CN107066769B - 适用于超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法,依次包括以下步骤:(1)计算注入排量Q inj的取值范围,Q ro≤Q inj<Q lim,Q ro为天然裂缝重张临界排量,Q lim为施工上限排量;(2)优选设计施工排量Q op及酸液用量V op;(3)设计泵注程序。本发明考虑了碳酸盐岩储层天然裂缝张开过程中的力学特征和张开后的酸液流动反应特征,同时结合了储层地质特征和工程条件,可以很大程度解决目前超深层裂缝型碳酸盐岩储层深度解堵酸化施工参数设计盲目性的问题,提高酸化增产效果,节约酸化经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及石油工程领域超深层裂缝型碳酸盐岩储层的一种高效酸化设计方法,以确保酸液能够进入天然裂缝解除其内部污染,让天然裂缝成为原油及天然气流入井筒的高速通道,提高酸化增产效果。
背景技术
我国海相碳酸盐岩油气资源量约340×108t油当量,且探明率仅11%,勘探开发潜力巨大(谢锦龙,黄冲,王晓星.中国碳酸盐岩油气藏探明储量分布特征[J].海相油气地质,2009,(02):24-30)。近年来,随着我国海相碳酸盐岩勘探目标向深层、超深层转移,超深层裂缝型碳酸盐岩作为一种主要的储层类型成为了勘探开发的重点。此类储层一般基质渗流能力较低,以天然裂缝作为油气流动的主要通道。钻、完井过程中工作液会进入并堵塞天然裂缝,从而降低油气井的产能。能否恢复天然裂缝的流动能力,对实现裂缝型碳酸盐岩储层的经济高效开采具有重要意义(邹才能.非常规油气地质[M].地质出版社,2011)。
一般来说,针对低渗碳酸盐岩储层,通过酸化压裂形成一条高导流能力的人工裂缝是有效的改造方式;但超深层碳酸盐岩(以川西下二叠统为例)由于其埋深较深(≥6500m),压力系数高(1.4~1.9),井口破裂压力高,在现有工程条件下难以压破储层;基质酸化是此类储层安全、经济高效建产、增产的唯一手段。
碳酸盐岩基质酸化是在不压破储层岩石的条件下以较低施工排量将酸注入储层,通过酸溶蚀近井伤害区内的岩石,从而改善近井伤害区域流动能力,该方法主要用于中-高渗透孔隙型碳酸盐岩储层。由于裂缝型碳酸盐岩储层钻完井工作液漏失形成“非径向”污染带且伤害半径大,常规基质酸化难以实现对天然裂缝的深度解堵和恢复天然裂缝的流动能力(郭建春,王兴文,曾凡辉.异常高应力储层改造理论与技术[M].科学出版社,2015)。
针对裂缝型碳酸盐岩储层,解除钻完井过程中工作液漏失引起的天然裂缝深部伤害是高效酸化改造的技术关键。其核心思路为:以一定的施工排量迫使天然裂缝重新张开,令酸液沿天然裂缝流动反应从而形成一定的天然裂缝有效缝长和酸化后缝宽,最终形成油气流动的高速通道(郭建春,卢聪,肖勇,任冀川,佘朝毅,桑宇.四川盆地龙王庙组气藏最大化降低表皮系数的储层改造技术[J].天然气工业,2014,(03):97-102)。
目前的裂缝型碳酸盐岩储层酸化设计方法仅用酸液有效作用距离(酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离为酸液有效作用距离)为指标优化酸液的施工排量和酸液用量(赵立强,刘平礼,刘向东,等.裂缝性碳酸盐岩基质酸化设计计算方法研究[J].天然气工业,2001,21(4):69-71),且没有判断天然裂缝在储层条件和工程条件下能否重新开启,这种设计方法无法满足超深层裂缝型碳酸盐岩储层针对天然裂缝深部解堵酸化的安全高效改造需求。
