海上油田电泵生产井储层岩石扩容增产实践

2022-05-22邹信波杨军伟李旭光

大庆石油地质与开发 2022年1期

孙林徐斌邹信波杨军伟李旭光

（1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.OGI地质力学公司，加拿大卡尔加里 TH3 0X3；3. 卡尔加里大学土木工程系，加拿大卡尔加里 T2N 1N4；4. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067）

0 引言

岩石扩容技术也称为微压裂扩容技术，是指利用土力学中岩石在应力偏量作用下由于内部产生微裂隙而出现的非弹性体积应变的岩石力学扩容现象，通过控制地面泵注设备的注入压力，使井底压力介于最小主应力和地层破裂压力之间，地层岩石产生垂向高渗透率和孔隙度的扩容带，以达到储层微压裂的一项改造技术［1‐2］。R.C.K.Wong 等［3‐4］采用加拿大阿尔伯塔地区的海相Athabasca 和Cold Lake 油砂进行了三轴岩石力学实验，在三轴试验中测得了体积扩容（达到7%）。Y.Yuan 等［1‐2］总结试验和现场数据，对砂岩储层扩容过程进行数值仿真，并应用在加拿大阿尔伯塔地区油砂的SAGD（蒸汽辅助重力泄油）开发中。林伯韬等［5‐7］2016年开始完善该技术。国内从2012 年起在新疆风城油田SACD 开发中陆续应用该技术实现快速建立井间连通、提高后续注蒸汽能力的目的，目前已累计实施120 余井次［5‐6，8‐11］。该项技术已在新疆油田SACD 油砂井、华北油田注水井、南海西部油田注水井中相继得到应用，是一项新型的、低成本且具有较大应用潜力的储层改造技术。但岩石扩容技术在生产井中，特别是在海上油田采用电泵管柱的油井中，目前暂未有研究及应用的相关报道，在2020 年底首次将该技术应用于海上油田该类井中，就技术适应性、安全性、改造效果进行验证，取得较好应用效果，拓展了技术应用范围，为国内外同类井况条件下的改造增产提供借鉴依据。

1 技术思路

海上油田开发通常在局促的平台空间下生产及作业，储层主要以疏松砂岩为主，完井方式上多采用筛管防砂，极大限制了措施工艺的实施。主流的水力压裂改造措施除了受平台空间和水源限制外，还受到完井方式的限制［12‐14］。另外，为了防止作业对生产时效的影响，多采用Y 管电泵生产管柱，要求措施作业尽量不动管柱，而岩石扩容技术的出现无疑是一个低成本储层改造的新选择。其技术思路（图1）：岩石扩容设备地面注入端用管线依次连接无线压力计、无线流量计、球阀、压裂泵和钻井液池，回流端则用管线依次连接三通、针阀、球阀和钻井液池。在不动原井电泵生产管柱情况下，通过钢丝作业，导通Y 管的注入管线，管线试压后，按照扩容作业地应力测试、地应力预处理、扩容区反演、扩容区扩展4 个步骤进行泵注扩容液（生产水或低黏聚合物溶液），4 个步骤主要目的和施工方法如表1 所示，其改造规模根据液量可达几十到上百米。

表1 扩容作业常见4个基本步骤和施工方法Table 1 4 basic steps and operation methods of dilation operation

图1 电泵生产井不动管柱岩石扩容技术示意Fig.1 Schematic diagram of rock dilation technique for immobile string in electric pump production well

2 技术原理及工艺参数

2.1 海上油田储层扩容机理

海上油田目前开发主要以中—特高渗透疏松砂岩为主，渗透率为0.1~10 μm2，占已开发油田的80%。同时也有部分储层物性相对较差，如渤海油田沙河街低渗透储层，渗透率为1.9×10−3~38×10−3μm2。需论证两类储层的技术机理。

根据扩容技术的机理（图2），注入过程中主要通过剪切和张性扩容2 种方式，砂粒发生翻滚和翻转、孔隙压力增大，导致其体积膨胀，当孔隙压力超过其抗拉强度时，砂粒间发生拉张分离形成微裂缝［1，15‐17］。从机理上看，疏松砂岩相对于致密砂岩更容易产生扩容带［18］，增加岩石孔隙度和渗透率，因此对于致密砂岩，可在扩容施工最后步骤中增加小型压裂步骤，以扩大技术改造效果。

