海上油田電泵生產(chǎn)井儲層巖石擴(kuò)容增產(chǎn)實(shí)踐

孫 林 徐 斌 鄒信波 楊軍偉 李旭光

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.OGI地質(zhì)力學(xué)公司，加拿大 卡爾加里 TH3 0X3；3. 卡爾加里大學(xué)土木工程系，加拿大 卡爾加里 T2N 1N4；4. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

巖石擴(kuò)容技術(shù)也稱為微壓裂擴(kuò)容技術(shù)，是指利用土力學(xué)中巖石在應(yīng)力偏量作用下由于內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙而出現(xiàn)的非彈性體積應(yīng)變的巖石力學(xué)擴(kuò)容現(xiàn)象，通過控制地面泵注設(shè)備的注入壓力，使井底壓力介于最小主應(yīng)力和地層破裂壓力之間，地層巖石產(chǎn)生垂向高滲透率和孔隙度的擴(kuò)容帶，以達(dá)到儲層微壓裂的一項(xiàng)改造技術(shù)［1‐2］。R.C.K.Wong 等［3‐4］采用加拿大阿爾伯塔地區(qū)的海相Athabasca 和Cold Lake 油砂進(jìn)行了三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在三軸試驗(yàn)中測得了體積擴(kuò)容（達(dá)到7%）。Y.Yuan 等［1‐2］總結(jié)試驗(yàn)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對砂巖儲層擴(kuò)容過程進(jìn)行數(shù)值仿真，并應(yīng)用在加拿大阿爾伯塔地區(qū)油砂的SAGD（蒸汽輔助重力泄油）開發(fā)中。林伯韜等［5‐7］2016年開始完善該技術(shù)。國內(nèi)從2012 年起在新疆風(fēng)城油田SACD 開發(fā)中陸續(xù)應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速建立井間連通、提高后續(xù)注蒸汽能力的目的，目前已累計(jì)實(shí) 施120 余 井 次［5‐6，8‐11］。該 項(xiàng) 技 術(shù) 已 在 新 疆 油 田SACD 油砂井、華北油田注水井、南海西部油田注水井中相繼得到應(yīng)用，是一項(xiàng)新型的、低成本且具有較大應(yīng)用潛力的儲層改造技術(shù)。但巖石擴(kuò)容技術(shù)在生產(chǎn)井中，特別是在海上油田采用電泵管柱的油井中，目前暫未有研究及應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，在2020 年底首次將該技術(shù)應(yīng)用于海上油田該類井中，就技術(shù)適應(yīng)性、安全性、改造效果進(jìn)行驗(yàn)證，取得較好應(yīng)用效果，拓展了技術(shù)應(yīng)用范圍，為國內(nèi)外同類井況條件下的改造增產(chǎn)提供借鑒依據(jù)。

1 技術(shù)思路

海上油田開發(fā)通常在局促的平臺空間下生產(chǎn)及作業(yè)，儲層主要以疏松砂巖為主，完井方式上多采用篩管防砂，極大限制了措施工藝的實(shí)施。主流的水力壓裂改造措施除了受平臺空間和水源限制外，還受到完井方式的限制［12‐14］。另外，為了防止作業(yè)對生產(chǎn)時(shí)效的影響，多采用Y 管電泵生產(chǎn)管柱，要求措施作業(yè)盡量不動管柱，而巖石擴(kuò)容技術(shù)的出現(xiàn)無疑是一個(gè)低成本儲層改造的新選擇。其技術(shù)思路（圖1）：巖石擴(kuò)容設(shè)備地面注入端用管線依次連接無線壓力計(jì)、無線流量計(jì)、球閥、壓裂泵和鉆井液池，回流端則用管線依次連接三通、針閥、球閥和鉆井液池。在不動原井電泵生產(chǎn)管柱情況下，通過鋼絲作業(yè)，導(dǎo)通Y 管的注入管線，管線試壓后，按照擴(kuò)容作業(yè)地應(yīng)力測試、地應(yīng)力預(yù)處理、擴(kuò)容區(qū)反演、擴(kuò)容區(qū)擴(kuò)展4 個(gè)步驟進(jìn)行泵注擴(kuò)容液（生產(chǎn)水或低黏聚合物溶液），4 個(gè)步驟主要目的和施工方法如表1 所示，其改造規(guī)模根據(jù)液量可達(dá)幾十到上百米。

