黃知娟 潘麗娟 路輝 鄭力會 李冬梅 海小祥
1.中國石化西北石油局石油工程技術(shù)研究院;2.中油國際(伊拉克)公司哈法亞項目生產(chǎn)部;3.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院
順北油田地處新疆沙雅縣境內(nèi),是2016年建成的平均儲層深度7 300 m以上的碳酸鹽巖油田。SHB-X井2015年12月開鉆,2016年 7月完鉆,完鉆井深8 049.50 m,垂深7 561.96 m,人工井底8 049.5 m,裸眼段長590.5 m,先期裸眼完井,完鉆層位奧陶系一間房組。
SHB-X井于2016年7月11日開始排液試采,希望通過小規(guī)模、短時間生產(chǎn),了解油井生產(chǎn)動態(tài)和壓力遞減,為區(qū)塊后續(xù)開發(fā)提供基礎(chǔ)信息。先采用無油嘴開井排液,油壓迅速從13.1 MPa下降至0,累計排液109.5 m3后只出氣不出液,產(chǎn)液驟降;后分別采用?13.2 mm和?12.0 mm油嘴開井排液降低生產(chǎn)壓差,油壓仍迅速降為0,油嘴和油氣分離器堵塞。隨后關(guān)井整改,放噴流程時巖屑堵塞油管,被迫二次完井作業(yè)。
SHB-X井沒有儲層改造。井筒產(chǎn)量損失除了儲層內(nèi)部敏感性因素可能造成產(chǎn)量下降外,外部因素只有鉆完井過程和生產(chǎn)過程2類因素。目前,大多數(shù)學(xué)者通過室內(nèi)儲層敏感性實驗研究產(chǎn)量下降的原因或機理,獲得的結(jié)論是應(yīng)力敏感[1-2],也有學(xué)者認為水相圈閉、固相侵入、儲層水鎖等也會造成產(chǎn)量下降[3-5]。但是,都沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐這些結(jié)論,也沒有綜合考慮內(nèi)外因素的共同作用,單一因素所獲得的結(jié)果很難為現(xiàn)場開發(fā)制度提供適合的技術(shù)支撐。現(xiàn)場有人報道了輪古構(gòu)造帶5 700 m油井試采過程中堵塞,推測可能是完井液在高溫下易固化、交聯(lián),加重劑沉淀,導(dǎo)致下管柱遇阻或開泵困難,或者是產(chǎn)水導(dǎo)致產(chǎn)量降低利用油管氣舉作業(yè)得以解決[6-8]。盡管這些現(xiàn)場經(jīng)驗沒有利用儀器、數(shù)學(xué)方法分析機理,但為研究順北SHB-X井產(chǎn)量驟降的原因以及提供對策提供了經(jīng)驗。因此,研究順北SHBX井產(chǎn)量驟降的原因不僅解決此井、此油田的問題,而且豐富超深井碳酸鹽巖開發(fā)技術(shù),對世界碳酸鹽巖油田開發(fā)具有科學(xué)價值和實際意義。
但是,碳酸鹽巖裂縫非均質(zhì)性使得室內(nèi)測試結(jié)果的可重復(fù)性差。即使是模擬外部因素也只能模擬溫度和有限的壓力,無法解釋現(xiàn)場更多因素。而數(shù)學(xué)方法在尋找諸多因素作用的結(jié)果時,有其考慮因素多、連續(xù)性好等優(yōu)勢。因此,考慮利用數(shù)學(xué)方法結(jié)合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)來分析SHB-X井產(chǎn)量驟減的主控因素。
2016年7月29日,電纜通井探底發(fā)現(xiàn),油管6 807.9 m以下巖屑、蠟堵塞,提甩管柱解堵不成功。后SHB-X井焐井后提甩管柱,解堵成功。2016年8月6日SHB-X井二次試采,選用?6 mm小直徑油嘴開井,油壓快速降至1 MPa,產(chǎn)液含有黏稠物與砂粒,除砂器頻繁堵塞。隨后更換?8 mm油嘴加快排液,油壓緩慢恢復(fù)至15.2 MPa,產(chǎn)液量逐漸增加。后采用?8 mm、?7 mm、?6 mm、?5 mm油嘴控制產(chǎn)液速度,液性穩(wěn)定,生產(chǎn)正常。
