海上水平裸眼井分艙防砂與智能分采完井技術

畢闖 劉偉，2 孫麗 馮碩 楊樂樂 于沖

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 2.海洋石油高效開發國家重點實驗室 3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井分公司 4.中海油田服務股份有限公司)

0 引 言

渤海油田作為國內海上主力開發油田，在保障國內油氣資源安全供給方面發揮著重要作用。當前，人工智能技術在石油勘探開發領域的迅速發展促使海上油田向數字化、智能化跨越，“中心處理平臺+無人平臺”逐漸成為海上油田的生產開發模式[1-3]。無人平臺便于生產管理，減少人力成本，提高生產安全性，但對油氣井的遠程監測和調控提出了更高要求，智能完井技術需求日益迫切[4-6]。水平裸眼井是當前渤海油田主力開發井型，通過鉆遇2個甚至多個砂體，能有效提高單井產量，降低整體開發成本。然而，渤海油田以疏松砂巖為主要產層，占探明儲量的84%以上，油井出砂問題已成為渤海油田面臨的主要生產難題[7-9]。同時，水平裸眼井由于跟趾效應和儲層非均質性，含水體積分數上升問題日益凸顯，部分油田生產井的含水體積分數高達98%[10]，已成為渤海油田低產低效井和關停井的首因[11-12]。智能完井作為油田實時注采管理系統，可以實時采集傳輸井下監測數據，實時反演油藏變化，實時決策優化生產方案并遠程調控[13]，為無人平臺的遠程生產監控提供了解決方案。同時，智能完井技術還可以精細化管理油藏，根據儲層非均質特點實施油氣井的單層單段監測與調控，控制產液/注水/注氣剖面均衡，抑制氣、水突破，可有效解決水平裸眼井見水早、含水體積分數上升快等問題[14]。

相較于傳統完井工藝，水平裸眼井智能完井的難點主要體現在2方面：分艙防砂和智能分采。分艙防砂是在井筒內不同層位建立相互間的流動屏障以避免井筒內產生層間竄流，為智能開采提供相對獨立的生產環境，這包括防砂管柱與地層間大環空以及防砂管柱與生產管柱間小環空的有效封隔；智能分采生產管柱是在各生產層位添加井下流動控制裝置，即智能滑套，通過地面調節滑套開度大小控制各個層位的產出液量，實現單井多艙的獨立精確控制，兩者共同配合實現對油藏的遠程精細化生產開發。針對分艙防砂和智能分采的需求以及存在的問題，梳理當前水平井裸眼礫石充填及智能完井方式，優化工具工藝，建立了一套分艙與智能完井分采工藝。該工藝可滿足海上油田水平裸眼井遠程監控、分艙調控的生產需求和施工簡單、低成本的作業需求。

1 水平裸眼井分艙防砂

1.1 技術現狀與難點

在現有水平裸眼井礫石充填工藝的基礎上，國內外學者進行了多種類型的裸眼分艙充填技術探索和嘗試。在防砂管柱中下入密封筒，進行整體充填，裸眼段有分艙需求時，通過在防砂管柱中下入中心管及隔離密封實現小環空的機械封隔。然而，此類工藝僅依賴充填陶粒的流動阻力阻止流體層間流動，未能在大環空形成有效的流動屏障，易造成層間干擾。進一步地在防砂管柱上增加膨脹封隔器，以膨脹封隔器封隔大環空，以密封筒+隔離密封封隔小環空。在現場作業中，該管柱有2種作業方式：一種是先充填后坐封，該作業模式下，因為防砂管柱外存在充填礫石，膨脹封隔器無法與地層直接接觸，在封隔后，防砂管柱與地層間依然存在由充填礫石形成的高滲流通道，不能實現大環空的有效封隔；另一種是先坐封后充填，該方式盡管可以實現大小環空的有效封層，但是施工工藝較為復雜，隔離封隔器坐封與礫石充填分艙完成，施工周期長，成本較高[15-17]。

1.2 旁通隔離防砂管柱

為了實現大小環空的雙重有效封隔并簡化作業工藝，設計了一種新的旁通隔離封隔器(見圖1)，主要由擴張膠筒、遇油遇水膨脹膠筒和旁通關閉閥3部分組成，本體上設置有旁通通道。旁通隔離封隔器的主要工作方式是通過坐封機構和膠筒膨脹實現水平井分段，通過旁通關閉閥控制旁通通道的開關，三者相互配合實現對攜砂液流動通道的控制。

