1、 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023基金项目:中国石油集团(股份)重大工程技术现场试验项目“水平井找堵水技术试验”(编号:2019F-28)。作者简介:李大建(1979-),硕士,高级工程师,2006 年毕业于中国地质大学(北京)构造地质学专业,从事水平井采油工艺研发试验工作。地址:(710018)陕西西安未央区明光路凤城三路,电话:13363971601,E-mail:ldj_cq 开采工艺低产液量水平井快速找水技术研究与试验李大建1,2,陆红军1,2,郑 刚1,2,马斯骏3,茹 琦3,黄 伟4,杨啟桂41 中国石油
2、长庆油田分公司油气工艺研究院 2 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室3 中国石油玉门油田分公司老君庙采油厂 4 中国石油长庆油田分公司第四采油厂摘 要:找水控水是水平井见水后的开发政策调整、综合治理的重要手段。低渗透油田注水开发水平井单井液量低、水平井段长、改造段数多,常规生产测井找水受井筒低流量限制无法适应,现有封隔器分段生产找水技术作业效率低、周期长,无法满足现场快速制定调控措施的需求。为了实现低渗透油田见水水平井精细找水目的,采用技术集成思路,提出了连续油管起下钻作业、井筒电潜泵排液增大流量、拖动 MAPS 测井仪对产层段连续监测为核心的快速找水新方法,设计了内穿复合电缆连续油管+电潜泵
3、+MAPS 测井仪的快速找水工艺管柱,研制了配套的复合电缆、撬装滚筒、高压滑环、穿越接头、测井仪器连接接头等工具和装置,系统具备了电潜泵供电和数据传输功能,形成了低渗透油田水平井快速找水技术。在对工艺系统运行安全性评价的基础上,开展了现场先导试验 2 口井,实现找水周期由 25 d 缩短至1 d,为低产液量水平井高效找水开拓了新的技术途径。关键词:水平井;找水测试;连续油管;电潜泵;产液剖面;低产液量DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.12引用格式:李大建,陆红军,郑刚,等.低产液量水平井快速找水技术研究与试验J.钻采工艺,2023,46(3):72-77
4、LI Dajian,LU Hongjun,ZHENG Gang,et al.Research and Experiment on Rapid Diagnosis of Excessive Water Production for Low Production Horizontal WellsJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):72-77Research and Experiment on Rapid Diagnosis of Excessive Water Productionfor Low Production Horizontal
5、 WellsLI Dajian1,2,LU Hongjun1,2,ZHENG Gang1,2,MA Sijun3,RU Qi3,HUANG Wei4,YANG Qigui41.Oil&Gas Technology Research Institute,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xian,Shaanxi 710018,China;2.Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development of the National Engineering Laboratory,Xian,S
6、haanxi 710018,China;3.Laojunmiao Oil Production Plant of PetroChina Yumen Oilfield Company,Jiuquan,Gansu 735200,China;4.No.4 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company,Yinchuan,Ningxia 750000,ChinaAbstract:Diagnosis and control of excessive water production is an important means o
7、f adjusting development process and comprehensive management after water breakthrough in horizontal wells.Water injection develop-ment in low-permeability oilfield involves low single-well production,long horizontal sections and multiple frac-turing segments conventional diagnosis of excessive water
