可控冲击波增产技术在大庆油田的应用

2022-10-09赵树彬张命俊路远涛汤俊萍朱立江郑永学

石油管材与仪器 2022年5期

赵树彬，张命俊，路远涛，汤俊萍，汪锋，朱立江，郑永学

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163153 2.西安交通大学,电力设备电气绝缘国家重点实验室陕西西安 710049)

0 引言

随着油田开发进入中后期，老区常规油气资源逐步减少，迫切需要开采低孔低渗资源，但其储层渗透率低、油气难以采出。同时,在油井开采过程中，钻井、射孔、大修井处理等措施运用导致油井受到外来固相颗粒侵入，产生微粒运移、结垢等损害。当黏滞性流体流经孔道时,会在孔道中形成附面层,附面层对储层毛管孔隙有效半径影响很大。随着附面层形成, 毛管流动半径变小。随着生产时间增长，油水井近井筒附近渗流通道会出现堵塞，油井井底流压升高，油井产量降低[1]。若油层流体内含有的细小固体物质吸附在附面层上,就会造成油层孔隙喉道变窄或堵塞，阻碍原油流入井筒中，使地层渗透率下降，油井产量减少，甚至造成油井停产。这种损害对老油田低产低效井影响很大。而常规酸化解堵费用较高，投入产出比不理想。因此，为实现老井挖潜增产，迫切需要油井储层改造新技术，化解油层堵塞，增加油层渗透作用。每个油藏存在的地质条件不同，开采的过程中对油藏构造等造成的损害也不相同，采取的增产措施类型也就不相同[2]。

除更换机泵等常规增产措施，大庆油田开发后期增产的主要措施有压裂、酸化、堵水和强化注水等工艺技术。其中，酸化的主要目的是处理油层堵塞物，提高储层渗透性。但低渗油田在采取酸化等工艺措施时，油层会受到新的二次伤害，而且有效期较短；压裂主要用于产生新的渗流通道，但对选井条件要求苛刻，施工程序复杂，作业费用较高[3-7]。

可控冲击波技术是西安交通大学邱爱慈院士团队研发的物理法储层解堵增渗技术，因其可控性好、能多点多次重复加载、不伤害储层等优势，有望在老油井增产方面做出效果。为验证可控冲击波技术的适用性，同时使油田能够持续保持稳产,大庆采油九厂选取茂兴X区块的3口老油井进行可控冲击波增产技术现场试验。该区块主要产油层为葡萄花油层，储层厚度薄、储量低，区块处在茂兴向斜斜坡区，整体上以北北西向断层为主，在该组大断层之间发育有东西向和近南北向的小断层,地层厚度发育稳定，分布在40～49 m之间，平均地层厚度4 4 m。试验区块处在茂兴向斜的中心区，储层物性较差。统计区块层段的岩心分析资料，平均孔隙度为15.3%，平均渗透率为2.1 mD，属于低孔、特低渗储层。通过近半个月试验，陆续开井后，取得了很好的试验效果，采油量明显提升，其中2口井效果十分显著。可见，可控冲击波作用可使油层中流体物性及流态发生变化，改善了井底、近井油层的流通条件及渗透性，从而取得了很好的增产效果。

1 可控冲击波技术

可控冲击波技术有别于传统增产技术，它以电能为基础，通过储能装置储存能量，经过功率源蓄能储集后以强脉冲形式瞬间释放，产生快前沿的高强度冲击波。可控冲击波技术是一种物理法储层改造技术，该技术可精准控制作业位置和作业强度，以幅值、冲量、作用区域和作业次数方便控制为特点，在储层中以“单点多次，多点连续的方式”对储层进行冲击作用[8]。在保证井筒安全的前提下，实现高渗储层解堵，中、低渗储层增透。

1.1 技术原理基础

脉冲功率技术是产生可控冲击波的技术基础，是一种能产生各种强电脉冲功率输出的技术。它以慢的方式储存能量，借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大，用很短的时间、很高的强度，以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，将能量瞬间释放给负载。脉冲功率负载以各种物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能量形式，在有限的空间和有限的时间内形成各种极端条件下的物理环境，以达到一般功率条件下达不到的目的。可控冲击波产生原理如图1所示。以脉冲功率技术产生高能量冲击波加载于地层，将近井地层及堵塞物压开，形成多条不受地应力控制的径向裂缝体系，有效提高井筒附近地层的渗流能力，使油水井增产增注[9]。