圖1 旁通隔離封隔器

防砂管柱及內服務管柱如圖2所示。具體施工模式如下。①充填作業前，一次性坐封所有的擴張膠筒，對旁通隔離封隔器外的環空通道進行有效封隔，并打開所有的旁通通道保證充填砂通過；擴張膠筒設計自鎖機構，當封隔器坐封完成后，液壓被鎖定，保證封隔器的有效封隔。②充填作業時，攜砂液從旁通入口流入，從旁通出口流出，從而跨隔旁通隔離封隔器，一次完成多段充填，節省作業時間。③充填作業完成后，關閉旁通通道。

圖2 防砂及內服務管柱

在生產階段，膨脹膠筒遇油遇水膨脹，由于膠筒外側沒有充填砂的存在，膠筒膨脹后能夠緊貼井壁，為有效封隔管外串流提供了二次保證，同時為后續分層開采的實施提供便利的井筒條件，作業安全性較高。

1.3 關鍵工具測試

旁通隔離封隔器的可靠性是影響水平井分段礫石充填作業的關鍵。通過試驗對封隔膠筒、旁通關閉機構和坐封機構的性能進行測試驗證。

1.3.1 封隔膠筒

擴張膠筒和膨脹膠筒作為旁通封隔器的主要組成部件，能夠對大小環空形成有效封隔，是水平井分艙礫石充填施工的關鍵。分別對兩者的封隔效果進行測試，測試結果見表1。

表1 密封膠筒測試結果

1.3.2 旁通關閉機構

為防止充填作業過程工作液對關閉機構造成沖蝕損壞，設計了關閉套保護裝置；為防止關閉機構的誤關閉，在其前后均設計了鎖定機構。同時，裝配備用旁通關閉機構，在主用關閉機構不能正常關閉時，通過備用關閉機構實現旁通的關閉，如圖3所示。

圖3 關閉機構

對關閉機構在常規和旁通通道帶砂條件下的關閉可靠性進行室內測試，帶砂條件采用黃油黏合陶粒砂模擬。將旁通關閉閥固定到地鉗上，液壓拉拔機連接開關工具，在關閉套位置反復推拉進行開關測試，可觀測到開關工具打開或關閉，未發生卡阻現象。

1.3.3 旁通隔離坐封機構

旁通隔離坐封機構見圖4。下入時，坐封孔密封在下密封筒內；坐封時，坐封孔位于上下密封筒之間，流體通過密封孔進入膠筒使之膨脹封隔。分別測試坐封工具的通過性和密封性：坐封工具往復通過密封筒，通過順暢；上、下接頭配合Hydril511盲堵和變扣，中間坐封孔配合密封筒密封，整體內腔加壓21 MPa，穩壓15 min無壓降。

圖4 坐封機構

2 水平裸眼井智能分采

2.1 技術現狀與難點

海上智能完井已經逐步形成測調一體分注技術、無線智能注采技術、液控智能注采技術和有纜智能注采技術等4大體系。無線智能注采技術處于研發階段，應用較少；液控智能和有纜智能注采技術相對成熟、應用多。這2種技術體系主要依靠智能生產滑套的控制方式，即電控[18]和液控[19]。其中，電控智能滑套控制管線少，一根電纜控制多個智能生產滑套，可實現無級調節，下管柱作業相對簡單。但由于井下環境復雜，受井底高溫高壓、流體腐蝕以及電信號傳輸穩定性的影響，電控智能滑套可靠性差，目前在海上多用于智能分艙注水井。液控智能滑套受液壓驅動，可調節開度在4～9級，工具及控制管線更為可靠，在海上已經逐步推廣應用。但也存在相應缺點，因控制管線多，作業期間需要穿越多道封隔器，作業復雜，相比常規完井作業延長了作業時間，增加了成本。

2.2 智能分采管柱優化

為減小作業難度，通過重新設計各層產液流動通道，將液控智能滑套優化在頂部封隔器以上位置，以減少液控智能滑套及其控制管線的下入深度和封隔器穿越數量，降低作業難度與風險，管柱組合見圖5a。

