超深致密儲層降低破裂壓力工藝研究及實踐

李紅林 蘇 鏢 周向東

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心，四川 德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

0 研究背景

四川盆地西部地區(qū)（以下簡稱川西）海相碳酸鹽巖儲層埋藏深（＞6 000 m）、物性差（Ⅱ、Ⅲ類儲層占比大于90%）、高角度微裂縫不發(fā)育，平均滲透率為3.46×10-3μm2，在前期測試作業(yè)中，多口井在改造時出現(xiàn)地層吸液困難，難以壓開的現(xiàn)象。國內(nèi)外目前針對深層碳酸鹽巖降低破裂壓力研究相對較少，一般主要手段為配置140 MPa超高壓井口，復合射孔及射孔參數(shù)調(diào)整等方式，但通過川西海相PZ113等多口井實施表明，常規(guī)的降低破裂壓力手段對解決井周儲層污染有一定的效果，但影響范圍受限，難以滿足低品位碳酸鹽巖儲層降低破裂壓力的需要。通過對多種降低破裂壓力工藝的論證、室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實踐，最終形成了一套適合川西海相致密儲層降低破裂壓力作業(yè)措施和配套技術，降低了酸壓改造難度，滿足了勘探開發(fā)的需要。

1 常規(guī)作業(yè)技術在川西海相的局限

1.1 深穿透射孔工藝在超深致密儲層的適應性評價

由于超深層面臨的高圍壓、高溫度、巖石致密的客觀條件，射孔穿深有較大程度的衰減。為了評價超深穿透射孔彈的適應性，開展了目標儲層射孔效率試驗，用以評價射孔彈是否能夠穿透泥漿污染帶、井筒應力集中帶等。

1）射孔彈的選取。選取西安X公司研制的新型超深穿透射孔彈，該產(chǎn)品通過API 19B認證，混凝土靶穿孔深度為94.7 cm，孔徑為0.91 cm。

2）目標實驗靶的選取與制作。采用川西海相目標儲層的巖石露頭，分別為三種白云巖（灰質(zhì)白云巖、藻粘結(jié)白云巖和微粉晶白云巖）（表1）。

3）地面模擬裝槍穿柱狀靶試驗。采用模擬裝槍穿巖心柱狀靶的射孔方法，以有效評價射孔彈的性能。設計目標靶采用柱狀巖石靶，靶套為A3鋼板，中間用水泥固定。

4）模擬儲層環(huán)境下柱狀巖石靶射孔試驗。模擬井筒條件下穿巖石靶的性能，設計圍壓為60 MPa，在160℃下保溫4 h，得到目標儲層圍壓、溫度井況下不同強度巖石射孔彈的穿深（表1）。

表1 巖石穿孔深度數(shù)據(jù)對比表

從測試數(shù)據(jù)看，地面模擬裝槍穿柱狀巖石靶體穿深只有混凝土環(huán)境中穿深的28.5%～40%。在模擬儲層環(huán)境下，穿深比地面條件下穿深最高下降達55%左右，說明高圍壓、高溫也是影響射孔穿深的關鍵因素。模擬環(huán)境下穿深為15～17.8 cm，川西海相井筒應力集中帶大于等于30 cm。因此，采用常規(guī)深穿透射孔彈難以穿過應力集中帶，實現(xiàn)降低儲層破裂壓力的需要。

1.2 前期測試管柱及工藝應用情況及適應性評價

含硫氣井的勘探測試中，主流工藝一般采用帶RTTS封隔器的APR測試管柱進行作業(yè)。RTTS屬于機械式坐封封隔器，在防噴器下坐封后裝采氣井口，通過封隔器上部的OMNI閥進行替漿、替酸，環(huán)空加壓關閉循環(huán)通道，進行改造、測試作業(yè)。在川西致密碳酸鹽巖儲層開發(fā)中，該管柱有以下兩點局限性。

1）工具的局限性。APR管柱中的核心工具如OMNI閥、RDS閥，由于空氣腔、氮氣腔的存在，工具存在絕對壓力。在超高壓改造井況下，井底絕對壓力達到180 MPa以上，超過工具設計理論值85%，工具面臨變形、失效的風險。

2）降低破裂壓力作業(yè)的局限性。APR管柱在封隔器坐封并裝上采氣樹后，采用OMNI閥進行替漿作業(yè)，OMNI閥以下均是非反應液體。反應液體距離管柱底界距離長，由于川西海相儲層的特殊性，地層吸液難度大，非反應液體極難進入地層，后期改造作業(yè)難度極大，改造目標難以實現(xiàn)。

