王 達(dá) 馮浦涌 周福建 崔 波 董建安 王壽鑫
(1.中海油田服務(wù)股份有限公司中東公司伊拉克分公司,伊拉克 米桑省 61001;2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249;3.中海油伊拉克有限公司伊拉克 米桑省 61001)
中東地區(qū)儲層主要為海相沉積碳酸鹽巖[1],鉆完井時工作液漏失尤其是鉆井液濾餅對儲層滲透率的降低作用是導(dǎo)致此類儲層污染的主要因素,絕大部分油井完井后需要進(jìn)行酸化作業(yè)才能投產(chǎn)。碳酸鹽巖儲層較砂巖儲層非均質(zhì)性更強,尤其是酸液與儲層高滲層位接觸反應(yīng)生成蚓孔后,高滲層位與低滲層位滲透率級差進(jìn)一步增大,因此酸液轉(zhuǎn)向技術(shù)是此類儲層基質(zhì)酸化的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。酸液轉(zhuǎn)向技術(shù)可分為機械轉(zhuǎn)向技術(shù)和化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)2 類。機械轉(zhuǎn)向方式主要包括封隔器轉(zhuǎn)向、堵球轉(zhuǎn)向和連續(xù)油管轉(zhuǎn)向3 種。化學(xué)轉(zhuǎn)向方式主要包括泡沫轉(zhuǎn)向、固體暫堵劑轉(zhuǎn)向、聚合物轉(zhuǎn)向以及黏彈性表面活性劑轉(zhuǎn)向4 種。各種轉(zhuǎn)向技術(shù)均有各自優(yōu)缺點,且通常將2 種方式相結(jié)合酸液轉(zhuǎn)向效果更好[3]。連續(xù)油管轉(zhuǎn)向酸化工藝具有費用低、作業(yè)風(fēng)險小以及布酸效果較好的優(yōu)點,在射孔段較長、射孔段跨度較大的一些直井、定向井和水平井中廣泛應(yīng)用。具體布酸工藝方面,對于水平井根據(jù)其污染帶特征主要采取圓錐臺體布酸方式[4],對于直井因其污染相對水平井較輕,目前沒有專門針對儲層特征以及直井污染特征的布酸方式研究,主要采取在射孔段內(nèi)定點或者勻速往復(fù)拖動實現(xiàn)酸液在整個儲層的均勻分配,或者僅根據(jù)儲層含水情況調(diào)節(jié)拖動速度從而控制油、水層的進(jìn)酸量[5]。但是,這種均勻布酸工藝并沒有考慮各個小層的物性差別,會導(dǎo)致儲層酸化后高滲層和低滲層之間的滲透率級差進(jìn)一步擴大,使得酸化后產(chǎn)油剖面不均。
在伊拉克A 油田直井酸化作業(yè)中應(yīng)用均勻布酸工藝后,測試結(jié)果顯示采油剖面非常不均,很多薄差層沒有貢獻(xiàn)產(chǎn)量,單井產(chǎn)能普遍低于采用油管酸化的鄰井。針對該問題,基于碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性較強的特征以及有別于砂巖儲層特殊的蚓孔旁通增產(chǎn)機理,提出了基于碳酸鹽巖儲層各小層物性差異進(jìn)行酸蝕蚓孔長度差異化調(diào)節(jié)的連續(xù)油管差異化布酸工藝,并在該油田進(jìn)行了試驗應(yīng)用。
伊拉克A 油田M 儲層屬于溶蝕孔隙型灰?guī)r儲層,儲層中深4 000 m,儲層厚度較大,可達(dá)80 ~100 m??紫抖葹?%~21%,測井解釋滲透率為2.1×10-3~95.7×10-3μm2。該層僅有一套滲流系統(tǒng),但部分層段溶蝕孔洞、微裂縫發(fā)育。該儲層為潟湖環(huán)境中潮道沉積,粒級上表現(xiàn)為正韻律特征,儲層縱向非均質(zhì)性極強[6]。不同沉積相儲層物性差異較大,中高滲儲層主要發(fā)育于高能沉積環(huán)境,中低滲、低滲儲層主要發(fā)育于低能沉積環(huán)境。但儲層物性也不完全受沉積相控制[7],同一沉積相儲層物性差異也較大,其物性由上至下逐漸變差,導(dǎo)致在酸化過程中,酸液優(yōu)先進(jìn)入上部高滲層位,進(jìn)一步增加了上部高滲層與下部低滲層滲透率差值,從而導(dǎo)致低滲層位無法得到有效動用。
