阿布扎比NEB油田超長(zhǎng)水平井限流篩管完井與酸化優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉會(huì)鋒，崔龍連，劉 琦，賈婉婷，周傳義，顧亦新，巴合達(dá)爾·巴勒塔別克

1 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)

0 引言

超長(zhǎng)水平井是應(yīng)對(duì)低滲油氣藏開(kāi)發(fā)的有效手段，如國(guó)內(nèi)長(zhǎng)慶油田的華H90- 3井，水平段長(zhǎng)度達(dá)到5 060 m，國(guó)外阿布扎比NEB油田的最大儲(chǔ)層接觸面積井水平段長(zhǎng)普遍達(dá)到3 000 m。該類井如果想要達(dá)到理想產(chǎn)能，必須實(shí)施有效的儲(chǔ)層改造措施，比如基質(zhì)酸化、加砂壓裂等。其中基質(zhì)酸化是低滲油氣井的有效提產(chǎn)手段，其機(jī)理是通過(guò)泵注鹽酸進(jìn)入儲(chǔ)層段，形成酸蝕蚓孔，從而降低油氣在井眼附近的滲流阻力，提高井周油氣導(dǎo)流能力。但傳統(tǒng)的籠統(tǒng)基質(zhì)酸化方法用在長(zhǎng)水平井段的酸化時(shí)，由于酸液在水平段流動(dòng)壓差的影響，常常會(huì)造成酸液在水平段的非均勻分布，從而造成水平井趾端改造效果差甚至改造不到，限制油氣井產(chǎn)量的提高[1]。連續(xù)管拖動(dòng)酸化能在一定程度上彌補(bǔ)布酸不均勻的不足[2]，但連續(xù)管作業(yè)時(shí)酸液的泵注排量受限，因此在儲(chǔ)層中制造酸蝕蚓孔的能力較弱。

LEL(Limited Entry Liner)限流篩管完井工具可以有效地解決上述問(wèn)題。該工具由一系列孔眼數(shù)非均勻排布的篩管組成，以實(shí)現(xiàn)籠統(tǒng)注酸條件下水平段儲(chǔ)層的自動(dòng)均勻布酸。限流篩管的概念于20世紀(jì)60年代初期由殼牌公司提出[3]。Mogensen等[4]開(kāi)發(fā)出了限流篩管瞬態(tài)酸化模擬器，可以分析實(shí)時(shí)的壓力響應(yīng)。Mayer等[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)LEL物理模擬裝置，模擬現(xiàn)場(chǎng)LEL應(yīng)用情景開(kāi)展了物模實(shí)驗(yàn)。Sau等[6]開(kāi)發(fā)了一個(gè)瞬態(tài)井筒模擬器CMA-Pro，在ADNOC海上超長(zhǎng)水平井的LEL完井酸化中應(yīng)用[7]。然而，目前常用的LEL設(shè)計(jì)需要借助Fluent、CMA-Pro等專業(yè)軟件，操作相對(duì)復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的變化實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文通過(guò)基本模型和關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)選，形成了一套LEL限流篩管酸化解析計(jì)算方法，并應(yīng)用阿布扎比陸上某井參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和酸化效果預(yù)測(cè)。該設(shè)計(jì)方法可用于NEB等油田的超長(zhǎng)水平井段LEL孔眼分布“短平快”設(shè)計(jì)，并可進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，為現(xiàn)場(chǎng)工程師的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)，更有助于LEL技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 基本模型優(yōu)選

LEL限流篩管酸化設(shè)計(jì)的核心是水平段壓力分布的計(jì)算，因此其涉及到的基本模型主要是管流摩阻計(jì)算模型和孔眼流動(dòng)摩阻計(jì)算模型。

假定酸液為牛頓流體，選擇管流摩阻計(jì)算模型如式(1)：

(1)

式中：Pfric—油管流動(dòng)摩阻，MPa；x—位置或距離，m；f—范寧摩阻因子，無(wú)因次；ρ—過(guò)孔眼流體密度，g/cm3；Q—排量，m3/min；D—管徑，mm。

式(1)中f的表達(dá)式是隱式函數(shù)，采用牛頓下山迭代法求解：

(2)

式中：Re—雷諾數(shù)，無(wú)因次；ε—管壁絕對(duì)粗糙度，mm。LEL入井時(shí)都是新管，考慮接箍及管內(nèi)節(jié)流，管壁相對(duì)粗糙度ε/D取值為0.000 01～0.000 05。

式(2)中雷諾數(shù)Re計(jì)算采用式(3)：

(3)

