高温深层非均质性碳酸盐岩水平井分段改造技术

李永平王永辉程兴生车明光张福祥彭建新

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

高温深层非均质性碳酸盐岩水平井分段改造技术

李永平1王永辉1程兴生1车明光1张福祥2彭建新2

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

碳酸盐岩非均质性强的特点决定了常规水平井分段改造优化设计方法不再适用，同时塔中地区高温、深层及缝洞发育等特点给储层改造液体和分段改造工艺带来挑战。从统计分析反映非均质性储层特征的资料出发，确定了基于改造设计为目的的压前储层描述模型，明确反映远井储层特征的地震资料对于指导改造设计具有重要作用，并基于该认识，建立了在缝洞精细雕刻基础上的非均质性碳酸盐岩水平井分段改造优化设计方法。通过稠化剂优选、交联剂研发形成耐温140 ℃地面交联酸体系，其低滤失、缓速好的特征为实现深穿透酸蚀缝提供基础；并根据碳酸盐岩缝洞发育特点，优选裸眼封隔器多级滑套水平井分段压裂工具，从而形成系统的水平井分段改造技术。现场应用表明，该技术适用性好，增产效果显著，在国内同类非均质性海相碳酸盐岩储层中具备较大的推广应用前景。

碳酸盐岩；水平井；储层改造；地面交联酸；逐步回归

近年来，随着钻井技术的进步，国内也逐步尝试采用水平井开发碳酸盐岩油气藏，以期提高单井产量，但由于碳酸盐岩非均质性强的特性［1-2］，为保证钻井安全，在水平井钻井时往往避开大型缝洞系统，造成塔中碳酸盐岩水平井钻井后自然产能低或无自然产能，因此必须采取酸洗、酸压裂等措施对其进行改造才能实现碳酸盐岩水平井的经济有效开发。

碳酸盐岩非均质性强的特点直接决定了碳酸盐岩水平井改造有效率低，特别是在沿用常规砂岩水平井分段优化设计方法的情况下，因此，亟需建立一套有效的非均质碳酸盐岩水平井改造优化设计方法，提高储层改造的针对性和有效率；同时针对塔中碳酸盐岩高温、缝洞发育的特点在酸液优选和分段工艺等方面均需采取相应的针对性措施。笔者以塔里木油田塔中缝洞型碳酸盐岩为例，分别介绍基于非均质性碳酸盐岩的改造优化设计流程、高温深层储层改造液体及分段改造工具3方面技术。

1 非均质性碳酸盐岩水平井分段改造方法的设计

由于成岩作用复杂，碳酸盐岩储层一般发育有洞穴、裂缝、溶蚀孔洞等多种储集空间，非均质性强成为碳酸盐岩区别于常规砂岩储层最大的特点，该特点使得碳酸盐岩储层改造设计不能沿用基于均质储层油气藏模拟的优化方法。常规均质砂岩储层改造目的是通过人工裂缝扩大渗流面积，而缝洞型碳酸盐岩储层改造以沟通缝洞有利储集体为原则，从而实现单井高产稳产。因此建立非均质性碳酸盐岩储层，特别是水平井分段改造设计方法是非常必要的。

1.1 改造前储层描述方法

对储层进行科学、客观地评价是储层改造方案优化的基础，对于均质储层采用常规测井、岩心资料即可对储层进行相对准确的评价，而对于非均质性储层面对物探、测井、录井、测试等不同资料，采用何种参数能够客观科学评价储层是关键。因此首先要从众多的描述评价资料中优选影响地质效果的关键因素，进而实现量化分析，使得选井选层、储层改造设计更具科学性［3-7］。

在多种影响因素中寻找主要因素，建立最优回归方程的最佳方法之一是逐步回归。其基本原理是：对所有的自变量，依其对因变量作用的大小逐个引进回归方程，通过反复筛选、替代，仅留下对因变量贡献较大的自变量，最终得到最优回归方程。

1.1.1 储层参数量化评分方法 为利用统计方法分析物探、测井、录井、测试等不同尺度的资料对储层优劣的反映情况，需要首先对这些资料进行量化。各资料量化评分由熟悉该地区的专业技术人员根据最优储层及最差储层进行100 分的量化评分，其基本的量化标准及原则见表1。自变量取储层改造效果，根据产量高低进行百分评价。即，通过各专业人员对各因素进行数值化，地质效果根据试油情况进行数值化。