另外,完井射孔長度以及射孔跨度對均勻布酸效果也有重要影響。隨著該油田地層壓力系數(shù)的不斷下降,新鉆油井需要打開不同非主力層位以穩(wěn)定油井產(chǎn)能,所以新鉆井的射孔跨度逐漸增大且射孔段厚度逐漸加大,導(dǎo)致儲層均勻改造難度進(jìn)一步增大。
伊拉克A 油田在對M 儲層進(jìn)行連續(xù)油管酸化施工時首先采用了傳統(tǒng)連續(xù)油管均勻酸化工藝,首先將連續(xù)油管下到儲層的頂部,然后在整個射孔段內(nèi)以5 ~10 m/min 的低速往復(fù)拖動以實現(xiàn)均勻布酸。但是,由于該油田M 儲層非均質(zhì)性較強,在采取勻速拖動連續(xù)油管的布酸方式施工后,高滲透性儲層和低滲透性儲層設(shè)計的酸化強度相同,導(dǎo)致高滲層段酸化后與低滲儲層的滲透率級差進(jìn)一步擴大,酸化后產(chǎn)液剖面測井結(jié)果顯示產(chǎn)液剖面非常不均,底部低滲層無法得到有效改造。經(jīng)統(tǒng)計測試目標(biāo)井儲層有效動用程度平均值為58.3%(表1)。
表1 傳統(tǒng)連續(xù)油管均勻酸化工藝布酸效果Table 1 Acidized results by conventional coiled tubing for even acidizing technique
碳酸鹽巖儲層連續(xù)油管差異化酸化工藝是一個系統(tǒng)的連續(xù)油管酸化技術(shù),包括基于碳酸鹽巖儲層各小層物性差異及其特殊的蚓孔旁通增產(chǎn)機理的連續(xù)油管差異化布酸模式、基于Mapdir 理念的連續(xù)油管差異化酸化輔助工藝(連續(xù)油管選型、酸液體系優(yōu)選和噴嘴選型)。
連續(xù)油管酸化是常用轉(zhuǎn)向酸化方法中的一種,通過在目標(biāo)層段拖動連續(xù)油管對儲層進(jìn)行選擇性布酸。目前水平井連續(xù)油管酸化施工一般根據(jù)水平井的污染特征采取圓錐臺體布酸方式[4]。而直井污染情況和水平井污染情況不同,直井射孔段相對水平井較短、鉆井液浸泡時間短且射孔段之間鉆井液壓差較小,因此倒圓錐臺體布酸方式對直井并不適用。目前尚無針對直井的連續(xù)油管布酸方式研究,僅根據(jù)儲層含水情況調(diào)節(jié)連續(xù)油管拖動速度來調(diào)節(jié)各小層布酸量。
但由于碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性普遍較強,酸液易進(jìn)入高滲層段,導(dǎo)致高滲、低滲儲層間滲透率級差進(jìn)一步擴大,高滲層過早見水以至低滲段儲層得不到有效動用。因此本文針對碳酸鹽巖儲層有別于砂巖儲層的特殊的蚓孔旁通增產(chǎn)機理,以及碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性強的巖性特征,提出了碳酸鹽巖儲層連續(xù)油管差異化布酸模式。
3.1.1 碳酸鹽巖儲層有別于砂巖儲層的特殊增產(chǎn)機理
碳酸鹽巖儲層與砂巖儲層酸化機理不同之處在于,相對于砂巖儲層酸化僅能解除污染并恢復(fù)儲層滲透率,碳酸鹽巖儲層酸化可在井筒周圍形成酸蝕蚓孔穿透區(qū)。在該穿透區(qū)內(nèi)因為酸蝕蚓孔滲透率遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率,使得該區(qū)域地層流體主要通過酸蝕蚓孔進(jìn)行滲流,且滲流壓差幾乎為零[8-9]。所以,與砂巖儲層相比,碳酸鹽巖儲層基質(zhì)酸化不僅能恢復(fù)地層滲透率,還可以在一定幅度上提高目標(biāo)層的產(chǎn)能,如圖1二區(qū)模型所示[10]。某些碳酸鹽巖儲層油、水井酸化作業(yè)后表皮系數(shù)甚至可達(dá)-2~-4[11]。