式中：C—單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，無(wú)因次；μ—黏度，mPa·s。

孔眼流動(dòng)摩阻的計(jì)算采用式(4)[8]：

(4)

式中：Δphole—孔眼流動(dòng)摩阻，MPa；q—孔眼流量，m3/min；ρs—過(guò)孔眼流體密度，g/cm3；Nhole—孔眼數(shù)量，無(wú)因次；Dhole—孔眼內(nèi)徑，mm；CD—孔眼流量系數(shù)，無(wú)因次?？籽哿髁肯禂?shù)CD與孔眼的形狀、通過(guò)孔眼的流體類型、流速等因素有關(guān)。Domelen M等[9]實(shí)驗(yàn)測(cè)取了不同流體在不同流量下通過(guò)LEL的壓降并反推出了孔眼流量系數(shù)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合LEL酸化時(shí)孔眼流速范圍，推薦CD值為0.60～0.65。

基質(zhì)酸化通過(guò)制造酸蝕蚓孔來(lái)提高油氣滲流能力，形成的酸蝕蚓孔的長(zhǎng)度用式(5)進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]：

(5)

式中：rwh—酸蝕蚓孔長(zhǎng)度，m；rw—井眼半徑，m；COV—用酸強(qiáng)度，m3/m；φ—孔隙度，%；PVbt—酸液穿透巖心PV數(shù)，無(wú)因次。

酸液穿透巖心需要的PV數(shù)是隙間流速的函數(shù)，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)取。Buijse等[11]建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式用來(lái)獲取該值。在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可采用式(6)～式(8)進(jìn)行估算：

(6)

(7)

(8)

式中：vint—隙間流速，cm/min；Weff—蚓孔模型中的常數(shù)，(cm/min)1/3；WB—蚓孔模型中的常數(shù)，(cm/min)-2；PVbt，opt—最優(yōu)酸液穿透巖心PV數(shù)，無(wú)因次；vint，opt—最優(yōu)隙間流速，cm/min。其中，PVbt，opt和vint，opt兩個(gè)參數(shù)可以從Mogensen等[4]擬合的參數(shù)表中獲得(見(jiàn)表1)。

表1 Mogensen等[4]的蚓孔參數(shù)調(diào)整擬合結(jié)果

在進(jìn)行酸化后產(chǎn)能預(yù)測(cè)時(shí)，可以認(rèn)為酸蝕蚓孔長(zhǎng)度通過(guò)影響表皮系數(shù)來(lái)影響產(chǎn)能?？紤]酸蝕蚓孔的當(dāng)量表皮系數(shù)可以用Hawkins等[12]的經(jīng)典公式來(lái)計(jì)算：

(9)

式中：S—表皮系數(shù)，無(wú)因次。

2 限流篩管孔眼分布設(shè)計(jì)方法

限流篩管酸化的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水平段的均勻布酸。因此將水平井段平均分成m個(gè)小段，然后逐個(gè)設(shè)計(jì)每一段的篩管孔眼數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)每一段的進(jìn)酸量相同。限流篩管孔眼數(shù)分段設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1中的各個(gè)參數(shù)滿足以下關(guān)系式：

(10)

niqitinj=COV·l，i=1，2，3，…，m

(11)

(12)

式中：qi—第i個(gè)孔眼的流量，m3/m；Δpi—第i個(gè)孔眼內(nèi)外的壓差，MPa；ni—第i段孔眼個(gè)數(shù)，無(wú)因次；tinj—注酸時(shí)間，min；l—限流篩管分段長(zhǎng)度，m；L—限流篩管總長(zhǎng)度，m；Q1—經(jīng)過(guò)第1段限流篩管的流量，m3/m。

由式(10)～式(12)可以得到每段孔眼數(shù)的表達(dá)式：

(13)

(14)

式中：pi—第i個(gè)孔眼外的壓力，MPa；Pa—第i個(gè)孔眼內(nèi)的壓差，MPa；pi-1—第i-1個(gè)孔眼外的壓力，MPa。

根據(jù)式(13)和式(14)逐段進(jìn)行孔眼數(shù)設(shè)計(jì)，最后，檢驗(yàn)是否滿足：

Δpm≥0.15 MPa

(15)

式中：Δpm—孔眼內(nèi)外的壓差，MPa。

若滿足式(15)，則設(shè)計(jì)復(fù)合要求；若不滿足，則調(diào)整地面泵注排量Q1，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，直至滿足條件。式(15)是目前中東LEL設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，即認(rèn)為孔眼壓差大于0.15 MPa時(shí)，才能有有效的過(guò)孔眼流動(dòng)發(fā)生。

