【文章內(nèi)容簡介】 示意圖 威德福 FloReg ICDs[30] (如圖 13)外部有一個可選擇的篩管。該工具使用多個的流入孔開和關(guān)，產(chǎn)生需要的附加 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 來調(diào)節(jié)流入剖面。 水平井 中心油管控壓緩水 技術(shù)研究 4 圖 13威德 福 FloReg ICDs結(jié)構(gòu)示意圖 斯倫貝謝 ResFlow ICDs[30] (如圖 14)，通過防砂篩管與 ICD 的集合，實現(xiàn)防砂和流入控制。篩管外部是一個預鉆孔基管。在篩管的連接處裝配一個 ResFlow ICD，流體從基管預鉆孔流入，經(jīng)過篩管，流入節(jié)流腔室，最后通過節(jié)流噴嘴。通過一個四個陶質(zhì)的節(jié)流噴嘴產(chǎn)生一個節(jié)流 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 調(diào)節(jié)流體流入量。 圖 14斯 倫貝謝 ResFlow ICDs結(jié)構(gòu)示意圖 上述均衡流入控制裝置（ ICDs）于上世紀九十年代已提出應(yīng)用于水平井 底水油藏解決底水脊進問題，目前在國外已進行深入研究，并在各種類型的底水油藏得到廣泛應(yīng)用，各種井下監(jiān)測技術(shù)已證明該技術(shù)對于底水油藏流入剖面的均衡控制的有效性。由于保密原因，該均衡流入控制裝置在文獻中只有簡單原理介紹，對裝置的具體優(yōu)化設(shè)計方法和設(shè)計理論以及設(shè)計技術(shù)均未描述，而且國外各大服務(wù)公司由于技術(shù)壟斷，該技術(shù)的完井服務(wù)費用高。所以研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的均衡流入控制裝置對于我國的底水油藏高效經(jīng)濟開發(fā)很有必要。 油選擇流入控制系統(tǒng)（ Oil Selective inflow Control System） [31]，該系統(tǒng)的原理是浮動球（ 如圖 15中 34）的密度與地層水的密度一致，當水進入的環(huán)空腔室時，球上浮堵住流入孔（如 圖 15中 34），當?shù)陀诟忧蛎芏鹊挠瓦M入環(huán)空腔室時小球下落至腔室底部，使油從流入孔流入。但含水率上升時浮動球堵塞流入孔時，將增加一個流入 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 ，控制地層水流入。該系統(tǒng)的缺點是流入附加阻力不好控制，且當油水密度差異不大時該系統(tǒng)不適應(yīng)，浮動球材質(zhì)的抗溫性能不好。 西南石油大學碩士研究生學位論文 5 圖 15油選擇流入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示 意圖 選擇性滲透膜（ Permeable Membrane） [32]控水裝置（如 圖 16），該系統(tǒng)的原理是當?shù)貙铀魅脒x擇性滲透膜時，滲透膜膨脹、孔隙變小，地層水流入阻力加大。當油流入選擇性滲透膜時，滲透膜收縮，孔隙加大，油流入阻力變小。選擇性控制入流流體流入，從而達到控水目的。 圖 16 選擇性滲透膜控水裝置示意圖 雙完井技術(shù) [43]（ Dual Completion Technology），即油水分采技術(shù)。底水上升 的原理是由于生產(chǎn)時產(chǎn)生了一向上的壓力降，那么，若能在油水界面下產(chǎn)生一個相反的壓力降則能阻止底水上升。雙完井技術(shù)就是在油水界面附近施加一個可控流量，形成一定壓差來平衡采油過程中造成的油水界面處的 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 。 圖 17 和圖 18是雙完井技術(shù)兩種完井形式 。圖 17是同一直井下鉆兩個分支水平井，上分支水平井采油，下分支水平井采油。圖 18是直井鉆開水層固井射孔采水，在油層部位側(cè)鉆水平井采油，實現(xiàn)油水分采。 