图2 岩石力学扩容机理Fig.2 Rock mechanics dilation mechanism

此外，统计了岩石扩容技术目前应用的储层物性情况［6，11］，如表2 所示。可见该项技术适应性较广，在疏松和低渗砂岩储层具有成功应用案例。

表2 岩石扩容技术目前应用井况Table 2 Current application well status of rock dilation technique

2.2 扩容压力设计

该技术与水力压裂技术具有较大区别，主要区别之一是水力压裂为大于地层破裂压力下岩石开裂形成的线性张裂缝，裂缝渗透率较大，拱形效应很小，因此需要支撑剂；而岩石力学扩容是在最小主应力和地层破裂压力之间产生的剪应力或孔压引起的颗粒错动或分开，裂缝渗透率中等，拱形效应很强，因此不需支撑剂。

该技术使用生产水或低黏聚合物溶液即可完成作业，无需配制成百上千方的压裂液和加入支撑剂，改造规模大、作业成本低，不需要动管柱，工艺简便可行，在海上油田具有较大应用前景。

对于电泵生产井来说，扩容工艺中主要的扩容施工参数为合适的注入压力，即扩容压力。

首先，该压力应选定一个合适的区间范围，按照常规增产措施计算方法，根据储层地应力、破裂压力梯度值，以及不同排量下电泵生产井的管柱摩阻，计算一个注入压力，该压力在井下介于储层最小主应力和地层破裂压力之间，地层破裂压力下的注入压力为最大扩容压力。

其次，需要开展储层岩石力学实验，测试不同围压下目标储层岩心的剪切强度和扩容角，根据实验结果进行岩石力学破坏曲线拟合［19］（图3）。扩容压力应介于最小扩容压力与最大扩容压力之间。从拟合曲线获得最小扩容压力，公式为

图3 岩石力学破坏曲线Fig.3 Rock mechanics damage curve

式中：pd——最小扩容压力，MPa；

p0——改造层段平均有效主应力，MPa；

c——砂岩地层的黏聚力，MPa；

τ0——改造层段初始剪应力，MPa；

β——摩擦角，（°）。

最后，若不动管柱作业，需要进一步限制扩容压力，使其不超过井口及井下工具安全限压的80%，对于电泵生产井来说，电泵电缆穿越器和电泵传感器是油井中2 个最薄弱的井下工具，对于海上油田来说，电泵电缆穿越器抗压通常为34.5 MPa，此外电泵传感器要求压力上升、下降的速率小于0.34 MPa/min。

在文学作品中，环境描写能够衬托人物的心理、推动故事的发展。因此，在高中语文阅读的教学中，教师要引导学生重视环境描写，通过环境的描写来分析人物。当然，不能仅仅以自然环境为主要依托，环境描写分为自然环境和社会环境，自然环境指自然界的景物，社会环境指体现社会当时的特点的建筑物、物品或者风俗习惯等。以我们初中学过的《故乡》为例，“时候既然是深冬；渐近故乡时，天气又阴晦了，冷风吹进船舱中，呜呜的响，从篷隙向外一望，苍黄的天底下，远近横着几个萧索的荒村，没有一些活气。我的心禁不住悲凉起来了”，这段运用了环境描写，并且是自然环境。通过描写，渲染了故乡凄凉的景象，并且通过环境描写也衬托了“我”悲凉的心情。

因此，扩容技术实施时在穿越器处限压27.6 MPa，同时需要控制扩容区扩展、反演时压力上升、下降的速率，以防破坏井下工具。

为降低扩容井口注入压力，还可提前采用酸化技术进行作业，或增注提效。

此外，扩容施工过程中还通过实时监测到的压力数值反演来进行扩容半径计算，扩容区反演的机理是孔隙介质弹性力学和压力瞬态分析（PTA）。通过高频监测（通常不小于1 秒1 个数据）井口压降响应，采用PTA 的方法分析出压力的流态区间（比图瞬态线性流、瞬态径向流和瞬态双线性流等）。然后采用对应的孔隙介质弹性力学模型，利用伴随共轭导数法（adjoint gradient method），快速求解优化流固耦合Biot 方程，求得应力扰动区的范围和扰动区内的体积变形。由此开发的反演数值软件具有高效、快速的特点。

