石充填過程中的壓力變化并優化施工泵速。

為了使礫石充填施工成功,應考慮不同的水壓限制,施工過程中的動態壓力應保持在一個壓力窗口中:

◇下限:孔隙壓力或可避免早期端部脫砂的最小排量;

◇上限:破裂壓力。

如果井筒壓力在任何時候都低于孔隙壓力,地層流體將會流入井筒或者使井壁失穩。另一方面,如果井筒壓力高于地層破裂壓力,完井液將會進入地層,可能造成地層污染、液體漏失和早期端部脫砂。

另一個重要問題是要確保施工在最低排量下進行,以避免鼠洞早期脫砂。由于鼠洞裸眼段直徑更大,如果排量太低,所形成的α波或許會足夠高而阻止砂子進入井筒,立即在鼠洞產生β波。后果就是直井段井底壓力立即增加,裸眼段未充填而不得不放棄施工。

一直以來,沒有較可行的礫石充填操作窗口,這主要發生在動態壓力較高的情況。用輕質支撐劑進行充填是降低壓力水平的關鍵。

在β波傳播過程中,流體通過篩管和洗井管柱之間的狹小環形間隙時會在直井段井底產生較大的壓力。在α波傳播過程中,動態壓力則沒有那么重要。其他能夠在狹窄的操作窗口中完成礫石充填的策略還包括分流閥、輕質支撐劑和更替路徑的選擇。

本文提出了一種新的構想,即在施工中泵入兩種不同的支撐劑:

◇在α波階段采用常規支撐劑,該階段的壓力在操作窗口范圍內;

◇在β波階段泵入輕質支撐劑,該階段動態壓力增高,因而采用較低的排量。

這種方法結合多次波排列,將會縮短施工時間和降低支撐劑費用并保證篩管被常規支撐劑所覆蓋(理論上常規支撐劑強度更大)。

2 基本原理

對施工進行設計的關鍵是對控制α波沉積的主要因素的可靠認識。這就允許對常規支撐劑的多次α波的構想和用輕質支撐劑啟動β波的準確排量進行設計。

兩個控制α波高度的機理:

◇受礫石和攜帶流體密度差支配的沉降力;

◇混合物軸向流動在界面懸浮產生的剪切力。

研究表明,礫石尺寸和濃度在操作窗口中對α波高度的影響不大,排量和顆粒密度控制整個過程。圖1示出在使用常規和輕質支撐劑時α波高度與排量之間的關系。圖2則說明α波高度在4種排量下隨著支撐劑密度的變化而變化。

圖1 兩種支撐劑的α波高度

圖2 支撐劑密度對α波高度的影響

3 多次α波排列

該技術涉及在低排量泵注階段泵入充填礫石,該泵注程序隨著施工的進行而改變,它必須使井下的壓力始終維持在操作窗口的范圍內。

α波應該始于填充高度較低的高排量階段,一直持續到達到破裂壓力 (或者最大安全壓力)。一旦β波開始形成,可以注意到排量突然降低不能克服破裂壓力上限 (圖3中的藍線)。這是流動路徑偏向篩管和沖洗管柱之間形成的有限環空的結果。從這一點開始,泵注排量向下的臺階可以保證地層的完整性。此時排量降低,因而一列新的更高的α波開始形成。這個過程將在可行的排量范圍內重復幾次,直到環空達到完全充填。

這種方法保證了篩管完全覆蓋。如果因為井身軌跡彎曲或沖洗困難,直到環空完全充填也不可能置換出β波,那么篩管已經被多次發出的α波保護起來。

重要的是,在β波階段實施的每個新的排量,在前一次α波頂部會建立一個新的α波高度 (桔色點線,見圖4)。這在未發出的β波的整個井筒中都會發生。

圖3 支撐劑密度對α波高度的影響

圖4 20/40目砂輕質支撐劑模擬

4 多種支撐劑

一旦多次α波階段結束,如前所述,低排量泵入輕質支撐劑將會從前一個臺階末尾產生等高的α波。因為支撐劑密度較低,排量要低于結束α波階段時的排量,以使β波壓力更低。圖5示出泵入常規和輕質支撐劑時的排量關系,它們形成的砂體高度是相同的。

5 實例研究

對一口典型的超深水井設計進行了模擬,并考慮了極端條件,如:水深2 000 m,水平裸眼段長1 500 m,且破裂壓力低。模擬輸入的數據如下:

◇水深:2 000 m

◇裸眼段長度:1 500 m

◇油藏垂深:2 927.7 m或9 611.9 ft(1 ft=30.48 cm)

◇篩管:外徑6.13 in;內徑4.89 in

◇篩管位置:中心

◇管柱:外徑5 in;質量19.5 lb/ft

◇沖洗管柱:外徑4 in;內徑3.48 in

◇造斜點:2 500 m

◇裸井眼偏角:90°

◇流體密度:9.1 ppg(1 ppg=120 kg/m3)

◇礫石密度:1 lb/gal

◇支撐劑類型:20/40目砂

◇壓力梯度:0.58 psi/ft(1 psi/ft=22.621 kPa/m)

◇孔隙壓力ECD:8.60 ppg

◇破裂壓力ECD:10.77 ppg

◇組合井口防噴器

所有模擬在基于Martins模型專利軟件的基礎上進行。圖4是20/40目砂的模擬結果,藍色三角線表明最大排量未引起地層破裂,綠色菱形表明最低排量避免了鼠洞的早期脫砂,紅色矩形是預定的泵注程序,紅色圓點是相對于裸眼井徑的α波高度。

結果表明β波序列末尾沒有操作窗口,在這種情況下,要保證整個環空充填是不可能的。計算出的最高和最低排量相同 (約4.5 lb/min)。此時采用輕質支撐劑施工是一個自然的選擇。圖5是模擬結果,表明在施工末尾有正常的3～5 lb/min的操作窗口。

圖5 20/40目砂輕質支撐劑模擬

最終,對用兩種支撐劑施工進行了分析。圖6表明施工中產生相同砂堆高度所需的砂子和輕質支撐劑的排量關系。圖7給出了模擬結果,考慮到α波階段20/40目砂。在β階段采用輕質支撐劑 (相對密度=1.75;20/40目)。因為α波階段結束砂排量為12.0 lb/min,所以使用輕質支撐劑的β波的初始泵排量應為8.6 lb/min。在施工末尾再一次建立了3.0～5.0 lb/min的可行操作窗口。

施工設計最后一個泵注程序臺階保證砂床濃度達到72%,保證篩管被支撐劑完全覆蓋,使鼠洞早期脫砂的風險降到最小。

圖6 產生相同砂體高度的等效排量

圖7 兩種支撐劑的模擬結果

表1是整個施工階段的模擬時間,此外還有每次模擬的砂量、輕質支撐劑的用量 (砂、輕質支撐劑和混合支撐劑)。結果表明,采用兩種支撐劑具有顯著的經濟性,采用兩種支撐劑設計的附加物流最小。

表1 三次不同支撐劑用量和時間關系

6 結論

在α波階段填充常規支撐劑,在β波階段填充輕質支撐劑,組合成一個在苛刻條件下保證整個環空礫石充填的有效途徑,能使井筒內水力條件達到最低,同時又降低了成本。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.013

資料來源于美國《SPE 112481》

2009-04-24)