圖1 酸化后近井地帶示意(二區(qū)模型)Fig.1 Sketch of near wellbore area after acidized(Two-region model)
3.1.2 碳酸鹽巖儲層連續(xù)油管差異化布酸計算方法
基于上述碳酸鹽巖儲層酸化增產(chǎn)機理提出了連續(xù)油管差異化布酸模式。即利用連續(xù)油管拖動布酸特性,根據(jù)目標(biāo)各小層間滲透率的不同進(jìn)行差異化布酸,從而實現(xiàn)高滲層和低滲層酸化蚓孔長度的差異化,改變各小層近井地帶原始滲透率比值,增加相對低滲儲層滲流能力,從而達(dá)到調(diào)節(jié)酸后產(chǎn)油剖面和提高酸化后產(chǎn)能的目的。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果[10,12],蚓孔的穿深與酸液用量呈正相關(guān)。Gdanski 徑向流蚓孔穿深計算公式[12]為
式中:xtip——蚓孔穿深,cm;V——用酸強度,m3/m3;?——孔隙度,%。
因此,利用連續(xù)油管的可拖動性,根據(jù)碳酸鹽巖儲層的滲透率高低“差異化”調(diào)節(jié)布酸量,即可實現(xiàn)不同小層酸蝕蚓孔長度調(diào)節(jié):對低滲層位加大用酸強度,增加蚓孔穿深進(jìn)而獲得更低表皮系數(shù);而對高滲層位則降低用酸量,減小蚓孔穿深,從而可在一定程度上調(diào)節(jié)高、低滲層位的表皮系數(shù)差值,達(dá)到調(diào)節(jié)、改善酸化后產(chǎn)液剖面的目的。在進(jìn)行依據(jù)儲層物性差異化布酸酸化設(shè)計時,首先按照目標(biāo)井各小層滲透率高低分別為各小層設(shè)定酸后預(yù)期表皮系數(shù)S,取值在-1~-4,儲層滲透率越低的層表皮系數(shù)設(shè)定值越小。著名的二區(qū)模型Hawkins 公式[13],即
式中:S——表皮系數(shù);K——儲層原始滲透率,10-3μm2;Ks——改變后(污染或增產(chǎn)后)的儲層滲透率,10-3μm2。
公式(2)中K/Ks為地層滲透率與不同表皮系數(shù)下酸化后近井地帶滲透率的比值,可以參考目標(biāo)區(qū)塊以往的壓力恢復(fù)測試資料獲得。以伊拉克A油田M 儲層為例,其壓力恢復(fù)測試滲透率以及表皮系數(shù)統(tǒng)計見表2。
從表2可以看出,當(dāng)酸化解除污染后壓恢測試表皮系數(shù)接近于0 時,電測滲透率K與壓恢滲透率Ks接近,說明研究區(qū)塊基質(zhì)孔隙型碳酸鹽巖儲層的電測滲透率能夠很好地反映儲層的原始滲透率。而當(dāng)充分酸化后表皮系數(shù)為-2 或-3 時,儲層近井地帶接近超完善狀態(tài),K/Ks值很小。
表2 儲層滲透率以及表皮系數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of reservoir permeability and skin factors
這與碳酸鹽巖儲層有別于砂巖儲層的特殊酸化解堵機理相符:由于蚓孔滲透率與基質(zhì)孔隙滲透率存在數(shù)量級差別,蚓孔會對地層流體形成旁通作用,使得地層流體會優(yōu)先流入蚓孔再流入井筒,滲流壓差幾乎為零,從而大幅提高了近井地帶滲透率Ks,使得K/Ks值很小。
將各小層表皮系數(shù)的設(shè)定值S和井徑rw代入公式(2),即可求出各小層不同表皮系數(shù)情況下的近井地帶滲透率變化帶的半徑rs。