表1 擴(kuò)容作業(yè)常見4個(gè)基本步驟和施工方法Table 1 4 basic steps and operation methods of dilation operation

圖1 電泵生產(chǎn)井不動管柱巖石擴(kuò)容技術(shù)示意Fig.1 Schematic diagram of rock dilation technique for immobile string in electric pump production well

2 技術(shù)原理及工藝參數(shù)

2.1 海上油田儲層擴(kuò)容機(jī)理

海上油田目前開發(fā)主要以中—特高滲透疏松砂巖為主，滲透率為0.1~10 μm2，占已開發(fā)油田的80%。同時(shí)也有部分儲層物性相對較差，如渤海油田 沙 河 街 低 滲 透 儲 層， 滲 透 率 為1.9×10?3~38×10?3μm2。需論證兩類儲層的技術(shù)機(jī)理。

根據(jù)擴(kuò)容技術(shù)的機(jī)理（圖2），注入過程中主要通過剪切和張性擴(kuò)容2 種方式，砂粒發(fā)生翻滾和翻轉(zhuǎn)、孔隙壓力增大，導(dǎo)致其體積膨脹，當(dāng)孔隙壓力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，砂粒間發(fā)生拉張分離形成微裂縫［1，15‐17］。從機(jī)理上看，疏松砂巖相對于致密砂巖更容易產(chǎn)生擴(kuò)容帶［18］，增加巖石孔隙度和滲透率，因此對于致密砂巖，可在擴(kuò)容施工最后步驟中增加小型壓裂步驟，以擴(kuò)大技術(shù)改造效果。

圖2 巖石力學(xué)擴(kuò)容機(jī)理Fig.2 Rock mechanics dilation mechanism

此外，統(tǒng)計(jì)了巖石擴(kuò)容技術(shù)目前應(yīng)用的儲層物性情況［6，11］，如表2 所示?？梢娫擁?xiàng)技術(shù)適應(yīng)性較廣，在疏松和低滲砂巖儲層具有成功應(yīng)用案例。

表2 巖石擴(kuò)容技術(shù)目前應(yīng)用井況Table 2 Current application well status of rock dilation technique

2.2 擴(kuò)容壓力設(shè)計(jì)

該技術(shù)與水力壓裂技術(shù)具有較大區(qū)別，主要區(qū)別之一是水力壓裂為大于地層破裂壓力下巖石開裂形成的線性張裂縫，裂縫滲透率較大，拱形效應(yīng)很小，因此需要支撐劑；而巖石力學(xué)擴(kuò)容是在最小主應(yīng)力和地層破裂壓力之間產(chǎn)生的剪應(yīng)力或孔壓引起的顆粒錯動或分開，裂縫滲透率中等，拱形效應(yīng)很強(qiáng)，因此不需支撐劑。

該技術(shù)使用生產(chǎn)水或低黏聚合物溶液即可完成作業(yè)，無需配制成百上千方的壓裂液和加入支撐劑，改造規(guī)模大、作業(yè)成本低，不需要動管柱，工藝簡便可行，在海上油田具有較大應(yīng)用前景。

對于電泵生產(chǎn)井來說，擴(kuò)容工藝中主要的擴(kuò)容施工參數(shù)為合適的注入壓力，即擴(kuò)容壓力。

首先，該壓力應(yīng)選定一個(gè)合適的區(qū)間范圍，按照常規(guī)增產(chǎn)措施計(jì)算方法，根據(jù)儲層地應(yīng)力、破裂壓力梯度值，以及不同排量下電泵生產(chǎn)井的管柱摩阻，計(jì)算一個(gè)注入壓力，該壓力在井下介于儲層最小主應(yīng)力和地層破裂壓力之間，地層破裂壓力下的注入壓力為最大擴(kuò)容壓力。

