吳木旺 梁 豪 姜洪豐

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

吳木旺，梁豪，姜洪豐.瓊東南盆地深水區(qū)高滲氣井測試設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：31-36.

深水氣井測試是當(dāng)今世界油氣勘探技術(shù)難題之一，測試程序的優(yōu)化、工作制度的確定、井筒水合物及地層出砂的防治等問題是其主要難點。我國深海勘探起步較晚，此前深水油氣測試技術(shù)一直被少數(shù)國際大公司壟斷；而南海深水區(qū)油氣地質(zhì)條件復(fù)雜［1］，勘探開發(fā)技術(shù)難度和投入較大［2］，加上測試設(shè)計須考慮天然氣水合物的形成條件及其防治［3-6］，求取產(chǎn)能方程須滿足較高的開發(fā)需求，這些因素大大增加了深水氣井測試的難度和風(fēng)險。本文通過預(yù)防水合物生成和出砂等情況下的臨界測試流量分析［7］，設(shè)計出了深水高滲氣井測試的合理工作制度，建立了數(shù)值試井模型并確定出壓力恢復(fù)及探邊測試時間，優(yōu)化了測試管柱和測試工藝程序，成功指導(dǎo)實施了瓊東南盆地深水區(qū)陵水凹陷LSX-N-1井深水測試作業(yè)，為類似深水高滲氣田測試設(shè)計提供了理論依據(jù)和實用方法。

1 工程地質(zhì)背景

LSX-N構(gòu)造位于瓊東南盆地深水區(qū)陵水凹陷東部，是由多個相對獨立的砂體組成的構(gòu)造＋巖性圈閉群（圖1）。該構(gòu)造濁積水道砂巖儲層發(fā)育，構(gòu)造下方熱流體活動活躍，油氣成藏條件優(yōu)越。LSXN構(gòu)造區(qū)已鉆探的7口井均鉆遇中新統(tǒng)黃流組Ⅰ氣組砂體，鉆遇地層厚度為23.8～89.7 m，儲層厚度為11.6～59.2 m，整體為厚層灰色、淺灰色細(xì)砂巖及粉砂巖，局部夾薄層灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，單砂體厚度大，夾層僅在局部零星發(fā)育。從氣水分布上看，該構(gòu)造各砂體氣層主要分布在構(gòu)造高部位，具有不同的氣水界面和壓力系統(tǒng)，且多為底水氣藏，少數(shù)為邊水氣藏，水體能量不強，氣藏主要為彈性驅(qū)動和邊、底水驅(qū)動。

圖1 LSX-N構(gòu)造巖性圈閉群Fig.1 Lithologic traps of LSX-N structure

LSX-N-1井位于LSX-N構(gòu)造B塊，在黃流組I、II、IV氣組均見良好油氣顯示，共鉆遇氣測異常砂巖64.0 m，測井解釋氣層53.4 m（其中I氣組氣層39.1 m，未鉆遇氣水界面），測試段測井滲透率高達(dá)239.6 mD。為獲得該構(gòu)造區(qū)儲層物性、產(chǎn)能及流體性質(zhì)等參數(shù)，為本圈閉群的開發(fā)及周邊下一步勘探提供依據(jù)，決定對未鉆遇氣水界面的LSX-N-1井I下氣組（3 321.0～3 351.0 m井段）進(jìn)行測試作業(yè)。

2 測試程序簡化

常規(guī)氣井測試一般采用二開二關(guān)的測試程序［8］，初開、初關(guān)的主要目的是疏通儲層流體流動通道，測取儲層原始壓力，獲取儲層測后能量衰減分析基準(zhǔn)值，為第二次開、關(guān)井獲得準(zhǔn)確的產(chǎn)能和有代表性的儲層流體樣品等資料打下基礎(chǔ)。

