應用水平井技術改造低滲油田的適應性研究

王 濤

黑龍江省大慶油田鉆探工程公司鉆井生產技術服務公司質量安全環保部，黑龍江 大慶 163318

0 引言

利用水平井提高油井產量的嘗試可以追溯到20世紀20年代，國內“八五”以來各油田也開展了水平井采油的研究，隨著水平井開采效益的逐漸顯現，今后鉆水平井的數量還將進一步增多。水平井壓裂作為提高水平井開發效果的一項新技術，是高效開采低滲透油藏的有效措施，在開發低滲透油氣田過程中有著很好的效果和廣闊的前景。

1 水平井應用現狀

1.1 水平井

水平井通常指最大井斜角達以及產層井段為水平或近似水平段的油氣井。我國石油天然氣總公司規定，井斜角以上（含）的井，并在生產層內延伸一定長度的井定義為水平井。水平井除了具有普通定向井用途外，還有其他的特殊用途。諸如，開發低滲透油層、裂縫油藏、薄油層、減少水錐和氣錐和熱采稠油等。

水平井的缺點是其成本較高，但與直井相比，有5個優點：增加泄油面積；提高采收率；降低粘度；減少舉升成本；減少后勤費用。

1.2 水平井完井技術發展

現今完井的最新技術包括：機械防砂完井新技術、礫石充填技術和水泥漿充填多封隔器完井新技術。

1.2.1 機械防砂完井新技術

該技術結合應用了先進的激光割縫技術、利用犧牲陽極保護的原理和膨脹篩管技術。

先進的激光割縫技術激光技術加工割逢管已經能夠滿足完井施工的要求。

膨脹篩管技術。膨脹管分為實體膨脹管和膨脹篩管，都是使管體在井下直徑變大的一種技術。實體膨脹管最大的優勢是能夠改變井身結構，使石油工業在深井經濟地達到預定目標，膨脹篩管是三層管體結構，內外層是割縫的支撐保護層，中間層是由金屬絲編制的多層重疊的篩網組成。這種篩管能膨脹至其下井直徑的150%左右，膨脹后牢固結實地支撐住井壁，有防止井壁坍塌、抑制砂礫流動從而達到更好的防砂效果。如果管體外配置上膠筒，膨脹后就起到封隔器的作用。所以，膨脹篩管是完井技術特別是防砂完井的一次革命，預測認為將來的油井防砂主要使用膨脹篩管。

采用這種先進的完井技術，較大幅度地節省了作業時間與費用；提高了油層的完井質量，具有提高產量、穩定井壁、 壓降小、井壁污染小、防砂功能好等特點。

1.2.2 礫石充填技術

這是一種應用廣泛的防砂防坍塌完井技術，下技術套管固井后，鉆穿地層至設計井深，然后對裸眼段進行擴眼（也可用偏心鉆頭一次完成擴眼，或者下細一點的割縫管）。將割縫襯管下到油層部位，再進行管外礫石充填。礫石充填完井防砂能力強，達到80%～95%；有效期能達到10～15年，產能高，是射孔井產能的120%～130%。適用于中、粗砂及出砂不嚴重的海相砂巖、頁巖和灰巖油藏的防砂防坍塌要求。

1.2.3 水泥漿充填多封隔器完井新技術

管外封隔器完井可以實施油井層段的封隔，分層作業和分層控制生產。對于一個存在多個油層，或油水夾層等情況的井，這種完井方式更顯示出其優越性。用水泥漿脹封多個封隔器技術是完井技術領域的一次重大突破。

2 低滲油田水平井技術應用問題

2.1 低滲透儲層的特點

低滲透致密儲集層多半是砂巖、泥巖砂巖或砂質泥巖。其特點是產層巖石的孔隙度極低，滲透率很低，巖石強度較高。這種儲集層的儲油結構既有孔隙、又有裂縫，多屬于孔隙-裂縫型儲層?？障妒莾τ偷目臻g，裂縫是油流的產出通道。由于孔隙度低，裂縫也不是十分發育，巖石的總孔隙度小于10%，油層巖石的滲透率也是較低，大體為0.001或更小的滲透率數量級。一般，儲層的壓力對井的產量影響不大，井的產量主要取決于巖石的滲透率。在產油的過程中，油層的能量大部分都消耗在滲流中，從巖石的細小孔隙中流出所消耗的能量，要占油藏能量的60%～80%。在自然狀態下，單靠儲層的孔隙或裂縫出油，井的產量是很低的，采收率也是極低的。不采取增產措施時，單井的產量總在零點幾立方米左右。開采中總是需要進行壓裂和酸化處理，以增加巖層的孔隙，從而增加產量。