其次，需要開展儲層巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測試不同圍壓下目標(biāo)儲層巖心的剪切強(qiáng)度和擴(kuò)容角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行巖石力學(xué)破壞曲線擬合［19］（圖3）。擴(kuò)容壓力應(yīng)介于最小擴(kuò)容壓力與最大擴(kuò)容壓力之間。從擬合曲線獲得最小擴(kuò)容壓力，公式為

圖3 巖石力學(xué)破壞曲線Fig.3 Rock mechanics damage curve

式中：pd——最小擴(kuò)容壓力，MPa；

p0——改造層段平均有效主應(yīng)力，MPa；

c——砂巖地層的黏聚力，MPa；

τ0——改造層段初始剪應(yīng)力，MPa；

β——摩擦角，（°）。

最后，若不動管柱作業(yè)，需要進(jìn)一步限制擴(kuò)容壓力，使其不超過井口及井下工具安全限壓的80%，對于電泵生產(chǎn)井來說，電泵電纜穿越器和電泵傳感器是油井中2 個(gè)最薄弱的井下工具，對于海上油田來說，電泵電纜穿越器抗壓通常為34.5 MPa，此外電泵傳感器要求壓力上升、下降的速率小于0.34 MPa/min。

在文學(xué)作品中，環(huán)境描寫能夠襯托人物的心理、推動故事的發(fā)展。因此，在高中語文閱讀的教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生重視環(huán)境描寫，通過環(huán)境的描寫來分析人物。當(dāng)然，不能僅僅以自然環(huán)境為主要依托，環(huán)境描寫分為自然環(huán)境和社會環(huán)境，自然環(huán)境指自然界的景物，社會環(huán)境指體現(xiàn)社會當(dāng)時(shí)的特點(diǎn)的建筑物、物品或者風(fēng)俗習(xí)慣等。以我們初中學(xué)過的《故鄉(xiāng)》為例，“時(shí)候既然是深冬；漸近故鄉(xiāng)時(shí)，天氣又陰晦了，冷風(fēng)吹進(jìn)船艙中，嗚嗚的響，從篷隙向外一望，蒼黃的天底下，遠(yuǎn)近橫著幾個(gè)蕭索的荒村，沒有一些活氣。我的心禁不住悲涼起來了”，這段運(yùn)用了環(huán)境描寫，并且是自然環(huán)境。通過描寫，渲染了故鄉(xiāng)凄涼的景象，并且通過環(huán)境描寫也襯托了“我”悲涼的心情。

因此，擴(kuò)容技術(shù)實(shí)施時(shí)在穿越器處限壓27.6 MPa，同時(shí)需要控制擴(kuò)容區(qū)擴(kuò)展、反演時(shí)壓力上升、下降的速率，以防破壞井下工具。

為降低擴(kuò)容井口注入壓力，還可提前采用酸化技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，或增注提效。

此外，擴(kuò)容施工過程中還通過實(shí)時(shí)監(jiān)測到的壓力數(shù)值反演來進(jìn)行擴(kuò)容半徑計(jì)算，擴(kuò)容區(qū)反演的機(jī)理是孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)和壓力瞬態(tài)分析（PTA）。通過高頻監(jiān)測（通常不小于1 秒1 個(gè)數(shù)據(jù)）井口壓降響應(yīng)，采用PTA 的方法分析出壓力的流態(tài)區(qū)間（比圖瞬態(tài)線性流、瞬態(tài)徑向流和瞬態(tài)雙線性流等）。然后采用對應(yīng)的孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)模型，利用伴隨共軛導(dǎo)數(shù)法（adjoint gradient method），快速求解優(yōu)化流固耦合Biot 方程，求得應(yīng)力擾動區(qū)的范圍和擾動區(qū)內(nèi)的體積變形。由此開發(fā)的反演數(shù)值軟件具有高效、快速的特點(diǎn)。