表1 碳酸盐岩地质资料评分方法

1.1.2 统计结果分析 将塔里木油田自2003年以来塔中碳酸盐岩储层试油共84层的储层改造结果及其上述影响因素进行统计分析，运用逐步回归法对上述数学模型进行处理得到最优回归方程

式中，X1为地质背景；X2为地震资料；X3为地层测试情况。最终回归方程的复相关系数R2为0.923，该模型拟合度好。统计量数值对应的尾概率值Sig.均小于0.015，其对应的自变量作用显著，由此可以认为回归方程中的储层描述参数对储层描述准确客观。回归结果见表2。

表2 压后产量影响因素逐步回归结果

标准回归系数b*绝对值的大小代表着不同影响因素对地质效果影响的大小，从回归结果来看，影响地质效果的主要因素为：地震剖面、地层测试情况、地质背景，尤其以地震剖面及地层测试情况影响显著。其影响程度顺序为地震剖面因素＞地层测试情况＞地质背景，可见，反映远井储层特征的这些地质因素能够更好地反映储层的试油地质效果。而其他因素诸如油气显示、测井及改造强度等与地质效果相关性不强。换句话说，对于存在有利储层，物探反映（串珠、杂乱等反射）缝洞发育带、压前测试显示好及地质背景有利的井试油取得良好地质效果的概率大，而井筒显示及改造强度往往与地质效果相关性不强。

从上述统计结果可以看到，由于地震资料是油气藏构造形态和储层地质特征的综合反映，对于缝洞型碳酸盐岩储层，高精度的三维地震资料能够很好地反映缝洞储集体的基本形态和空间展布，因此制定缝洞型碳酸盐岩水平井分段改造方案需要充分利用三维地震对缝洞刻画结果［8-10］。

1.2 水平井分段改造优化方法

1.2.1 分段级数优化 首先，对于常规均质储层通过油气藏数值模拟即可优化得到水平井分段段数、裂缝长度和导流能力。但对于非均质性碳酸盐岩，从上述压前评估统计研究可知，需要充分考虑地震资料对缝洞发育体的描述，是水平井分段方案优化的参考依据。

以塔里木A井为例，该井位于塔里木盆地某岩性圈闭中部，根据储层在剖面和平面上的展布特征，依据平面和剖面三维地震对储层的反映，在井眼轨迹附近存在6个有利储集体，因此初步确定该井分6段改造，每一分段对应一个有利储集体。为进一步确认分段的段数，需要考虑最大主应力方向，即人工主裂缝延伸方向，要有利于沟通储集体。从该井有利储集体平面展布情况可以看到，井眼轨迹的方位为320°～330°，该井区最大主应力方位北东—南西向，二者呈近垂直关系，有利于形成横切缝，从而形成各段可能沟通各自有利储集体的改造目标，从而进一步确认对该井分6段进行压裂。

对非均质性碳酸盐岩，其改造目的为沟通钻井时未钻遇或不能钻遇的有利储集体（防止发生大规模井漏），通过酸压裂形成的人工裂缝达到连通有利油气储集体，从而达到大幅度提高单井产量的目的，这点与常规砂岩的储层改造理念完全不同。

1.2.2 各段储层改造方案优化 根据井斜测井数据和三维地震资料进行叠合，把井眼轨迹投影在地震剖面和储层平面预测图上，即可将有利储集体与井眼轨迹的空间关系进行定量分析（图1）。仍以A井为例，从图1中分析结果显示，纵向上井眼轨迹位于缝洞储集体顶部，距良里塔格组灰岩顶距离最大59 m、最小15 m；距最近的缝洞储集体中部的距离最大45 m、最小33 m；距下部较远处串珠状显示的缝洞储集体的距离分别为164 m、192 m；而且在平面上的投影距离除第2段与井眼轨迹重叠外，其他各段均有100 m左右的距离。

在明确各段储集体与井眼间距离及空间位置后，即可根据各段的改造目标，再结合各段压前综合地质认识确定各段的改造工艺和改造规模。

1.3 水平井分段改造设计流程

总结上述优化方法和思路，基于物探资料对有利储集体的描述，即可形成完整的非均质性碳酸盐岩水平井分段改造优化设计流程图（图2）。

图1 塔里木A井目的层分段改造方案确定依据图（上图为地震资料解释储层剖面图，下图为储层预测平面图）

图2 非均质性碳酸盐岩水平井分段改造设计流程

2 高温深层碳酸盐岩改造液体系的确定

酸压裂施工成功的关键是酸蚀裂缝的有效作用距离及其导流能力，特别是对于非均质性碳酸盐岩，酸蚀裂缝有效作用距离是沟通非均质性碳酸盐岩储层缝洞系统、取得良好地质效果的保证。影响酸蚀有效作用距离的因素主要有酸液的滤失、酸液的缓速性能、注酸排量、储层温度等。有效控制滤失和延缓酸岩反应速度是保证增大酸蚀缝长的关键，因此研发和完善新型低滤失、缓速酸液体系是高温深层碳酸盐岩储层改造取得成功的关键。