水平井 中心油管控壓緩水 技術(shù)研究 6 圖 17雙完井示意圖 1 圖 18 雙完井示意圖 2 智能完井系統(tǒng)（ Intelligent well Systems） [28]~[29]：控制氣、水錐是國外智能完井的一個重要應(yīng)用。智能完井實際上是一種多功能的系統(tǒng)完井方式 ， 它允許操作者通過遠程操作的完井系統(tǒng)來監(jiān)測、控制和生產(chǎn)原油 ， 這種操作系統(tǒng)在不起出油管的情況下 ， 僅需一臺地面調(diào)制解調(diào)器和一臺個人專用計算機就能隨時重新配置井身結(jié)構(gòu) ， 它還可以進行連續(xù)、實時的油層 管理 ， 采集實時的井下壓力和溫度等參數(shù)。智能完井一般包括以下幾部分 ： 井下信息收集傳感系統(tǒng) ； 井下生產(chǎn)控制系統(tǒng) ； 井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) ； 地面數(shù)據(jù)收集、分析和反饋控制系統(tǒng)。井下信息收集傳感系統(tǒng)主要由多種傳感器構(gòu)成 ， 其中多相流流量測量采用普通傳感器 ； 井下溫度和壓力的測量采用光纖傳感器 ； 井筒和油藏中流體的粘度、組分、相對密度的評估采用微電子傳感器。 智能完井可以控制氣、水錐進 ， 加速生產(chǎn) ， 提高油田最終采收率。智能完井上的流入控制閥（ ICV/ICD）可以對不同層位有選擇地進行開或關(guān) ， 從而實現(xiàn)從特定油層段采油的目的。智能完井上的傳 感器能夠監(jiān)測各油層油、氣、水量 ， 根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)修正油井工作制度，優(yōu)化控制生產(chǎn)。當生產(chǎn)中出現(xiàn)水或氣的錐進時 ， 可通過調(diào)整層段流量 (即關(guān)閉產(chǎn)水或產(chǎn)氣層 ， 控制注水或注氣等 )來延緩水或氣的錐進 ， 從而實現(xiàn)加速生產(chǎn) ， 提高油田最終采收率的目的。因此 ， 對于油層性質(zhì)差距較大 ， 需進行多層合采或合注的井或需控制水、氣錐進的井可采用智能完井。 化學控水技術(shù) [27]（ Chemical Control Water Technologies），國外 在過去 20 年在化學控水技術(shù)取得了一些進展，國外把各種化學控水體系分為三類： ① 封堵劑（ Sealants），封堵劑永久封堵水層，后期無法解堵； ② 超性能碳氫水泥體系 (Hydrocarbon Ultrafine Cement Systems， HUCS)，超性能碳氫水泥體系用于封堵裂縫和溶洞，該體系遇水水化阻止水流過，若體系未被水化在生產(chǎn)時可返排出來，而不損害地層； ③ 相滲透率調(diào)節(jié)劑（ Relative Permeability Modifers， RPW），相滲透率調(diào)節(jié)劑堵水機理是通過大分鏈在水相中伸展、在油相中收縮降低水相滲透率來達到控水的目的。 國外各種化學控水體系在底水油藏水平井中有兩種應(yīng)用形式：一種是發(fā)現(xiàn)水平井筒西南石油大學碩士研究生學位論文 7 中某處出水后，再泵人控水劑于出水位置進行堵水，是一種后期堵水方法；另一種是在油層和水層之間注入封堵劑打一人工隔板防止水向油層流入。 國內(nèi)水平井控水技術(shù)研究現(xiàn)狀 1).水平井油藏與井筒耦合流動研究現(xiàn)狀 (1).產(chǎn)能指數(shù)模型與井筒流動模型耦合 李曉平（ 2020 年） [33]運用 與 Dikken 相似的方法 ，建立了水平井油藏與井筒耦合模型。 王瑞和（ 2020 年） [34]采用擬三維思想，把流體在三維空間的流動分為垂直裂縫流、近井區(qū)徑向流、孔眼匯聚流，建立了井筒單元段的油藏滲流模型，進而根據(jù)質(zhì)量和動量守恒原理建立了油藏與井筒耦合模型。 (2).