猜測SHB-X井試采過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象,是儲層流速敏感、鹽敏和鉆井流體不配伍所致。因此,室內(nèi)利用滲透率儀開展SHB-X井產(chǎn)層一間房組速敏、鹽敏等儲層傷害內(nèi)部因素評價;利用滲透率儀、濁度儀等評價鉆完井流體與儲層配伍性等外部因素。
為測試儲層自身潛在的傷害類型和程度,依據(jù)儲層敏感性評價實驗方法,按照標(biāo)準(zhǔn)中的巖心準(zhǔn)備和實驗方法、數(shù)據(jù)處理方法,用10 500 mg/L地層水分別用3枚一間房組天然巖心柱塞測試了臨界流速和傷害程度、鹽敏感性臨界礦化度和傷害程度。
為了測試外來鉆完井流體對儲層的傷害程度,參照鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價方法,評價了鉆完井流體傷害地層的儲層傷害程度、與原油的配伍性以及地層水的配伍性。鉆井流體對儲層有一定傷害,但沒有達到傷害到幾乎不產(chǎn)液程度。
(1)鉆完井流體儲層傷害評價。選取直徑同為?25 mm的無裂縫、縫寬0.5 mm天然裂縫和縫寬1.0 mm人工裂縫的3種巖心柱塞,先用8%KCl溶液模擬地層水測試巖樣滲透率,再用鉆井液反向驅(qū)替巖心柱塞2 h,最后用模擬地層水再次正向測量污染后滲透率,滲透率恢復(fù)值分別為74.69%、74.58%和66.84%。
(2)鉆井流體濾液與原油配伍性評價。按8∶2、7∶3、5∶5、3∶7、2∶8 混合鉆井液與原油,利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測量靜置20 min、攪拌20 min、靜置12 h、加溫90 ℃條件下的600 r/min的讀數(shù)。最大黏度為32 mPa · s。
(3)鉆井流體與地層水配伍性評價。按8∶2、7∶3、5∶5、3∶7、2∶8 混合鉆井液與地層水,攪拌 20 min,用濁度儀測試室溫條件下混合液的濁度分別為90、70、40、29、15 NTU。
室內(nèi)實驗表明,SHB-X井一間房組中等偏強速敏、強鹽敏,鉆井液與原油易發(fā)生乳化而傷害儲層滲透率。但現(xiàn)場鉆完井過程、開發(fā)過程都控制在臨界速度以內(nèi)。室內(nèi)實驗結(jié)果無法提供足夠的證據(jù),說明造成油井產(chǎn)量下降的主要原因。
碳酸鹽巖滲流通道非均質(zhì)性使得單個柱塞傷害程度測試結(jié)果可重復(fù)性差,無法判定整個儲層的傷害因素。以流速為橫坐標(biāo),滲透率與原始滲透率比值為縱坐標(biāo),將3枚巖心柱塞的速敏實驗數(shù)據(jù)繪制成折線圖,并對3枚巖心柱塞的11個速度下的滲透率比值擬合,如圖1所示。
圖1 SHB-X井速敏測試結(jié)果Fig.1 Flow sensitivity test rusults of Well SHB-X
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),滲透率下降20%為臨界流速值。從圖1中可以看出,1#、2#和8#巖心的臨界流速分別為28.00 m/d、87.24 m/d和32.27 m/d,臨界流速最大和最小相差67.8%,難以確定一間房組臨界流速。為了尋找接近地層的敏感程度,擬合3枚巖心柱塞實驗結(jié)果,得到SHB-X井流速敏感性擬合方程為y=0.005 1x2-1.238 9x+115.63,相關(guān)系數(shù)R2=0.597 2,置信度較低。利用產(chǎn)層厚度、孔隙度等數(shù)據(jù),對28.00 m/d換算成實際產(chǎn)量后,臨界產(chǎn)量為198.86 t/d,高于SHB-X井實際產(chǎn)量161.00 t/d。說明工作制度沒有造成速敏傷害。
