低、無污染基質孔隙型灰巖儲層基質酸化增產可行性探索

王 達, 盧 巖, 周福建*, 馮浦涌, 姚二冬, 邵尚奇

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

碳酸鹽巖儲層儲量、產量在世界總儲量、產量占比較高[1]，且多為高產、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。近年來，中國石油企業在中東地區業務發展較為迅速，完善碳酸鹽巖儲層開采技術非常重要。基質孔隙型儲層是中東地區主要的儲層類型之一[2]，物性好、產量高，目前針對此類儲層油井增產措施主要以經濟有效的基質酸化為主，酸壓或者加砂壓裂尚處在探索階段[3-5]。且目前業界普遍的認識是低、無污染井基質酸化提產幅度微乎其微[6]，因此基質酸化作業普遍以解除污染、恢復油井產能為目的，對無污染井酸化的研究以及現場實踐較少，基本停留在室內巖心實驗以及數模研究階段[7-9]，尚無室內實驗或者數模研究結果與現場施工結果相結合進行的對比論證的研究。

通過理論分析、公式推導，建立蚓孔穿深、無污染井提產幅度、用酸量之間的關系式，以此為基礎對于無污染井酸化工藝進行改進，并在中東某油田3口井進行普通酸化與改進工藝的對比實驗，為此類基質孔隙型灰巖儲層無污染井酸化施工設計提供了方法。

1 儲層特征及儲層流體性質

伊拉克某油田主力產層M層為白堊系基質孔隙型灰巖儲層，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]，因此泥質含量非常低，平均小于5%，灰巖含量在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，壓力系數從1.1下降到目前的0.7～0.9，并在近年開始進行注水開發。

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

2 三口井低產原因及碳酸鹽巖儲層無污染井增產機理分析

2.1 三口井低產原因分析

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，平均提產幅度僅7%，大幅低于同期采用相同酸化工藝和用酸強度的同層鄰井增產幅度，如圖1所示。

圖1 酸化前后油井日產量對比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曲線進行對比可以看出，這三口井產量與井口壓力與其他井相比下降較為平穩，沒有出現其他井在投產初期或者生產階段產量快速、大幅下降的現象，因此推測這三口井近井地帶污染程度無污染或污染較低，導致采用和其他井相同的酸化工藝時提產幅度卻低很多。為了驗證這一推測，在P-19井普通酸化施工后進行了壓恢測試，表皮系數為-2.08，從而證實了該井無污染是提產幅度較低的原因。

2.2 無污染井增產機理分析及提產幅度計算

2.2.1 低、無污染井基質增產幅度可能性研究現狀

目前業內普遍認為基質酸化對污染井提產效果較好，但對無污染井提產效果則存在兩種認識，主流認識認為無污染井提產效果甚微。根據將油井產能公式與Hawkins公式合并，可得儲層滲透率變化與采油指數之間的關系式(1)及計算圖版，如圖2所示[7]。

(1)

式(1)中：Is為污染/改善后油井采油指數，m3/d/MPa；I為未污染井采油指數，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 基質酸化增產幅度Fig.2 Matrix productivity improvement

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

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

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

但近年也有不同文獻指出因砂巖與碳酸鹽巖酸化提產機理不同，無污染碳酸鹽巖井可以通過酸化實現增產。Glasbergen等[9]指出，碳酸鹽巖增產與砂巖增產原理不同，酸蝕蚓孔相當于一個小型的酸蝕裂縫，與孔隙型灰巖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，還可以進一步提升近井地帶的滲透率和孔隙度，因此基質酸化也可以大幅提高碳酸鹽巖儲層無污染井的產能。

Magnus等[10]將井筒附近劃分為4個區域，分別是井筒、蚓孔區、酸液沖洗區、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儲層滲流能力，而對于殘酸沖洗區儲層滲透率則無法起到改善作用。然后通過計算考察了增加近井地帶滲透率以及增加蚓孔長度對增產幅度的影響，如圖5和圖6所示。從計算結果可以看出，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”的滲透率，則可以有效降低表皮從而提高油井產能。并且采用該理論對現場作業進行指導，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 增加無污染區儲層滲透率對于表皮系數的影響Fig.5 Effect of increasing the permeability within the same damaged zone on the skin factor

假設原始滲透率為100 mD, 污染區滲透率為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、系統地的建立酸液用量與蚓孔長度、提產幅度之間的關系式，并在現場實踐中加以檢驗。首次嘗試理論計算與現場實驗相結合，通過結合目前中外最新研究成果，在無污染井提產公式中引入酸蝕蚓孔參數的影響以計算無污染井提產幅度，并結合Gadnski等公式推導所需酸液量的方式進行酸化設計，并在現場三口井進行了驗證。

2.2.2 結合蚓孔穿深的無污染井提產幅度計算

無污染井酸化提產幅度計算公式[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[11-12]。李傳亮等[13]根據巖心實驗的計算結果也表明，兩者滲透率極差非常大。因此，基于以上分析，蚓孔對于基質孔隙型灰巖儲層，有類似酸壓時將徑向流變為線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層實際酸后壓恢滲透率測量結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測得的壓恢測井滲透率(此時接近儲層無污染的原始滲透率)與電測滲透率非常接近。這是因為M層屬于單重介質基質孔隙型灰巖儲層，只有一套滲流系統，這點與同在該油田的雙重介質的裂縫-孔隙型儲層A層的壓恢滲透率與測井滲透率有數量級差別明顯不同。因此可將M層測井滲透率k等效于無污染時的儲層滲透率k0。

