渤海油田完井液綜合優(yōu)選方法的研究與應(yīng)用

張啟龍 劉 鵬 霍宏博 陳 彬 岳 明

中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司·海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300459

0 前言

完井作業(yè)是承接鉆井和生產(chǎn)兩大作業(yè)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(chǎn)量。為了獲得最大的流動(dòng)產(chǎn)量,應(yīng)在鉆開儲(chǔ)層或者溝通儲(chǔ)層時(shí)更換井筒內(nèi)的液體,以起到保護(hù)儲(chǔ)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(shí),應(yīng)該綜合考慮完井液腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能和體系pH值等因素[4-6],通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn),對(duì)待選完井液體系的以上特性進(jìn)行評(píng)估,然后根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行選擇,但如果各因素的評(píng)估結(jié)果存在差異,則只能靠人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇,因此結(jié)果無法保證客觀性、精確性。

為了降低人為因素對(duì)選擇結(jié)果的影響,提高選擇結(jié)果的合理性,本文利用層次分析法建立了完井液體系評(píng)估因素(完井液腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能和體系pH值等四個(gè)因素)的影響權(quán)重模型,基于此模型利用模糊物元的方法構(gòu)建了完井液體系綜合評(píng)價(jià)方法,利用該方法指導(dǎo)了KL-X油田等7個(gè)油田的完井液體系選擇,產(chǎn)量平均超過配產(chǎn)23%,結(jié)果表明利用該方法進(jìn)行完井液體系的選擇能夠有效保護(hù)儲(chǔ)層,降低了完井液對(duì)儲(chǔ)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(píng)價(jià)因素分析

完井液體系的性質(zhì)因素有很多,如密度、濁度、pH值、儲(chǔ)層保護(hù)性能等,但在進(jìn)行完井液的性能綜合評(píng)價(jià)時(shí),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(duì)一些重要的、關(guān)鍵的因素開展分析。比如,長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)總結(jié)表明在進(jìn)行完井液體系選擇時(shí),需要考慮的重點(diǎn)因素包括完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值等四個(gè)方面。

1.1 完井液體系關(guān)鍵性能優(yōu)選

建立完井液體系綜合評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)是在眾多影響指標(biāo)中選擇關(guān)鍵影響因素。根據(jù)渤海某油田的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),井下管柱的腐蝕破壞、單井的低產(chǎn)低效、篩管的堵塞沖蝕是造成該油田生產(chǎn)井關(guān)井或大修的三個(gè)最主要因素,占比為75%以上,基于完井液體系的各性能參數(shù)對(duì)上述三類問題的貢獻(xiàn)程度，優(yōu)選關(guān)鍵性能參數(shù)。

完井液作為打開儲(chǔ)層后長(zhǎng)期浸泡井下油管、生產(chǎn)套管等金屬管柱的主體液體，雖然返排后完井液會(huì)被返出地層,但是難免會(huì)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(guān)鍵性能參數(shù)。完井液作為直接與儲(chǔ)層接觸的液體,其對(duì)儲(chǔ)層的污染程度直接決定著單井的投產(chǎn)情況,而完井液對(duì)儲(chǔ)層的污染程度主要受完井液兩個(gè)性能的影響,即抑制性能和儲(chǔ)層保護(hù)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(chǔ)層保護(hù)性能的作用是抑制儲(chǔ)層中的微粒和乳狀液堵塞,降低完井液對(duì)儲(chǔ)層的損傷。而篩管發(fā)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(zhì)遇水后發(fā)生堵塞,造成篩管的局部沖蝕,而完井液的性能參數(shù)中,體系pH值對(duì)篩管堵塞沖蝕的影響最為直接,排除儲(chǔ)層特性對(duì)體系pH值的特殊要求,該值越小,其對(duì)井壁清洗的效果越有利,完井液為酸性時(shí),可以與井下的灰石粉等材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),消除灰石粉等的堵塞現(xiàn)象?；谝陨戏治?優(yōu)選了完井液體系的腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能和體系pH值作為影響生產(chǎn)井生產(chǎn)情況的關(guān)鍵因素,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.2 關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)方法及對(duì)產(chǎn)能的影響

1.2.1 腐蝕性能

利用靜態(tài)刮片腐蝕實(shí)驗(yàn),測(cè)得金屬掛片在不同完井液體系下的腐蝕速率以評(píng)估完井液體系的腐蝕性能,其基本實(shí)驗(yàn)流程如下:首先把相同井下管柱材質(zhì)的金屬掛片放入無水乙醇中浸泡,去除表面雜質(zhì),取出擦干后進(jìn)行稱重;然后將掛片放入待評(píng)價(jià)的完井液中,一起放入高壓釜;調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器的溫度和壓力到預(yù)設(shè)工況,進(jìn)行靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2 h,取出金屬掛片并進(jìn)行表面處理后,進(jìn)行稱重從而得到腐蝕后的重量;根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)井下管柱的腐蝕程度越嚴(yán)重,發(fā)生腐蝕破壞從而造成單井停產(chǎn)的概率越大,因此其與單井的產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。

