杏南開(kāi)發(fā)區(qū)單井套損開(kāi)發(fā)影響因素分析

盧繼源，朱志香

(1. 大慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 2. 大慶油田第五采油廠(chǎng)，黑龍江 大慶 163712)

油水井套管損壞一直是困擾老油田開(kāi)發(fā)的難題[1-3]，隨著開(kāi)發(fā)的不斷深入，開(kāi)發(fā)方案調(diào)整、酸化、壓裂改造措施等，都對(duì)套管使用壽命造成不同程度的影響。大慶油田杏南開(kāi)發(fā)區(qū)自20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)套損井，之后油田套損井?dāng)?shù)逐年增加，截止2017年年底，累計(jì)套損井占投產(chǎn)井?dāng)?shù)比例達(dá)到32.9%。油水井套損影響油田產(chǎn)量的同時(shí)，套損井修復(fù)更是需要花費(fèi)大量資金，套損的發(fā)生嚴(yán)重影響油田開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，套損預(yù)防成為油田急需解決的問(wèn)題[4-7]。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)油水井套管損壞機(jī)理進(jìn)行了研究。胡博仲等[8]指出嫩二段標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水并形成浸水域是導(dǎo)致成片套損的基本因素。張先普等[9]驗(yàn)證了地應(yīng)力引起的巖石塑性流動(dòng)是導(dǎo)致套管變形，并建立套管變形的力學(xué)模型，提出了防止套管變形的方法。周延軍等[10]建立了支持向量機(jī)套損預(yù)警模型。姜雪巖等[11]利用確定性系數(shù)方法對(duì)套損地質(zhì)因素風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但在套損防控方面，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)多從套損機(jī)理出發(fā)，提出預(yù)防套損措施的方向，應(yīng)用中操作性較弱。本文采用大數(shù)據(jù)挖掘的方法，優(yōu)選與套損相關(guān)性強(qiáng)的開(kāi)發(fā)指標(biāo)，建立指標(biāo)與套損相關(guān)性曲線(xiàn)，給出了研究區(qū)降低套損發(fā)生幾率的開(kāi)發(fā)指標(biāo)調(diào)控界限，利用綜合模糊評(píng)價(jià)方法建立了多指標(biāo)套損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，特高風(fēng)險(xiǎn)井歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證符合率達(dá)到70%以上，可以作為油田套損風(fēng)險(xiǎn)篩查依據(jù)，同時(shí)劃分了單井套損風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，使套損風(fēng)險(xiǎn)篩查由定性到定量。

1　開(kāi)發(fā)因素套損預(yù)警指標(biāo)篩選

開(kāi)發(fā)因素是導(dǎo)致套損的外因，基于對(duì)套損機(jī)理和影響因素復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，總結(jié)了開(kāi)發(fā)因素對(duì)套損影響的“強(qiáng)度、幅度、累積、結(jié)構(gòu)、滯后”五個(gè)效應(yīng)。

強(qiáng)度效應(yīng)，指開(kāi)發(fā)指標(biāo)的大小對(duì)套損的影響。如注水強(qiáng)度指標(biāo)，單井注水強(qiáng)度大小對(duì)套損會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)注水強(qiáng)度超出巖石承受能力后，引起局部應(yīng)力變化誘發(fā)套損。

幅度效應(yīng)，指單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)指標(biāo)的變化幅度對(duì)套損的影響。例如單井注采比年變化幅度指標(biāo)，如果指標(biāo)在階段時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇的變化，局部壓力急劇升高或降低，壓力不均衡造成套損。

累積效應(yīng)，指某時(shí)段內(nèi)開(kāi)發(fā)指標(biāo)累積量對(duì)套損的影響。若某一指標(biāo)瞬時(shí)超標(biāo)，對(duì)套損影響程度會(huì)較低，需要達(dá)到一定的累積量誘發(fā)套損。

結(jié)構(gòu)效應(yīng)，指開(kāi)發(fā)指標(biāo)內(nèi)部構(gòu)成的差異性或同一開(kāi)發(fā)指標(biāo)在空間上的差異性對(duì)套損的影響。

滯后效應(yīng)，指標(biāo)變化一段時(shí)間后延遲對(duì)套損的影響。開(kāi)發(fā)指標(biāo)的變化直接造成的是注入、采出液體形成的地下流體的壓力擾動(dòng)，對(duì)固體的地層、套管的作用力，需要流固傳導(dǎo)、逐步積累、由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此從開(kāi)發(fā)指標(biāo)的改變到套損的發(fā)生、發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間上存在著滯后性。