3 应用案例

3.1 基本情况

为了验证扩容技术在海上电泵生产井中的应用效果，于2020 年底优选了海上油田P‐B7H1 井进行矿场试验，该井是一口水平井，于2020 年3 月投产，完钻井深2 634.5 m，垂深1 887.7 m，水平段长398.3 m，井眼直径为152.4 mm 的水平裸眼，并采用外径为101.6 mm 优质筛管及砾石充填完井方式，该井储层平均孔隙度为19%，平均渗透率为357×10−3μm2，为中孔、中渗底水油藏，该井投产初期日产液400 m3，但产量递减较快，投产7 个月，日产液量逐渐下降至238 m3。

该井低产原因主要有3 点：（1）储层位于油藏上段，属于薄差层，存在泥质夹层；（2）钻井过程中存在污染伤害，完井顶替后漏速依然较慢，未有效解除伤害；（3）生产过程中存在微粒运移堵塞。

3.2 试验方案

针对该井情况，在采用岩石扩容技术的同时，还设计部分酸化液，在物理扩容改造的同时，进行化学解堵，此外由于不动管柱作业，井口压力受限，为了进一步提升作业效果，在试验时采取先酸化、再扩容的作业方式。

2020 年11 月28 日，酸化采用井口限压10 MPa 依次泵注前置液（盐酸为主）8 m3、主体酸（氟硼酸和改性硅酸为主，解决钻井污染、泥质、微粒运移堵塞）30 m3、后置液（盐酸为主）7 m3，顶替液根据井筒容积泵注防膨液45 m3，酸化后电泵排酸。岩石力学扩容部分采用井口限压11.5 MPa（该井最大允许注入压力为12.5 MPa，根据地层最小主应力计算井口压力为10.8 MPa，扩容井口注入压力为11.0~11.5 MPa），采用生产水作为扩容液，泵注液量计划1 000 m3左右。

试验井地面泵注流程连接示意如图1 所示。无线压力传感器和无线流量仪可为施工实时传输压力和流变数据，以便测试计算最小地应力、扩容半径等相关参数。

3.3 试验结果

为了在限定压力下进一步提升扩容技术的注入能力，扩容前进行酸化作业，降压增注效果较为明显（图4），酸化泵挤注酸液阶段，酸液接触地层后，排量稳定，泵注压力下降2 MPa。挤注顶替液后半段过程中，排量恒定在0.56 m3/min，挤注压力出现下降趋势。作业前试注的泵注压力为8.8 MPa时，泵注排量为0.5 m3/min，挤注顶替液最后阶段，泵注压力为8.3 MPa 时，泵注排量为0.6 m3/min。

图4 P-B7H1井酸化解堵施工曲线Fig.4 P-B7H1 well acidizing and plugging removal operation curve

如图5 和表3 所示，扩容施工步骤主要包括地应力预处理和扩容区扩展，每个步骤间还有扩容区反演，预处理阶段根据限制压力，进行阶段提压预处理，扩容阶段则采用振荡交替注入方式，该井在地应力预处理阶段，泵注压力为8 MPa 时，泵注排量为0.95 m3/min，在扩容区扩展阶段，泵注压力为11.0~11.5 MPa 时，泵注排量为1.21~1.27 m3/min。相比酸化措施其视吸水指数有58%的增长幅度。

图5 P-B7H1井扩容施工曲线Fig.5 P-B7H1 well dilation operation curve

表3 岩石扩容泵注设计及施工参数Table 3 Rock dilation pump injection design and operation parameters

通过对地应力预处理作业流程和各注入周期的压降曲线分析，本井地层最小主应力为24.41 MPa，假定产生的扩容区沿400 m 水平段均匀分布，计算得出本次施工扩容半径为10~12 m，地层孔隙度增加1.6%~2.0%。

该井作业前后的生产数据如表4 所示，该井稳定后，日产液量、日产油量能力均大幅提升，截至2021 年2 月23 日，日产液量由213.7 m3增加至405.2 m3，日产油量由9.9 m3增加至20.8 m3，增产效果显著。

表4 P-B7H1井作业前后测试数据Table 4 Test data before and after operation of Well P-B7H1

此外，由于泵注了1 285 m3的生产水，措施作业后10 d 内，油井含水率高达99%，主要为返排生产水，10 d 后，油井含水率逐渐下降，14 d 生产相对稳定，生产2 个月，含水率恢复至作业前水平，相当于平均多日产水19.2 m3，但对于整体经济效益而言，措施后36 d 收回投资，措施后2 个月，投入产出比为1∶2.4，技术试验取得成功，不动管柱施工则符合海上油田快速作业的特点，在海上油田电泵生产井中具有较大应用前景。