李永平王永輝程興生車明光張福祥彭建新

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

高溫深層非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造技術

李永平1王永輝1程興生1車明光1張福祥2彭建新2

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

碳酸鹽巖非均質性強的特點決定了常規(guī)水平井分段改造優(yōu)化設計方法不再適用，同時塔中地區(qū)高溫、深層及縫洞發(fā)育等特點給儲層改造液體和分段改造工藝帶來挑戰(zhàn)。從統(tǒng)計分析反映非均質性儲層特征的資料出發(fā)，確定了基于改造設計為目的的壓前儲層描述模型，明確反映遠井儲層特征的地震資料對于指導改造設計具有重要作用，并基于該認識，建立了在縫洞精細雕刻基礎上的非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造優(yōu)化設計方法。通過稠化劑優(yōu)選、交聯(lián)劑研發(fā)形成耐溫140 ℃地面交聯(lián)酸體系，其低濾失、緩速好的特征為實現(xiàn)深穿透酸蝕縫提供基礎；并根據碳酸鹽巖縫洞發(fā)育特點，優(yōu)選裸眼封隔器多級滑套水平井分段壓裂工具，從而形成系統(tǒng)的水平井分段改造技術?，F(xiàn)場應用表明，該技術適用性好，增產效果顯著，在國內同類非均質性海相碳酸鹽巖儲層中具備較大的推廣應用前景。

碳酸鹽巖；水平井；儲層改造；地面交聯(lián)酸；逐步回歸

近年來，隨著鉆井技術的進步，國內也逐步嘗試采用水平井開發(fā)碳酸鹽巖油氣藏，以期提高單井產量，但由于碳酸鹽巖非均質性強的特性［1-2］，為保證鉆井安全，在水平井鉆井時往往避開大型縫洞系統(tǒng)，造成塔中碳酸鹽巖水平井鉆井后自然產能低或無自然產能，因此必須采取酸洗、酸壓裂等措施對其進行改造才能實現(xiàn)碳酸鹽巖水平井的經濟有效開發(fā)。

碳酸鹽巖非均質性強的特點直接決定了碳酸鹽巖水平井改造有效率低，特別是在沿用常規(guī)砂巖水平井分段優(yōu)化設計方法的情況下，因此，亟需建立一套有效的非均質碳酸鹽巖水平井改造優(yōu)化設計方法，提高儲層改造的針對性和有效率；同時針對塔中碳酸鹽巖高溫、縫洞發(fā)育的特點在酸液優(yōu)選和分段工藝等方面均需采取相應的針對性措施。筆者以塔里木油田塔中縫洞型碳酸鹽巖為例，分別介紹基于非均質性碳酸鹽巖的改造優(yōu)化設計流程、高溫深層儲層改造液體及分段改造工具3方面技術。

1 非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造方法的設計

由于成巖作用復雜，碳酸鹽巖儲層一般發(fā)育有洞穴、裂縫、溶蝕孔洞等多種儲集空間，非均質性強成為碳酸鹽巖區(qū)別于常規(guī)砂巖儲層最大的特點，該特點使得碳酸鹽巖儲層改造設計不能沿用基于均質儲層油氣藏模擬的優(yōu)化方法。常規(guī)均質砂巖儲層改造目的是通過人工裂縫擴大滲流面積，而縫洞型碳酸鹽巖儲層改造以溝通縫洞有利儲集體為原則，從而實現(xiàn)單井高產穩(wěn)產。因此建立非均質性碳酸鹽巖儲層，特別是水平井分段改造設計方法是非常必要的。

1.1 改造前儲層描述方法

對儲層進行科學、客觀地評價是儲層改造方案優(yōu)化的基礎，對于均質儲層采用常規(guī)測井、巖心資料即可對儲層進行相對準確的評價，而對于非均質性儲層面對物探、測井、錄井、測試等不同資料，采用何種參數(shù)能夠客觀科學評價儲層是關鍵。因此首先要從眾多的描述評價資料中優(yōu)選影響地質效果的關鍵因素，進而實現(xiàn)量化分析，使得選井選層、儲層改造設計更具科學性［3-7］。

