大跨度儲層注水井連通性改善措施實踐與認識

摘要：

針對海上油田大跨度儲層注水井連通性不佳或者大液量注入導(dǎo)致污染半徑大，且改善措施技術(shù)有限或受限的問題，從措施工藝、試驗實踐、研究認識等3方面進一步探索巖石擴容技術(shù)的適應(yīng)性。通過巖石擴容技術(shù)現(xiàn)場工藝及機理分析，該技術(shù)具有設(shè)備占用平臺空間小、改造半徑適中、施工參數(shù)可調(diào)整、低成本等優(yōu)點，同時裂縫狀態(tài)、施工參數(shù)及物料與水力壓裂有較大區(qū)別。優(yōu)選海上某油田一口典型注水井Ｌ-Z4井進行現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：該技術(shù)在擴容半徑改善、表皮系數(shù)降低和視吸水指數(shù)提高等3方面取得了顯著效果，論證了技術(shù)可行性；結(jié)合海上油田大跨度儲層、大井距的特點，指出了油水井聯(lián)動和碎脹后巖石擴容的技術(shù)發(fā)展方向。研究認識可進一步拓展巖石擴容技術(shù)應(yīng)用范圍，為中高滲透砂巖儲層改造、受限空間下儲層改造、低成本儲層改造提供寶貴案例。

關(guān)鍵詞：

海上油田；大跨度儲層；注水井；巖石擴容；連通性；滲透率

中圖分類號：TE357

文獻標(biāo)識碼：A

202402046

Practice and Understanding of Treatments to Improve the Connectivity of

Water Injection Wells in Large-Span Reservoirs：

a Case Study of Rock Dilation Technology in Well L-Z4 of China’s offshore Oilfield

Sun Lin1 Xu Bin2，3 Xiong Peiqi1

（1.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.，Ltd.；2.Department of Civil Engineering，University of Calgary；3.Origin Geomechanics Inc.）

For large-span reservoirs in offshore oilfields，water injection wells are unsatisfactorily connected，or a high injection rate leads to large damage radius，which correspond to finite or limited improvement treatments，the adaptability of rock dilation technology is further explored from three aspects，measure technology，test practice and research understanding.To address these challenges，the rock dilation technology was investigated for its adaptability from the aspects of process and field test.First，the process and mechanism of the rock dilation technology were analyzed，showing that this technology is advantageous for small equipment occupation of platform space，moderate stimulation radius，adjustable operation parameters and low cost，and it differs greatly from hydraulic fracturing in fracture state，operation parameters and materials.Then，the rock dilation technology was tested at Well L-Z4，a typical water injector in an offshore oilfield.The field test results show that this technology is remarkably performed in improving the dilation radius，reducing the skin factor and increasing the apparent water injection index，validating the feasibility of the technology.Finally，considering the large-span reservoirs and large well spacing in offshore oilfields，the prospects of producer–injector linkage and rock dilation after broken expansion were proposed.The above understanding further extends the application of rock dilation，and provides a valuable case for medium to high permeability sandstone reservoir stimulation，reservoir stimulation in confined space，and low-cost reservoir stimulation.

offshore oilfield；large-span reservoir；injection well；rock dilation；connectivity；permeability

0 引 言

注水補充地層能量、驅(qū)動油井生產(chǎn)是油田常用的開發(fā)方式。海上油田具有高投入、高產(chǎn)出的生產(chǎn)特點，而注水井為了達到一井多用、減少投資的目的，目前多采用大段儲層籠統(tǒng)或分層注入方式，因此注入層具有儲層整體跨度大、單層層厚的特點。此類注入方式下，單井初期通常能達到成百上千立方米的日注入規(guī)模，滿足海上油田的高速高效開發(fā)，但部分注入井由于儲層連通性不佳或者大液量注入導(dǎo)致污染半徑增大等問題，影響注入效果。

