低、無污染基質(zhì)孔隙型灰?guī)r儲層基質(zhì)酸化增產(chǎn)可行性探索

王 達(dá), 盧 巖, 周福建*, 馮浦涌, 姚二冬, 邵尚奇

(1.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450)

碳酸鹽巖儲層儲量、產(chǎn)量在世界總儲量、產(chǎn)量占比較高[1]，且多為高產(chǎn)、低開采成本油田。目前世界上2/3的碳酸鹽巖油田分布于中東地區(qū)。近年來，中國石油企業(yè)在中東地區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展較為迅速，完善碳酸鹽巖儲層開采技術(shù)非常重要。基質(zhì)孔隙型儲層是中東地區(qū)主要的儲層類型之一[2]，物性好、產(chǎn)量高，目前針對此類儲層油井增產(chǎn)措施主要以經(jīng)濟(jì)有效的基質(zhì)酸化為主，酸壓或者加砂壓裂尚處在探索階段[3-5]。且目前業(yè)界普遍的認(rèn)識是低、無污染井基質(zhì)酸化提產(chǎn)幅度微乎其微[6]，因此基質(zhì)酸化作業(yè)普遍以解除污染、恢復(fù)油井產(chǎn)能為目的，對無污染井酸化的研究以及現(xiàn)場實(shí)踐較少，基本停留在室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)以及數(shù)模研究階段[7-9]，尚無室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者數(shù)模研究結(jié)果與現(xiàn)場施工結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行的對比論證的研究。

通過理論分析、公式推導(dǎo)，建立蚓孔穿深、無污染井提產(chǎn)幅度、用酸量之間的關(guān)系式，以此為基礎(chǔ)對于無污染井酸化工藝進(jìn)行改進(jìn)，并在中東某油田3口井進(jìn)行普通酸化與改進(jìn)工藝的對比實(shí)驗(yàn)，為此類基質(zhì)孔隙型灰?guī)r儲層無污染井酸化施工設(shè)計(jì)提供了方法。

1 儲層特征及儲層流體性質(zhì)

伊拉克某油田主力產(chǎn)層M層為白堊系基質(zhì)孔隙型灰?guī)r儲層，埋深為3 800～4 200 m，儲層溫度為100～120 ℃，屬于典型的海相沉積，沉積期間海水清潔[2]，因此泥質(zhì)含量非常低，平均小于5%，灰?guī)r含量在95%以上。儲層物性較好，射孔層位平均測井孔隙度為14%～25%，平均測井滲透率為2～38 mD，屬于中高孔、中低滲儲層，是酸化工藝的理想層位。油田長期采用衰竭方式開采，儲層壓力下降較快，壓力系數(shù)從1.1下降到目前的0.7～0.9，并在近年開始進(jìn)行注水開發(fā)。

儲層原油為中重質(zhì)油(API度22.5)，泡點(diǎn)壓力為18.3 MPa，瀝青含量為4%～11%，地下黏度為1 cP，目前生產(chǎn)含水為0～30%。

2 三口井低產(chǎn)原因及碳酸鹽巖儲層無污染井增產(chǎn)機(jī)理分析

2.1 三口井低產(chǎn)原因分析

M層P19、P-15和P-25三口井在采取普通酸化工藝后效果較差，平均提產(chǎn)幅度僅7%，大幅低于同期采用相同酸化工藝和用酸強(qiáng)度的同層鄰井增產(chǎn)幅度，如圖1所示。

圖1 酸化前后油井日產(chǎn)量對比Fig.1 Production rate before and after stimulation

將這批次采用同樣酸化工藝的酸化井生產(chǎn)曲線進(jìn)行對比可以看出，這三口井產(chǎn)量與井口壓力與其他井相比下降較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)其他井在投產(chǎn)初期或者生產(chǎn)階段產(chǎn)量快速、大幅下降的現(xiàn)象，因此推測這三口井近井地帶污染程度無污染或污染較低，導(dǎo)致采用和其他井相同的酸化工藝時(shí)提產(chǎn)幅度卻低很多。為了驗(yàn)證這一推測，在P-19井普通酸化施工后進(jìn)行了壓恢測試，表皮系數(shù)為-2.08，從而證實(shí)了該井無污染是提產(chǎn)幅度較低的原因。

