本發(fā)明涉及石油工程領(lǐng)域超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層的一種高效酸化設(shè)計方法，以確保酸液能夠進入天然裂縫解除其內(nèi)部污染，讓天然裂縫成為原油及天然氣流入井筒的高速通道，提高酸化增產(chǎn)效果。

背景技術(shù)：

我國海相碳酸鹽巖油氣資源量約340×10⁸t油當量，且探明率僅11％，勘探開發(fā)潛力巨大(謝錦龍，黃沖，王曉星.中國碳酸鹽巖油氣藏探明儲量分布特征[j].海相油氣地質(zhì)，2009，(02):24-30)。近年來，隨著我國海相碳酸鹽巖勘探目標向深層、超深層轉(zhuǎn)移，超深層裂縫型碳酸鹽巖作為一種主要的儲層類型成為了勘探開發(fā)的重點。此類儲層一般基質(zhì)滲流能力較低，以天然裂縫作為油氣流動的主要通道。鉆、完井過程中工作液會進入并堵塞天然裂縫，從而降低油氣井的產(chǎn)能。能否恢復(fù)天然裂縫的流動能力，對實現(xiàn)裂縫型碳酸鹽巖儲層的經(jīng)濟高效開采具有重要意義(鄒才能.非常規(guī)油氣地質(zhì)[m].地質(zhì)出版社，2011)。

一般來說，針對低滲碳酸鹽巖儲層，通過酸化壓裂形成一條高導(dǎo)流能力的人工裂縫是有效的改造方式；但超深層碳酸鹽巖(以川西下二疊統(tǒng)為例)由于其埋深較深(≥6500m)，壓力系數(shù)高(1.4～1.9)，井口破裂壓力高，在現(xiàn)有工程條件下難以壓破儲層；基質(zhì)酸化是此類儲層安全、經(jīng)濟高效建產(chǎn)、增產(chǎn)的唯一手段。

碳酸鹽巖基質(zhì)酸化是在不壓破儲層巖石的條件下以較低施工排量將酸注入儲層，通過酸溶蝕近井傷害區(qū)內(nèi)的巖石，從而改善近井傷害區(qū)域流動能力，該方法主要用于中-高滲透孔隙型碳酸鹽巖儲層。由于裂縫型碳酸鹽巖儲層鉆完井工作液漏失形成“非徑向”污染帶且傷害半徑大，常規(guī)基質(zhì)酸化難以實現(xiàn)對天然裂縫的深度解堵和恢復(fù)天然裂縫的流動能力(郭建春，王興文，曾凡輝.異常高應(yīng)力儲層改造理論與技術(shù)[m].科學(xué)出版社，2015)。

針對裂縫型碳酸鹽巖儲層，解除鉆完井過程中工作液漏失引起的天然裂縫深部傷害是高效酸化改造的技術(shù)關(guān)鍵。其核心思路為：以一定的施工排量迫使天然裂縫重新張開，令酸液沿天然裂縫流動反應(yīng)從而形成一定的天然裂縫有效縫長和酸化后縫寬，最終形成油氣流動的高速通道(郭建春，盧聰，肖勇，任冀川，佘朝毅，桑宇.四川盆地龍王廟組氣藏最大化降低表皮系數(shù)的儲層改造技術(shù)[j].天然氣工業(yè)，2014，(03):97-102)。

目前的裂縫型碳酸鹽巖儲層酸化設(shè)計方法僅用酸液有效作用距離(酸液由活性酸變?yōu)闅埶嶂八鹘?jīng)裂縫的距離為酸液有效作用距離)為指標優(yōu)化酸液的施工排量和酸液用量(趙立強，劉平禮，劉向東，等.裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)酸化設(shè)計計算方法研究[j].天然氣工業(yè)，2001，21(4):69-71)，且沒有判斷天然裂縫在儲層條件和工程條件下能否重新開啟，這種設(shè)計方法無法滿足超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層針對天然裂縫深部解堵酸化的安全高效改造需求。

超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層的高效酸化設(shè)計包括實現(xiàn)重新張開天然裂縫和提高天然裂縫流動能力的雙目標的施工參數(shù)優(yōu)化。待設(shè)計的施工參數(shù)包括滿足天然裂縫臨界重張排量qro同時又不超過井口施工限壓qlim的施工排量qop，以及能夠使酸化后表皮系數(shù)sad達到最低的酸液用量vop。施工排量、酸液用量太小，無法張開天然裂縫，也無法對天然裂縫進行深度解堵；施工排量、酸液用量過大，不僅會增加施工風險，更會增加經(jīng)濟成本。因此，亟需一種超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層的高效酸化設(shè)計方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種針對超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層高效解堵的酸化設(shè)計方法。該方法原理可靠，操作簡便，可直接利用區(qū)塊基本地質(zhì)參數(shù)及目標井的工程參數(shù)，方便高效地開展酸化設(shè)計，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

