注水井負(fù)壓解堵的負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法

李沁陽(yáng)， 熊友明， 劉理明， 馬 帥， 李 揚(yáng)

(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500)

注水開(kāi)發(fā)是油田廣泛采用的提高采收率方法，但在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不可避免會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成污染，導(dǎo)致其滲透能力下降，注水壓力升高，注水開(kāi)發(fā)效果變差。因此，需要采取合理的解堵措施，恢復(fù)油層吸水能力，改善注水開(kāi)發(fā)效果[1-4]。與其他解堵方法相比，負(fù)壓解堵具有施工簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)傷害的特點(diǎn)。負(fù)壓解堵是指解堵液柱壓力低于儲(chǔ)層孔隙壓力，使儲(chǔ)層流體對(duì)儲(chǔ)層孔隙和井筒產(chǎn)生瞬間沖刷，達(dá)到解除儲(chǔ)層污染的一種方法。

負(fù)壓解堵的關(guān)鍵在于負(fù)壓值的設(shè)計(jì)，若負(fù)壓值偏低，起不到有效解除污染的作用；負(fù)壓值過(guò)高，則有可能引起儲(chǔ)層出砂或套管擠毀[5]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)注水井的負(fù)壓解堵負(fù)壓值計(jì)算方法的研究較少[6-9]，因此，有必要對(duì)注水井負(fù)壓解堵的負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。筆者在文獻(xiàn)[10-11]的基礎(chǔ)上，針對(duì)直井開(kāi)發(fā)的中高滲透砂巖油層，考慮注水井長(zhǎng)期注水產(chǎn)生的表皮附加壓降對(duì)最小負(fù)壓值的影響，根據(jù)注水井特點(diǎn)直接求取表皮系數(shù)，采用迭代的方式來(lái)修正最小負(fù)壓值，得到了更加合理有效的負(fù)壓解堵負(fù)壓值。

1 傳統(tǒng)負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法

負(fù)壓解堵工藝由特制的負(fù)壓發(fā)生器、封隔器、單流閥等組成負(fù)壓發(fā)生裝置，以開(kāi)關(guān)地面泵組的方法，對(duì)地層造成壓降，從而對(duì)地層形成瞬時(shí)可控的負(fù)壓，迫使地層流體攜帶堵塞雜質(zhì)從近井地帶流入井筒，從油套環(huán)形空間流出地面，達(dá)到解堵油層的目的。傳統(tǒng)的負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法有很多，其中，具有代表性的方法有以下幾種：

1) W.T.Bell[12]負(fù)壓值設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是根據(jù)產(chǎn)層滲透率和射孔完井的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定負(fù)壓值，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是考慮因素單一。

2) CoreLab法[13]是根據(jù)45口井的修正數(shù)據(jù)給出了一個(gè)選擇油井射孔負(fù)壓的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便，缺點(diǎn)是只考慮了巖石的滲透率，而且沒(méi)有最大負(fù)壓值。

3) Conocophillips法[14]是在G.E.King[15]最小負(fù)壓公式和Colle[16]最大負(fù)壓公式的基礎(chǔ)上建立的。該方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮的影響因素在滲透率的基礎(chǔ)上增加了巖石的聲波時(shí)差、套管安全壓力和油井的出砂史，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮巖石力學(xué)參數(shù)和射孔槍彈系列的影響。

4) 斯侖貝謝射流測(cè)試中心的Behrmann[17]對(duì)射孔傷害帶采用CT掃描、薄片分析、壓汞測(cè)量及模擬井下巖心流動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究，對(duì)射孔壓實(shí)帶有了新的認(rèn)識(shí)，提出了達(dá)到零壓實(shí)表皮系數(shù)的最佳負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法(即Behrmann法)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮因素比較全面，缺點(diǎn)是沒(méi)有給出最大負(fù)壓值及最佳負(fù)壓值的設(shè)計(jì)方法。

5) Traiq法[18]的依據(jù)是當(dāng)孔眼處流動(dòng)達(dá)到非達(dá)西狀態(tài)時(shí)，清洗孔眼堵塞物質(zhì)的拖曳力與流速的平方成正比，此時(shí)孔眼壓實(shí)帶污染的清除將變得很容易，并據(jù)此建立了射孔后負(fù)壓作用下不穩(wěn)定滲流的有限元數(shù)值模擬程序，模型中流體的流動(dòng)遵循Forchheimer非達(dá)西滲流規(guī)律。該方法的實(shí)質(zhì)是以King的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，但是當(dāng)實(shí)際流體物性(如黏度)和地層壓力與King的統(tǒng)計(jì)井平均值相差很大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致誤差較大甚至錯(cuò)誤。

