渤海油田完井液综合优选方法的研究与应用

张启龙 刘 鹏 霍宏博 陈 彬 岳 明

中海石油(中国)有限公司天津分公司·海洋石油高效开发国家重点实验室, 天津 300459

0 前言

完井作业是承接钻井和生产两大作业的桥梁,其目的是最大限度地沟通井筒与地层间的通道,降低地层流体流入井筒的阻力以获得最高的产量。为了获得最大的流动产量,应在钻开储层或者沟通储层时更换井筒内的液体,以起到保护储层的目的,此液体体系成为完井液体系[1-3],渤海油田常用的完井液体系有隐形酸完井液体系、聚胺完井液体系等。选择完井液体系时,应该综合考虑完井液腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能和体系pH值等因素[4-6],通过室内实验,对待选完井液体系的以上特性进行评估,然后根据评估结果进行选择,但如果各因素的评估结果存在差异,则只能靠人为经验进行选择,因此结果无法保证客观性、精确性。

为了降低人为因素对选择结果的影响,提高选择结果的合理性,本文利用层次分析法建立了完井液体系评估因素(完井液腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能和体系pH值等四个因素)的影响权重模型,基于此模型利用模糊物元的方法构建了完井液体系综合评价方法,利用该方法指导了KL-X油田等7个油田的完井液体系选择,产量平均超过配产23%,结果表明利用该方法进行完井液体系的选择能够有效保护储层,降低了完井液对储层的损害程度,保证了完井液体系的客观性和合理性,有望成为综合选择完井液体系的新方法。

1 完井液体系性能评价因素分析

完井液体系的性质因素有很多,如密度、浊度、pH值、储层保护性能等,但在进行完井液的性能综合评价时,并不是所有因素都直接影响完井液体系的选择,一般只针对一些重要的、关键的因素开展分析。比如,长期的实践经验和教训总结表明在进行完井液体系选择时,需要考虑的重点因素包括完井液的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值等四个方面。

1.1 完井液体系关键性能优选

建立完井液体系综合评价模型的基础是在众多影响指标中选择关键影响因素。根据渤海某油田的统计数据,井下管柱的腐蚀破坏、单井的低产低效、筛管的堵塞冲蚀是造成该油田生产井关井或大修的三个最主要因素,占比为75%以上,基于完井液体系的各性能参数对上述三类问题的贡献程度，优选关键性能参数。

完井液作为打开储层后长期浸泡井下油管、生产套管等金属管柱的主体液体，虽然返排后完井液会被返出地层,但是难免会有部分残余留在井下,因此完井液的腐蚀性能直接影响着井下管柱的腐蚀情况,是完井液关键性能参数。完井液作为直接与储层接触的液体,其对储层的污染程度直接决定着单井的投产情况,而完井液对储层的污染程度主要受完井液两个性能的影响,即抑制性能和储层保护性能,抑制性能的作用是防止完井液由于水化作用而造成地层的渗透率大幅降低,储层保护性能的作用是抑制储层中的微粒和乳状液堵塞,降低完井液对储层的损伤。而筛管发生堵塞冲蚀的原因主要是井壁的冲洗程度不够,固井后的石灰粉和泥质遇水后发生堵塞,造成筛管的局部冲蚀,而完井液的性能参数中,体系pH值对筛管堵塞冲蚀的影响最为直接,排除储层特性对体系pH值的特殊要求,该值越小,其对井壁清洗的效果越有利,完井液为酸性时,可以与井下的灰石粉等材料进行化学反应,消除灰石粉等的堵塞现象。基于以上分析,优选了完井液体系的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能和体系pH值作为影响生产井生产情况的关键因素,以此为基础进行综合评价。

1.2 关键性能评价方法及对产能的影响

1.2.1 腐蚀性能

利用静态刮片腐蚀实验,测得金属挂片在不同完井液体系下的腐蚀速率以评估完井液体系的腐蚀性能,其基本实验流程如下:首先把相同井下管柱材质的金属挂片放入无水乙醇中浸泡,去除表面杂质,取出擦干后进行称重;然后将挂片放入待评价的完井液中,一起放入高压釜;调节实验仪器的温度和压力到预设工况,进行静态腐蚀实验;实验时间为2 h,取出金属挂片并进行表面处理后,进行称重从而得到腐蚀后的重量;根据实验前后的重量差便可以求得金属挂片在不同完井液体系下的腐蚀速率。腐蚀速率越高的完井液体系,对井下管柱的腐蚀程度越严重,发生腐蚀破坏从而造成单井停产的概率越大,因此其与单井的产量呈负相关。

