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致污染半徑大，且改善措施技術有限或受限的問題，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的適應性。通過巖石擴容技術現場工藝及機理分析，該技術具有設備占用平臺空間小、改造半徑適中、施工參數可調整、低成本等優點，同時裂縫狀態、施工參數及物料與水力壓裂有較大區別。優選海上某油田一口典型注水井Ｌ-Z4井進行現場試驗，現場試驗結果表明：該技術在擴容半徑改善、表皮系數降低和視吸水指數提高等3方面取得了顯著效果，論證了技術可行性；結合海上油田大跨度儲層、大井距的特點，指出了油水井聯動和碎脹后巖石擴容的技術發展方向。研究認識可進一步拓展巖石擴容技術應用范圍，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、驅動油井生產是油田常用的開發方式。海上油田具有高投入、高產出的生產特點，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模，滿足海上油田的高速高效開發，但部分注入井由于儲層連通性不佳或者大液量注入導致污染半徑增大等問題，影響注入效果。

目前國內外改善注水井儲層連通性及解堵的措施技術主要包括酸化、壓裂、MRC等，同時還可以通過井網調整、重新布井解決上述問題。但以上技術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。例如酸化技術的有效處理半徑僅為2 m以內，此類井況條件下，多次重復酸化效果均不理想，酸液用量還受儲層厚度影響急劇增加；壓裂技術是國內外常用的儲層改造措施技術［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影響生產以及作業平臺空間受限條件下，作業時效和施工規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影響，成本通常是陸地油田的數十倍；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極其有限，大量的注水井由于重復酸化效果不佳、壓裂受限條件下風險大，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。巖石擴容技術是一項利用注入水，通過長時間控制井下泵注壓力在儲層最小主應力和破裂壓力之間，致使地層巖石產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［5-13］。該技術起源于加拿大，用于油砂SAGD開發前的預處理，新疆油田也引進應用，用于增加儲層注氣的連通性。該技術利用注入水和現有施工注入設備，實現不動管柱即可作業，具有低成本、改造半徑適中（十幾米～幾十米）等技術優勢。海上油田于2020年起，將該項技術應用于疏松砂巖和低滲砂巖儲層措施增產中，增產效果顯著，證明其技術有效性［14-15］。為了進一步探索技術的適應性，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井進行了現場試驗，通過試驗進一步拓展該技術在改善大跨度儲層注水井連通性方面的措施適應性，以期為國內外同類儲層的改造增注提供新的技術選擇。

1 技術適應性分析

1.1 巖石擴容技術及其適應性

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

其中地應力測試和目前水力壓裂的小壓測試方法一致，可以測試最小主應力、地層破裂壓力相關數據；地應力預處理采用壓力逐級提壓階梯作業，可以進一步核算最小主應力，同時產生處理半徑1 m左右的均勻擴容帶；擴容區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雜裂縫狀態下的試井模擬［16-17］，反演出本階段擴容區范圍內的滲透率、半徑、表皮變化。

巖石擴容技術與現有涉及泵注程序的酸化、壓裂等技術相比，其顯著特征為泵注液量、時間等參數可根據實時測試數據進行調整，從而避免擴容改造不足或過度等問題，且規避了作業前期設計過程中對儲層的預估不足導致設計參數與實際施工差異較大的問題。

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

1.2 巖石擴容技術增產機理

該技術主要涉及壓力振蕩變化，施工最大壓力值處于最小主應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，從而改變應力場，在擴容應變大于0.5%的區域，使儲層巖石在彈性～塑性變形范圍內產生復雜、大體積的微觀張剪裂縫區。因此對于大跨度儲層條件，容易形成復雜的裂縫網區域，而非水力壓裂那樣的張性裂縫狀態。

圖2是采用數值模擬方法，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值模擬分布圖。圖3是采用物理模擬方法，利用帶有驅替功能的三軸應力試驗設備對擴容前/后砂巖巖心塊（27%～32%孔隙度，采用現場取得的巖心樣品粉碎后按照國際巖石力學標準方法固化加工）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。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，當孔隙壓力超過其抗拉強度時，砂粒間發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，砂粒發生翻滾和翻轉，導致其體積增大而形成的微裂縫。通過以上分析，該項技術的儲層改造機理為：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，從而改變應力場，并使得巖石在彈性～塑性變形范圍內形成張性、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段優質篩管防砂分層注水，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，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井構成的井組，面臨注水井注不進、油井產不出的窘境。其主要問題是L-Z4井的儲層連通性和深部污染問題，且目前的措施技術難以有效解決，在重新布井前急需有效的低成本增產措施技術。