为提高裂缝有效酸蚀缝长，国内外主要从降低滤失和降低高温酸岩反应速度两方面开展研究，并研发出乳化酸、稠化酸、就地交联清洁酸、温控变黏酸等多种酸液体系［9-11］。但塔中碳酸盐岩地层温度一般均超过140 ℃，目前上述酸液体系难以满足如此高温储层的酸压需求。针对地面交联酸耐温较低现状，基于合成聚合物类稠化剂，研发合成酸性条件下的配套交联剂，从而形成耐温耐剪切的交联酸体系，并对其流变及缓速性能进行评价。

2.1 地面交联酸流变性能

实验考查了20%HCl+0.9%DMJ-130A（稠化剂）+2%缓蚀剂+1%破乳剂+1%助排剂+0.4%调理剂+0.9%交联剂（调理剂:交联剂=1:1）在140℃高温条件下的耐温耐剪切性能。实验结果表明，该体系剪切速率为170 s-1条件下剪切60 min后，黏度仍保持100 mPa·s以上，远大于常规稠化酸体系黏度，其在140 ℃条件下的流变性能保证了该体系的低滤失速度，从而保证酸液体系的深穿透。

2.2 地面交联酸缓速性能

为考查地面交联酸体系的缓速性能，需要对其反应动力学参数进行评价。当温度、压力恒定时，反应速度与反应物浓度的适当次方的乘积成正比，在酸岩反应中岩石的浓度可视为定值，反应系统的酸岩反应速度可表示为

式中，J为酸岩反应速度，mol/（cm2·s）；K为反应速度常数，（mol/L）-m/（cm2·s）；C为酸液浓度，mol/L；m为反应级数，无因次。

利用室内高温旋转圆盘实验装置测定地面交联酸体系在140 ℃条件下酸岩反应速度为J=1.269×10-6C1.0447，而在相同条件下常规胶凝酸方程为J=5.976×10-6C1.1568，从两式对比可明显看到，交联酸体系可有效降低酸岩反应速度。

该体系在降滤、缓速2方面的优势为形成更长的酸蚀缝长奠定基础，通过模拟表明在相同液量条件下，该体系的酸蚀缝长较常规胶凝酸可提高40%～60%。可大幅度提高沟通非均质储层有利储集体的概率。同时通过结合多级注入和闭合酸化等工艺，地面交联酸也可以取得较高的导流能力［17］，从而为保证改造效果提供条件。

3 分段改造工具的研制

3.1 分段改造工具优选

水平井分段改造工艺主要分为：多级滑套封隔器水平井分段压裂技术、快钻式桥塞分段压裂技术及水力喷射分段压裂技术3大技术系列［18-20］。

碳酸盐岩储层井眼稳定性好，多采用裸眼完井，同时由于酸压沟通有利储集体后缝洞型碳酸盐岩，因此，压后进行压井、起下管柱等作业，易出现“又喷又漏”现象，钻井液密度窗口极窄，带来较大的井控风险，特别是对于深层碳酸盐岩尤为明显。综合上述因素，对于非均质性碳酸盐岩储层适宜完井—改造一体化，从而降低施工风险，提高改造效率［21-22］，因此首选裸眼封隔器+多级滑套完井改造一体化管柱作为深层非均质性碳酸盐岩水平井分段改造工具。该技术流程为首先根据前述分段原则分别在指定位置下入封隔器、滑套等，通过打压或注入柴油等坐封（遇油膨胀）裸眼管封隔器实现段间封隔，然后通过井口投入不同尺寸球相应打开各级滑套，依次逐段进行压裂，其施工快捷，作业效率高，且可作为完井管柱实现碳酸盐岩储层的开发。

3.2 分段改造工具有效性分析

裸眼封隔器+多级滑套完井改造一体化管柱的技术关键可概况为“下得去、封得住、打得开、压得成”，即工具串的顺利下入、封隔器的有效封隔、滑套的有效打开及施工的成功完成。其中封隔器封隔及滑套的打开是分段技术的核心，采用哈里伯顿公司的遇油膨胀封隔器+多级投球滑套工具进行施工，封隔器及滑套施工性能切实有效。

