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AICD当道 地层出砂岂敢猖狂?

AICD当道 地层出砂岂敢猖狂?

自动流入控制装置(Autonomous Inflow Control Devices,AICD)装置可以根据流经流体的性质来调节自身的流量控制,近年来受到国内外石油公司广泛关注和研究,是行业内的一项技术突破。

来自 | Offshore
编译 | 吴洪波

为了追求额外的油气储量并增加石油产量,开发商们从未放弃寻找如高渗透碎屑岩储层这类开发难度高但产量大的油气资源。在这种储层中使用大斜度井和水平井增大了储层与井眼的接触长度,提高油井产能。并在一定程度上通过减少地层油位下降降低了地层出砂的概率。

为了保证生产井的产能并预防地层出砂,开发商们采用了多种防砂方式:砾石填充、压裂填充、割缝筛管和滤网。一个合适的防砂思路和措施可以非常有效的减少甚至消除地层出砂,并且对油井产量不会有很大有影响。如果在井下增加一个流入控制装置或自动流入控制装置用来调节储层流体进入井眼的流量,那么这些防砂方式的有效性将进一步增大。流量控制装置的使用不仅提高了这些防砂方法的有效性,也提高了波及系数和油气采收率。

地层出砂的原因及控制

地层出砂的原因是井筒内压力和地层流体压力大于地层强度和地层颗粒间的胶结力。胶结程度差的地层是最容易出砂的。这些砂层中的颗粒胶结程度较差,甚至是完全没有胶结,并且砂岩颗粒间的自然胶结物也很有可能被储层中的流体或为了维持地层压力和驱赶油气而人为注入的流体所溶解。

流体的流动压力是井下出砂的重要诱因。地层与井筒间的压差、地层流体阻力和上覆地层载荷的共同作用力可能超过地层的剪切应力。这些压力附着在砂岩颗粒上,破坏颗粒的胶结,使这些脱离的颗粒随着地层流体进入井筒内。这些高流速、高粘度、多流态的大量流体可以加速砂岩的分解,并导致出砂量突然增大。

所以防砂策略应集中在降低井筒内压、增强储层砂体胶结,或将导致出砂的应力进行相应的机械转移。

防砂策略

最简单的防砂策略就是减少储层油位降低以减小地层与井筒的压差、不稳定的油井产量和流体速率。不幸的是,这种策略与油井产量最大化背道而驰。通过增大井筒与储层的接触长度,可以在保持总产量稳高不下的前提下减少地层油位降低和产量不稳定。这可以通过大斜度井、水平井、多底井、裸眼完井、扩眼钻进和水力压裂的方式实现。使用机械防砂手段和正确的采油参数来避免地层失稳,这是维持井壁稳定和地层强度的重要手段。

机械防砂方法

机械防砂技术就是依靠设备防止砂粒进入井筒,但不影响流体进入。割缝筛管和滤网筛管可以使地层的颗粒在筛管的孔隙处“搭桥”形成通道,创造了较大的流体流道空间。小的颗粒将附着在较大颗粒的后面。优质滤网采用多层结合方式,并溶入高强度金属粉末,能够阻止更大粒径范围的沙粒进入井筒,同时增大流体流道,具备更大的机械强度和耐腐蚀性。割缝筛管和滤网防砂技术设计的合适与否取决于地层中砂体颗粒的大小与分布。割缝筛管和滤网筛管都可能会被沙粒堵塞,地层颗粒形成的“桥”通道也存在不稳定性。更糟的是,当地层中不稳定的流体从地层中高速通过滤网进入井筒时,滤网可能会因为与流体产生高速摩擦而生热,从而被腐蚀烧穿。这将导致彻底的防砂失败,使大量的地层砂涌入井筒内。

流入控制装置

相比直井而言,水平井将更大程度地与储层接触,在井筒周边地层较小压降的基础上获得更高的产量。虽然水平井可以利用与储层接触面较大的井段来提高产量和采收率,但是由于储层的非均质性、渗透率的变化、井筒轴向流体的过饱和或流体阻力的降低都可以使部分井段发生水侵或气侵,导致产量不稳定。进入井筒中的无用流体会影响到其他井段的产油量。水侵会增大地层中流体的流速和粘性阻力,溶解地层中的胶结物,导致地层出砂量增加。

流入控制装置(ICD)通过自身压降来控制地层流体进入井筒的流量,用来处理产油量不稳定之类的问题,已经广泛使用多年。然而他们的参数是固定的,一旦安装完成,就不能再进行调整。如果井筒内部分井段发生水侵或气侵,ICD则无法对这些高流动性的流体产生有效的对策。随着气和水的流入量的不断增加,最终影响油的产量。

自动流入控制装置(AICD)是近来行业内的一项技术突破。自动流入控制装置可以根据流经的流体性质来调节自身的流量控制。不可调节的ICD会对粘度较大的流体有较高的流入限制,AICD则会更多地限制水和气的进入,而不是油。AICD的这个功能可以使整个井段产生均匀的油流,并会阻止已发生水侵或气侵的井段生产过多的无用流体。总之,AICD的这项功能能够在较低的含水率和气油比的基础上创造更高的原油采收率。

一种由Tendeka公司研发的漂浮圆阀型AICD,已经成功应用于全球范围75余口井中,共超过15000个阀门来控制油井中水和气的侵入,轻质油井和重质油井均可使用,保证稳定的原油产量。这些阀门通过流经流体粘度的变化进行自动调整,优先限制低粘度的水和气进入。当低粘度的流体流经AICD时,阀体会自动调节产生较小的流道,限制低粘度流体进入。

不论是ICD还是AICD,都适合与传统的优质筛管技术相结合使用。储层中的流体进入井眼和筛管间的环空,随后流入筛管与无孔基管间的一个或多个流入控制装置。经过流入控制装置后,进入生产管柱随后被抽到地表。

技术配合

ICD和AICD多与筛管配合使用。筛管不仅可用于防砂,也阻止了大的岩屑堵塞流入控制装置的接口或通道。流入控制装置调节流体均匀流入,降低了“热腐蚀”发生的概率,“热腐蚀”能够腐蚀筛管滤网和其他井下设施。通过控制井筒轴向上流体的流入,可以预防井眼周围的储层内流体流速过快,并且平衡了井筒轴向上的地层压降。这将降低超过地层剪切应力的三个主要应力的其中两个。当三个应力之和超过地层剪切应力时,将会导致地层出砂。具体而言,AICD抑制无用流体进入井筒,降低地层水溶解储层胶结物的风险,也阻止了气侵所导致的流体流速过快而带来的高粘滞阻力。

Tendeka公司的AICD已成功应用于挪威Troll海洋油气田。AICD与优质筛管配合使用为一个11-26m(36-85 英尺)的薄油层提供防砂与流量控制。在早期,Troll油气田应用的是不可调节的ICD。一旦发生气侵,大量的气快速涌入井筒。在使用AICD的试验井中,前18个月的原油产量比使用ICD的生产井增加了20%。

结论

AICD让生产工程师能更好地控制水平井中的储层流体,获得更稳定的流量和更高的原油采收率。AICD限制低粘度的水和气流入井筒的功能,可以产出含水量和气油比均较低的原油。此外,AICD和筛管的配合使用是一个重要且有效的的方法,可以减少由地层压降而导致的出砂、高流体流动阻力和疏松储层胶结物的溶解。

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