专家论坛在此之前, 极少尝试水平井和大斜度井开发技术, 这主要是钻井技术水平和水平井砾石防砂等完井工艺技术的限制砾石充填完井用井下工具不能维持对裸眼地层的静液柱压力, 易导致充填不完全或井眼坍塌第三阶段 : 年一次多层射孔防砂工艺技术突破了层间长度的限制, 在绥中 36-1

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1 范白涛我国海油防砂技术现状与发展趋势我国海油防砂技术现状与发展趋势范白涛中海石油中国有限公司天津分公司摘摘要防砂工艺技术是提高油井产能和油田开发效益的关键技术文章回顾了自 20 世纪 80 年代以来我国海洋石油防砂工艺技术的发展历程介绍了目前适度防砂理念简易防砂技术一趟多层防砂工艺等在海上油气田的应用现状并根据海洋石油勘探开发的需要对未来防砂工艺技术在小井眼钻完井稠油热采等方面的发展趋势进行了展望关键词海上油气田田完井工程田防砂技术 DOI /j.issn x 我国海洋石油工业的发展经历了自主创业对外合作自营开发自营与合作并举等四个阶段目前已进入了高速增长期 2010 年将实现年产 4 条件和井况的防砂工艺技术回顾海洋石油防砂技术的发展历程大致可以分为以下四个阶段第一阶段 1983 年以前渤海早期的完井方式主 t 的宏伟目标建成海上大庆在我国海要为套管内射孔完井如已废弃的 Hai-1 等 4 座生产洋石油工业飞速发展的过程中钻完井技术也随之产平台防砂方式主要包括近井带化学固化预充填生了重大的飞跃为海洋石油的增储上产做出了重大筛管防砂自制绕丝筛管防砂割缝管防砂等此类贡献其中作为直接影响油气田开发效益的完井技方式简单易行施工成本较低缺点是防砂有效期短术发展特别迅速后期产能损失大完井技术是衔接钻井和采油而又相对独立的技术第二阶段年埕北绥中 36-1 Ⅰ期也是与油藏开发需要密切结合的关键点完井技术水岐口 17-3 岐口 18-1 等油田引入了 STACK PACK 逐平的高低和施工质量的优劣对油气井产量和油田开层充填技术采用循环水和胶液充填方式在充填发的经济效益有决定性的影响由于我国海上油田大之前进行酸预处理工艺埕北油田采用陶粒作为支撑部分地层胶结疏松稠油比例大所以防砂工艺则成剂随后都采用了石英砂逐层充填技术可大幅度提为有效提高单井产能和维持油田正常生产的重要技术高油井的防砂有效期其缺点是单井充填时间较长措施海洋石油通过对外合作和自营开发在引进吸平均 3 层需要 14.3d 成本较高收先进技术的基础上积极探索形成了一系列适合国内海上油田的防砂工艺技术 1998 年锦州 9-3 油田完井引入了 Baker Oil Tools 公司 MINI-BETA 一次多层充填防砂工艺技术其中生产井采用绕丝筛管砾石充填防砂支撑剂为石英砂 1 海洋石油防砂技术发展历程注水井和水源井采用独立优质筛管防砂一次多层射自 20 世纪 80 年代以来随着我国海洋石油的开发孔充填防砂大大节省了钻机时间降低了作业成本为了满足不同油层开采的需要防砂工艺技术也在不但其限制条件是各层必须等长未解决井下管柱的配断的发展和完善现已经形成了一系列适应不同地质管问题第一作者简介范白涛 1975 年生 1998 年毕业于大庆石油学院石油工程系 2005 年获得中国石油大学北京油气田开发专业硕士学位高级工程师现为中海石油中国有限公司天津分公司钻采专家钻井部设计经理主要从事钻完井方面的管理与技术工作 fanbt@cnooc.com.cn 2010 年第 5 期石油科技论坛 7

