阿布扎比NEB油田超長水平井限流篩管完井與酸化優化設計

劉會鋒，崔龍連，劉 琦，賈婉婷，周傳義，顧亦新，巴合達爾·巴勒塔別克

1 中國石油集團工程技術研究院有限公司 2 中國石油大學(北京)

0 引言

超長水平井是應對低滲油氣藏開發的有效手段，如國內長慶油田的華H90- 3井，水平段長度達到5 060 m，國外阿布扎比NEB油田的最大儲層接觸面積井水平段長普遍達到3 000 m。該類井如果想要達到理想產能，必須實施有效的儲層改造措施，比如基質酸化、加砂壓裂等。其中基質酸化是低滲油氣井的有效提產手段，其機理是通過泵注鹽酸進入儲層段，形成酸蝕蚓孔，從而降低油氣在井眼附近的滲流阻力，提高井周油氣導流能力。但傳統的籠統基質酸化方法用在長水平井段的酸化時，由于酸液在水平段流動壓差的影響，常常會造成酸液在水平段的非均勻分布，從而造成水平井趾端改造效果差甚至改造不到，限制油氣井產量的提高[1]。連續管拖動酸化能在一定程度上彌補布酸不均勻的不足[2]，但連續管作業時酸液的泵注排量受限，因此在儲層中制造酸蝕蚓孔的能力較弱。

LEL(Limited Entry Liner)限流篩管完井工具可以有效地解決上述問題。該工具由一系列孔眼數非均勻排布的篩管組成，以實現籠統注酸條件下水平段儲層的自動均勻布酸。限流篩管的概念于20世紀60年代初期由殼牌公司提出[3]。Mogensen等[4]開發出了限流篩管瞬態酸化模擬器，可以分析實時的壓力響應。Mayer等[5]設計了一個LEL物理模擬裝置，模擬現場LEL應用情景開展了物模實驗。Sau等[6]開發了一個瞬態井筒模擬器CMA-Pro，在ADNOC海上超長水平井的LEL完井酸化中應用[7]。然而，目前常用的LEL設計需要借助Fluent、CMA-Pro等專業軟件，操作相對復雜，不利于現場工作人員根據現場實際情況的變化實時調整優化設計參數。

本文通過基本模型和關鍵參數的優選，形成了一套LEL限流篩管酸化解析計算方法，并應用阿布扎比陸上某井參數進行了設計計算和酸化效果預測。該設計方法可用于NEB等油田的超長水平井段LEL孔眼分布“短平快”設計，并可進行參數敏感性分析，為現場工程師的實時設計優化提供指導，更有助于LEL技術的進一步推廣應用。

1 基本模型優選

LEL限流篩管酸化設計的核心是水平段壓力分布的計算，因此其涉及到的基本模型主要是管流摩阻計算模型和孔眼流動摩阻計算模型。

假定酸液為牛頓流體，選擇管流摩阻計算模型如式(1)：

(1)

式中：Pfric—油管流動摩阻，MPa；x—位置或距離，m；f—范寧摩阻因子，無因次；ρ—過孔眼流體密度，g/cm3；Q—排量，m3/min；D—管徑，mm。

式(1)中f的表達式是隱式函數，采用牛頓下山迭代法求解：

(2)

式中：Re—雷諾數，無因次；ε—管壁絕對粗糙度，mm。LEL入井時都是新管，考慮接箍及管內節流，管壁相對粗糙度ε/D取值為0.000 01～0.000 05。

式(2)中雷諾數Re計算采用式(3)：

(3)

式中：C—單位轉換系數，無因次；μ—黏度，mPa·s。

孔眼流動摩阻的計算采用式(4)[8]：

(4)

式中：Δphole—孔眼流動摩阻，MPa；q—孔眼流量，m3/min；ρs—過孔眼流體密度，g/cm3；Nhole—孔眼數量，無因次；Dhole—孔眼內徑，mm；CD—孔眼流量系數，無因次?？籽哿髁肯禂礐D與孔眼的形狀、通過孔眼的流體類型、流速等因素有關。Domelen M等[9]實驗測取了不同流體在不同流量下通過LEL的壓降并反推出了孔眼流量系數，根據其實驗測試結果，結合LEL酸化時孔眼流速范圍，推薦CD值為0.60～0.65。

基質酸化通過制造酸蝕蚓孔來提高油氣滲流能力，形成的酸蝕蚓孔的長度用式(5)進行預測[10]：

(5)

式中：rwh—酸蝕蚓孔長度，m；rw—井眼半徑，m；COV—用酸強度，m3/m；φ—孔隙度，%；PVbt—酸液穿透巖心PV數，無因次。

酸液穿透巖心需要的PV數是隙間流速的函數，通常通過實驗室測取。Buijse等[11]建立了一個半經驗公式用來獲取該值。在缺乏實驗數據的條件下，可采用式(6)～式(8)進行估算：

