巖石擴(kuò)容技術(shù)在海上油田增產(chǎn)增注的研究及應(yīng)用

張斌斌，馬宇奔，莘怡成，袁 征，郭宏峰，夏金娜，譚家文

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

海上眾多油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，地層能量匱乏、產(chǎn)能不足問題突出，大泵提液、注水是目前維持海上油田增產(chǎn)的主要技術(shù)手段[1]。但是，儲層污染造成的近井地帶堵塞問題、注采井間連通性差引起的受效不理想問題、儲層縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)等問題會導(dǎo)致注采井組低產(chǎn)低效，無法達(dá)到油田配產(chǎn)。針對該問題，較多采用酸化解堵、壓裂等[2]處理方式。其中，酸化解堵存在改造半徑有限、措施有效期短、多次作業(yè)后可能導(dǎo)致二次污染等問題；壓裂技術(shù)目前已在陸地油田獲得大規(guī)模應(yīng)用，且可以有效解決此類問題[3]，但壓裂工序復(fù)雜、設(shè)備多、規(guī)模大、作業(yè)成本高[4]，同時受海上平臺空間的限制，為現(xiàn)場實踐帶來了諸多挑戰(zhàn)。因此，有必要在酸化、壓裂基礎(chǔ)上引入新的技術(shù)，在保障措施效果的同時，降低作業(yè)成本、優(yōu)化作業(yè)工序、減少作業(yè)風(fēng)險，實現(xiàn)目標(biāo)井的增產(chǎn)增注。

巖石擴(kuò)容理論首先由OSBORNE[5]在1885 年提出，直至2002 年加拿大阿爾伯特省的油砂開采中首次將巖石擴(kuò)容作為增注技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用[6]。截至目前，該技術(shù)已在加拿大油砂井，國內(nèi)陸地新疆油田SAGD 油砂井，華北油田、南海東、西部油田注水井中相繼得到應(yīng)用[7-12]。YUAN 等[7]應(yīng)用數(shù)值仿真方法模擬了加拿大砂巖儲層擴(kuò)容過程。高彥芳等[8]建立了SAGD 井?dāng)D液擴(kuò)容水力波及范圍模型，定量評價了改造區(qū)域的形狀。胡鵬程[6]應(yīng)用小排量、變排量的水力擴(kuò)容技術(shù)對裂縫性潛山油藏儲層進(jìn)行了改造，增加了地層滲流能力。孫林等[11]提出了海上電泵生產(chǎn)井不動管柱巖石擴(kuò)容技術(shù)及其適用儲層類型，通過礦場試驗表明提產(chǎn)效果顯著。任楊等[12]通過研究不同擴(kuò)容壓力下儲層巖石的破壞情況，提出了擴(kuò)容強(qiáng)化注水技術(shù)。暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)通過向井中注入暫堵劑，改變液流方向，可以大幅提高儲層改造效果[13-14]。目前，巖石擴(kuò)容技術(shù)和暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)均相對成熟，但暫未見以“巖石擴(kuò)容+暫堵轉(zhuǎn)向”的模式在海上注采井組間應(yīng)用的相關(guān)案例。為此，基于數(shù)值模擬等方法，對技術(shù)原理、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化研究；通過礦場應(yīng)用驗證了技術(shù)的適應(yīng)性、安全性及措施有效性，并對施工工藝進(jìn)一步優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

1 作用原理

擴(kuò)容現(xiàn)象是一種巖石的變形現(xiàn)象，它指的是在達(dá)到破裂點之前，多孔介質(zhì)巖石的孔隙體積隨壓應(yīng)力增加而增大的一種巖石力學(xué)特性。巖石擴(kuò)容可以通過剪應(yīng)力和孔隙壓力增加而引起，能夠在各種巖性中發(fā)生，根據(jù)其作用機(jī)理可以分為剪切擴(kuò)容和張性擴(kuò)容，見圖1[15]。砂粒在剪切作用下由點或面接觸變?yōu)橄鄬Ψ瓭L或翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致孔隙體積增大的現(xiàn)象稱為剪脹。而由于孔隙壓力增大導(dǎo)致的骨架孔隙等撐大的現(xiàn)象稱為張性擴(kuò)容。巖石的擴(kuò)容可以造額外的孔隙度，從而提高巖體的滲透率，增加油藏接觸面積，達(dá)到增產(chǎn)和增注的目的。

圖1 巖石擴(kuò)容機(jī)理

首先通過剪切擴(kuò)容松化，即孔隙度增加，注入水流入，使孔隙壓力繼續(xù)增加；壓力增加到一定程度時,砂粒彼此分離而造成張性微裂縫；這些張性微裂縫并沒有連接起來,即沒有形成一個連續(xù)的張破裂，而是無數(shù)微裂縫彌散在巖石介質(zhì)中，形成破壞區(qū)。巖石擴(kuò)容過程可分為儲層應(yīng)力調(diào)整、儲層初始擴(kuò)容區(qū)建立、擴(kuò)容區(qū)擴(kuò)展與深化3 個階段，見表1。在壓應(yīng)力條件下，按照應(yīng)力調(diào)整-擴(kuò)容建立-擴(kuò)展擴(kuò)容實施擴(kuò)容改造，進(jìn)而產(chǎn)生大體積的擴(kuò)容改造區(qū)，達(dá)到儲層孔隙體積、滲透率增加的目的。