2.2 低滲透油藏水平井滲流特征

水平井開采低滲透油藏具有明顯的優勢，主要表現在：

1） 由于低滲透油藏滲流阻力大，生產壓差一般都較高，而水平井近井壓降比直井小且為直線型，可以采用較小生產壓差進行生產，以減輕氣竄和水錐，延緩見水時間，提高水驅波及體積和最終采收率；

2）水平井可以連通垂直裂縫，增大油井滲透率。提高低滲透油藏產油量和采油速度；

3）水平井單井控制泄油面積大，單井產量高。可以減少鉆井量，實現稀井高產投資。集中采油成本低，經濟上大大優于直井開采。

2.3 影響水平井開發效果的主要因素

水平井作為一門新技術，仍存在不少風險和不足之處，其主要影響因素有：

1）油藏條件。油藏的壓力、有效厚度、裂縫發育情況、垂向滲透率等，都直接影響水平井的開發效果。如果沒有相當可靠的地質基礎，水平井開發的風險性將大大增加。

2）油藏工程設計。井網密度研究、單井產能預測、水平井井段設計等方面是確定水平井是否優于直井開發的技術保證；

3）鉆（完）井及油層保護技術。水平井鉆井技術要求較高，完井方式也必須根據油藏條件加以考慮。在鉆井過程中，由于水平井鉆井周期長，油層易受污染，造成滲透率進一步下降且很難恢復，因而油層保護對水平井產量高低影響至關重要。

2.4 存在的問題

基于以上論斷，可以得出如下幾點低滲油田水平井技術中存在的問題：

1）在油層保護技術方面。水平井鉆井技術要求較高，完井方式也必須根據油藏條件加以考慮。在鉆井過程中，由于水平井鉆井周期長，油層易受污染，造成滲透率進一步下降且很難恢復，因而油層保護對水平井產量高低影響至關重要；

2）在油藏工程設計中，確定水平井是否優于直井開發技術；

3）油藏條件。油藏的壓力、有效厚度、裂縫發育情況、垂向滲透率等，都直接影響水平井的開發效果。如果沒有相當可靠的地質基礎，水平井開發的風險性將大大增加；

4）目前我國水平井壓裂施工井數較少，技術也不太成熟，原因之一是對水平井壓裂裂縫形成機理認識不夠全面，壓裂施工設計沒有很好的理論基礎；

5）井的生產速度比預計的要低，而且經濟效益差。目前仍未發現有效的增產措施。導致這些井生產速率低的原因包括砂巖的垂相非均質、水平滲透率和相滲透率較低等；

6）應用增產措施過程中或由于儀器的精確程度有限，容易導致儲層出砂以及損害儲層等不利油田開發情況。

3 水平井完井方法及其適應性

完井工程是銜接鉆井工程和采油工程的一項綜合性工程，目的是在油藏與井眼之間建立起完善而有效的油氣通道。油井的生產要求這種通道有良好的暢通性和壽命、對其它異相流體（如地層水）有良好隔離，所以完井工作直接影響油井的產量及壽命，對油田開發的經濟效益有決定性的影響。從完井領域來講，要采取有效的措施保護油氣層不受傷害，還要使建立的油氣通道有良好的瀉油系數和較長的壽命。這樣才能提高采收率、提高開采效益。近幾年完井技術取得了較大突破，如固井新技術、機械防砂完井新技術和水泥漿充填多封隔器完井技術等。這些新技術，解決了目前常規完井工藝的一些技術難題，不僅能有效保護油氣藏、提高采收率，還能減少建井成本。

