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完井作業(yè)是海上油氣田開發(fā)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的完井方式對油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益有決定性的影響。裸眼完井技術(shù)避免了射孔作業(yè)給儲層帶來的傷害，增大儲層段的泄油面積，提高單井產(chǎn)能，大幅度降低鉆完井作業(yè)成本。然而，裸眼井在生產(chǎn)過程中存在井眼失穩(wěn)、井壁垮塌等現(xiàn)象，影響分層開發(fā)效果，因而在海上油氣田智能井中應(yīng)用較少。

巴西超深水鹽下碳酸鹽巖油藏[1-2]巖石強(qiáng)度高，以測井?dāng)?shù)據(jù)反演巖石力學(xué)參數(shù)，采用理想彈塑性本構(gòu)方程，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判據(jù)，模擬裸眼井井壁在不同生產(chǎn)壓差下的塑性屈服區(qū)域大小，對裸眼完井的可行性進(jìn)行論證。同時，針對該區(qū)域的物性特征及開發(fā)要求，設(shè)計適用于該區(qū)塊的裸眼智能完井管柱。

1 油藏特征及其完井現(xiàn)狀

巴西鹽下油氣藏發(fā)現(xiàn)于2006年，主要分布在Campos盆地和Santos盆地[3]，距離里約熱內(nèi)盧海岸約290 km，水深在1 900～2 400 m，屬于超深水海域。儲層埋深約5 500 m；厚度約300 m；巖性以生物灰?guī)r、貝殼灰?guī)r為主，非均值性較強(qiáng)。油藏位于巨厚膏鹽層之下，部分區(qū)域巖層厚度達(dá)2 000 m；存在CO2，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)45%；H2S體積分?jǐn)?shù)15×10-6～100×10-6。油藏壓力在55.2～ 68.9 MPa(8 000～10 000 psi)，地層溫度90～100 ℃[4]。

巴西鹽下碳酸鹽巖油藏主要采用套管射孔智能完井[6]，分2～3個完井層位，采用直接液壓控制方式。以兩層智能井為例，首先采用射孔作業(yè)打開儲層，然后下入智能完井管柱。利用2個井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)實(shí)現(xiàn)2個層位的流量控制；3條液壓控制管線(2條打開管線和1條背壓管線)實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)的開啟和關(guān)閉。各層安裝井底溫度壓力計，用于監(jiān)測油管和環(huán)空的溫度、壓力。在節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)上游安裝工作筒，通過管線注入化學(xué)藥劑，避免或減少井底結(jié)垢、析蠟、瀝青質(zhì)沉淀等流動保障問題。各層之間采用穿越封隔器進(jìn)行封隔，實(shí)現(xiàn)分層開采。

該種完井方式作業(yè)時間長，2014年，單井平均完井工期67 d[7]，完井成本高。射孔作業(yè)對儲層傷害大，該區(qū)塊評價井DST測試(Drill Stem Test)射孔后表皮系數(shù)高達(dá)25。PLT(Production Logging Test)顯示，整個儲層段均有流體產(chǎn)出，存在較強(qiáng)的供液能力。為了降低完井費(fèi)用，提高單井產(chǎn)能，有必要對完井方式進(jìn)行優(yōu)化。

2 裸眼完井可行性分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度

儲層巖石力學(xué)及強(qiáng)度特性是井壁穩(wěn)定分析的重要依據(jù)。對于碳酸鹽巖，國內(nèi)外學(xué)者提出多個單軸強(qiáng)壓強(qiáng)度計算模型，如Militzer模型、Ghawar模型、Golubev模型、Rzhewski模型等[4-7]。通過細(xì)致分析各個參數(shù)，并進(jìn)行大量對比，建立適合巴西鹽下碳酸鹽巖儲層的巖石強(qiáng)度參數(shù)計算模型，以便真實(shí)反映地層特性[8]。

選擇最為接近實(shí)測數(shù)據(jù)的碳酸鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度計算公式[9]為：

σc=135.83·e-4.8 P

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa ；P為孔隙度，可以通過測井資料獲取。

計算得到巴西鹽下碳酸鹽巖儲層巖石單軸抗壓強(qiáng)度在45.96～130.62 MPa(如圖1所示)，生產(chǎn)過程中井壁失穩(wěn)風(fēng)險較小，有利于采用裸眼完井。

圖1 儲層巖石單軸抗壓強(qiáng)度

2.2 有限元軟件井壁穩(wěn)定性分析

利用有限元軟件ANSYS，模擬儲層在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)壓差的變化對井壁穩(wěn)定性的影響。

1) 模型建立。

采用理想彈塑性本構(gòu)方程，利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷巖石是否發(fā)生塑形屈服。ANSYS模型采用六面體實(shí)體單元對幾何模型進(jìn)行劃分，共獲得9 925個節(jié)點(diǎn)和9 300個單元，考慮到井眼的對稱性，取模型的1/4，如圖2。