2 专家论坛在此之前, 极少尝试水平井和大斜度井开发技术, 这主要是钻井技术水平和水平井砾石防砂等完井工艺技术的限制砾石充填完井用井下工具不能维持对裸眼地层的静液柱压力, 易导致充填不完全或井眼坍塌第三阶段 : 年一次多层射孔防砂工艺技术突破了层间长度的限制, 在绥中 36-1 Ⅱ 期和秦皇岛 32-6 油田应用共计 300 余口井, 作业效率得到了进一步提升筛管类型包括绕丝筛管和优质筛管两种, 石英砂作为支撑剂针对地层情况进行高速水充填和循环充填, 但充填工具受耐压 20.68MPa(3000psi) 的限制 1999 年底, 歧口 17-2 油田完井引入了 Halliburton 公司的 DTMZ 型两趟管柱多层防砂系统, 并且分别在绥中 36-1 Ⅱ 期和秦皇岛 32-6 油田完井中得到了推广 2000 年, 秦皇岛 32-6 油田进行了 3 口水平井裸眼砾石充填作业最初引进了 Schlumberger 公司的 ALL PACK 带旁通管的优质筛管, 后尝试了绕丝筛管第一口井胶液充填, 由于提前破胶导致充填失败 ; 第二口井更改清洁盐水为充填液, 充填效率为 70%; 第三口井采用绕丝筛管清洁盐水充填, 充填效率达 105% 其缺点是作业周期长, 成本较高 2002 年, 在调整井进行了鱼骨刺型水平分支井技术的尝试, 引入适度防砂理念, 采用金属棉优质筛管简易防砂完井, 即裸眼 + 优质筛管或套管射孔 + 优质筛管简易防砂完井技术操作简单, 易于现场施工, 作业周期短, 且改善了井筒周围的渗透性, 大幅度提高了油井产能该技术打破了常规砾石充填防砂完井技术的传统思路, 在稠油油田得到了成功应用, 为稠油油田的开发开辟了一条新途径 2002 年, 蓬莱 19-3 油田先导试验区的大斜度井开发中尝试了多种防砂方式, 例如 :1 膨胀筛管 (270µm) 裸眼完井 ;2 独立筛管 (225µm,400µm,600µm) 裸眼完井 ;3 管内 Frac Pack + ESS;4 管内 Frac Pack 几种防砂方式的效果差异很大第四阶段 :2003 年至今 2003 年, 在渤中 25-1 油田完井中, 利用 Halliburton 公司的两趟管柱多层防砂工具, 改进后实现了一趟管柱多层防砂年, 南堡 35-2 稠油油田开发水平井和鱼骨刺水平分支井采用金属棉 / 编织网类型优质筛管进行裸眼完井套管井采用一次多层压裂充填和独立筛管简易防砂两种方式充填完井工具耐压等级突破了 20.68MPa(3000psi) 的限制, 达到了 34.47MPa (5000psi), 陶粒为支撑剂年, 渤中 25-1S 旅大 10-1 旅大 4-2 旅大 5-2 等油田开发及调整井完井中, 水平井或水平鱼骨刺型分支井采用不同类型的优质筛管进行裸眼完井注水井和水源井采用简易防砂完井其他套管井采用一次多层压裂充填防砂完井,EXTENSION PACK 缝长在 7.62m(25ft) 左右, 达到了既防砂又增产的目的, 陶粒为支撑剂筛管类型包括绕丝筛管 / 金属棉类型优质筛管 2004 年至今, 曹妃甸 11-1/2/3/5/6D 油田群开发该油田群以水平井开发为主 ( 比例大于 85%), 定向井开发为辅开发初期, 水平井全部采用优质筛管砾石充填防砂方式,95% 以上的井得到了很好地充填定向井采用压裂充填完井目前, 明化镇组 ( 稠油 ) 采用砾石充填防砂方式, 馆陶组及东营组 ( 常规油 ) 采用简易防砂方式年, 蓬莱 19-3 Ⅰ 期采用裸眼优质筛管防砂方式, 使用小过滤精度的筛管 (175µm,110µm) 减少出砂年, 蓬莱 19-3 Ⅱ 期采用裸眼优质筛管适度防砂, 出砂率设计为 0.05%, 筛缝尺寸为 110µm,175µm,225µm,270µm,350 ~ 400µm, 600µm 裸眼定向井多层同采, 膨胀封隔器封隔大段泥岩 2007 年, 秦皇岛 32-6 调整井采用小井眼砾石充填防砂完井,φ152.4mm 裸眼 (φ177.8mm 