海上低渗透储层微压裂注水新工艺

徐康泰，李江飞，冯学洋，聂帅帅

（1.承德石油高等专科学校 教务处，河北 承德 067000；2.河北省仪器仪表产业技术研究院，河北 承德 067000）

0 引 言

对于海上低渗透储层注水开发，由于油污、固体颗粒侵入、地层出砂等原因[1-3]，使得注水井近井地带污染严重，注入压力高，注入量小。为达到配注要求，需采用一定的措施，常规压裂技术易导致发生水窜危害，且成功率低。本文采用微压裂注水工艺技术[4]，施工于污染注水井，提高注入压力，使储层产生短窄裂缝，达到穿透污染区域的目的，解堵后可恢复常规注入量。鉴于我国海上低渗透储层特点，采用微压裂注水解堵技术，其难点在于高压注水解堵阶段对注入速度和注入压力的控制。根据我国海上低渗透储层砂岩特点，考虑渗流-应力耦合效应[5-8]，建立分析模型，编写用户子程序，嵌入有限元软件ABAQUS[9-10]。针对该地区某口污染注水井，采用微压裂注水工艺，提出最优注入速度概念。根据注入速度与压力的关系，结合实际现场注水特点，由瞬间碰撞动力学原理[11-13]得到注水瞬间碰撞力计算公式，分析并提出阶梯式膨胀与跳跃式微压裂注水概念。该工艺具有逐步提升注入量、降低井底最大压力的特点，可降低施工难度，使现场应用更易控制和调整，保障施工的安全性。

1 微压裂注水模型的建立

1.1 数学模型

注水过程伴随着渗流-应力耦合现象，随着注水井注入流体，对岩土体孔隙介质造成直接或间接扰动，岩土微观几何形状更易发生较大改变，使骨架颗粒重新排列，改变储层渗流特征，即改变渗流-应力耦合特性。特别是针对海上低渗透储层砂岩，其耦合程度更严重，考虑流固耦合效应，编写子程序，建立分析模型[5]。

岩石骨架的变形可表征为孔隙比的改变，表示为：

根据体积应变得：

即：

结合渗透系数和孔隙度间的关系，考虑渗流-应力耦合数学公式为：

其中，Δe为孔隙比变化量；Vp为孔隙体积；Vs为固相体积；εV为体积应变；ΔV为岩石体积变化量；ΔVp为孔隙体积变化量，假设岩石颗粒不可压缩，ΔV=ΔVp；V0为原始体积；e0为初始孔隙比；φ0为初始孔隙度。

1.2 有限元模型

根据上述公式，利用ABAQUS中*Permeability关键字、子函数GETVRM、用户子程序USDFLD，并运用FORTRAN编程语言完成子程序，嵌入ABAQUS，进行有限元分析。结合海上低渗透储层特征，建立分析模型：采用线性的二维CPE4RP单元对模型进行网格划分，模型长、宽100m，储层厚度25m，污染侵入半径3m；进行2次局部网格加密，即加密区1与加密区2，加密区2边界与污染带边界重合（见图1），目的是保证模型计算的精确度的同时，节约计算速度和存储空间。同时对整个模型施加初始饱和度为1，并按照实测值施加地应力及孔压。

图1 计算模型

2 微压裂注水工艺技术的应用

对于海上低渗透储层而言，微压裂注水的难点在于压力（排量）的控制。根据计算模型（见图1），针对海上低渗透储层某口污染注水井进行微压裂注水解堵，对注入速度与裂缝扩展及井底压力变化的关系进行分析，确定“最优注入速度”，即突破污染带的最小注入速度。模型具体材料基础参数见表1。

表1 模型具体材料基础参数

根据相关经验与实践，注入时间选为1 500s，分析0.015m3/s、0.02m3/s、0.025m3/s、0.03m3/s不同注入速度下裂缝形态和井底压力情况，如图2～图3所示。