2.2 儲層連通性及污染問題

L-Z4井所在的區塊構造復雜，注采井間響應差，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（質量分數42.9%）、鈣垢（質量分數26.0%）和鐵腐蝕產物（質量分數26.0%）；有機物主要為瀝青質、膠質等。同時，現場垢、腐蝕產物有機物和無機物質量分數分別為69.74%和30.26%。其中有機物主要含有瀝青質、膠質和原油組分等；無機物主要為鐵腐蝕產物（質量分數44.8%）、儲層礦物（質量分數32.7%）和鈣垢（質量分數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的主因，近井污染堵塞是次因。

2.3 擴容技術試驗情況

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層在預處理階段逐級提壓，排量不穩，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。在擴容區擴展階段，采用80%最大井筒安全限壓，第1個擴容區擴展階段排量從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），現場施工表現為壓力升高快、排量不穩、壓降時間長，表明儲層連通性不佳；經過17 h壓降后，擴容區擴展第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對比，擴容對儲層有一定改善作用。

由圖5可知：在Z2層地應力預處理階段，逐級提壓，排量相對穩定，不同壓力下的排量為0.24～0.30 m3/min;擴容區擴展階段，限壓16.5 MPa，排量為0.32～0.37 m3/min，壓力和排量相對平穩。Z2層共計泵注494.36 m3過濾海水，說明Z2層注入情況優于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彈性力學和壓力瞬態分析（PTA）方法，通過高頻監測（通常不小于1 s的1個數據）井口壓降響應，采用PTA 方法分析出壓力的流態區間（瞬態線性流、瞬態徑向流和瞬態雙線性流等）；然后采用對應的孔隙介質彈性力學模型，利用伴隨共軛導數法，快速求解優化流固耦合Biot方程，求得應力擾動區的范圍和擾動區內的體積變形。通過反演，計算出擴容半徑、表皮系數等參數變化，該井的反演結果如表3所示。由表3可知，隨著擴容預處理、擴容區擴展等階段的不斷泵注，擴容半徑不斷增大，表皮系數逐步降低。最終Z1層擴容半徑為14.5 m，表皮系數降為0.20；Z2層擴容半徑為14.6 m，表皮系數降為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，措施后日注水量穩定在50.5～58.5 m3，視吸水指數為原來的3.6倍以上，有效期已經超過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，均為國內外油田首次嘗試。

3.2 大跨度儲層連通性改善情況

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

但該井的措施半徑依然受到作業層段單層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等大型改造偏少，存在作業時間長的問題，對于海上油田而言，措施作業時間越長，意味著平臺時效降低，從而影響平臺其他單井措施及生產。目前，48 h以內的施工時間是海上平臺可接受的范圍，在此時間內，可采用巖石擴容措施技術改善15 m范圍內連通性及污染問題。

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注意油水井聯動措施，例如對L-Z4井對應的受效井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。國內外學者研究表明［18-22］，碎脹是指巖石在達到峰值破裂強度后產生的體積膨脹，反映的是巖石強度峰值以后的變形，它不再是微觀結構的產生、擴展，而是巖石內部結構特征發生了顯著的變化。碎脹物理過程表現為碎裂巖塊在圍巖應力作用下的滑移、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雜縫網帶，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、縮短作業時間的目的。上述研究也為巖石擴容技術措施下步發展指明方向。

4 結論與建議

（1）巖石擴容技術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，從而改變應力場，并使得巖石在彈性～塑性變形范圍內形成張性、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在儲層連通性不佳及污染半徑較大的注水井中的適應性，在海上油田選擇了一口典型注水井（L-Z4井）進行了現場試驗。試驗井取得顯著作業效果，驗證了技術措施的有效性。措施實踐表明，在未采用任何化學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，結合海上平臺作業時效，對于48 h以內施工時間，可采用巖石擴容措施技術改善15 m范圍內連通性及污染問題。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年畢業于西南石油大學石油工程專業，獲學士學位，現主要從事油氣田開發方面的工作。地址：（300453）天津市濱海新區。email：sunlin3@cnooc.com.cn。2024-02-252024-08-20任 武