碳酸盐岩储层机械转向酸化酸压技术最新研究进展

任永琳,王 达,,冯浦涌,杨国威,周福建,邵尚奇

(1.中海油田服务股份有限公司伊拉克分公司,伊拉克 米桑省 61001;2.中国石油大学(北京) 非常规油气科学技术研究院,北京 102249)

0 引言

基质酸化、酸压是碳酸盐岩储层增产、增注的重要措施。碳酸盐岩储层有别于砂岩储层，其储层厚度更大、非均质性更强，增产改造过程中酸液优先进入高渗层位，使得低渗层位得不到有效动用；且碳酸盐岩储层增产改造产生的蚓孔会进一步增大高、低渗层位之间的渗透率极差，导致对于油井增产效果极为重要的低渗层位得不到有效改造。因此碳酸盐岩储层增产改造的关键在于增大储层的动用程度。解决该问题的关键是采用转向技术迫使酸液转向低渗层位，从而使得储层得到均匀改造[1-2]，提高措施后产量。转向技术距今已有80多年的历史[3]，可分为机械转向、化学转向和可降解纤维/颗粒转向3种[4]。化学转向和可降解纤维/颗粒转向成本较低，普遍被国内业界认为是较好选择[5-6]。但化学转向应用效果受储层温度、转向压差等因素影响较大，尤其是对于储层非均质性较强的碳酸盐岩储层，很多化学转向技术如泡沫、VES、交联酸等不能起到很好的转向效果[7-9]。机械转向虽然费用较高、施工相对复杂，但其可靠性好，因此非常适合以储层厚度较大、非均质性较强为特征的碳酸盐岩储层的增产改造[10-12]。在国家“走出去”战略的指引下，我国在海外开发的油田数量增加,而海外油田多为非均质性较强的碳酸盐岩油田[13]，此类储层受钻完井污染严重，通常不酸化不能见产，所以应该加强机械转向技术的研究。同时，在全球勘探开发纵深化、边缘化大趋势下，更多的高温深井水平井、多分支井以及薄、差储层的转向酸化也对现有机械转向技术提出了巨大挑战[14]。但是，目前国内针对碳酸盐岩储层机械转向技术的文献介绍和综合分析较少。该研究介绍了各种机械转向技术，包括最大压差及注入速率转向、堵球转向、封隔器转向和连续油管转向技术的发展历程、面临问题以及最新研究进展，并对其技术发展方向进行了展望。

1 堵球机械转向技术

堵球机械转向技术早在1956年就开始投入使用[15]，其技术原理是通过液体携带直径大于射孔孔眼直径的封堵球封堵高渗层射孔眼造成井底压力升高，从而将酸液转向低渗层位[16]。

Erbstoesser[17]等指出，堵球转向技术的关键是确保封堵球在射孔眼有效坐封，并首次通过实验证明浮球与沉球相比更易封堵射孔眼。同期Bale[18]的实验表明更高的液体流速有助于球的坐封。Tan[19]的研究表明堵球在定向井和水平井坐封难度比在直井更大。Wang等[20]在5口老井水平井的增产作业中，为了解决堵球对水平井射孔眼坐封效果差的问题，尝试采用了3种不同密度的蜡球(密度>1，密度=1，密度<1)对水平井筒射孔眼进行360°全方位暂堵转向。在其中一口井进行微地震监测表明有3条缝起裂，压后增油效果明显[20](如图1所示)。但是Wang等同时指出该技术裂缝起裂数目及起裂位置不可控。

图1 微地震监测情况Fig.1 Micro seismic monitor

在数模研究方面，Brown等[21]首次建立了一个堵球转向数学模型,分析堵球密度与携带液密度差、堵球惯性和孔眼对堵球的吸力等因素对堵球坐封成功率的影响。Li[22]等首次通过拉格朗日粒子追踪算法建立了一个堵球封堵模型。Chen等[23]建立了暂堵球转向数学模型，并利用该模型对水平井暂堵球机械转向多级压裂作业进行了模拟。Cheng[24]等在前人研究的基础上，进一步通过相关堵球暂堵数学模型计算了水平井螺旋射孔状态下堵球密度、注入速度以及射孔角度等参数对暂堵效果的影响。研究发现液体注入速度比球密度对坐封效果影响更大，建议在施工中采用高泵速泵注浮球来提高坐封效率。

