鄧 剛
(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司開發(fā)事業(yè)部,黑龍江 大慶 163458)
大慶油田三類油層儲(chǔ)層物性差、采出程度低、剩余油分布零散,采用常規(guī)的開發(fā)方式難以有效動(dòng)用剩余油儲(chǔ)量,為此提出采用壓裂驅(qū)油的方式來(lái)提高采收率[1‐2]。壓裂驅(qū)油具有注入效率高、驅(qū)替液損失小、波及體積廣、增液增油效果好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3‐5]。壓裂驅(qū)油工藝是壓裂—滲流—驅(qū)洗相結(jié)合的提高采收率技術(shù),相較于常規(guī)壓裂,具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、注入液量大等特點(diǎn),但是也增大了裂縫與周圍井瞬時(shí)溝通的風(fēng)險(xiǎn),在壓裂驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)壓力監(jiān)控提出了更高的要求[6‐10]。以往對(duì)壓裂井進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè),主要通過(guò)作業(yè)在鄰井預(yù)置儀器測(cè)試通道,在壓裂過(guò)程中監(jiān)測(cè)壓裂井周圍的微地震事件,根據(jù)壓裂井周圍微地震事件的強(qiáng)弱和分布范圍,進(jìn)行壓裂效果評(píng)價(jià)。該技術(shù)需要進(jìn)行多次井下作業(yè)施工,監(jiān)測(cè)成本高,并且只能定性反映壓裂的影響范圍,無(wú)法明確壓裂井與周圍鄰井之間的真實(shí)連通性,更無(wú)法準(zhǔn)確分析井間竄流風(fēng)險(xiǎn)。為此,優(yōu)選了井底壓力直讀、地面無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù),優(yōu)化了壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案。采用試井工藝將直讀電子壓力計(jì)下到井底,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力。研究鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警界限,編制壓力分析預(yù)警軟件。將井底壓力變化預(yù)警信息實(shí)時(shí)推送給壓驅(qū)施工人員,為壓驅(qū)施工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化[11‐15]、現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)調(diào)整和安全施工提供了保障。
在試驗(yàn)早期為確保壓驅(qū)試驗(yàn)施工鄰井安全,往往采用人工定期巡井量油、錄取井口套壓的辦法了解鄰井的動(dòng)態(tài)反應(yīng),但會(huì)出現(xiàn)在施工現(xiàn)場(chǎng)不能及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)鄰井的井底壓力變化,延誤了施工參數(shù)調(diào)整時(shí)機(jī),造成鄰井見劑、地層溝通的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試需求,優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案,優(yōu)選監(jiān)測(cè)工藝,采用試井工藝實(shí)現(xiàn)鄰井的井底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)地面無(wú)線傳輸,制定安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警參數(shù)技術(shù)界限,兼顧壓驅(qū)裂縫延伸距離評(píng)價(jià),形成了一套有效的井下壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試井技術(shù)。
基于干擾試井理論,需在壓驅(qū)井周圍連通井下入實(shí)時(shí)壓力計(jì),同步監(jiān)測(cè)壓力變化,用于計(jì)算裂縫延伸距離,評(píng)價(jià)壓驅(qū)裂縫的延展形態(tài),同時(shí)給壓驅(qū)規(guī)模調(diào)整、儲(chǔ)層連通認(rèn)識(shí)提供參考。因此借鑒干擾試井方案設(shè)計(jì),從監(jiān)測(cè)井選井、關(guān)井時(shí)間、測(cè)試儀器3 方面制定了方案設(shè)計(jì)原則。
1.1.1 鄰井壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn)選擇原則