對于基質(zhì)孔隙型碳酸鹽巖儲層,因酸蝕蚓孔滲透率遠(yuǎn)大于其基質(zhì)滲透率,近井地帶滲透率變化帶的半徑(酸化增產(chǎn)半徑)rs就等于蚓孔穿深xtip。利用式(1)即可求出各小層的用酸強度V。
Mapdir 施工理念由G.Paccaloni 提出[14]。該理念通過采用最大排量施工,超過高滲透層吸液能力,從而將一部分酸液轉(zhuǎn)向其他滲透率較低的層位,提高酸液轉(zhuǎn)向效果。但是,該理念對施工排量要求較高,通常應(yīng)用于施工排量較大的油管酸化施工,而連續(xù)油管酸化施工的一個重要局限就是其施工排量較低[15],很難達(dá)到高滲層的吸液能力極限,形成Mapdir 轉(zhuǎn)向并影響蚓孔在儲層穿深。
通過連續(xù)油管選型、酸液體系改進(jìn)和噴嘴選型,大幅提高酸液排量,實現(xiàn)連續(xù)油管機械拖動轉(zhuǎn)向、Mapdir 轉(zhuǎn)向以及自轉(zhuǎn)向酸的層內(nèi)轉(zhuǎn)向有機結(jié)合,進(jìn)一步改善酸化后產(chǎn)油剖面,也可大幅增加酸液在儲層內(nèi)的穿透深度,從而提高酸化效果。
3.2.1 連續(xù)油管選型
碳酸鹽巖儲層與砂巖儲層酸化機理不同之處在于,碳酸鹽巖儲層酸化時形成的蚓孔可以旁通傷害帶,從而解除近井地帶污染并在一定幅度上提高油氣井產(chǎn)量,蚓孔的長度直接影響酸化解堵效果。A 油田原來采用直徑38.1 mm 連續(xù)油管進(jìn)行施工,排量僅0.2~0.3 m3/min。
通過西南石油大學(xué)碳酸鹽巖儲層酸化數(shù)模軟件[16]模擬表明該排量范圍下的蚓孔穿深較短,解堵效果較差(圖2(a))。而將排量提高到0.5 m3/min 以及1 m3/min,則蚓孔長度大幅增加(圖2(b)、(c))。另外,根據(jù)Mapdir 機理,通過將酸液排量大幅提高也會增加酸液在各小層之間的轉(zhuǎn)向效果。
圖2 不同排量下的蚓孔穿深數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation of wormhole penetration depths with different pumping rates
針對A 油田常用的連續(xù)油管管徑小、摩阻大導(dǎo)致施工排量小的問題,采用長度為5 000 m,直徑分別為38.1、44.5 以及50.8 mm 的3 種常用尺寸連續(xù)油管泵注鹽酸體系,其摩阻壓力損失的計算公式[17]為:
式中:Δp——流體摩阻壓力損失,MPa;f——摩擦系數(shù);ρ——酸液密度,kg/m3;v——酸液平均流速,m/s;L——連續(xù)油管長度,m;d——連續(xù)油管內(nèi)徑,m;f1——牛頓流體在直管段的摩擦系數(shù)(紊流);f2——牛頓流體通過螺旋管段的摩擦系數(shù)(紊流);a、b——常數(shù)(對于層流:a=16,b=1.0;對于紊流:a=0.079,b=0.25);Re——雷諾數(shù);D——滾筒心軸直徑,m。
計算結(jié)果見圖3。從圖3中可以看出,雖然各種連續(xù)油管管徑差別較小,但在相同酸液排量下不同管徑連續(xù)油管的摩阻壓降卻相差很大。A 油田之前使用的直徑38.1 mm 連續(xù)油管在各排量下的平均摩阻壓降約為直徑44.5 mm 連續(xù)油管的2 倍,為直徑50.8 mm 連續(xù)油管的4 倍。但因該油田常用生產(chǎn)管柱坐落接頭縮頸處的內(nèi)徑僅為53.4 mm,直徑50.8 mm 連續(xù)油管難以下入,因此,采取既能滿足該油田生產(chǎn)管柱下入要求,又可以大幅提高施工排量的直徑44.5 mm 連續(xù)油管進(jìn)行酸化施工。
