渤海油田完井液綜合優選方法的研究與應用

張啟龍 劉 鵬 霍宏博 陳 彬 岳 明

中海石油(中國)有限公司天津分公司·海洋石油高效開發國家重點實驗室, 天津 300459

0 前言

完井作業是承接鉆井和生產兩大作業的橋梁,其目的是最大限度地溝通井筒與地層間的通道,降低地層流體流入井筒的阻力以獲得最高的產量。為了獲得最大的流動產量,應在鉆開儲層或者溝通儲層時更換井筒內的液體,以起到保護儲層的目的,此液體體系成為完井液體系[1-3],渤海油田常用的完井液體系有隱形酸完井液體系、聚胺完井液體系等。選擇完井液體系時,應該綜合考慮完井液腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能和體系pH值等因素[4-6],通過室內實驗,對待選完井液體系的以上特性進行評估,然后根據評估結果進行選擇,但如果各因素的評估結果存在差異,則只能靠人為經驗進行選擇,因此結果無法保證客觀性、精確性。

為了降低人為因素對選擇結果的影響,提高選擇結果的合理性,本文利用層次分析法建立了完井液體系評估因素(完井液腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能和體系pH值等四個因素)的影響權重模型,基于此模型利用模糊物元的方法構建了完井液體系綜合評價方法,利用該方法指導了KL-X油田等7個油田的完井液體系選擇,產量平均超過配產23%,結果表明利用該方法進行完井液體系的選擇能夠有效保護儲層,降低了完井液對儲層的損害程度,保證了完井液體系的客觀性和合理性,有望成為綜合選擇完井液體系的新方法。

1 完井液體系性能評價因素分析

完井液體系的性質因素有很多,如密度、濁度、pH值、儲層保護性能等,但在進行完井液的性能綜合評價時,并不是所有因素都直接影響完井液體系的選擇,一般只針對一些重要的、關鍵的因素開展分析。比如,長期的實踐經驗和教訓總結表明在進行完井液體系選擇時,需要考慮的重點因素包括完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值等四個方面。

1.1 完井液體系關鍵性能優選

建立完井液體系綜合評價模型的基礎是在眾多影響指標中選擇關鍵影響因素。根據渤海某油田的統計數據,井下管柱的腐蝕破壞、單井的低產低效、篩管的堵塞沖蝕是造成該油田生產井關井或大修的三個最主要因素,占比為75%以上,基于完井液體系的各性能參數對上述三類問題的貢獻程度，優選關鍵性能參數。

完井液作為打開儲層后長期浸泡井下油管、生產套管等金屬管柱的主體液體，雖然返排后完井液會被返出地層,但是難免會有部分殘余留在井下,因此完井液的腐蝕性能直接影響著井下管柱的腐蝕情況,是完井液關鍵性能參數。完井液作為直接與儲層接觸的液體,其對儲層的污染程度直接決定著單井的投產情況,而完井液對儲層的污染程度主要受完井液兩個性能的影響,即抑制性能和儲層保護性能,抑制性能的作用是防止完井液由于水化作用而造成地層的滲透率大幅降低,儲層保護性能的作用是抑制儲層中的微粒和乳狀液堵塞,降低完井液對儲層的損傷。而篩管發生堵塞沖蝕的原因主要是井壁的沖洗程度不夠,固井后的石灰粉和泥質遇水后發生堵塞,造成篩管的局部沖蝕,而完井液的性能參數中,體系pH值對篩管堵塞沖蝕的影響最為直接,排除儲層特性對體系pH值的特殊要求,該值越小,其對井壁清洗的效果越有利,完井液為酸性時,可以與井下的灰石粉等材料進行化學反應,消除灰石粉等的堵塞現象?；谝陨戏治?優選了完井液體系的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能和體系pH值作為影響生產井生產情況的關鍵因素,以此為基礎進行綜合評價。

1.2 關鍵性能評價方法及對產能的影響

1.2.1 腐蝕性能

利用靜態刮片腐蝕實驗,測得金屬掛片在不同完井液體系下的腐蝕速率以評估完井液體系的腐蝕性能,其基本實驗流程如下:首先把相同井下管柱材質的金屬掛片放入無水乙醇中浸泡,去除表面雜質,取出擦干后進行稱重;然后將掛片放入待評價的完井液中,一起放入高壓釜;調節實驗儀器的溫度和壓力到預設工況,進行靜態腐蝕實驗;實驗時間為2 h,取出金屬掛片并進行表面處理后,進行稱重從而得到腐蝕后的重量;根據實驗前后的重量差便可以求得金屬掛片在不同完井液體系下的腐蝕速率。腐蝕速率越高的完井液體系,對井下管柱的腐蝕程度越嚴重,發生腐蝕破壞從而造成單井停產的概率越大,因此其與單井的產量呈負相關。

