水平井分段定位找堵水技術及配套工藝研究與應用

齊行濤

（大港油田石油工程研究院，天津 300280）

目前國內外水平井找水的方法主要有爬行器、水力輸送的電纜儀器測試和拖動式封隔器機械卡找水技術。首先前者受井筒及漏失等復雜情況影響，很多時候儀器難以下到測試井段，準確性較差[1]，而后者主要應用于分段射孔完井的水平井，測試周期長，管柱可靠性、穩定性差測試符準確率低，另外兩種技術費用高昂，難以規模推廣應用，水平井堵水常用的為聚合物籠統擠注，聚合物堵劑具有：強度低，有效期短，成功率低等缺點，而普通水泥類高強度堵劑難以做到準確的放置，與壓井液產生無控制的混相，安全風險較高等問題[2]，為此針對篩管分段完井的水平井、分段射孔完井的水平井研究配套了分段準確找水定位堵水高強度封堵配套工藝技術。

1 標記物找水技術原理

通過模擬試驗研究所制備的固體標記物溶解速度與產水流速和累計測量時間成線性關系，根據這種線性關系在地面試驗模型中測量出不同流速在單位時間內固體標記物的溶解速率K，K 為一常數。不同標記物的特征含量強度M，M 為地面檢測裝置的測量值，則標記物特征含量強度與流量之間關系為：

式中：M-特征含量強度，s-1；K-常數；Q-流量，m3。

首先從產出液體中可檢測到不同標記物的能譜峰面積（特征含量強度）M 值，由于流經最底部標記物的流量Q總為油井在測試時間內的總流量，為已知值，根據（1）式求得最底部標記物K底值，根據強度的比值從而求得不同位置標記物的K 值，從而求得經過不同位置標記物的流量Q，最終得到油井不同井段產水量的產出剖面。

1.1 單部位出水情況

在水平井段的跟部、中部和趾部放置三個標記物釋放裝置（A）、（B）、（C），因為跟部無產出，所以標記物（A）將因為沒有流動，而無法被攜帶到地面，而中部的產出水沿著“套管環空-井底-油管-地面”的流動過程中，除了攜帶中部溶解釋放的標記物（B）以外，還將攜帶趾部溶解釋放的標記物（C），由于標記物釋放速度與流速成比例、以及產出水從中部向趾部的流動為同一流速。在地面的伽馬檢測將會檢測出同位素（B）、（C）和特征含量差異，而同位素（A）將檢測不到，由此可根據檢測結果（0-B-C，WB=WC），判定該井為中部的單點出水（見圖1）。

1.2 多部位出水情況

在水平井段的跟部、中部和趾部放置三個標記物釋放裝置（A）、（B）、（C），由于跟部無產出，則標記物（A）無法被攜帶到地面，而中部和趾部的產出水沿著“油管外環空-井底-油管-地面”的流動過程，在單位時間內中部和趾部出水量的加合，將造成趾部流速大于中部流速，在地面的伽馬檢測將會檢測出同位素（B）、（C）和兩者的特征含量差異，且同位素（C）的特征含量會大于同位素（B）的特征含量。由此可根據檢測結果（0-B-C，WB＜WC），判定該井為中部和趾部出水（見圖2）。

2 同位素標記物研究

針對水平井多段測試的需要，利用核變技術選取了5 種可用于微量痕跡測試的稀有元素。所選取的同位素標記物為自然界中不存在的同位素，具有自身獨特γ 射線強度，同位素標記物間的γ 能譜不相互干擾的特征。所選取這5 種同位素標記物的元素都具有短的半衰期，一般小于60 d，即60 d 后活度將衰減一半，一年衰減64 倍。另外，標記物出廠活度較低，為105Bq量級，按國家法規規定為豁免級別（見表1）。

