稠油热采固井技术实现新突破——新型抗高温水泥体系辽河油田应用成功

（通讯员黄盛）在稠油热采井开发过程中,注入地层的蒸汽温度可达300℃-350℃,传统G级水泥在高温条件下的强度衰退一直是困扰稠油热采井生产的一大难题。此外。即便采用G级加砂体系,加砂水泥石在几个热采周期后强度仍然会出现衰退,水泥石变得极为疏松,导致水泥环产生破坏,层间封隔失效,引起套管损坏。     

稠油热采井注汽及油层出砂对套管的影响

对胜利油田单二区块稠油热采井注汽及油层出砂进行了有限元数值模拟研究,得出如下结论:(1)油层注汽引起岩层温度升高,套管应力增加,易造成套管轴线偏离,发生错断;(2)热采井出砂严重时,出砂区域地层软化,地层骨架失去承载能力,出砂区域内套管轴向应力为压应力,当超过极限应力时,易发生套管弯曲变形、错断和缩径;(3)随着出砂量的增大,套管射孔孔眼应力集中系数增大,当孔边应力达到套管材料的屈服极限时,会导致孔眼塑性破坏。     

注天然气采油对深层稠油油藏出砂影响实验研究

吐哈LKQ深层稠油油藏埋藏深,常规热采难以取得较好效果,注天然气吞吐采油可以有效降低地层原油黏度,补充地层能量,从而提高单井产量。由于储层胶结较弱,易出砂,天然气注入改变了近井地带流体特性和压力分布,通过理论分析与实验证实,天然气注入将会加剧砂岩剪切与拉伸破坏,降低临界出砂压力,加剧地层出砂,需要及早研究防砂应对措施。     

复杂条件下疏松砂岩油藏动态出砂预测研究

静态出砂预测没有考虑地层压力、含水饱和度和地层温度等变化对出砂临界条件的影响,导致开发过程中出砂预测结果与实际偏差较大。为了研究动态因素对出砂条件的影响规律,根据试验结果拟合岩石强度含水饱和度的变化规律,含水饱和度由0.15变为0.50时,储层岩石强度下降幅度可达60%左右;考虑地层压力下降对近井地应力的影响,以及温度变化导致的储层热应力改变,建立了稠油热采储层动态出砂临界条件的预测方法。渤海油田注多元热流体油井数据分析表明,储层出砂临界压差随着地层压力下降和温度升高以类似于指数式规律降低,在早期变化较快,然后下降速度逐步变缓;出砂临界压差随含水饱和度和含水率的升高以接近线性的规律降低。研究表明,注热开采稠油油藏出砂风险最大的时期为注热—焖井—生产的转换阶段,即转生产的初期,此时应逐步缓慢提高产量到正常产量。      

稠油开采双管拌热传热过程研究

为了进一步了解采用双管拌热技术开采稠油油藏时的井筒温度分布情况,利用井筒热传导机理研究了主管内流体温度和压力的变化情况。双管拌热技术开采过程是先通过主油管向油层注入大量蒸汽,随后焖井数天,使蒸汽和地层充分进行热交换;然后,在副管拌热条件下由主管采出。对采出过程建立了双管拌热中温度场的数学模型,并对国内某油田提供的实验井数据进行了数值模拟和分析。     

多孔隙金属筛管热采防砂性能评价试验研究

多孔隙金属筛管主体挡砂层采用抗高温、耐腐蚀性能优良的金属研制而成，因其特殊的三维立体孔隙结构，筛管具有较强的通透性和过流能力，目前在常规冷采开发油气田适用性良好。为进一步评价筛管在稠油热采条件下的适应性，开展了多轮次蒸汽吞吐防砂模拟试验，模拟筛管在经过多轮次蒸汽吞吐过程中的防砂效果变化情况，分析在多轮次注采过程中筛管内外的压力、温度、出砂量和出砂粒径的变化规律。试验结果表明，经过16个轮次的高温蒸汽吞吐(蒸汽温度350℃、注入压力17 MPa)试验，筛管出砂质量分数在1.86×10^-7%～6.63×10^-6%之间，出砂粒径中值略小于筛管挡砂精度，渗透率保持能力在85.7%左右，筛管整体过流能力和抗堵塞性能保持率良好。试验结果充分证明了筛管在稠油热采油藏开发方面具有良好的防砂效果和过流性能，可为稠油热采工况下油气田防砂完井提供技术参考。     

射孔完井高压气层出砂三维预测方法

针对射孔完井高压气层地层出砂问题,根据有效应力定律,建立了三维应力场弹塑性地层出砂模型,并运用弹塑性有限元方法进行求解。根据编制的计算程序,研究了射孔井筒附近应力、有效塑性应变的分布规律。研究发现,最大有效塑性应变位置是在射孔起始部位的上下端,因而是最容易出砂的位置;同时,地层压力越高、临界生产压力越低,就越不易出砂。临界生产压差是由岩石性质、流体性质、地应力、地层压力等条件综合确定的。尽量维持较高且稳定的地层压力和采用合理的油井生产制度,可以减少出砂量。模型适用于不同地应力条件、不同几何参数与射孔方案、不同岩石和流体参数等条件下射孔完井的气层出砂预测。     

