油井井口激動壓力脈沖解堵增油技術(shù)

李 和 魏 飛 劉 志 李燕承

（延長油田股份有限公司靖邊采油廠）

油氣田開發(fā)后期通常需要將采出液進行處理后回注至地層以補充能量，若這一過程中采出液處理不干凈會帶來氯離子、水垢及鐵屑顆粒等物質(zhì)，堵塞油層通道，影響井網(wǎng)開發(fā)［1］。 如若進行酸化壓裂， 不僅會使成本激增還會污染油氣藏，甚至給其他層位帶來影響［2］。 地層屬于氣、液、固共存的平衡壓力體系，其中主要的巖石格架傷害包括固相顆粒、化學沉淀、流體及賈敏效應(yīng)傷害等。 因為不同地層溫度梯度、深度和區(qū)域地質(zhì)特點不同，同時，該種傷害復雜而不可控，基礎(chǔ)地質(zhì)資料不全也會給后續(xù)過程帶來不利影響， 因此，必須在施工階段避免化學劑和鉆井液侵入地層，從而降低鹽的沉淀，還要采用固控設(shè)備進行完善［3］。 此外，開采過程中的微粒運動堵塞孔隙喉道、超標的注入水誘發(fā)化學結(jié)晶等問題都會堵塞地層。 當前運用了頻法、聲波法及壓力脈沖法等多重技術(shù)進行解堵，也在一些區(qū)塊采取了物理化學綜合解堵法，收效顯著，但成本也較高，較為常見的有酸化解堵、正水擊-化學解堵等［4］。

運用流體力學進行油井井口激動壓力脈沖解堵增油是成本可控前提下的有效技術(shù)手段之一，具有壓力受控、對地層傷害小、操作簡便且安全的多重優(yōu)勢［5］。當前已經(jīng)廣泛運用，但是如何進行基于現(xiàn)場實際的多因素操作優(yōu)化，一直是可商榷的問題。 在此，筆者基于實用技術(shù)的多維研究，可為同行提供建設(shè)性意見。

1 壓力脈沖解堵影響因素分析

1.1 管徑對脈沖效果的影響

在深1 000m 單井，測得液面深500m，地層流體密度與井筒內(nèi)液體密度均為1 000kg/m3，地層孔隙度為0.2，原始滲透率600mD，堵塞后滲透率僅為200mD，地層模擬前運用壓力脈沖瞬態(tài)模擬方式開展工作， 并運用專用工具開展模擬，在固定周期內(nèi)收集實驗資料，將不同壓力等級的井口進行5s 瞬時泄壓，查看井筒壓力波動變化情況并記錄井底流體流動狀態(tài)。

預(yù)設(shè)實驗條件： 在10MPa、200mD 實驗油管內(nèi)進行壓力波動和井底流體流動數(shù)據(jù)測定，并繪制圖1。 由圖1 并結(jié)合核算結(jié)果可知，76.00、88.30mm 管徑的實驗曲線表明該環(huán)境下泄壓后壓力波動較好，遠優(yōu)于62.00、100.54mm 管徑的壓力波動情況。 經(jīng)核算，當管徑為100.54mm 時，井底的脈沖壓力為18.35MPa， 而管徑為62.00mm 時，井底脈沖壓力為16.70MPa。 綜上所述，油管直徑與壓力損失成反比，但是油管直徑與井底有效脈沖壓力成正比，實驗誤差需要在多口井現(xiàn)場擬合實驗中進行數(shù)據(jù)歸一化校核。 進一步分析表明，當流量為負值時表明井筒中流體向地層流動，反之則流體反向流入井筒。 當井口迅速開啟時，井底流體會大量、迅速地匯入井筒，而且油管直徑與流量成正比。 獲取管徑62.00mm 時的數(shù)據(jù)可知，瞬間流量可達200m3/d，當管徑進一步增大到100.54mm 時，瞬間流量達到了260m3/d。