技术套管或原 φ177.8mm 套管井侧钻 ) 采用 φ101.6mm 优质筛管 + 陶粒充填防砂方式小井眼技术有效地提高了钻完井效率, 降低了钻完井成本 2 海洋石油防砂技术进展针对海洋石油作业高成本高风险的特点, 为了最大限度释放油井产能, 以地质油藏为核心, 根据油藏特性, 对油井的防砂方式与工艺进行量体裁衣式设计, 精雕细琢, 关注油井产能及生命周期, 提升油田开发效果, 实现开发质量效率产量最大化目前, 海上油田防砂技术与理念主要包括以下六个方面 8 石油科技论坛 2010 年第 5 期

3 范白涛我国海油防砂技术现状与发展趋势 2.1 深化适度防砂理念术可有效提高单井产能降低作业成本达到少井高适度放大防砂粒径允许部分地层砂随原油产出从而避免细小砂粒堵塞筛管造成近井地带油流通道堵产的目的提高油田开发效益 2.2 量体裁衣式防砂设计塞并对地层进行卸载引起井眼周围地层发生按照适度防砂的理念在防砂设计过程中根据剪切膨胀直至剪切破坏钻完井过程中形成的损害带前期开发经验地层特性以及理论研究结果对防砂使地层渗透强化在近井带形成高渗带提高单方式和工艺进行优化设计在此基础上针对各井各井产能适度防砂理论的提出打破了对地层砂防死层位的具体情况以及油藏的防砂分层要求对不同井的传统观念为稠油油藏的有效开发开辟了一条新思区不同井型不同小层的防砂精度采用量体裁衣路图 1 式的设计如式 1 所示绕丝筛管 Qo = f ( Cs, D50, p, Ps, Ct ) 地层式中 1 Qo 油井产量 Cs 地层中的泥质含量 D50 砂粒粒径 p 生产压差 Ps 筛管型式 Ct 完井方式优选方法首先按照已知的地层参数 C s D 50 对于拟采用的防砂筛管及其完井方式进行组合再根据安全运行的上限流速 Q3 Q2 Q1 完井方式 2.3 大量连续出砂间断出砂梯级筛管完井技术水平井和水平分支井的生产实践证明由于水平 2# 砂体 1# 砂体产量 Q o 进行优选最终获得在特定油田储层条件下的安全不出砂界限产量增加段内摩擦损失的缘故导致沿着水平段压力出现不均匀分布现象始端水平井造斜段和水平段的交点压差大而末端压降很小或者为零对底水或气顶油不出砂砂体强度图 1 适度防砂理念示意图藏的水平井而言往往出现水平段的始端提前因底水或气顶的锥进而造成水淹或气窜从而影响油井产能的发挥和最终采收率甚至造成井的提前关闭或报废针对边际油田日产量少稠油流动易破坏近井带通过梯级优质筛管完井方法图 2 改变了水平井段地层胶结强度水平井根部易水锥的特点采取水平井底压力场的分布实现沿水平段井底流动剖面的均井裸眼梯级筛管筛缝规格放大至 D 10 优化生产吸入匀推进延缓了底水或气顶的锥进提高了产能和采口在油层段的位置等完井方案在生产时采取低频启收率动拖带投产的机采技术使得地层砂以适度的方式随 2.4 动态防砂理念与技术原油产出而不破坏地层胶结强度且能够逐步建立稳定使用平面刚性孔隙筛管进行防砂时过滤介质不渗流通道适度防砂技术使得完井和采油工艺有机结会在外界压力的作用下产生变形表面形成的低渗砂合达到了油井高产和稳产的目的层也不会发生变化属于静态防砂在生产过程中该理论与技术已经在渤海油田得到了广泛应用如果筛管的过滤介质能够在外力的作用下发生位移变绥中 36-1 QHD32-6 南堡 35-2 旅大 10-1 旅大形其表面形成的低渗砂层也会发生变化堵塞状态 4-2 旅大 5-2 等海上稠油油田的开发实践证明该技就会受到一定程度的破坏即动态防砂概念当地层 2010 年第 5 期石油科技论坛 9

专家论坛 5 6 1 3 2 4 图 2 梯级筛管完井示意图 1 φ24.45mm 套管 ;2 φ215.9mm 裸眼 ;3 φ24.45mm φ152.4mm 封隔器 ;4 φ177.