超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计包括实现重新张开天然裂缝和提高天然裂缝流动能力的双目标的施工参数优化。待设计的施工参数包括满足天然裂缝临界重张排量Qro同时又不超过井口施工限压Qlim的施工排量Qop,以及能够使酸化后表皮系数Sad达到最低的酸液用量Vop。施工排量、酸液用量太小,无法张开天然裂缝,也无法对天然裂缝进行深度解堵;施工排量、酸液用量过大,不仅会增加施工风险,更会增加经济成本。因此,亟需一种超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对超深层裂缝型碳酸盐岩储层高效解堵的酸化设计方法。该方法原理可靠,操作简便,可直接利用区块基本地质参数及目标井的工程参数,方便高效地开展酸化设计,具有广阔的市场应用前景。
为达到以上技术目的,本发明提供以下技术方案。
适用于超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法,依次包括以下步骤:
(1)计算注入排量Qinj的取值范围,Qro≤Qinj<Qlim,Qro为天然裂缝重张临界排量,Qlim为施工上限排量。
为了判断天然裂缝在酸化过程中能否张开,考虑酸液在井筒内的压缩性、向储层的渗滤以及储层污染表皮系数,建立井筒憋压模型,并基于测井资料及井身结构数据计算天然裂缝重张临界排量Qro;为了保证施工过程中井口压力不超过施工限压,基于酸液体系性能评价资料及井身结构数据,计算施工上限排量Qlim。
(2)优选设计施工排量Qop及酸液用量Vop。
考虑天然裂缝为绕井眼的圆形裂缝,建立径向裂缝酸化模拟模型。基于步骤(1)中给出的注入排量范围(Qro≤Qinj<Qlim),计算不同注入排量及酸液用量条件下的酸化后天然裂缝有效长度ref及酸化后缝宽wacid。由计算获得的ref及wacid计算酸化后等效井眼半径raew,然后带入酸化后表皮系数计算模型,并根据计算所得最低表皮系数对应的Qinj确定施工排量Qop及对应的酸液用量Vop。
(3)设计泵注程序。
基于步骤(2)中优选的Qop及Vop,为了降低初期施工难度和提高酸液利用效率,采用变排量四段式的阶梯注入方式设计泵注程序。
本发明中,所述步骤(1)计算注入排量Qinj的取值范围,具体过程如下:
为了判断闭合的天然裂缝在一定的注入排量下能否开启,建立井筒憋压模型(见图1):假设有一条天然裂缝穿过井筒,裂缝未张开前不提供额外的渗流能力。井筒容积恒定,酸液向天然裂缝和储层中的流动考虑为径向流动并符合达西定律,忽略短时间内酸液对储层渗透率的改善。
通过测井、录井资料获取井底流体压力pw、储层孔隙压力ps、油井泄油半径re、储层基质渗透率km、储层基质污染后渗透率kd、储层平均孔隙度φ、泥浆漏失量Vloss、天然裂缝有效长度ref、天然裂缝平均宽度w;通过井身结构资料获取储层打开厚度h;通过酸液体系性能评价资料获得酸液黏度μ。并根据式(1)计算流出井筒的流体流量Qout(李颖川.采油工程[M].石油工业出版社,2009):
式中:Qout表示流出井筒的流体流量,m3/s;
km表示储层基质渗透率,10-3μm2;
h表示储层打开厚度,m;
pw表示井底流体压力,MPa;
ps表示储层孔隙压力,MPa;
re表示油井泄油半径,m;
rw表示井眼半径,m;
μ表示酸液黏度,mPa·s;
Sd表示储层污染表皮系数,无因次。
式(1)中储层污染表皮系数Sd由式(2)计算:
式中:kd表示储层基质污染后渗透率,10-3μm2;
rd表示储层污染半径,m;
rew表示等效井眼半径,m。
式(2)中储层污染半径rd由式(3)计算:
式中:Vloss表示泥浆漏失量,m3;
φ表示储层平均孔隙度,无因次。
式(2)中等效井眼半径rew由式(4)计算:
式中:ref表示有效天然裂缝长度,m;
w表示天然裂缝平均宽度,m。