热采水平井近井地应力分布及影响因素分析

水平井近井地应力分布规律是疏松砂岩热采水平井井壁稳定性分析、出砂预测的基本条件。综合考虑原始地层主应力、注汽温度效应、井壁渗透性及注入压力、井下管柱外挤等多种因素,建立了热采水平井近井地应力预测的基本模型。模拟计算表明,井周角和井底流压变化对近井地层轴向应力的影响较小。随着水平井井眼与原始最大水平主应力方向的夹角增大,轴向应力减小。在r10rw范围内,井底流压对地层周向应力和径向应力的影响较大,随着井底流压的上升,径向应力增大,周向应力减小;r5rw范围内温度对地层应力的影响剧烈,超过该半径范围后温度对水平井近井地应力的敏感性减弱。模型预测结果大于常规模型的预测结果,能从应力角度说明热采水平井井壁稳定性变差、出砂加剧的根本原因,研究成果对指导热采水平井井壁稳定性分析、制定合理的工作制度有重要意义。     

稠油热采井套管保护技术研究

针对蒸汽吞吐时发生汽窜、地层出砂及水泥环破裂掏空的情况，利用ANYSIS有限元分析的数值模拟，对井筒热应力和热膨胀进行了分析。注蒸汽井间发生汽窜时，易诱发地层出砂，最大热应力都发生在套管内壁，且超过了N80套管的热弹性屈服极限，最大热膨胀都发生在温度变化过渡区，是诱发热采井套管变形损坏的主要原因。套管周围地层掏空时，其热应变达到了2％，远超过材料弹性极限应变的0．3％，是热采井套管变形损坏的主要原因。提出套管保护对策，并开展了4项相应防治技术先导试验，取得了较好的保护套管效果，形成了稠油热采井套管保护配套技术。     

敏感性高泥质稠油油藏热采井防砂前的地层预处理技术研究

敏感性高泥质稠油油藏热采井由于泥质含量高,地层敏感性强,在注蒸汽热采的条件下,地层微粒与有机质共同作用,导致近井地层堵塞,影响油井生产。通过实验,研究出一种能够对地层防膨、酸化、溶解有机质的复合体系。用该复合体系在防砂作业前对地层进行预处理,可有效解除近井地层堵塞,提高防砂施工效果。     

国外稠油热采井防砂技术

稠油油藏一般胶结疏松，开采容易出砂；而在进行注蒸汽热采作业时，高温蒸汽及热水常使粘土矿物破坏，使稠油采采井的出砂问题中严重。本文了稠油热采井的出砂原因并同了国外常用的防砂方法 。     

渤海油田多元热流体吞吐自喷期生产控制

多元热流体吞吐井在自喷期油藏温度高、地层能量充足、产能大,一般采取放大生产压差、高速生产的方式,但如果产出速度过大、产出温度过高,会对海上平台现有生产流程造成冲击破坏。同时,对海洋环境造成一定程度的污染,严重时引起地层出砂,影响多元热流体热采开发效果。为此,通过总结分析多元热流体吞吐井自喷期生产特征,分阶段采取不同方式控制油井生产动态,同时结合室内实验模拟研究多元热流体吞吐井出砂临界流速,在此基础上优化自喷期控制方式,有效指导自喷期生产管理工作。应用效果表明:采取分阶段控制、阶梯式调整油井产能、限制最高产液的方法,能够保护地面生产流程及海洋环境,降低油井出砂风险,对于海上后续稠油热采井自喷期生产管理有积极指导意义。     

基于三维温度场的热采井水泥环完整性破坏的研究及对策

稠油热采井固井问题一直是制约稠油资源开发的关键技术难题之一,注蒸汽高温热载荷作用下的水泥环完整性破坏导致的井口抬升现象普遍存在于海上稠油热采井开发过程中,危害极大,严重影响油井生产寿命和井控风险。以渤海热采井固井水泥环完整性为研究背景,基于热传导分析,建立了热采井注热井筒三维温度场分析模型和热载荷、注氮载荷和非均匀地应力耦合条件下的水泥环完整性分析模型,并从水泥浆体系、工艺技术、隔热油管性能等方面提出了增强热采井水泥环完整性的应对措施。应用表明,该套理论可有效模拟热采井注蒸汽三维温度场剖面,判断热载荷条件下的水泥环完整性破坏机理及失效形式,为新开发热采井提供借鉴与参考,应用前景广阔。      

稠油井新型高温固砂技术实验研究

针对目前稠油井防砂存在的成本高、对地层损害严重等问题,通过室内实验研究出了一种新型树脂就地固砂技术。其固砂液具有固化时间可调、固结强度高、对油层损害小、稳定性好等特点,热稳定温度可达370℃。室内采用井筒模拟器对直接注入法和蒸汽携带法2种注入工艺进行了研究。结果表明：该固砂液性能可靠,施工工艺简单,操作方便,用于稠油井蒸汽吞吐热采防砂是可行的。     