3.1 完井方法

3.1.1 水平井完井理論

在空隙性的儲集層中有些是孔隙度高、滲透性好的儲集層。這些層易開采，儲量高，開發的經濟效益好，在石油的勘探中總是先開發這些油氣藏。但在自然界中，大量存在的是比較致密的砂巖層，孔隙度較低，滲透性較差，但巖石的強度較高，是低滲透的儲集層。在自然界的含油氣層中，低滲透的油氣藏占有相當大的比例，據統計，低滲透的油氣藏儲量能占到總儲量的1/3。在尤其勘探開發技術較落后的階段，低滲透的層位往往是棄之不采。隨著油氣資源的衰竭和技術的成熟，低滲透油氣藏的開采已日益受到重視。低滲透層的完井技術也日益完善。

3.1.2 水平井的完井原則

1）儲層和井筒之間保持最佳的連通條件，儲層所受的傷害最小；

2）儲層和井筒之間應具有最可能大的滲流面積，油氣流入井的阻力最?。?/p>

3）應能有效地封隔氣、水層，防止水竄和層間干擾；

4）應能有效地控制氣層出砂，防止井壁跨塌，保證油氣井長期生產；

5）適應二次及三次采油氣的要求；

6）應具備進行分層壓裂、酸化以及堵水、調剖等井下作業措施的條件；

7）施工工藝簡單，經濟效益好。

3.1.3 完井方式選擇

科學的完井方式是水平井、特別是多目的層水平井和儲層縱向非均質性較強的復雜油藏水平井高效開發的另一個重要環節和關鍵。

水平井完鉆后，應及時快速地對水平段軌跡在儲層中的實際穿越情況、水平段與油氣水界面的空間關系、水平段穿越儲層的物性分布特征以及油藏中物性夾層的分布，進行合理的解釋和描述。根據以上解釋結果，綜合考慮各種完井方式對油藏的適應性以及經濟因素，優選完井方案，最大限度地提高油井的完善程度，保護油氣層，降低完井成本并制定科學的完井方案，是充分發揮水平井的優勢、提高油田采收率、提高水平井效率的另一個非常關鍵的重要環節。

在國內，水平井的完井方式主要為篩管完井、固井完井及裸眼完井，也有少量井用多級管外封隔器加篩管完井。

對于不同區域的水平井，采用哪種完井方式，需要考慮地質特點、井壁穩定特點、泥巖井壁穩定的特殊性等。綜合考慮碳酸鹽巖和砂巖的井壁穩定特點以及氣井后期作業需要。

3.1.4 低滲透儲層的完井

1）低滲透層的完井原則

致密的低滲透層如果單靠油藏本身的能量驅油，油流的能量大多數要消耗在細小的巖石孔隙孔道中，使油井的產量極低。提高低滲透層產量的關鍵是增加巖石的孔隙度，增大巖石中的喉道尺寸。最可靠的辦法就是壓裂油層，壓裂使改造低滲透儲層的唯一辦法。通常都要在低滲透層進行大規模的壓裂，用高壓流體將巖石壓開裂縫，并將支撐劑擠入巖層，起支撐和擴大裂縫的作用。經過壓裂，儲層的滲透性會有較大的提高，并有一定的壽命。低滲透層往往要多次壓裂，有時酸化和壓裂同時進行。因此，低滲透的致密儲集層的完井原則使能實現壓裂的產層改造。完井中一定要用下套管固井，將低滲透層射開的完井方法。

由于低滲透巖石的強度很高，將巖石壓開裂縫所用的壓力也很高。在壓裂中要用較大的排量并在液體中加入石英砂作為支撐劑，支撐壓開的裂縫，防止壓力撤消后裂縫的閉合。將這種演示壓裂的壓力至少在100MPa以上。在生產中，井筒應能滿足壓裂和酸化的要求，故對套管、固井質量都有較高的要求。