適用于超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層的高效酸化設(shè)計方法，依次包括以下步驟：

(1)計算注入排量qinj的取值范圍，qro≤qinj<qlim，qro為天然裂縫重張臨界排量，qlim為施工上限排量。

為了判斷天然裂縫在酸化過程中能否張開，考慮酸液在井筒內(nèi)的壓縮性、向儲層的滲濾以及儲層污染表皮系數(shù)，建立井筒憋壓模型，并基于測井資料及井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算天然裂縫重張臨界排量qro；為了保證施工過程中井口壓力不超過施工限壓，基于酸液體系性能評價資料及井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計算施工上限排量qlim。

(2)優(yōu)選設(shè)計施工排量qop及酸液用量vop。

考慮天然裂縫為繞井眼的圓形裂縫，建立徑向裂縫酸化模擬模型?；诓襟E(1)中給出的注入排量范圍(qro≤qinj<qlim)，計算不同注入排量及酸液用量條件下的酸化后天然裂縫有效長度ref及酸化后縫寬wacid。由計算獲得的ref及wacid計算酸化后等效井眼半徑raew，然后帶入酸化后表皮系數(shù)計算模型，并根據(jù)計算所得最低表皮系數(shù)對應(yīng)的qinj確定施工排量qop及對應(yīng)的酸液用量vop。

(3)設(shè)計泵注程序。

基于步驟(2)中優(yōu)選的qop及vop，為了降低初期施工難度和提高酸液利用效率，采用變排量四段式的階梯注入方式設(shè)計泵注程序。

本發(fā)明中，所述步驟(1)計算注入排量qinj的取值范圍，具體過程如下：

為了判斷閉合的天然裂縫在一定的注入排量下能否開啟，建立井筒憋壓模型(見圖1)：假設(shè)有一條天然裂縫穿過井筒，裂縫未張開前不提供額外的滲流能力。井筒容積恒定，酸液向天然裂縫和儲層中的流動考慮為徑向流動并符合達西定律，忽略短時間內(nèi)酸液對儲層滲透率的改善。

通過測井、錄井資料獲取井底流體壓力pw、儲層孔隙壓力ps、油井泄油半徑re、儲層基質(zhì)滲透率km、儲層基質(zhì)污染后滲透率kd、儲層平均孔隙度φ、泥漿漏失量vloss、天然裂縫有效長度ref、天然裂縫平均寬度w；通過井身結(jié)構(gòu)資料獲取儲層打開厚度h；通過酸液體系性能評價資料獲得酸液黏度μ。并根據(jù)式(1)計算流出井筒的流體流量qout(李穎川.采油工程[m].石油工業(yè)出版社,2009)：

式中：qout表示流出井筒的流體流量，m³/s；

km表示儲層基質(zhì)滲透率，10^-3μm²；

h表示儲層打開厚度，m；

pw表示井底流體壓力，mpa；

ps表示儲層孔隙壓力，mpa；

re表示油井泄油半徑，m；

rw表示井眼半徑，m；

μ表示酸液黏度，mpa·s；

sd表示儲層污染表皮系數(shù)，無因次。

式(1)中儲層污染表皮系數(shù)sd由式(2)計算：

式中：kd表示儲層基質(zhì)污染后滲透率，10^-3μm²；

rd表示儲層污染半徑，m；

rew表示等效井眼半徑，m。

式(2)中儲層污染半徑rd由式(3)計算：

式中：vloss表示泥漿漏失量，m³；

φ表示儲層平均孔隙度，無因次。

式(2)中等效井眼半徑rew由式(4)計算：

式中：ref表示有效天然裂縫長度，m；

w表示天然裂縫平均寬度，m。

式(4)根據(jù)meyer于2005年提出的等效井眼半徑計算方法(meyerbr,jacotrh.pseudosteady-stateanalysisoffiniteconductivityverticalfractures[c]//speannualtechnicalconferenceandexhibition.societyofpetroleumengineers,2005)，結(jié)合prats于1961年給出的無因次參數(shù)α定義推導(dǎo)得到(pratsm.effectofverticalfracturesonreservoirbehavior-incompressiblefluidcase[j].societyofpetroleumengineersjournal,1961:105-118)。具體推導(dǎo)過程如下：