2.2 無污染井增產(chǎn)機(jī)理分析及提產(chǎn)幅度計(jì)算

2.2.1 低、無污染井基質(zhì)增產(chǎn)幅度可能性研究現(xiàn)狀

目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為基質(zhì)酸化對污染井提產(chǎn)效果較好，但對無污染井提產(chǎn)效果則存在兩種認(rèn)識，主流認(rèn)識認(rèn)為無污染井提產(chǎn)效果甚微。根據(jù)將油井產(chǎn)能公式與Hawkins公式合并，可得儲層滲透率變化與采油指數(shù)之間的關(guān)系式(1)及計(jì)算圖版，如圖2所示[7]。

(1)

式(1)中：Is為污染/改善后油井采油指數(shù)，m3/d/MPa；I為未污染井采油指數(shù)，m3/d/MPa；ks為污染/改善后儲層滲透率，mD；k為儲層原始滲透率，mD；re為供油半徑，m；rs為污染/解堵半徑，m；rw為井筒半徑，m。

圖2 基質(zhì)酸化增產(chǎn)幅度Fig.2 Matrix productivity improvement

通過計(jì)算并結(jié)合圖2，于無污染井，如果距離井筒1.5 m范圍內(nèi)滲透率提高200%，則表皮系數(shù)可由0降低至-2，采油指數(shù)提高幅度僅在10%左右。但對于污染井，酸化將近井地帶1.5 m范圍內(nèi)滲透率從10%恢復(fù)到地層原始滲透率，表皮系數(shù)則會從27降低到0，采油指數(shù)也相應(yīng)能增加70%左右。

姚奕明等[8]利用ECLIPSE軟件模擬蚓孔長度、數(shù)量等油井產(chǎn)量的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示蚓孔長度大于0.7 m后對產(chǎn)能的增長幾乎沒有貢獻(xiàn)，如圖3所示。

圖3 蚓孔長度對日產(chǎn)油量和累積產(chǎn)量的影響Fig.3 Influences of wormhole length on daily production and cumulative production

但近年也有不同文獻(xiàn)指出因砂巖與碳酸鹽巖酸化提產(chǎn)機(jī)理不同，無污染碳酸鹽巖井可以通過酸化實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。Glasbergen等[9]指出，碳酸鹽巖增產(chǎn)與砂巖增產(chǎn)原理不同，酸蝕蚓孔相當(dāng)于一個(gè)小型的酸蝕裂縫，與孔隙型灰?guī)r儲層原始滲透率相比“無限大”，不僅可以旁通污染帶解除污染，還可以進(jìn)一步提升近井地帶的滲透率和孔隙度，因此基質(zhì)酸化也可以大幅提高碳酸鹽巖儲層無污染井的產(chǎn)能。

Magnus等[10]將井筒附近劃分為4個(gè)區(qū)域，分別是井筒、蚓孔區(qū)、酸液沖洗區(qū)、酸液未接觸地層，如圖4所示。普通鹽酸酸化僅能改善蚓孔區(qū)儲層滲流能力，而對于殘酸沖洗區(qū)儲層滲透率則無法起到改善作用。然后通過計(jì)算考察了增加近井地帶滲透率以及增加蚓孔長度對增產(chǎn)幅度的影響，如圖5和圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，增加近井地帶的滲透率不能有效地降低表皮，但是通過增加酸液穿透深度從而提高“酸液沖洗區(qū)”的滲透率，則可以有效降低表皮從而提高油井產(chǎn)能。并且采用該理論對現(xiàn)場作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)，取得了較好效果。

圖4 酸化后近井地帶示意圖Fig.4 Sketch shows simulation zones around the well bore after acid injection

假設(shè)原始滲透率為100 mD,污染后的滲透率為5 mD 圖5 增加無污染區(qū)儲層滲透率對于表皮系數(shù)的影響Fig.5 Effect of increasing the permeability within the same damaged zone on the skin factor

假設(shè)原始滲透率為100 mD, 污染區(qū)滲透率為5 mD, 酸后滲透率提高到1 000 mD 圖6 增加解堵半徑對于表皮系數(shù)的影響Fig.6 Effect of increasing the penetrating radius on the skin factor