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控及確定周圍連通井優(yōu)勢(shì)主方向的監(jiān)測(cè)需求,結(jié)合壓驅(qū)井與鄰井的連通情況和井間距離,形成了壓驅(qū)過(guò)程中壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn)兩級(jí)選井原則:一是壓驅(qū)直接連通井以及設(shè)計(jì)裂縫半徑內(nèi)非連通井,為一級(jí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn),監(jiān)測(cè)方式采用電纜將井下直讀壓力計(jì)下到監(jiān)測(cè)井的油層中部,進(jìn)行壓驅(qū)過(guò)程井底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為壓驅(qū)安全施工提供信息支持;二是壓驅(qū)井一個(gè)井距之外的同層系連通井以及設(shè)計(jì)裂縫半徑以外的其它非連通井,為二級(jí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn),由采油廠進(jìn)行油、套壓監(jiān)控。
1.1.2 監(jiān)測(cè)井關(guān)井時(shí)間確定原則
為確保監(jiān)測(cè)井在壓裂期間監(jiān)測(cè)到的壓力干擾信息不受其他因素影響,形成了壓驅(qū)鄰井壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)間確定原則。壓驅(qū)前為使地層壓力穩(wěn)定,更好地錄取到監(jiān)測(cè)井的壓力,提前關(guān)井時(shí)間參考區(qū)塊內(nèi)壓力恢復(fù)監(jiān)測(cè)井關(guān)井時(shí)間;壓驅(qū)中關(guān)井監(jiān)測(cè)時(shí)間根據(jù)壓驅(qū)施工進(jìn)度確定;壓驅(qū)后為了保證鄰井監(jiān)測(cè)到壓裂結(jié)束的壓力響應(yīng),延遲關(guān)井監(jiān)測(cè)時(shí)間為壓驅(qū)結(jié)束隨動(dòng)態(tài)反應(yīng)出現(xiàn)時(shí)間。因此,壓驅(qū)鄰井壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所需的關(guān)井時(shí)間為
式中:Δt1——壓前地層壓力穩(wěn)定最少關(guān)井時(shí)間(參考靜壓測(cè)試時(shí)間),h;
Δt2——壓裂驅(qū)油持續(xù)時(shí)間(為壓驅(qū)施工時(shí)間),h;
Δt3——壓裂驅(qū)油后跟蹤干擾響應(yīng)延遲關(guān)井時(shí)間,h。
1.1.3 監(jiān)測(cè)儀器選擇
針對(duì)壓驅(qū)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)鄰井多數(shù)是與壓驅(qū)井存在連通的高風(fēng)險(xiǎn)井,這些井具有高壓、井口密閉指標(biāo)高、井底壓力隨壓驅(qū)施工波動(dòng)大等特點(diǎn),優(yōu)選了傳感器滿量程相對(duì)誤差為0.05%的高精度直讀電子壓力計(jì),儀器的壓力最大量程為60 MPa,溫度最大量程為150 ℃,儀器外徑為22 mm,儀器與直徑為3.5 mm 的鎧裝電纜連接,可實(shí)現(xiàn)偏心油井、注入井的井底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)該套設(shè)備能及時(shí)反映監(jiān)測(cè)壓力波動(dòng)情況,防止監(jiān)測(cè)井壓力突升、井口高壓造成滲漏事故,并輔助壓驅(qū)施工單位在第一時(shí)間合理控制壓驅(qū)施工規(guī)模。
針對(duì)壓驅(qū)試驗(yàn)需及時(shí)了解鄰井壓力變化情況,根據(jù)實(shí)時(shí)壓力變化調(diào)整壓驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工規(guī)模的需求,在測(cè)井工藝直讀壓力監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)監(jiān)測(cè)儀器及配套設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。
在供電模式方面,將監(jiān)測(cè)儀器的供電模式由交流電改為電壓12 V 的直流電供電模式,采用12 V、120 Ah 車用鉛酸蓄電池作為供電電源。為有效降低控制箱能耗,提高轉(zhuǎn)換效率,對(duì)降壓模塊進(jìn)行了優(yōu)化:
(1)采用扁平線大電流電感,具有電流大、發(fā)熱小的特點(diǎn);
(2)同步整流方案,輸入采用MOS 管反接保護(hù),降低損耗;
(3)8~35 V 超寬輸入電壓,5 V、2 A 輸出,保證設(shè)備用電要求。
經(jīng)測(cè)試,整套系統(tǒng)平均工作電流為60 mA 左右,采用120 Ah 蓄電池供電,可連續(xù)工作75 d以上。
在井口密閉及承壓裝置方面,對(duì)直插防噴盒的密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),采用尼龍密封圈代替常規(guī)的橡膠圈,與3.5 mm 電纜配合使用,井口密封性更好,耐壓性更高,從而提高監(jiān)測(cè)安全性。