目前國內(nèi)外改善注水井儲層連通性及解堵的措施技術(shù)主要包括酸化、壓裂、MRC等，同時還可以通過井網(wǎng)調(diào)整、重新布井解決上述問題。但以上技術(shù)在海上油田面臨成本高及效率低等難題，極大地限制了實施效果。例如酸化技術(shù)的有效處理半徑僅為2 m以內(nèi)，此類井況條件下，多次重復(fù)酸化效果均不理想，酸液用量還受儲層厚度影響急劇增加；壓裂技術(shù)是國內(nèi)外常用的儲層改造措施技術(shù)［1-4］，能形成一條幾十米到上百米的對稱寬翼裂縫，從而改造儲層連通性并穿透污染帶，但在海上油田受到動管柱作業(yè)影響生產(chǎn)以及作業(yè)平臺空間受限條件下，作業(yè)時效和施工規(guī)模往往受到極大的限制，此外受海上平臺物料運輸及壓裂船作業(yè)影響，成本通常是陸地油田的數(shù)十倍；另外MRC、重新布井等方式，也可以作為最后解決手段，但會造成前期上千萬投入的經(jīng)濟損失。因此，目前海上油田大跨度儲層注水井連通性改善措施技術(shù)極其有限，大量的注水井由于重復(fù)酸化效果不佳、壓裂受限條件下風(fēng)險大，最后只能保持低效注入或者追加投資，重新布井。

為解決上述問題，海上油田積極探索適合于自身特點的低成本措施技術(shù)。巖石擴容技術(shù)是一項利用注入水，通過長時間控制井下泵注壓力在儲層最小主應(yīng)力和破裂壓力之間，致使地層巖石產(chǎn)生垂向高滲透率和孔隙度的擴容帶，以達到儲層改造的一項技術(shù)［5-13］。該技術(shù)起源于加拿大，用于油砂SAGD開發(fā)前的預(yù)處理，新疆油田也引進應(yīng)用，用于增加儲層注氣的連通性。該技術(shù)利用注入水和現(xiàn)有施工注入設(shè)備，實現(xiàn)不動管柱即可作業(yè)，具有低成本、改造半徑適中（十幾米～幾十米）等技術(shù)優(yōu)勢。海上油田于2020年起，將該項技術(shù)應(yīng)用于疏松砂巖和低滲砂巖儲層措施增產(chǎn)中，增產(chǎn)效果顯著，證明其技術(shù)有效性［14-15］。為了進一步探索技術(shù)的適應(yīng)性，特別是儲層連通性不佳及污染半徑較大的注水井，在海上某油田選擇了一口典型的注水井L-Z4井進行了現(xiàn)場試驗，通過試驗進一步拓展該技術(shù)在改善大跨度儲層注水井連通性方面的措施適應(yīng)性，以期為國內(nèi)外同類儲層的改造增注提供新的技術(shù)選擇。

1 技術(shù)適應(yīng)性分析

1.1 巖石擴容技術(shù)及其適應(yīng)性

巖石擴容技術(shù)采用注入泵、30 m3水罐、數(shù)采設(shè)備并通過高壓管線、低壓管線與井口連接，如圖1所示。在施工過程中，通過地應(yīng)力測試、地應(yīng)力預(yù)處理、擴容區(qū)擴展和壓降反演4個階段步驟即可完成技術(shù)作業(yè)。十分適合于海上平臺空間受限條件下的措施增產(chǎn)增注。

其中地應(yīng)力測試和目前水力壓裂的小壓測試方法一致，可以測試最小主應(yīng)力、地層破裂壓力相關(guān)數(shù)據(jù)；地應(yīng)力預(yù)處理采用壓力逐級提壓階梯作業(yè)，可以進一步核算最小主應(yīng)力，同時產(chǎn)生處理半徑1 m左右的均勻擴容帶；擴容區(qū)擴展則在限壓條件下進行泵注，與壓降反演往往交互進行，從而形成一定振蕩頻率的脈沖泵注方式，通過最大排量下逐段提高注入時間及注入量，從而擴大巖石的孔滲；而壓降反演則進行復(fù)雜裂縫狀態(tài)下的試井模擬［16-17］，反演出本階段擴容區(qū)范圍內(nèi)的滲透率、半徑、表皮變化。

巖石擴容技術(shù)與現(xiàn)有涉及泵注程序的酸化、壓裂等技術(shù)相比，其顯著特征為泵注液量、時間等參數(shù)可根據(jù)實時測試數(shù)據(jù)進行調(diào)整，從而避免擴容改造不足或過度等問題，且規(guī)避了作業(yè)前期設(shè)計過程中對儲層的預(yù)估不足導(dǎo)致設(shè)計參數(shù)與實際施工差異較大的問題。