式(4)根据Meyer于2005年提出的等效井眼半径计算方法(Meyer B R,Jacot RH.Pseudosteady-state analysis of finite conductivity vertical fractures[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Society of PetroleumEngineers,2005),结合Prats于1961年给出的无因次参数α定义推导得到(Prats M.Effectof vertical fractures on reservoir behavior-incompressible fluid case[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1961:105-118)。具体推导过程如下:
无因次参数α定义如式(5)所示:
等效井眼半径计算方法,如式(6)、式(7)所示:
式中:kf表示天然裂缝渗透率,10-3μm2;
α表示无因次参数,无因次;
CfD表示无因次导流能力,无因次。
将式(5)带入式(6)得消去无因次参数α的无因次导流能力CfD表达式:
将式(8)带入式(7)得裂缝型储层等效井眼半径rew计算公式:
在储层污染条件下,做出如下假设,式(9)中天然裂缝渗透率kf及储层基质渗透率km均等于储层基质污染后渗透率kd,因此对式(9)进行简化后即可得式(4)。
基于式(1)计算结果,由下式计算时间步长Δt内井筒内流体体积变化量ΔV:
ΔV=Δt(Qinj-Qout) (10)
式中:ΔV表示流体体积变化量,m3;
Δt表示计算时间步长,s;
Qinj表示注入排量,m3/s。
通过井身结构数据获取井筒容积V,由下式计算压缩作用引起的流体体积变化量ΔV所需井底流体压力变化量Δp:
式中:Δp表示井底流体压力变化量,MPa;
Cacid表示酸液压缩系数,MPa-1;
V表示井筒容积,m3。
基于式(11)计算结果,由下式计算当前时间步井底流体压力pw:
pw=pw'+Δp (12)
式中:pw,pw’分别表示当前时间步井底流体压力和上一时间步井底流体压力,MPa。
通过式(1)~(4),式(10)~(12)进行迭代计算,可以获取当前注入排量Qinj条件下的井底流体压力pw。
假设天然裂缝张开前,酸液渗滤进入天然裂缝和储层,当井底流体压力pw大于或等于天然裂缝壁面法向应力σn时,则判断天然裂缝能够重新张开;
pw≥σn (13)
式中:σn为天然裂缝壁面法向应力,MPa。
式(13)中天然裂缝壁面法向应力σn按照下式计算(李颖川.采油工程[M].石油工业出版社,2009):
式中:θ表示天然裂缝与井筒或水力裂缝的逼近角,°;
σH表示最大水平主应力,MPa;
σh表示最小水平主应力,MPa。
通过式(1)~(4)、式(10)~(14),从低注入排量Qinj(取值2m3/min)开始取值,计算当前注入排量Qinj条件下的井底流体压力pw,当井底流体压力pw等于天然裂缝壁面法向应力σn时,此时的注入排量Qinj即为天然裂缝重张临界排量Qro。否则可增大Qinj,重复上述步骤,直至满足pw=σn。
通过酸液体系性能评价资料获得酸液密度ρ、摩阻系数f,通过井身结构资料获得油管长度L、油管直径D、改造段中深H,并根据式(15)计算对应注入排量Qinj下的井口压力pt(李颖川.采油工程[M].石油工业出版社,2009):
pt=pw+pF-pH (15)
式中:pt表示井口压力,MPa;
pF表示酸液在井筒中摩阻,MPa;
pH表示井筒中液柱压力,MPa。
酸液在井筒中摩阻pF根据式(16)计算:
式中:ρ表示酸液密度,kg/m3;
f表示摩阻系数,无因次;
L表示油管长度,m;
D表示油管直径,m。
式(15)中井筒中液柱压力pH根据式(17)计算:
pH=ρgH (17)
式中:g表示重力加速度,取值9.8N/kg;
H表示改造段中深,m。