在多種影響因素中尋找主要因素，建立最優(yōu)回歸方程的最佳方法之一是逐步回歸。其基本原理是：對所有的自變量，依其對因變量作用的大小逐個引進回歸方程，通過反復篩選、替代，僅留下對因變量貢獻較大的自變量，最終得到最優(yōu)回歸方程。

1.1.1 儲層參數(shù)量化評分方法 為利用統(tǒng)計方法分析物探、測井、錄井、測試等不同尺度的資料對儲層優(yōu)劣的反映情況，需要首先對這些資料進行量化。各資料量化評分由熟悉該地區(qū)的專業(yè)技術人員根據最優(yōu)儲層及最差儲層進行100 分的量化評分，其基本的量化標準及原則見表1。自變量取儲層改造效果，根據產量高低進行百分評價。即，通過各專業(yè)人員對各因素進行數(shù)值化，地質效果根據試油情況進行數(shù)值化。

表1 碳酸鹽巖地質資料評分方法

1.1.2 統(tǒng)計結果分析 將塔里木油田自2003年以來塔中碳酸鹽巖儲層試油共84層的儲層改造結果及其上述影響因素進行統(tǒng)計分析，運用逐步回歸法對上述數(shù)學模型進行處理得到最優(yōu)回歸方程

式中，X1為地質背景；X2為地震資料；X3為地層測試情況。最終回歸方程的復相關系數(shù)R2為0.923，該模型擬合度好。統(tǒng)計量數(shù)值對應的尾概率值Sig.均小于0.015，其對應的自變量作用顯著，由此可以認為回歸方程中的儲層描述參數(shù)對儲層描述準確客觀?；貧w結果見表2。

表2 壓后產量影響因素逐步回歸結果

標準回歸系數(shù)b*絕對值的大小代表著不同影響因素對地質效果影響的大小，從回歸結果來看，影響地質效果的主要因素為：地震剖面、地層測試情況、地質背景，尤其以地震剖面及地層測試情況影響顯著。其影響程度順序為地震剖面因素＞地層測試情況＞地質背景，可見，反映遠井儲層特征的這些地質因素能夠更好地反映儲層的試油地質效果。而其他因素諸如油氣顯示、測井及改造強度等與地質效果相關性不強。換句話說，對于存在有利儲層，物探反映（串珠、雜亂等反射）縫洞發(fā)育帶、壓前測試顯示好及地質背景有利的井試油取得良好地質效果的概率大，而井筒顯示及改造強度往往與地質效果相關性不強。

從上述統(tǒng)計結果可以看到，由于地震資料是油氣藏構造形態(tài)和儲層地質特征的綜合反映，對于縫洞型碳酸鹽巖儲層，高精度的三維地震資料能夠很好地反映縫洞儲集體的基本形態(tài)和空間展布，因此制定縫洞型碳酸鹽巖水平井分段改造方案需要充分利用三維地震對縫洞刻畫結果［8-10］。

1.2 水平井分段改造優(yōu)化方法

1.2.1 分段級數(shù)優(yōu)化 首先，對于常規(guī)均質儲層通過油氣藏數(shù)值模擬即可優(yōu)化得到水平井分段段數(shù)、裂縫長度和導流能力。但對于非均質性碳酸鹽巖，從上述壓前評估統(tǒng)計研究可知，需要充分考慮地震資料對縫洞發(fā)育體的描述，是水平井分段方案優(yōu)化的參考依據。

以塔里木A井為例，該井位于塔里木盆地某巖性圈閉中部，根據儲層在剖面和平面上的展布特征，依據平面和剖面三維地震對儲層的反映，在井眼軌跡附近存在6個有利儲集體，因此初步確定該井分6段改造，每一分段對應一個有利儲集體。為進一步確認分段的段數(shù)，需要考慮最大主應力方向，即人工主裂縫延伸方向，要有利于溝通儲集體。從該井有利儲集體平面展布情況可以看到，井眼軌跡的方位為320°～330°，該井區(qū)最大主應力方位北東—南西向，二者呈近垂直關系，有利于形成橫切縫，從而形成各段可能溝通各自有利儲集體的改造目標，從而進一步確認對該井分6段進行壓裂。