图1 可控冲击波产生原理

1.2 冲击波的作用机理

冲击波能够形成复杂缝网，有效改造储层，显著提升渗透性。岩层既是冲击波的作用对象，也是传播冲击波的介质。岩层中的每一个区域，因冲击波作用而改变性质或状态，消耗部分冲击波能量，并传递剩余能量到下一区域。冲击波衰减形成的压缩应力波幅值大于储层岩石的抗张和抗剪强度，并形成一定微量的微裂缝或贯通原有无效孔隙，从而实现孔隙性和增渗性提高。另一方面，冲击波在储层不同介质传播时产生剪切力，剥离附着储层渗流通道堵塞物，起到解堵作用[10]。

冲击波幅值和脉宽对不同力学参数的储层作用效果不一致，由近至远有3种作用方式，如图2所示(图2中,7～120 r区域为冲击波和压缩波混合作用区)。

图2 冲击波作用储层机理

1)冲击波：特点是能量大，时间快。在近井地带穿过井筒对储层形成裂缝，沟通钻孔与更多的储层，主要是致裂和造缝的作用，因其形成的初始裂缝较为复杂，并通过重复作用扩展裂缝，在辅助压裂方面能发挥一定的作用。

2)压缩波：主要以剪切、拉张方式破裂储层，形成多方向裂隙网络系统，可实现对储层的解堵，提高渗流等作用。

3)弹性波：剥离疏通渗流通道，强烈消弱毛管力，打开孔喉促进解吸，这种效应对气井解水锁效果显著。

可控冲击波作用下储层力学参数显著改变，大幅度提高致密岩石渗透性。应变测试结果表明：冲击波作用后，样品的环向和纵向均产生变形，形成裂缝。可控冲击波属于微秒级短脉冲波，可瞬间通过井筒和套管以及水泥环传递至储层，能量不会沉积，保证井筒和水泥环不被破坏。

1.3 技术特点及优势

1.3.1 技术特点

1)幅值、冲量可控：指将冲击波的幅值和作用时间控制在岩层抗压强度之上、套管强度之下。

2)作业区域可控：自然形成对岩层有限区域的作用，不用通过工具强制分段；通过移动设备控制作业点位置，实现对整个储层的作用。

3)重复次数可控：冲击波产生设备的工作次数可以控制。

1.3.2 技术优势

可控冲击波技术可精准控制作业位置和作业强度，以较低强度、多次、多点均衡作业，避免单次整体加载对储层的伤害，是一种纯物理作业方式。作业过程中无生成物、无沉淀、无污染、不损伤储层，可控程度高，施工安全可靠。在车内即可完成电缆起下，仪器、仪表显示调节和监测处理油层工艺参数等一系列工作。

1.4 设备组成及技术参数

可控冲击波装备主要由脉冲功率源系统和能量转换系统组成，如图3所示，技术参数见表1。

图3 可控冲击波系统组成

表1 可控冲击波系统设备技术参数

2 工艺流程及配合需求

可控冲击波增产措施主要包括选井、资料收集、方案设计、作业方式及车辆和井场准备等。

2.1 选井

2.1.1 根据可控冲击波装置的结构和性能选井

井深小于3 000 m，作业区温度低于80 ℃；固井质量良好，套管未变形；井斜小于1°/40 m。

2.1.2 根据储层物性选井

1)油层岩性：砂岩、石灰岩、砾岩、砂砾岩。

2)油层物性：孔隙度小于30%；渗透率大于1 mD；含油饱和度大于10%；对于水驱油层，原油黏度小于1 mPa·s。

3)地层胶结好。油井具有一定的地层能量，一般初期具有一定产能，但产量下降较快的中、高渗透地层。

4)试井解释表明油层有污染。如：因结垢、结蜡造成堵塞，以及在钻井或其它作业中污染造成减产的油水井。

5)不吸水或吸水能力下降的注水井。

6)对水、酸有敏感性的油气层。

2.2 资料收集及方案设计

作业前需收集作业井钻井资料、完井资料、油层及射孔段资料、井下工具资料、试井资料、生产动态资料、其它工艺措施资料。结合目标井况及前期措施效果，设计目标井作业冲击区域、作业点位和单点冲击次数。

