碳酸鹽巖儲層機械轉(zhuǎn)向酸化酸壓技術(shù)最新研究進展

任永琳,王 達,,馮浦涌,楊國威,周福建,邵尚奇

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司伊拉克分公司,伊拉克 米桑省 61001;2.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249)

0 引言

基質(zhì)酸化、酸壓是碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)、增注的重要措施。碳酸鹽巖儲層有別于砂巖儲層，其儲層厚度更大、非均質(zhì)性更強，增產(chǎn)改造過程中酸液優(yōu)先進入高滲層位，使得低滲層位得不到有效動用；且碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)改造產(chǎn)生的蚓孔會進一步增大高、低滲層位之間的滲透率極差，導(dǎo)致對于油井增產(chǎn)效果極為重要的低滲層位得不到有效改造。因此碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)改造的關(guān)鍵在于增大儲層的動用程度。解決該問題的關(guān)鍵是采用轉(zhuǎn)向技術(shù)迫使酸液轉(zhuǎn)向低滲層位，從而使得儲層得到均勻改造[1-2]，提高措施后產(chǎn)量。轉(zhuǎn)向技術(shù)距今已有80多年的歷史[3]，可分為機械轉(zhuǎn)向、化學(xué)轉(zhuǎn)向和可降解纖維/顆粒轉(zhuǎn)向3種[4]?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)向和可降解纖維/顆粒轉(zhuǎn)向成本較低，普遍被國內(nèi)業(yè)界認為是較好選擇[5-6]。但化學(xué)轉(zhuǎn)向應(yīng)用效果受儲層溫度、轉(zhuǎn)向壓差等因素影響較大，尤其是對于儲層非均質(zhì)性較強的碳酸鹽巖儲層，很多化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)如泡沫、VES、交聯(lián)酸等不能起到很好的轉(zhuǎn)向效果[7-9]。機械轉(zhuǎn)向雖然費用較高、施工相對復(fù)雜，但其可靠性好，因此非常適合以儲層厚度較大、非均質(zhì)性較強為特征的碳酸鹽巖儲層的增產(chǎn)改造[10-12]。在國家“走出去”戰(zhàn)略的指引下，我國在海外開發(fā)的油田數(shù)量增加,而海外油田多為非均質(zhì)性較強的碳酸鹽巖油田[13]，此類儲層受鉆完井污染嚴重，通常不酸化不能見產(chǎn)，所以應(yīng)該加強機械轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究。同時，在全球勘探開發(fā)縱深化、邊緣化大趨勢下，更多的高溫深井水平井、多分支井以及薄、差儲層的轉(zhuǎn)向酸化也對現(xiàn)有機械轉(zhuǎn)向技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)[14]。但是，目前國內(nèi)針對碳酸鹽巖儲層機械轉(zhuǎn)向技術(shù)的文獻介紹和綜合分析較少。該研究介紹了各種機械轉(zhuǎn)向技術(shù)，包括最大壓差及注入速率轉(zhuǎn)向、堵球轉(zhuǎn)向、封隔器轉(zhuǎn)向和連續(xù)油管轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展歷程、面臨問題以及最新研究進展，并對其技術(shù)發(fā)展方向進行了展望。

1 堵球機械轉(zhuǎn)向技術(shù)

堵球機械轉(zhuǎn)向技術(shù)早在1956年就開始投入使用[15]，其技術(shù)原理是通過液體攜帶直徑大于射孔孔眼直徑的封堵球封堵高滲層射孔眼造成井底壓力升高，從而將酸液轉(zhuǎn)向低滲層位[16]。