由圖1 數(shù)據(jù)可知，10MPa 工作壓力下4 種不同管徑油管內(nèi)壓力波動都不顯著，達不到地層解堵的基本要求，真實注入過程中，當少量流體在不滿足解堵流量時進入地層，會被井下壓力分散并舉升至地面，無法造成有效的波動。 所以真實運用和生產(chǎn)前提下需要采用至少14MPa 或16MPa 的壓力進行激動壓力解堵。

預(yù)設(shè)實驗條件： 在16MPa、200mD 實驗油管內(nèi)進行壓力波動和井底流體流動數(shù)據(jù)測定，并繪制圖2。 該種模式下對應(yīng)的不同管徑的井底脈沖壓力均提高了一個數(shù)量級。經(jīng)核算，管徑62.00mm時對應(yīng)產(chǎn)生了20.0MPa 的井底脈沖壓力；管徑達到100.54mm 時井底脈沖壓力高達23.5MPa，不過通過曲線可以看出，綜合施工壓力在整體上波動并不明顯，進一步擬合實驗數(shù)據(jù)并根據(jù)現(xiàn)場真實情況下的注入工序可知，當注入壓力達到16MPa時，井底附近的地層會出現(xiàn)不同程度的“壓死”狀態(tài)，當井口被開啟后，地層的能量就不能快速將流體舉升至井口。

圖2 16MPa 壓力下不同管徑內(nèi)井底流體流動情況

通過圖2 可知，16MPa 前提下， 進行5s 內(nèi)迅速閥門開啟時，地層“壓死”狀態(tài)明顯。 進一步核算可知，110s 后地層流體才開始正常流入井筒，而流速和總體的流量規(guī)模和波動變化幅度也相對較小。 綜合分析數(shù)據(jù)測評結(jié)果，當在同等規(guī)模的注入壓力下工作時，管徑大小與摩擦阻力作用成反比，從而導致脈沖能量損失增大，最終傳遞至井底的脈沖壓力強度變小。 壓力脈沖效果不明顯。 但是如果運用大口徑油管，其重力會增大，導致地層能量釋放緩慢，壓力脈沖效果更弱。 綜合最優(yōu)法則， 在模擬數(shù)據(jù)結(jié)果上進行評定優(yōu)選，現(xiàn)場運用76.00mm 和88.30mm 直徑的油管時脈沖解堵效果最佳。

1.2 井口壓力對井筒內(nèi)脈沖波動的影響

進行實驗預(yù)設(shè)，測定井口壓力對井筒內(nèi)脈沖波動的影響。 選取88.30mm 直徑的油管，預(yù)設(shè)地層滲透率為200mD，進行不同井口壓力下的數(shù)值模擬實驗。

通過圖3 曲線可以看出， 當實驗注水結(jié)束后，井底的最終平均壓力上升到了18MPa，而后壓力有輕微回落，證明脈沖解堵作業(yè)成功。 進一步分析曲線可得，當井口壓力迅速釋放后，井底壓力會處于迅速下降階段， 并最終降至6MPa 以下。 由于多種作用環(huán)境干擾，在壓差的作用下，管柱中液體被迅速舉升至井口，而地層水也會大量涌入井筒。 根據(jù)攝像機在不同時間節(jié)點下拍攝到的管柱的持液率可知，當管內(nèi)流體涌出后，管內(nèi)的液體就停滯了，沒有明顯的上升趨勢，這足以證明地層中的流體是有限的。 由圖3 中紅色曲線可知， 井口開啟后150s 左右的瞬間流量非常大，可達200m3/d， 這也間接證明地層中水流速和流量均小。 注入壓力低時，注入地層的液體有限，地層回流率低、波動不劇烈。 攜砂解堵效果有限。

