低、无污染基质孔隙型灰岩储层基质酸化增产可行性探索

2020-06-23周福建冯浦涌姚二冬邵尚奇

科学技术与工程 2020年14期

王达, 卢岩, 周福建*, 冯浦涌, 姚二冬, 邵尚奇

(1.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院，北京 102249；2.中海油田服务股份有限公司，天津 300450)

碳酸盐岩储层储量、产量在世界总储量、产量占比较高[1]，且多为高产、低开采成本油田。目前世界上2/3的碳酸盐岩油田分布于中东地区。近年来，中国石油企业在中东地区业务发展较为迅速，完善碳酸盐岩储层开采技术非常重要。基质孔隙型储层是中东地区主要的储层类型之一[2]，物性好、产量高，目前针对此类储层油井增产措施主要以经济有效的基质酸化为主，酸压或者加砂压裂尚处在探索阶段[3-5]。且目前业界普遍的认识是低、无污染井基质酸化提产幅度微乎其微[6]，因此基质酸化作业普遍以解除污染、恢复油井产能为目的，对无污染井酸化的研究以及现场实践较少，基本停留在室内岩心实验以及数模研究阶段[7-9]，尚无室内实验或者数模研究结果与现场施工结果相结合进行的对比论证的研究。

通过理论分析、公式推导，建立蚓孔穿深、无污染井提产幅度、用酸量之间的关系式，以此为基础对于无污染井酸化工艺进行改进，并在中东某油田3口井进行普通酸化与改进工艺的对比实验，为此类基质孔隙型灰岩储层无污染井酸化施工设计提供了方法。

1 储层特征及储层流体性质

伊拉克某油田主力产层M层为白垩系基质孔隙型灰岩储层，埋深为3 800～4 200 m，储层温度为100～120 ℃，属于典型的海相沉积，沉积期间海水清洁[2]，因此泥质含量非常低，平均小于5%，灰岩含量在95%以上。储层物性较好，射孔层位平均测井孔隙度为14%～25%，平均测井渗透率为2～38 mD，属于中高孔、中低渗储层，是酸化工艺的理想层位。油田长期采用衰竭方式开采，储层压力下降较快，压力系数从1.1下降到目前的0.7～0.9，并在近年开始进行注水开发。

储层原油为中重质油(API度22.5)，泡点压力为18.3 MPa，沥青含量为4%～11%，地下黏度为1 cP，目前生产含水为0～30%。

2 三口井低产原因及碳酸盐岩储层无污染井增产机理分析

2.1 三口井低产原因分析

M层P19、P-15和P-25三口井在采取普通酸化工艺后效果较差，平均提产幅度仅7%，大幅低于同期采用相同酸化工艺和用酸强度的同层邻井增产幅度，如图1所示。

图1 酸化前后油井日产量对比Fig.1 Production rate before and after stimulation

将这批次采用同样酸化工艺的酸化井生产曲线进行对比可以看出，这三口井产量与井口压力与其他井相比下降较为平稳，没有出现其他井在投产初期或者生产阶段产量快速、大幅下降的现象，因此推测这三口井近井地带污染程度无污染或污染较低，导致采用和其他井相同的酸化工艺时提产幅度却低很多。为了验证这一推测，在P-19井普通酸化施工后进行了压恢测试，表皮系数为-2.08，从而证实了该井无污染是提产幅度较低的原因。

2.2 无污染井增产机理分析及提产幅度计算

2.2.1 低、无污染井基质增产幅度可能性研究现状

目前业内普遍认为基质酸化对污染井提产效果较好，但对无污染井提产效果则存在两种认识，主流认识认为无污染井提产效果甚微。根据将油井产能公式与Hawkins公式合并，可得储层渗透率变化与采油指数之间的关系式(1)及计算图版，如图2所示[7]。

(1)

式(1)中：Is为污染/改善后油井采油指数，m3/d/MPa；I为未污染井采油指数，m3/d/MPa；ks为污染/改善后储层渗透率，mD；k为储层原始渗透率，mD；re为供油半径，m；rs为污染/解堵半径，m；rw为井筒半径，m。

图2 基质酸化增产幅度Fig.2 Matrix productivity improvement

通过计算并结合图2，于无污染井，如果距离井筒1.5 m范围内渗透率提高200%，则表皮系数可由0降低至-2，采油指数提高幅度仅在10%左右。但对于污染井，酸化将近井地带1.5 m范围内渗透率从10%恢复到地层原始渗透率，表皮系数则会从27降低到0，采油指数也相应能增加70%左右。

姚奕明等[8]利用ECLIPSE软件模拟蚓孔长度、数量等油井产量的影响。数值模拟结果显示蚓孔长度大于0.7 m后对产能的增长几乎没有贡献，如图3所示。

图3 蚓孔长度对日产油量和累积产量的影响Fig.3 Influences of wormhole length on daily production and cumulative production