半解析產(chǎn)能模型與井筒流動模型耦合 劉想平（ 1999 年） [35]運用鏡像反映與勢疊加原理推導了無限大地層水平井勢分布，然后利用物質(zhì)守恒原理，建立了油藏流動與井筒流動耦合的穩(wěn)態(tài)模型。 黃學軍（ 2020 年） [36]運用與 Penmatcha 相似的方法，建立了水平井油藏與井筒耦合的非穩(wěn)態(tài)模型。 段永剛（ 2020 年） [37]基于非穩(wěn)態(tài)流，將水平井的油藏滲 流與井筒流動視為一個相互作用的整體，建立了油藏與井筒耦合條件下的不穩(wěn)定流動數(shù)學模型，進一步建立Laplace 空間中的計算模型，從而能夠在油藏模型中利用大量現(xiàn)存的水平井滲流數(shù)學模型及其壓力解，通過迭代求解可以獲得定產(chǎn)量條件下的井筒流入剖面， 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 分布等重要信息。 王小秋（ 2020 年） [38]在無限大均質(zhì)地層彈性不穩(wěn)定滲流解析解的基礎(chǔ)上，建立了水平井油藏與井筒耦合的非穩(wěn)態(tài)模型，并結(jié)合具體實例對耦合模型的求解得 到了水平井筒內(nèi)的 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 分布與產(chǎn)量分布，揭示了井筒與油藏耦合條件下射孔完井水平井的變質(zhì)量流動特性。 汪 志 明（ 2020 年） [39]基于非均質(zhì)油藏不同完井方式的水平井完井表皮系數(shù)模型及等效井徑模型，運用勢疊加原理，建立了非均質(zhì)油藏水平井油藏與井筒耦合流動模型。 2).水平井控水技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 (1)采水采氣聯(lián)合消除水、氣錐進方法 竇宏恩 [40]根據(jù)油井生產(chǎn)時的 由井筒摩阻產(chǎn)生的壓降 分布，設(shè)計出消除底水、邊水突破油井的工藝方法即油層和水層兩層同時生產(chǎn) ，其基本原理與國外的雙完井技術(shù)相同，這個工藝是采用積極的方法來 延緩底水 脊進 。 (2)分段生產(chǎn)控水技術(shù) 2020年，勝利采油院的宋開利 [41]對水平井分段采油工藝管柱進行了研究。 認為 常規(guī)技術(shù)無法有效控制 和延緩底水脊進 。為此， 對于 采用分段射孔的完井方案，設(shè)計了兩種水平井分段采油工藝管柱。一種是 以 SPY44l型丟手封隔器為主的卡水工藝管柱；另一種是以皮碗式封隔器為主的封上采下生產(chǎn)管柱?，F(xiàn)場應(yīng)用表明， 此技術(shù)有效的延緩了底水水平井 中心油管控壓緩水 技術(shù)研究 8 脊進 。 (3)化學堵底水技術(shù) 國內(nèi)冀東油田 于 2020 年 [42]在直井進行了先期堵水技術(shù)研究，油層射開前在油水界面打化學隔板延緩底水上竄，在不污染生產(chǎn)層段的情況下通過調(diào)節(jié)堵劑性能和注入?yún)?shù)來提高堵劑的波及效率，在油水界面充分分布形成有效阻擋。對堵水時機、高黏度高強度復合凝膠堵劑的開發(fā)、優(yōu)化工藝設(shè)計 3 方面 進行了室內(nèi)研究?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，底水油藏先期堵水可實現(xiàn)油井低含水投產(chǎn)，采出程度大大提高，效果好于底水錐進后再進行后期治理。 戴彩麗 （ 2020年） [43]等對海上油田水平井底水脊進控制技術(shù)進行了研究。提出利用水基 堵劑對水的封堵率高而對油的封堵率低 這一特性的 選擇性堵劑 、由 地層滲透率差異或 相 對 滲透率差異產(chǎn)生的 選擇性注入 以及 用過頂替液 (聚合物溶液 )將油層中的堵劑過頂替出油層，為產(chǎn)油留下通道 的 過頂替 等 方法來控制底水脊進。 (4)底 水油藏水平井變密度射孔控水技術(shù) 李洪山 （ 2020年 ） [44]對水平井底水油藏變密度射孔技術(shù)優(yōu)化進行了研究。