堵球暂堵技术普遍被认为是一种简便、经济的暂堵转向技术，但是问题在于其暂堵效果受到多种因素的影响导致可靠性偏低，裂缝起裂位置不可控。另外，蜡质堵球在高含水油井溶解速度慢，易对储层造成污染。该研究认为随着自降解塑料技术的发展和成熟，可在地层温度快速降解的自降解材质暂堵球的研究、应用是该技术的下步发展方向。

2 封隔器机械转向技术

封隔器机械转向技术在20世纪50年代投入使用，应用较多的有可回收式桥塞、可回收式封隔器和多层膨胀、跨隔式封隔器3种，目前普遍看法是该技术发展已经较为成熟[25]。但是该研究认为在全球勘探开发向更深以及更差储层开发的趋势下，更高的储层温度以及更小的井眼对封隔器机械转向技术提出了新的挑战，主要体现在2个方面：1)针对致密碳酸盐岩储层水平井的多级滑套封隔器分段酸压；2)针对强非均质性碳酸盐岩储层难动用薄差层的跨隔式封隔器定点酸化/酸压。

2.1 碳酸盐岩储层水平井多级滑套封隔器分段酸压

多级滑套封隔器分段酸压被认为是致密碳酸盐岩油气藏水平井增产改造的最佳方式[26]。通过沿最小主应力方向钻井，并采用逐级开启式滑套及封隔器完井，可在多级酸压后产生多条横切缝，从而扩大井筒与油藏接触面积，有效提高油气井产量。

Saudi Aramco公司[27]开发的SEP多级弹性膨胀封隔器膨胀前直径小于膨胀后的1/2，多级酸压作业坐封成功率从采用普通机械封隔器的60%～70%提高到95%。Zheng Tong等[28]研发了热塑性硫化橡胶遇水膨胀封隔器，其材质为羧化丁腈与聚酰胺，且为了提高吸水膨胀性能加入了多孔隙强吸水新型树脂，在Φ8.9 mm侧钻小井眼成功实施了4段酸压。斯伦贝谢公司研发了一种新型的可膨胀全金属材质封隔器[29]。该封隔器坐封机理与常规自膨胀封隔器以及液压推动橡胶组件坐封封隔器完全不同，通过液压作用使得可变形金属套筒直接膨胀坐封(如图2所示)，从而可以更好的贴合裸眼井壁，密封性更好，耐压可达70 MPa。另外，这种全金属材质封隔器在遇阻时可以施加更大下压力，且膨胀比更大，可以封隔更大尺寸的裸眼井段。

图2 新型可膨胀金属滑套封隔器原理示意图Fig.2 Schematic diagram of new expandable sleeve mechanic packer

封隔器与储层的密封性是封隔器机械转向技术的关键，封隔器直径越大越容易导致地层微裂缝的产生，从而沟通封隔器两端地层。针对这一问题，应在封隔器材质和坐封原理方面进一步创新来减小封隔器内径并提高封隔器膨胀比，从而实现对更深、更小直径井眼的分层酸化改造。

2.2 针对强非均质性碳酸盐岩储层的跨隔式封隔器定点酸化、酸压

跨隔式封隔器转向特别适用于强非均质性碳酸盐岩储层薄差层的选择性酸化、酸压[30-31]。以往采用普通油管坐封跨隔式封隔器时工序繁琐、耗时。Qadir等[30]指出跨隔式封隔器转向特别适用于强非均质性碳酸盐岩储层薄差层的选择性酸化、酸压，其关键在于封隔器的精确坐封。而以往采用普通油管坐封跨隔式封隔器时工序繁琐、耗时。因此采用Φ73 mm大直径连续油管与跨隔式封隔器联用，仅下入一趟管柱就成功对之前无产量的灰岩储层薄差层进行了定点酸化，大幅节省了工时。为了解决普通连续油管下入封隔器因连续油管自重伸长不能精确坐封精度问题，Nikita等[32]通过连续油管光纤携带套管接箍定位器(CCL)实现了跨隔式封隔器在之前无产出薄层的精确坐封，并解放了该潜力层产量。

连续油管携带跨隔式封隔器定点酸化具有操作简便、节约工时的特点，且和最新光纤连续油管联用可以实现薄差层的精确定点酸化。但是该研究认为跨隔式封隔器成本较高，应在材质上进行创新以降低成本，从而进一步扩大该技术的应用。