為配合APR管柱替酸的需要，安裝采氣樹后，采用連續(xù)油管替酸至射孔段頂界，解決了非反應液體到位難的問題，但是仍然沒有解決儲層降低破裂壓力的需要：①連續(xù)油管作業(yè)單次替入量?。?0 m3以內(nèi)），酸液易稀釋，降低破裂壓力效果不明顯；②替酸排量低，測試管柱在酸液環(huán)境中作業(yè)時間長，高溫下管柱腐蝕控制難度大，管柱失效風險高。在PZ113井施工中，測試管柱在酸液環(huán)境下17 h后管柱竄漏，伸縮短節(jié)下部變扣脫扣。

2 降低破裂壓力工藝關鍵技術

2.1 噴砂射孔降低破裂壓力工藝

2.1.1 噴砂射孔適應性分析

與常規(guī)深穿透射孔工藝相比，噴砂射孔因其“切割、沖蝕、磨損”的破巖原理，射孔后形成的孔徑較大（6～10 cm），穿深較深（0.7～0.9 m），且不會在井周形成壓實帶，壁面松弛粗糙，可使壁面滲透率增大3～8倍，能夠突破井周污染帶及應力集中帶，有效降低井底破裂壓力。通過對噴砂射孔原理的分析及前期中淺層的應用情況，在深層應用具有可行性。

2.1.2 噴砂射孔關鍵工藝設計

在深層中應用噴砂射孔降低破裂壓力技術，需要解決的關鍵問題是如何降低管柱卡埋風險，如何確保噴射排量，達到足夠的射流速度。

1）管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為確保排量，降低管柱摩阻，全井主體采用φ89 mm油管；為降低管柱卡埋風險，設計不加入水力錨，在噴槍上部下入循環(huán)滑套，噴射后及時循環(huán)。最終形成的管柱結(jié)構(gòu)為：球座＋噴槍2＋油管及短節(jié)＋噴槍1＋循環(huán)滑套＋安全接頭＋φ89 mm油管組合至井口（圖1）。

圖1 噴砂管柱結(jié)構(gòu)示意圖

2）噴砂參數(shù)的確定。為達到施工效果，要求要求噴射速度大于120 m／s；為降低管柱卡埋風險，通過計算石英砂在射孔液中的沉降速度，確定環(huán)空返速大于等于49.2 m／min；井口限壓為95 MPa。通過優(yōu)化計算，優(yōu)選噴槍進行作業(yè)，施工排量為1.8～2.5m3／min，噴射時間為20 min。

3）作業(yè)方式優(yōu)化。噴射結(jié)束后，連續(xù)替入低濃度酸液，以溶解巖屑，降低大顆粒巖屑難以帶出卡埋管柱的風險。優(yōu)化替漿循環(huán)方式：傳統(tǒng)作業(yè)采用反洗井方式，存在環(huán)空卡埋風險；作業(yè)方式優(yōu)化為為噴砂射孔結(jié)束后，采用凍膠正替一個井筒容積后，泵送球開滑套，連續(xù)正注液體，確保環(huán)空固相連續(xù)返出，避免卡埋風險。

2.2 測試管柱及配套工藝的優(yōu)化

為了滿足降低破裂壓力需要，測試管柱需要實現(xiàn)替酸到產(chǎn)層段，且要求替酸量大、作業(yè)時間短、后期易起出等需要。

1）測試管柱結(jié)構(gòu)設計：設計以液壓封隔器為核心的測試管柱，在安裝井口后替酸到位、坐封、改造，實現(xiàn)替酸量大、作業(yè)時間短的目的；選擇下部帶卡瓦、上部帶水力錨的封隔器實現(xiàn)雙向鎖定，避免改造過程中管柱移動，同時降低后期起出難度。優(yōu)化后的管柱結(jié)構(gòu)為：伸縮節(jié)＋循環(huán)滑套（配套可溶球）＋安全接頭＋Y241封隔器＋球座（圖2）。