他從改變水平井射孔密度的角度人手，人為控制生產(chǎn)壓差，使水平井的水平段從遠井地帶到近井地帶，固定生產(chǎn)壓差生產(chǎn)，從而減緩水平井的底水“脊進”。由于水平井水平段的存在摩阻，水平段跟部的摩阻大、流壓低，易造成底水“脊進”。他在射孔器材上采用變孔密射孔設(shè)計方案，提出了射孔設(shè)計的計算方法，人為控制生產(chǎn)壓差， 從而 減緩底水的上升速 度。目前，西南石油大學 熊友明 教授又在上述研究的基礎(chǔ)上深入研究，在技術(shù)上取得了更大的進展： ，進行水平井段長度上的變密度、變穿深等變射孔參數(shù)優(yōu)化組合，均勻消除沿水平井段長度上的鉆井污染剖面并追求產(chǎn)量最大化； ，進行水平井段長度上的變密度、變穿深等變射孔參數(shù)優(yōu)化組合，合理利用鉆井污染剖面并追求產(chǎn)量最大化同時延緩和控制底水錐進。 (5)均衡控水技術(shù) 針對水平井開發(fā)底水油藏，西南石油大學熊友明 教授 進行了大量研究： ① 提出了帶 ECP 的 打孔管分段堵水新型完井方法 [45]，如 下圖 19所 示： 圖 19 帶 ECP的打孔管配合特 殊堵水完井管柱示意圖 這種新型帶 ECP 打孔管配合特殊堵水完井管柱的完井方法優(yōu)點是： 西南石油大學碩士研究生學位論文 9 a、水平段中的完井管柱為不同長度的打孔管、盲管配合 ECP 組成，依靠合理的盲管長度達到有效延緩底水錐進的目的； b、由于預先將水平井分段，具備后期對水平井實施化學或者機械堵水的功能。 該完井方法中，盲管和篩管 (或者打孔管 )的長度與比例配置是關(guān)鍵問題，長度與比例配置合理會起到延緩底水錐進的作用，對產(chǎn)能的影響?。婚L度與比例配置不合理將會對產(chǎn)能有較大的影響并且不能起到延緩底水錐進的效果。該方法已在南海礁灰?guī)r底水油藏應(yīng)用，取得了很好的 效果。 該方法的缺點是判斷出水層位困難，需下入找水儀器；且只能在一定程度上延緩底水錐進。 ② 2020 年 熊友明教授與勝利油田聯(lián)合進行了找水基礎(chǔ)理論研究，在如上圖 19 所示的帶 ECP 的打孔管配合特殊堵水完井管柱基礎(chǔ)上加入下入壓力、溫度計，根據(jù)出水而井筒流壓分布、溫度的變化從而判斷出水位置，從而實施機械堵水。相對國外同類找水裝置具有可靠、簡單、經(jīng)濟等優(yōu)點。 ③ 熊友明教授針水平井延緩和控制底水，提出了變盲篩管控水、變密度射孔控水技術(shù)、中心油管控壓控水技術(shù) [1][2]， 中心油管控壓控水技術(shù)在中國海洋油田西江 231 延緩和控制水平井底水脊進取得巨大成功。 國內(nèi)安東石油公司研制了一種節(jié)流控水篩管，如圖 110所示 ，該篩管通過施加一定的流體流入阻力，從而達到控水目的。該技術(shù)在 2020 在冀東油田進行了應(yīng)用，取得的效果不是很明顯，具體設(shè)備結(jié)構(gòu)仍然需要優(yōu)化。 圖 110 安東石油公司節(jié)流控水篩管結(jié)構(gòu)示意圖 研究的 技術(shù)思路與主要內(nèi)容 本文研究的技術(shù)思路是： 以滲流力學與 工程流體力學 為理論基礎(chǔ) ， 首先分析底水突破的機理，證明水平井中底水突破的不可避免性，分析水平井底水非均衡脊進的原因，由此提出 中心油管控壓緩水 技術(shù)；接著 從連續(xù)性方程和動量守恒方程 出發(fā) ， 建立 油藏滲流 、 井筒 管 流 及 中心油管段環(huán)流 的耦合 模型 ， 并編制 中心油管完井 設(shè)計程序，通過對實例油藏 中心油管完井 的優(yōu)化研究證明 中心油管完井 技術(shù)的可行性和正確性。 本文研究的主要內(nèi)容是： ①底水油藏底水錐進 /脊進機理研究。 ②水平井井筒流的特點及影響水平井非均衡流入剖面原因研究， ③基于 底水非均衡流入的原因，對均衡排液控制完井技術(shù)研究； ④ 考慮井斜角不為 90o 時的水 平井井筒單相 管流的 壓降 模型研究； ⑤ 考慮井斜角不為 90o 時中 心油管段單相環(huán)空流的 壓降 模型研究 ； 水平井 中心油管控壓緩水 技術(shù)研究 10 ⑥油藏 井