1.2.2 抑制性能

完井液体系的抑制性能主要是指抑制储层发生水化作用的能力,测量完井液体系的防膨率B进行评估,具体的评价方法如下:称取0.500 0 g膨润土粉,精确到0.000 1 g,加入到10 mL离心管中;然后加入10 mL配制好的一定浓度的黏土稳定剂溶液,充分摇匀;在室温下存放2 h后放入离心机内,转速1 500 r/min下离心分离15 min,测定膨润土膨胀后的体积V1;用10 mL水代替完井液体系,测定膨润土在水中的膨胀体积V2;用10 mL煤油代替完井液体系,测定膨润土在煤油中的膨胀体积V0;利用式(1)计算不同完井液体系的防膨率。完井液体系的防膨率越大,其抑制水化能力越强,发生水化膨胀而造成储层渗透率下降的概率越小,因此该参数与单井的产能呈正相关。

(1)

1.2.3 储层保护性能

通过室内实验测试不同完井液污染前后的渗透率比值评估完井液体系的储层保护性能,其实验步骤如下:用地层水在90 ℃条件下驱替,测定岩心的基础地层水渗透率;用完井液体系在90 ℃、3.5 MPa条件下进行动态污染;动态污染后将岩心表面的泥饼去掉,在90 ℃条件下进行渗透率恢复实验;计算岩心污染前后渗透率比值,得到不同完井液体系的渗透率恢复率。渗透率恢复率越大说明完井液对储层的伤害越小,产生的污染表皮也越小,因此该参数与单井的产能呈正相关。

1.2.4 体系pH值

完井液体系pH值直接影响完井液对井壁的清洗效果,其测试方法可以直接利用pH试纸进行测定。体系pH值越大,完井液对井壁的清洗效果越差,对石灰粉等材料的腐蚀作用越弱,导致井下筛管发生堵塞冲蚀破坏的概率越大,因此该参数与单井的产能呈负相关。

2 完井液性能评价权重模型

在进行完井液体系的选择时,需要评估各个性质对完井液性能的影响程度,即因素的影响权重,常用的计算方法包括主成分分析法、层次分析法(AHP法)、熵值法、独立性权重法等[7-10]。其中应用最为广泛、结果相对准确的方法是层次分析法,此方法将各因素影响程度用数字表示,利用数字的相对大小信息进行权重的评估与计算,该方法已被应用于交通、旅游、能源等多个领域,并取得了较好的应用效果[11-12]。根据各个因素的相对重要程度,建立完井液体系性能权重模型,其基本步骤为建立层次结构模型、构建比较矩阵、计算权重矩阵和一致性检验等四个步骤。

2.1 建立层次结构模型

根据结果和影响因素的关系,建立决策节点和结果的层次关系结构模型,见图1。模型分为目标层和因素层,目标层为需要决策的结果,本例为完井液体系的优选结果,而因素层为影响结果的具体因素,本例为完井液的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值等四个因素。

图1 完井液体系选择的层次结构模型图

2.2 构建比较矩阵

基于建立的层次结构,构建各因素之间的比较矩阵,其基本思想是利用数字的相对大小信息,评估因素之间的重要程度。采用两两比较法对四个因素之间的相对重要关系进行评估,用数字1～9对相对关系进行量化,数字越大表征前者相对后者的重要性越大[11-13],具体含义见表1。将完井液体系的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值等四个因素分别设置为r1～r4,根据以往作业经验,采用专家打分法对各因素之间的重要关系进行赋值,构建了比较矩阵R,见式(2)。

表1 指标赋值与含义表

(2)

2.3 计算权重矩阵

基于建立的比较矩阵,计算各个因素的影响权重,其基本方法是首先计算矩阵的最大特征根λmax,其对应的向量为特征向量W,归一化处理后就可以得到各个因素的影响权重向量w。利用该方法对管柱腐蚀模型进行计算,由于该矩阵为正定互反矩阵,因此利用式(3)和(4)便可直接求得最大特征根和特征向量[14-15]：

(3)

(4)

利用以上步骤,对式(2)进行求解,得到了最大特征根λmax为 4.014 5,特征向量W为(0.269 4,0.466 7,0.828 7,0.151 3)T,权重向量w为(0.157 0,0.272 0,0.482 8,0.088 2)T。

2.4 一致性检验

由于比较矩阵赋值时有人为主观性的影响,为了消除其误差,计算完成后需对结果进行一致性检验,以证明结果的合理性[14-16]。一致性检验公式见式(5)：

(5)

式中：其中CR为一致性比率,当CR<0.1时,证明赋值结果较为合理,否则重新赋值;n为因素的个数;RI为一次性指标,其取值与因素个数n直接相关,当n=4时,RI的值为0.9。

因此将本模型中的取值(λmax=4.014 5,n=4,RI=0.9)带入式(2),求得一致性比率CR=0.005 3<0.1,证明赋值较为合理,腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值四个因素对管柱腐蚀影响的权重为0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