圖1 LEL限流篩管孔眼數(shù)分段設(shè)計(jì)示意圖

3 限流篩管酸化設(shè)計(jì)案例

阿布扎比NEB油田組位于整個(gè)陸上油田的東北方向，主力油藏頂部埋深2 790 m左右，儲(chǔ)層巖性為粒屑灰?guī)r、泥?；?guī)r、粒泥灰?guī)r等互層，儲(chǔ)層厚度達(dá)45 m以上，為中孔低滲型儲(chǔ)層，單井產(chǎn)量127.2～318 m3/d，截止2021年底，綜合含水達(dá)30%以上，氣油比53.4 m3/m3以上。2020年之前，該油田主力油藏以裸眼水平井方式開(kāi)發(fā)，水平段平均長(zhǎng)度1 200 m，2020年后，逐步利用下部完井工藝代替裸眼水平井完井方式，水平井長(zhǎng)度也由1 200 m逐步增長(zhǎng)到3 000 m以上。

采用上述方法，對(duì)阿布扎比陸上NEB油田A井進(jìn)行孔眼分布設(shè)計(jì)。該井實(shí)鉆井深5 974.1 m，其中水平段(待酸化段)2 926.1～5 974.1 m，長(zhǎng)度3 048 m。將待酸化段平均分成10段進(jìn)行設(shè)計(jì)，每段長(zhǎng)度為304.8 m，每段的孔隙度、滲透率和含水飽和度都在段內(nèi)進(jìn)行平均，得到的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 NEB油田A井限流篩管設(shè)計(jì)分段基本參數(shù)

本井完井管柱配置及酸化工程參數(shù)取值如下：油藏垂深2 728 m、水平井井眼尺寸152.4 mm、上部完井管柱內(nèi)徑75.95 mm、LEL篩管外徑114.3 mm、LEL篩管內(nèi)徑100.58mm、酸液密度1.16 g/cm3、酸液黏度0.7 mPa·s。

根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)，應(yīng)用上述限流篩管孔眼分布設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。從井筒壓力分布圖(圖2)中可以看出，隨著深度增加，井筒壓力在垂直段逐漸變大，到垂直段末端達(dá)到最大，并從水平段跟端向趾端逐漸減小。限流篩管孔眼設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，水平段跟端孔眼數(shù)最少，孔眼為11個(gè)，逐漸向趾端增多至28個(gè)。這是因?yàn)楦撕Y管內(nèi)壓力相對(duì)較大，篩管內(nèi)外壓差更大，為了實(shí)現(xiàn)均勻布酸，需要用更少的孔眼數(shù)適當(dāng)節(jié)流；而隨著酸液在篩管內(nèi)的流動(dòng)，受流動(dòng)摩阻和孔眼分流的雙重影響，流動(dòng)壓力逐漸降低，孔眼內(nèi)外壓差也隨之降低，因此需要有更多的孔眼來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡進(jìn)液。按照該設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了各段均衡進(jìn)酸量。按照1 526.4 m3的酸液用量計(jì)算，各段的酸化強(qiáng)度均為0.5 m3/m。

圖2 井筒內(nèi)壓力分布計(jì)算結(jié)果

圖3 各段孔眼數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果(解析法)

圖4為相同完井及酸化條件下，應(yīng)用Fluent軟件模擬井筒及環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行孔眼數(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果?？梢钥闯?，設(shè)計(jì)結(jié)果與圖3中解析方法的設(shè)計(jì)結(jié)果差別小于10%。

圖4 各段孔眼數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果(數(shù)值方法)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用式(5)～式(9)對(duì)酸化后的酸蝕蚓孔長(zhǎng)度和當(dāng)量表皮系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，圖5和圖6為假定穿透巖心的PV數(shù)為恒定值(根據(jù)實(shí)測(cè)最小實(shí)驗(yàn)結(jié)果取值0.582)時(shí)的結(jié)果：酸蝕蚓孔長(zhǎng)度為1.32～1.63 m，酸化后當(dāng)量表皮系數(shù)為-2.85～-3.06；圖7和圖8為根據(jù)式(6)計(jì)算穿透巖心PV數(shù)的結(jié)果：酸蝕蚓孔長(zhǎng)度為0.18～0.20 m，酸化后當(dāng)量表皮系數(shù)為-0.86～-0.95?？梢钥闯?，這兩組結(jié)果差異很大：用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的蚓孔長(zhǎng)度更短，酸化效果更差。這說(shuō)明穿透巖心的酸液PV數(shù)的取值很關(guān)鍵，對(duì)酸化后結(jié)果的影響很大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)使用目標(biāo)地層的巖心和待用的酸液進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲取不同注酸排量下的穿透PV數(shù)曲線，并應(yīng)用到模型當(dāng)中。在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，建議采用式(6)的半經(jīng)驗(yàn)公式法，因?yàn)樗紤]了酸液流量、類型以及溫度的影響，相對(duì)更加客觀。