圖1 水平井中部出水的測試原理圖

圖2 水平井多部出水的測試原理圖

表1 同位素標記物及其性能參數

3 測試工具和測試工藝管柱研究

為了實現在井下適時測試，克服修井液對標記物溶解的影響研究了標記物井下釋放裝置。該裝置采用限壓滑套打開結構，將標記物安裝在滑套內，與油田常用采油管柱連接布放在井下[3，4]（見圖3）。

裝置的性能參數：

（1）本體最大外徑：Φ93 mm，最小內徑：Φ25 mm，工具總長：810 mm；

（2）滑套打開壓力：5 MPa～15 MPa；

圖3 釋放裝置設計圖

（3）拉拔強度：大于60 kN。

3.1 測試工藝研究

測試管柱主要由抽油泵、套壓閥、封隔器和測試裝置組成，測試工藝步驟如下：

（1）提出原井生產管柱，下通井規通井至井底；

（2）下測試工藝管柱，并將固體標記物釋放裝置按照要求放置在不同井深位置；

（3）將封隔器坐封在預定位置，從套管打壓通過套壓閥將釋放裝置滑套打開；

（4）啟泵抽吸在地面連續監測6 h～8 h，采出液通過地面檢測流程后進入注水管匯系統。

4 水平井準確定位封堵工藝

采用水平井堵水用觸變膨脹型高強度堵劑，配套用于堵劑注入過程中保護堵劑段塞的自降解溶膠暫堵劑和水平井堵水工具，形成了準確定位封堵工藝，克服了普通水泥類堵劑在水平段易混相坍塌及安全問題，實現了對水平井準確定位封堵。

4.1 體系配方

觸變膨脹型高強度堵劑由超細復合顆粒材料和多功能懸浮劑混配形成顆粒溶膠，該溶膠體在高溫靜置一段時間后由于顆粒的邊角和末段間相互吸引可形成網架結構而失去流動性，但在外力作用下網架結構被破壞，流動性又可以恢復，溶膠具有強觸變性[5，6]，在高溫下經過一定時間最終會凝固而形成高強度的固體。通過反復試驗最終確定配方為：清水+0.3 %復配型發泡劑X+3.2 %穩定調節劑H+4.5 %細目碳酸鈣粉T+180 %超細水泥S，攪拌10 min 配制成觸變膨脹型高強度堵劑[7-14]。

4.2 綜合性能室內評價

4.2.1 觸變性能評價 將堵劑放入比色管中，在30 ℃～90 ℃不同溫度下養護觀察，堵劑在15 min～30 min 可形成網絡結構而失去流動性，比色管朝下堵劑不倒流，用玻璃棒攪拌后又恢復流動性，通過試驗公式計算其屈服值為12.4 kPa，該觸變膨脹型高強度堵劑在一定溫度下養護一段時間后可形成網絡結構失去流動性，又可在一定外力下恢復流動性，具有較好的觸變性能。

4.2.2 膨脹性能評價 將配制好的觸變膨脹型高強度堵劑裝入可變性塑料瓶內密封，用排水法測量其體積變化，然后放入恒溫箱內，待完全固化后取出，同樣用排水法測量出固化后塑料瓶體積，通過試驗表明，在凝固過程中不出現析水現象，固化后體積膨脹1 %～1.5 %，有利于完全封堵管外環空。

4.3 水平井配套自降解溶膠暫堵劑研制

對于篩管完井的漏失比較嚴重的水平井無法進行分段定位封堵作業，由于篩管孔徑小，目前常用的顆粒暫堵劑不適用，因此研究自降解溶膠暫堵劑[16-18]。

自降解溶膠暫堵劑主要由與堵劑配伍性好的生物聚合物和納米材料加重劑組成，該溶膠黏度為120 mPa·s～200 mPa·s，密度為1.4 mg/mL～1.7 mg/mL，在高溫下易降解，不會對油層形成永久性污染，由于溶膠的黏度大于堵劑的黏度，且密度與堵劑相近，因此堵劑不會與溶膠發生混相，進一步防止了堵劑在注入過程中與壓井液混相和靜止后發生縱向擴散坍塌，保證了封堵效果[18-20]（見表2）。

