海上弱固結砂巖儲層膨脹注水工藝研究

彭成勇　(中海油研究總院，北京 100027)

徐康泰（石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學（北京））中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

于繼飛，曹硯鋒　(中海油研究總院，北京 100027)

王雷，崔楠（石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學（北京））中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

海上弱固結砂巖儲層膨脹注水工藝研究

彭成勇(中海油研究總院，北京 100027)

徐康泰（石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學（北京））中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

于繼飛，曹硯鋒(中海油研究總院，北京 100027)

王雷，崔楠（石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學（北京））中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

[摘要]針對我國渤海弱固結砂巖油田注水井近井污染問題,提出膨脹注水解堵工藝技術,考慮隨距井筒距離變化的污染程度,結合流固耦合效應,編寫ABAQUS子程序,建立有限元分析模型,模擬渤海油田某注水井膨脹注水解堵效果。結果表明,在一定污染程度下,存在一個可達到解堵目的的最小注入速度,并在此基礎上,建立渤海弱固結砂巖儲層膨脹注水圖版。結合實際,提出配套階梯式膨脹注水工藝,增強現場運用的安全性和靈活性。

[關鍵詞]弱固結砂巖;膨脹注水;污染程度;注水圖版;階梯式注水

海上弱固結砂巖高滲油田注水開發，由于注水水質、顆粒沉積等原因，注水井污染堵塞現象嚴重，注入壓力上升明顯[1，2]。針對我國渤海弱固結砂巖油田注水污染井問題，采用膨脹注水技術進行解堵[3]，即高于儲層破裂壓力注水，使地層產生穿透污染帶區域的短裂縫，從而達到解堵目的。該工藝難點在于控制排量，即合理的注入速度；在達到解堵目的的同時，能夠降低實施風險。考慮隨距井筒距離變化的污染程度[4~6]，結合流固耦合效應，針對該區塊某口具體注水井，采取該工藝進行解堵，模擬膨脹注水效果，給出最優注入速度。設置不同隨距離變化的污染程度，建立適用于弱固結高滲砂巖儲層注水井解堵的一般適用性注水圖版，實現快速判斷可穿透污染帶的最小注入速度。根據工藝現場施工特點，提出階梯式膨脹注水概念。

1膨脹注水模型建立

弱固結砂巖儲層注水過程，受注入流體影響，巖土微觀幾何形狀較常規儲層更易發生改變，影響儲層孔滲特征[7]。

巖石骨架的變形可表征為：

(1)

式中：Δe為孔隙比變化量，1；ΔVp為孔隙體積變化量，m3；Vs為固相體積，m3。

體積應變為：

(2)

式中：εv為體積應變，1；ΔV為巖石體積變化量，m3；V0為原始體積，m3；e為孔隙比，1;e0為初始孔隙比，1。

即：

(3)

式中：φ為孔隙度，1；φ0為初始孔隙度，1。

結合滲透系數和孔隙度間的關系，得到考慮滲流-應力耦合數學公式[7,8]：

(4)

式中：K0為初始滲透系數，cm/s；K為滲透系數，cm/s。

污染程度由弱固結砂巖儲層注水井近井地帶污染情況測定結果[4~6]確定，可采取“三段直線型”污染模式表征近井污染情況，設定了4種不同污染程度，從小到大分別為：情況①——0~1m，井筒儲層污染程度最為嚴重，滲透率損失率為95%，且為常數，也是影響注入效果的主要因素；1~7m內，7m時滲透率損失率下降為20%，為線性變化；7~11m內，11m時滲透率損失率為0%，即恢復原始滲透率，為線性變化；11m外滲透率無損失。情況② ——0~1m，滲透率損失率為97%，且為常數；1~9m內，9m時滲透率損失率為20%，為線性變化；9~13m內，13m時滲透率損失率為0%，為線性變化；13m外滲透率無損失。情況③ ——0~1m，滲透率損失率為99%，且為常數；1~10m內，10m時滲透率損失率為20%，為線性變化；10~15m內，15m時滲透率損失率為0%，為線性變化；15m外滲透率無損失。情況④——0~1m，滲透率損失率為99.5%，且為常數；1~11m內，11m時滲透率損失率為20%，為線性變化；11~15m內，15m時滲透率損失率為0%，為線性變化；15m外滲透率無損失。