Erbstoesser[17]等指出，堵球轉(zhuǎn)向技術(shù)的關(guān)鍵是確保封堵球在射孔眼有效坐封，并首次通過實驗證明浮球與沉球相比更易封堵射孔眼。同期Bale[18]的實驗表明更高的液體流速有助于球的坐封。Tan[19]的研究表明堵球在定向井和水平井坐封難度比在直井更大。Wang等[20]在5口老井水平井的增產(chǎn)作業(yè)中，為了解決堵球?qū)λ骄淇籽圩庑Ч畹膯栴}，嘗試采用了3種不同密度的蠟球(密度>1，密度=1，密度<1)對水平井筒射孔眼進行360°全方位暫堵轉(zhuǎn)向。在其中一口井進行微地震監(jiān)測表明有3條縫起裂，壓后增油效果明顯[20](如圖1所示)。但是Wang等同時指出該技術(shù)裂縫起裂數(shù)目及起裂位置不可控。

圖1 微地震監(jiān)測情況Fig.1 Micro seismic monitor

在數(shù)模研究方面，Brown等[21]首次建立了一個堵球轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型,分析堵球密度與攜帶液密度差、堵球慣性和孔眼對堵球的吸力等因素對堵球坐封成功率的影響。Li[22]等首次通過拉格朗日粒子追蹤算法建立了一個堵球封堵模型。Chen等[23]建立了暫堵球轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對水平井暫堵球機械轉(zhuǎn)向多級壓裂作業(yè)進行了模擬。Cheng[24]等在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步通過相關(guān)堵球暫堵數(shù)學(xué)模型計算了水平井螺旋射孔狀態(tài)下堵球密度、注入速度以及射孔角度等參數(shù)對暫堵效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)液體注入速度比球密度對坐封效果影響更大，建議在施工中采用高泵速泵注浮球來提高坐封效率。

堵球暫堵技術(shù)普遍被認為是一種簡便、經(jīng)濟的暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，但是問題在于其暫堵效果受到多種因素的影響導(dǎo)致可靠性偏低，裂縫起裂位置不可控。另外，蠟質(zhì)堵球在高含水油井溶解速度慢，易對儲層造成污染。該研究認為隨著自降解塑料技術(shù)的發(fā)展和成熟，可在地層溫度快速降解的自降解材質(zhì)暫堵球的研究、應(yīng)用是該技術(shù)的下步發(fā)展方向。

2 封隔器機械轉(zhuǎn)向技術(shù)

封隔器機械轉(zhuǎn)向技術(shù)在20世紀50年代投入使用，應(yīng)用較多的有可回收式橋塞、可回收式封隔器和多層膨脹、跨隔式封隔器3種，目前普遍看法是該技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟[25]。但是該研究認為在全球勘探開發(fā)向更深以及更差儲層開發(fā)的趨勢下，更高的儲層溫度以及更小的井眼對封隔器機械轉(zhuǎn)向技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在2個方面：1)針對致密碳酸鹽巖儲層水平井的多級滑套封隔器分段酸壓；2)針對強非均質(zhì)性碳酸鹽巖儲層難動用薄差層的跨隔式封隔器定點酸化/酸壓。

2.1 碳酸鹽巖儲層水平井多級滑套封隔器分段酸壓

多級滑套封隔器分段酸壓被認為是致密碳酸鹽巖油氣藏水平井增產(chǎn)改造的最佳方式[26]。通過沿最小主應(yīng)力方向鉆井，并采用逐級開啟式滑套及封隔器完井，可在多級酸壓后產(chǎn)生多條橫切縫，從而擴大井筒與油藏接觸面積，有效提高油氣井產(chǎn)量。