3 完井液体系优选方法的建立与应用

基于得到的各因素的影响权重,本文提出基于模糊物元理论的完井液体系优选方法[17-21],该方法综合了影响完井液性能的各个因素进行选择,克服了单因素考虑单一以及人为经验因素误导选择等问题。

3.1 综合评价模型

首先根据待评价完井液特征构建初始元矩阵R,见式(6)：

(6)

式中：M为待评价完井液体系；C为体系属性，本例中的体系属性C1～C4分别表征完井液的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值等四个因素；x为体系属性值。

在建立的初始元矩阵基础上,由于各个性质存在单位不一致的问题,为消除单位对结果的影响,需要进行无量纲化处理,而根据因素影响结果的方向性,可以将因素分为正相关和负相关：正相关指的是体系属性值与结果呈正相关,即属性值越大结果越好;而负相关指的是体系属性值与结果呈负相关,即属性值越小结果越好。本例中,完井液的抑制性能和储层保护性能属于正相关因素,而腐蚀性能和体系pH值属于负相关因素,分别用式(7)和(8)进行处理,得到了复合元矩阵U：

(7)

(8)

(9)

最后,综合考虑因素权重和属性值,将构建的完井液复合元矩阵U与权重向量w相乘,得到了最终评判向量Q,见式(10)：

(10)

最后根据各个完井液体系的最终评判值Q1～Qm的大小,就可以得到不同完井液体系的优劣排序,从而辅助完井液体系的评估。

3.2 完井液体系综合优选方法

基于建立的完井液体系因素权重模型和综合评价模型,形成了一套完井液体系综合选择方法,见图2,具体流程为:根据影响完井液现场使用效果的影响因素,构建影响完井液应用效果的层次结构模型;根据不同因素的重要性构建比较矩阵,计算得到不同完井液体系因素的权重向量,并对结果进行一致性检验;根据不同完井液的因素属性值,对属性进行归一化处理,构建完井液体系的因素矩阵;将完井液体系的因素矩阵与不同因素的权重向量相乘,得到不同完井液体系的综合指标;根据综合指标的大小,选择综合指标较大的完井液体系为最优完井液体系。

图2 完井液体系综合优选方法流程图

3.3 应用实例

建立完井液体系综合优选方法后,利用该方法对KL-X油田的完井液体系进行优选。结合该油田周边的应用情况,待选完井液体系有隐形酸完井液体系(过滤海水+2%PF-CS+1.5%PF-TA+1%A101)和聚胺完井液体系(过滤海水+1%AB +0.5%TA-AL+0.5%A101)。

首先运用前述介绍的方法,利用室内实验对以上两个完井液体系的四个因素进行测试:利用静态刮片腐蚀实验的方法对两种完井液体系的腐蚀性能进行评估,两种完井液的腐蚀速率分别为1.072 4 mm/a和0.014 5 mm/a;利用室内实验测试两种完井液体系的防膨率,以评估完井液体系的抑制性能,根据实验结果,两种完井液体系的防膨率分别为97.69%和95.83%;利用室内实验测试两种完井液体系对目标储层的渗透率恢复率,以评估完井液体系的储层保护性能,根据实验结果,两种体系的渗透率恢复率分别为94.3%和91.2%;利用pH试纸直接测试两种完井液体系pH值,其pH值分别为5和8。根据计算的结果,利用式(6)构建了完井液体系的初始元矩阵R,见式(11)：

(11)

得到初始元矩阵后,利用式(7)、(8)和(9)对结果进行无量纲化处理并构建复合元矩阵U;再根据式(10)就可以计算得到两种完井液体系的综合评价值,分别为0.843 0和0.157 0,隐形酸完井液体系的综合评价值更高,因此选择隐形酸完井液体系为KL-X油田的完井液。而实际作业和初期返排结果证明,该油田储层污染较小,生产后平均产量远超出设计的配产,目前该方法已经成功指导了渤海7个油田的完井液体系选择,产量平均超过配产23%,证明了该完井液体系选择的合理性和实用性,有望在渤海或其它油田推广应用。

4 结论

1)建立了完井液体系性能评价因素的层次结构模型,利用层次分析法计算了完井液性能因素的影响权重,完井液的腐蚀性能、抑制性能、储层保护性能以及体系pH值对完井液优选结果影响的权重分别为0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

2)基于计算得到的完井液体系因素影响权重,建立了油田完井液体系优选计算模型,利用其可以快速预测评估不同完井液体系对油田的适用程度,指导现场的完井液体系选择。

3)利用该完井液体系优选方法,评估了隐形酸完井液体系和聚胺完井液体系对KL-X油田的适用性,优选了隐形酸完井液为该油田的完井液体系,实际作业后的储层污染较小且油田产量良好。目前该方法已经成功指导了渤海7个油田的完井液体系选择,产量平均超过配产23%,证明了该完井液体系选择方法的合理性。