對非均質性碳酸鹽巖，其改造目的為溝通鉆井時未鉆遇或不能鉆遇的有利儲集體（防止發(fā)生大規(guī)模井漏），通過酸壓裂形成的人工裂縫達到連通有利油氣儲集體，從而達到大幅度提高單井產量的目的，這點與常規(guī)砂巖的儲層改造理念完全不同。

1.2.2 各段儲層改造方案優(yōu)化 根據井斜測井數(shù)據和三維地震資料進行疊合，把井眼軌跡投影在地震剖面和儲層平面預測圖上，即可將有利儲集體與井眼軌跡的空間關系進行定量分析（圖1）。仍以A井為例，從圖1中分析結果顯示，縱向上井眼軌跡位于縫洞儲集體頂部，距良里塔格組灰?guī)r頂距離最大59 m、最小15 m；距最近的縫洞儲集體中部的距離最大45 m、最小33 m；距下部較遠處串珠狀顯示的縫洞儲集體的距離分別為164 m、192 m；而且在平面上的投影距離除第2段與井眼軌跡重疊外，其他各段均有100 m左右的距離。

在明確各段儲集體與井眼間距離及空間位置后，即可根據各段的改造目標，再結合各段壓前綜合地質認識確定各段的改造工藝和改造規(guī)模。

1.3 水平井分段改造設計流程

總結上述優(yōu)化方法和思路，基于物探資料對有利儲集體的描述，即可形成完整的非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造優(yōu)化設計流程圖（圖2）。

圖1 塔里木A井目的層分段改造方案確定依據圖（上圖為地震資料解釋儲層剖面圖，下圖為儲層預測平面圖）

圖2 非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造設計流程

2 高溫深層碳酸鹽巖改造液體系的確定

酸壓裂施工成功的關鍵是酸蝕裂縫的有效作用距離及其導流能力，特別是對于非均質性碳酸鹽巖，酸蝕裂縫有效作用距離是溝通非均質性碳酸鹽巖儲層縫洞系統(tǒng)、取得良好地質效果的保證。影響酸蝕有效作用距離的因素主要有酸液的濾失、酸液的緩速性能、注酸排量、儲層溫度等。有效控制濾失和延緩酸巖反應速度是保證增大酸蝕縫長的關鍵，因此研發(fā)和完善新型低濾失、緩速酸液體系是高溫深層碳酸鹽巖儲層改造取得成功的關鍵。

為提高裂縫有效酸蝕縫長，國內外主要從降低濾失和降低高溫酸巖反應速度兩方面開展研究，并研發(fā)出乳化酸、稠化酸、就地交聯(lián)清潔酸、溫控變黏酸等多種酸液體系［9-11］。但塔中碳酸鹽巖地層溫度一般均超過140 ℃，目前上述酸液體系難以滿足如此高溫儲層的酸壓需求。針對地面交聯(lián)酸耐溫較低現(xiàn)狀，基于合成聚合物類稠化劑，研發(fā)合成酸性條件下的配套交聯(lián)劑，從而形成耐溫耐剪切的交聯(lián)酸體系，并對其流變及緩速性能進行評價。

2.1 地面交聯(lián)酸流變性能

實驗考查了20%HCl+0.9%DMJ-130A（稠化劑）+2%緩蝕劑+1%破乳劑+1%助排劑+0.4%調理劑+0.9%交聯(lián)劑（調理劑:交聯(lián)劑=1:1）在140℃高溫條件下的耐溫耐剪切性能。實驗結果表明，該體系剪切速率為170 s-1條件下剪切60 min后，黏度仍保持100 mPa·s以上，遠大于常規(guī)稠化酸體系黏度，其在140 ℃條件下的流變性能保證了該體系的低濾失速度，從而保證酸液體系的深穿透。