（1）固井質量好，水泥返高達到要求，水泥石強度高，水泥與套管和地層巖石的膠結強度高；

（2）套管絲扣密封良好，選用優質絲扣密封油和粘合劑，并按規定的緊扣力矩上扣，在較高的內壓力下不泄露；

（3）用厚壁套管，其管柱抗內壓強度是地層破裂壓力的1.2倍以上，或是按照壓裂時的最高壓力設計。套管柱的壁厚上下盡量一致，防止壁厚的突變，套管盡量無變形；

（4）盡量避免在套管內進行套銑等有害于套管強度的井下作業；

（5）壓裂時要用上下封隔器封隔壓裂井段。由于不能保證封隔器在壓裂中始終是完好的，一旦封隔器失效，壓裂的全部壓力將專遞給套管，因此套管應能承受此壓力。

2） 低滲層的完井

低滲透層在射孔時，應使用較高的射孔密度，最好是16孔/m的密度，射孔時的深度要深，至少應在300mm，盡量將近井地帶的污染帶射穿。為保證射孔的深度，可用小直徑的射孔孔徑。射孔時選取的負壓值應適當的大一些，應比高滲層大一倍。

在修井作業中應避免使用套銑作業，避免使套管的內壁受傷，使壁厚變小。在各種需要壓井的作業中，選用的壓裂液一定是無固相的，密度應盡量低。

例如，目前低滲透砂巖型油田的較為適合的水平井完井方法是防砂割縫管技術。該技術結合應用了先進的激光割縫技術、利用犧牲陽極保護的原理和膨脹篩管技術。

3.2 增產措施及其適應性

3.2.1 水平井開發的地質適應條件

1）油藏深度

一般認為深度小于1000m的產層打水平井不合算，技術難度大、曲率小、鉆井費用大。

2）油藏的有效厚度

一般認為油層有效厚度應大于6m。由于中靶后在油氣層中鉆進有一定的上下波動幅度，水平段井眼軌跡將很難控制在油氣層之內，給鉆井帶來困難。

3）油層系數（β）

4）油層厚度與油層系數乘積（βh）

對于水平井，既要關心儲層各向異性，又要關心儲層厚度，如果儲層各向異性程度高、厚度大，水平井增產效果就不明顯，采用直井開發比采用水平井開發效果會更好。βh〈100是根據國內外水平井開發經驗確定的，其目的是保證水平井的增產效果。

5）油層滲透率

根據國內外水平井開發經驗表明，儲層的滲透率應大于1×10-3μm2；氣層滲透率小于0.2×10-3μm2效果不顯著，鉆水平井無意義。

6）儲層面積

目的層的分布面積應大于0.5km2，以便部署完善的注采系統。對于氣層供氣面積較大，目的層分布穩定，確保有一定的可采儲量。水平井開發的實例統計表明，水平井區單井供氣面積大于2.0km2，單井可采儲量不小于1.0×108m3。

7）含油層的流度應大于0.5×10-2mPa·s；

8）儲層中具有比較發育的天然裂縫。

3.2.2 水平段在油層中的位置、方向和長度的確定

水平段在油層的設計位置取決于油層的驅動類型及其均質性。對于低滲透、非均質性油藏，主要應視油藏內泥巖、物性夾層的分布范圍及穩定性來設計水平段在油層中的位置。上、下砂巖體之間存在不滲透泥巖夾層，而且砂層內也存在一定規模（分布不穩定）的物性夾層。為了最大范圍地動用目的層儲量，在設計井位時，將水平段設計成與目的層斜交。使水平井既可以斜穿上、下砂巖體，又可以穿透大部分分散的不穩定薄夾層，以減少出油阻力，增加出油體積。

水平段的延伸方向除與儲層的構造形態、斷層位置、含油砂體的沉積類型和邊界有關系外，還與儲層中地應力分布及天然裂縫的發育狀況有關。另外，壓裂既可以作為直井的投產措施，也可以作為油層增產的一種手段，可以在整個開采期的任何時間實施。而水平井則不然，為了滿足壓裂需要，在鉆井之前既要考慮水平井的方向，也在確定水平井的完井方式。

水平段的延伸長度設計必須與儲層砂體發育規模相一致，并綜合考慮已鉆的直井井網部署和地面環等因素。在油藏特定地質條件和地面環境下，水平的設計長度并不是越長越好，只有根據油藏地質件、鉆井成本和作業風險等優化研究，才能獲得比較好的開發效果和經濟效益。