从高注入排量Qinj(取值7m3/min)开始取值,通过式(1)~(4)、(10)~(12)计算当前注入排量Qinj条件下的井底流体压力pw,再由式(15)~(17)计算井口压力pt。当井口压力pt等于井口施工限压plim(井口施工限压plim依照井口装置参数获取)时,此时的注入排量Qinj即为井口施工上限排量Qlim。否则可减小Qinj,重复上述步骤,直至满足pt=plim。
通过以上步骤,则可获取注入排量Qinj的可取值范围,其下限为天然裂缝重张临界排量Qro,其上限为施工上限排量Qlim,即Qro≤Qinj<Qlim。
本发明中,所述步骤(2)优选设计施工排量Qop及酸液用量Vop,具体过程如下:
假设天然裂缝为绕井眼的圆形裂缝(见图2),忽略酸液在天然裂缝壁面滤失,根据Dong在2000年提出的笛卡尔直角坐标系下的酸液在天然裂缝中的流动反应模型,并将其进行坐标变化,得到适合于本方法的径向天然裂缝酸化模型(Dong C,Zhu D,HillAD.Modeling of the acidizing process in naturally fractured carbonates[J].SPEJournal,2002,7(04):400-408)。
式中:x表示天然裂缝长度方向坐标,m;
z表示天然裂缝高度方向坐标,m;
p表示酸液流动压力,MPa;
C表示酸液浓度,kg/m3;
t表示注酸时间,s;
kg表示地层温度条件下酸液传质系数,m/s;
β表示地层温度条件下酸液溶解储层岩石的能力,无因次。
对式(18)~(20)进行极坐标转化,则可获得径向坐标系条件下天然裂缝缝长方向的酸液质量守恒方程(式(21))、传质方程(式(22))和缝宽动态变化方程(式(23))如下:
初始条件如式(24)、式(25)所示:
p(r)=0 t=0 (24)
C(r)=0 t=0 (25)
模型的边界条件如式(26)~(28)所示:
p(rf)=ps (27)
C(rw)=Ci (28)
式中:r表示天然裂缝任意位置到井眼中心的距离,m;
Ci表示酸液初始浓度,kg/m3;
式(23)中kg、β由酸液体系性能评价资料获得。
酸液注入量Vinj由当前条件下注入排量Qinj和注酸时间t按下式计算:
Vinj=Qinj×t (29)
式中:Vinj表示酸液注入量,m3。
对建立的酸液流动反应模型式(21)~(29)进行数值求解,即可得到当前注入排量Qinj和注酸时间t条件下天然裂缝有效长度(酸液有效作用距离)ref和酸化后缝宽wacid,将其代入下式,从而获得酸化后等效井眼半径raew:
式中:raew表示酸化后等效井眼半径,m;
ref表示有效天然裂缝长度,m;
kd表示储层基质污染后渗透率,10-3μm2;
wacid表示酸化后缝宽,m。
式(30)根据裂缝型储层等效井眼半径rew计算公式(式(9))演变而来。
在针对天然裂缝采取酸化措施条件下,做出如下假设:式(9)中储层基质渗透率km等于储层基质污染后渗透率kd;天然裂缝渗透率kf等于天然裂缝酸化后渗透率kaf,天然裂缝平均宽度w等于酸化后缝宽wacid。因此将假设参数带入式(9)后即可得式(31)。
式中:kaf表示天然裂缝酸化后渗透率,10-3μm2;
天然裂缝酸化后渗透率kaf由酸化后缝宽wacid根据立方定律计算获得:
将式(32)代入式(31)即可得酸化后等效井眼半径raew计算公式。
将酸化后等效井眼半径raew代入下式(由式(2)演变而来),从而得到酸化后表皮系数Sad:
式中:Sad表示酸化后表皮系数,无因次。
基于步骤(1)中计算所得的注入排量Qinj的取值范围,通过式(21)~(33)提供的计算方法,依次计算不同的Qinj及Vinj条件下的酸化后表皮系数Sad。最后优选酸化后表皮系数Sad最低值所对应的注入排量Qinj及酸液注入量Vinj作为施工排量Qop及酸液用量Vop。