圖3 3種不同尺寸連續(xù)油管施工摩阻壓降與排量的關(guān)系Fig.3 Relationship between friction pressure drop and pumping rate for 3 different sizes of coiled tubing
3.2.2酸液體系選擇
連續(xù)油管屬于機械酸液轉(zhuǎn)向方式,但只能在層外起到轉(zhuǎn)向作用,所以為了增加選擇性布酸效果,選擇清潔自轉(zhuǎn)向酸作為層內(nèi)化學(xué)轉(zhuǎn)向措施。為解決常規(guī)自轉(zhuǎn)向酸體系摩阻壓降較高導(dǎo)致連續(xù)油管酸化施工排量較小的問題,在該油田首次嘗試篩選應(yīng)用了降阻自轉(zhuǎn)向酸體系。該體系的配方為:15%~20%鹽酸+0.1%降阻劑+6%VES 黏彈性表面活性劑+1%鐵穩(wěn)劑+1%抗酸渣劑。使用測試設(shè)備管徑10 mm,管長為4 m 的管路摩阻測試儀對酸液降阻率進(jìn)行測試,結(jié)果表明降阻自轉(zhuǎn)向酸體系摩阻僅相當(dāng)于清水摩阻的48%,相當(dāng)于常規(guī)自轉(zhuǎn)向酸的71%(圖4)。
圖4 不同清潔自轉(zhuǎn)向酸體系摩阻壓降與時間關(guān)系Fig.4 Relationship between friction pressure drop and time for different kinds of cleaning and self-diverting acidizing system
采用該油田孔滲基本一致的典型海相沉積基質(zhì)孔隙型標(biāo)準(zhǔn)巖心,直徑為2.5 cm,長為5 cm,注入鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的酸液,在不同注酸速度下的巖心流動實驗結(jié)果呈現(xiàn)出與數(shù)模結(jié)果相似的蚓孔發(fā)育特征:隨著注酸速度從0.25 mL/min 逐漸增加到1.00 mL/min,蚓孔直徑逐漸增大,并且突破巖心所消耗的酸液量從5.40 倍孔隙體積逐漸降低到2.68 倍孔隙體積,表明單位體積酸液量情況下蚓孔穿透深度逐漸加大。但是,如果排量進(jìn)一步增大到2.00 mL/min,則突破巖心消耗量升高到8.28 倍孔隙體積且會出現(xiàn)多分支蚓孔,見圖5。
圖5 巖心流動實驗后的CT掃描照片F(xiàn)ig.5 CT scans after core flow experiments
3.2.3 連續(xù)油管噴射工具及噴嘴數(shù)量優(yōu)選
采用連續(xù)油管酸化作業(yè)的優(yōu)勢之一就是可以通過噴射工具產(chǎn)生高壓射流將酸液噴射至射孔眼深部,對射孔眼產(chǎn)生沖擊波擾動[18]和深部解堵,并且能在射孔眼內(nèi)產(chǎn)生增壓作用,從而提高酸化效果。常用連續(xù)油管噴嘴分為軸向噴嘴、水平噴嘴、斜向45°噴嘴和旋轉(zhuǎn)噴嘴4 種。該油田之前采用垂直向下的噴嘴,酸液無法直接噴射到射孔眼內(nèi)部,因此對射孔眼水力沖擊擾動和深部解堵作用較弱。而隨后采用的旋轉(zhuǎn)噴嘴雖然可以通過旋轉(zhuǎn)噴射對所有射孔眼進(jìn)行高壓射流,但是數(shù)次出現(xiàn)因銷釘斷裂導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)噴頭落井問題。因此,采用水平方向噴射的固定噴嘴,并對噴嘴的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化,公式[18]為
式中:Δpz——噴嘴壓降,MPa;Q——噴射排量,L/s;S——噴嘴總面積,mm2;n——噴嘴個數(shù);dn——噴嘴直徑,mm。