表1 巖石擴(kuò)容實施階段

2 巖石擴(kuò)容參數(shù)優(yōu)化

基于地質(zhì)油藏、巖石力學(xué)、注采井間關(guān)系等數(shù)據(jù)，采用有限元數(shù)模軟件方法建立耦合巖石力學(xué)擴(kuò)容數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型，開展數(shù)模敏感性分析，優(yōu)化擴(kuò)容工藝參數(shù)，以實現(xiàn)井周圍產(chǎn)生大體積、均勻、高孔隙度、高滲透性的擴(kuò)容區(qū)的目的。

2.1 有限元計算模型

2.1.1 耦合有限元模型 本數(shù)值模擬考慮熱固流3 相的全耦合有限元模擬，其偏微分控制方程如下：

式中：σ-總應(yīng)力張量；k/μ-流度；Φ-孔隙度；βp和βT-流體在壓力和溫度作用下的壓縮（膨脹）系數(shù)；εv-由壓力（P）和溫度（T）條件引起巖石變形而導(dǎo)致的體積應(yīng)變；b-重力項；kT-熱導(dǎo)張量；ρ-巖石的密度；cT-巖石的熱容。

2.1.2 非線性彈性模型 砂巖的變形性能通常隨著其當(dāng)前有效應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。比如，高的有效應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致砂巖較低的變形能力（較高的彈性模量）；反之，在低的有效應(yīng)力狀態(tài)下，砂巖將表現(xiàn)為比較容易變形（較低的彈性模量），在巖土力學(xué)中，通常稱這種和有效應(yīng)力相關(guān)的巖石彈性模型為非線性彈性本構(gòu)關(guān)系。DUNCAN 等第一次提出了關(guān)于砂巖的非線性彈性模型，本研究采用砂土的孔隙介質(zhì)非線性彈性模型來描述弱固結(jié)砂巖的非線性彈性性能，砂巖的彈性體積變形假定正比于平均有效主應(yīng)力的對數(shù)。

式中：κ-砂巖的對數(shù)體積彈模；e0-砂巖的初始孔隙度；p0-砂巖的初始平均主應(yīng)力；p-當(dāng)前狀態(tài)的平均主應(yīng)力；pt-抗拉強(qiáng)度。

2.1.3 拋物線型D-P 彈塑性模型 采用D-P 彈塑性模型模擬弱固結(jié)砂巖的彈塑性變形，拋物線型D-P 彈塑性模型的屈服準(zhǔn)則為：

式中：p-平均有效主應(yīng)力；q-偏應(yīng)力；pt-抗拉強(qiáng)度；β-D-P 準(zhǔn)則的摩擦角；d'-D-P 準(zhǔn)則的黏聚力。

2.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果見圖2。由圖2 可知，擴(kuò)容區(qū)可以近似為長條形橢圓，其中橢圓的長軸平行于地層最大主應(yīng)力方向，短軸平行于地層最小主應(yīng)力方向；擴(kuò)容區(qū)為一個大體積的高孔隙度區(qū)域；在擴(kuò)容區(qū)內(nèi)剪裂縫和張裂縫共存。在擴(kuò)容的過程中，地層同時產(chǎn)生剪切擴(kuò)容和張性擴(kuò)容，擴(kuò)容的過程是巖石剪切破壞和張性破壞的競爭過程；在巖石擴(kuò)容過程中，巖石的應(yīng)力路徑向著有效應(yīng)力降低的方向發(fā)展，如果應(yīng)力路徑先遇到剪切破壞面，巖石發(fā)生剪切破壞，反之，巖石發(fā)生張性破壞。

圖2 計算結(jié)果

擴(kuò)容改造半徑隨總注入量的變化曲線見圖3，由圖3 可知，改造半徑隨著總注入量的增加而增大，在總注入量為1 000 m3時，改造半徑為60～90 m。

圖3 擴(kuò)容改造半徑隨總注入量的變化曲線

開展了不同施工工況下數(shù)模敏感性測試分析，以明確不同施工工藝參數(shù)及泵注流程對擴(kuò)容效果的影響規(guī)律（圖4）。結(jié)果見表2，地應(yīng)力預(yù)處理程度、震蕩擴(kuò)容、擴(kuò)容排量、擴(kuò)容壓力等因素均會對擴(kuò)容實施效果產(chǎn)生影響，應(yīng)基于目標(biāo)井特點，開展數(shù)模計算分析，優(yōu)選工藝參數(shù)，以保障措施后效果。

表2 不同施工泵注流程對擴(kuò)容實施效果的影響

圖4 不同施工泵注流程

3 礦場應(yīng)用

3.1 基本情況

為驗證“巖石擴(kuò)容+暫堵轉(zhuǎn)向”的模式在海上注采井組間的應(yīng)用效果，優(yōu)選注采井組進(jìn)行礦場試驗，兩口井均采用不動管柱施工工藝。目標(biāo)儲層為低孔低滲儲層，措施前地層處于欠壓狀態(tài)，斜深4 000 m，垂深2 700 m，井底溫度120 ℃。