本发明中,所述步骤(3)设计泵注程序,具体过程如下:
为降低初期施工难度,进一步提高酸液利用效率,增加近井地带天然裂缝宽度,采用变排量四段式的阶梯注入方式设计泵注程序:
第一阶段,注入酸量10%Vop,注入排量通常取值1~2m3/min,具体视井口压力确定;
第二阶段,注入酸量30%Vop,注入排量由第一阶段注入排量递增至Qop,变化阶梯数A;
第三阶段,注入酸量30%Vop,注入排量为优化设计的施工排量Qop;
第四阶段,注入酸量30%Vop,注入排量由Qop递减至第一阶段注入排量,变化阶梯数A。
其中第二、第四阶段内每个阶梯注入时间相等,每个阶梯注入酸量Vp由阶段总酸量及注入阶梯数确定:
式中:Vp表示每个阶梯注酸量,m3;
A表示注入阶梯数,无因次。
其中第二、第四阶段变化阶梯数A取值为3~5个,具体视现场施工压力确定。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明设计的施工参数考虑了裂缝型碳酸盐岩储层天然裂缝张开过程中的力学特征和张开后的酸液流动反应特征,同时结合了储层地质特征和工程条件,可以很大程度的解决目前超深层裂缝型碳酸盐岩储层深度解堵酸化施工参数设计盲目性的问题,提高酸化增产效果,节约酸化经济成本。
附图说明
图1是井筒憋压模型的示意图。
图2是径向天然裂缝酸化模型示意图。
图3是不同注入排量下井底压力与井口压力计算结果。
图4是注酸量100m3条件下注酸排量对酸化后天然裂缝有效长度和缝宽的影响。
图5是注酸排量和用酸量对表皮系数的影响。
具体实施方式
下面结合附图和现场应用实例进一步说明本发明。
该实施方式旨在对本发明做示意性说明和解释,并不限定本发明的范围。
适用于超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法,具体过程如下:
某一碳酸盐岩气藏一裸眼完井直井完钻深度为7512m,其7332-7371m井段钻井过程中漏失泥浆79m3。根据测井资料判断为天然裂缝发育层段,欲对本段天然裂缝进行酸化解堵。本井的相关参数如表1所示。
表1本井的储层物性资料、流体参数资料、井身结构资料
A基于表1中的数据,根据步骤(1)中式(1)~(4),式(10)~(14)计算,本井天然裂缝重张临界排量Qro为3.5m3/min;根据式(1)~(4),式(10)~(12)、式(15)~(17)计算得井口施工上限排量Qlim为5m3/min;不同排量条件下井底及井口压力计算结果如图3所示。
B基于表1中的数据及A中的计算结果,根据步骤(2)采用有限差分法对式(21)~(29)进行数值求解,获得了不同排量、不同酸量条件下对应的天然裂缝有效长度ref及酸化后缝宽wacid,其中100m3用酸量条件下不同排量对应ref及wacid如图4所示;
C基于表1中的数据及B中的计算结果,根据步骤(2)中式(30)~(33)计算不同ref及wacid对应的酸化后表皮系数Sad。
D根据C中表皮系数计算结果(图5),分别优选设计施工排量Qop及设计酸液用量Vop;①设计施工排量Qop:酸化后表皮系数Sad随排量增大而明显降低,但5m3/min对应井口压力十分接近井口限压,考虑施工安全,选择4.5m3/min作为Qop。②设计酸液用量Vop:在4.5m3/min条件下,酸化后表皮系数Sad随酸液用量增大而降低,但在超过200m3后降低幅度不明显,考虑经济因素,选择200m3作为Vop。
E采用D中推荐的施工排量Qop及酸液用量Vop通过步骤(3)设计泵注程序。具体设计泵注程序如下:
第一阶段,注入酸量20m3,注入排量2m3/min;
第二阶段,注入酸量60m3,注入排量由2m3/min递增至4.5m3/min,变化阶梯数4,阶梯酸量15m3;