統(tǒng)計不同噴嘴數(shù)目在不同排量下的噴嘴壓降(表3)可以看出,隨著噴嘴數(shù)量的增加噴嘴壓降逐漸降低,但連續(xù)油管酸化與連續(xù)油管水力噴射酸壓不同,不需要過高壓降以進(jìn)行水力射孔,而是在維持一定壓降前提下,確保施工排量以將酸液泵入儲層深部,所以選擇4 個噴嘴為宜。
表3 不同噴嘴數(shù)目在不同排量下的壓降(噴嘴直徑5 mm)Table 3 Pressure drops with different pumping rates and different meshes of nozzles(Nozzle diameter:5 mm)
對采用新型連續(xù)油管酸化工藝的油井進(jìn)行了產(chǎn)液剖面測試,結(jié)果表明采用原連續(xù)油管酸化工藝普遍不產(chǎn)液的M 層下部低滲層小層也有較好產(chǎn)出。儲層射孔段跨度和儲層有效動用程度統(tǒng)計結(jié)果見表4。
表4 差異化連續(xù)油管酸化工藝布酸效果Table 4 Acidized results by differential coiled tubing for even acidizing technique
從統(tǒng)計結(jié)果可以看出:雖然新井射孔段跨度大幅提高且射孔段長度變長,但酸化后產(chǎn)油剖面比原工藝酸化后采油剖面有明顯改善,儲層有效動用程度平均值達(dá)到了85.1%,高于采用傳統(tǒng)工藝時的58.3%。對典型井酸化后表皮系數(shù)及采油指數(shù)進(jìn)行了分析,見表5。
表5 典型井酸化后壓力恢復(fù)測試結(jié)果Table 5 Pressure build-up tested results for typical wells
新型連續(xù)油管酸化工藝與傳統(tǒng)均勻酸化工藝相比酸化后儲層有效動用厚度大幅增加,且該油田M 層難動用的幾個薄差層從測試結(jié)果看基本都得到了動用,但是,這些薄差層的單位厚度產(chǎn)液量仍明顯低于其他高滲小層,這也是目前各種轉(zhuǎn)向工藝普遍面臨的問題。后續(xù)應(yīng)在連續(xù)油管轉(zhuǎn)向、Mapdir 轉(zhuǎn)向以及清潔自轉(zhuǎn)向酸VES 液體聯(lián)合轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮結(jié)合其他轉(zhuǎn)向技術(shù)及井下監(jiān)測技術(shù),如連續(xù)油管與可降解纖維、顆粒聯(lián)合轉(zhuǎn)向[19],以及將連續(xù)油管光纖監(jiān)測技術(shù)[20]應(yīng)用于賊層識別和實時調(diào)節(jié)泵注程序,進(jìn)一步提高薄差層動用程度。
(1)根據(jù)碳酸鹽巖油藏非均質(zhì)性較強的儲層特征以及蚓孔旁污染帶通增產(chǎn)特殊機理,提出了連續(xù)油管差異化酸化工藝,包括差異化布酸工藝及其輔助工藝。采用該工藝酸化的采油井與原工藝相比,采油剖面明顯改善,一些之前不能投產(chǎn)的差薄層也有產(chǎn)量貢獻(xiàn),儲層有效動用程度的平均值從58.3%提高到85.1%。
(2)典型井分別采用2 種連續(xù)油管酸化工藝對比施工結(jié)果表明,連續(xù)油管差異化酸化工藝酸化后增產(chǎn)效果優(yōu)于原均勻布酸工藝。
(3)盡管與傳統(tǒng)連續(xù)油管均勻酸化工藝相比,差異化酸化工藝可以明顯提高酸化后產(chǎn)量以及儲層動用程度,但是應(yīng)進(jìn)一步考慮結(jié)合可降解纖維、顆粒聯(lián)合轉(zhuǎn)向技術(shù)以及連續(xù)油管光纖監(jiān)測技術(shù),從而進(jìn)一步提高難動用薄差層的采油指數(shù),改善酸化后產(chǎn)油剖面。