但近年也有不同文献指出因砂岩与碳酸盐岩酸化提产机理不同，无污染碳酸盐岩井可以通过酸化实现增产。Glasbergen等[9]指出，碳酸盐岩增产与砂岩增产原理不同，酸蚀蚓孔相当于一个小型的酸蚀裂缝，与孔隙型灰岩储层原始渗透率相比“无限大”，不仅可以旁通污染带解除污染，还可以进一步提升近井地带的渗透率和孔隙度，因此基质酸化也可以大幅提高碳酸盐岩储层无污染井的产能。

Magnus等[10]将井筒附近划分为4个区域，分别是井筒、蚓孔区、酸液冲洗区、酸液未接触地层，如图4所示。普通盐酸酸化仅能改善蚓孔区储层渗流能力，而对于残酸冲洗区储层渗透率则无法起到改善作用。然后通过计算考察了增加近井地带渗透率以及增加蚓孔长度对增产幅度的影响，如图5和图6所示。从计算结果可以看出，增加近井地带的渗透率不能有效地降低表皮，但是通过增加酸液穿透深度从而提高“酸液冲洗区”的渗透率，则可以有效降低表皮从而提高油井产能。并且采用该理论对现场作业进行指导，取得了较好效果。

图4 酸化后近井地带示意图Fig.4 Sketch shows simulation zones around the well bore after acid injection

假设原始渗透率为100 mD,污染后的渗透率为5 mD 图5 增加无污染区储层渗透率对于表皮系数的影响Fig.5 Effect of increasing the permeability within the same damaged zone on the skin factor

假设原始渗透率为100 mD, 污染区渗透率为5 mD, 酸后渗透率提高到1 000 mD 图6 增加解堵半径对于表皮系数的影响Fig.6 Effect of increasing the penetrating radius on the skin factor

但目前研究尚未全面、系统地的建立酸液用量与蚓孔长度、提产幅度之间的关系式，并在现场实践中加以检验。首次尝试理论计算与现场实验相结合，通过结合目前中外最新研究成果，在无污染井提产公式中引入酸蚀蚓孔参数的影响以计算无污染井提产幅度，并结合Gadnski等公式推导所需酸液量的方式进行酸化设计，并在现场三口井进行了验证。

2.2.2 结合蚓孔穿深的无污染井提产幅度计算

无污染井酸化提产幅度计算公式[6]为

(2)

式(2)中:Xi为酸后渗透率与原始渗透率比值。

对于改善后的近井地带渗透率与原始渗透率比值Xi=ki/k0，理论分析表明，碳酸盐岩酸后蚓孔相当于小型裂缝，酸化后储层渗透率与蚓孔渗透率相比可以忽略不计[11-12]。李传亮等[13]根据岩心实验的计算结果也表明，两者渗透率极差非常大。因此，基于以上分析，蚓孔对于基质孔隙型灰岩储层，有类似酸压时将径向流变为线性流从而显著改善近井地带渗透率的作用。

而在该油田对M层实际酸后压恢渗透率测量结果也与上述理论推测较符合，如表1所示。从表1可以看出，M层油井储层表皮接近零时测得的压恢测井渗透率(此时接近储层无污染的原始渗透率)与电测渗透率非常接近。这是因为M层属于单重介质基质孔隙型灰岩储层，只有一套渗流系统，这点与同在该油田的双重介质的裂缝-孔隙型储层A层的压恢渗透率与测井渗透率有数量级差别明显不同。因此可将M层测井渗透率k等效于无污染时的储层渗透率k0。

表1 某油田两个储层不同测试方法渗透率统计

同理，针对该单重介质储层无污染井酸化提产幅度计算公式中的酸液作用范围ri，基于上述分析，同样可以等效为酸蚀蚓孔的作用范围。而关于酸蚀蚓孔的作用范围内蚓孔各参数对产能的影响，最新研究发现蚓孔直径对产能影响较小，而蚓孔长度和条数对产能影响起主要作用[11]，这也可能是因为即使较小直径的蚓孔，对于地层孔隙来说，渗透率差别也是数量级的。因此，在该提产公式中需要考虑蚓孔条数以及长度的影响即可。而关于蚓孔条数与长度，室内径向流蚓孔实验研究结果表明，蚓孔多为分支状呈60°分布井筒周围，且各蚓孔半径不同，但通常研究中根据物质平衡，可将蚓孔长度简化为一个等效半径rhole来处理[9]，此时rs=rhole，因此无污染井产能幅度计算公式(2)可简化为

(3)

式(3)中：rhole为等效的蚓孔半径，m。

同样，蚓孔长度与表皮关系的Hawkins公式S=(k/ks-1)ln(rs/rw)[7]，对于该类型储层，也可依据类似上述的推理简化为

S=-ln(rhole/rw)

(4)

而将油井表皮测量数值与表皮测试期间的产量代入式(3)和式(4)，即可求出不同蚓孔穿深数值下的提产幅度和表皮系数。

以P-19井为例，将P-19第一次酸后表皮测试结果(S=-2.08)以及测试期间的产量195 m3/d代入式(3)与式(4)进行回推计算，结果如图7、图8所示。

图7 P-19井蚓孔穿深与提产幅度关系(与表皮为零时产量对比)Fig.7 Relationship between wormhole length and production enhancement (compared with production rate when skin=0)