圖5 智能分采管柱

由圖5a可知，第一層產出流體通過頂部封隔器的旁通流入頂部以上環空，再通過環空式液控智能滑套流進油管，環空式液控智能滑套內部有限流裝置，可以控制過流面積，從而控制第一層的生產，如紅色箭頭所示；第二層產出流體直接流入油管，罩式液控智能滑套連接在油管上，內部設置有堵塞器控制過流面積，從而控制第二層的生產，如綠色箭頭所示。管柱中舉升設備為罐裝泵，考慮到罐裝泵的氣體處理能力較弱，在產氣量較大的油藏中存在氣鎖風險。為此進一步優化生產管柱，增加1個生產封隔器和1個機械滑套，地層產液從油管經過機械滑套流入環空，再通過常規電泵舉升至地面；過電纜封隔器上安裝有放氣閥，當氣體集聚到一定程度時，打開放氣閥，氣體從油套環空中放出，管柱組合見圖5b。

此外，液控智能滑套有獨立的地面控制設備，可以通過海底光纜進行信息傳輸，實現生產中心對智能滑套的遠程調控，滿足無人值守平臺的應用。

2.3 智能分采機理分析

采用節點分析法對不同智能生產管柱條件下智能生產滑套的井下流量控制原理進行分析。節點分析法也叫系統分析法，其理論基礎是將原油從地層流入井底，再從井底流向井口的過程看作一個整體。以油管入口為節點O，油從地層流入井底，遵從地層滲流規律，流量與生產壓差正相關，其井底壓力與產量的關系曲線稱為地層滲流曲線(IPR曲線)；油從井底流到地面遵從垂直管流規律，流量隨井底壓力增大而增大，其井底壓力與產量的關系曲線稱為垂直管流曲線(TPR曲線)。IPR和TPR兩條曲線交點所對應的產量就是在該管柱條件下油氣井的最佳產量[20]。圖6a是自噴井的IPR和TPR曲線。

圖6 不同生產條件下流入(IPR)和流出(TPR)曲線圖

流體從地層流入井筒所需壓差pa與流體從井底流出地面所需壓差pb的和為定值p。假設地面油管壓力為0，此壓力p即為地層壓力：

pa+pb=p

(1)

式中：pa為特定排量下流體流入井筒所需壓差，MPa；pb為特定排量下流體從井底流至地面所需壓差，MPa；p為地層壓力，MPa。

在油田生產過程中，由于地層能量不足，無法實現自噴，需要舉升設備輔助，例如電潛泵、螺桿泵、射流泵及氣舉等，此時油從井底流到地面將不再是簡單的垂直管流規律。圖6b以電潛泵舉升井為例，展示了人工舉升生產條件下的IPR和TPR曲線。因為管柱中增加了電泵的舉升能力，相同井底流壓下可以提供更大排量的生產能力。舉升條件下井筒內壓力關系為：

pa+pb-pc=p

(2)

式中：pc為電泵入口與出口間壓差，MPa，由于電泵為增壓作用，所以為負值。

在智能完井中，流體通過滑套的阻力隨開度變化，滑套入口與出口處的壓差、流量及流量系數間的關系為：

(3)

式中：Q為通過滑套流量，m3/s；K為流量系數，無量綱；A為滑套開度，m2；Δp為滑套進出后壓力差，MPa；ρ為流體密度，kg/m3。

產出流體通過智能生產滑套時的壓力損耗為：

(4)

由式(4)可知，壓差與過流面積的平方成反比，與流量的平方成正比。井筒內壓力關系為：

pa+pb-pc+pd=p

(5)

式中：pd為滑套出口與入口間壓差，MPa。

圖6c展示了智能完井條件下的IPR和TPR曲線。由圖6c可知，工程回壓、電泵頻率不變時，滑套開度增大或減小，pd隨之減小或增大，在圖中表現為綠色曲線斜率減小或增大，最佳產量隨之增大或減小?；组_度越大，綠色曲線斜率越小，最佳產量越大。

圖6d以2層智能分采管柱為例，討論滑套開度對產量的影響。假設一口2層分采井同時生產2個儲層，智能滑套1和2分別控制第一層和第二層，第一層和第二層地層壓力分別為28與24 MPa。以滑套出口為節點O，通過流入油管的流量為第一層和第二層的流出流量總和。穩定生產時，第一層和第二層的產量分別A1和B1，總產量為C1。當減小智能滑套1開度時，第一層流入曲線斜率增大，總流入曲線斜率增大，最佳產量由C1減小為C2。此時，第一層和第二層的產量分別為A2和B2，即第一層產量減小，第二層產量增加。當增大智能滑套1開度時，生產變化與之相反。此認識可為生產中后期的生產調控提供指導。