3.2.1 封隔器有效性分析 由于完井改造一体化工具难以实现产液剖面测试，因此可以通过分析各段施工压力，特别是停泵压力及压降速度差异来确定各层间的封隔有效性。以T7H井为例，压前综合评分认为各段有差异，压后表现的停泵压力和压降速率表明各层间差异大，且与压前认识有很好的一致性，这充分证明各段间实现了有效封隔。

3.2.2 压裂滑套有效性分析 由于投球打开滑套过程中需要剪掉销钉，在压裂施工曲线上会出现明显的压力响应，即球入座后突升、球座打掉后突降。以A井为例，该井分为6段改造，从施工曲线可以看到，除第2段压力不甚明显外，其余各段滑套打开压力响应明显，均有2～20 MPa的压力变化，表明压裂滑套性能的有效性。

4 现场应用

通过采用基于地震资料的优化设计方法、高温缓速酸液体系及裸眼封隔器多级滑套工具在现场实施水平井分段改造超过12井次，分段酸压工艺均取得成功，且全部获得工业油气流。最长改造井段达982 m，最大井深达6 780 m，最大水平位移井1 172 m，最多改造段数为6级。

从典型井压裂后求产情况来看，由于能够通过优化分段及有效沟通更多的有利储集体，水平井分段改造较直井压后效果有显著提高，基本实现了碳酸盐岩储层的高产稳产。统计结果表明，水平井分段改造后单井产量较压前均有大幅提高，是邻井同类储层直井的3～5倍。

5 结论与认识

（1）建立了基于物探资料的非均质性碳酸盐岩水平井分段改造优化设计方法，可实现有利储集体的沟通，从而发挥水平井开发的优势。

（2）形成了一套耐温140 ℃的地面交联酸体系，其流变、缓速性能较常规胶凝酸体系有大幅度提升，可实现长的酸蚀缝长。

（3）非均质碳酸盐岩水平井分段改造技术针对性强，增产显著，具有广阔推广应用前景，下一步可通过引入可开关滑套等工具实现后期开发的有效管理。

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（修改稿收到日期 2013-12-25）

（编辑 景 暖）

Segmented reconstruction technique of high-temperature deep heterogeneous carbonate horizontal well

LI Yongping1,WANG Yonghui1,CHENG Xingsheng1,CHE Mingguang1,ZHANG Fuxiang2,PENG Jianxin2
（1.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Langfang065007,China;2.Tarim Oilfield Co.,Ltd.,CNPC,Korla841000,China）

The conventional design method is no longer applicable to the segmented reconstruction and optimization of horizontal well due to the strong carbonate heterogeneity.The characteristics of Tazhong area such as high temperature,deep layer and seam/cave development bring more challenges for reservoir fluid reconstruction and segmented reconstruction process.This article is based on the analysis of the data about heterogeneous reservoir characteristics,determines the pre-fracturing reservoir description model designed for reconstruction and reflects the important guiding function of the seismic data about distant-well reservoir characteristics in the reconstruction design.On the basis of this recognition and the fine seam/cave carving,the design method for segmented reconstruction and optimization of heterogeneous carbonate horizontal well is developed.And a cross-linked acid system with the heat resistance of 140 ℃ is established through thickener optimization and R&D of cross-linking agent,and its characteristics of low leak-off and excellent reducing rate of acid-rock reaction provide the basis for deep penetration of acid corrosion seam.On the basis of development characteristics of carbonate seam/cave,the open hole packer,a horizontal-well segmented fracturing tool with multi-stage sliding sleeve,is recommended,so as to form a systematic horizontal-well segmented reconstruction technique.The field application indicates that this technique has a good applicability and increases the yield significantly.Therefore,this technique has a great prospect of popularization and application in the similar heterogeneous marine carbonate reservoir at home.

carbonate rock;horizontal well;reservoir reconstruction;cross-linked acid;stepwise regression

李永平，王永辉，程兴生，等.高温深层非均质性碳酸盐岩水平井分段改造技术［J］.石油钻采工艺，2014，36（1）：107-111.

TE357

：A

1000-7393（2014）01-0107-05

10.13639/j.odpt.2014.01.029

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“海相碳酸盐岩储层改造与测试配套技术研究与应用”（2008E-0712）资助。

李永平，1980年生。2004年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，获硕士学位，现主要从事储层改造技术研究和现场技术服务工作。E-mail：lyongping@gmail.com。