4 专家论坛图 2 梯级筛管完井示意图 1 φ24.45mm 套管 ;2 φ215.9mm 裸眼 ;3 φ24.45mm φ152.4mm 封隔器 ;4 φ177.8mmstars 梯级筛管 ; 5 油管 ;6 PBR 砂聚积在过滤介质表面时, 使筛管形成内外压差 p( p 1 -p 2 ) 在 p 的作用下, 过滤介质向内侧蠕动, 低渗砂层发生变化, 破坏已经形成的堵塞, 而后 p 降低, 过滤介质变形恢复, 即 : 砂粒聚积形成压差过滤介质蠕动破坏堵塞压差减小过滤介质变形恢复形成新堵塞建立新压差过滤介质再次蠕动再次破坏堵塞, 这个过程周而复始在这个过程中, 悬持在过滤介质中的细颗粒也进入井筒中, 使筛管保持自洁状态 ( 图 3) p 1 损害 ; (4) 特种工艺井 ( 水平井分支井大位移井和欠平衡井等 ); (5) 发展油井清洗技术, 保证油井清洁, 恢复与强化油井产能衰竭油藏完井过程中, 为了解决射孔后完井液大量漏失的问题, 且不影响砾石充填的效果和后续作业时效, 创新性地提出了井下液体开关的概念具体施工工艺是 : 将 PRD 无固相暂堵液替入射孔段, 在射开储层的同时有效进行封堵, 降低漏失量在砾石充填防砂之前, 带压挤入破胶液, 采用快速破胶技术, 解除射孔段封堵滤饼, 漏失量明显增大, 再将破胶残液循环返出, 进行砾石充填防砂及后续作业在绥中 36-1 油田 L 平台 J 平台, 以及旅大 5-2 油田 B 平台等多个平台推广应用该技术后, 平均单井漏失量为 250m 3 ( 先导试验井平均单井漏失量为 510 m 3 ), 大大减少了完井液漏失量, 节省了工程费用图 4 为绥中 36-1 油田 L 平台 4 口井采用不同完井工艺的情况下, 完井液漏失量的对比分析优选多种防砂工艺改善采油环境 500 射孔过程漏失防砂过程漏失 400 完井期间总漏失漏失量 (m 3 ) p 2 0 L8 井 ( 常规射孔液 ) L3 井 (PRD 射孔液 ) L5 井 (PRD 射孔液 ) L9 井 (PRD 射孔液 ) 井号 ( 完井工艺 ) 图 3 动态防砂抗堵塞原理示意图 2.5 钻完井全过程储层保护技术油层保护的最终目标是提高油井的产能海上疏松砂岩油藏产能不但与井眼周围地层的损害有关, 还与完井方法油井清洗等因素密切相关因此, 海上疏松砂岩油层保护必须从完井方法的优化井眼周围地层的保护和油井清洗等几方面展开, 具体情况如下 : (1) 优化完井方法 ( 地层卸载 + 适度防砂 ); (2) 控制油层压力衰减, 减轻压实损害 ; (3) 采用高性能钻井液和完井液, 降低钻完井液图 4 不同完井工艺漏失量对比分析套管内多层压裂充填技术在对各种充填技术进行摸索之后, 特别是熟练使用循环充填高速水充填微压裂充填后, 针对渤中 25-1 油田明化镇组油藏无底水油层渗透率高的特点, 初次引进了国外的高渗透层压裂技术, 并在旅大 10-1 油田得以推广简易防砂完井技术简易防砂完井即裸眼 + 优质筛管或套管射孔 + 优质筛管由于其良好的储层保护效果, 对油井产能又可有效提高, 同时还具备操作简单易于现 10 石油科技论坛 2010 年第 5 期

5 范白涛 : 我国海油防砂技术现状与发展趋势场施工作业周期短等特点, 从而得到了广泛的应用研究表明 : 简易防砂完井方式下油井的表皮系数为 -6 ~ 5, 压裂充填防砂完井方式下油井的表皮系数为 -2 ~ 5, 砾石充填防砂完井方式下油井的表皮系数为 8 ~ 33, 预充填筛管防砂完井方式下油井的表皮系数为 15 ~ 40, 由此可见, 简易防砂完井方式下油井的表皮系数最小多分支井优质筛管防砂技术为了最大限度地暴露储层, 采用多分支井技术在主井眼内下入完井防砂管柱, 选取地层砂的 D 10 作为防砂精度, 防砂管使用多层金属棉优质筛管多分支井优质筛管防砂技术在南堡埕北等稠油油田中使用, 