依據(jù)五個(gè)效應(yīng)和已有的套損防控經(jīng)驗(yàn)，考慮指標(biāo)相對(duì)可控原則，在39項(xiàng)主要指標(biāo)中篩選出與套損相關(guān)性強(qiáng)的五項(xiàng)指標(biāo)：注水壓力與破裂壓力差值、總壓差、注采壓差、注水強(qiáng)度和注采比指標(biāo)。

2　指標(biāo)界限的確定

開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)涉及數(shù)據(jù)量大，基于開(kāi)發(fā)因素對(duì)套損影響的“五個(gè)效應(yīng)”，選取與指標(biāo)相關(guān)的套損層位作樣本，建立了杏南開(kāi)發(fā)區(qū)開(kāi)發(fā)指標(biāo)數(shù)據(jù)與套損相關(guān)性，確立了指標(biāo)的調(diào)控界限。

2.1　注水壓力與破裂壓力差值

當(dāng)注入壓力達(dá)到一定值后，巖石的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降，巖石抗剪切強(qiáng)度降低，易破碎滑動(dòng)。圖1為注水壓力破裂壓力差值與套損相關(guān)性曲線(xiàn)，從圖1可以看出，在低于破裂壓力0.2 MPa注水時(shí)，套損達(dá)到74.8%，高壓注水與套損率存在較明顯的正相關(guān)性，為有效降低套損的發(fā)生，杏南開(kāi)發(fā)區(qū)注水壓力應(yīng)低于破裂壓力0.2 MPa注水。

圖1　注水壓力破裂壓力差值與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.1　Correlation curve between pressure difference of water injection pressure and casing loss

2.2　注水強(qiáng)度

杏南開(kāi)發(fā)區(qū)套損層位統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，51.3%的套損層位在射孔頂界附近，超強(qiáng)度注水是導(dǎo)致局部應(yīng)力變化，誘發(fā)套損的重要原因，確定合理注水強(qiáng)度顯得尤為重要。注水強(qiáng)度與套損率相關(guān)性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，套損與注水強(qiáng)度存在明顯的正相關(guān)性，選擇曲線(xiàn)的突變點(diǎn)作為界限，當(dāng)注水強(qiáng)度超過(guò)5 m3/(d·m)，套損率明顯增加。因此第一層段注水強(qiáng)度應(yīng)控制在5 m3/(d·m)以下。

圖2　第一層段注水強(qiáng)度與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.2　Correlation curves of water injection intensity and casing loss in the first layer

2.3　注采比

建立了年度注采比及注采比變化幅度與套損率的相關(guān)性曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3、4) 。

圖3　年度注采比與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.3　Correlation curves of annual injection-production ratio and casing loss

當(dāng)年度注采比達(dá)到1.4或年度注采比變化超過(guò)0.2以后，套損率明顯增加，因此為降低套損發(fā)生概率，應(yīng)控制年度注采比在1.4以?xún)?nèi)，注采比變化幅度在0.2以下。

圖4　年度注采比變化幅度與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.4　Correlation curves of annual change injection-production ratio and casing loss

2.4　注采壓差

在統(tǒng)計(jì)注采壓差與套損相關(guān)性中，將注采井組作為一個(gè)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即單元內(nèi)油水井有一口井發(fā)生套損，則認(rèn)為該單元為套損，從注采壓差與套損相關(guān)性看(見(jiàn)圖5)，存在兩個(gè)臨界點(diǎn)：一方面油水井間注采壓差越大，說(shuō)明井間的壓力梯度越大，誘發(fā)套損的概率增加，注采壓差應(yīng)控制在19 MPa以?xún)?nèi)；另一方面，當(dāng)采出端壓力較高時(shí)，同樣容易憋壓造成套損，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注采壓差應(yīng)不低于13 MPa，避免套損的發(fā)生。

圖5　杏南開(kāi)發(fā)區(qū)某區(qū)塊注采壓差與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.5　Correlation curves of pressure difference and casing loss in a block in Xingnan development zone

2.5　總壓差

總壓差是地層能量水平的真實(shí)反應(yīng)，研究區(qū)總壓差與套損率的相關(guān)性曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6　杏南總壓差與套損相關(guān)性曲線(xiàn)Fig.6　Correlation curve between total pressure difference and casing loss in apricot south

從圖6可以看出，當(dāng)總壓差超過(guò)1.5 MPa時(shí)，套損率明顯增高，說(shuō)明在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙幽芰枯^高時(shí)應(yīng)采取控注或通過(guò)油井補(bǔ)孔、壓裂泄壓，降低套損發(fā)生概率。國(guó)外部分油田采取彈性能量開(kāi)采也出現(xiàn)大面積套損，而研究區(qū)屬于低孔中低滲油藏，壓實(shí)作用造成套損發(fā)生概率較低，套損與低壓相關(guān)性較弱。