進一步分析7#、11#和15#共3枚巖心柱塞的鹽水敏感的礦化度降低實驗數(shù)據(jù)。以礦化度為橫坐標(biāo),滲透率與原始滲透率比值為縱坐標(biāo)繪制成折線圖,然后擬合水敏實驗數(shù)據(jù),如圖2所示。
圖2 SHB-X井水敏測試結(jié)果Fig.2 Water sensitivity test curve and its fitting curve of SHB-X well
從圖2可以得出,7#、11#和15#共3枚巖心柱塞的水敏損害率分別為41.47%、59.86%和52.00%,損害程度為中等偏弱、中等偏強和中等偏強,顯然不一致,得不到地層的同一敏感性。為了得到SHB-X井儲層整體水敏感損害程度,擬合3枚巖心柱塞實驗數(shù)據(jù),得到水敏感性評價擬合方程為y=0.000 9x+52.826,相關(guān)系數(shù)R2=0.870 6。水敏感性傷害率為47.66%。水敏傷害程度中等偏弱。SHB-X井鉆井液礦化度為19 852 mg/L,盡管有所傷害,但也不能解釋地層產(chǎn)液驟停的原因。
再結(jié)合將7#、9#和10#3枚巖心柱塞的鹽水敏感礦化度升高實驗數(shù)據(jù)分析。以礦化度為橫坐標(biāo),滲透率比值為縱坐標(biāo)繪制成折線圖,同樣對鹽敏實驗數(shù)據(jù)做擬合處理,如圖3所示。
從圖看出,按照20%滲透率損害率計算7#、9#和10#巖心柱塞的臨界礦化度為29 772 mg/L、60 333 mg/L和42 582 mg/L,不同巖心柱塞的臨界礦化度相差最大50.65%。不能做為鉆井液傷害評價結(jié)果。為了評價SHB-X井儲層整體的鹽敏感性,擬合鹽敏實驗數(shù)據(jù),得到擬合方程為y=-10-8x2+0.002 1x+12.918,擬合相關(guān)系數(shù)為R2=0.838 4。儲層鹽敏臨界礦化度為39 297 mg/L,強鹽敏。SHB-X井鉆井液礦化度為19 852 mg/L,低于臨界礦化度,不會發(fā)生鹽敏損害。因此,也不能解釋該井產(chǎn)量大幅度下降的原因。雖然有人從力學(xué)的角度認為是二次作業(yè)改變了地層狀態(tài),但無法解釋產(chǎn)液停止這個特殊現(xiàn)象[9]。
圖3 SHB-X井鹽敏測試結(jié)果Fig.3 Salt sensitivity test curve and its fitting curve of SHB-X well
鉆完井液傷害碳酸鹽巖儲層程度不高,外來流體與地下流體配伍性良好,不是儲層傷害的主控因素。利用滲透率儀測定的鉆井液對儲層傷害程度實驗數(shù)據(jù),以巖心類型為橫坐標(biāo),滲透率比值為縱坐標(biāo)繪制成柱狀圖,計算出滲透率比值分別為74.69%、74.58%和66.84%,如圖4所示。
圖4 鉆井液注入前后不同巖心柱塞水相滲透率Fig.4 Permeability of different cores before and after the injection of drilling fluid
從圖4可以看出,鉆井液傷害巖心柱塞后,巖心柱塞水相滲透率恢復(fù)值為66.84%~74.69%,且?guī)r心柱塞裂縫越大,滲透率損害越嚴重,最大值為33.16%?,F(xiàn)場鉆井過程中鉆井液失返性漏失,說明裂縫存有的鉆井液越多,對儲層產(chǎn)能影響越大。但是沒有達到驟停的程度。說明鉆井液漏失量和漏失性能是影響油井產(chǎn)量的因素,但不是主導(dǎo)因素。
考慮到鉆井液中的一些表面活性材料,可能會造成乳化現(xiàn)象,所以將不同比例鉆井流體濾液與原油混合,混合液的黏度大小如圖5所示。
圖5 鉆井液與原油不同體積比時混合液的黏度Fig.5 Mixture viscosity of drilling fluid and crude oil with different volume ratio