通過(guò)以上2 方面的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)采用試井工藝便可進(jìn)行壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),整個(gè)壓驅(qū)監(jiān)測(cè)過(guò)程,無(wú)需班組、車輛設(shè)備駐留井場(chǎng),僅需1 人便可以從服務(wù)器調(diào)取壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),完成壓中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作。有效縮減人員、設(shè)備成本,實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊井進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、安全、有效的全過(guò)程監(jiān)測(cè)。
壓裂施工過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)將壓裂形成的裂縫延伸長(zhǎng)度與井距的比值稱為穿透比,壓裂設(shè)計(jì)時(shí)一般要求穿透比小于0.25,當(dāng)穿透比大于0.5 時(shí),表明壓裂井與監(jiān)測(cè)鄰井的竄通風(fēng)險(xiǎn)較高。跟蹤監(jiān)測(cè)了前期實(shí)施的33 口壓驅(qū)井,對(duì)監(jiān)測(cè)到的122 段壓力隨動(dòng)反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。
從監(jiān)測(cè)曲線可以看出,監(jiān)測(cè)井接收到的干擾壓力變化速率與壓驅(qū)施工的排量、壓力等參數(shù)直接相關(guān),通過(guò)對(duì)49 口108 個(gè)層段一級(jí)監(jiān)測(cè)井解釋裂縫參數(shù)的分析表明:壓力變化速率越大,裂縫與鄰井溝通風(fēng)險(xiǎn)越大。從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,大多數(shù)層段壓裂時(shí)鄰井監(jiān)測(cè)到的壓力變化速率均小于0.2 MPa/h,此時(shí)穿透比大于0.5 的層段數(shù)比例僅為7.5%;隨著壓力變化速率的增大,尤其當(dāng)壓力變化速率大于0.7 MPa/h 時(shí),穿透比大于0.5 的層段數(shù)比例上升到50%。
表1 壓驅(qū)裂縫穿透比與壓力變化速率分級(jí)關(guān)系Table 1 Classification relationship between fracture penetration ratio and pressure change rate in fracturing flooding
為此,綜合考慮壓竄的可能性、突發(fā)性和危害性,建立了基于壓力的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警界限。綜合考慮監(jiān)測(cè)井的液面深度、壓力變化速率、壓力上升幅度等影響因素,將壓驅(qū)鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)自低到高分為黃、橙、紅3 級(jí)。
1.3.1 黃色預(yù)警觸發(fā)條件
黃色預(yù)警主要針對(duì)與壓驅(qū)井存在直接連通關(guān)系的油井。觸發(fā)黃色預(yù)警時(shí)從壓力監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)間隔30 min 向壓驅(qū)施工單位反饋壓力信息。
(1)監(jiān)測(cè)井油管與套管的環(huán)形空間內(nèi)液面距離井口100 m。根據(jù)直讀壓力計(jì)停測(cè)深度、監(jiān)測(cè)到的井底壓力以及該井井筒內(nèi)的流體密度,可以計(jì)算出油套環(huán)形空間內(nèi)液面到井口的距離;(2)用監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到壓裂井施工引起的壓力變化,且壓力變化速率在0.2 MPa/h 以內(nèi)。
1.3.2 橙色預(yù)警觸發(fā)條件
橙色預(yù)警主要針對(duì)與壓驅(qū)井存在直接連通關(guān)系的油井、注水井。觸發(fā)橙色預(yù)警時(shí)從壓力監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)間隔10 min 向壓驅(qū)施工單位反饋壓力信息,并且建議施工單位適當(dāng)降低施工泵壓和排量。
(1)油井的油管與套管的環(huán)形空間內(nèi)液面已到井口,并且井口處的套壓在3 MPa 以內(nèi);
(2)注水井監(jiān)測(cè)到壓裂井施工引起的壓力變化,且井口壓力值小于正常生產(chǎn)時(shí)的注入壓力;