(6)

(7)

(8)

式中：vint—隙間流速，cm/min；Weff—蚓孔模型中的常數，(cm/min)1/3；WB—蚓孔模型中的常數，(cm/min)-2；PVbt，opt—最優酸液穿透巖心PV數，無因次；vint，opt—最優隙間流速，cm/min。其中，PVbt，opt和vint，opt兩個參數可以從Mogensen等[4]擬合的參數表中獲得(見表1)。

表1 Mogensen等[4]的蚓孔參數調整擬合結果

在進行酸化后產能預測時，可以認為酸蝕蚓孔長度通過影響表皮系數來影響產能?？紤]酸蝕蚓孔的當量表皮系數可以用Hawkins等[12]的經典公式來計算：

(9)

式中：S—表皮系數，無因次。

2 限流篩管孔眼分布設計方法

限流篩管酸化的目標是實現水平段的均勻布酸。因此將水平井段平均分成m個小段，然后逐個設計每一段的篩管孔眼數來實現每一段的進酸量相同。限流篩管孔眼數分段設計過程示意圖見圖1。

圖1中的各個參數滿足以下關系式：

(10)

niqitinj=COV·l，i=1，2，3，…，m

(11)

(12)

式中：qi—第i個孔眼的流量，m3/m；Δpi—第i個孔眼內外的壓差，MPa；ni—第i段孔眼個數，無因次；tinj—注酸時間，min；l—限流篩管分段長度，m；L—限流篩管總長度，m；Q1—經過第1段限流篩管的流量，m3/m。

由式(10)～式(12)可以得到每段孔眼數的表達式：

(13)

(14)

式中：pi—第i個孔眼外的壓力，MPa；Pa—第i個孔眼內的壓差，MPa；pi-1—第i-1個孔眼外的壓力，MPa。

根據式(13)和式(14)逐段進行孔眼數設計，最后，檢驗是否滿足：

Δpm≥0.15 MPa

(15)

式中：Δpm—孔眼內外的壓差，MPa。

若滿足式(15)，則設計復合要求；若不滿足，則調整地面泵注排量Q1，重新進行設計計算，直至滿足條件。式(15)是目前中東LEL設計的經驗值，即認為孔眼壓差大于0.15 MPa時，才能有有效的過孔眼流動發生。

圖1 LEL限流篩管孔眼數分段設計示意圖

3 限流篩管酸化設計案例

阿布扎比NEB油田組位于整個陸上油田的東北方向，主力油藏頂部埋深2 790 m左右，儲層巖性為粒屑灰巖、泥?；規r、粒泥灰巖等互層，儲層厚度達45 m以上，為中孔低滲型儲層，單井產量127.2～318 m3/d，截止2021年底，綜合含水達30%以上，氣油比53.4 m3/m3以上。2020年之前，該油田主力油藏以裸眼水平井方式開發，水平段平均長度1 200 m，2020年后，逐步利用下部完井工藝代替裸眼水平井完井方式，水平井長度也由1 200 m逐步增長到3 000 m以上。

采用上述方法，對阿布扎比陸上NEB油田A井進行孔眼分布設計。該井實鉆井深5 974.1 m，其中水平段(待酸化段)2 926.1～5 974.1 m，長度3 048 m。將待酸化段平均分成10段進行設計，每段長度為304.8 m，每段的孔隙度、滲透率和含水飽和度都在段內進行平均，得到的基本參數見表2。

表2 NEB油田A井限流篩管設計分段基本參數

本井完井管柱配置及酸化工程參數取值如下：油藏垂深2 728 m、水平井井眼尺寸152.4 mm、上部完井管柱內徑75.95 mm、LEL篩管外徑114.3 mm、LEL篩管內徑100.58mm、酸液密度1.16 g/cm3、酸液黏度0.7 mPa·s。

根據基礎參數，應用上述限流篩管孔眼分布設計方法進行設計。從井筒壓力分布圖(圖2)中可以看出，隨著深度增加，井筒壓力在垂直段逐漸變大，到垂直段末端達到最大，并從水平段跟端向趾端逐漸減小。限流篩管孔眼設計結果見圖3，從圖中可以看出，水平段跟端孔眼數最少，孔眼為11個，逐漸向趾端增多至28個。這是因為跟端篩管內壓力相對較大，篩管內外壓差更大，為了實現均勻布酸，需要用更少的孔眼數適當節流；而隨著酸液在篩管內的流動，受流動摩阻和孔眼分流的雙重影響，流動壓力逐漸降低，孔眼內外壓差也隨之降低，因此需要有更多的孔眼來實現均衡進液。按照該設計結果，實現了各段均衡進酸量。按照1 526.4 m3的酸液用量計算，各段的酸化強度均為0.5 m3/m。