無因次參數(shù)α定義如式(5)所示：

等效井眼半徑計算方法，如式(6)、式(7)所示：

式中：kf表示天然裂縫滲透率，10^-3μm²；

α表示無因次參數(shù)，無因次；

cfd表示無因次導(dǎo)流能力，無因次。

將式(5)帶入式(6)得消去無因次參數(shù)α的無因次導(dǎo)流能力cfd表達式：

將式(8)帶入式(7)得裂縫型儲層等效井眼半徑rew計算公式：

在儲層污染條件下，做出如下假設(shè)，式(9)中天然裂縫滲透率kf及儲層基質(zhì)滲透率km均等于儲層基質(zhì)污染后滲透率kd，因此對式(9)進行簡化后即可得式(4)。

基于式(1)計算結(jié)果，由下式計算時間步長δt內(nèi)井筒內(nèi)流體體積變化量δv：

δv＝δt(qinj-qout)(10)

式中：δv表示流體體積變化量，m³；

δt表示計算時間步長，s；

qinj表示注入排量，m³/s。

通過井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取井筒容積v，由下式計算壓縮作用引起的流體體積變化量△v所需井底流體壓力變化量△p：

式中：△p表示井底流體壓力變化量，mpa；

cacid表示酸液壓縮系數(shù)，mpa^-1；

v表示井筒容積，m³。

基于式(11)計算結(jié)果，由下式計算當前時間步井底流體壓力pw：

pw＝pw'+δp(12)

式中：pw，pw’分別表示當前時間步井底流體壓力和上一時間步井底流體壓力，mpa。

通過式(1)～(4)，式(10)～(12)進行迭代計算，可以獲取當前注入排量qinj條件下的井底流體壓力pw。

假設(shè)天然裂縫張開前，酸液滲濾進入天然裂縫和儲層，當井底流體壓力pw大于或等于天然裂縫壁面法向應(yīng)力σn時，則判斷天然裂縫能夠重新張開；

pw≥σn(13)

式中：σn為天然裂縫壁面法向應(yīng)力，mpa。

式(13)中天然裂縫壁面法向應(yīng)力σn按照下式計算(李穎川.采油工程[m].石油工業(yè)出版社,2009)：

式中：θ表示天然裂縫與井筒或水力裂縫的逼近角，°；

σh表示最大水平主應(yīng)力，mpa；

σh表示最小水平主應(yīng)力，mpa。

通過式(1)～(4)、式(10)～(14)，從低注入排量qinj(取值2m³/min)開始取值，計算當前注入排量qinj條件下的井底流體壓力pw，當井底流體壓力pw等于天然裂縫壁面法向應(yīng)力σn時，此時的注入排量qinj即為天然裂縫重張臨界排量qro。否則可增大qinj，重復(fù)上述步驟，直至滿足pw＝σn。

通過酸液體系性能評價資料獲得酸液密度ρ、摩阻系數(shù)f，通過井身結(jié)構(gòu)資料獲得油管長度l、油管直徑d、改造段中深h，并根據(jù)式(15)計算對應(yīng)注入排量qinj下的井口壓力pt(李穎川.采油工程[m].石油工業(yè)出版社,2009)：

pt＝pw+pf-ph(15)

式中：pt表示井口壓力，mpa；

pf表示酸液在井筒中摩阻，mpa；

ph表示井筒中液柱壓力，mpa。

酸液在井筒中摩阻pf根據(jù)式(16)計算：

式中：ρ表示酸液密度，kg/m³；

f表示摩阻系數(shù)，無因次；

l表示油管長度，m；

d表示油管直徑，m。

式(15)中井筒中液柱壓力ph根據(jù)式(17)計算：

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。

從高注入排量qinj(取值7m³/min)開始取值，通過式(1)～(4)、(10)～(12)計算當前注入排量qinj條件下的井底流體壓力pw，再由式(15)～(17)計算井口壓力pt。當井口壓力pt等于井口施工限壓plim(井口施工限壓plim依照井口裝置參數(shù)獲取)時，此時的注入排量qinj即為井口施工上限排量qlim。否則可減小qinj，重復(fù)上述步驟，直至滿足pt＝plim。