表1 某油田兩個儲層不同測試方法滲透率統計

同理，針對該單重介質儲層無污染井酸化提產幅度計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。而關于酸蝕蚓孔的作用范圍內蚓孔各參數對產能的影響，最新研究發現蚓孔直徑對產能影響較小，而蚓孔長度和條數對產能影響起主要作用[11]，這也可能是因為即使較小直徑的蚓孔，對于地層孔隙來說，滲透率差別也是數量級的。因此，在該提產公式中需要考慮蚓孔條數以及長度的影響即可。而關于蚓孔條數與長度，室內徑向流蚓孔實驗研究結果表明，蚓孔多為分支狀呈60°分布井筒周圍，且各蚓孔半徑不同，但通常研究中根據物質平衡，可將蚓孔長度簡化為一個等效半徑rhole來處理[9]，此時rs=rhole，因此無污染井產能幅度計算公式(2)可簡化為

(3)

式(3)中：rhole為等效的蚓孔半徑，m。

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

S=-ln(rhole/rw)

(4)

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

以P-19井為例，將P-19第一次酸后表皮測試結果(S=-2.08)以及測試期間的產量195 m3/d代入式(3)與式(4)進行回推計算，結果如圖7、圖8所示。

圖7 P-19井蚓孔穿深與提產幅度關系(與表皮為零時 產量對比)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關系Fig.8 Relationship between wormhole length and skin factor

由計算結果可知，該井無污染產能經回推約為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幅度。該井經過第一次普通酸化工藝處理后產量為195 m3/d(增產幅度37%)，對應蚓孔穿深1.35 m，而如果可將酸液穿透深度從計算值1.35 m通過提高到3～4 m，則產量可提升至227～241 m3/d，日增油32～46 m3/d，綜合經濟效益可觀。但如果繼續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現且增產幅度有所減緩，因此以3～4 m的蚓孔穿深作為目標進行酸化設計。

3 低、無污染井增產工藝

3.1 實現特定蚓孔穿深的酸液量的確定

研究認為，蚓孔長度受基質孔隙度和酸量控制，且只有在酸液量達到一定規模情況下，形成的蚓孔長度才會有明顯的差別[9]。但目前尚無精確計算不同蚓孔穿深所需酸液量的公式，僅有在室內徑向流實驗結果基礎上，在一些假定條件下根據物質平衡推導的Gadanski式(5)[14]和張合文等[15]推導的式(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；C為比例常數；df為分形維數；Ht為儲層射孔厚度，cm。

將該井孔隙度、酸液量等參數(表2)，代入兩個公式進行計算，計算不同提產幅度下對應所需要的液量結果，如圖9所示。

表2 計算蚓孔穿深所需輸入參數

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公式計算蚓孔穿深偏大，而通過文獻[15]公式計算穿深結果代入圖2的增產幅度圖版后，與P-19井第一次酸化作業后實際產量較為接近，因此選擇該公式進行計算所需酸量。經計算，P-19井實現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定為80 m3。

3.2 排量和施工工藝的確定

酸液與灰巖反應有5種溶蝕形態，其中提產幅度最大的主蚓孔溶蝕形態只有在酸液排量大于一個臨界速度才會產生，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]。但同時注酸速度也不宜過大，否則達到從擴散控制轉為濾失控制的臨界點后，就會發生多分支蚓孔，甚至分型維數接近2的巖石基質孔隙均勻溶蝕[9,15]。

由于目前尚無理論、室內實驗與現場施工相結合的能夠準確指導排量設計的計算公式，所以只能在該井之前普通酸化作業酸液排量基礎上逐漸提高排量進行現場試驗。

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

4 現場施工效果分析

按照以上方法確定的液量施工參數對P-19井進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量基礎上又提高了37.9%，即使考慮根據該油田數口同層鄰井調大相同油嘴后產量提高約30 m3/d,深穿后產量較第一次普通酸化后的提產幅度6.6%仍有明顯提高[18]，且與式(3)計算的提產幅度結果符合較好。

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驗，施工參數如表3所示。P-15井采取新工藝以及用有機溶劑代替柴油后，產量從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)，提產幅度達65.9%，大幅高于第一次采用常規酸化工藝時11.0%的提產幅度。P-25井第一次采用普通酸化工藝幾乎沒有產量增加，再采取新工藝酸化后，產量從平均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 結論

(1)首次對基質孔隙型單重介質灰巖儲層低、無污油井進行普通酸化工藝與深穿透造主蚓孔工藝現場施工對比實驗，結果表明，普通酸化技術無法提產的低、無污染井，通過深穿造主蚓孔工藝可實現一定幅度的提產。

(2)根據目前碳酸鹽巖儲層增產機理最新研究并結合該儲層滲流特征分析以及測井、試井結果對無污染井酸化產能提產公式進行改進，并采用基于徑向流的液量-蚓孔穿深公式對現場酸量設計進行指導，現場施工效果與計算結果符合較好。

目前基于徑向流實驗基礎上的蚓孔計算公式未考慮現場施工排量這一參數的影響，需要后續結合室內徑向流巖心流動實驗以及現場試驗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計提供更好的指導。