3 應(yīng)用案例

3.1 基本情況

為了驗(yàn)證擴(kuò)容技術(shù)在海上電泵生產(chǎn)井中的應(yīng)用效果，于2020 年底優(yōu)選了海上油田P‐B7H1 井進(jìn)行礦場試驗(yàn)，該井是一口水平井，于2020 年3 月投產(chǎn)，完鉆井深2 634.5 m，垂深1 887.7 m，水平段長398.3 m，井眼直徑為152.4 mm 的水平裸眼，并采用外徑為101.6 mm 優(yōu)質(zhì)篩管及礫石充填完井方式，該井儲層平均孔隙度為19%，平均滲透率為357×10?3μm2，為中孔、中滲底水油藏，該井投產(chǎn)初期日產(chǎn)液400 m3，但產(chǎn)量遞減較快，投產(chǎn)7 個(gè)月，日產(chǎn)液量逐漸下降至238 m3。

該井低產(chǎn)原因主要有3 點(diǎn)：（1）儲層位于油藏上段，屬于薄差層，存在泥質(zhì)夾層；（2）鉆井過程中存在污染傷害，完井頂替后漏速依然較慢，未有效解除傷害；（3）生產(chǎn)過程中存在微粒運(yùn)移堵塞。

3.2 試驗(yàn)方案

針對該井情況，在采用巖石擴(kuò)容技術(shù)的同時(shí)，還設(shè)計(jì)部分酸化液，在物理擴(kuò)容改造的同時(shí)，進(jìn)行化學(xué)解堵，此外由于不動管柱作業(yè)，井口壓力受限，為了進(jìn)一步提升作業(yè)效果，在試驗(yàn)時(shí)采取先酸化、再擴(kuò)容的作業(yè)方式。

2020 年11 月28 日，酸化采用井口限壓10 MPa 依次泵注前置液（鹽酸為主）8 m3、主體酸（氟硼酸和改性硅酸為主，解決鉆井污染、泥質(zhì)、微粒運(yùn)移堵塞）30 m3、后置液（鹽酸為主）7 m3，頂替液根據(jù)井筒容積泵注防膨液45 m3，酸化后電泵排酸。巖石力學(xué)擴(kuò)容部分采用井口限壓11.5 MPa（該井最大允許注入壓力為12.5 MPa，根據(jù)地層最小主應(yīng)力計(jì)算井口壓力為10.8 MPa，擴(kuò)容井口注入壓力為11.0~11.5 MPa），采用生產(chǎn)水作為擴(kuò)容液，泵注液量計(jì)劃1 000 m3左右。

試驗(yàn)井地面泵注流程連接示意如圖1 所示。無線壓力傳感器和無線流量儀可為施工實(shí)時(shí)傳輸壓力和流變數(shù)據(jù)，以便測試計(jì)算最小地應(yīng)力、擴(kuò)容半徑等相關(guān)參數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了在限定壓力下進(jìn)一步提升擴(kuò)容技術(shù)的注入能力，擴(kuò)容前進(jìn)行酸化作業(yè)，降壓增注效果較為明顯（圖4），酸化泵擠注酸液階段，酸液接觸地層后，排量穩(wěn)定，泵注壓力下降2 MPa。擠注頂替液后半段過程中，排量恒定在0.56 m3/min，擠注壓力出現(xiàn)下降趨勢。作業(yè)前試注的泵注壓力為8.8 MPa時(shí)，泵注排量為0.5 m3/min，擠注頂替液最后階段，泵注壓力為8.3 MPa 時(shí)，泵注排量為0.6 m3/min。

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

如圖5 和表3 所示，擴(kuò)容施工步驟主要包括地應(yīng)力預(yù)處理和擴(kuò)容區(qū)擴(kuò)展，每個(gè)步驟間還有擴(kuò)容區(qū)反演，預(yù)處理階段根據(jù)限制壓力，進(jìn)行階段提壓預(yù)處理，擴(kuò)容階段則采用振蕩交替注入方式，該井在地應(yīng)力預(yù)處理階段，泵注壓力為8 MPa 時(shí)，泵注排量為0.95 m3/min，在擴(kuò)容區(qū)擴(kuò)展階段，泵注壓力為11.0~11.5 MPa 時(shí)，泵注排量為1.21~1.27 m3/min。相比酸化措施其視吸水指數(shù)有58%的增長幅度。