利用ABAQUS有限元軟件，建立有限元分析模型[8~12]：采用線性二維CPE4RP單元對模型進行網格劃分。考慮近井區域壓力變化明顯，對模型進行二次加密，即圖1加密區1與加密區2。利用用戶子程序USDFLD、UFLUIDLEAKOFF實現隨距離變化的滲透率，即污染程度，利用用戶子程序GETVRM實現弱固結砂巖儲層流固耦合特征，即式(4)。

圖1　計算模型示意圖

2膨脹注水工藝運用

渤海某油田注水井，采用“一投三分”分層注水技術[13]，取各段參數平均值，代入所建立的有限元分析模型中。其中污染模式根據儲層原始滲透率按照“三段式”的污染模式賦值，其余參數見表1。

表1　模型中基礎參數

采取膨脹注水工藝進行解堵，在604、864、1296、1728、2160m3/d注入速度下施工25min，觀察井底壓力變化趨勢，并在施工25min后，繼續以200m3/d的原配注量注水，分析解堵后效果，結果見圖2。由圖2可知，當注入速度大于864m3/d，恢復常規注水，井底壓力幾乎一致，表明膨脹注水注入速度大于864m3/d ，均能達到解堵效果。864m3/d為該井施工優選值，即在這種情況下能夠達到解堵目的的最小施工排量。

圖2　注入井底壓力模擬

3膨脹注水圖版建立

采取所示 “三段式”污染模式，根據渤海弱固結砂巖儲層基本物性，建立有限元分析模型，分析不同儲層厚度、不同污染情況下，能夠突破污染帶，達到解堵目的的最小注入速度。根據儲層特點，模板采取儲層厚度為10、20、30、40、50m；上述4種不同污染程度情況如圖3所示。

圖3　污染程度情況

模型其他基本參數包括：①原始地層壓力13MPa，水平最大主應力為27MPa，最小主應力為22MPa；②初始滲透率為1000mD，初始孔隙度為0.3；③彈性模量為1.8 GPa，泊松比為2.64。如圖4所示，得到適合于分析我國渤海弱固結砂巖儲層注水井污染膨脹解堵注水圖版。運用該圖版：假設一污染井，污染程度類似圖3中的情況2，作用儲層厚度約為30m，則達到解堵目的的最小注入速度約為2000m3/d。

圖4　最小注入速度圖版

4階梯式膨脹注水工藝提出

結合現場運用，提出階梯式膨脹注水概念，即逐步提高排量技術。如圖5所示，分5個階段升排量注入，每階段施工25min，即300m3/d(25min) +518m3/d(25min)+864m3/d(25min)+1296m3/d(25min)+1728m3/d(25min)；與常規膨脹注水(1728m3/d(25min))對比，可知階梯式注水工藝技術優勢如下：①井底最大壓力降低，達到6.30MPa，較大幅度降低了施工所需最大壓力，即降低了對設備性能的要求和施工難度；②有利于現場施工調整；③整體施工趨勢更平穩，降低了施工帶來的風險。

圖5　注入井底壓力模擬(階梯式膨脹注水)

5結論

1)考慮流固耦合效應，結合隨距井筒

距離變化的滲透率特征，即“三段式”污染形式，建立有限元分析模型，該模型適合于分析渤海疏松砂巖油藏注水井膨脹注水解堵過程。

2)以渤海疏松砂巖油藏某口污染注水井為例，采用膨脹注水技術，模擬注水過程井底壓力變化情況，得到可達到解堵目的的最小注入速度。

3)考慮“三段式”污染形式，建立膨脹注水圖版，該圖版能夠根據不同儲層厚度、不同污染情況，快速確定達到解堵目的的最小注入速度。

4)提出階梯式膨脹注水工藝，較之于常規膨脹注水，該工藝具有逐步增大注入量、施工所需最大壓力小、持續作業壓力平穩的特征，從而具備降低設備性能要求、便于調整施工方案、降低施工帶來的風險等優勢。

[參考文獻]

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[13]劉義剛. 渤海油田控水工藝技術新進展[M]. 北京：化學工業出版社,2012.

[編輯]黃鸝

[引著格式]彭成勇，徐康泰，于繼飛，等.海上弱固結砂巖儲層膨脹注水工藝研究[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(26):77~80.

[中圖分類號]TE53

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0077-04

[作者簡介]彭成勇(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事非常規油氣開發增產工作， pengchy@cnooc.com.cn。

[基金項目]中海石油(中國)有限公司科研項目(CCL2012RCPS0259RSN)。

[收稿日期]2015-04-20