邓庆军,王 佳,李自平
(中国石油大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江 大庆 163000)
萨中开发区是大庆油田开发最早的区块之一,套损井发现最早、数量最多。目前已出现套损井集中区近十个,严重影响了区块的开发调整。其中嫩二底油页岩标准层套损井数占38.5%,集中成片,治理难度大,复发风险程度高。
萨中开发区位于大庆长垣萨尔图构造中部,为两翼不对称的短轴背斜构造油藏,总体上发育平缓,西翼较陡,倾角约为3~14°,东翼较缓,倾角约为2~5°(图1),储油层为白垩系中统青山口组二、三段至嫩江组一段的中部含油组合,自上而下分布的萨尔图油层、葡萄花油层和高台子油层,属于典型的陆相碎屑岩河流-三角洲沉积,在储油层以上沉积有嫩江组以及白垩系上统的四方台组和明水组,第三系、第四系地层。
图1 萨中开发区三维构造模型
嫩江组二段底部岩性以深灰—灰黑色泥岩为主,发育10 m左右的油页岩,钻遇深度600~1 000 m,全区稳定分布,是大庆长垣区域地层划分一级标准层,距离下部萨尔图油层萨零组顶部40~60 m,岩性上也与其上下层位有一定区别,页理发育,存在裂缝,含有大量介形虫化石,视电阻率高,力学强度低,受力易沿着层理层面开裂、发生层面方向滑动和位移(图2)。自然电位曲线呈现渗透性特征[1],荧光显微图像技术判断油页岩存在进水[2]。
图2 油页岩标准层岩性剖面
该区套损多位于油页岩标准层内,成片集中分布。
密闭取心样品的力学参数试验结果显示:油页岩的抗剪切强度为3.82 MPa,分别比泥岩和砂岩低3.08 MPa和5.08 MPa。因此在地层受力发生显著形变及剪切时,将最先在油页岩标准层抗剪强度较低的部位发生位移、剪切套管(表1)。
长期以来,认为标准层套损原因是油页岩遇水软化和膨胀挤毁套管,但经室内实验证实,油页岩经过采出水20年的浸泡,没有发生软化和膨胀的现象。这主要是油页岩中没有膨润土等吸水膨胀矿物成分,所以以往推测的套损成因是不能成立的。
表1 南1-12-检232井岩石力学参数
油页岩进水与注水异常有关。由于油页岩标准层部位位于油层上部,注水压力远超过油层射孔顶界的上覆岩压,因此一旦有套管在油页岩部位错断或破裂,井内的高压注入水就会进入油页岩层内裂缝中,沿着裂缝快速扩展。此时套管错断或破裂的注水井就会显示注水压力下降、注水量骤升的现象。
经研究,油页岩的进水源头为注水井,水窜通道主要有以下几种:①油页岩井段套管错断的在用注水井,由于未及时发现异常而误注水,直接成为油页岩的进水源头和通道;②控制水泥面在嫩二底油页岩标准层以下,上部自由套管破漏或错断的注水井,由于套管外部没有水泥环的封隔,一旦上部套管有破损外漏,注入水就会进入套管外环形空间,成为油页岩的进水通道;③油层以上至油页岩标准层之间的井段固井质量差,注入水上窜造成油页岩进水,套管外窜槽的井段是油页岩进水通道(图3)。
图3 标准层进水示意
从现场实践看,套管外窜槽形成的油页岩进水通道,应是早期套损井区浸水域形成的第一隐患;而上部非油层部位套管破漏或错断注水井未及时发现并关停,是套损井区外扩过程中的继生进水通道;但是后者会进一步加速油页岩浸水域扩展,造成套损区失稳和套损区边界向外扩展。
研究认为,排除套管本身质量问题,套管损坏主要受岩石性质、重力作用、层间错动和孔隙压力等因素影响。嫩二底油页岩岩性硬而脆,层理、裂缝发育,特别是介形虫富集的部位,在抗剪切强度较弱的水平层面上易导致套管集中损坏[3]。
注入水具有不可压缩性,当注采压力平衡状况改变,导致油层体积变化。受油层岩体埋藏深度的影响,垂向主应力最小,油层以纵向形变为主[4],进而引起平面上区域厚度变化,导致上覆地层产生形变,诱发层面错动,造成套损。