促使地层能量充分卸载, 使得油井投产后在较长时间内实现高产, 为稠油冷采的高效开发提供了一条途径水平井裸眼砾石充填技术在海上油气田丛式井网开发中, 水平井由于其极大的经济效益且大幅度利用了油藏资源, 而得到广泛应用特别是离底水较远, 且油层厚度大于 5m 的单层疏松砂岩, 一般都采用水平井开发, 且进行砾石充填一次多层防砂技术防砂段不等长, 隔层段 8m 左右, 防砂管柱适用套管内径从 φ mm 到 φ82.55mm, 实现了一次防砂层数高达 6 层该技术的核心是服务工具和防砂管柱内外结合下入目的层 ; 液压坐封顶部封隔器后脱手服务工具管柱, 并移动充填转换工具到各个隔离封隔器处分别对其坐封 ; 由下至上, 用中心管和转换工具向防砂管柱上的充填滑套外输送砾石进行充填, 脱砂后的携砂液从底部进入中心管和外层服务管柱的环空, 并经顶部坐封工具进入套管环空, 实现充填的任务目前海上常用的包括 Baker Oil Tools 公司的 One Trip 和 Halliburton 公司的 STMZ 3 海洋石油防砂技术展望随着我国经济的快速发展, 石油消耗量急剧上涨, 海洋石油将成为油气勘探开发的重要战场防砂完井作为提高采收率和改善油田开发效果的重要手段, 从其作用上讲, 发展趋势主要有两个方面 : (1) 以地质油藏为核心, 结合采油工艺和增产措施的要求, 优选不同的防砂方式和方法, 精雕细琢量体裁衣, 进行个性化防砂设计 ; (2) 开发滚动调整, 利用防砂方案改造油藏, 及时动用潜力储量, 以求最大限度地提高油田采收率根据海上油气田开发趋势的需求, 防砂完井技术应注重以下三个方面的技术发展 3.1 小井眼防砂完井工艺小井眼钻完井具有所需材料少井场占地面积小施工周期短可大幅度降低油田开采成本等特点, 因此小井眼技术对于海上油气田开发具有广阔的应用前景但是由于井眼尺寸小, 这就对防砂工艺和配套的工具提出了新的要求 3.2 稠油热采防砂完井工艺海洋石油目前已发现的原油地质储量中 70% 为稠油油藏, 已投入开发的稠油油田水驱采收率仅为 20% 左右, 陆地类似油田采收率为 40% 左右将陆地油田应用成熟的热采技术引入海上, 成为提高海上稠油采收率的有效方法然而, 由于注入蒸汽温度高达 350, 对防砂方式的优选防砂工具的性能, 以及防砂精度的确定提出了新的挑战 3.3 高温高压井防砂完井工艺随着海洋石油勘探目标向高温高压领域的逐步迈进, 适应高温高压环境的防砂技术, 特别是防砂工具的研制, 已成为海上油田急需解决的关键技术高温高压井完井管柱的设计, 在充分考虑安全系数的同时, 需要更多地考虑生产中的动载荷, 如各类管材受温度影响性能降低, 以及密封于完井管柱中液体受温度影响膨胀而产生的高压等都是海洋石油完井技术急需解决的问题 3.4 深水油气田防砂完井工艺近年来, 在全球的重大勘探发现中, 一半以上来自海上, 未来世界油气总储量的 44% 将来自于海洋的深水我国南海拥有丰富的油气资源, 开发南海不仅具有极大的经济效益, 而且对保护我国海洋领土完整具有重大意义由于深水作业的高投入高风险和国内技术的不成熟, 目前还没有在南海全面铺开大规模的深水油气开发但是作为未来发展的重点方向, 必须对深水开发技术进行提前研究, 储备技术深水油气田完井技术应以高产长寿命完井智能控制作为 2010 年第 5 期石油科技论坛 11

专家论坛工具的持续改革与创新提出了新的要求与挑战 4 在引进国外先进防砂技术的同时国内海洋石油人已经积累了非常丰富的经验部分工艺和工具已经实现了本土化为实现防砂工艺与工具的国产化储备了技术力量目前完全有条件研制出具有自主知识产权的防砂完井工具和工艺技术以推动防砂技术的进一步发展为海洋石油事业的飞跃发展做出新的贡献参考文献 [1] 海上油气田完井手册编委会.