深水氣井測試過程中水合物生成的風(fēng)險極大，多次開關(guān)井易造成水合物生成并堵塞管柱，在影響測試施工的同時還可能造成惡性事故，因此測試期間應(yīng)嚴(yán)控開關(guān)井的次數(shù)，這就要求簡化測試程序。通過優(yōu)化測試管柱（圖2），在測試管柱下部增加一個壓力計托筒攜帶壓力計，這樣既可利用多個監(jiān)測點壓力、溫度數(shù)據(jù)判斷水合物生成情況，也可結(jié)合測井測壓的有效儲層原始壓力數(shù)據(jù)判斷測后儲層能量的衰減，從而創(chuàng)新形成了“快速清井、低速取樣、調(diào)產(chǎn)緩變、關(guān)井恢復(fù)”的一開一關(guān)測試程序，在縮短測試時間的同時實現(xiàn)了二開二關(guān)功能，減少了多次開關(guān)井造成的壓力激動導(dǎo)致水合物生成等風(fēng)險，提高了測試作業(yè)的安全性。

圖2 陵水凹陷LSX-N-1井部分測試管柱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of part of the test string in Well LSX-N-1

3 測試工作制度設(shè)計

深水氣井測試若采用傳統(tǒng)的大壓差、過高流量防噴、求產(chǎn)的做法可能導(dǎo)致儲層出砂、坍塌、測試管柱變形或破壞，甚至井口裝置、地面流程也遭破壞；但若測試流量過低，則可能達(dá)不到清井排液的目的，甚至導(dǎo)致水合物生成而使測試失?。?-10］。因此，有必要根據(jù)不同的臨界情況來設(shè)計合理的工作制度。

3.1 臨界測試流量

LSX-N-1井作業(yè)水深1 447.20 m，泥面溫度為3～4℃，具有形成水合物的風(fēng)險；黃流組I下氣組氣層巖性疏松，極易出砂；儲層測井滲透率高，測試的有效滲透率更高，且產(chǎn)能高，難以拉開流動壓差。為避免測試過程中傷害儲層，合理的測試壓差除了滿足與不同生產(chǎn)目的、開采方式和供需關(guān)系相協(xié)調(diào)外，還應(yīng)結(jié)合儲層特點滿足避免破壞井底和傷害儲層而造成儲層變形和測試井大量出砂、測試期間不生成天然氣水合物、測試流量具有足夠的攜液能力等要求。其中，測試流量應(yīng)滿足

式（1）中：Qlim為最小攜液產(chǎn)量，m3／d；Qwc為不生成水合物的最小產(chǎn)量，m3／d；Qs為不出砂的最大產(chǎn)量，m3／d；Qy為不引起儲層變形的臨界產(chǎn)量，m3／d；Qr為測試流量，m3／d。

3.1.1 攜液所需的最小測試氣流量

測試初期須排除氣井井筒中的積液（測試液和液墊）［11］，其所需的最小氣流速度為

式（2）中：σ為所排液體的表面張力，m N／m；ρL為井底積液密度，kg／m3；ρg為氣體密度，kg／m3；vc為氣體流速，m／s。

考慮測試管柱橫截面積為A，則排除井筒積液所需的最小氣流量為

式（4）中：σ（23.33）=76×e-0.0362575p；σ（137.78）=52.5-0.870 18p。

LSX-N-1井測試段地層壓力為39.077 2 MPa，溫度為77℃，積液密度為1 300 kg／m3，氣體相對密度為0.663 6，測試管柱半徑取值0.101 m，計算得到的該井?dāng)y液所需最小測試流量約為10.75萬m3／d。

3.1.2 不形成水合物所需的最小測試氣流量

水合物的生成對于深水高滲氣井測試的成敗具有至關(guān)重要的影響，關(guān)于深水井測試過程中水合物生成規(guī)模已有大量研究［12-14］。利用已有模型對LSX-N-1井測試管柱中水合物形成區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測。圖3為該井不同氣體流速下的井筒溫度分布曲線，可以看出氣體流量對水合物生成的影響極大。當(dāng)流速為0時（關(guān)井），井深1 981 m以上均處于水合物穩(wěn)定區(qū)，最大過冷度出現(xiàn)在泥面附近，約為23℃；當(dāng)流速為（5～25）萬 m3／d時，井筒內(nèi)存在一定的水合物穩(wěn)定區(qū)；而當(dāng)流速大于25萬m3／d時，則可避免整個井筒生成水合物。因此，該井不形成水合物的最小測試流量約為25萬m3／d。

式（3）中：p為地層壓力，MPa；A為測試管柱橫截面積，m2；T為地層溫度，℃；Z為氣體壓縮因子。

表面張力σ的計算公式為

圖3 LSX-N-1井不同氣體流速下井筒溫度場Fig.3 Wellbore temperature field at different gas flow rates in Well LSX-N-1