從圖5可看出,鉆井液濾液與原油混合后,靜置、攪拌、再靜置,混合液黏度逐漸增大,最大增加幅度達到45%;加溫90 ℃后,不同比例混合液黏度一致下降,表明鉆井液濾液可能乳化,但在溫度作用下黏度下降。隨混合液原油比例增大,混合液黏度先增加后減小,在混合比例為3∶7時,黏度達最大值32 mPa · s。現(xiàn)場鉆井液漏失地層后,在儲層滲流通道中與原油發(fā)生乳化,一方面乳狀液滴堵塞孔喉,降低了絕對滲透率;另一方面黏度增大,增加流動阻力,降低儲層相對滲透率。但地溫條件或者地下流動條件下,黏度為4 mPa · s對采油影響不大。
進一步考察鉆井流體濾液與地層水是否發(fā)生沉淀造成儲層傷害。利用濁度儀測量不同比例鉆井液濾液和地層水的混合液。以混合比例為橫坐標(biāo),濁度為縱坐標(biāo)繪制柱狀圖,顯示不同混合比例下混合液的濁度分布,如圖6所示。從圖6可以看出,隨著鉆井液濾液與地層水混合比例增加,混合液濁度逐漸下降,最大降幅為88.89%,濁度平均分布在15 NTU至90 NTU之間,根據(jù)濁度測定標(biāo)準(zhǔn),屬于中濁度。說明鉆井液濾液與地層水配伍性良好。
綜上所述,鉆井液漏失可能會造成原油乳化損害儲層滲流能力,但溫度會使乳化增黏作用大大降低?,F(xiàn)場焐井后油井解堵,產(chǎn)量恢復(fù),也說明鉆井液傷害并不是SHB-X井試采產(chǎn)液驟降的主要因素,需要進一步研究試采參數(shù)對產(chǎn)量變化的影響。
圖6 不同體積比鉆井液濾液與地層水混合液濁度Fig.6 Turbidity of drilling fluid filtrate and formation water with different volume ratio
用數(shù)學(xué)方法分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)地層流體自身的變化是儲層傷害的主要因素。室內(nèi)測試只能測量單一因素和有限地層條件下產(chǎn)生的結(jié)果,無法對油井產(chǎn)能所有的影響因素做出整體評價。因此,尋找油井儲層產(chǎn)量下降的原因,轉(zhuǎn)移到用現(xiàn)場數(shù)據(jù)解決的思路上來。
此前,有人利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究過應(yīng)力敏感,也有人利用測井?dāng)?shù)據(jù)研究過碳酸鹽巖的地層參數(shù),但都沒有利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究油井產(chǎn)量主控因素[10-12]。因此,對SHB-X井現(xiàn)場測井、試井、采油等生產(chǎn)數(shù)據(jù)做無量綱化、相關(guān)合并、無數(shù)據(jù)尋找相似地層、殘缺數(shù)據(jù)補充及剔除等處理,消除人為干擾因素,依據(jù)最小二乘法使原始數(shù)據(jù)盡可能貼近真實函數(shù),并對每個獨立參數(shù)實施權(quán)重分析,構(gòu)建多重參數(shù)與求解因變量關(guān)系,分析試采工程參數(shù)影響試采產(chǎn)量程度。具體做法分4步。
(1)數(shù)據(jù)采集。搜集整理順北油田1井區(qū)7口生產(chǎn)井較為完整的地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)、試采參數(shù)等數(shù)據(jù)。區(qū)內(nèi)7口井都生產(chǎn)了100 d以上,因此以100 d為基礎(chǔ)擬合。