通過以上步驟，則可獲取注入排量qinj的可取值范圍，其下限為天然裂縫重張臨界排量qro，其上限為施工上限排量qlim，即qro≤qinj<qlim。

本發(fā)明中，所述步驟(2)優(yōu)選設(shè)計施工排量qop及酸液用量vop，具體過程如下：

假設(shè)天然裂縫為繞井眼的圓形裂縫(見圖2)，忽略酸液在天然裂縫壁面濾失，根據(jù)dong在2000年提出的笛卡爾直角坐標系下的酸液在天然裂縫中的流動反應(yīng)模型，并將其進行坐標變化，得到適合于本方法的徑向天然裂縫酸化模型(dongc,zhud,hillad.modelingoftheacidizingprocessinnaturallyfracturedcarbonates[j].spejournal,2002,7(04):400-408)。

式中：x表示天然裂縫長度方向坐標，m；

z表示天然裂縫高度方向坐標，m；

p表示酸液流動壓力，mpa；

c表示酸液濃度，kg/m³；

t表示注酸時間，s；

kg表示地層溫度條件下酸液傳質(zhì)系數(shù)，m/s；

β表示地層溫度條件下酸液溶解儲層巖石的能力，無因次。

對式(18)～(20)進行極坐標轉(zhuǎn)化，則可獲得徑向坐標系條件下天然裂縫縫長方向的酸液質(zhì)量守恒方程(式(21))、傳質(zhì)方程(式(22))和縫寬動態(tài)變化方程(式(23))如下：

初始條件如式(24)、式(25)所示：

p(r)＝0t＝0(24)

c(r)＝0t＝0(25)

模型的邊界條件如式(26)～(28)所示：

p(rf)＝ps(27)

c(rw)＝ci(28)

式中：r表示天然裂縫任意位置到井眼中心的距離，m；

ci表示酸液初始濃度，kg/m³；

式(23)中kg、β由酸液體系性能評價資料獲得。

酸液注入量vinj由當前條件下注入排量qinj和注酸時間t按下式計算：

vinj＝qinj×t(29)

式中：vinj表示酸液注入量，m³。

對建立的酸液流動反應(yīng)模型式(21)～(29)進行數(shù)值求解，即可得到當前注入排量qinj和注酸時間t條件下天然裂縫有效長度(酸液有效作用距離)ref和酸化后縫寬wacid，將其代入下式，從而獲得酸化后等效井眼半徑raew：

式中：raew表示酸化后等效井眼半徑，m；

ref表示有效天然裂縫長度，m；

kd表示儲層基質(zhì)污染后滲透率，10^-3μm²；

wacid表示酸化后縫寬，m。

式(30)根據(jù)裂縫型儲層等效井眼半徑rew計算公式(式(9))演變而來。

在針對天然裂縫采取酸化措施條件下，做出如下假設(shè)：式(9)中儲層基質(zhì)滲透率km等于儲層基質(zhì)污染后滲透率kd；天然裂縫滲透率kf等于天然裂縫酸化后滲透率kaf，天然裂縫平均寬度w等于酸化后縫寬wacid。因此將假設(shè)參數(shù)帶入式(9)后即可得式(31)。

式中：kaf表示天然裂縫酸化后滲透率，10^-3μm²；

天然裂縫酸化后滲透率kaf由酸化后縫寬wacid根據(jù)立方定律計算獲得：

將式(32)代入式(31)即可得酸化后等效井眼半徑raew計算公式。

將酸化后等效井眼半徑raew代入下式(由式(2)演變而來)，從而得到酸化后表皮系數(shù)sad：

式中：sad表示酸化后表皮系數(shù)，無因次。

基于步驟(1)中計算所得的注入排量qinj的取值范圍，通過式(21)～(33)提供的計算方法，依次計算不同的qinj及vinj條件下的酸化后表皮系數(shù)sad。最后優(yōu)選酸化后表皮系數(shù)sad最低值所對應(yīng)的注入排量qinj及酸液注入量vinj作為施工排量qop及酸液用量vop。