從以上分析可以看出，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其適用性也有各自的范圍。實(shí)例計(jì)算表明，各傳統(tǒng)方法計(jì)算的負(fù)壓值差異大，不便于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。另外，所有的方法都沒(méi)有考慮長(zhǎng)期注水產(chǎn)生的表皮污染對(duì)負(fù)壓解堵負(fù)壓值設(shè)計(jì)的影響。

2 注水井解堵負(fù)壓值設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)負(fù)壓設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題，首先考慮表皮附加壓降對(duì)于最小負(fù)壓值的影響，對(duì)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的最小負(fù)壓值進(jìn)行了修正；然后采用Colle聲波時(shí)差法來(lái)設(shè)計(jì)最大負(fù)壓值的，并利用Conocophillips計(jì)算方法得到最終的推薦負(fù)壓值；最后根據(jù)相應(yīng)的條件校核所得的推薦負(fù)壓值。

2.1 最小負(fù)壓值的設(shè)計(jì)

最小負(fù)壓值是解堵負(fù)壓值的下限，如果低于該值，解堵時(shí)難以對(duì)井底附近儲(chǔ)層進(jìn)行有效的清洗，達(dá)不到解堵的目的。在注水井向儲(chǔ)層注水(單位時(shí)間內(nèi)的注水量不變)一段時(shí)間后，井口注入壓力升高，其原因是注水過(guò)程中給儲(chǔ)層帶來(lái)了污染，產(chǎn)生了污染表皮[19]，在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了表皮附加壓降，這種表皮附加壓降對(duì)注水井負(fù)壓解堵負(fù)壓值設(shè)計(jì)的影響是不可忽略的。最小負(fù)壓的作用是保證射孔孔眼清潔暢通，因此，計(jì)算注水井的解堵最小負(fù)壓值時(shí)，在傳統(tǒng)負(fù)壓射孔負(fù)壓值設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的最小負(fù)壓值基礎(chǔ)上加上表皮附加壓降，得到一個(gè)新的最小負(fù)壓值，達(dá)到增大回流的啟動(dòng)壓力、使堵塞的儲(chǔ)層更加有效地清潔暢通的目的。

2.1.1 求取表皮附加壓降

若注水量為q，t1時(shí)刻的注水壓力為pinj1，儲(chǔ)層的表皮系數(shù)為S1，t2時(shí)刻的注水壓力為pinj2，儲(chǔ)層的表皮系數(shù)為S2，注水過(guò)程對(duì)儲(chǔ)層污染帶來(lái)的表皮系數(shù)增加量為ΔS。對(duì)于同一口注水井，在相同注水量下，相同注水管柱的摩阻壓降可以認(rèn)為是相同的。注水壓力的增量Δpinj數(shù)值上等于新增污染表皮ΔS所帶來(lái)的附加壓降ΔpΔS，表示為：

(1)

由式(1)可得表皮系數(shù)增量ΔS為：

(2)

t2時(shí)刻的表皮系數(shù)S2為：

(3)

表皮系數(shù)S2所產(chǎn)生的附加壓降為：

(4)

式中：Δpmin為最小負(fù)壓值，MPa；ΔpS為表皮附加壓降，MPa；q為井的注水量，m3/d；pinj1和pinj2為t1和t2時(shí)刻的注水壓力，MPa；S1和S2為對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)時(shí)刻t1和t2的表皮系數(shù)；ΔS為表皮系數(shù)的增加量；Δpinj為2個(gè)生產(chǎn)時(shí)刻之間注水壓力的增量，MPa；ΔpΔS為表皮系數(shù)增量ΔS所對(duì)應(yīng)的表皮附加壓降，MPa；μ為流體黏度，mPa·s；B為流體體積系數(shù)；K為滲透率，mD；h為儲(chǔ)層有效厚度，m；ΔpS1和ΔpS2為對(duì)應(yīng)于表皮系數(shù)S1和S2的表皮附加壓降，MPa。