2.2 地面交聯(lián)酸緩速性能

為考查地面交聯(lián)酸體系的緩速性能，需要對其反應動力學參數(shù)進行評價。當溫度、壓力恒定時，反應速度與反應物濃度的適當次方的乘積成正比，在酸巖反應中巖石的濃度可視為定值，反應系統(tǒng)的酸巖反應速度可表示為

式中，J為酸巖反應速度，mol/（cm2·s）；K為反應速度常數(shù)，（mol/L）-m/（cm2·s）；C為酸液濃度，mol/L；m為反應級數(shù)，無因次。

利用室內高溫旋轉圓盤實驗裝置測定地面交聯(lián)酸體系在140 ℃條件下酸巖反應速度為J=1.269×10-6C1.0447，而在相同條件下常規(guī)膠凝酸方程為J=5.976×10-6C1.1568，從兩式對比可明顯看到，交聯(lián)酸體系可有效降低酸巖反應速度。

該體系在降濾、緩速2方面的優(yōu)勢為形成更長的酸蝕縫長奠定基礎，通過模擬表明在相同液量條件下，該體系的酸蝕縫長較常規(guī)膠凝酸可提高40%～60%。可大幅度提高溝通非均質儲層有利儲集體的概率。同時通過結合多級注入和閉合酸化等工藝，地面交聯(lián)酸也可以取得較高的導流能力［17］，從而為保證改造效果提供條件。

3 分段改造工具的研制

3.1 分段改造工具優(yōu)選

水平井分段改造工藝主要分為：多級滑套封隔器水平井分段壓裂技術、快鉆式橋塞分段壓裂技術及水力噴射分段壓裂技術3大技術系列［18-20］。

碳酸鹽巖儲層井眼穩(wěn)定性好，多采用裸眼完井，同時由于酸壓溝通有利儲集體后縫洞型碳酸鹽巖，因此，壓后進行壓井、起下管柱等作業(yè)，易出現(xiàn)“又噴又漏”現(xiàn)象，鉆井液密度窗口極窄，帶來較大的井控風險，特別是對于深層碳酸鹽巖尤為明顯。綜合上述因素，對于非均質性碳酸鹽巖儲層適宜完井—改造一體化，從而降低施工風險，提高改造效率［21-22］，因此首選裸眼封隔器+多級滑套完井改造一體化管柱作為深層非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造工具。該技術流程為首先根據前述分段原則分別在指定位置下入封隔器、滑套等，通過打壓或注入柴油等坐封（遇油膨脹）裸眼管封隔器實現(xiàn)段間封隔，然后通過井口投入不同尺寸球相應打開各級滑套，依次逐段進行壓裂，其施工快捷，作業(yè)效率高，且可作為完井管柱實現(xiàn)碳酸鹽巖儲層的開發(fā)。

3.2 分段改造工具有效性分析

裸眼封隔器+多級滑套完井改造一體化管柱的技術關鍵可概況為“下得去、封得住、打得開、壓得成”，即工具串的順利下入、封隔器的有效封隔、滑套的有效打開及施工的成功完成。其中封隔器封隔及滑套的打開是分段技術的核心，采用哈里伯頓公司的遇油膨脹封隔器+多級投球滑套工具進行施工，封隔器及滑套施工性能切實有效。

3.2.1 封隔器有效性分析 由于完井改造一體化工具難以實現(xiàn)產液剖面測試，因此可以通過分析各段施工壓力，特別是停泵壓力及壓降速度差異來確定各層間的封隔有效性。以T7H井為例，壓前綜合評分認為各段有差異，壓后表現(xiàn)的停泵壓力和壓降速率表明各層間差異大，且與壓前認識有很好的一致性，這充分證明各段間實現(xiàn)了有效封隔。

3.2.2 壓裂滑套有效性分析 由于投球打開滑套過程中需要剪掉銷釘，在壓裂施工曲線上會出現(xiàn)明顯的壓力響應，即球入座后突升、球座打掉后突降。以A井為例，該井分為6段改造，從施工曲線可以看到，除第2段壓力不甚明顯外，其余各段滑套打開壓力響應明顯，均有2～20 MPa的壓力變化，表明壓裂滑套性能的有效性。