(3)油水井監(jiān)測(cè)到壓裂井施工引起的壓力變化速率在0.2~0.7 MPa/h。
采用Olympus共聚焦顯微鏡分別測(cè)量如圖3所示的3k個(gè)區(qū)域,依次進(jìn)行局部放大,截取特定的區(qū)域測(cè)量表面粗糙度值,分別記錄為逆銑區(qū)域表面粗糙度(USR)、中間區(qū)域表面粗糙度(MSR)及順銑區(qū)域表面粗糙度(DSR):
1.3.3 紅色預(yù)警觸發(fā)條件
紅色預(yù)警主要針對(duì)與壓驅(qū)井存在直接連通關(guān)系的油井、注水井,以及在設(shè)計(jì)裂縫半徑內(nèi)無(wú)連通關(guān)系的監(jiān)測(cè)井。觸發(fā)紅色預(yù)警時(shí)從壓力監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)向壓驅(qū)施工單位反饋壓力信息,并且建議施工單位暫?;蚪K止壓驅(qū)施工。
(1)連通油井的井口套壓大于3 MPa;
(2)連通注水井的井口壓力值高于正常生產(chǎn)時(shí)的注入壓力;
(3)連通油水井監(jiān)測(cè)到壓裂施工引起的壓力變化速率大于0.7 MPa/h;
(4)無(wú)連通關(guān)系的監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到壓裂施工引起的壓力變化。
由監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到的壓力及壓力變化情況滿足以上任意一條預(yù)警條件,即觸發(fā)對(duì)應(yīng)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。例如在壓驅(qū)過(guò)程中,若一口油井監(jiān)測(cè)到其油套環(huán)形空間內(nèi)的井口壓力大于3 MPa,或者受壓裂施工影響監(jiān)測(cè)到的壓力變化速率大于0.7 MPa/h,說(shuō)明監(jiān)測(cè)鄰井的井口出現(xiàn)滲漏、地層被壓竄的可能性較大。針對(duì)這類情況,現(xiàn)場(chǎng)壓力監(jiān)測(cè)人員應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注鄰井的壓力變化,及時(shí)通知壓驅(qū)施工隊(duì)伍采取停壓觀察、終止施工等措施。按照這種思路,編制了壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)分析軟件,設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警界限值,一旦觸發(fā)某一預(yù)警條件,軟件自動(dòng)將風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息定向推送給壓驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工人員,及時(shí)提醒他們作出相應(yīng)的施工調(diào)整(表2)。
表2 壓驅(qū)鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警界限Table 2 Warning limit of pressure channeling risk in adjacent wells in the fracturing flooding
針對(duì)壓裂過(guò)程中接收到壓竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息的監(jiān)測(cè)井,研究了人工裂縫在監(jiān)測(cè)井方向等效延伸距離計(jì)算方法,用來(lái)定量評(píng)價(jià)壓竄風(fēng)險(xiǎn),指導(dǎo)后期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整,確保壓裂驅(qū)油效果。根據(jù)干擾試井理論,假設(shè)地層為均質(zhì)無(wú)限大,在壓裂前2 口井之間的地層無(wú)裂縫,壓裂過(guò)程中形成的裂縫無(wú)限導(dǎo)流,且無(wú)壓力損失。在壓裂過(guò)程中對(duì)直接連通鄰井進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè),把壓裂過(guò)程視為對(duì)地層的壓力干擾,那么壓裂井相當(dāng)于激動(dòng)井,監(jiān)測(cè)鄰井相當(dāng)于觀測(cè)井。壓裂前激動(dòng)井中注入壓力被觀測(cè)井接收到具有一定的滯后時(shí)間,這個(gè)滯后時(shí)間在干擾試井中叫作時(shí)滯;隨著壓裂施工的進(jìn)行,激動(dòng)井與觀測(cè)井之間的裂縫逐漸形成,直到壓裂結(jié)束,由于裂縫無(wú)限導(dǎo)流,停止壓裂時(shí)在裂縫最遠(yuǎn)端的壓力下降被觀測(cè)井接收到又是另一個(gè)較小的時(shí)滯。正是監(jiān)測(cè)到壓裂前、后時(shí)滯的差異,才能夠定量計(jì)算壓驅(qū)裂縫延伸距離,即
式中:xf——壓驅(qū)裂縫延伸距離,m;
L——監(jiān)測(cè)井與壓裂井之間的距離,m;