圖5 P-B7H1井?dāng)U容施工曲線Fig.5 P-B7H1 well dilation operation curve

表3 巖石擴(kuò)容泵注設(shè)計(jì)及施工參數(shù)Table 3 Rock dilation pump injection design and operation parameters

通過對地應(yīng)力預(yù)處理作業(yè)流程和各注入周期的壓降曲線分析，本井地層最小主應(yīng)力為24.41 MPa，假定產(chǎn)生的擴(kuò)容區(qū)沿400 m 水平段均勻分布，計(jì)算得出本次施工擴(kuò)容半徑為10~12 m，地層孔隙度增加1.6%~2.0%。

該井作業(yè)前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表4 所示，該井穩(wěn)定后，日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量能力均大幅提升，截至2021 年2 月23 日，日產(chǎn)液量由213.7 m3增加至405.2 m3，日產(chǎn)油量由9.9 m3增加至20.8 m3，增產(chǎn)效果顯著。

表4 P-B7H1井作業(yè)前后測試數(shù)據(jù)Table 4 Test data before and after operation of Well P-B7H1

此外，由于泵注了1 285 m3的生產(chǎn)水，措施作業(yè)后10 d 內(nèi)，油井含水率高達(dá)99%，主要為返排生產(chǎn)水，10 d 后，油井含水率逐漸下降，14 d 生產(chǎn)相對穩(wěn)定，生產(chǎn)2 個(gè)月，含水率恢復(fù)至作業(yè)前水平，相當(dāng)于平均多日產(chǎn)水19.2 m3，但對于整體經(jīng)濟(jì)效益而言，措施后36 d 收回投資，措施后2 個(gè)月，投入產(chǎn)出比為1∶2.4，技術(shù)試驗(yàn)取得成功，不動管柱施工則符合海上油田快速作業(yè)的特點(diǎn)，在海上油田電泵生產(chǎn)井中具有較大應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

（1）針對海上油田平臺空間有限、措施工藝受限等技術(shù)應(yīng)用難題，提出了海上電泵生產(chǎn)井不動管柱巖石擴(kuò)容技術(shù)，技術(shù)具有改造規(guī)模大、作業(yè)成本低，不需要動管柱，工藝簡便可行的特點(diǎn)。

（2）技術(shù)對于疏松砂巖和致密砂巖均適應(yīng)，已應(yīng)用井滲透率從0.9×10?3~5 403.4×10?3μm2，疏松砂巖相對于致密砂巖更容易產(chǎn)生擴(kuò)容帶，增加巖石孔隙度和滲透率。對于致密砂巖，可在擴(kuò)容施工最后步驟中增加小型壓裂，以擴(kuò)大技術(shù)實(shí)施效果。

（3）工藝上主要問題為選擇合適的注入壓力，若不動管柱作業(yè)，需要限制擴(kuò)容井口注入壓力和壓力上升、下降的速率，防止對井下工具的破壞，同時(shí)可提前采用酸化技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，降低擴(kuò)容井口注入壓力，或增注提效。

（4）進(jìn)行了技術(shù)礦場試驗(yàn)，施工擴(kuò)容半徑為10~12 m，地層孔隙度增加1.6%~2.0%，日產(chǎn)液量由213.7 m3增加至405.2 m3，提產(chǎn)效果顯著。

（5）在海上油田將擴(kuò)大擴(kuò)容技術(shù)應(yīng)用規(guī)模，并將擴(kuò)容設(shè)計(jì)模型及模擬、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試和裂縫擴(kuò)展分析、現(xiàn)場施工參數(shù)反演解釋、與酸化聯(lián)作工藝的增產(chǎn)作用機(jī)理研究作為下一步研究方向。