根据美国学者艾伦—马加友的含油砂岩室内实验[5],砂岩注水后,其孔隙骨架膨胀用下式来描述:
ΔH=ΔΦH/(1+Φ)
式中:ΔH为砂岩厚度变化量,m;ΔΦ为不同载荷下孔隙度变化量,%;H为吸水砂岩厚度,m;Φ为原始孔隙度,%。
根据实验得出,850~1 100 m深的油层注水后的膨胀系数为4‰~6‰。对251 m厚的吸水油层进行测算,油层厚度增加1.255 m,地表上升0.627 m,为油层厚度变化的一半,与同期地表和井下测量结果基本一致。
上覆岩层在重力的作用下,随下部地层的不均匀沉降或隆起而发生形变,当形变力超过层理面结构力或层间裂缝的抗剪切强度后,层面位移的剪切力就会作用于套管,并形成应力集中。地层持续形变,当地应力超过套管抗剪强度时,层间错动导致损毁套管,套管剪切损坏是地应力释放的结果。岩石的剪切强度和内摩擦角可以表示为[6]:
式中:τ为岩石剪切强度,MPa;S0为岩石固有的剪切强度,MPa;σn为岩石受到的垂向应力,MPa;P为岩石孔隙中液体压力,MPa;μ为岩石的内摩擦系数;Φ为岩石的内摩擦角,(°)。
从该式可以看出,岩石孔隙中液体压力越大,岩石的剪切强度和内摩擦角就越小,当岩石的内摩擦角变为0时,地层开始滑动,剪切损坏套管。
从油田套损防控实际出发,提高套管抗挤毁能力,调整区域间地层压力平衡,控制地层孔隙压力骤变、防止油页岩形成高压进水域,是预防目标区成片套损的根本途径。
通过对比(表2),在新钻井完井过程中,选用P110套管,抗挤毁能力提高到76.5 MPa,同时实施全井段固井工艺,以解决标准层及以上自由套管段发生错断、破裂的问题。
表2 各种规格套管参数
萨中开发区六个成片套损区套损前与周边区域地层压差均在0.8 MPa以上(表3),区域间地层压力差异过大应该是套损原因之一,因此设定0.8 MPa为区域地层压差安全界限,要求正常开发的区块控制注采压力平衡,地层压力变化速度控制在0.2 MPa/a以内,区域间地层压差在0.8 MPa以内,最大限度地减小油层形变量,保持上覆地层的相对稳定。
表3 成片套损区与周边地区地层压力差异
通过南一区西部嫩二底油页岩套损集中区数值模拟结果可以看出,区域间距离为600 m时,安全压差界限最小,且随着进水压差增大而降低(图4),因此,该距离的一半,即300 m距离为剪切高发区域。当发现1口标准层套损井,及时对其周围300 m注水井采取防控措施,可以涵盖进水风险井点,防止油页岩进水,控制套损区外扩,恢复区块稳定。
图4 南一区西部标准层套损安全界限
近几年,对嫩二底标准层套损井区采取以切断油页岩进水源头、控制区域地层压力平衡为主的套损防控措施[7],见到显著效果。对套损区域40口定点监测井,时间推移监测显示,套损区恢复稳定。对新发现的零散标准层套损井周边注水井采取“关停”、“控注”、“查套”措施,及时关停套损注水井,零散套损井没有蔓延成片。2012年,研究区套损井数为208口, 2016年下降到57口,降幅达到72.6%,措施成效十分显著,其中南一区西部嫩二底集中套损区边界得到有效控制,标准层套损井数由措施前的151口,下降到5口以内,近两年没有发现新的标准层套损井。
(1)嫩二底油页岩标准层部位套损井在平面分布上,一般是由零星分布到成片分布的特点。纵向上套损层位一致,绝大多数套损层位位于油页岩标准层以内高电阻率的第三峰位置。
(2)嫩二底油页岩致密、坚硬、层理发育,遇水不软化,不膨胀,具备剪切套管条件,层理裂隙发育是层间滑移的基础。
(3)注水井水窜是嫩二底油页岩进水的源头。水窜通道主要由套管错断破漏、管外窜槽和套管连接丝扣不严等原因形成。
(4)在正常区阻水、抗压、控压差;在套损区断水、泄压、缩压差,对控制套损区边界外扩、恢复区块稳定具有较好的效果。