本發(fā)明中，所述步驟(3)設(shè)計泵注程序，具體過程如下：

為降低初期施工難度，進一步提高酸液利用效率，增加近井地帶天然裂縫寬度，采用變排量四段式的階梯注入方式設(shè)計泵注程序：

第一階段，注入酸量10％vop，注入排量通常取值1～2m³/min，具體視井口壓力確定；

第二階段，注入酸量30％vop，注入排量由第一階段注入排量遞增至qop，變化階梯數(shù)a；

第三階段，注入酸量30％vop，注入排量為優(yōu)化設(shè)計的施工排量qop；

第四階段，注入酸量30％vop，注入排量由qop遞減至第一階段注入排量，變化階梯數(shù)a。

其中第二、第四階段內(nèi)每個階梯注入時間相等，每個階梯注入酸量vp由階段總酸量及注入階梯數(shù)確定：

式中：vp表示每個階梯注酸量，m³；

a表示注入階梯數(shù)，無因次。

其中第二、第四階段變化階梯數(shù)a通常取值為3～5個，具體視現(xiàn)場施工壓力確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明設(shè)計的施工參數(shù)考慮了裂縫型碳酸鹽巖儲層天然裂縫張開過程中的力學(xué)特征和張開后的酸液流動反應(yīng)特征，同時結(jié)合了儲層地質(zhì)特征和工程條件，可以很大程度的解決目前超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層深度解堵酸化施工參數(shù)設(shè)計盲目性的問題，提高酸化增產(chǎn)效果，節(jié)約酸化經(jīng)濟成本。

附圖說明

圖1是井筒憋壓模型的示意圖。

圖2是徑向天然裂縫酸化模型示意圖。

圖3是不同注入排量下井底壓力與井口壓力計算結(jié)果。

圖4是注酸量100m³條件下注酸排量對酸化后天然裂縫有效長度和縫寬的影響。

圖5是注酸排量和用酸量對表皮系數(shù)的影響。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和現(xiàn)場應(yīng)用實例進一步說明本發(fā)明。

該實施方式旨在對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。

適用于超深層裂縫型碳酸鹽巖儲層的高效酸化設(shè)計方法，具體過程如下：

某一碳酸鹽巖氣藏一裸眼完井直井完鉆深度為7512m，其7332-7371m井段鉆井過程中漏失泥漿79m³。根據(jù)測井資料判斷為天然裂縫發(fā)育層段，欲對本段天然裂縫進行酸化解堵。本井的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1本井的儲層物性資料、流體參數(shù)資料、井身結(jié)構(gòu)資料

a基于表1中的數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟(1)中式(1)～(4)，式(10)～(14)計算，本井天然裂縫重張臨界排量qro為3.5m³/min；根據(jù)式(1)～(4)，式(10)～(12)、式(15)～(17)計算得井口施工上限排量qlim為5m³/min；不同排量條件下井底及井口壓力計算結(jié)果如圖3所示。

b基于表1中的數(shù)據(jù)及a中的計算結(jié)果，根據(jù)步驟(2)采用有限差分法對式(21)～(29)進行數(shù)值求解，獲得了不同排量、不同酸量條件下對應(yīng)的天然裂縫有效長度ref及酸化后縫寬wacid，其中100m³用酸量條件下不同排量對應(yīng)ref及wacid如圖4所示；

c基于表1中的數(shù)據(jù)及b中的計算結(jié)果，根據(jù)步驟(2)中式(30)～(33)計算不同ref及wacid對應(yīng)的酸化后表皮系數(shù)sad。

d根據(jù)c中表皮系數(shù)計算結(jié)果(圖5)，分別優(yōu)選設(shè)計施工排量qop及設(shè)計酸液用量vop；①設(shè)計施工排量qop：酸化后表皮系數(shù)sad隨排量增大而明顯降低，但5m³/min對應(yīng)井口壓力十分接近井口限壓，考慮施工安全，選擇4.5m³/min作為qop。②設(shè)計酸液用量vop：在4.5m³/min條件下，酸化后表皮系數(shù)sad隨酸液用量增大而降低，但在超過200m³后降低幅度不明顯，考慮經(jīng)濟因素，選擇200m³作為vop。

e采用d中推薦的施工排量qop及酸液用量vop通過步驟(3)設(shè)計泵注程序。具體設(shè)計泵注程序如下：

第一階段，注入酸量20m³，注入排量2m³/min；

第二階段，注入酸量60m³，注入排量由2m³/min遞增至4.5m³/min，變化階梯數(shù)4，階梯酸量15m³；

第三階段，注入酸量60m³，注入排量為優(yōu)化設(shè)計的施工排量4.5m³/min；

第四階段，注入酸量60m³，注入排量由4.5m³/min遞減至2m³/min，變化階梯數(shù)4，階梯酸量15m³。

按照本發(fā)明確定的施工排量和酸液用量成功完成了對本井的現(xiàn)場實施，酸化后測試求得本井產(chǎn)能83.7×10⁴m³/d，較鄰井s2井提升2.3倍，通過本方法成功實現(xiàn)了對此類儲層的高效改造。