孫昕迪，白寶君

（Missouri University of Science and Technology, Rolla Missouri 65401, USA）

國內外水平井控水技術研究現(xiàn)狀

孫昕迪，白寶君

（Missouri University of Science and Technology, Rolla Missouri 65401, USA）

分析了國內外水平井控水技術研究現(xiàn)狀，介紹了水平井中常用的控水技術，總結了針對不同完井方式水平井的控水方法。控水方法大體上可分為兩類，即機械方法和化學方法，兩類方法可單獨使用或組合使用。機械方法通常用于井筒或近井堵水，化學方法可用于封堵基質孔隙或裂縫。在設計堵水方案時應考慮井筒的完井方式，機械方法和化學方法均可用于裸眼完井及套管射孔完井的水平井；割縫襯管完井及防砂篩管完井只能選擇化學方法進行堵水，機械方法只能提供臨時的區(qū)域分隔。機械方法成本略高于化學方法，且堵水過程中的深度校正也是一個操作難點。當出水點在水平井趾端時，機械或化學方法均可單獨使用；當出水點靠近跟端或在水平井段時，則需使用封隔工具進行層位封隔及目標層封堵。圖1表1參47

水平井；控水技術；機械堵水；化學堵水

0 引言

過度產水是油氣田開采中面對的嚴峻問題之一，尤其是對于開采中后期的油氣藏。過度產水嚴重影響油氣藏的開采壽命及油氣產量，也會造成井眼腐蝕、出砂等問題。由于產出水的化學組成比較復雜，要使處理后的產出水完全達到環(huán)保標準也會增加處理成本。因此，選擇有效且經濟的堵水方案十分重要。目前，在油氣開采過程中，為了增加井筒與油氣藏的接觸面積進而達到增產目的，水平井的使用與日俱增，水平井過度產水問題也逐漸得到重視。本文通過文獻調研，分析國內外水平井控水技術研究現(xiàn)狀，介紹水平井中常見的控水方法，并總結針對不同完井方式應選擇的控水方法。

1 常見控水方法

應用于水平井的控水方法大致可分為兩類：機械方法和化學方法。這兩類方法可單獨使用或組合使用[1-2]。

1.1 機械方法

機械方法是使用機械封隔工具封堵出水點或者為后續(xù)堵水提供層位封隔。封隔工具可分為可膨脹封隔工具和非可膨脹封隔工具（見表 1）?？膳蛎浄飧艄ぞ哂煽膳蛎浽M成，在其到達目標層后，可以在井眼中膨脹并完全填充空隙從而達到封隔的目的。大多數(shù)可膨脹封隔工具是可回收的，在特定情況下，可回收式膨脹封隔工具也可與水泥塞一起實現(xiàn)永久封隔。

表1 常用封隔工具特性及封堵機理

可膨脹封隔工具包括膨脹式封隔器、橋塞、遇水/油膨脹封隔器、跨式封隔器、水泥膨脹式封隔器及膨脹管等。膨脹的過程由不同的機制觸發(fā)：膨脹式封隔器通過橡膠囊實現(xiàn)膨脹；橋塞和膨脹管由機械助力完成膨脹過程[3]；遇水/油膨脹封隔器與井液接觸時觸發(fā)膨脹。一些可膨脹封隔工具（如跨式封隔器）具有兩個膨脹元件和噴嘴，既可用作層位封隔器又可用作注入裝置。兩個膨脹元件可提供層位封隔，工作液可通過兩個膨脹元件間的噴嘴注入到目標層位。

套管外封隔器（ECP）是一類特殊的可膨脹封隔工具，主要結構是套管外的可膨脹橡膠囊，經常在裸眼井水平段中與割縫襯管或防砂篩管間隔配置使用，通過橡膠囊膨脹實現(xiàn)環(huán)空填充從而達到封堵目的。