2) 巖石力學(xué)參數(shù)。

利用測井資料反演巖石泊松比、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的公式[9]，對巴西鹽下多口井的測井資料反演得到碳酸鹽巖的巖石力學(xué)參數(shù)如表1。將這些參數(shù)輸入三維有限元軟件ANSYS建立的模型中，進(jìn)行生產(chǎn)過程中裸眼完井的井壁穩(wěn)定性分析。

圖2 有限元計算模型

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3) 不同生產(chǎn)壓差下的井壁穩(wěn)定性模擬分析。

巴西鹽下碳酸鹽巖油藏儲層厚度大，以直井開發(fā)為主。取生產(chǎn)壓差分別為5 、10、15、20 MPa，模擬井眼生產(chǎn)過程中的的井壁穩(wěn)定性，并利用軟件導(dǎo)出不同生產(chǎn)壓差下井壁塑性區(qū)分布圖(如圖3～4)。

圖3 生產(chǎn)壓差5～10 MPa下井壁塑性區(qū)分布

圖4 生產(chǎn)壓差15～20 MPa下井壁塑性區(qū)分布

井型生產(chǎn)壓差/MPa極限井眼擴(kuò)大率/%直井50直井100直井151.5直井204.4直井259.4

模擬結(jié)果表明，巴西鹽下碳酸鹽巖油藏儲層巖石在原地應(yīng)力作用下原巖的力學(xué)強(qiáng)度比較高，生產(chǎn)壓差低于10 MPa時，井壁巖石發(fā)生塑形屈服區(qū)域小。通過控制生產(chǎn)壓差，能避免裸眼井井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生，裸眼完井在該區(qū)域可行。

3 裸眼智能完井管柱設(shè)計

智能完井技術(shù)通過安裝在井下的、間隔分布于整個井筒中的井下溫度、壓力、流量等傳感器組對井下參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，收集井下數(shù)據(jù)，同時在地面對井下裝置，如井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)不同層位流體的流動控制。主要特點(diǎn)是在地面對井筒進(jìn)行遙測遙控，從而使測量更精確，油井管理更科學(xué)，優(yōu)化生產(chǎn)過程[10]。

智能完井工藝普遍用于套管射孔井當(dāng)中。少部分井采用裸眼完井+智能完井的方案，然而，對儲層的分層/分段多在套管段完成，即把層間隔離封隔器坐封在套管內(nèi)，通過外罩型ICV[11]或其它改進(jìn)的方式，實(shí)現(xiàn)對不同層位的控制。把封隔器坐封于裸眼段，對儲層進(jìn)行分層/分段的智能完井案例較少。

針對巴西鹽下碳酸鹽巖設(shè)計裸眼智能完井管柱，采用如下原則：

1) 井下安全閥。

在油管上增設(shè)地面控制井下安全閥，以應(yīng)對海上生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生火災(zāi)、斷電等非正常情況。在遇到地震、冰情、強(qiáng)風(fēng)等不可抗拒力而需要關(guān)井時，通過控制系統(tǒng)，人為關(guān)閉井下安全閥。且當(dāng)控制管線破裂、控制系統(tǒng)斷電等情況時，安全閥可自動關(guān)閉，從而關(guān)斷井中流體。

2) 直接液壓控制的智能完井系統(tǒng)。

相對于電控智能完井，直接液壓控制系統(tǒng)存在控制管線多，井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)反應(yīng)速度慢，需要地面控制柜等缺點(diǎn)。但是，該技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最多。文獻(xiàn)[13]統(tǒng)計800多口智能井，其中超過95%的井采用了直接液壓控制方式。

由圖6可知，支架的最大位移為8.27 mm，出現(xiàn)在頂梁的中間部分，但最大位移與頂梁整體長度5 300 mm相比，變形量幾乎可以忽略，伸縮梁的最大位移也較大，約為6 mm；支架的最大應(yīng)力為737.84 MPa，出現(xiàn)在護(hù)幫千斤頂與護(hù)幫板的連接處，同時護(hù)幫千斤頂與伸縮梁的連接處應(yīng)力也較大，約為458 MPa，兩者沒有超過材料的屈服強(qiáng)度(890 MPa)。故支架比較脆弱的部分為頂梁、伸縮梁(位移較大)和護(hù)幫千斤頂與護(hù)幫板、伸縮梁連接的部分(應(yīng)力較大)。由有限元分析的結(jié)果可知，支架整體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均能滿足旗山礦的煤田地質(zhì)條件，該支架能夠完成綜掘巷道支護(hù)任務(wù)。

巴西鹽下碳酸鹽巖油藏離岸距離較遠(yuǎn)，海水深度較大，修井作業(yè)費(fèi)用昂貴。直接液壓控制智能完井系統(tǒng)符合安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的要求，能夠滿足生產(chǎn)需要。