8、 production is limited by low wellbore flow and cannot adapt.The existing segmental diagnostic technology of excessive water production by packers has low efficiency and long cycle,which cannot meet on-site production needs.In order to achieve the goal of precise diagnosis in horizontal wells with w
9、ater breakthrough in low-permeability oil fields,based on technical research and demon-stration,a new rapid method with the core of coiled tubing tripping operation,wellbore electric submersible pump discharge to increase flow rate,and dragging MAPS logging tool for continuous detection of productio
10、n in-tervals is proposed by using a technology integration approach.A rapid water exploration process string with an inner composite cable coiled tubing,electric submersible pump,and MAPS logging tool is designed,the support-ing tools and devices such as composite cables,skid-mounted drums,high-volt
11、age slip rings,crossing joints,and 27第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY logging tool connection joints are developed.The system has the functions of electric submersible pump power supply and data transmission.On the basis of evaluating the operational safety of the process
12、 system,two on-site pilot tests are conducted to shorten the diagnostic cycle from 25 days to 1 day,forming a rapid diagnostic technol-ogy of excessive water production for horizontal wells in low-permeability oil fields,and finding a new way to ef-ficient diagnosis of excessive water production in
13、low production horizontal wells.Key words:horizontal well;diagnosis of excessive water production;coiled tubing;electric submersible pump;fluid production profile;low liquid production0 引言低渗透油田水平井主要采用注水方式开发,同时受储层裂缝、高渗通道等因素影响,见水现象普遍,见水井数占比不断增大,已严重影响水平井开发效益。长庆油田为例,目前水平井开井 3 700 余口,其中 895口井平均含水率大于 80%,
14、248 口井因水淹而关井,年损失产能几十万吨,严重制约了开发效果。围绕见水水平井有效治理的目标,国内外油田持续开展了水平井产液剖面、测井为主的找水技术攻关试验1-10,以期建立一整套有效的找水技术,指导水平井针对性开展控水措施,最大程度减少产能损失,发挥水平井开发效益。针对低产液量水平井找水测试,常规测井方法受到低液量影响,井下测井仪器响应信号弱,测试结果误差大;机械封隔器分段生产测试方法虽然能够在一定程度上解决出水位置判识的问题,但存在找水效率低、周期长的问题,无法满足现场规模应用需求11-13。为了探索水平井高效快速找水技术,支撑控水措施,在综合调研国内外油田水平井找水技术的基础上,尤其是