4 現(xiàn)場應用

通過采用基于地震資料的優(yōu)化設計方法、高溫緩速酸液體系及裸眼封隔器多級滑套工具在現(xiàn)場實施水平井分段改造超過12井次，分段酸壓工藝均取得成功，且全部獲得工業(yè)油氣流。最長改造井段達982 m，最大井深達6 780 m，最大水平位移井1 172 m，最多改造段數(shù)為6級。

從典型井壓裂后求產情況來看，由于能夠通過優(yōu)化分段及有效溝通更多的有利儲集體，水平井分段改造較直井壓后效果有顯著提高，基本實現(xiàn)了碳酸鹽巖儲層的高產穩(wěn)產。統(tǒng)計結果表明，水平井分段改造后單井產量較壓前均有大幅提高，是鄰井同類儲層直井的3～5倍。

5 結論與認識

（1）建立了基于物探資料的非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造優(yōu)化設計方法，可實現(xiàn)有利儲集體的溝通，從而發(fā)揮水平井開發(fā)的優(yōu)勢。

（2）形成了一套耐溫140 ℃的地面交聯(lián)酸體系，其流變、緩速性能較常規(guī)膠凝酸體系有大幅度提升，可實現(xiàn)長的酸蝕縫長。

（3）非均質碳酸鹽巖水平井分段改造技術針對性強，增產顯著，具有廣闊推廣應用前景，下一步可通過引入可開關滑套等工具實現(xiàn)后期開發(fā)的有效管理。

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（修改稿收到日期 2013-12-25）

（編輯 景 暖）

Segmented reconstruction technique of high-temperature deep heterogeneous carbonate horizontal well

LI Yongping1,WANG Yonghui1,CHENG Xingsheng1,CHE Mingguang1,ZHANG Fuxiang2,PENG Jianxin2
（1.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Langfang065007,China;2.Tarim Oilfield Co.,Ltd.,CNPC,Korla841000,China）

The conventional design method is no longer applicable to the segmented reconstruction and optimization of horizontal well due to the strong carbonate heterogeneity.The characteristics of Tazhong area such as high temperature,deep layer and seam/cave development bring more challenges for reservoir fluid reconstruction and segmented reconstruction process.This article is based on the analysis of the data about heterogeneous reservoir characteristics,determines the pre-fracturing reservoir description model designed for reconstruction and reflects the important guiding function of the seismic data about distant-well reservoir characteristics in the reconstruction design.On the basis of this recognition and the fine seam/cave carving,the design method for segmented reconstruction and optimization of heterogeneous carbonate horizontal well is developed.And a cross-linked acid system with the heat resistance of 140 ℃ is established through thickener optimization and R&D of cross-linking agent,and its characteristics of low leak-off and excellent reducing rate of acid-rock reaction provide the basis for deep penetration of acid corrosion seam.On the basis of development characteristics of carbonate seam/cave,the open hole packer,a horizontal-well segmented fracturing tool with multi-stage sliding sleeve,is recommended,so as to form a systematic horizontal-well segmented reconstruction technique.The field application indicates that this technique has a good applicability and increases the yield significantly.Therefore,this technique has a great prospect of popularization and application in the similar heterogeneous marine carbonate reservoir at home.

carbonate rock;horizontal well;reservoir reconstruction;cross-linked acid;stepwise regression

李永平，王永輝，程興生，等.高溫深層非均質性碳酸鹽巖水平井分段改造技術［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：107-111.

TE357

：A

1000-7393（2014）01-0107-05

10.13639/j.odpt.2014.01.029

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“海相碳酸鹽巖儲層改造與測試配套技術研究與應用”（2008E-0712）資助。

李永平，1980年生。2004年畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事儲層改造技術研究和現(xiàn)場技術服務工作。E-mail：lyongping@gmail.com。