Δt4——監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到壓裂開始的壓力延遲時(shí)間,h;
Δt5——監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到壓裂結(jié)束的壓力延遲時(shí)間,h。
截至2019 年底,按照壓驅(qū)鄰井安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制共對(duì)102 個(gè)壓驅(qū)井組進(jìn)行311 井次安全監(jiān)控,其中8 口井壓驅(qū)時(shí)觸發(fā)紅色預(yù)警,及時(shí)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。以T128‐A 井壓驅(qū)時(shí)鄰井壓力監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為例,T128‐B 井為壓中監(jiān)測(cè)油井,2018 年4 月18日壓第1 段時(shí)鄰井監(jiān)測(cè)到井底壓力變化速率突升為0.73 MPa/h,折算井口壓力由2.7 MPa 上升到6.8 MPa,突破紅色預(yù)警,壓力分析軟件立即將這一信息反饋到采油廠和壓驅(qū)現(xiàn)場(chǎng),壓裂施工隊(duì)根據(jù)監(jiān)測(cè)井的井底壓力變化情況采取了2 次降低壓驅(qū)注入泵壓措施,確保順利施工(圖1)。
圖1 T128-A井壓驅(qū)時(shí)根據(jù)鄰井壓力變化實(shí)時(shí)采取泵注壓力調(diào)整情況Fig.1 Real-time adjustment of pumping pressure according to the pressure changes in adjacent wells during fracturing flooding for Well T128-A
在2018 年40 個(gè)壓驅(qū)井組壓裂施工過(guò)程中,對(duì)周圍120 口壓驅(qū)鄰井進(jìn)行了壓竄風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控,明確連通層數(shù)185 層,其中153 層能夠運(yùn)用壓竄風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行裂縫延伸距離解釋,解釋率為82.7%。如X3‐A6 井,壓驅(qū)時(shí)間2018 年9 月25—27日,壓驅(qū)井段為3 段,共注入驅(qū)替液7 700 m3。壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn)4 個(gè),同時(shí)采用井下微地震對(duì)壓裂施工過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè),9 月28 日監(jiān)測(cè)結(jié)束,測(cè)試期間周圍井工作制度穩(wěn)定。利用壓驅(qū)干擾試井解釋方法對(duì)有隨動(dòng)反應(yīng)的X3‐D15、X3‐F12、X3‐C09 等3口井進(jìn)行裂縫延伸距離定量解釋,裂縫延伸最大100 m,最小17 m。
根據(jù)各層不同方向解釋的裂縫延伸距離,繪制出連通井方向裂縫延伸范圍,與微地震裂縫評(píng)價(jià)對(duì)比,結(jié)果基本接近(表3)。
表3 壓驅(qū)鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)與井下微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison between quantitative evaluation of pressure channeling risk and downhole microseismic monitored results of adjacent wells
(1)建立的二級(jí)監(jiān)測(cè)井點(diǎn)選取原則,以及井底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試井工藝技術(shù),能夠滿足壓驅(qū)試驗(yàn)鄰井壓力安全監(jiān)控需求。
(2)壓驅(qū)時(shí)鄰井壓竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制在大慶油田壓驅(qū)井中具有可靠的適用性。鄰井壓力變化速率能及時(shí)反應(yīng)井間連通狀況,能夠有效降低壓竄風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)為裂縫評(píng)價(jià)提供更多信息。
(3)壓驅(qū)裂縫延伸距離評(píng)價(jià)方法是壓驅(qū)效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)壓驅(qū)裂縫在不同方向的延伸距離,定量分析壓裂井與周圍鄰井的連通狀況,有利于為地質(zhì)研究人員開展措施后注采井之間動(dòng)態(tài)方案的調(diào)整提供參考信息,確保壓驅(qū)措施效果的保持。