第三阶段,注入酸量60m3,注入排量为优化设计的施工排量4.5m3/min;
第四阶段,注入酸量60m3,注入排量由4.5m3/min递减至2m3/min,变化阶梯数4,阶梯酸量15m3。
按照本发明确定的施工排量和酸液用量成功完成了对本井的现场实施,酸化后测试求得本井产能83.7×104m3/d,较邻井S2井提升2.3倍,通过本方法成功实现了对此类储层的高效改造。
Claims (2)
1.适用于超深层裂缝型碳酸盐岩储层的高效酸化设计方法,依次包括以下步骤:
(1)计算注入排量Qinj的取值范围,Qro≤Qinj<Qlim,Qro为天然裂缝重张临界排量,Qlim为施工上限排量,具体过程如下:
天然裂缝重张临界排量Qro的计算通过如下公式:
ΔV=Δt(Qinj-Qout)
pw=pw'+Δp
式中:Qout表示流出井筒的流体流量,m3/s;
km表示储层基质渗透率,10-3μm2;
h表示储层打开厚度,m;
pw表示井底流体压力,MPa;
ps表示储层孔隙压力,MPa;
re表示油井泄油半径,m;
rw表示井眼半径,m;
μ表示酸液黏度,mPa·s;
Sd表示储层污染表皮系数,无因次;
ΔV表示流体体积变化量,m3;
Δt表示计算时间步长,s;
Qinj表示注入排量,m3/s;
Δp表示井底流体压力变化量,MPa;
Cacid表示酸液压缩系数,MPa-1;
V表示井筒容积,m3;
pw,pw’分别表示当前时间步井底流体压力和上一时间步井底流体压力,MPa;
从低注入排量Qinj开始取值,计算当前注入排量Qinj条件下的井底流体压力pw,当井底流体压力pw等于天然裂缝壁面法向应力σn时,此时的注入排量Qinj即为天然裂缝重张临界排量Qro;
施工上限排量Qlim的计算通过如下公式:
pt=pw+pF-pH
pH=ρgH
式中:pt表示井口压力,MPa;
pF表示酸液在井筒中摩阻,MPa;
pH表示井筒中液柱压力,MPa;
ρ表示酸液密度,kg/m3;
f表示摩阻系数,无因次;
L表示油管长度,m;
D表示油管直径,m;
H表示改造段中深,m;
从高注入排量Qinj开始取值,计算当前注入排量Qinj条件下的井底流体压力pw和pt,当井口压力pt等于井口施工限压plim时,此时的注入排量Qinj即为井口施工上限排量Qlim;
(2)优选设计施工排量Qop及酸液用量Vop,通过以下公式:
Vinj=Qinj×t
式中:Vinj表示酸液注入量,m3;
Qinj表示注入排量,m3/s;
t表示注酸时间,s;
raew表示酸化后等效井眼半径,m;
ref表示有效天然裂缝长度,m;
kd表示储层基质污染后渗透率,10-3μm2;
wacid表示酸化后缝宽,m;
Sad表示酸化后表皮系数,无因次;
km表示储层基质渗透率,10-3μm2;
rw表示井眼半径,m;
rd表示储层污染半径,m;
基于注入排量Qinj的取值范围,依次计算不同的Qinj及Vinj条件下的酸化后表皮系数Sad,优选出酸化后表皮系数Sad最低值所对应的注入排量Qinj及酸液注入量Vinj作为施工排量Qop及酸液用量Vop;
(3)设计泵注程序,是指采用变排量四段式的阶梯注入方式设计泵注程序:
第一阶段,注入酸量10%Vop,注入排量取值1~2m3/min;
第二阶段,注入酸量30%Vop,注入排量由第一阶段注入排量递增至Qop,变化阶梯数A;
第三阶段,注入酸量30%Vop,注入排量为优化设计的施工排量Qop;
第四阶段,注入酸量30%Vop,注入排量由Qop递减至第一阶段注入排量,变化阶梯数A;
其中第二、第四阶段内每个阶梯注入时间相等,每个阶梯注入酸量Vp由阶段总酸量及注入阶梯数确定:
式中:Vp表示每个阶梯注酸量,m3;
A表示注入阶梯数,无因次,A取值为3~5个。
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