圖3 脈沖壓力為10MPa 時井底情況三線圖

當實驗注水結(jié)束后，井底的最終平均壓力上升到了21MPa， 待開啟閥門進行迅速泄壓后，壓力快速下降至8MPa 左右，在450s 后壓力又會緩慢上升， 進一步觀察不同時間節(jié)點管柱的持液率，在同一個時間節(jié)點內(nèi)，管柱中的波動變得非常劇烈，該實驗結(jié)果與其他壓力下的井口反應(yīng)參數(shù)相比較，井底流體回流速度更快、波動幅度更大，甚至會誘發(fā)整個井筒的振動，具有很好的地層巖石沖刷性，脈沖效果最佳。

當實驗注水100s結(jié)束后，井底壓力會上升至23MPa，而后同樣進行井口的快速泄壓，壓力最終下降到9MPa， 進一步觀察不同時間節(jié)點管柱的持液率，300s 內(nèi)管柱中的流體含量變化不明顯，對應(yīng)參數(shù)曲線可知，壓力在300s 時正常，而到了600s 后，油管中的流體剩余壓力會緩慢上升呈推動式規(guī)律。 綜合多重因素判斷， 當井口壓力為16MPa 時， 地層流體匯入井筒內(nèi)流量非常少，施工壓力大于極限，最終“壓死”井口，不能進行脈沖解堵工作。

1.3 井口壓力對地層脈沖壓力的影響

根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料可知，研究區(qū)地層滲透率平均值在200mD 左右， 測定10、12、14MPa 壓力下的井口迅速泄壓情況， 并繪制地層壓力圖，獲取可測物理量并做數(shù)據(jù)篩選，展示直觀脈沖壓力分布圖（圖4）進行分析。 基于原始資料中的地層半徑和已知地層厚度， 進行z軸線的5 個層劃分，便于后續(xù)數(shù)據(jù)記錄。 可以看出在10MPa 實驗條件下，泄壓前后縱向壓力變化不大，進一步探究可知，解堵地層在5m，液體水柱壓力有限。 而細微數(shù)據(jù)表明，泄壓后多重壓力疊加在縱向上呈現(xiàn)不均勻變化， 且呈一定的小幅度波動狀態(tài)，在泄壓過程持續(xù)進行的過程中通過地層到井筒然后竄至井口形成不同的波動型壓力差，最終通過流體的迅速匯入使得地層呈明顯的壓縮性質(zhì)。 數(shù)據(jù)判定觀測到的井口與地層的雙重壓力作用波動就是該種因素導致的。

圖4 井口壓力為10MPa 時地層脈沖壓力分布圖

根據(jù)14MPa 前提下的綜合實驗， 測得井下最大壓力為19.37MPa， 泄壓后同軸測點數(shù)據(jù)依次 為：z1，2.221MPa；z2，3.112MPa；z3，2.991MPa；z4，3.029MPa。 進一步通過軟件核算可知最短解堵距離為1.23m。 綜合對比多重實驗參數(shù)（限于篇幅在此不做展示），通過數(shù)據(jù)擬合曲線最終可以得出， 井口的壓力升高時對應(yīng)的井底脈沖壓力會增加。 而壓力波的范圍肯定也是擴大的，但是泄壓前后的壓降幅度會變得更大。 例如，當實驗壓力為10MPa 時， 距離井口0.26m 處的壓力降落幅度就大于1MPa， 能夠進行綜合解堵，幫助多重工況下的最優(yōu)參數(shù)核算。 而當解堵半徑更大時就需要更大的注入壓力， 例如當注入壓力為14MPa 時， 壓力波動范圍能達到5m 甚至更遠，如果運用新型解堵劑，那么現(xiàn)場增油效果更優(yōu)。

1.4 泄壓時間對脈沖壓力的影響

運用直徑88.30mm 的油管進行14MPa 前提下的井口壓力綜合數(shù)值模擬， 驗證5、15、25、35s泄壓時間對脈沖效果的影響。 通過實驗所得的圖5 可知，當單井井口進行長時間控制泄壓時，井底壓力呈緩慢下降趨勢。 通常會在5s 內(nèi)泄壓完畢。進一步校核數(shù)據(jù)可知，當飽和實驗壓力下的關(guān)井壓力進一步下降時需要經(jīng)過11.57s 到10MPa，泄壓15s 可以完畢。 同樣的時間序列為控壓限制20.39s，泄壓25s 可以完畢，當控壓限制至30.16s時，只有到35s 才能泄壓完畢。最大飽和壓差僅相差1MPa 左右。