3.1.3 儲層不出砂所需的最大測試流量

現(xiàn)場經(jīng)驗表明，當(dāng)生產(chǎn)壓差小于儲層單軸抗壓強度的一半時，可保持儲層開采初期不出砂［7］。如圖4所示，利用測井資料計算得到的LSX-N-1井測試段出砂的最大測試壓差約為1.5 MPa，結(jié)合數(shù)值模型預(yù)測視表皮系數(shù)為10時不出砂的最大測試流量約為162萬m3／d。地層出砂臨界壓差計算公式為

式（5）中：Δps為地層出砂臨界壓差，MPa；C1為巖石的黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

圖4 LSX-N-1井測試段地層出砂臨界壓差Fig.4 Critical pressure of sanding for test section in Well LSX-N-1

3.2 工作制度設(shè)計

LSX-N-1井MDT測壓取樣推斷的儲層滲透率為938 mD，儲層孔隙度為25.6%，含水飽和度為31.1%，天然氣組分中CO2含量為0.4%，C1含量為89.961%，C2含量為4.843%，C3含量為2.230%，其他組分含量為2.566%。利用氣體組分模型計算得到的儲層條件下PVT參數(shù)為：天然氣體積系數(shù)為3.283×10-3m3／m3，黏度為0.031 mPa·s，壓縮系數(shù)為0.013 7 MPa-1?？紤]臨界測試流量為（25～162）萬m3／d，HYSY981平臺測試流程具備200萬m3／d的測試能力，單井配產(chǎn)在（120～160）萬m3／d才能滿足開發(fā)需求，利用數(shù)值試井模型模擬設(shè)計的求產(chǎn)產(chǎn)能初開井測試程序見表1。

表1 LSX-N-1井求產(chǎn)產(chǎn)能初開井測試程序Table 1 Production test program of first time open well in Well LSX-N-1

4 探邊測試設(shè)計

高滲氣井的污染是由儲層真污染表皮系數(shù)和紊流效應(yīng)造成的表皮系數(shù)所構(gòu)成，即

式（6）中：Sa為包含有紊流效應(yīng)的擬表皮系數(shù)；S為氣井的真表皮系數(shù)；Qg為氣井產(chǎn)量，m3／d；D為非達(dá)西流系數(shù)，m3／d。

在高產(chǎn)儲層，紊流造成的表皮系數(shù)通常遠(yuǎn)高于真實儲層污染，非達(dá)西流系數(shù)D可采用陳元千等［15］的流量變表皮方法進(jìn)行計算，即

式（7）中：K為氣層有效滲透率，mD；h為儲層厚度，m；γg為氣相對密度；μg為天然氣黏度，mPa·s；rw為井眼半徑，m；β為湍流系數(shù)，m-1。

據(jù)式（7）可得：對于 LSX-N-1井，dS／dQ（取239.6 m D）=3.11×10-6，dS／dQ（取938 m D）=2.84×10-6，由此估算出該井150萬m3／d流量下的變表皮系數(shù)為4.260～4.665。由于該井鉆井液濾液與儲層接觸時間長，污染帶可能較深，實際設(shè)計時考慮視表皮系數(shù)為5、10、15等3種情況。

結(jié)合數(shù)值試井模型得到的LSX-N-1井產(chǎn)能測試程序下的壓力波及范圍和邊界響應(yīng)如圖5所示，可以看出：滲透率為239.6 mD時，達(dá)到徑向流所需時間為0.020 h，到達(dá)第一條邊界的時間約為22 h（860 m 左右），約75 h時（1 200 m 左右）可能探到氣水邊界，約400 h（3 600 m左右）時壓力可能波及到模型東側(cè)邊界；滲透率為938 mD時，達(dá)到徑向流所需時間為0.008 h，到達(dá)第一條邊界時間約為4 h，12 h時（1 200 m左右）可能探到氣水界面，約100 h（3 600 m左右）時壓力可能波及到模型東側(cè)邊界。由于LSX-N-1井新區(qū)塊無鄰井資料可以借鑒，且海上類似疏松儲層測試表明測試滲透率一般大于測井滲透率，考慮到深水測試費用高、作業(yè)時間有限，探邊測試設(shè)計主要探測出第一條巖性邊界，同時兼顧西南部的氣水邊界和南部的巖性邊界，因此推薦該井壓力恢復(fù)時間為30～50 h，具體恢復(fù)時間視現(xiàn)場實際情況再進(jìn)行調(diào)整。