15、借鉴白田增14、徐昊洋15、姜广彬16等开展水平井连续油管产液剖面测试找水技术的攻关研究思路,通过现有技术集成、融合,提出了连续油管+电潜泵+测井仪为核心的低产液量水平井快速找水工艺方法,研发了与该工艺相配套的装置和工具,现场 2口试验井表明,达到了工艺技术设计目标,验证了技术可行性,为水平井找水技术提供了借鉴。1 水平井找水技术现状目前针对水平井产液剖面测试,相对成熟的工艺技术是爬行器+多相阵列测井仪(MPAS)、爬行器+流体扫描成像测井仪(FSI)监测技术。通过爬行器作为仪器输送工具,将测井仪器输送至水平井段,依据阵列式涡轮流量计、持水率计和光电传感器探头,在管柱上提、下放过程中完成产层段
16、产出特征的监测。该系统存在以下限制:受到涡轮流量计启动流量限制(要求井筒流量大于 50 m3/d),在低产液量水平井上不适应或测不准;对机采井测试,测井仪器串需要提前预置到井底,在管杆泵生产的同时开展井下监测;受到油套环空尺寸的限制,爬行器供电电缆易缠绕遇阻,而导致测试失败;爬行器在水平井段爬行过程中,对井筒状况要求较高,极易在井筒内发生砂卡、蜡垢卡,或测井仪器被油泥杂质卡堵导致测试失败;目前爬行器在水平井段的爬行距离受到限制,一般适应水平段 1 500 m 以内的井。针对低产液量水平井找水,长庆油田自主研发了封隔器分段生产找水技术11-12,有效解决了常规测井找水技术无法适应低产液量井的难题
17、,但与此同时,该找水系统在实施过程中存在作业效率低(7 8 d/段)、监测周期长等不足,无法规模化应用以满足现场快速制定调控措施的需求。2 水平井快速找水工艺设计为了从根本上解决现有低产液量水平井找水测试效率低、常规产液剖面测试适应性差的问题,实现快速高效准确找水测试,通过技术集成创新融合,设计了基于连续油管作业、电潜泵举升、测井仪监测为核心、多项配套技术协调融合的水平井快速找水工艺系统(图 1)。通过连续油管作业,上提下放工艺管柱完成找水测试,相对常规普通油管作业,测试效率显著提升;同时,近年来随着连续油管作业技术的日趋成熟,实现了长水平井段(大于 1 500 m)连续油管作业,提高了技术适
18、应性。通过优选配套小直径宽幅电潜泵举升,提升井筒液流速度,满足了常规 MPAS、FSI 等测井仪器对井筒排量的要求。基于“连续油管+电潜泵”作业的快速找水方法,还可以结合现有成熟的、不同类型测井仪器对水平井段的产出特征进行监测,进一步拓宽了找水技术手段。3 工艺系统研发与配套水平井快速找水工艺系统主要包括电潜泵系统、37 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023连续油管系统、测井仪器系统。图 1 水平井快速找水工艺示意图3.1 电潜泵系统结合低渗透油田开发水平井平均动液面情况(1 2001 500 m),设计电潜泵扬程 1
19、6001 800 m。考虑现有水平井产液剖面测井仪器启动流量门限范围宽,选配多级电潜泵作为井筒举升装置,单级离心泵排量范围 2080 m3/d 可调。根据水平井实际动液面、水平井段井眼轨迹情况,优化电潜泵级数组合、电机运行频率,满足不同类型测井仪器对井筒排量最低界限要求。电机运行频率调整范围 5070 Hz,当油井动液面比较高的时候,单机离心泵的排量范围即可满足监测需求。为提高电潜泵机组系统在水平井井筒通过性能,选配国内外最小外径电潜泵机组(图2a),多级离心泵外径 85 mm、潜油电机外径 95 mm、额定功率 46.3 kW、额定交流电压 875 V。集成电潜泵控制、变压、变频、防爆系统,
20、设计加工了地面撬装式控制柜(图 2b),提升装置现场作业可操作性及技术适应性。图 2 电潜泵系统3.2 连续油管的内穿承载电缆系统依据电潜泵功率、额定电压以及电缆电压压损、承载能力要求,研发了外径 25.3 mm、5 芯(3 根动力电源线、2 根信号传输线)承载铠装复合电缆,电缆抗拉 12 t,满足垂直井深 2 000 m 水平井找水测试作业电缆悬挂承载要求。综合考虑复合电缆外径、井筒排量 50 80 m3/d技术要求,配套了长度 3 700 m、60 mm 型号连续油管,采用连续油管加工预置方式完成承载电缆内穿。内穿铠装复合电缆连续油管总吨位达到 39 t,为了提高现场作业可操作性,加工了专
21、用连续油管撬装滚筒(图 3a),通过改进滚筒马达+减速器+链条传动结构,实现了撬装滚筒能够独立运行,便于现场吊装运输。连续油管撬装滚筒导电滑环是整个系统供电、监测数据传输的关键环节,现有导电滑环主要是低电压、直流供电,无法满足快速找水工艺系统要求。通过系统地面供电电压计算分析,结合撬装滚动结构,研发设计了超高交流电压导电滑环(图 3b),最高承压 AC1 200 V、电流 50 A,防爆等级 Exd IIB T4,国内资质部门对其安全性评价认证为合格。图 3 连续油管系统3.3 连续油管与电潜泵系统兼容连续油管内穿承载电缆与电潜泵系统的连接、运行主要存在以下难点:大尺寸承载电缆的井下穿越及密封
22、;承载电缆与电潜泵小扁电缆连接接头的密封与缩径设计;电潜泵正常运行对连续油管起下钻速度的约束匹配。综合工艺管柱的安全性、通过性、协调性原则,设计优化了管柱组合结构(图 4),逐项解决上述问题。研发具备了安全机械丢手功能专用大尺寸承载电缆的穿越短接,通过多道密封胶圈结构,保障了电缆47第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 穿越密封性;在电缆穿越短接下端设置 60 mm 偏置短接,引出电潜泵小扁电缆与穿越承载电缆在偏置短接处进行连接,电缆连接处采用 9 道密封绝缘处理,确保密封性,并利用 60 mm 偏置短接较小外