3) 分層開采。

在裸眼段下入襯管+打孔管，在襯管+打孔管上連接管外封隔器，把管外封隔器坐封在隔夾層段，實(shí)現(xiàn)對儲層段的分層。巴西鹽下碳酸鹽巖儲層強(qiáng)度較高，井壁穩(wěn)定性好，可以滿足管外封隔器坐封的要求。

襯管+打孔管連接密封筒，配合油管攜帶的插入密封實(shí)現(xiàn)油井的分層開采。

4) 井底溫度壓力監(jiān)測。

安裝井底永久式溫度壓力計(Permanent Downhole Temperature and Pressure Gauge PDG)，實(shí)現(xiàn)對油套環(huán)空以及油管內(nèi)部的溫度、壓力監(jiān)控，以更加直觀的了解各個層位的生產(chǎn)狀況。

每個層位安裝1個永久式溫度壓力計，所有井底溫度壓力計使用一根電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

5) 化學(xué)藥劑注入閥。

碳酸鹽巖儲層，井下結(jié)垢風(fēng)險較大，后期儲層見水易出現(xiàn)CaCO3和BaSO4等無機(jī)垢沉淀，從而影響井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)的開關(guān)。在完井管柱上安裝注入閥，注入化學(xué)藥劑以抑制無機(jī)垢的生成。

在該區(qū)塊的智能井，設(shè)計對每層安裝了1個化學(xué)藥劑注入閥，針對每層注入化學(xué)藥劑。

裸眼智能完井管柱如圖5所示。

圖5 裸眼智能完井管柱示意

上部完井管柱攜帶2個節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)實(shí)現(xiàn)上下2個層段的分層控制。上部層位流體通過襯管上的滑套，流入油套環(huán)空，然后流經(jīng)1# ICV進(jìn)入油管內(nèi)部；下部層位流體通過打孔管直接進(jìn)入油管，流經(jīng)2# ICV進(jìn)入上部油管。最終，上下兩層的流體在上部油管匯合，流至井口。

兩個化學(xué)藥劑注入閥1# CIV(Chemical Injection Valve)和2# CIV(Chemical Injection Valve)分別位于1# ICV和2# ICV的上游，其中1# CIV向油套環(huán)空注入化學(xué)藥劑，注入的化學(xué)藥劑隨著流體流經(jīng)1# ICV；2# CIV向油套內(nèi)部注入化學(xué)藥劑，注入的化學(xué)藥劑直接流經(jīng)2# ICV。注入的化學(xué)藥劑降低無機(jī)垢在ICV處形成的風(fēng)險。

兩個永久式井底溫度壓力計1# PDG和2# PDG分別位于1# ICV和2# ICV的下游，用于監(jiān)測上部層位流體和下部層位流體流入油管的溫度和壓力。

4 經(jīng)濟(jì)效益

相對于套管射孔智能井方案，裸眼智能完井技術(shù)增加了下入襯管+打孔管的作業(yè)時間，但是減少了尾管下入、尾管固井，以及射孔和射孔后刮管洗井的時間。

巴西鹽下碳酸鹽巖油藏平均井深5 640 m，儲層厚度約320 m。估算兩種智能井方案的鉆完井作業(yè)工序，同時對作業(yè)時間進(jìn)行對比。

以最后一開鉆井作業(yè)結(jié)束為起點(diǎn)，對比兩種智能完井方案的作業(yè)時間，結(jié)果表明，裸眼智能井方案比套管射孔智能井方案，單井時間減少7.5 d，單井節(jié)約鉆完井費(fèi)用約800萬美元。

5 結(jié)論

1) 巴西鹽下碳酸鹽巖油藏儲層巖石的力學(xué)強(qiáng)度較高，井徑曲線規(guī)則；數(shù)值模擬表明，在生產(chǎn)壓差15 MPa時，極限井眼擴(kuò)大率為1.5%，發(fā)生塑形屈服區(qū)域小，井壁穩(wěn)定性好。通過控制生產(chǎn)壓差，能避免裸眼井井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生，裸眼完井在該區(qū)域可行。

2) 采用裸眼智能完井技術(shù)，通過裸眼段的襯管+打孔管，同管外封隔器、油管插入密封配合，實(shí)現(xiàn)對油層的分層開采；液壓控制井下節(jié)流閥(ICV-Interval Control Valve)、井下安全閥、井底永久式溫度壓力井(PDG- Permanent Downhole Temperature and Pressure Gauge)、化學(xué)藥劑注入閥等工具共同作用，實(shí)現(xiàn)油井安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)。

3) 在巴西鹽下碳酸鹽巖實(shí)施裸眼智能完井工藝，增大了油層泄流面積，避免了射孔作業(yè)對儲層的傷害，并節(jié)約了作業(yè)時間。相對于套管射孔智能完井，單井節(jié)約鉆完井工期約7.5 d，節(jié)約鉆完井費(fèi)用800萬美元，能較大幅度的降低鉆完井作業(yè)成本。