目標(biāo)井組低產(chǎn)低效原因主要有3 點：（1）儲層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，垂向各小層間滲透率級差超過30；（2）平面上，主要生產(chǎn)層段砂體分布穩(wěn)定，但局部砂體致密滲透率降低的現(xiàn)象，導(dǎo)致層間連通效果差，注水見效慢；（3）井周污染嚴(yán)重，壓降試井測試表明，井周顯示著較為嚴(yán)重的污染，注水井：S機(jī)械=17.5，油井：S機(jī)械=8.0。

3.2 現(xiàn)場實施情況

X1 井為油井（圖5），泵注過程共計40 余小時，注入排量為0.16～1.20 m3/min，最大施工壓力為29.7 MPa，累計擠注工作液1 356.5 m3，累計添加轉(zhuǎn)向劑625 kg，累計添加黏土穩(wěn)定劑和助排劑各3 000 kg。

圖5 X1 井?dāng)U容泵注施工曲線

X2 井為水井（圖6），泵注過程共計40 余個小時，注入排量為0.15～1.80 m3/min，最大施工壓力為36.5 MPa，累計擠注工作液1 272.0 m3，累計添加轉(zhuǎn)向劑450 kg?？紤]施工安全因素及風(fēng)險，施工最高排量、高排量注入時間均低于現(xiàn)場設(shè)計量。

圖6 X2 井?dāng)U容泵注施工曲線

3.3 效果分析

X1 井?dāng)U容改造后，系統(tǒng)柔度從0.85 m3/MPa 上升至33.69 m3/MPa，增加了40 倍，擴(kuò)容半徑由施工初期的3.9 m 增加至70.0 m。平均滲透率從初期的0.86 mD增加至25.49 mD。流態(tài)由線性流逐步向雙線性流、徑向流轉(zhuǎn)變。X1 井生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：巖石擴(kuò)容作業(yè)起到了較好的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)作用，措施改造明顯。（1）措施前間歇生產(chǎn)，措施后連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，恢復(fù)該井產(chǎn)能；（2）該井計劃日產(chǎn)油18.8 m3，目前日產(chǎn)油增加到50.0 m3左右，產(chǎn)量增加2.65 倍，達(dá)到了明顯的擴(kuò)容增產(chǎn)效果。

X2 井?dāng)U容改造后，擴(kuò)容半徑由施工初期的2.7 m 增加至74.9 m，平均滲透率由4.76 mD 增加至11.12 mD。該井于2022 年1 月28 日實施巖石擴(kuò)容作業(yè)，措施前標(biāo)定注入量130 m3，巖石擴(kuò)容后初期注入量增加到185 m3左右，措施后注入量為291 m3，注入量增加明顯，目前由于地層壓力高，注入量維持在200 m3左右；措施前后吸水啟動壓力增加2.0 MPa，反映出地層的吸水能力增加。

從井組分析，X2 井、X1 井井組擴(kuò)容后，油水井連通性增強(qiáng)，能夠保持穩(wěn)定高液量水井注水、油井穩(wěn)定生產(chǎn)。另外，X1 井、X2 井動態(tài)響應(yīng)較為明顯，表明巖石擴(kuò)容技術(shù)起到了較好的注采連通性，對本區(qū)域儲層起到了較好的改造作用。

4 結(jié)論

（1）針對海上油田注采井組間受效性差、儲層污染嚴(yán)重、縱向非均質(zhì)性強(qiáng)等問題，提出采用巖石擴(kuò)容+暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，具有改造效果好、作業(yè)成本低、在海上油田適用性強(qiáng)等特點。

（2）該技術(shù)增產(chǎn)增注效果明顯、有效期長，措施后，儲層滲透率提高2～3 倍，井組增產(chǎn)增注量在2 倍左右。

（3）該技術(shù)可以有效改善注采井間問題，措施后，X1 井、X2 井動態(tài)響應(yīng)較為明顯，為解決常規(guī)措施工藝對注采井距大、注采受效困難等方面的技術(shù)難題提供了借鑒。

（4）在巖石擴(kuò)容施工中，儲層物性差，油藏埋藏深，需要高壓、高排量對低滲儲層進(jìn)行深度改造，而井下生產(chǎn)管柱、電泵電纜、套管的承壓級別等限制了高壓、高排量注入。因此，在后續(xù)推廣應(yīng)用中，應(yīng)深化管柱風(fēng)險分析，合理優(yōu)化施工管柱、施工過程密切關(guān)注套壓變化情況，選擇合理的施工壓力和排量，防止油、套連通，導(dǎo)致施工失敗和井下安全事故。

巖石擴(kuò)容技術(shù)集成了暫堵轉(zhuǎn)向功能，有效改善了海上油田注采井組間連通性及儲層非均質(zhì)性，為解決此類海上油田低產(chǎn)低效問題提供了有力的技術(shù)借鑒。