1.2.2 抑制性能

完井液體系的抑制性能主要是指抑制儲層發生水化作用的能力,測量完井液體系的防膨率B進行評估,具體的評價方法如下:稱取0.500 0 g膨潤土粉,精確到0.000 1 g,加入到10 mL離心管中;然后加入10 mL配制好的一定濃度的黏土穩定劑溶液,充分搖勻;在室溫下存放2 h后放入離心機內,轉速1 500 r/min下離心分離15 min,測定膨潤土膨脹后的體積V1;用10 mL水代替完井液體系,測定膨潤土在水中的膨脹體積V2;用10 mL煤油代替完井液體系,測定膨潤土在煤油中的膨脹體積V0;利用式(1)計算不同完井液體系的防膨率。完井液體系的防膨率越大,其抑制水化能力越強,發生水化膨脹而造成儲層滲透率下降的概率越小,因此該參數與單井的產能呈正相關。

(1)

1.2.3 儲層保護性能

通過室內實驗測試不同完井液污染前后的滲透率比值評估完井液體系的儲層保護性能,其實驗步驟如下:用地層水在90 ℃條件下驅替,測定巖心的基礎地層水滲透率;用完井液體系在90 ℃、3.5 MPa條件下進行動態污染;動態污染后將巖心表面的泥餅去掉,在90 ℃條件下進行滲透率恢復實驗;計算巖心污染前后滲透率比值,得到不同完井液體系的滲透率恢復率。滲透率恢復率越大說明完井液對儲層的傷害越小,產生的污染表皮也越小,因此該參數與單井的產能呈正相關。

1.2.4 體系pH值

完井液體系pH值直接影響完井液對井壁的清洗效果,其測試方法可以直接利用pH試紙進行測定。體系pH值越大,完井液對井壁的清洗效果越差,對石灰粉等材料的腐蝕作用越弱,導致井下篩管發生堵塞沖蝕破壞的概率越大,因此該參數與單井的產能呈負相關。

2 完井液性能評價權重模型

在進行完井液體系的選擇時,需要評估各個性質對完井液性能的影響程度,即因素的影響權重,常用的計算方法包括主成分分析法、層次分析法(AHP法)、熵值法、獨立性權重法等[7-10]。其中應用最為廣泛、結果相對準確的方法是層次分析法,此方法將各因素影響程度用數字表示,利用數字的相對大小信息進行權重的評估與計算,該方法已被應用于交通、旅游、能源等多個領域,并取得了較好的應用效果[11-12]。根據各個因素的相對重要程度,建立完井液體系性能權重模型,其基本步驟為建立層次結構模型、構建比較矩陣、計算權重矩陣和一致性檢驗等四個步驟。

2.1 建立層次結構模型

根據結果和影響因素的關系,建立決策節點和結果的層次關系結構模型,見圖1。模型分為目標層和因素層,目標層為需要決策的結果,本例為完井液體系的優選結果,而因素層為影響結果的具體因素,本例為完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值等四個因素。

圖1 完井液體系選擇的層次結構模型圖

2.2 構建比較矩陣

基于建立的層次結構,構建各因素之間的比較矩陣,其基本思想是利用數字的相對大小信息,評估因素之間的重要程度。采用兩兩比較法對四個因素之間的相對重要關系進行評估,用數字1～9對相對關系進行量化,數字越大表征前者相對后者的重要性越大[11-13],具體含義見表1。將完井液體系的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值等四個因素分別設置為r1～r4,根據以往作業經驗,采用專家打分法對各因素之間的重要關系進行賦值,構建了比較矩陣R,見式(2)。

表1 指標賦值與含義表

(2)

2.3 計算權重矩陣

基于建立的比較矩陣,計算各個因素的影響權重,其基本方法是首先計算矩陣的最大特征根λmax,其對應的向量為特征向量W,歸一化處理后就可以得到各個因素的影響權重向量w。利用該方法對管柱腐蝕模型進行計算,由于該矩陣為正定互反矩陣,因此利用式(3)和(4)便可直接求得最大特征根和特征向量[14-15]：

(3)

(4)

利用以上步驟,對式(2)進行求解,得到了最大特征根λmax為 4.014 5,特征向量W為(0.269 4,0.466 7,0.828 7,0.151 3)T,權重向量w為(0.157 0,0.272 0,0.482 8,0.088 2)T。

2.4 一致性檢驗

由于比較矩陣賦值時有人為主觀性的影響,為了消除其誤差,計算完成后需對結果進行一致性檢驗,以證明結果的合理性[14-16]。一致性檢驗公式見式(5)：

(5)

式中：其中CR為一致性比率,當CR<0.1時,證明賦值結果較為合理,否則重新賦值;n為因素的個數;RI為一次性指標,其取值與因素個數n直接相關,當n=4時,RI的值為0.9。

因此將本模型中的取值(λmax=4.014 5,n=4,RI=0.9)帶入式(2),求得一致性比率CR=0.005 3<0.1,證明賦值較為合理,腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值四個因素對管柱腐蝕影響的權重為0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