2.3 作业方式

作业时，使用测井电缆车将设备下放至目标井最底端作业点位，由放置在测井车上的控制柜控制，设备连接如图4所示。一个点位的作业完成后，提升至下一个工作点继续作业，依次重复，直至完成所有点位的作业。

图4 可控冲击波设备连接及作业方式

2.4 车辆配合及井场准备

测井电缆车采用外径不小于11.8 mm的七芯铠甲测井电缆，电缆各芯之间绝缘电阻不小于100 MΩ,作业前冲击波设备须与测井电缆车配接鱼雷头，保证正常连接；修井车用于起吊油管，并配合测井车悬挂天地滑轮；水罐车用于作业时向井筒补水。

井场须设有可以提供220 V稳定交流电源的配电箱。井场准备发电机作为备用电源。作业前需对目标作业井通井、刮削、洗井，确保井筒套管无变形，井壁无凸起毛刺。井筒液面高度应高于作业区域100 m以上，若液面高度不足，须向井内注入清水补足。

3 现场应用

3.1 设备下井

下放电缆速度要均匀，0～20 m速度应小于600 m/h；20～1 000 m速度应小于4 000 m/h；1 000 m后速度应小于600 m/h，并实时监控电缆速度、仪器深度、电缆张力的变化。

3.2 校深及作业程序

通过磁定位测量套管短节和施工井段下部第一个接箍深度，对设备进行校深，并按照《可控冲击波油水井增产、增注作业规范》找准第一个作业点位，准备作业。

1)按油层射孔段厚度确定作业段。

2)根据作业段长度和地层条件划分作业点，作业参数包括作业点序、层位、井段(m)、作业位置(m)和作业次数。

3)作业程序如下：

(1)打开地面电源控制柜，根据作业设计设置地面电源控制柜的作业参数，可控冲击波技术设备开始工作，作业过程中需专人观察地面电源控制柜反馈信号，并做好各作业参数记录。

(2)按设计完成一个作业点位的冲击后，石油测井车上提设备一定深度至下一个设计作业点位。

(3)循环步骤(1)、(2)，直到完成单次下井作业任务。

(4)更换推送器后再次入井至上次作业结束点位的后一个作业点，直到按照设计完成所有点位的可控冲击波技术施工。

完成所有点的作业后，测井车上提电缆，将可控冲击波技术设备提出井筒。

4 应用效果

可控冲击波增产技术2021年在大庆油田第九采油厂共计实施采油井增产作业3井次。据统计到的数据，目前3口采油井日增液2.6 t，日增油2.2 t；累积增液123.4 t，累积增油72.4 t。其中作业的第二口井、第三口井增产效果明显。可控冲击波采油井效果统计见表3。

表3 可控冲击波采油井效果统计

茂X-16-X2井于2021年5月18日完成可控冲击波增产作业，5月21日开始投产。该措施后开井41 d，日增液1.4 t，日增油1.1 t；累积增液60.7 t，累积增油35.7 t。可控冲击波增产作业前后，日平均产液量、产油量都有大幅提高，说明可控冲击波增注作业解除了茂X-16-X2井的堵塞,疏通了原有生产通道，并形成了新的渗流通道。茂X-16-X2井产量统计如图5所示。

图5 茂X-16-X2生产数据统计图

茂X-12-X2井于2021年5月23日完成可控冲击波增产作业，自5月27日开始投产。该井措施后开井35天，日增液0.8 t，日增油0.9 t；累积增液24 t，累积增油30.1 t。可控冲击波增产作业前后，日平均产液量、产油量都有大幅提高，说明可控冲击波增注作业解除了茂X-12-X2井的堵塞，疏通了原有生产通道，并形成了新的渗流通道。茂X-12-X2井产量统计如图6所示。