3 连续油管机械转向技术

连续油管在20世纪60年代开始在石油工业中应用[33]。其技术特点是可以通过拖动连续油管的方式对储层进行选择性酸化，特别适用于长射孔段直井以及水平井酸化解堵，是水平井基质酸化最佳转向技术。但是针对非均质性较强、酸液转向更加困难的碳酸盐岩储层，连续油管机械转向技术也面临一些问题需要解决。该研究总结出主要有3个问题:1)连续油管受自身长度限制以及下入长水平井段时发生自锁难以下入超深水平井趾部;2)连续油管受管柱自重伸长影响无法精确定位;3)酸液排量较低酸液在储层内的穿透深度有限。

3.1 超深水平井大直径连续油管结合牵引器酸化技术

Hussain等[34]指出连续油管在对水平井进行酸化时，存在小直径连续油管下入深井时易发生自锁，以及小直径连续油管排量较低无法对深部储层有效酸化的问题。针对该问题使用Φ73.03 mm的大尺寸连续油管以及直径为Φ84.67 mm的液压动力牵引器[34](如图3所示)，成功对总井深为8 239 m、水平井段长度为1 500 m的裸眼水平井实施了酸化作业，施工最高排量达0.8 m3/min。

图3 连续油管牵引器Fig.3 Coiled tubing tractor

Murtaza等[35]针对水平井多级封隔器完井封隔阀(MFIV)内径较小问题，研发了目前世界最小直径的连续油管牵引器(Φ54 mm)进行酸化施工，最大拉力为1.44 t，与不采用牵引器的酸化施工相比下深提高了30%～40%。

大直径连续油管可降低螺旋弯曲对连续油管下入的影响，结合牵引器可下入超深水平段[36]。且大直径连续油管改善了连续油管排量低、酸液穿透深度小的问题。但现场完井管柱的最小内径通常限制了大直径连续油管的使用，可通过预先优化完井管柱以及完井工序来解决该问题。

3.2 连续油管光纤精确定位及实时测井辅助酸化技术

Butler[37]和Alzaid[38]等指出，连续油管携带跨隔式封隔器受管柱悬重影响无法在薄差层精确坐封，分支井连续油管难以进入分支井筒一直是碳酸盐岩储层酸化领域面临的2个技术难题。而连续油管光纤技术的出现提供了有效的解决方案。连续油管光纤系统主要由地面设备、数据采集处理软件、光纤以及井下工具或探测器组成。采用不同探测器可以实时探测井下温度、压力、深度以及连续油管应力值，如图4所示[31]。

图4 连续油管光纤探测工具总成Fig.4 Integrated sensor bottom hole assembly

斯伦贝谢公司[39]通过采用连续油管光纤实时井温测井识别高渗“贼层”，从而及时调整泵注程序，大幅提高了均匀布酸效果。多分支井连续油管增产作业的难点在于连续油管下入过程中如何找到并进入分支井筒，采用常规连续油管酸化工具下入分支井筒成功率很低[37-39]。Mustafa等[40]采用连续油管光纤实时伽马探测工具，并与连续油管导向工具和新研发的动态选择性喷射工具(如图5所示)结合，实现了分支井进入和酸化一趟钻作业，大幅提高了作业效率和增产效果。

图5 转向酸化喷射工具及其新型封隔滑套系统Fig.5 New isolation sleeve system on dynamic diversion tool

目前常规光纤连续油管测量数据需要等待施工完毕后采用专业软件读取和解释，不具有时效性。在光纤连续油管全管段加装实时探测器进行实时探测、传输，以便实时调整酸化参数，是光纤连续油管技术的发展方向。

3.3 连续油管与化学转向、可降解纤维联合转向酸化技术

连续油管技术常与其他化学转向技术联用以提高转向效果。其中，通过连续油管泵注清洁自转向酸(VES)进行机械、化学联合转向在中东地区碳酸盐岩储层水平井酸化施工中取得了良好的作业效果[41-43]。Al-Nakhli A[44]在注水井连续油管酸化作业时加入以黏弹性表面活性剂为起泡剂的氮气泡沫段塞，与普通泡沫段塞相比黏度更大、半衰期更长，施工曲线显示转向效果非常明显。斯伦贝谢公司[39]研制了分散性、悬浮性更好的新型纤维(如图6所示)并用于连续油管、可降解纤维和清洁自转向酸的联合转向，取得了非常好的作业效果。

图6 适用于连续油管泵注的新型纤维与普通纤维(在15%HCl中)分散性对比Fig.6 Fiber disperseability of coiled tubing compatible fiber and non compatible fiber(in 15%HCl)