圖2 測試管柱結(jié)構(gòu)示意圖

2）關鍵工具優(yōu)化：根據(jù)川西海相井況，考慮超高壓力改造的需要，對液壓封隔器結(jié)構(gòu)進行改造，實現(xiàn)120 MPa超高壓改造的要求：①提高中心管、缸套等承壓件的強度，抗壓差強度達到90 MPa；調(diào)整中心管絲扣為氣密扣，以能夠滿足改造時因溫度、壓力變化導致的管柱縮短及改造時液體摩擦力等的抗拉要求；②提升封隔器錨定強度：根據(jù)改造壓力與地層壓力的差值，提升Φ139.7 mm套管內(nèi)水力錨錨定力應大于600 kN，卡瓦錨定力大于800 kN，Φ193.7 mm套管內(nèi)水力錨錨定力大于1 000 kN，卡瓦錨定力大于1 300 kN。

3）井筒安全控制：考慮超高壓改造，不能下入RDS閥實現(xiàn)井下快速關井。為滿足含硫氣井安全要求，設計油層套管強度能夠滿足最大關井壓力的要求。

2.3 降低破裂壓力液的選擇

2.3.1 降低破裂壓力酸配方的選擇

考慮儲層高溫、高破壓，需要多次試擠，作業(yè)時間長，對降低破裂壓力酸緩蝕性能要求高。通過對不同濃度的鹽酸、緩蝕劑評價。優(yōu)選出來的降低破裂壓力酸配方為：15%HCl＋6.5%180℃TKT緩蝕劑＋1.0%鐵離子穩(wěn)定劑，平均腐蝕速率為6.045 mm／a，有效減緩了油管及工具的腐蝕，確保了長時間作業(yè)的管柱安全（表2）。

表2 緩蝕劑緩蝕性能對比表

2.3.2 溶垢劑的研發(fā)

為進一步降低泥餅對儲層的污染，研發(fā)了高溫復合硫酸鹽垢溶垢劑，能夠大幅度提高對硫酸鹽垢的溶解：開展了活化劑、分散劑、潤濕劑及阻垢劑的加量正交實驗，確定硫酸鹽垢解堵劑的最佳配方。溶垢劑配方為：10%螯合劑3＋3%活化劑＋8%分散劑＋3%潤濕劑GCY－3＋15%阻垢劑GCY-6，用pH值調(diào)節(jié)劑將溶液pH值調(diào)至10。

該產(chǎn)品在150℃條件下對硫酸鋇溶解率為72%。而對鋼片的平均腐蝕速率僅為0.551 6 g／（m2·h），腐蝕速率低，鋼片腐蝕后未出現(xiàn)點蝕、坑蝕等情況。

3 應用

YiS1井采用APR射孔酸壓測試聯(lián)作管柱，實射井段為：5 858～5 897 m，射孔后分別限壓90 MPa、90 MPa、92 MPa、92 MPa、93 MPa、93MPa試擠6次，地層不吸液。采用連續(xù)油管替酸，替入酸液10 m3至井底，后分別限壓為：90 MPa、92 MPa、95 MPa試擠17次，地層無連續(xù)吸液。

為降低破裂壓力，采用兩段水力噴射：5 860.2～5 860.9 m、5 874.0～5 874.7 m。噴射施工參數(shù)見表3。

表3 YiS1井噴砂射孔施工參數(shù)表

噴砂射孔后實施酸化改造，下入液壓封配套測試管柱：伸縮節(jié)＋循環(huán)滑套＋安全接頭＋液壓封隔器+球座。管柱到位后安裝井口，泵注2 m3隔離液＋25 m3降低破裂壓力酸進行替酸，限壓為90～105 MPa試擠5次，泵壓為102 MPa壓開地層。累計入地液量為904.3 m3，施工壓力為71～108 MPa，施工排量為0.5～2.8 m3／min，酸壓施工成功改造，噴砂射孔成功降低了破裂壓力。

4 結(jié)論

在川西海相致密碳酸鹽巖的開發(fā)中，進行了多種降低破裂壓力工藝的探索與實踐，最終確定噴砂射孔、提前替酸到儲層是有效的降低破裂壓力的手段，基本滿足了勘探開發(fā)的需要。

1）常規(guī)深穿透射孔由于儲層致密、超深高溫、高圍壓的限制，在川西海相超深致密儲層開發(fā)中具有一定的局限性。

2）YiS1井進行了6 000 m左右深度的噴砂射孔作業(yè)，噴砂射孔管柱順利起出，降低破裂壓力效果明顯，創(chuàng)造了噴砂射孔作業(yè)深度的記錄，為同類儲層的施工提供了借鑒。

3）降低破裂壓力酸的應用有效降低儲層破裂壓力，降低了改造難度；通過腐蝕評價及現(xiàn)場實踐，表明優(yōu)化后的預處理酸液配方能夠滿足改造及測試期間的管柱安全施工需求。