但目前研究尚未全面、系統(tǒng)地的建立酸液用量與蚓孔長度、提產(chǎn)幅度之間的關(guān)系式，并在現(xiàn)場實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。首次嘗試?yán)碚撚?jì)算與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過結(jié)合目前中外最新研究成果，在無污染井提產(chǎn)公式中引入酸蝕蚓孔參數(shù)的影響以計(jì)算無污染井提產(chǎn)幅度，并結(jié)合Gadnski等公式推導(dǎo)所需酸液量的方式進(jìn)行酸化設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場三口井進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.2.2 結(jié)合蚓孔穿深的無污染井提產(chǎn)幅度計(jì)算

無污染井酸化提產(chǎn)幅度計(jì)算公式[6]為

(2)

式(2)中:Xi為酸后滲透率與原始滲透率比值。

對于改善后的近井地帶滲透率與原始滲透率比值Xi=ki/k0，理論分析表明，碳酸鹽巖酸后蚓孔相當(dāng)于小型裂縫，酸化后儲層滲透率與蚓孔滲透率相比可以忽略不計(jì)[11-12]。李傳亮等[13]根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果也表明，兩者滲透率極差非常大。因此，基于以上分析，蚓孔對于基質(zhì)孔隙型灰?guī)r儲層，有類似酸壓時(shí)將徑向流變?yōu)榫€性流從而顯著改善近井地帶滲透率的作用。

而在該油田對M層實(shí)際酸后壓恢滲透率測量結(jié)果也與上述理論推測較符合，如表1所示。從表1可以看出，M層油井儲層表皮接近零時(shí)測得的壓恢測井滲透率(此時(shí)接近儲層無污染的原始滲透率)與電測滲透率非常接近。這是因?yàn)镸層屬于單重介質(zhì)基質(zhì)孔隙型灰?guī)r儲層，只有一套滲流系統(tǒng)，這點(diǎn)與同在該油田的雙重介質(zhì)的裂縫-孔隙型儲層A層的壓恢滲透率與測井滲透率有數(shù)量級差別明顯不同。因此可將M層測井滲透率k等效于無污染時(shí)的儲層滲透率k0。

表1 某油田兩個(gè)儲層不同測試方法滲透率統(tǒng)計(jì)

同理，針對該單重介質(zhì)儲層無污染井酸化提產(chǎn)幅度計(jì)算公式中的酸液作用范圍ri，基于上述分析，同樣可以等效為酸蝕蚓孔的作用范圍。而關(guān)于酸蝕蚓孔的作用范圍內(nèi)蚓孔各參數(shù)對產(chǎn)能的影響，最新研究發(fā)現(xiàn)蚓孔直徑對產(chǎn)能影響較小，而蚓孔長度和條數(shù)對產(chǎn)能影響起主要作用[11]，這也可能是因?yàn)榧词馆^小直徑的蚓孔，對于地層孔隙來說，滲透率差別也是數(shù)量級的。因此，在該提產(chǎn)公式中需要考慮蚓孔條數(shù)以及長度的影響即可。而關(guān)于蚓孔條數(shù)與長度，室內(nèi)徑向流蚓孔實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，蚓孔多為分支狀呈60°分布井筒周圍，且各蚓孔半徑不同，但通常研究中根據(jù)物質(zhì)平衡，可將蚓孔長度簡化為一個(gè)等效半徑rhole來處理[9]，此時(shí)rs=rhole，因此無污染井產(chǎn)能幅度計(jì)算公式(2)可簡化為

(3)

式(3)中：rhole為等效的蚓孔半徑，m。

同樣，蚓孔長度與表皮關(guān)系的Hawkins公式S=(k/ks-1)ln(rs/rw)[7]，對于該類型儲層，也可依據(jù)類似上述的推理簡化為

S=-ln(rhole/rw)

(4)

而將油井表皮測量數(shù)值與表皮測試期間的產(chǎn)量代入式(3)和式(4)，即可求出不同蚓孔穿深數(shù)值下的提產(chǎn)幅度和表皮系數(shù)。