圖5 不同泄壓時間下油管內(nèi)脈沖波動對比圖

進一步測定可知， 當壓力在5s 泄壓完畢時，井底壓力能在450s 時銳減到4.45MPa（最小值）；當泄壓時間為15s 時， 井底壓力最小值為4.47MPa，銳減時間僅為480s；泄壓時間為25、35s時， 井底壓力在500s 左右時分別達到最小值4.50MPa 和4.52MPa。 綜合測定壓力到最小值后，流體在地層剩余壓力的推進和重力回落的共同作用下，油管中的流體緩慢上升，泄壓時間越短，上升速度越快。

2 現(xiàn)場運用

研究區(qū)確立在單井進行重復坐封封隔器進行油層卡封解堵，然后運用壓裂泵車進行高壓脈沖式注水。 當液體激動壓力到一定時迅速打開預(yù)設(shè)的脈沖裝置完成泄壓。 然后在確保安全的前提下多次反復該種操作進行增、卸壓過程，完成地層的脈沖干擾。 通過流量計計量攜帶物，并清除堵塞物，綜合解除地層堵塞。

研究區(qū)在2019 年進行了多重物理法激動解堵增注試驗，在5 口井的施工過程中。 綜合運用脈沖發(fā)生器、地面電磁閥和球閥配合控制，對地層補壓和瞬間泄壓，激動油層內(nèi)液體攜帶堵塞雜質(zhì)向油管內(nèi)脈沖流動，完成了很多頻次的近井地帶解堵。 根據(jù)現(xiàn)場反饋結(jié)果，以地面管線污垢、回注水污垢、流程沉淀為代表的鐵屑、沙子、結(jié)晶鹽和石膏泥占總體堵塞物的全部。 各部井段還排出有瀝青、樹脂、焦油及蠟等惡性物質(zhì)。 基于破碎攜帶機理，該種前提下的反應(yīng)解堵效果不好。 需要進一步延伸工藝參數(shù)和數(shù)學模型，以生成更為科學可行的具體施工方案，并進行較弱機械作用下的綜合模擬改進。

雖然前期試驗和運用積累出細管徑前提下脈沖能量損失大、井底脈沖壓力強度值不足的經(jīng)驗［6］。但也不能無限擴大管徑，否則能量釋放緩慢更會拖延施工時間， 影響工作效率和綜合成本，據(jù)研究區(qū)核算，當前在76.00、88.30mm 的最佳管徑下能獲得最優(yōu)脈沖波動效率。

3 結(jié)論

3.1 通過全方位優(yōu)化研制及其現(xiàn)場實驗，得知井底激動壓力脈沖解堵受多重因素影響。 需要仔細核算工作性質(zhì)和具體細節(jié)參數(shù)，綜合考慮管徑和泄壓時間的影響并進行優(yōu)化，同時不斷考慮其他機理因素下的現(xiàn)場多維效果。 井口脈沖壓力作為施工關(guān)鍵點必須進行嚴謹?shù)臄?shù)學核算，形成函數(shù)化的操作規(guī)程。 控制在地層頂破裂壓力左右，在地面設(shè)備完好率和地下地層傷害性上做到最優(yōu)，完成解堵。 經(jīng)過多方論證，運用連續(xù)油管作業(yè)配合800 型泵車可以在一定井深達到較好的解堵效果，并且經(jīng)濟性最優(yōu)。

3.2 地層滲透率是一個基礎(chǔ)參數(shù)，會對壓力脈沖解堵產(chǎn)生較大影響， 必須進行先期數(shù)據(jù)論證核對，以達到最優(yōu)；低滲透油藏地層滲透率小到一定地步，則不能使用脈沖解堵；井口脈沖壓力釋放越快，脈沖效果越好。