连续油管与化学转向及可降解纤维联合可以实现层内、层外联合转向，转向效果优于常规机械或化学转向技术。但目前常用的可降解纤维具有疏水性使其加量浓度受到较大影响，且其降解时间较长，需要在后续研究中对材质亲水性能和降解性能加以改进。

3.4 碳酸盐岩储层裸眼水平井连续油管喷射钻孔、酸化一体化技术

连续油管机械转向的一个主要缺点就是排量较低，导致酸液在储层中穿透深度有限。而碳酸盐岩储层裸眼水平井连续油管喷射钻孔、酸化一体化技术通过喷射酸液在碳酸盐岩储层中钻进形成新孔道，可大幅增加油井泄油面积。该技术于2005年在印尼首次应用[45]，通过连续油管携带造斜工具和喷嘴在裸眼井井壁朝着储层“甜点”方向喷射出酸蚀孔道，同时酸液在井壁快速滤失也会形成大量酸蚀蚓孔，从而大幅增大油井与油层的接触面积并规避水层，最终达到增油控水目的。造斜工具由2个压力启动弯曲短节组成，其工具张角为5°～15°，造斜启动压力为7 MPa(如图7所示)。目前采用该技术喷射形成的最长孔道的长度为36 m，平均长度7.2 m[46]。

图7 连续油管喷射钻孔工具示意图Fig.7 Schematic of coiled tubing acid tunneling tool

水平井连续油管喷射钻孔技术在委内瑞拉油田[45]应用后取得了非常好的效果。该油田7口井酸洗、压裂作业后产油量下降，产水量却大幅上升。而同油田的5口井采用该技术后，平均增油幅度达到200%，如图8所示[45]。

图8 连续油管喷射钻孔与压裂、酸洗增产效果对比Fig.8 Comparison among coiled tubing acid tunneling,fracturing and acid wash

Silviu等[47]建立了一个连续油管喷射钻孔数学模型。该模型考虑了泵速、孔眼尺寸、喷射面角度、连续油管尺寸和下压力等影响喷射钻进深度的因素，与现有的连续油管商业模拟软件结合可对钻深进行预测，但现场应用发现实际钻深比预测值低30%～50%。

连续油管喷射钻孔、酸化一体化技术可通过向预设油层方向钻进起到增大泄油面积及稳油控水效果。但现有喷射钻孔数学模型仅耦合了机械力学数学模型与流体力学模型导致钻深预测精度较低，后续需要耦合酸岩反应动力学模型以提高预测精度。另外，该技术的钻进角度通过调节工具弯角提前进行预设，不能根据地层实际情况进行实时调整。后续可将连续油管光纤与该技术结合，通过实时监测孔道轨迹及时调整酸液泵注程序和连续油管施工参数，可实时优化钻进方向和轨迹，从而增大钻进深度以提高增油控水效果。

4 结语

基于最大压差及注入速率技术新发展出的CAJ技术在长井段水平井酸化作业中大幅优于连续油管酸化，但是其酸化转向效果仍有待进行验证，以期在其他碳酸盐岩油田推广应用。堵球转向技术可靠性较低，今后应与其他转向技术联用以提高其转向可靠性；另外，蜡球堵球在高含水储层易产生储层伤害，采用最新可自降解高分子材料制成不同密度的堵球，并提高数模软件精度辅助泵注参数设计提高坐封可靠性，是该技术的发展方向。在全球勘探开发纵深化趋势下，通过开发新材质减小封隔器直径，并提高封隔器的耐温性和膨胀比，以实现更小直径井眼多级分段酸化是封隔器技术发展方向。连续油管转向是碳酸盐岩储层水平井最佳转向技术。针对连续油管排量低、下深受油管长度限制的问题，应继续加强大尺寸连续油管以及小直径牵引器的制造和应用研究，并加大连续油管光纤技术应用力度，从而满足日益增多的超深井水平井及多分支井的连续油管选择性增产改造和薄差层精确定位储层改造需求。碳酸盐岩储层裸眼水平井连续油管喷射钻孔酸化技术将钻井、酸化技术相结合，增油控水效果大幅优于常规酸化技术。进一步优化喷射钻进数学模型并与连续油管光纤技术结合以提高钻进深度和增油控水效果是该技术的发展方向。

碳酸盐岩储层非均质性较强，需要采用可靠性较高的机械转向方式进行储层改造。同时，结合化学转向和可降解纤维/颗粒同时进行层内、层外联合转向，可以进一步提高储层动用程度，是碳酸盐岩储层转向技术的发展趋势。