3　套損風(fēng)險(xiǎn)篩查及應(yīng)用

3.1　套損風(fēng)險(xiǎn)篩查方法

由于影響套損的開(kāi)發(fā)預(yù)警指標(biāo)多且所起作用相對(duì)模糊，采用多因素模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)單井套損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體評(píng)價(jià)，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題，適合非確定性問(wèn)題的解決[12-14]。

3.1.1模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算參數(shù)權(quán)重為了從數(shù)據(jù)信息的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上分析被評(píng)判事物與其影響因素之間的關(guān)系，必須用某種數(shù)量指標(biāo)定量地反映被評(píng)判事物的性質(zhì)。這種按一定順序排列的數(shù)量指標(biāo)，稱(chēng)為關(guān)聯(lián)分析的母序列，記為：

(1)

子序列是決定或影響被評(píng)判事物性質(zhì)的各子因素?cái)?shù)據(jù)的有序排列，考慮主因素的m個(gè)子因素(要求同單位、同比例尺或無(wú)單位)，則有子序列評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法及結(jié)果分析。

(2)

確定了關(guān)聯(lián)分析的母、子序列后，可構(gòu)成如下的原始數(shù)據(jù)矩陣:

(3)

再通過(guò)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算出同一觀(guān)測(cè)時(shí)刻(或觀(guān)測(cè)點(diǎn))各子因素與主因素觀(guān)測(cè)值之間的絕對(duì)差值及其極值。

(4)

ρ為分辨系數(shù)，作用于提高灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，一般取0.5。

由此可利用式(5)計(jì)算出各子因素與主因素之間的關(guān)聯(lián)度為：

(5)

可見(jiàn)，關(guān)聯(lián)度是一個(gè)有界的數(shù)，取值在0～1。子因素與主因素之間的關(guān)聯(lián)度愈接近于1，表明它們之間的關(guān)系愈緊密，或者說(shuō)，該子因素對(duì)主因素的影響愈大，反之亦然。

將關(guān)聯(lián)度按大小排成一行，即為各子序列對(duì)母序列的關(guān)聯(lián)序，若依次分別取各子序列作母序列，計(jì)算與其它數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，并排列成矩陣，便形成關(guān)聯(lián)矩陣。

利用研究區(qū)塊動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及套損數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了油水井不同開(kāi)發(fā)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示。

表1　指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 1　Index weight calculation results

3.1.2套損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及分級(jí)依據(jù)權(quán)重對(duì)單井指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，為確立風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別及驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)篩查方法，計(jì)算2010年底數(shù)據(jù)，利用5 a內(nèi)實(shí)際發(fā)生套損井?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證(見(jiàn)表2)，評(píng)價(jià)結(jié)果超過(guò)0.7，套損率達(dá)到70%以上，超過(guò)0.4整體套損率在50%以上，定義為高套損風(fēng)險(xiǎn)井，在開(kāi)發(fā)調(diào)控中，應(yīng)優(yōu)先調(diào)控這部分井。

表2　2010年評(píng)價(jià)結(jié)果與套損率統(tǒng)計(jì)表Table 2　Statistical table of evaluation results and casing loss in 2010

3.2　風(fēng)險(xiǎn)井調(diào)控

利用2015年生產(chǎn)數(shù)據(jù)篩查高套損風(fēng)險(xiǎn)井865口，對(duì)這部分井采取針對(duì)性調(diào)整，兩年間針對(duì)高低壓井層注水井方案調(diào)整1 156井次，采油井補(bǔ)孔壓裂泄壓153井次，針對(duì)平面壓力調(diào)整采取調(diào)參及間抽854井次。取得較好調(diào)整效果，壓力分布趨于均衡，2017年與2015年對(duì)比年新增油層部位套損井?dāng)?shù)下降46口。

4　結(jié)論

(1) 依據(jù)“五個(gè)效應(yīng)”篩選出與套損相關(guān)性強(qiáng)的五項(xiàng)開(kāi)發(fā)因素指標(biāo)，采用模糊評(píng)價(jià)方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，其中井組年度注采比與套損相關(guān)性最強(qiáng)，單井年度注采比應(yīng)控制在1.4以?xún)?nèi)。

(2) 單井指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果超過(guò)0.7，套損率達(dá)到70%以上，超過(guò)0.4整體套損率在50%以上，開(kāi)發(fā)中應(yīng)優(yōu)先調(diào)控這部分井。