1.2.2 抑制性能

完井液體系的抑制性能主要是指抑制儲(chǔ)層發(fā)生水化作用的能力,測(cè)量完井液體系的防膨率B進(jìn)行評(píng)估,具體的評(píng)價(jià)方法如下:稱取0.500 0 g膨潤(rùn)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(wěn)定劑溶液,充分搖勻;在室溫下存放2 h后放入離心機(jī)內(nèi),轉(zhuǎn)速1 500 r/min下離心分離15 min,測(cè)定膨潤(rùn)土膨脹后的體積V1;用10 mL水代替完井液體系,測(cè)定膨潤(rùn)土在水中的膨脹體積V2;用10 mL煤油代替完井液體系,測(cè)定膨潤(rùn)土在煤油中的膨脹體積V0;利用式(1)計(jì)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(qiáng),發(fā)生水化膨脹而造成儲(chǔ)層滲透率下降的概率越小,因此該參數(shù)與單井的產(chǎn)能呈正相關(guān)。

(1)

1.2.3 儲(chǔ)層保護(hù)性能

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同完井液污染前后的滲透率比值評(píng)估完井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能,其實(shí)驗(yàn)步驟如下:用地層水在90 ℃條件下驅(qū)替,測(cè)定巖心的基礎(chǔ)地層水滲透率;用完井液體系在90 ℃、3.5 MPa條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染;動(dòng)態(tài)污染后將巖心表面的泥餅去掉,在90 ℃條件下進(jìn)行滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn);計(jì)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(fù)率。滲透率恢復(fù)率越大說明完井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害越小,產(chǎn)生的污染表皮也越小,因此該參數(shù)與單井的產(chǎn)能呈正相關(guān)。

1.2.4 體系pH值

完井液體系pH值直接影響完井液對(duì)井壁的清洗效果,其測(cè)試方法可以直接利用pH試紙進(jìn)行測(cè)定。體系pH值越大,完井液對(duì)井壁的清洗效果越差,對(duì)石灰粉等材料的腐蝕作用越弱,導(dǎo)致井下篩管發(fā)生堵塞沖蝕破壞的概率越大,因此該參數(shù)與單井的產(chǎn)能呈負(fù)相關(guān)。

2 完井液性能評(píng)價(jià)權(quán)重模型

在進(jìn)行完井液體系的選擇時(shí),需要評(píng)估各個(gè)性質(zhì)對(duì)完井液性能的影響程度,即因素的影響權(quán)重,常用的計(jì)算方法包括主成分分析法、層次分析法(AHP法)、熵值法、獨(dú)立性權(quán)重法等[7-10]。其中應(yīng)用最為廣泛、結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確的方法是層次分析法,此方法將各因素影響程度用數(shù)字表示,利用數(shù)字的相對(duì)大小信息進(jìn)行權(quán)重的評(píng)估與計(jì)算,該方法已被應(yīng)用于交通、旅游、能源等多個(gè)領(lǐng)域,并取得了較好的應(yīng)用效果[11-12]。根據(jù)各個(gè)因素的相對(duì)重要程度,建立完井液體系性能權(quán)重模型,其基本步驟為建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)建比較矩陣、計(jì)算權(quán)重矩陣和一致性檢驗(yàn)等四個(gè)步驟。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)結(jié)果和影響因素的關(guān)系,建立決策節(jié)點(diǎn)和結(jié)果的層次關(guān)系結(jié)構(gòu)模型,見圖1。模型分為目標(biāo)層和因素層,目標(biāo)層為需要決策的結(jié)果,本例為完井液體系的優(yōu)選結(jié)果,而因素層為影響結(jié)果的具體因素,本例為完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值等四個(gè)因素。

圖1 完井液體系選擇的層次結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 構(gòu)建比較矩陣

基于建立的層次結(jié)構(gòu),構(gòu)建各因素之間的比較矩陣,其基本思想是利用數(shù)字的相對(duì)大小信息,評(píng)估因素之間的重要程度。采用兩兩比較法對(duì)四個(gè)因素之間的相對(duì)重要關(guān)系進(jìn)行評(píng)估,用數(shù)字1～9對(duì)相對(duì)關(guān)系進(jìn)行量化,數(shù)字越大表征前者相對(duì)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(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值等四個(gè)因素分別設(shè)置為r1～r4,根據(jù)以往作業(yè)經(jīng)驗(yàn),采用專家打分法對(duì)各因素之間的重要關(guān)系進(jìn)行賦值,構(gòu)建了比較矩陣R,見式(2)。

表1 指標(biāo)賦值與含義表

(2)

2.3 計(jì)算權(quán)重矩陣

基于建立的比較矩陣,計(jì)算各個(gè)因素的影響權(quán)重,其基本方法是首先計(jì)算矩陣的最大特征根λmax,其對(duì)應(yīng)的向量為特征向量W,歸一化處理后就可以得到各個(gè)因素的影響權(quán)重向量w。利用該方法對(duì)管柱腐蝕模型進(jìn)行計(jì)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(duì)式(2)進(jìn)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(quán)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(yàn)

由于比較矩陣賦值時(shí)有人為主觀性的影響,為了消除其誤差,計(jì)算完成后需對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn),以證明結(jié)果的合理性[14-16]。一致性檢驗(yàn)公式見式(5)：