Saudi Aramco公司[27]開發(fā)的SEP多級彈性膨脹封隔器膨脹前直徑小于膨脹后的1/2，多級酸壓作業(yè)坐封成功率從采用普通機械封隔器的60%～70%提高到95%。Zheng Tong等[28]研發(fā)了熱塑性硫化橡膠遇水膨脹封隔器，其材質(zhì)為羧化丁腈與聚酰胺，且為了提高吸水膨脹性能加入了多孔隙強吸水新型樹脂，在Φ8.9 mm側(cè)鉆小井眼成功實施了4段酸壓。斯倫貝謝公司研發(fā)了一種新型的可膨脹全金屬材質(zhì)封隔器[29]。該封隔器坐封機理與常規(guī)自膨脹封隔器以及液壓推動橡膠組件坐封封隔器完全不同，通過液壓作用使得可變形金屬套筒直接膨脹坐封(如圖2所示)，從而可以更好的貼合裸眼井壁，密封性更好，耐壓可達70 MPa。另外，這種全金屬材質(zhì)封隔器在遇阻時可以施加更大下壓力，且膨脹比更大，可以封隔更大尺寸的裸眼井段。

圖2 新型可膨脹金屬滑套封隔器原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of new expandable sleeve mechanic packer

封隔器與儲層的密封性是封隔器機械轉(zhuǎn)向技術(shù)的關(guān)鍵，封隔器直徑越大越容易導(dǎo)致地層微裂縫的產(chǎn)生，從而溝通封隔器兩端地層。針對這一問題，應(yīng)在封隔器材質(zhì)和坐封原理方面進一步創(chuàng)新來減小封隔器內(nèi)徑并提高封隔器膨脹比，從而實現(xiàn)對更深、更小直徑井眼的分層酸化改造。

2.2 針對強非均質(zhì)性碳酸鹽巖儲層的跨隔式封隔器定點酸化、酸壓

跨隔式封隔器轉(zhuǎn)向特別適用于強非均質(zhì)性碳酸鹽巖儲層薄差層的選擇性酸化、酸壓[30-31]。以往采用普通油管坐封跨隔式封隔器時工序繁瑣、耗時。Qadir等[30]指出跨隔式封隔器轉(zhuǎn)向特別適用于強非均質(zhì)性碳酸鹽巖儲層薄差層的選擇性酸化、酸壓，其關(guān)鍵在于封隔器的精確坐封。而以往采用普通油管坐封跨隔式封隔器時工序繁瑣、耗時。因此采用Φ73 mm大直徑連續(xù)油管與跨隔式封隔器聯(lián)用，僅下入一趟管柱就成功對之前無產(chǎn)量的灰?guī)r儲層薄差層進行了定點酸化，大幅節(jié)省了工時。為了解決普通連續(xù)油管下入封隔器因連續(xù)油管自重伸長不能精確坐封精度問題，Nikita等[32]通過連續(xù)油管光纖攜帶套管接箍定位器(CCL)實現(xiàn)了跨隔式封隔器在之前無產(chǎn)出薄層的精確坐封，并解放了該潛力層產(chǎn)量。

連續(xù)油管攜帶跨隔式封隔器定點酸化具有操作簡便、節(jié)約工時的特點，且和最新光纖連續(xù)油管聯(lián)用可以實現(xiàn)薄差層的精確定點酸化。但是該研究認為跨隔式封隔器成本較高，應(yīng)在材質(zhì)上進行創(chuàng)新以降低成本，從而進一步擴大該技術(shù)的應(yīng)用。

3 連續(xù)油管機械轉(zhuǎn)向技術(shù)

連續(xù)油管在20世紀60年代開始在石油工業(yè)中應(yīng)用[33]。其技術(shù)特點是可以通過拖動連續(xù)油管的方式對儲層進行選擇性酸化，特別適用于長射孔段直井以及水平井酸化解堵，是水平井基質(zhì)酸化最佳轉(zhuǎn)向技術(shù)。但是針對非均質(zhì)性較強、酸液轉(zhuǎn)向更加困難的碳酸鹽巖儲層，連續(xù)油管機械轉(zhuǎn)向技術(shù)也面臨一些問題需要解決。該研究總結(jié)出主要有3個問題:1)連續(xù)油管受自身長度限制以及下入長水平井段時發(fā)生自鎖難以下入超深水平井趾部;2)連續(xù)油管受管柱自重伸長影響無法精確定位;3)酸液排量較低酸液在儲層內(nèi)的穿透深度有限。