非可膨脹封隔工具一般為水泥塞。水泥是常見的直井堵水材料。但在用于水平井段堵水時，由于重力的影響可能造成不完全封堵。因此，水泥塞適用于封堵井筒內靠近垂直井段區(qū)域的出水點。近年來，新型泡沫水泥已被廣泛應用于礦場實踐。泡沫水泥是將高壓氣體（通常為氮氣）注入含有發(fā)泡劑和泡沫穩(wěn)定劑的水泥漿中產生的[4]。相較于常規(guī)水泥，泡沫水泥具有鉆井液驅替率較高和抗水、氣突破等優(yōu)點[5]。此外，還有一些其他類型的水泥仍處于試驗階段，如膨脹水泥、高觸變性水泥和纖維增強型中性密度水泥等。

1.2 化學方法

機械封隔工具可以用于封堵井筒本身的硬件破損以及近井地帶較大的裂縫[6]。然而，在一些特定情況下需要封堵巖石基質或細小的裂縫，因此化學方法便被廣泛研究和使用。以下是一些在水平井中常用的堵水劑。

①凝膠。常見的凝膠主要由部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和乙酸鉻組成，可通過加入其他添加劑來調節(jié)凝膠的性能[7]。不同的交聯(lián)體系組分和油藏環(huán)境會使凝膠呈現(xiàn)不同強度。由于注入物是成膠前的聚合物與交聯(lián)劑的混合物，因此凝膠的成膠過程發(fā)生在地下。

②聚合物及膨脹劑。聚合物由于強度較低，經常被用作流度控制劑而非堵水劑。然而，Zaitoun等[8]發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺（PAM）在遇到膨脹劑時會發(fā)生膨脹，因此可以被用來封堵目標層。因為該藥劑對水和油氣的封堵效率不同，所以被稱為選擇性堵水劑。通常情況下，對水的封堵效率高于對油的封堵效率。

③吸水膨脹型高分子化合物（WSP）。這種材料是高吸水性聚合物交聯(lián)體系，也被稱為顆粒凝膠[9-10]，其顆粒大小為微米—毫米級。在不同組分和濃度的鹽水中，WSP可以吸收質量為其自身質量5～400倍的水。

④微基質水泥。該水泥的顆粒尺寸小于10 μm，僅為常規(guī)水泥的 10%。微基質水泥可以進入高滲油藏的基質孔隙和小至0.05 mm的裂縫[11]。由于與化學堵水劑有相似的堵水機理，因此被歸類為化學方法。

⑤HWSO系列堵水劑。HWSO是由亞乙基丙烯酸乙酯共聚物、烷基溴和丙烯酰胺合成的[12-13]。由于含有親油和親水基團，HWSO在堵水過程中具有一定的選擇性。HWSO表現(xiàn)為遇水時膨脹，遇油時收縮。該堵水劑具有溶液和顆粒兩種形態(tài)。馬廣博等[14]研究表明HWSO顆粒耐溫可達95 ℃。

2 不同完井方式水平井堵水實例

2.1 裸眼完井

作為最常見的水平井完井方式之一，由于沒有套管和襯管，裸眼完井具有成本低和節(jié)流低等優(yōu)點。然而，在裸眼井中，與井液直接接觸的頁巖層可能會發(fā)生膨脹從而導致井壁垮塌。由于具有易操作和成本低的優(yōu)勢，化學方法被廣泛應用于裸眼完井的水平井堵水作業(yè)。

Uddin等[15]用兩種凝膠在 Wafa Ratawi Oolite油田[16]對一裸眼完井水平井實施了堵水作業(yè)。水驅導致該生產井過度產水，出水點在水平段趾端。利用連續(xù)油管將無污染交聯(lián)羥乙基纖維素（HEC）凝膠放置于水平井跟端作為區(qū)域隔離段塞，從而保護上部產油層。然后，向水平井趾端注入另一種凝膠封堵出水點。堵水作業(yè)后，該井含水率從 82%降低到 70%～80%。Utomo等[17]在該油田用兩種凝膠對另一裸眼完井水平井進行了堵水作業(yè)。先將一種可流動的凝膠注入到目標層，確保其最大程度進入裂縫從而實現(xiàn)堵水，隨后注入一種強度大的凝膠封堵近井區(qū)域。