(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。對采集到的數(shù)據(jù)無量綱化、相關(guān)合并,無數(shù)據(jù)的尋找相似地層處理、殘缺數(shù)據(jù)補充及剔除等,利用處理后的數(shù)據(jù)建立順北油田產(chǎn)液指數(shù)、產(chǎn)油指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的所有與油井產(chǎn)量相關(guān)的100多個獨立自變量參數(shù)數(shù)學(xué)模型。選擇獨立參數(shù)是為了現(xiàn)場能針對性地采取措施。
(3)數(shù)學(xué)關(guān)系優(yōu)化。通過計算機不斷“去掉”因素,尋找去掉后不影響自變量排序的數(shù)學(xué)方程。這種不去人為設(shè)置權(quán)重,計算機“一層一層”剝?nèi)ゲ挥绊懸蛩嘏判虻囊蛩兀睦碚撜`差最小化和相對誤差最小化約束方程的方法,稱為“剝繭尋根算法”[13]。它較好地利用現(xiàn)場地質(zhì)、流體、作業(yè)參數(shù),找到影響油井產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型。
(4)模型分析。模型中影響因素的系數(shù)越大,影響程度越高,在整個系數(shù)中所占的相對比例越大,主控因素即可獲得。根據(jù)系統(tǒng)的正負號,獲得對油井產(chǎn)量是激勵作用還是削弱作用。按照以上步驟獲得了順北油田1井區(qū)的整體產(chǎn)液指數(shù)模型如式(1)所示,產(chǎn)油指數(shù)模型如式(2)所示。
式中,Yf為產(chǎn)液指數(shù),m3/d/MPa;Y0為產(chǎn)油指數(shù),m3/d/MPa;X1為原油密度,g/cm3;X2為原油黏度,mPa · s;X3為鉆井液塑性黏度,mPa · s;X4為鉆井液密度,g/cm3;X5為產(chǎn)層深度,m;X6為生產(chǎn)層段長度,m;X7為地層壓力,MPa;X8為儲層溫度,℃;X9為井口油壓,MPa;X10為日產(chǎn)油量,t/d;X11為日產(chǎn)氣量,m3/d;X12為含水率,%。
擬合所得模型中參數(shù)的系數(shù)表征各參數(shù)對油井產(chǎn)量的影響程度,將12個影響參數(shù)的影響程度系數(shù)作圖,如圖7所示。從圖可以看出,含水率、井口油壓、日產(chǎn)油量作為產(chǎn)量直接正關(guān)聯(lián)參數(shù),決定了油井產(chǎn)能,擬合相關(guān)系數(shù)大于0且遠高于其他因素。將其他負相關(guān)的因素放大,嵌入圖7中,可以明顯看到,在所有負相關(guān)的因素中,產(chǎn)層深度相關(guān)系數(shù)的絕對值最大,是所要尋找的儲層主控因素。儲層溫度、地層壓力、鉆井液塑性黏度與日產(chǎn)氣量相對于產(chǎn)層深度影響較??;而原油黏度、鉆井液密度和原油密度基本沒有可觀的影響。
綜合來看,產(chǎn)層深度是造成儲層傷害降低產(chǎn)量的主控因素。這是因為產(chǎn)層深度越大,在地溫梯度和壓力梯度一定的情況下,地層壓力、儲層溫度越高。采油過程中,井深越大,流動時能量的損失越大,溫度和壓力降低越大。地層壓力和儲層溫度變化則會影響流體密度和黏度等一系列參數(shù)的變化,特別是產(chǎn)液性質(zhì)的變化,如結(jié)蠟、瀝青質(zhì)析出,最終造成井筒產(chǎn)量減少,嚴重者堵塞,液體無法流動。氣體在管柱較小的孔眼中穿過,有所產(chǎn)出??梢赃@樣認為,產(chǎn)層深度是造成產(chǎn)量下降“連鎖反應(yīng)”的第一環(huán),它引起了后續(xù)的所有現(xiàn)象。因此,產(chǎn)層深度是油井產(chǎn)量降低的主控因素。
圖7 模型各影響參數(shù)影響程度系數(shù)Fig.7 The degree of influence of the parameters in the model