3 現場應用

3.1 應用井基本情況

渤海某油田位于南部海域，是萊北低凸起淺層勘探發現的億噸級巖性大型油田，整體表現為受伸展斷層控制的復雜斷塊特征。主要目的層段以分流河道型淺水三角洲沉積為主，砂體厚度5～15 m，發育天然堤、河漫灘等沉積砂體，厚度2～4 m，整體表現為薄砂層與泥巖互層。該油田屬于巖性油氣藏，設計采用水平井開發，砂體規模小，厚度薄、非均質性強，較適合進行分層開采，以提高單井產量，降低開發成本。S井是該油田的一口水平井，實際完鉆井深為3 999 m，71°穩斜段長達2 600 m，最大井斜93°。該井上部物性好，下部物性偏差，所在砂體后期注水開發，考慮水平井跟趾效應和非均質性，上部井段后期存在出水風險。結合油田儲層特點及開發需求，使用水平裸眼井分艙與智能完井工藝完井，分兩層完井，旁通隔離封隔器下入位置如圖7所示。

圖7 S井實鉆井眼軌跡

3.2 作業情況概述

3.2.1 刮管洗井

組合下入刮管洗井管柱，在過電纜封隔器及頂部封隔器坐封位置上下30 m范圍內刮管3次，大排量正循環鉆井液洗井，直至返出干凈。正替過濾KCl鹽水洗井，其間間歇上下活動管柱，直至返出液NTU值小于70。

3.2.2 防砂作業

按照配管表先后下入帶有旁通隔離封隔器的外層防砂管柱和內層服務管柱，驗證旁通隔離封隔器坐封位置，正循環測試鉆井泵，確認工具連接正常。下鉆至設計深度，上提管柱至頂部封隔器坐封位置，循環替出裸眼段鉆井液，投球坐封頂部封隔器并驗卡驗封。繼續上提管柱至指定位置，環空加壓坐封旁通隔離封隔器。繼續加壓剪切可開關單流閥柱塞銷釘，泄壓至0，下放管柱至負荷位置，標記充填與反循環位置，開始礫石充填作業。防砂泵進行循環測試優化，確定礫石充填作業參數：砂質量濃度40 kg/m3，排量0.8 m3/min，α波鉆桿壓力5.01～5.12 MPa，β波鉆桿壓力5.12～6.92 MPa。當脫砂壓力為12 MPa時充填作業結束，進行反循環作業，返出鉆桿內陶粒，充填作業結束。

3.2.3 下智能分采管柱

根據管柱組合(見圖5a)下入智能分采生產管柱，連接智能生產滑套后進行試壓作業，確保工具正常，隨后帶壓下入。連接電泵機組時注意更換電機油，測量絕緣電阻。穿過電纜封隔器時要對控制管線及電纜進行回接后的測試，確保下入過程中各類工具正常，控制管線及電纜通過多線纜保護器固定在油管上。下入位置后送油管掛，拆卸防噴器組及升高立管，安裝采油樹，完井作業結束。

3.3 作業效果

該井礫石充填效率100%，施工作業順利，日產油108 m3，超配產10%，取得了良好的增儲上產效果。同時，該井的生產動態可通過海底光纜遠傳至中心處理平臺，實現了油井的遠程監測與調控。該井的成功建井，驗證了分艙充填與智能分采管柱的可行性，豐富了國產防砂工具序列，為水平井分艙防砂和控水提供了新的開發思路，也為智能分采井的實施提供了作業經驗。

4 結論及認識

(1)建立了一套水平裸眼井分艙防砂管柱及工藝技術。分艙防砂通過旁通隔離封隔器實現水平裸眼段一趟分艙礫石充填，作業簡單高效、成本低，可為智能完井管柱提供作業環境。

(2)建立了一套新型水平裸眼井智能分采管柱，將智能滑套放置在頂部封隔器以上，降低了生產管柱下入難度，同時可有效應對高含氣油田電潛泵易氣鎖的問題，為分艙生產調控提供了技術手段。

(3)采用節點分析法從理論角度闡述了智能分采管柱的生產控制作用和層間影響：分艙調控會產生艙間干擾，智能完井各艙產量組合數為各層滑套可調開度數量的乘積，可為中后期的生產調控提供指導。

(4)在渤海某油田的一口井應用了水平祼眼井分艙防砂與智能分采完井技術。該技術體系解決了水平祼眼井防砂、分采等問題，為智能化、無人化平臺建設提供了技術支撐。