23、径,弥补电缆连接接头外径增大的不足;研发了旋转接头,利用其可旋转性能便于电泵系统丝扣安装作业过程中,保障电泵小扁电缆与连续油管外穿电缆对中;连续油管起下钻速度主要依据电潜泵开泵条件下运移速度界限设置,超过界限后电潜泵损坏几率增大,同时也需要考虑井眼轨迹情况,起下钻作业平稳,防止遇卡。1.连续油管;2.卡瓦连接器;3.电缆固定器;4.机械丢手;5.电缆穿越短接;6.偏置短接;7.旋转短接;8.电潜泵上接头。图 4 连续油管+电潜泵系统兼容系统结构示意图3.4 测井仪器选配与监测方式优化在国内外油井产液剖面测试技术调研分析基础上,选配多参数 MPAS 测井仪(图 5),在拖动连续油管测井工具串起钻
24、、下钻作业过程中,同步监测水平井段含水、流量、压力、温度等参数,解释分析水平井段产液剖面,快速分析判识出水层段。图 5 MAPS 测井仪器采用阵列涡轮流量计与机械体流量计相结合方式,拓展了 MPAS 测井仪对监测流量门限,流量监测范围15 m3/d、持水率监测范围 0100%。同时在地面选配高精度三相流量计(流量误差15%,含水 0100%、含水误差10%)(图 6),通过井下、地面流量、含水同步监测,提高产液剖面测试解释的准确性。3.5 工艺管柱结构及现场操作要求工艺管柱结构:60 mm 连续油管+卡瓦连接器+电缆固定器+安全丢手+电缆穿越短节+变扣短节+加长短节+旋转接头+电潜泵+分离器+
25、保护器+潜油电机+温压传感器+MAPS 测井仪。该管柱总长度 34.69 m,工具串最大外径 108 mm(位于电机小扁电缆与连续油管内穿电缆连接部位),潜油电泵机组最大外径95 mm,测井仪最大外径 43 mm。图 6 三相流量计工艺管柱入井前,首先地面电潜泵撬装控制柜连接电网,连续油管内穿复合电缆由撬装滚筒密封接头引出连续油管,连续油管端与地面排液管线连接,复合电缆与导电滑环连接并引出供电电缆、信号缆分别与电潜泵控制柜、测井仪地面监测装置连接,完成地面系统准备。连续油管下端在穿越接头处引出复合缆,在变径短接处与电潜泵小扁电缆、MAPS 测井仪器信号线连接,并通过旋转接头与电潜泵系统连接。电
26、潜泵系统下端通过丝扣与测井仪连接,形成整个找水工艺管柱。地面控制连续油管测试工艺管柱入井,根据实际井眼轨迹,确定直井段、水平井段下钻速度,防止遇卡。当测井仪器下入产层段位置后,地面供电起泵运行,在一定排量条件下,待油套环空动液面稳定时,通过连续油管拖动测井仪器串对水平井产层段进行连续测试,监测水平井段各产层段的产出情况。测试过程中,电潜泵开泵条件下运移速度存在一定界限(15 m/min),主要通过控制连续油管速度,匹配电潜泵运移速度以及测井仪器产层段连续监测时所需要移动速度,同时兼顾井眼轨迹状况对起下钻速度要求,确保测试过程平稳受控。3.6 管柱通过性分析为了进一步验证连续油管快速找水工艺技术
27、可行性,结合实际井眼轨迹,运用 CERBERUS 软件开展了工艺管柱在井筒内的通过性分析,结果显示连续油管在下钻、起钻过程中没有发生连续油管自锁,连续油管屈服强度、折弯强度、注入头注入力均无超限现象,表明整个工艺管柱能够顺利下入人工井底。4 现场试验2021 年 8 月,开展了 2 口井连续油管电潜泵复合57 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023快速找水技术现场试验,获得了试验成功,以 LP 井为例进行分析。LP 井采用 139.7 mm 套管完井,人工井底 2 339 m,多段压裂改造 8 段;平均日产液量 15.6
28、m3,含水97%,动液面 93 m。现场试验过程、工艺管柱起下钻顺利,完成全井段 8 个喷点监测,累计开展 7 趟测试。管柱速度 420 m/h 条件下,上提管柱连测曲线 U1、下放管柱连测曲线 D1、下放管柱连测曲线 D2。管柱速度 600 m/h 条件下,上提管柱连测曲线 U2、下放管柱连测曲线 D3。管柱速度 900 m/h 条件下,上提管柱连测曲线 U3、下放管柱连测曲线 D4。LP 井产液剖面测试解释图 7 可以看出,测井温度、压力和伽马曲线一致性好。该井喷点 2、喷 3、喷点 4、喷点 5、喷点 6 位置温度监测曲线变化幅度明显,表明对应位置产层段有产出特征,其中喷点 3、喷点 4
29、 位置产层段产出最多。根据阵列持率、涡轮流量计监测曲线,对水平井段产液剖面进行了分析。通过调节电机运行频率,电潜泵增大排量后,短时间内(监测周期为 12 h),井筒最高流量达到 109.98 m3/d,平均流量 79 m3/d,其中第 3、第 4 喷点为主产层,产液量分别为 25.31 m3/d、37.85 m3/d,分别占总液量 23.01%、34.41%。油水两相监测看,产层段主要产水,只有第 3 喷点、第4 喷点附近见到少量的油花(图 7),测试结果与井口产出情况基本一致。现场试验表明:连续油管电潜泵复合快速找水工艺技术通过调整电潜泵转速增大井筒排量,满足了低液量水平井高效找水测试要求;