鉆井液性能變化可能造成油井產(chǎn)量下降,說明侵入地層的鉆井液損害儲層滲流能力,影響產(chǎn)量。不過,鉆井液對產(chǎn)量的影響,不會影響產(chǎn)量驟降,這也從鉆井液的權(quán)重低于生產(chǎn)壓差和儲層溫度可以看出。根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)[14],在氣體通過節(jié)流閥(油嘴、封隔器等)的過程中,會產(chǎn)生壓力突變,繼而引起溫度的下降。地層溫度越高,流速越大,溫度下降越大,引發(fā)地層重質(zhì)組分的析出,造成節(jié)流閥的堵塞。二次試采采用小油嘴開井,減小生產(chǎn)壓差,油壓穩(wěn)定,產(chǎn)量恢復(fù),說明生產(chǎn)壓差對產(chǎn)能影響明顯。此外,油管內(nèi)原油與鉆井液混合物在井筒溫度急劇變化下,極易析出膠質(zhì)瀝青質(zhì),形成膠狀物,從而堵塞井筒流動通道。從現(xiàn)場焐井解除油管堵塞也可證明儲層溫度變化對產(chǎn)量影響程度較大。因此,造成順北油田SHB-X井儲層傷害和產(chǎn)量下降機理可歸納為以下5點:
(1)鉆井流體濾液進入基質(zhì)、鉆井流體進入裂縫后,在儲層中流體間發(fā)生不配伍損害,包括沉淀、乳化、部分堵塞以及黏土膨脹分散等,造成流動阻力加大,相對滲透率下降。
(2)放空、漏失完鉆后,鉆井液的鉆屑、加重材料、鉆井流體自身的處理劑、沉積在井筒和地層中的原油,完井后待采油這一靜止過程中形成了較強的膠體體系,又不能短期內(nèi)降解,造成井筒內(nèi)流動能力下降。
(3)開始測試后,啟動井筒內(nèi)的流體需要一個緩慢的啟動過程,但操之過急,特別是油嘴不斷放大,井筒內(nèi)的濁液在較高的流動速率下,帶動了井內(nèi)的流體和固相“清洗”井筒,趨于堵塞。由于井筒內(nèi)流體密度下降,還可能造成生產(chǎn)過程中裸眼完井井壁失穩(wěn)。
(4)井筒內(nèi)流體高速流動,瀝青、有機質(zhì)和蠟以及鹽在溫度的作用下,形成晶核進而形成膠狀物,堵塞井筒流動通道。同時,地層無法產(chǎn)液但產(chǎn)氣可能替空油管,井筒內(nèi)液柱壓力下降至坍塌壓力以下,整個裸眼都有可能掉塊。
(5)加大生產(chǎn)壓差,近井地帶滲流速度加快,不僅拖拽裂縫中的充填物,還加劇了原來流體間不配伍性如乳化加劇,堵塞加劇,造成供向井筒內(nèi)的流體迅速減少直至中斷,產(chǎn)液中止。
由此可見,在井深不可改變的前提下,試采過程中儲層傷害焦點是3個位置的流體,井筒流體、近井流體、地層流體,特別是裸眼、漏失量大的情況下這些流體如何排出,避免采油初期的非主控因素加劇主控因素傷害產(chǎn)量的程度,是保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提。緩緩地排出井筒流體,慢慢啟動近井流體,穩(wěn)穩(wěn)采出地層流體,成為關(guān)鍵措施。具體生產(chǎn)制度因為油井不同而不同。SHB-X井則要控制日產(chǎn)液指數(shù)在2.6 m3/(d · MPa)是比較合適的。
(1)室內(nèi)利用儲層敏感性實驗測試、配伍性測試等方法不能確定儲層傷害主控因素時,用數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn),由于采油速度與溫度、壓力變化不配伍造成油井堵塞,進而產(chǎn)量驟停,為深層碳酸鹽巖開發(fā)提供了控制采油速度的依據(jù)。
(2)針對不同的油層應(yīng)該采用不同的采油速度。這需要全面考慮井深、原油性質(zhì)和作業(yè)時工作流體對井筒、近井地帶流體的影響。
(3)剝繭尋根算法為分析非均質(zhì)性強或者沒有實驗條件的油氣井產(chǎn)量主控因素,提供了一種手段。但分析需要更多的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù),如何適用于數(shù)據(jù)有限的油田分析主控因素是未來的發(fā)展方向。