Dashash等[18]在Ghawar油田[19]一裸眼完井水平井中成功地實施了堵水作業(yè)。生產測井儀顯示出水點位于水平段趾端。先用膨脹式封隔器隔離產水區(qū)，再在封隔器后注入61.0 m的水泥塞以加強封堵強度，最后在水泥塞后注入91.4 m的高黏度凝膠防止水泥坍落。堵水作業(yè)后，該井含水率降低了 50%，原油產量提高了159 m3/d。Sharma等[20]用化學方法對該油田的另一裸眼完井水平井實施了堵水作業(yè)，但效果并不理想。該井有360.3 m處于產層中，堵水前含水率為60%，出水點位于趾端。針對該井實際情況，采用水泥塞和有機聚合物進行堵水。在2 636.5 m處放置了1個水泥膨脹式封隔器并在其下方注入了 23.85 m3有機聚合物。第2個水泥膨脹式封隔器被置于2 617.9 m處，并在兩封隔器間擠入水泥形成水泥塞。堵水后含水率并無明顯變化，可能是部分化學堵水劑進入產油段并堵塞井筒所致。

除了化學方法外，膨脹式封隔器配合水泥塞封堵是常用的機械封堵方法。Saudi等[21]將該方法運用于Ghawar油田一裸眼完井水平井中，出水點在水平段趾端。先將膨脹式封隔器置于趾端，隨后注入水泥塞加強封堵。該堵水操作成功地提高了采油量并降低了含水率。Al-Zain等[22]在該油田另一裸眼完井水平井中使用了相同的堵水方法，使原油產量從492.9 m3/d增加至1 049.4 m3/d，同時含水率從47.8%降低到8.4%。

2.2 套管射孔完井

套管射孔完井是將套管下入井中并以水泥固井，再通過射孔使得井筒與產層相通。由于射孔段可以精確定位，該完井方式可以有效地控制流體從產層流入井筒。然而，為了避免液體從套管和井壁之間流出，該方式對固井質量要求較高。

Lane等[23]對一套管射孔完井的水平井進行了有效堵水。該井由于斷層連通底水造成了產水量大的問題。為了保護射孔段，采用化學堵水方法?？紤]到斷層與基質滲透率存在明顯差異，因此將HPAM和乙酸鉻凝膠通過籠統(tǒng)注入的方式注入至目標層位。生產數(shù)據表明，堵水作業(yè)后，產油量從7.4×104m3/d增加至11.6×104m3/d，同時含水率從 90%降低至 72%，但在后續(xù)產油過程中含水率略有增加。

Snaas等[24]對卡塔爾Idd El Sharji油田的一套管射孔完井水平井進行了堵水作業(yè)。利用連續(xù)油管將水泥膨脹式封隔器下入到3 073 m處注入水泥從而形成水泥塞，成功地封堵了出水點，進而提高了產油量并降低了含水率。

2.3 襯管射孔完井

襯管射孔完井可分為 3類：預鉆孔襯管完井、割縫襯管完井和預置篩管完井。預鉆孔襯管上有多個孔，將其置于生產段可以在提供流動通道的同時提高井筒穩(wěn)定性。對于一些膠結程度較差的儲集層，一旦發(fā)生坍塌，襯管的孔隙可能會被堵塞從而導致滲透率降低[25]，進而降低油井產能。另外由于割縫襯管與預鉆孔襯管具有相似功能，二者可相互替換。盡管割縫襯管和防砂篩管均可用于防砂，但防砂篩管的防砂效率明顯更高[26]。這 3種完井方式均未進行固井，巖層未與襯管接觸，因此襯管與產層間存在環(huán)空。由于襯管具有較低的機械強度，機械封隔工具并不適用于封堵該環(huán)空，因而對環(huán)空中流體的控制難度較大。針對該問題有3種解決方案，第1種是使用ECP進行永久封堵，但需在設計井筒時提前考慮ECP排布；第2種是使用化學堵水劑對環(huán)空進行封堵；第 3種是使用新型可控流篩管。目前，一些新型可控流篩管已經成功應用于水平井控水[27]。