(5)

式中：其中CR為一致性比率,當(dāng)CR<0.1時(shí),證明賦值結(jié)果較為合理,否則重新賦值;n為因素的個(gè)數(shù);RI為一次性指標(biāo),其取值與因素個(gè)數(shù)n直接相關(guān),當(dāng)n=4時(shí),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(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值四個(gè)因素對(duì)管柱腐蝕影響的權(quán)重為0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

3 完井液體系優(yōu)選方法的建立與應(yīng)用

基于得到的各因素的影響權(quán)重,本文提出基于模糊物元理論的完井液體系優(yōu)選方法[17-21],該方法綜合了影響完井液性能的各個(gè)因素進(jìn)行選擇,克服了單因素考慮單一以及人為經(jīng)驗(yàn)因素誤導(dǎo)選擇等問題。

3.1 綜合評(píng)價(jià)模型

首先根據(jù)待評(píng)價(jià)完井液特征構(gòu)建初始元矩陣R,見式(6)：

(6)

式中：M為待評(píng)價(jià)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(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值等四個(gè)因素；x為體系屬性值。

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

(7)

(8)

(9)

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

(10)

最后根據(jù)各個(gè)完井液體系的最終評(píng)判值Q1～Qm的大小,就可以得到不同完井液體系的優(yōu)劣排序,從而輔助完井液體系的評(píng)估。

3.2 完井液體系綜合優(yōu)選方法

基于建立的完井液體系因素權(quán)重模型和綜合評(píng)價(jià)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(jù)影響完井液現(xiàn)場(chǎng)使用效果的影響因素,構(gòu)建影響完井液應(yīng)用效果的層次結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)不同因素的重要性構(gòu)建比較矩陣,計(jì)算得到不同完井液體系因素的權(quán)重向量,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn);根據(jù)不同完井液的因素屬性值,對(duì)屬性進(jìn)行歸一化處理,構(gòu)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(quán)重向量相乘,得到不同完井液體系的綜合指標(biāo);根據(jù)綜合指標(biāo)的大小,選擇綜合指標(biāo)較大的完井液體系為最優(yōu)完井液體系。

圖2 完井液體系綜合優(yōu)選方法流程圖

3.3 應(yīng)用實(shí)例

建立完井液體系綜合優(yōu)選方法后,利用該方法對(duì)KL-X油田的完井液體系進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)合該油田周邊的應(yīng)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(yùn)用前述介紹的方法,利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)以上兩個(gè)完井液體系的四個(gè)因素進(jìn)行測(cè)試:利用靜態(tài)刮片腐蝕實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)兩種完井液體系的腐蝕性能進(jìn)行評(píng)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(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種完井液體系的防膨率,以評(píng)估完井液體系的抑制性能,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩種完井液體系的防膨率分別為97.69%和95.83%;利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種完井液體系對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的滲透率恢復(fù)率,以評(píng)估完井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩種體系的滲透率恢復(fù)率分別為94.3%和91.2%;利用pH試紙直接測(cè)試兩種完井液體系pH值,其pH值分別為5和8。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,利用式(6)構(gòu)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(duì)結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理并構(gòu)建復(fù)合元矩陣U;再根據(jù)式(10)就可以計(jì)算得到兩種完井液體系的綜合評(píng)價(jià)值,分別為0.843 0和0.157 0,隱形酸完井液體系的綜合評(píng)價(jià)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(shí)際作業(yè)和初期返排結(jié)果證明,該油田儲(chǔ)層污染較小,生產(chǎn)后平均產(chǎn)量遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)的配產(chǎn),目前該方法已經(jīng)成功指導(dǎo)了渤海7個(gè)油田的完井液體系選擇,產(chǎn)量平均超過配產(chǎn)23%,證明了該完井液體系選擇的合理性和實(shí)用性,有望在渤?；蚱渌吞锿茝V應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)建立了完井液體系性能評(píng)價(jià)因素的層次結(jié)構(gòu)模型,利用層次分析法計(jì)算了完井液性能因素的影響權(quán)重,完井液的腐蝕性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能以及體系pH值對(duì)完井液優(yōu)選結(jié)果影響的權(quán)重分別為0.157 0、0.272 0、0.482 8、0.088 2。

2)基于計(jì)算得到的完井液體系因素影響權(quán)重,建立了油田完井液體系優(yōu)選計(jì)算模型,利用其可以快速預(yù)測(cè)評(píng)估不同完井液體系對(duì)油田的適用程度,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的完井液體系選擇。

3)利用該完井液體系優(yōu)選方法,評(píng)估了隱形酸完井液體系和聚胺完井液體系對(duì)KL-X油田的適用性,優(yōu)選了隱形酸完井液為該油田的完井液體系,實(shí)際作業(yè)后的儲(chǔ)層污染較小且油田產(chǎn)量良好。目前該方法已經(jīng)成功指導(dǎo)了渤海7個(gè)油田的完井液體系選擇,產(chǎn)量平均超過配產(chǎn)23%,證明了該完井液體系選擇方法的合理性。