3.1 超深水平井大直徑連續(xù)油管結(jié)合牽引器酸化技術(shù)

Hussain等[34]指出連續(xù)油管在對水平井進行酸化時，存在小直徑連續(xù)油管下入深井時易發(fā)生自鎖，以及小直徑連續(xù)油管排量較低無法對深部儲層有效酸化的問題。針對該問題使用Φ73.03 mm的大尺寸連續(xù)油管以及直徑為Φ84.67 mm的液壓動力牽引器[34](如圖3所示)，成功對總井深為8 239 m、水平井段長度為1 500 m的裸眼水平井實施了酸化作業(yè)，施工最高排量達0.8 m3/min。

圖3 連續(xù)油管牽引器Fig.3 Coiled tubing tractor

Murtaza等[35]針對水平井多級封隔器完井封隔閥(MFIV)內(nèi)徑較小問題，研發(fā)了目前世界最小直徑的連續(xù)油管牽引器(Φ54 mm)進行酸化施工，最大拉力為1.44 t，與不采用牽引器的酸化施工相比下深提高了30%～40%。

大直徑連續(xù)油管可降低螺旋彎曲對連續(xù)油管下入的影響，結(jié)合牽引器可下入超深水平段[36]。且大直徑連續(xù)油管改善了連續(xù)油管排量低、酸液穿透深度小的問題。但現(xiàn)場完井管柱的最小內(nèi)徑通常限制了大直徑連續(xù)油管的使用，可通過預(yù)先優(yōu)化完井管柱以及完井工序來解決該問題。

3.2 連續(xù)油管光纖精確定位及實時測井輔助酸化技術(shù)

Butler[37]和Alzaid[38]等指出，連續(xù)油管攜帶跨隔式封隔器受管柱懸重影響無法在薄差層精確坐封，分支井連續(xù)油管難以進入分支井筒一直是碳酸鹽巖儲層酸化領(lǐng)域面臨的2個技術(shù)難題。而連續(xù)油管光纖技術(shù)的出現(xiàn)提供了有效的解決方案。連續(xù)油管光纖系統(tǒng)主要由地面設(shè)備、數(shù)據(jù)采集處理軟件、光纖以及井下工具或探測器組成。采用不同探測器可以實時探測井下溫度、壓力、深度以及連續(xù)油管應(yīng)力值，如圖4所示[31]。

圖4 連續(xù)油管光纖探測工具總成Fig.4 Integrated sensor bottom hole assembly

斯倫貝謝公司[39]通過采用連續(xù)油管光纖實時井溫測井識別高滲“賊層”，從而及時調(diào)整泵注程序，大幅提高了均勻布酸效果。多分支井連續(xù)油管增產(chǎn)作業(yè)的難點在于連續(xù)油管下入過程中如何找到并進入分支井筒，采用常規(guī)連續(xù)油管酸化工具下入分支井筒成功率很低[37-39]。Mustafa等[40]采用連續(xù)油管光纖實時伽馬探測工具，并與連續(xù)油管導(dǎo)向工具和新研發(fā)的動態(tài)選擇性噴射工具(如圖5所示)結(jié)合，實現(xiàn)了分支井進入和酸化一趟鉆作業(yè)，大幅提高了作業(yè)效率和增產(chǎn)效果。

圖5 轉(zhuǎn)向酸化噴射工具及其新型封隔滑套系統(tǒng)Fig.5 New isolation sleeve system on dynamic diversion tool

目前常規(guī)光纖連續(xù)油管測量數(shù)據(jù)需要等待施工完畢后采用專業(yè)軟件讀取和解釋，不具有時效性。在光纖連續(xù)油管全管段加裝實時探測器進行實時探測、傳輸，以便實時調(diào)整酸化參數(shù)，是光纖連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展方向。