Foucault等[28]針對委內瑞拉 Zuata油田西南部SINCOR區(qū)域的 1口水平井設計了控水方案。產層為厚200 m的未固結砂巖。出于防砂考慮，完井時選擇了孔徑0.5 mm（0.02 in）、直徑177.8 mm（7 in）的割縫襯管。堵水前含水率為 80%，出水點在實測深度1 710 m處。該井堵水應用了凝膠、微基質水泥和水泥環(huán)。水泥由選擇性注入式封隔器注入，封堵襯管外環(huán)空，以提供區(qū)域分隔。在形成兩水泥環(huán)后，再通過可回收水泥膨脹式封隔器將凝膠和微基質水泥從兩水泥環(huán)間注入地層用于封堵近井區(qū)域和基質孔隙。堵水后，含水率在兩周內從 80%降至 5%以下，隨后在日產液159 m3的情況下穩(wěn)定在2%～3%。

Zaitoun等[8]使用化學堵水劑在加拿大1口割縫襯管完井水平井中成功實施了堵水。該井堵水作業(yè)采用了高分子聚合物及膨脹劑。低水解度的高分子聚合物不僅可用于油井，也可用于氣井[29]。由于聚合物及膨脹劑黏度較低，方案實施中采用了籠統(tǒng)注入的方法將聚合物和膨脹劑注入地層。堵水后，該井產油量有明顯提升，含水率由 85%降至低于 50%。Zaitoun等[30]在加拿大西部的 Pelican Lake油田同樣采取籠統(tǒng)注入聚合物溶液的方法對 4口割縫襯管完井的稠油水平井進行了堵水，但是僅有1口井堵水效果理想。作業(yè)后，該井含水率從 85%降低至 50%，產油量在作業(yè)后兩年內持續(xù)增加。

袁輝等[31]介紹了海南文昌海上油田割縫襯管及防砂篩管完井水平井的堵水經驗。該井出水點在水平段趾端，堵水作業(yè)使用了 2個篩管外化學環(huán)空段塞及 5個流量控制器。堵水后產量增加了98.2 m3/d。Tudball等[32]采取在防砂篩管中直接擠入化學藥劑的堵水方案，對英國南部北海Rose油田1口產氣井實施了堵水。劉懷珠等[33]在冀東油田成功實現(xiàn)了堵水增產。堵水作業(yè)中采用了籠統(tǒng)注入的方法將2 470 m3濃度為3 000 mg/L及600 m3濃度為5 000 mg/L的HWSO堵水劑注入地層。關井15 d后開井投產，含水率降低了2.9%，一年半內總計增油892 t。Vasquez等[34]用WSP對北海1口海上割縫襯管完井注水井進行了堵水操作。由于烴基流體攜帶的WSP顆粒膨脹程度最小，因此可有效地防止連續(xù)油管堵塞。當WSP顆粒填充到裂縫之后，注入淡水可使WSP顆粒膨脹，進而實現(xiàn)封堵。除了割縫襯管完井外，WSP還在裸眼、預射孔等完井方式水平井堵水中有廣泛應用[34-35]。Arangath等[36]對尼日利亞海上油田1口預鉆孔襯管完井水平井進行了有效堵水。堵水作業(yè)中采用了膨脹式橋塞和水泥環(huán)以形成層位分隔，隨后通過連續(xù)油管將凝膠注入到目標層中實現(xiàn)堵水。堵水后，含水率下降了 92%，同時產油量恢復到初期產油量的87%。

2.4 襯管射孔及ECP完井

該完井方式中，ECP通常與割縫襯管或防砂篩管組合使用，因此，在形成封隔的同時可兼顧防砂。該完井方式可以對產出水迅速進行封堵，然而ECP只能封堵環(huán)空，因此地層水可能繞過ECP流入井筒從而造成封堵失效。相比其他完井方式，該完井方式成本較高。