圖5 各段蚓孔長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果(穿透巖心PV數(shù)為0.582)

圖6 各段當(dāng)量表皮系數(shù)計(jì)算結(jié)果(穿透巖心PV數(shù)為0.582)

圖7 各段蚓孔長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果(穿透巖心PV數(shù)根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算)

圖8 各段當(dāng)量表皮系數(shù)計(jì)算結(jié)果(穿透巖心PV數(shù)根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算)

圖5～圖8的計(jì)算結(jié)果還表明：盡管通過(guò)篩管孔眼數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水平段儲(chǔ)層剖面上的均勻布酸，但酸化效果卻不盡相同，酸蝕蚓孔長(zhǎng)度和酸化后的當(dāng)量表皮系數(shù)并不是均衡分布。這主要是受兩方面因素的影響：一是因?yàn)榭紫抖葧?huì)影響酸蝕蚓孔的增長(zhǎng)速度，各段孔隙度的差異會(huì)導(dǎo)致蚓孔長(zhǎng)度的差異；二是因?yàn)楦鞫嗡嵋涸诤Y管孔眼中的流動(dòng)速度不同，進(jìn)入儲(chǔ)層后的隙間流速也不同，因而也會(huì)影響最終蚓孔長(zhǎng)度的差異。因此，均勻酸化的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“均勻改造程度”，即各段獲得相等的“酸化后表皮系數(shù)”，單純地追求均勻布酸是比較局限的。這也是下一步LEL限流篩管酸化研究應(yīng)當(dāng)完善的一個(gè)方向。

此外，如果改造段的非均質(zhì)性很強(qiáng)(比如滲透率或含水飽和度差異很大)，目標(biāo)將不再是均勻布酸甚至均衡的酸化后表皮系數(shù)，而是應(yīng)當(dāng)與油氣藏滲流模型結(jié)合，有選擇性地進(jìn)行酸化，比如在局部高滲透段以及高含水飽和度段少開(kāi)孔甚至不開(kāi)孔，使低滲的層段以及含油氣飽和度高的層段多進(jìn)酸。

實(shí)際上，即使實(shí)現(xiàn)了各段均衡的酸化效果，由于投產(chǎn)后各段生產(chǎn)壓差的差異，油氣井的產(chǎn)能剖面也不可能是均衡的(圖9)。因此，若想酸化后得到均勻的產(chǎn)油或產(chǎn)氣剖面，還需要進(jìn)一步地優(yōu)化限流篩管設(shè)計(jì)：不需要追求均勻布酸、均衡酸蝕蚓孔長(zhǎng)度或當(dāng)量表皮系數(shù)，而是有意地削弱水平井跟端的改造強(qiáng)度、提高趾端的改造強(qiáng)度，從而使得開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)在各段生產(chǎn)壓差的作用下獲得均衡的產(chǎn)量剖面。

圖9 阿布扎比海上某井LEL酸化前后實(shí)測(cè)產(chǎn)量剖面

4 結(jié)論

(1)優(yōu)選了管流摩阻計(jì)算模型和孔眼流動(dòng)摩阻計(jì)算模型，推導(dǎo)出了LEL限流篩管孔眼分布設(shè)計(jì)的解析式，可用來(lái)實(shí)施快速的限流篩管孔眼數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

(2)優(yōu)選了酸蝕蚓孔長(zhǎng)度計(jì)算模型和當(dāng)量表皮系數(shù)計(jì)算模型，可用來(lái)預(yù)測(cè)LEL限流篩管酸化的效果。

(3)酸液穿透巖心的PV數(shù)是LEL設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)使用目標(biāo)地層的巖心和待用的酸液進(jìn)行實(shí)測(cè)，做出曲線圖版并應(yīng)用到模型中；在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可以采用半經(jīng)驗(yàn)公式法。

(4)在優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下，阿布扎比NEB油田L(fēng)EL酸化井的酸蝕蚓孔長(zhǎng)度可達(dá)到1.32～1.63 m，酸化后當(dāng)量表皮系數(shù)可達(dá)到-2.85～-3.06。

(5)均勻布酸并不是LEL酸化設(shè)計(jì)的唯一目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際條件，以均衡蚓孔長(zhǎng)度、均衡酸化后表皮系數(shù)、均衡酸化后產(chǎn)量剖面等為目標(biāo)開(kāi)展更加優(yōu)化的孔眼分布設(shè)計(jì)。