圖2 井筒內壓力分布計算結果

圖3 各段孔眼數設計結果(解析法)

圖4為相同完井及酸化條件下，應用Fluent軟件模擬井筒及環空流場進行孔眼數設計的結果?？梢钥闯?，設計結果與圖3中解析方法的設計結果差別小于10%。

圖4 各段孔眼數設計結果(數值方法)

根據以上設計結果，應用式(5)～式(9)對酸化后的酸蝕蚓孔長度和當量表皮系數進行預測，圖5和圖6為假定穿透巖心的PV數為恒定值(根據實測最小實驗結果取值0.582)時的結果：酸蝕蚓孔長度為1.32～1.63 m，酸化后當量表皮系數為-2.85～-3.06；圖7和圖8為根據式(6)計算穿透巖心PV數的結果：酸蝕蚓孔長度為0.18～0.20 m，酸化后當量表皮系數為-0.86～-0.95?？梢钥闯?，這兩組結果差異很大：用半經驗公式計算出的蚓孔長度更短，酸化效果更差。這說明穿透巖心的酸液PV數的取值很關鍵，對酸化后結果的影響很大，實際應用時應當使用目標地層的巖心和待用的酸液進行實測，獲取不同注酸排量下的穿透PV數曲線，并應用到模型當中。在缺乏實驗數據的條件下，建議采用式(6)的半經驗公式法，因為它考慮了酸液流量、類型以及溫度的影響，相對更加客觀。

圖5 各段蚓孔長度計算結果(穿透巖心PV數為0.582)

圖6 各段當量表皮系數計算結果(穿透巖心PV數為0.582)

圖7 各段蚓孔長度計算結果(穿透巖心PV數根據半經驗公式計算)

圖8 各段當量表皮系數計算結果(穿透巖心PV數根據半經驗公式計算)

圖5～圖8的計算結果還表明：盡管通過篩管孔眼數的優化設計實現了水平段儲層剖面上的均勻布酸，但酸化效果卻不盡相同，酸蝕蚓孔長度和酸化后的當量表皮系數并不是均衡分布。這主要是受兩方面因素的影響：一是因為孔隙度會影響酸蝕蚓孔的增長速度，各段孔隙度的差異會導致蚓孔長度的差異；二是因為各段酸液在篩管孔眼中的流動速度不同，進入儲層后的隙間流速也不同，因而也會影響最終蚓孔長度的差異。因此，均勻酸化的目標是實現“均勻改造程度”，即各段獲得相等的“酸化后表皮系數”，單純地追求均勻布酸是比較局限的。這也是下一步LEL限流篩管酸化研究應當完善的一個方向。

此外，如果改造段的非均質性很強(比如滲透率或含水飽和度差異很大)，目標將不再是均勻布酸甚至均衡的酸化后表皮系數，而是應當與油氣藏滲流模型結合，有選擇性地進行酸化，比如在局部高滲透段以及高含水飽和度段少開孔甚至不開孔，使低滲的層段以及含油氣飽和度高的層段多進酸。

實際上，即使實現了各段均衡的酸化效果，由于投產后各段生產壓差的差異，油氣井的產能剖面也不可能是均衡的(圖9)。因此，若想酸化后得到均勻的產油或產氣剖面，還需要進一步地優化限流篩管設計：不需要追求均勻布酸、均衡酸蝕蚓孔長度或當量表皮系數，而是有意地削弱水平井跟端的改造強度、提高趾端的改造強度，從而使得開井生產時在各段生產壓差的作用下獲得均衡的產量剖面。

圖9 阿布扎比海上某井LEL酸化前后實測產量剖面

4 結論

(1)優選了管流摩阻計算模型和孔眼流動摩阻計算模型，推導出了LEL限流篩管孔眼分布設計的解析式，可用來實施快速的限流篩管孔眼數設計優化。

(2)優選了酸蝕蚓孔長度計算模型和當量表皮系數計算模型，可用來預測LEL限流篩管酸化的效果。

(3)酸液穿透巖心的PV數是LEL設計的一個關鍵參數，實際應用時應當使用目標地層的巖心和待用的酸液進行實測，做出曲線圖版并應用到模型中；在缺乏實驗數據的條件下，可以采用半經驗公式法。

(4)在優化設計條件下，阿布扎比NEB油田LEL酸化井的酸蝕蚓孔長度可達到1.32～1.63 m，酸化后當量表皮系數可達到-2.85～-3.06。

(5)均勻布酸并不是LEL酸化設計的唯一目標，應當結合實際條件，以均衡蚓孔長度、均衡酸化后表皮系數、均衡酸化后產量剖面等為目標開展更加優化的孔眼分布設計。