2.5 其他完井方式

在某些情況下，可能會根據具體情況對完井方案進行修改。張國文等[37]及王金忠等[38]介紹了針對冀東油田防砂需求而設計的一種新型完井方式。該完井方式不僅具有防砂功能，且能夠有效解決防砂管與裸眼井壁間環(huán)空的洗井問題。新型完井設備中最主要的部分為調流控水篩管（見圖 1）及遇水/油膨脹封隔器。相比傳統(tǒng)的防砂篩管完井，該新型完井方式具有產油量高、含水率低等優(yōu)點。饒富培等[39]針對大港油田存在的底水脊進造成的過度產水問題設計了一種新型完井方式。完井設備主要由遇水/油膨脹封隔器、插入鎖緊密封總成和優(yōu)質星孔梯級篩管組成。

圖1 管內分段調流控水管柱結構示意圖[38]

另一種新型完井方式為流入控制裝置（ICD）完井。該完井方式可以通過設置水平段中每個ICD的流量來控制井中壓降，從而有效地延緩底水、邊水脊進，達到控水目的。但是在ICD放置在井中之后流量便無法改變，因此需預設流量[40-41]。

3 水平井控水方法選擇

根據不同的完井方式可以選擇不同的堵水方法。裸眼完井水平井的堵水可以通過化學方法、機械方法或二者并用來實現(xiàn)。由于大部分的機械封隔工具為可回收型，因此可為后續(xù)的操作提供臨時層位分隔。除了機械方法外，一些化學堵水劑（如凝膠）同樣可以作為暫堵劑?；瘜W堵水劑有兩種放置方式：一種是在膨脹式封隔器輔助下通過水泥膨脹式封隔器放置，另一種是直接通過跨式封隔器放置。大部分封隔器利用連續(xù)油管下入井中，在放置堵水劑后，封隔器可以回收或留在井中。在一些情況下，可直接采用籠統(tǒng)注入的方法將化學堵水劑注入地層。該方法要求目標區(qū)域和巖石基質的滲透率具有明顯區(qū)別，使堵水劑最大程度地進入目標區(qū)域。封隔器放置過程中的深度校正是常見的難題。相較于其他井段，出水點通常存在溫度異常，可通過光纖探測該溫度異常從而指示出水點[42]。光纖可以輔助連續(xù)油管提高深度控制精度，精確地將封隔器放置于設計深度。但是該技術只能用于底水或邊水溫度與儲集層溫度有明顯差異時，否則光纖無法探測溫差。

在套管射孔完井中，堵水作業(yè)主要有兩種方法：化學方法和機械方法。因為套管射孔完井井筒穩(wěn)定性好，所以通常采用籠統(tǒng)注入化學堵水劑的方法，化學堵水劑通過射孔孔眼進入目標層進行封堵。膨脹式封隔器和水泥塞可以在套管射孔完井中提供永久封隔。

在襯管射孔完井中，由于防砂篩管和預鉆孔襯管容易塌陷，因此堵水只能采取化學方法以減少對襯管的破壞。在進行堵水操作時，可膨脹封隔工具可為后續(xù)的化學堵水劑注入提供區(qū)域分隔。在襯管射孔完井中，化學堵水劑通過連續(xù)油管和跨式封隔器注入，并在井壁和襯管間形成環(huán)空化學封隔段塞[43-44]。Arco Alaska和Schlumberger Dowell公司已經將環(huán)空化學封隔段塞技術應用于Prudhoe Bay油田[45]。一些情況下可以采取籠統(tǒng)注入化學堵水劑的方法，尤其是對于低黏度聚合物凝膠?；\統(tǒng)注入容易操作，但如果出水段壓力高于產油層壓力，化學堵水劑將進入產油層進而破壞地層[46]。

襯管及ECP完井方式可以提供區(qū)域分隔或封堵出水段。ECP膨脹后封堵環(huán)空，優(yōu)點是可以及時封堵出水。大慶油田成功地使用ECP對1口斜井實施了有效堵水[47]。但需要注意的是該完井方式也存在著成本高和深度校正難等缺點。