30、利用 MAPS 测井仪对水平井段多趟次测试,依据阵列涡轮流量、持率监测曲线,实现了出水层段的定量判识。图 7 LP 井产液剖面解释图示5 结论(1)低产液量水平井快速找水工艺系统难点主要体现在井筒低流量条件下,无法满足现有生产测井仪器对流量门限的要求,封隔器分段生产找水技术能够实现低产液量水平井找水,但尚存在测试效率低、周期长的技术不足。(2)通过现有技术集成,设计了低产液量水平井连续油管+电潜泵+测井仪快速找水测试工艺管柱,在工艺系统合理性、工艺管柱井筒通过性综合分析基础上,研发配套工艺系统相适应的关键工具、装备,实现了技术从工艺方案到现场作业落地。(3)现场先导试验 2 口井取得成功,实现
31、了 1 d测试 1 口井技术目标,初步形成低渗透油田水平井快速找水技术,探索了一条低产液量水平井的高效找水新途径。参 考 文 献1聂飞朋,石琼,郭林园,等.水平井找水技术现状及发展趋势J.油气井测试,2011,20(3):32-34.NIE Feipeng,SHI Qiong,GUO Linyuan,et al.Present sit-uation and development trend of water detection tech in hori-zontal wellJ.Well Testing,2011,20(3):32-34.2王百,常莉静,罗有刚,等.水平井井下取样找水技术J.
32、石油钻采工艺,2014,36(5):131-133.WANG Bai,CHANG Lijing,LUO Yougang,et al.Technol-67第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY ogy for water exploration by sampling in horizontal wellsJ.Oil Drilling&Production Technology,2014,36(5):131-133.3宋秋菊,金友春,刘印堂,等.水平井水力输送法找水生产测井技术J.测井技术,2009,33(1):7
33、2-74.SONG Qiuju,JIN Youchun,LIU Yintang,et al.Production logging of water location prospecting by hydraulic transmis-sion in horizontal wellJ.Well Logging Technology,2009,33(1):72-74.4吕亿明,王百,黄伟,等.水平井找水测试一体化工艺技术J.石油矿场机械,2011,40(2):93-95.LV Yiming,WANG Bai,HUANG Wei,et al.Integration technology of wat
34、er detection and testing for horizontal wellJ.Oil Field Equipment,2011,40(2):93-95.5于永生,廖汉明,齐行涛,等.水平井油管传输标记物分段找水技术 J.石油钻探技术,2019,47(2):105-108.YU Yongsheng,LIAO Hanming,QI Xingtao,et al.Seg-mented water location technology via conveyed tubing marker for horizontal wells J.Petroleum Drilling Techniqu
35、es,2019,47(2):105-108.6唐磊,杜殿发,张根凯,等.基于井筒温度剖面的热采水平井找水方法J.油气地质与采收率,2021,28(3):90-95.TANG Lei,DU Dianfa,ZHANG Genkai,et al.Research on water detection method for thermal recovery horizontal well based on wellbore temperature profileJ.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2021,28(3):90-95.7赵彬彬,付悦,白晓
36、弘,等.连续管速度管柱带压起管工艺的改进与应用J.钻采工艺,2021,44(3):64-66.ZHAO Binbin,FU Yue,BAI Xiaohong,et al.Improvement and application of tripping under pressure for coiled tubing velocity string J.Drilling&Production Technology,2021,44(3):64-66.8李湘涛,秦羽乔,陈四平,等.水平井测井仪器输送技术及其应用J.石油机械,2014,42(8):98-102.LI Xiangtao,QIN Yuqia