5 現場應用

水平井分段定位找堵水技術已在大港油田成功試驗了4 井次。試驗結果表明，施工成功率100%，累計增產原油7 812 t，天然氣1.4×104m3。下面以孔1033H2井為例介紹具體試驗情況。

孔1033H2 井為六廠孔店油田的一口生產水平井，采用篩管完井，該井自投產以來含水一直平穩，2017年6 月含水突然上升至100 %，作業過程中該井漏失情況嚴重，其他測試找水工藝根本無法實施，因此采用水平井分段找水技術，在水平井段布放了4 種標記物測試短節，在動態生產情況下完成了找水測試，并準確找到該井出水段，并利用水平井分段堵水工藝使該井恢復措施前產量，含水從100 %降至89 %，日產油3.15 t，并取得較好措施效果，為今后高含水水平井的治理提供了一種安全可靠、經濟實用的技術手段。

5.1 現場找水測試及結果

表2 自降解溶膠暫堵劑降解能力表

圖4 孔1033H2 井產水剖面圖

采用油管傳輸方式下入帶有4 種標記物的測試管柱，標記物D 布放在井深1 450.00 m 處，監測是否存在油層套管套漏和管外分隔器、分級箍及水泥環的密封情況是否存在管外竄流；標記物C 布放在井深1 527.00 m 處，監測出水部位是否為水平段跟部；標記物B 布放在井深1 565.00 m 處，監測出水部位是否為水平段中部；標記物A 布放在井深1 598.00 m 處，監測出水部位是否為水平段趾部，連續6 h 的生產測試，地面檢測設備對采出的地層水進行連續監測，通過監測軟件將4 個標記物的強度信號經歸一化處理、濾除井下噪聲信號后，根據信號積分量定量計算出流經各標記物的水流量，得到孔1033H2 井不同井段產水剖面圖（見圖4），孔1033H2 井累計測試采出水28 m3，來自1 451.25 m 以上的產液量接近25 m3，可初步判斷為主力產水部位。

5.2 定位堵水作業及效果

為進一步驗證找水的準確性，對篩管以上套管進行二次驗證，通過雙卡封隔器分段試壓及氧活化測試作業，證實在1 394 m～1 407 m 井段存在套漏，套漏點在14#、15#水層上測吸水量為12 m3/h（11 MPa），應用觸變膨脹型高強度堵劑和配套工藝技術對該井進行了定位封堵作業，使該井恢復措施前產量，含水從100 %降至89 %，日產油3.15 t，并截止到目前還繼續保持穩產，可以說明水平井找堵水一體化工藝日趨成熟，為今后高含水水平井的治理提供了一種安全可靠、經濟實用的技術手段。

6 結論

（1）水平井油管傳輸標記物分段示蹤找水技術由于采用油管傳輸方式，不受水平井井眼軌跡和井筒條件的限制，大幅度提高了測試成功率。并可在動態生產條件下測試，測試結果能真實反映生產情況下水平井不同井段的產水情況，測試結果可靠。

（2）水平井封堵用觸變膨脹型高強度堵劑具有較強觸變性和膨脹性能，凝固時間可控，并通過配套自降解溶膠和封隔器等井下工具，克服了常用水泥類堵劑在水平段易混相坍塌及安全性差的問題，可實現對出水井段的定位分段封堵。

（3）水平井找堵水一體化工藝技術在孔1033H2井的成功應用，進一步驗證了找水技術的準確性和水平井專用堵劑、配套工具及水平井鉆塞等施工工藝的安全性和有效性，整體成本較其他水平井找堵水工藝降低30 %以上，為今后高含水水平井的治理提供了一種安全可靠、經濟實用的技術手段，今后應進一步深化研究和規模推廣應用。