硅砂对稠油热采井水泥石强度影响的室内试验

为了满足稠油热采对固井水泥石的要求,模拟稠油热采固井水泥常温凝固、高温热采这一特殊的地层环境,先将水泥浆在70℃下常压养护3d后再进行高温高压养护。通过研究不同热采温度下硅砂粒径对水泥石强度发展的影响,以及不同钙硅比在不同的高温梯度下对油井水泥石强度衰退的影响,从机理上阐述了硅砂粒径及钙硅比能提高硅酸盐水泥石强度和热稳定性的原因,找到了最佳的硅砂粒径和合适的钙硅比,为进一步选择和设计稠油固井水泥浆体系提供了依据,对稠油油藏的开发开采具有重要意义。     

稠油热采井安全侧钻距离数值模拟研究

蒸汽吞吐是稠油开发的重要手段,然而蒸汽吞吐过程井周岩石变形破坏分析涉及温度、渗流及应力等多个复杂物理场的耦合。为了准确描述注蒸汽开发过程中的流-固-热耦合变化过程,考虑流-固-热耦合效应,将渗流力学、岩石力学及热力学结合起来,建立了稠油热采油藏热-流-固耦合计算模型,定量分析了储层热采井井周孔隙压力场与温度场动态变化规律,进而确定了水平井蒸汽辅助重力泄油(SAGD)双水平井的安全侧钻距离。分析结果表明:储层安全侧钻距离的确定需要综合考虑注汽导致的孔隙压力升高与注采导致的岩石性质劣化2方面因素;侧钻水平井加密一般在高轮次蒸汽吞吐后进行,3轮次蒸汽吞吐后,超过120℃的区域半径为16. 0～17. 5 m,因此建议水平方向侧钻加密井的安全侧钻距离超过17. 5 m。所得结论可为稠油热采井钻井工程设计提供参考。     

稠油热采井补砂工艺技术的研究与应用

针对胜利油田稠油热采井开发实际,根据稠油热采井补砂技术的基本原理,分析了防砂后期存在的问题,提出在原防砂管柱的基础上对地层及筛套环空应用补砂技术。补砂后形成高效挡砂屏障,弥补了地层亏空,提高了近井地带的渗透率,避免了捞出防砂管柱再次进行防砂的繁杂工序;同时挤入地层的大量砾石在弥补地层亏空的同时,也缓解了地层能量的损失,减少了套管受到的轴向压力,间接保护了套管不受损伤。该项技术通过在400余口热采防砂井上应用,取得了显著的效果,具有良好的推广应用价值。     

热采筛管防砂模拟实验装置的研制与应用

为了解决稠油热采井在开采过程中容易出砂、防砂难度大等问题,在综合考虑油田储层砂粒度特性、流体黏度特性及现场油井生产压力和温度等因素的基础上,研制了一套热采筛管防砂模拟实验装置。该装置可针对机械防砂方式的技术特点,进行全尺寸室内模拟实验,通过测试分析防砂筛管性能优缺点,为防砂方式优选及防砂参数优化设计提供依据。根据稠油油田的实际特点,进行了针对性的室内模拟实验,实验结果为稠油热采井提供了合理的完井方式及防砂参数,现场应用也取得了良好的效果。     

海上多元热流体参数优化及选井原则研究

多元热流体吞吐技术对渤海稠油油藏的开采具有较好的适用性,但前期作业中未考虑注采参数、选井原则等因素对开采效果的影响,其在增产方面仍有上升空间。为了进一步提高多元热流体吞吐开采稠油油藏的经济效益,建立了基于渤海A稠油油田的油藏数值模型,在数值模拟结果的基础上,利用灰色关联度的数学方法得到了注采参数的敏感性排序,研究了关键注采参数和地层主要参数对油藏开采效果的影响规律,形成了最优注采参数组合和地层选井原则。计算得到了注采参数的敏感性排序为:注入温度蒸汽注入强度焖井时间复合气体注入强度地层压力注汽速度。形成了地层选井原则:油藏厚度≥10 m、长水平井段、渗透率≥3 000×10~(-3)μm~2、正韵律地层。基于研究成果开展的6井次现场试验表明研究成果符合油藏实际,可获得较好的开采效果。     

热采井砾石充填防砂筛管外挤受力分析及应用

筛管外挤力研究分析是筛管砾石充填防砂热采井筛管强度校核和入井防砂管柱设计优化的基础。国内外对筛管外挤力的研究较少,尚缺乏相应的解析计算方法。温度膨胀效应和接触应力约束作用是热采防砂井筛管-砾石层界面变形的制约因素。文中首先建立了温度效应造成的砾石层-地层系统内径变化计算模型和筛管外径变形模型,然后借助Lame方程求解得到筛管-砾石层界面位移与外挤力之间的关系曲线。综合考虑温度膨胀效应和接触应力约束作用,提出了热采井筛管外挤力计算的筛管-砾石层-地层耦合模型,并采用图版法求解筛管外挤力。实际计算表明,当井底温度达到350℃时（井底升温300℃）,温度效应造成筛管-砾石层界面位移为1.855 mm,该位移条件下的筛管外挤力为17.78 MPa。该成果可为热采防砂井筛管强度校核及砾石充填施工提供依据。