图8 P-19井蚓孔穿深与表皮系数关系Fig.8 Relationship between wormhole length and skin factor

由计算结果可知，该井无污染产能经回推约为142 m3/d，通过延长酸液穿透(蚓孔)深度，可以在一定程度上降低表皮并提高增产幅度。该井经过第一次普通酸化工艺处理后产量为195 m3/d(增产幅度37%)，对应蚓孔穿深1.35 m，而如果可将酸液穿透深度从计算值1.35 m通过提高到3～4 m，则产量可提升至227～241 m3/d，日增油32～46 m3/d，综合经济效益可观。但如果继续增加蚓孔深度则仅靠目前酸化工艺及酸液体系水平难以实现且增产幅度有所减缓，因此以3～4 m的蚓孔穿深作为目标进行酸化设计。

3 低、无污染井增产工艺

3.1 实现特定蚓孔穿深的酸液量的确定

研究认为，蚓孔长度受基质孔隙度和酸量控制，且只有在酸液量达到一定规模情况下，形成的蚓孔长度才会有明显的差别[9]。但目前尚无精确计算不同蚓孔穿深所需酸液量的公式，仅有在室内径向流实验结果基础上，在一些假定条件下根据物质平衡推导的Gadanski式(5)[14]和张合文等[15]推导的式(6)。

(5)

式(5)中:xtip为蚓孔穿深，cm；V为酸液体积，cm3；φ为孔隙度。

(6)

式(6)中:Nac为盐酸酸能力数；C为比例常数；df为分形维数；Ht为储层射孔厚度，cm。

将该井孔隙度、酸液量等参数(表2)，代入两个公式进行计算，计算不同提产幅度下对应所需要的液量结果，如图9所示。

表2 计算蚓孔穿深所需输入参数

图9 P-19井不同酸液量对蚓孔穿深影响Fig.9 Influence of acid volume on wormhole length in P-19

从图9可以看出，虽然同样基于径向流模型，但是Gdanski公式计算蚓孔穿深偏大，而通过文献[15]公式计算穿深结果代入图2的增产幅度图版后，与P-19井第一次酸化作业后实际产量较为接近，因此选择该公式进行计算所需酸量。经计算，P-19井实现3～4 m蚓孔穿深所需酸液量约为80～10 m3。为了逐渐测试不同酸液量对蚓孔穿深的影响，本次施工将酸液量设定为80 m3。

3.2 排量和施工工艺的确定

酸液与灰岩反应有5种溶蚀形态，其中提产幅度最大的主蚓孔溶蚀形态只有在酸液排量大于一个临界速度才会产生，且中、高渗储层造主蚓孔所需排量大于低渗或特低渗储层[16]。但同时注酸速度也不宜过大，否则达到从扩散控制转为滤失控制的临界点后，就会发生多分支蚓孔，甚至分型维数接近2的岩石基质孔隙均匀溶蚀[9,15]。

由于目前尚无理论、室内实验与现场施工相结合的能够准确指导排量设计的计算公式，所以只能在该井之前普通酸化作业酸液排量基础上逐渐提高排量进行现场试验。

该区块施工之前普遍采用连续油管布酸方式，排量较低，仅0.6 m3/min左右。因此，在该井施工时采取将2 in(1 in=25.4 mm)油管并联从而将排量提升到2 m3/min，以观察提高排量对蚓孔长度以及油井增产效果的影响。

4 现场施工效果分析

按照以上方法确定的液量施工参数对P-19井进行了深穿造主蚓孔施工，施工曲线如图10所示。该井采用造主蚓孔工艺后，井口压力、产量分别由酸化前的2.5 MPa、180.8 m3/d (s=-2.08, 油嘴尺寸为12.7 mm)提高到施工后的2.6 MPa、249 m3/d(油嘴尺寸为14.3 mm),如图11所示。在第一次无污染酸化产量基础上又提高了37.9%，即使考虑根据该油田数口同层邻井调大相同油嘴后产量提高约30 m3/d,深穿后产量较第一次普通酸化后的提产幅度6.6%仍有明显提高[18]，且与式(3)计算的提产幅度结果符合较好。

图10 P-19井酸化施工曲线Fig.10 Acidizing curve of P-19

图11 P-19井两次酸化施工效果对比Fig.11 Two times’ stimulation results comparison of P-19

同样，对曲线分析无污染或者存在低污染的P-15井和P-25井采用深穿造主蚓孔工艺与普通酸化工艺对比实验，施工参数如表3所示。P-15井采取新工艺以及用有机溶剂代替柴油后，产量从132.2 m3/d(井口压力为3.6 MPa)提高到219.5 m3/d(井口压力为4.2 MPa)，提产幅度达65.9%，大幅高于第一次采用常规酸化工艺时11.0%的提产幅度。P-25井第一次采用普通酸化工艺几乎没有产量增加，再采取新工艺酸化后，产量从平均124 m3/d(井口压力为3.6 MPa)，提高到186.8 m3/d(井口压力为3.6 MPa)，提产幅度为50.6%[17],其中P-15井油嘴维持不变，P-25井油嘴增加1.6 mm。具体如图12、图13所示。