3.2.3 水平井壓裂技術

由于低滲透率油藏的滲透率低，滲流阻力大，連通性差，油井自然產能很低，為了改善其開采經濟效益，通常要對水平井采用壓裂試油和壓裂投產工藝提高油氣井產能。下面主要就液體膠塞壓裂技術加以說明。

1）液體膠塞分段壓裂技術原理

液體膠塞分段壓裂技術原理為：水平井膠塞隔離分段壓裂工藝是自井筒末端開始，逐段封堵逐段壓裂，在前一級壓裂完成之后，對求產結束的井段進行填砂，替入超粘完井液，這種完井液一旦就位就會膠凝成一種橡膠式的膠塞。膠塞在試油壓裂過程中只起臨時封堵作用，膠塞可定時軟化易于清除。

2）液體膠塞分段壓裂技術優缺點

優點：它擁有是封堵可靠，施工安全；

缺點：但作業周期長，在沖膠塞、沖砂施工過程中，對膠塞上下井段均造成傷害。

3）系統優化設計研究

（1）確定了液體膠塞壓裂、擠注施工工藝

①壓裂施工及液體膠塞擠注要分步獨立進行。正常壓裂后擴散壓力，再進行液體膠塞擠注工作。液體膠塞可少量進入近井地帶，提高承壓能力；

②確定現場采用普通水泥車進行擠注液體膠塞。

（2）完成配套工具的設計與加工。

（3）確定了物理模擬承壓裝置技術方案

裝置建設目標。研制水平井模擬井筒裝置；研制水平井模擬用巖芯夾持裝置；研制水平井模擬井筒加熱循環裝置；研制分段壓裂注入裝置；研制測控（壓力、流量、溫度）系統；遠程監控系統；

裝置包括加熱系統。注入系統、返排系統三部分，裝置長10m，可加溫至120℃，底部有循環口，有2個180°水平放置的模擬裂縫巖心（可加圍壓及側向壓力），裝置承壓70MPa，套管中部加裝2個連接出口；

主要工藝。以自定位定向射孔、填砂、液體膠塞封堵、分段壓裂試油求的水平井壓裂工藝技術。

4）壓力施工程序

先對第一段進行定向射孔、求初產、壓裂施工。試油結束后，對該段填砂打膠塞。施壓合格后，再對第二段進行定向射孔、壓裂施工，試油結束；而后沖開第一腔塞。對第一、二段油層進行試油求產，技術后填砂打膠塞封堵第一、二段油層射孔段，試壓合格后，依同樣的方式分別完成第三、四段定向射孔、壓裂，最終進行全井四段油層的合并試油生產。

4 結論

通過對低滲透水平井適應性技術的研究，主要取得了以下幾點認識：

1）水平井鉆井技術的成熟完善促進了水平井在油氣藏開發領域的廣泛應用，水平井高效開發技術是一個涉及多學科交叉的問題，如油藏、地質、鉆井、采油氣工程等。

2）完井設計優化是水平井設計的重要技術環節，已成熟的篩管完井工藝，與套管固井射孔完井相比減少了對油層污染、降低了固井完井費用，將成為保護氣藏，充分發揮水平井優勢的主導完井方案，從而可以使增產作業在低滲油氣藏中的增產效果更加突出。

3）3種分段改造技術施工安全、可靠，各有利弊，但均能達到提高單井產量的目的。不同區塊、不同儲層增產幅度差異較大，同時也受井網、注水效果的影響。對于井筒復雜水平井，膠塞封堵分段壓裂工藝更具有優勢。機械工具隔離分段壓裂工藝適應套管射孔完井，隔離效果好，能形成理想的支撐裂縫。機械工具隔離分段壓裂工藝具有隔離可靠、儲層污染小的特點，但施工周期相對較長，應盡快實現連續分段壓裂，以簡化施工工序，縮短作業周期。

4）完井方法的優選上，應根據油氣層的地質特點，并參照本地區的實際經驗，考慮儲層穩定性的同時，主要考慮提高油氣井的完善程度。

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