根據完井方式及井筒自身條件進行合理、有效的控水方法選擇十分重要。另外，在設計堵水方案時還應考慮成本、操作難度以及封隔工具可回收性等問題。機械封隔工具更適用于封堵井筒及近井地帶，而化學堵水劑則可以對裂縫、竄流通道及酸蝕孔洞等進行封堵。當出水點在水平段趾端時，機械或化學方法均可單獨使用，直接封堵；當出水點靠近跟端或在水平段中時，則需在形成層位封隔后再進行目標層封堵。在某些情況下，為防止堵水劑對非目標區(qū)域造成損害，需要放置可回收封隔工具提供臨時區(qū)域分隔。對于大多數(shù)機械封隔工具，在提供臨時封堵后可以被回收。而對于一些化學堵水劑，如暫堵凝膠，可以在完成封堵后通過降解或破碎等方式移除。此外，相較于化學堵水劑，使用機械封隔工具成本較高。因此從成本角度考慮，如果籠統(tǒng)注入條件成熟，應該選擇化學方法。雖然化學堵水劑易注入，但是所有的化學堵水作業(yè)均存在破壞地層且不可逆的潛在風險，因此在注入化學堵水劑時要求較高的精度。針對這一要求，有噴嘴的跨式封隔器可在深度校正后將堵水劑精準地注入目標層位。由于襯管承重能力低，機械封隔工具并不適用于襯管射孔完井。對于裸眼完井或套管射孔完井水平井而言，機械方法與化學方法相結合的技術也日趨成熟。

4 結語

機械方法和化學方法均可用于水平井堵水以及提供永久或暫時區(qū)域分隔。機械方法通常用于井筒或近井堵水，化學方法可用于封堵基質孔隙或裂縫。機械方法成本略高于化學方法，而且堵水過程中的深度校正也是一個操作難點。在設計堵水方案時應考慮井筒的完井方式，機械方法和化學方法均可用于裸眼完井及套管射孔完井的水平井。從現(xiàn)場經驗來看，割縫襯管完井及防砂篩管完井只能選擇化學方法進行堵水，機械方法只能提供臨時的區(qū)域分隔。同時，為防止襯管堵塞，選擇化學藥劑時應對襯管射孔孔徑加以考慮。

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Comprehensive review of water shutoff methods for horizontal wells

SUN Xindi, BAI Baojun
(Missouri University of Science and Technology,Rolla Missouri65401,USA)

This paper provides a comprehensive review of the water control techniques that have been applied in horizontal wells and presents the water control methods for wells of different completion types. Water shutoff techniques are classified as mechanical methods and chemical methods. These methods can be used individually or in combination. Mechanical methods are usually used to deal with wellbore water shutoff or near wellbore water control. Chemical methods are used in plugging matrix or fractures. Completion type should be considered when designing a water shutoff project. Both mechanical methods and chemical methods can be used in open hole and cased hole horizontal wells. In the wells that completed with perforated liners and wells completed with sand screen pipe, only chemical methods can be used to control excess water production, while the mechanical methods can only provide temporary zonal isolation. Mechanical methods are slightly higher in cost than chemical methods, and the depth correction is a challenge. Mechanical and chemical methods can be individually used if the water entry point is at the toe. A combination of packers should be designed for the wells with water entry point near the heel or along the lateral.

horizontal well; water control technique; mechanical water shutoff; chemical water shutoff

TE358.3

A

1000-0747(2017)06-0967-07

10.11698/PED.2017.06.15

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SUN Xindi, BAI Baojun. Comprehensive review of water shutoff methods for horizontal wells[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 967-973.

孫昕迪（1990-），女，黑龍江大慶人，美國密蘇里科技大學地球科學、地質與石油工程學院在讀博士研究生，主要從事化學堵水調剖技術在二氧化碳驅油藏的應用研究。地址：Geosciences and Geological and Petroleum Engineering Department, Missouri University of Science and Technology, 129 McNutt Hall, 1400 N. Bishop, Rolla, Missouri 65409, USA。E-mail: sxpm4@mst.edu

2017-05-06

2017-09-15

（編輯 胡葦瑋）