圖5 LSX-N-1井?dāng)?shù)值試井模型（a）及擬壓力與導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線（b）Fig.5 Numerical testing model（a）and pressure-pressure derivative double logarithmic curve（b）of Well LSX-N-1

5 實施效果分析

LSX-N-1井測試作業(yè)從2014年8月6日開始，至2014年8月26日結(jié)束，測試管柱采用分趟下入的插入式封隔器組合管柱：TCP＋插入式可回收封隔器＋DST工具＋油管＋深水專用水下測試樹。使用外徑11.43 cm、孔密16孔／m、裝配PJOmega4505HMX型射孔彈的射孔槍射孔，射開儲層后分別在泥面以下、泥面和地面油嘴管匯前向測試流程內(nèi)注入防水合物的甲醇，并打開可調(diào)油嘴放噴，根據(jù)井口壓力等變化調(diào)節(jié)產(chǎn)量，實現(xiàn)快速清井和有效抑制水合物生成。清噴完測試管柱內(nèi)的液墊、壓井液后，流體導(dǎo)入分離器分離、計量，分別用12.70、9.53、19.05和25.40 mm油嘴求產(chǎn)，取得準(zhǔn)確的產(chǎn)能資料，后關(guān)井34h測取恢復(fù)資料，如圖6所示，可以看出不同油嘴下獲得的代表性產(chǎn)能分別為74.29、48.30、123.73、160.63萬 m3／d，回歸得到的二項式產(chǎn)能方程為

式（8）中：Ψr為地層壓力對應(yīng)的擬壓力，MPa2／（mPa·s）；Ψwf為井底壓力對應(yīng)的擬壓力，MPa2／（mPa·s）；qg為氣產(chǎn)量，m3／d。

在此基礎(chǔ)上，計算得到的該井無阻流量為4 276萬m3／d。該井整個測試過程與設(shè)計基本一致，無水合物生成和出砂跡象，取得了完整的測試資料。

圖6 LSX-N-1井測試壓力歷史圖Fig.6 History matching of test pressure for Well LSX-N-1

圖7為篩管外壓力計所記錄的該井井下關(guān)井壓力與壓力導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線，可以看出，經(jīng)歷明顯的徑向流后出現(xiàn)邊界反映。該井測試資料解釋得到氣層有效滲透率為565 m D，總表皮系數(shù)為0.78，井儲系數(shù)為0.048 8 m3／MPa，巖性邊界約為880 m和940 m，西南方向氣水邊界約為1 200 m，清晰勾畫出了測試氣層的含氣范圍。

圖7 LSX-N-1井?dāng)M壓力與導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線Fig.7 Pressure-pressure derivative double logarithmic curve of Well LSX-N-1

根據(jù)不同深度壓力計記錄的該井關(guān)井末壓力求取靜壓梯度，推測氣藏中部深度壓力并與MDT測壓進(jìn)行比較，如表2所示，測試后壓力衰減3.52 kPa，說明氣層能量足，供給強。

表2 LSX-N-1井測試后儲層能量評價表Table 2 Reservoir energy evaluation after testing in Well LSX-N-1

6 結(jié)論

1）通過簡化深水氣井測試程序，創(chuàng)新形成了深水氣井的“快速清井、低速取樣、調(diào)產(chǎn)緩變、關(guān)井恢復(fù)”的一開一關(guān)井測試程序，大大縮短了測試時間，降低了安全風(fēng)險，達(dá)到二開二關(guān)井測試的目的。

2）基于臨界攜液流量、水合物生成流量以及出砂流量分析確定深水高滲氣井合理測試工作制度，可以有效防止水合物生成和儲層出砂對測試作業(yè)的影響。

3）深水高滲氣井測試設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)在瓊東南盆地陵水凹陷LSX-N-1井進(jìn)行了成功應(yīng)用，該井測試實施與測試設(shè)計基本一致，測試資料達(dá)到了準(zhǔn)確評價儲層的目的，表明本文方法能夠指導(dǎo)深水氣井的測試設(shè)計。

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