6 专家论坛工具的持续改革与创新提出了新的要求与挑战 4 在引进国外先进防砂技术的同时国内海洋石油人已经积累了非常丰富的经验部分工艺和工具已经实现了本土化为实现防砂工艺与工具的国产化储备了技术力量目前完全有条件研制出具有自主知识产权的防砂完井工具和工艺技术以推动防砂技术的进一步发展为海洋石油事业的飞跃发展做出新的贡献参考文献 [1] 海上油气田完井手册编委会. 海特点通过与国际石油公司的技术合作和自主研发为深水油气田的开发利用做好准备 3.5 防砂完井工具国产化目前国际上先进的防砂技术和工具仍然被国外几家大公司垄断缺乏自主产权的防砂工具和相应的工艺技术已经成为制约我国海洋石油防砂技术发展的关键因此国内石油企业应该加强与冶金电子机械及军工企业的合作克服国产工具性能差质量低产品不配套等缺点发挥国内劳动成本低的特点在对现有防砂技术和工具掌握了解的基础上创新发展逐步实现各类工具的系列国产化打破国外垄断 4 结论与建议 1 防砂技术直接影响油气井的产量和开采效果同时还关系到油气井的寿命防砂工具不断创新及其配套工艺的成熟推动了防砂技术向更科学更经济的方向发展 2 经过几十年的发展我国海洋石油防砂技术经过不断地引进消化吸收自主创新已经由单一方式发展到适合各种油藏条件和井型的多种多样的防砂方式与工艺形成了一系列具有海上特色的防砂完井技术体系 3 随着海上油气田勘探开发的进一步深入地质油藏条件和井况将越来越复杂这就对防砂工艺与 12 石油科技论坛 2010 年第 5 期上油气田完井手册 [M]. 北京 : 石油工业出版社,1998. [2] 李克向. 实用完井工程 [M]. 北京 : 石油工业出版社,2002. [3] 万仁溥. 现代完井工程 [M]. 北京 : 石油工业出版社,2000. [4] 何生厚, 张琪. 油气井防砂理论及其应用 [M]. 北京 : 中国石化出版社,2003. [5] 杨立平. 海洋石油完井技术现状及发展趋势 [J]. 石油钻采工艺,2008,30(1):1-6. [6] 范白涛, 邓建明. 海上油田完井技术和理念 [J]. 石油钻采工艺, (3): [7] 张春阳, 杨进, 赵少伟. 渤海疏松砂岩储层完井方式优化研究 [J]. 石油天然气学报,2009,31(5): [8] 李斌, 黄焕阁, 邓建明, 等. 简易防砂完井技术在渤海稠油油田的应用 [J]. 石油钻采工艺,2007,29(3): [9] 姜伟. 浅谈海洋石油钻井完井机械及工具的国产化 [J]. 石油机械,2001,29(1):5-7. [10] 袁进平, 齐奉忠. 国内完井技术现状及研究方向建议 [J]. 钻采工艺,2007,30(3):3-7. [11] 邓旭. 长城钻探分支井钻完井四大核心技术 [J]. 石油科技论坛,2010,29(2):35-37 [12] 张庆辉, 等. 海上边际油田钻完井关键技术及其综合应用 [J]. 石油科技论坛,2010,29(3): 收稿日期

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