2.1.2 最小負(fù)壓值修正

最小負(fù)壓值修正方法為：

1) 使用W.T.Bell、CoreLab、King、Traiq[17]、Behrmann等負(fù)壓值計(jì)算方法，對(duì)負(fù)壓解堵時(shí)的最小負(fù)壓值Δpmin進(jìn)行設(shè)計(jì)；

2) 根據(jù)式(4)計(jì)算出表皮系數(shù)S2所產(chǎn)生的附加壓降ΔpS2，然后根據(jù)直井?dāng)M穩(wěn)態(tài)產(chǎn)量公式計(jì)算出未經(jīng)修正的壓差Δpmin所對(duì)應(yīng)的初始返排量q0，可得Δpmin1=Δpmin+ΔpS2，再由Δpmin1求得q1，由q1求得ΔpS3，從而可得Δpmin2=Δpmin1+ΔpS3；

最小負(fù)壓值計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 最小負(fù)壓值計(jì)算流程Fig.1 Calculation process in determining the minimum negative pressure

2.2 最大負(fù)壓值的設(shè)計(jì)

最大負(fù)壓值是解堵時(shí)采用的負(fù)壓值上限，如果超過(guò)該值，可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層出砂，如果負(fù)壓值過(guò)大，還會(huì)造成井筒垮塌或者套管擠毀等井下故障。筆者使用Colle聲波時(shí)差法經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)解堵最大負(fù)壓值Δpmax進(jìn)行設(shè)計(jì)：

Δpmax=24.132-0.039 9Δtas

(Δtas≥300μs/m)

(5)

Δpmax=Δptub,max(Δtas<300μs/m)

(6)

式中：Δpmax為最大負(fù)壓，MPa；Δtas是相鄰泥巖聲波時(shí)差，μs/m；Δptub,max為井下管柱最大安全負(fù)壓值，MPa。

2.3 最佳負(fù)壓值的設(shè)計(jì)

分別求得最小和最大負(fù)壓值后，再根據(jù)Conocophillips法求取最終的推薦負(fù)壓值。具體做法為：

Δpmax≥Δpmin時(shí)，若無(wú)出砂史，則：

Δprec=0.8Δpmax+0.2Δpmin

若有出砂史或者含水飽和度Sw>50%，則：

Δprec=0.2Δpmax+0.8Δpmin

式中：Δprec為推薦的負(fù)壓值，MPa。

另外，Δpmax<Δpmin的情況在某些時(shí)候也有可能出現(xiàn)，因?yàn)棣max是指防止出砂允許的最大負(fù)壓值，Δpmax完全有可能小于保證儲(chǔ)層清潔所需的最小負(fù)壓值Δpmin，決不能從符號(hào)上理解為Δpmax一定會(huì)大于Δpmin。此時(shí),Δpmax實(shí)際上成了采用負(fù)壓的制約條件，為安全起見(jiàn)，則Δprec=0.8Δpmax。

2.4 最佳負(fù)壓值的校核

求得推薦負(fù)壓值后，需要對(duì)負(fù)壓值進(jìn)行校核。合理的負(fù)壓值應(yīng)該滿足以下2個(gè)條件：1)低于套管擠毀的安全壓力值，這里指套管擠毀壓力的80%；2)保證儲(chǔ)層穩(wěn)定，即低于使儲(chǔ)層不穩(wěn)定的最小負(fù)壓值。最終的推薦負(fù)壓值應(yīng)小于這2個(gè)校核值的最小值。若采用上述方法設(shè)計(jì)出的負(fù)壓值同時(shí)大于這2個(gè)校核值，則最終的推薦負(fù)壓值為2個(gè)校核值中的最小者。

套管擠毀壓力計(jì)算公式為：

(7)

(8)

式中：pcc為軸向拉力作用下套管的抗擠強(qiáng)度，MPa；pc為無(wú)軸向拉力時(shí)的套管抗擠強(qiáng)度，MPa；F為軸向拉力，kN；Fs為套管管體屈服強(qiáng)度，kN；σ為套管鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；b為套管壁厚，cm；Dc為套管外徑，cm。