37、o,CHEN Siping,et al.The horizon-tal well logging instrument conveying technology and its ap-plicationsJ.China Petroleum Machinery,2014,42(8):98-102.9朴玉琴.水平井产液剖面测井技术及应用J.大庆石油地质与开发,2011,30(4):158-162.PIAO Yuqin.Development and application of 3D three-phase non-linear flow numerical simulator for ultra
38、-low-per-meability oil reservoirJ.Petroleum Geology&Oilfield Development in Daqing,2011,30(4):158-162.10 胡金海,黄春辉,刘兴斌,等.国内产液剖面测井技术面临的挑战与取得的新进展J.石油管材与仪器,2015,1(6):10-15.HU Jinhai,HUANG Chunhui,LIU Xingbin,et al.Challen-ges and progresses on domestic production profile well log-ging technology J.Petrol
39、eum Tubular Goods&Instru-ments,2015,1(6):10-15.11 曹学军,傅伟,李小波,等.威荣深层页岩气连续油管高压扫塞通井技术J.钻采工艺,2022,45(5):80-84.CAO Xuejun,FU Wei,LI Xiaobo,et al.Plug Mill and Drift Technology in High Pressure with Coiled Tubing for Weirong Deep Shale Gas J.Drilling&Production Technology,2022,45(5):80-84.12 崔文昊,高榕,陈柯,等.低
40、渗透油田水平井快速找水技术研究与应用J.长江大学学报(自科版),2015,12(5):76-78.CUI Wenhao,GAO Rong,CHEN Ke,et al.Research of fast water detection technology in horizontal wells of low per-meability oilfields and its applicationJ.Journal of Yangtze University(Natural Science Edition),2015,12(5):76-78.13 李大建,朱洪征,马国伟,等.水平井找水技术现状与快速
41、找水方法探讨J.石油地质与工程,2021,35(1):109-112.LI Dajian,ZHU Hongzheng,MA Guowei,et al.Present situation of water detection technology by horizontal wells and discussion on rapid water detection methodJ.Petrole-um Geology&Engineering,2021,35(1):109-112.14 白田增,吴德,武宗刚,等.连续油管水平段测井找水技术研究应用J.油气井测试,2016,25(5):41-42.B
42、AI Tianzeng,WU De,WU Zonggang,et al.Research and application of tracing water technology at horizontal section with coiled tubingJ.Well Testing,2016,25(5):41-42.15 徐昊洋,王燕声,牛润海,等.水平井连续油管输送存储式产液剖面测试技术应用J.油气井测试,2014,23(3):46-48.XU Haoyang,WANG Yansheng,NIU Runhai,et al.Appli-cation of memory fluid prod
43、uction profile testing technology conveyed by coiled tubing to horizontal wellJ.Well Tes-ting,2014,23(3):46-48.16 姜广彬,张瑞霞,张化强,等.水平井射流举升连续油管产出剖面测试工艺技术研究与应用J.钻采工艺,2021,44(3):37-41.JIANG Guangbin,ZHANG Ruixia,ZHANG Huaqiang,et al.Study and application for production profile testing tech-mology by jet lifting and coiled tubing in horizontal wellJ.Drilling&Production Technology,2021,44(3):37-41.(修改回稿日期 2023-04-21 编辑 温馨)77