以P-19井為例，將P-19第一次酸后表皮測試結(jié)果(S=-2.08)以及測試期間的產(chǎn)量195 m3/d代入式(3)與式(4)進(jìn)行回推計(jì)算，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 P-19井蚓孔穿深與提產(chǎn)幅度關(guān)系(與表皮為零時(shí) 產(chǎn)量對比)Fig.7 Relationship between wormhole length and production enhancement (compared with production rate when skin=0)

圖8 P-19井蚓孔穿深與表皮系數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between wormhole length and skin factor

由計(jì)算結(jié)果可知，該井無污染產(chǎn)能經(jīng)回推約為142 m3/d，通過延長酸液穿透(蚓孔)深度，可以在一定程度上降低表皮并提高增產(chǎn)幅度。該井經(jīng)過第一次普通酸化工藝處理后產(chǎn)量為195 m3/d(增產(chǎn)幅度37%)，對應(yīng)蚓孔穿深1.35 m，而如果可將酸液穿透深度從計(jì)算值1.35 m通過提高到3～4 m，則產(chǎn)量可提升至227～241 m3/d，日增油32～46 m3/d，綜合經(jīng)濟(jì)效益可觀。但如果繼續(xù)增加蚓孔深度則僅靠目前酸化工藝及酸液體系水平難以實(shí)現(xiàn)且增產(chǎn)幅度有所減緩，因此以3～4 m的蚓孔穿深作為目標(biāo)進(jìn)行酸化設(shè)計(jì)。

3 低、無污染井增產(chǎn)工藝

3.1 實(shí)現(xiàn)特定蚓孔穿深的酸液量的確定

研究認(rèn)為，蚓孔長度受基質(zhì)孔隙度和酸量控制，且只有在酸液量達(dá)到一定規(guī)模情況下，形成的蚓孔長度才會有明顯的差別[9]。但目前尚無精確計(jì)算不同蚓孔穿深所需酸液量的公式，僅有在室內(nèi)徑向流實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，在一些假定條件下根據(jù)物質(zhì)平衡推導(dǎo)的Gadanski式(5)[14]和張合文等[15]推導(dǎo)的式(6)。

(5)

式(5)中:xtip為蚓孔穿深，cm；V為酸液體積，cm3；φ為孔隙度。

(6)

式(6)中:Nac為鹽酸酸能力數(shù)；C為比例常數(shù)；df為分形維數(shù)；Ht為儲層射孔厚度，cm。

將該井孔隙度、酸液量等參數(shù)(表2)，代入兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算不同提產(chǎn)幅度下對應(yīng)所需要的液量結(jié)果，如圖9所示。

表2 計(jì)算蚓孔穿深所需輸入?yún)?shù)

圖9 P-19井不同酸液量對蚓孔穿深影響Fig.9 Influence of acid volume on wormhole length in P-19

從圖9可以看出，雖然同樣基于徑向流模型，但是Gdanski公式計(jì)算蚓孔穿深偏大，而通過文獻(xiàn)[15]公式計(jì)算穿深結(jié)果代入圖2的增產(chǎn)幅度圖版后，與P-19井第一次酸化作業(yè)后實(shí)際產(chǎn)量較為接近，因此選擇該公式進(jìn)行計(jì)算所需酸量。經(jīng)計(jì)算，P-19井實(shí)現(xiàn)3～4 m蚓孔穿深所需酸液量約為80～10 m3。為了逐漸測試不同酸液量對蚓孔穿深的影響，本次施工將酸液量設(shè)定為80 m3。

3.2 排量和施工工藝的確定

酸液與灰?guī)r反應(yīng)有5種溶蝕形態(tài)，其中提產(chǎn)幅度最大的主蚓孔溶蝕形態(tài)只有在酸液排量大于一個(gè)臨界速度才會產(chǎn)生，且中、高滲儲層造主蚓孔所需排量大于低滲或特低滲儲層[16]。但同時(shí)注酸速度也不宜過大，否則達(dá)到從擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)為濾失控制的臨界點(diǎn)后，就會發(fā)生多分支蚓孔，甚至分型維數(shù)接近2的巖石基質(zhì)孔隙均勻溶蝕[9,15]。