图2 裂缝形态模拟

图3 注入井底压力模拟

在一定注入时间内，存在某一临界值，注入速度达到临界值前，裂缝的宽度随着注入速度的增大而增大；达到该值时，裂缝突破污染带；随着注入速度的继续增大，裂缝出现闭合现象，该值即为最优注入速度。注入速度小于0.025m3/s时，裂缝的宽度随着注入速度的增大而增大；注入速度达0.025m3/s时，裂缝到达非污染带；继续增大注入速度，达0.03m3/s时，裂缝呈现闭合趋势。这是由于裂缝到达非污染带，裂缝内压力瞬间下降，裂缝发生一定的闭合造成的。通过分析，该注水井最终选取微压裂注水参数为0.025m3/s，施工时间为1 500s。进一步观察图2～图3结果可知，较小的注入速度（如0.015m3/s、0.02m3/s）并不是不能使裂缝破裂，且随着注入速度的减小，井底最大压力（破裂压力）减小。基于此，提出阶梯式和跳跃式微压裂注水新工艺。

3 微压裂注水新工艺

3.1 注水碰撞原理分析

由瞬间碰撞动力学原理[11-13]可知，微压裂注水工艺短时间内增大注入速度，会产生数值极大的碰撞力。随着注入速度的增大，冲击碰撞力越大，短时间内使压力上升至一极大值，该值可能超破裂压力，且瞬间值难以判断。这里提出由冲量来判断碰撞力的大小和作用程度；设一定体积水的质量为m，在短时间τ内经受碰撞力F作用，速度由u变为v，则由冲量定理可知，冲量S值为：

在得知注入水到达井底与进入储层前后的速度即可求出冲量S，并由（6）式估算出碰撞力平均值为：

瞬间受效面积为A，即射孔孔眼面积，故受到瞬间压力值为：

对应本文内容，对于密度为ρ的流体，注入速度即排量为q0，进入储层时的速度为q1，故时间τ内m=ρτq0。针对水力压裂过程瞬时碰撞力大小可将（7）式转换为：

在（8）式中代入ρ=1000Kg/m3，q0=0.025m3/s；根据射孔孔径0.25in，即取A=1.266×10-4m2；根据已污染注水井实际注入量取q1=0.002m3/s，故P≈35.87MPa。较为明显的是，随着q0的增大，瞬间碰撞力值越大，此碰撞力在短时间内发生，且数值极大。

3.2 注水新工艺

通过分析可知，注入速度与井底最大压力关系为：随着注入速度的减小，井底最大压力减小。这一结果与微压裂过程中存在流固碰撞力求解公式相互验证。在此基础上，提出阶梯式和跳跃式微压裂注水技术，即逐步提高注入量技术，使注入速度及压力变化更加平稳。较之常规微压裂注水技术，其优势在于：一是降低最大井底压力，即施工所需压力降低；二是逐步提高注入量，现场施工更易控制和调整，从而保障施工的安全性，更加适用于海上低渗透储层解堵问题。

采用阶梯式微压裂注水工艺，模拟阶梯式注入井底压力变化趋势，如图4所示。验证阶梯式方式比原始工艺（0.025m3/s 1 500s）更具有优势，分步骤进行模拟：步骤1为0.005m3/s 1500s；步骤2为0.01m3/s 1500s；步骤3为0.015m3/s 1500s；步骤4为0.02m3/s 1500s；步骤5为0.025m3/s 1500s。

采用跳跃式微压裂注水工艺，模拟跳跃式注入井底压入变化趋势，如图5所示。施工初期注入量的适当选择，将有助于降低井底最大压力，即施工最大压力。有5种方案可供选择，即方案1为0.005m3/s 1500s+0.025m3/s 1500s；方案2为0.0075m3/s 1500s+0.025m3/s 1500s；方案3为0.01m3/s 1500s+0.025m3/s 1500s；方案4为0.015m3/s 1500s+0.025m3/s 1500s；方案5为0.02m3/s 1500s+0.025m3/s 1500s。

图4 阶段式注入井底压力模拟

图5 跳跃式注入井底压力模拟

4 结 论

（1）微压裂注水新工艺适用于解决海上低渗透储层注水井堵塞问题，达到降低注入压力、维持配注量的目的。

（2）提出最佳注入速度，即在一定注入时间下，存在一种突破污染带的临界注入速度，当注入速度小于该临界值时，裂缝长度随着注入速度的增大而增大；超过该临界值时，继续增大注入速度对注水解堵没有意义。

（3）结合流固碰撞动力学，得出碰撞力计算方法，提出阶梯式和跳跃式微压裂注水技术，增强该技术应用的可操作性和安全性，为该技术的大规模推广提供理论依据和技术支持。