3 實(shí)例分析

車(chē)排子油田車(chē)2井位于準(zhǔn)噶爾盆地車(chē)排子凸起，為在區(qū)域背景控制下的單斜構(gòu)造，其上斷層不發(fā)育。含油地層是上侏羅統(tǒng)齊古組，其油藏基本參數(shù)為：儲(chǔ)層滲透率55.33 mD，孔隙度14.23%，原油黏度12.3 mPa·s，產(chǎn)層中部深度3 172 m，油層厚度8.1 m，原油脫氣后的密度0.850 g/cm3，地層壓力系數(shù)1.03，原始儲(chǔ)層壓力32.5 MPa，完井后表皮系數(shù)1.9，注水量30 m3/d，解堵時(shí)儲(chǔ)層壓力33.8 MPa，原始注水壓力40.4 MPa，解堵前的注水壓力47.1 MPa。車(chē)89井在新近系沙灣組鉆遇良好油氣顯示，油層巖性為灰色中粒砂巖，油層膠結(jié)疏松，為高孔高滲、孔隙結(jié)構(gòu)好的I類(lèi)好儲(chǔ)集層。其油藏基本參數(shù)為：儲(chǔ)層滲透率291.82 mD，孔隙度21.50 %，原油黏度2.93 mPa·s，產(chǎn)層中部深度1 024 m，油層厚度8.5 m，原油脫氣后的密度0.831 g/cm3，地層壓力系數(shù)1.01，原始儲(chǔ)層壓力10.25 MPa，完井后表皮系數(shù)2.6，注水量100 m3/d，解堵時(shí)儲(chǔ)層壓力11.6 MPa，原始注水壓力10.68 MPa，解堵前的注水壓力15.2 MPa。

對(duì)車(chē)2井、車(chē)89井分別采用傳統(tǒng)方法和新方法進(jìn)行負(fù)壓解堵的負(fù)壓值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 車(chē)2井和車(chē)89井的設(shè)計(jì)負(fù)壓值對(duì)比

因?yàn)?種設(shè)計(jì)方法考慮因素都不夠全面，只考慮了某一個(gè)方面的影響因素,因此，采用求取5種方法下的求得負(fù)壓值的平均值得到最終的推薦負(fù)壓值。新方法求得的車(chē)2井和車(chē)89井的最終推薦負(fù)壓值分別為13.456 和5.074 MPa。

車(chē)2井2013年5月注入壓力達(dá)到了47.1 MPa，注入困難，因此采取了W.T.Bell法設(shè)計(jì)負(fù)壓值后進(jìn)行解堵，注入壓力為45.5 MPa，不到半年又恢復(fù)到47.1 MPa。該井采用新方法設(shè)計(jì)負(fù)壓值后進(jìn)行解堵,注入壓力變?yōu)?3.7 MPa，注水量為32 m3/d，至今還能夠順利注入。

車(chē)89井2013年4月注入壓力達(dá)到了15.2 MPa，注入困難，采取Behrmann法設(shè)計(jì)負(fù)壓值后進(jìn)行了解堵，注入壓力為13.3 MPa，不到三個(gè)月又恢復(fù)到15.2 MPa。采用了新方法設(shè)計(jì)負(fù)壓值后進(jìn)行了解堵，注入壓力變?yōu)?1.8 MPa，注水量為103 m3/d，至今還能夠順利注入。

2口注水井負(fù)壓解堵后，注水壓力大大降低，而且都沒(méi)有出砂現(xiàn)象，說(shuō)明負(fù)壓解堵后，既清除了近井地帶的污染，又保證了孔眼和儲(chǔ)層的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1) 負(fù)壓值設(shè)計(jì)新方法摒棄了常規(guī)的利用試井、測(cè)井獲取表皮系數(shù)的方法，而是根據(jù)注水井特點(diǎn)直接求取，并考慮了表皮系數(shù)對(duì)負(fù)壓值的影響，是對(duì)傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充完善。

2) 新方法是基于傳統(tǒng)的負(fù)壓值進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其適用范圍具有一定局限性。該方法只是在車(chē)2井、車(chē)89井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其適用性需要進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用加以驗(yàn)證。

3) 負(fù)壓值設(shè)計(jì)新方法是在中高滲透砂巖油層的直注水井中進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此，在現(xiàn)場(chǎng)采用新方法進(jìn)行負(fù)壓解堵設(shè)計(jì)時(shí)不能盲目套用新方法，還是要視具體情況而定；以后的研究要針對(duì)復(fù)雜地層條件下的注水井負(fù)壓解堵進(jìn)行負(fù)壓值設(shè)計(jì)。

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