3 完井液體系優選方法的建立與應用

基于得到的各因素的影響權重,本文提出基于模糊物元理論的完井液體系優選方法[17-21],該方法綜合了影響完井液性能的各個因素進行選擇,克服了單因素考慮單一以及人為經驗因素誤導選擇等問題。

3.1 綜合評價模型

首先根據待評價完井液特征構建初始元矩陣R,見式(6)：

(6)

式中：M為待評價完井液體系；C為體系屬性，本例中的體系屬性C1～C4分別表征完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值等四個因素；x為體系屬性值。

在建立的初始元矩陣基礎上,由于各個性質存在單位不一致的問題,為消除單位對結果的影響,需要進行無量綱化處理,而根據因素影響結果的方向性,可以將因素分為正相關和負相關：正相關指的是體系屬性值與結果呈正相關,即屬性值越大結果越好;而負相關指的是體系屬性值與結果呈負相關,即屬性值越小結果越好。本例中,完井液的抑制性能和儲層保護性能屬于正相關因素,而腐蝕性能和體系pH值屬于負相關因素,分別用式(7)和(8)進行處理,得到了復合元矩陣U：

(7)

(8)

(9)

最后,綜合考慮因素權重和屬性值,將構建的完井液復合元矩陣U與權重向量w相乘,得到了最終評判向量Q,見式(10)：

(10)

最后根據各個完井液體系的最終評判值Q1～Qm的大小,就可以得到不同完井液體系的優劣排序,從而輔助完井液體系的評估。

3.2 完井液體系綜合優選方法

基于建立的完井液體系因素權重模型和綜合評價模型,形成了一套完井液體系綜合選擇方法,見圖2,具體流程為:根據影響完井液現場使用效果的影響因素,構建影響完井液應用效果的層次結構模型;根據不同因素的重要性構建比較矩陣,計算得到不同完井液體系因素的權重向量,并對結果進行一致性檢驗;根據不同完井液的因素屬性值,對屬性進行歸一化處理,構建完井液體系的因素矩陣;將完井液體系的因素矩陣與不同因素的權重向量相乘,得到不同完井液體系的綜合指標;根據綜合指標的大小,選擇綜合指標較大的完井液體系為最優完井液體系。

圖2 完井液體系綜合優選方法流程圖

3.3 應用實例

建立完井液體系綜合優選方法后,利用該方法對KL-X油田的完井液體系進行優選。結合該油田周邊的應用情況,待選完井液體系有隱形酸完井液體系(過濾海水+2%PF-CS+1.5%PF-TA+1%A101)和聚胺完井液體系(過濾海水+1%AB +0.5%TA-AL+0.5%A101)。

首先運用前述介紹的方法,利用室內實驗對以上兩個完井液體系的四個因素進行測試:利用靜態刮片腐蝕實驗的方法對兩種完井液體系的腐蝕性能進行評估,兩種完井液的腐蝕速率分別為1.072 4 mm/a和0.014 5 mm/a;利用室內實驗測試兩種完井液體系的防膨率,以評估完井液體系的抑制性能,根據實驗結果,兩種完井液體系的防膨率分別為97.69%和95.83%;利用室內實驗測試兩種完井液體系對目標儲層的滲透率恢復率,以評估完井液體系的儲層保護性能,根據實驗結果,兩種體系的滲透率恢復率分別為94.3%和91.2%;利用pH試紙直接測試兩種完井液體系pH值,其pH值分別為5和8。根據計算的結果,利用式(6)構建了完井液體系的初始元矩陣R,見式(11)：

(11)

得到初始元矩陣后,利用式(7)、(8)和(9)對結果進行無量綱化處理并構建復合元矩陣U;再根據式(10)就可以計算得到兩種完井液體系的綜合評價值,分別為0.843 0和0.157 0,隱形酸完井液體系的綜合評價值更高,因此選擇隱形酸完井液體系為KL-X油田的完井液。而實際作業和初期返排結果證明,該油田儲層污染較小,生產后平均產量遠超出設計的配產,目前該方法已經成功指導了渤海7個油田的完井液體系選擇,產量平均超過配產23%,證明了該完井液體系選擇的合理性和實用性,有望在渤海或其它油田推廣應用。

4 結論

1)建立了完井液體系性能評價因素的層次結構模型,利用層次分析法計算了完井液性能因素的影響權重,完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲層保護性能以及體系pH值對完井液優選結果影響的權重分別為0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

2)基于計算得到的完井液體系因素影響權重,建立了油田完井液體系優選計算模型,利用其可以快速預測評估不同完井液體系對油田的適用程度,指導現場的完井液體系選擇。

3)利用該完井液體系優選方法,評估了隱形酸完井液體系和聚胺完井液體系對KL-X油田的適用性,優選了隱形酸完井液為該油田的完井液體系,實際作業后的儲層污染較小且油田產量良好。目前該方法已經成功指導了渤海7個油田的完井液體系選擇,產量平均超過配產23%,證明了該完井液體系選擇方法的合理性。