3.3 連續(xù)油管與化學(xué)轉(zhuǎn)向、可降解纖維聯(lián)合轉(zhuǎn)向酸化技術(shù)

連續(xù)油管技術(shù)常與其他化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)聯(lián)用以提高轉(zhuǎn)向效果。其中，通過連續(xù)油管泵注清潔自轉(zhuǎn)向酸(VES)進行機械、化學(xué)聯(lián)合轉(zhuǎn)向在中東地區(qū)碳酸鹽巖儲層水平井酸化施工中取得了良好的作業(yè)效果[41-43]。Al-Nakhli A[44]在注水井連續(xù)油管酸化作業(yè)時加入以黏彈性表面活性劑為起泡劑的氮氣泡沫段塞，與普通泡沫段塞相比黏度更大、半衰期更長，施工曲線顯示轉(zhuǎn)向效果非常明顯。斯倫貝謝公司[39]研制了分散性、懸浮性更好的新型纖維(如圖6所示)并用于連續(xù)油管、可降解纖維和清潔自轉(zhuǎn)向酸的聯(lián)合轉(zhuǎn)向，取得了非常好的作業(yè)效果。

圖6 適用于連續(xù)油管泵注的新型纖維與普通纖維(在15%HCl中)分散性對比Fig.6 Fiber disperseability of coiled tubing compatible fiber and non compatible fiber(in 15%HCl)

連續(xù)油管與化學(xué)轉(zhuǎn)向及可降解纖維聯(lián)合可以實現(xiàn)層內(nèi)、層外聯(lián)合轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向效果優(yōu)于常規(guī)機械或化學(xué)轉(zhuǎn)向技術(shù)。但目前常用的可降解纖維具有疏水性使其加量濃度受到較大影響，且其降解時間較長，需要在后續(xù)研究中對材質(zhì)親水性能和降解性能加以改進。

3.4 碳酸鹽巖儲層裸眼水平井連續(xù)油管噴射鉆孔、酸化一體化技術(shù)

連續(xù)油管機械轉(zhuǎn)向的一個主要缺點就是排量較低，導(dǎo)致酸液在儲層中穿透深度有限。而碳酸鹽巖儲層裸眼水平井連續(xù)油管噴射鉆孔、酸化一體化技術(shù)通過噴射酸液在碳酸鹽巖儲層中鉆進形成新孔道，可大幅增加油井泄油面積。該技術(shù)于2005年在印尼首次應(yīng)用[45]，通過連續(xù)油管攜帶造斜工具和噴嘴在裸眼井井壁朝著儲層“甜點”方向噴射出酸蝕孔道，同時酸液在井壁快速濾失也會形成大量酸蝕蚓孔，從而大幅增大油井與油層的接觸面積并規(guī)避水層，最終達到增油控水目的。造斜工具由2個壓力啟動彎曲短節(jié)組成，其工具張角為5°～15°，造斜啟動壓力為7 MPa(如圖7所示)。目前采用該技術(shù)噴射形成的最長孔道的長度為36 m，平均長度7.2 m[46]。

圖7 連續(xù)油管噴射鉆孔工具示意圖Fig.7 Schematic of coiled tubing acid tunneling tool

水平井連續(xù)油管噴射鉆孔技術(shù)在委內(nèi)瑞拉油田[45]應(yīng)用后取得了非常好的效果。該油田7口井酸洗、壓裂作業(yè)后產(chǎn)油量下降，產(chǎn)水量卻大幅上升。而同油田的5口井采用該技術(shù)后，平均增油幅度達到200%，如圖8所示[45]。

圖8 連續(xù)油管噴射鉆孔與壓裂、酸洗增產(chǎn)效果對比Fig.8 Comparison among coiled tubing acid tunneling,fracturing and acid wash