雖然同為儲層改造技術(shù)，但該項技術(shù)與水力壓裂技術(shù)相比具有顯著不同的特征。表1進一步對比了2項技術(shù)。

1.2 巖石擴容技術(shù)增產(chǎn)機理

該技術(shù)主要涉及壓力振蕩變化，施工最大壓力值處于最小主應(yīng)力與地層破裂壓力之間，在施工時間24～48 h情況下，壓力反復(fù)加載于儲層巖石中，并通過改變井壁周圍孔隙壓力分布，從而改變應(yīng)力場，在擴容應(yīng)變大于0.5%的區(qū)域，使儲層巖石在彈性～塑性變形范圍內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜、大體積的微觀張剪裂縫區(qū)。因此對于大跨度儲層條件，容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)區(qū)域，而非水力壓裂那樣的張性裂縫狀態(tài)。

圖2是采用數(shù)值模擬方法，對海上油田某井在擴容壓力下進行模擬，得到的孔隙壓力波及范圍數(shù)值模擬分布圖。圖3是采用物理模擬方法，利用帶有驅(qū)替功能的三軸應(yīng)力試驗設(shè)備對擴容前/后砂巖巖心塊（27%～32%孔隙度，采用現(xiàn)場取得的巖心樣品粉碎后按照國際巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方法固化加工）的CT掃描圖。

由圖3可知，巖石擴容物模試驗后的巖心主要有張性裂縫、剪切裂縫2種裂縫形態(tài)。張性裂縫主要是在注壓過程中，砂巖孔隙壓力增大致使其體積膨脹，當(dāng)孔隙壓力超過其抗拉強度時，砂粒間發(fā)生拉張分離形成的微裂縫；而剪切裂縫主要是砂巖受剪切作用下，砂粒發(fā)生翻滾和翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其體積增大而形成的微裂縫。通過以上分析，該項技術(shù)的儲層改造機理為：通過地面注入壓力變化，使儲層改變井壁周圍孔隙壓力分布，從而改變應(yīng)力場，并使得巖石在彈性～塑性變形范圍內(nèi)形成張性、剪切2種微裂縫帶，增加儲層孔隙度及滲透率，從而增加儲層連通性。

2 典型注水井現(xiàn)場試驗

2.1 L-Z4井概況

L-Z4井是海上某油田一口典型的注水井，由于儲層連通性不佳及大液量注入導(dǎo)致污染半徑大。該井2013年9月注水，完鉆井深1 956 m，油層采用φ177.8 mm套管射孔完井，采用4段優(yōu)質(zhì)篩管防砂分層注水，注水層為Z1～Z4層，最大井斜56.63°。其中Z1～Z2層是這次作業(yè)層段，這2層由于儲層連通性不佳及存在污染堵塞，注水量低，其對應(yīng)受效油井為L-Z5井，井距為220 m，也由于注水不受效，面臨低產(chǎn)問題。測井滲透率顯示Z1層射孔段為1 803～1 874 m，平均滲透率為870.5 mD；Z2層射孔段為1 704～1 785 m，平均滲透率為952.5 mD。2層儲層跨度達到99 m，射孔單層厚度分別為43和46 m，具有海上油田注水井儲層典型特征。

該井先后進行了4次酸化作業(yè)，酸化后有效期均較短，僅2周。2022年6月分層測試顯示，Z1、Z2和Z4層在合注條件下，Z4層是主要注入層，占比達到76.6%；而Z1和Z2層注水量較低，2層在井口注入壓力為5.41～5.45 MPa情況下，注水量僅為13.2～14.0 m3/d。因此，L-Z4井和L-Z5井構(gòu)成的井組，面臨注水井注不進、油井產(chǎn)不出的窘境。其主要問題是L-Z4井的儲層連通性和深部污染問題，且目前的措施技術(shù)難以有效解決，在重新布井前急需有效的低成本增產(chǎn)措施技術(shù)。

2.2 儲層連通性及污染問題

L-Z4井所在的區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜，注采井間響應(yīng)差，多次酸化有效期短，通過多次的壓降測試顯示，壓力降落較慢，平均通過時間20 d以上。

其次，L-Z4井前期對應(yīng)已廢棄受效油井L-Z2井。2016年4月，L-Z2井鉆井期間觀察到溢流，因此將鉆井液密度增加到1.38 g/cm3；2017年12月，L-Z4井靜壓測試，Z1～Z2層超壓4 MPa。為緩解超壓，2018年8月進行返排泄壓。

另外，L-Z4井還存在無機垢、有機物等系列堵塞。注水懸浮無機物和有機物質(zhì)量濃度分別為27.62和16.86 mg/L，其中無機物主要為儲層礦物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.9%）、鈣垢（質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.0%）和鐵腐蝕產(chǎn)物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.0%）；有機物主要為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等。同時，現(xiàn)場垢、腐蝕產(chǎn)物有機物和無機物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為69.74%和30.26%。其中有機物主要含有瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和原油組分等；無機物主要為鐵腐蝕產(chǎn)物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)44.8%）、儲層礦物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.7%）和鈣垢（質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.7%）。

該井先后進行了4次酸化，酸化過程中降壓增注效果不明顯，同時酸化有效期短，說明儲層連通性不佳及污染半徑大是低產(chǎn)的主因，近井污染堵塞是次因。

2.3 擴容技術(shù)試驗情況

針對該井存在的問題，海上油田于2023年5月底進行了巖石擴容技術(shù)試驗。Z1和Z2層在不動管柱條件下具有分層注入的條件，因此對2層進行分層注入；雖然2層的測井物性較為接近，但在實際注入過程中，2層存在較大差異，最終2層的注入液量如表2所示。由于Z1層實際注入表現(xiàn)差于Z2層，所以改造的用液量大于Z2層，2層合計泵注1 336.14 m3過濾海水，相當(dāng)于補充了2層原注水量100 d的注入水。

2層施工的泵注曲線如圖4、圖5所示。由圖4可知：Z1層在預(yù)處理階段逐級提壓，排量不穩(wěn)，12.5 MPa時，排量從0.45 m3/min降至0.34 m3/min；16.5 MPa時，排量從0.60 m3/min降至0.34 m3/min。在擴容區(qū)擴展階段，采用80%最大井筒安全限壓，第1個擴容區(qū)擴展階段排量從0.65 m3/min降至0.50 m3/min，其他擴容階段排量為0.40～0.50 m3/min（16 h壓降無變化），現(xiàn)場施工表現(xiàn)為壓力升高快、排量不穩(wěn)、壓降時間長，表明儲層連通性不佳；經(jīng)過17 h壓降后，擴容區(qū)擴展第2階段相對順利，限壓16.5 MPa條件下，注入排量從最高0.67 m3/min逐漸下降，這個階段共計泵注325.82 m3過濾海水，排量降低至0.40 m3/min。與前一階段的施工參數(shù)對比，擴容對儲層有一定改善作用。

由圖5可知：在Z2層地應(yīng)力預(yù)處理階段，逐級提壓，排量相對穩(wěn)定，不同壓力下的排量為0.24～0.30 m3/min;擴容區(qū)擴展階段，限壓16.5 MPa，排量為0.32～0.37 m3/min，壓力和排量相對平穩(wěn)。Z2層共計泵注494.36 m3過濾海水，說明Z2層注入情況優(yōu)于Z1層。

3 連通性改善措施認識

3.1 工藝有效性

通過巖石擴容壓降反演、措施前后的增注效果評價工藝的有效性。壓降反演采用孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)和壓力瞬態(tài)分析（PTA）方法，通過高頻監(jiān)測（通常不小于1 s的1個數(shù)據(jù)）井口壓降響應(yīng)，采用PTA 方法分析出壓力的流態(tài)區(qū)間（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，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。通過反演，計算出擴容半徑、表皮系數(shù)等參數(shù)變化，該井的反演結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著擴容預(yù)處理、擴容區(qū)擴展等階段的不斷泵注，擴容半徑不斷增大，表皮系數(shù)逐步降低。最終Z1層擴容半徑為14.5 m，表皮系數(shù)降為0.20；Z2層擴容半徑為14.6 m，表皮系數(shù)降為0.21。

該井措施前、后的增注效果如表4所示。措施前Z1～Z2層注入量為13.2～14.0 m3/d，措施后日注水量穩(wěn)定在50.5～58.5 m3，視吸水指數(shù)為原來的3.6倍以上，有效期已經(jīng)超過4個月，措施效果顯著，遠超過以往酸化2周的有效期。

這次巖石擴容技術(shù)在大跨度儲層注水井連通性的改善措施實踐表明，在未采用任何化學(xué)藥劑以及海上平臺空間受限條件下，低成本儲層改造措施可行。這次措施實踐對于探索中高滲透砂巖儲層改造、受限空間下儲層改造、低成本儲層改造，均為國內(nèi)外油田首次嘗試。

3.2 大跨度儲層連通性改善情況

現(xiàn)場實踐和措施反演表明，這次施工已解決近井筒15 m范圍內(nèi)的連通性及污染問題，遠超目前酸化技術(shù)措施2 m以內(nèi)的作業(yè)半徑。目前注水效果得到3.6倍以上的提升，作業(yè)效果顯著。

但該井的措施半徑依然受到作業(yè)層段單層43～46 m的大跨度儲層限制，難以進一步提升。同時由于泵注排量相對壓裂壓驅(qū)等大型改造偏少，存在作業(yè)時間長的問題，對于海上油田而言，措施作業(yè)時間越長，意味著平臺時效降低，從而影響平臺其他單井措施及生產(chǎn)。目前，48 h以內(nèi)的施工時間是海上平臺可接受的范圍，在此時間內(nèi)，可采用巖石擴容措施技術(shù)改善15 m范圍內(nèi)連通性及污染問題。

對于需要更進一步擴大連通性的巖石擴容措施，建議可從2個方面進行：①注意油水井聯(lián)動措施，例如對L-Z4井對應(yīng)的受效井L-Z5也采用了油井巖石擴容措施，油井反向解堵的同時，泵注了3 823.32 m3的過濾海水，達到補能目的，以克服2口井井距220 m的不利影響，如圖6所示；②若只對注水井進行措施，建議采用超過破裂壓力后的巖石擴容措施，即碎脹后的巖石擴容。國內(nèi)外學(xué)者研究表明［18-22］，碎脹是指巖石在達到峰值破裂強度后產(chǎn)生的體積膨脹，反映的是巖石強度峰值以后的變形，它不再是微觀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、擴展，而是巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了顯著的變化。碎脹物理過程表現(xiàn)為碎裂巖塊在圍巖應(yīng)力作用下的滑移、錯動和裂縫擴張程度的進一步增加，其變形量相對剪脹來說要大得多［17］。結(jié)合上述認識，通過碎脹后的巖石擴容，可形成主裂縫和微觀裂縫交互的更復(fù)雜縫網(wǎng)帶，從而針對大跨度儲層達到進一步增大措施半徑、提高泵注排量、縮短作業(yè)時間的目的。上述研究也為巖石擴容技術(shù)措施下步發(fā)展指明方向。

4 結(jié)論與建議

（1）巖石擴容技術(shù)通過地面注入壓力變化，使儲層改變井壁周圍孔隙壓力分布，從而改變應(yīng)力場，并使得巖石在彈性～塑性變形范圍內(nèi)形成張性、剪切2種微裂縫帶，從而增加儲層孔隙度及滲透率，改善儲層連通性。

（2）為了進一步探索巖石擴容技術(shù)在儲層連通性不佳及污染半徑較大的注水井中的適應(yīng)性，在海上油田選擇了一口典型注水井（L-Z4井）進行了現(xiàn)場試驗。試驗井取得顯著作業(yè)效果，驗證了技術(shù)措施的有效性。措施實踐表明，在未采用任何化學(xué)藥劑以及海上平臺空間受限條件下，低成本儲層改造措施可行。

（3）對于大跨度儲層，結(jié)合海上平臺作業(yè)時效，對于48 h以內(nèi)施工時間，可采用巖石擴容措施技術(shù)改善15 m范圍內(nèi)連通性及污染問題。如果需要更進一步擴大連通性的巖石擴容措施，建議：①注意油水井聯(lián)動措施，可對油井進行巖石擴容措施，達到反向解堵和補能的目的;②采用超過破裂壓力后的巖石擴容措施，即碎脹后的巖石擴容。

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第一孫林，高級工程師，生于1983年，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)方面的工作。地址：（300453）天津市濱海新區(qū)。email：sunlin3@cnooc.com.cn。2024-02-252024-08-20任 武