由于目前尚無理論、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場施工相結(jié)合的能夠準(zhǔn)確指導(dǎo)排量設(shè)計(jì)的計(jì)算公式，所以只能在該井之前普通酸化作業(yè)酸液排量基礎(chǔ)上逐漸提高排量進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

該區(qū)塊施工之前普遍采用連續(xù)油管布酸方式，排量較低，僅0.6 m3/min左右。因此，在該井施工時(shí)采取將2 in(1 in=25.4 mm)油管并聯(lián)從而將排量提升到2 m3/min，以觀察提高排量對蚓孔長度以及油井增產(chǎn)效果的影響。

4 現(xiàn)場施工效果分析

按照以上方法確定的液量施工參數(shù)對P-19井進(jìn)行了深穿造主蚓孔施工，施工曲線如圖10所示。該井采用造主蚓孔工藝后，井口壓力、產(chǎn)量分別由酸化前的2.5 MPa、180.8 m3/d (s=-2.08, 油嘴尺寸為12.7 mm)提高到施工后的2.6 MPa、249 m3/d(油嘴尺寸為14.3 mm),如圖11所示。在第一次無污染酸化產(chǎn)量基礎(chǔ)上又提高了37.9%，即使考慮根據(jù)該油田數(shù)口同層鄰井調(diào)大相同油嘴后產(chǎn)量提高約30 m3/d,深穿后產(chǎn)量較第一次普通酸化后的提產(chǎn)幅度6.6%仍有明顯提高[18]，且與式(3)計(jì)算的提產(chǎn)幅度結(jié)果符合較好。

圖10 P-19井酸化施工曲線Fig.10 Acidizing curve of P-19

圖11 P-19井兩次酸化施工效果對比Fig.11 Two times’ stimulation results comparison of P-19

同樣，對曲線分析無污染或者存在低污染的P-15井和P-25井采用深穿造主蚓孔工藝與普通酸化工藝對比實(shí)驗(yàn)，施工參數(shù)如表3所示。P-15井采取新工藝以及用有機(jī)溶劑代替柴油后，產(chǎn)量從132.2 m3/d(井口壓力為3.6 MPa)提高到219.5 m3/d(井口壓力為4.2 MPa)，提產(chǎn)幅度達(dá)65.9%，大幅高于第一次采用常規(guī)酸化工藝時(shí)11.0%的提產(chǎn)幅度。P-25井第一次采用普通酸化工藝幾乎沒有產(chǎn)量增加，再采取新工藝酸化后，產(chǎn)量從平均124 m3/d(井口壓力為3.6 MPa)，提高到186.8 m3/d(井口壓力為3.6 MPa)，提產(chǎn)幅度為50.6%[17],其中P-15井油嘴維持不變，P-25井油嘴增加1.6 mm。具體如圖12、圖13所示。

表3 P-15、P-25井兩種酸化工藝施工參數(shù)對比

圖12 P-15井兩次施工效果對比Fig.12 Comparison of two times’stimulation results

圖13 P-25井兩次施工效果對比Fig.13 Two times’ stimulation results comparison of P-25

5 結(jié)論

(1)首次對基質(zhì)孔隙型單重介質(zhì)灰?guī)r儲層低、無污油井進(jìn)行普通酸化工藝與深穿透造主蚓孔工藝現(xiàn)場施工對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，普通酸化技術(shù)無法提產(chǎn)的低、無污染井，通過深穿造主蚓孔工藝可實(shí)現(xiàn)一定幅度的提產(chǎn)。

(2)根據(jù)目前碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)機(jī)理最新研究并結(jié)合該儲層滲流特征分析以及測井、試井結(jié)果對無污染井酸化產(chǎn)能提產(chǎn)公式進(jìn)行改進(jìn)，并采用基于徑向流的液量-蚓孔穿深公式對現(xiàn)場酸量設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，現(xiàn)場施工效果與計(jì)算結(jié)果符合較好。

目前基于徑向流實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的蚓孔計(jì)算公式未考慮現(xiàn)場施工排量這一參數(shù)的影響，需要后續(xù)結(jié)合室內(nèi)徑向流巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)考察不同排量對蚓孔穿深的影響，為碳酸鹽巖儲層酸化施工設(shè)計(jì)提供更好的指導(dǎo)。