Silviu等[47]建立了一個連續(xù)油管噴射鉆孔數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了泵速、孔眼尺寸、噴射面角度、連續(xù)油管尺寸和下壓力等影響噴射鉆進深度的因素，與現(xiàn)有的連續(xù)油管商業(yè)模擬軟件結(jié)合可對鉆深進行預(yù)測，但現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)實際鉆深比預(yù)測值低30%～50%。

連續(xù)油管噴射鉆孔、酸化一體化技術(shù)可通過向預(yù)設(shè)油層方向鉆進起到增大泄油面積及穩(wěn)油控水效果。但現(xiàn)有噴射鉆孔數(shù)學(xué)模型僅耦合了機械力學(xué)數(shù)學(xué)模型與流體力學(xué)模型導(dǎo)致鉆深預(yù)測精度較低，后續(xù)需要耦合酸巖反應(yīng)動力學(xué)模型以提高預(yù)測精度。另外，該技術(shù)的鉆進角度通過調(diào)節(jié)工具彎角提前進行預(yù)設(shè)，不能根據(jù)地層實際情況進行實時調(diào)整。后續(xù)可將連續(xù)油管光纖與該技術(shù)結(jié)合，通過實時監(jiān)測孔道軌跡及時調(diào)整酸液泵注程序和連續(xù)油管施工參數(shù)，可實時優(yōu)化鉆進方向和軌跡，從而增大鉆進深度以提高增油控水效果。

4 結(jié)語

基于最大壓差及注入速率技術(shù)新發(fā)展出的CAJ技術(shù)在長井段水平井酸化作業(yè)中大幅優(yōu)于連續(xù)油管酸化，但是其酸化轉(zhuǎn)向效果仍有待進行驗證，以期在其他碳酸鹽巖油田推廣應(yīng)用。堵球轉(zhuǎn)向技術(shù)可靠性較低，今后應(yīng)與其他轉(zhuǎn)向技術(shù)聯(lián)用以提高其轉(zhuǎn)向可靠性；另外，蠟球堵球在高含水儲層易產(chǎn)生儲層傷害，采用最新可自降解高分子材料制成不同密度的堵球，并提高數(shù)模軟件精度輔助泵注參數(shù)設(shè)計提高坐封可靠性，是該技術(shù)的發(fā)展方向。在全球勘探開發(fā)縱深化趨勢下，通過開發(fā)新材質(zhì)減小封隔器直徑，并提高封隔器的耐溫性和膨脹比，以實現(xiàn)更小直徑井眼多級分段酸化是封隔器技術(shù)發(fā)展方向。連續(xù)油管轉(zhuǎn)向是碳酸鹽巖儲層水平井最佳轉(zhuǎn)向技術(shù)。針對連續(xù)油管排量低、下深受油管長度限制的問題，應(yīng)繼續(xù)加強大尺寸連續(xù)油管以及小直徑牽引器的制造和應(yīng)用研究，并加大連續(xù)油管光纖技術(shù)應(yīng)用力度，從而滿足日益增多的超深井水平井及多分支井的連續(xù)油管選擇性增產(chǎn)改造和薄差層精確定位儲層改造需求。碳酸鹽巖儲層裸眼水平井連續(xù)油管噴射鉆孔酸化技術(shù)將鉆井、酸化技術(shù)相結(jié)合，增油控水效果大幅優(yōu)于常規(guī)酸化技術(shù)。進一步優(yōu)化噴射鉆進數(shù)學(xué)模型并與連續(xù)油管光纖技術(shù)結(jié)合以提高鉆進深度和增油控水效果是該技術(shù)的發(fā)展方向。

碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性較強，需要采用可靠性較高的機械轉(zhuǎn)向方式進行儲層改造。同時，結(jié)合化學(xué)轉(zhuǎn)向和可降解纖維/顆粒同時進行層內(nèi)、層外聯(lián)合轉(zhuǎn)向，可以進一步提高儲層動用程度，是碳酸鹽巖儲層轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢。