阿布扎比NEB油田超长水平井限流筛管完井与酸化优化设计

刘会锋，崔龙连，刘 琦，贾婉婷，周传义，顾亦新，巴合达尔·巴勒塔别克

1 中国石油集团工程技术研究院有限公司 2 中国石油大学(北京)

0 引言

超长水平井是应对低渗油气藏开发的有效手段，如国内长庆油田的华H90- 3井，水平段长度达到5 060 m，国外阿布扎比NEB油田的最大储层接触面积井水平段长普遍达到3 000 m。该类井如果想要达到理想产能，必须实施有效的储层改造措施，比如基质酸化、加砂压裂等。其中基质酸化是低渗油气井的有效提产手段，其机理是通过泵注盐酸进入储层段，形成酸蚀蚓孔，从而降低油气在井眼附近的渗流阻力，提高井周油气导流能力。但传统的笼统基质酸化方法用在长水平井段的酸化时，由于酸液在水平段流动压差的影响，常常会造成酸液在水平段的非均匀分布，从而造成水平井趾端改造效果差甚至改造不到，限制油气井产量的提高[1]。连续管拖动酸化能在一定程度上弥补布酸不均匀的不足[2]，但连续管作业时酸液的泵注排量受限，因此在储层中制造酸蚀蚓孔的能力较弱。

LEL(Limited Entry Liner)限流筛管完井工具可以有效地解决上述问题。该工具由一系列孔眼数非均匀排布的筛管组成，以实现笼统注酸条件下水平段储层的自动均匀布酸。限流筛管的概念于20世纪60年代初期由壳牌公司提出[3]。Mogensen等[4]开发出了限流筛管瞬态酸化模拟器，可以分析实时的压力响应。Mayer等[5]设计了一个LEL物理模拟装置，模拟现场LEL应用情景开展了物模实验。Sau等[6]开发了一个瞬态井筒模拟器CMA-Pro，在ADNOC海上超长水平井的LEL完井酸化中应用[7]。然而，目前常用的LEL设计需要借助Fluent、CMA-Pro等专业软件，操作相对复杂，不利于现场工作人员根据现场实际情况的变化实时调整优化设计参数。

本文通过基本模型和关键参数的优选，形成了一套LEL限流筛管酸化解析计算方法，并应用阿布扎比陆上某井参数进行了设计计算和酸化效果预测。该设计方法可用于NEB等油田的超长水平井段LEL孔眼分布“短平快”设计，并可进行参数敏感性分析，为现场工程师的实时设计优化提供指导，更有助于LEL技术的进一步推广应用。

1 基本模型优选

LEL限流筛管酸化设计的核心是水平段压力分布的计算，因此其涉及到的基本模型主要是管流摩阻计算模型和孔眼流动摩阻计算模型。

假定酸液为牛顿流体，选择管流摩阻计算模型如式(1)：

(1)

式中：Pfric—油管流动摩阻，MPa；x—位置或距离，m；f—范宁摩阻因子，无因次；ρ—过孔眼流体密度，g/cm3；Q—排量，m3/min；D—管径，mm。

式(1)中f的表达式是隐式函数，采用牛顿下山迭代法求解：

(2)

式中：Re—雷诺数，无因次；ε—管壁绝对粗糙度，mm。LEL入井时都是新管，考虑接箍及管内节流，管壁相对粗糙度ε/D取值为0.000 01～0.000 05。

式(2)中雷诺数Re计算采用式(3)：

(3)

式中：C—单位转换系数，无因次；μ—黏度，mPa·s。

孔眼流动摩阻的计算采用式(4)[8]：

(4)

式中：Δphole—孔眼流动摩阻，MPa；q—孔眼流量，m3/min；ρs—过孔眼流体密度，g/cm3；Nhole—孔眼数量，无因次；Dhole—孔眼内径，mm；CD—孔眼流量系数，无因次。孔眼流量系数CD与孔眼的形状、通过孔眼的流体类型、流速等因素有关。Domelen M等[9]实验测取了不同流体在不同流量下通过LEL的压降并反推出了孔眼流量系数，根据其实验测试结果，结合LEL酸化时孔眼流速范围，推荐CD值为0.60～0.65。

基质酸化通过制造酸蚀蚓孔来提高油气渗流能力，形成的酸蚀蚓孔的长度用式(5)进行预测[10]：

(5)

式中：rwh—酸蚀蚓孔长度，m；rw—井眼半径，m；COV—用酸强度，m3/m；φ—孔隙度，%；PVbt—酸液穿透岩心PV数，无因次。

酸液穿透岩心需要的PV数是隙间流速的函数，通常通过实验室测取。Buijse等[11]建立了一个半经验公式用来获取该值。在缺乏实验数据的条件下，可采用式(6)～式(8)进行估算：

(6)

(7)

(8)

式中：vint—隙间流速，cm/min；Weff—蚓孔模型中的常数，(cm/min)1/3；WB—蚓孔模型中的常数，(cm/min)-2；PVbt，opt—最优酸液穿透岩心PV数，无因次；vint，opt—最优隙间流速，cm/min。其中，PVbt，opt和vint，opt两个参数可以从Mogensen等[4]拟合的参数表中获得(见表1)。

表1 Mogensen等[4]的蚓孔参数调整拟合结果

在进行酸化后产能预测时，可以认为酸蚀蚓孔长度通过影响表皮系数来影响产能。考虑酸蚀蚓孔的当量表皮系数可以用Hawkins等[12]的经典公式来计算：

(9)

式中：S—表皮系数，无因次。

2 限流筛管孔眼分布设计方法

限流筛管酸化的目标是实现水平段的均匀布酸。因此将水平井段平均分成m个小段，然后逐个设计每一段的筛管孔眼数来实现每一段的进酸量相同。限流筛管孔眼数分段设计过程示意图见图1。

图1中的各个参数满足以下关系式：

(10)

niqitinj=COV·l，i=1，2，3，…，m

(11)

(12)

式中：qi—第i个孔眼的流量，m3/m；Δpi—第i个孔眼内外的压差，MPa；ni—第i段孔眼个数，无因次；tinj—注酸时间，min；l—限流筛管分段长度，m；L—限流筛管总长度，m；Q1—经过第1段限流筛管的流量，m3/m。

由式(10)～式(12)可以得到每段孔眼数的表达式：

(13)

(14)

式中：pi—第i个孔眼外的压力，MPa；Pa—第i个孔眼内的压差，MPa；pi-1—第i-1个孔眼外的压力，MPa。

根据式(13)和式(14)逐段进行孔眼数设计，最后，检验是否满足：

Δpm≥0.15 MPa

(15)

式中：Δpm—孔眼内外的压差，MPa。

若满足式(15)，则设计复合要求；若不满足，则调整地面泵注排量Q1，重新进行设计计算，直至满足条件。式(15)是目前中东LEL设计的经验值，即认为孔眼压差大于0.15 MPa时，才能有有效的过孔眼流动发生。

图1 LEL限流筛管孔眼数分段设计示意图

3 限流筛管酸化设计案例

阿布扎比NEB油田组位于整个陆上油田的东北方向，主力油藏顶部埋深2 790 m左右，储层岩性为粒屑灰岩、泥粒灰岩、粒泥灰岩等互层，储层厚度达45 m以上，为中孔低渗型储层，单井产量127.2～318 m3/d，截止2021年底，综合含水达30%以上，气油比53.4 m3/m3以上。2020年之前，该油田主力油藏以裸眼水平井方式开发，水平段平均长度1 200 m，2020年后，逐步利用下部完井工艺代替裸眼水平井完井方式，水平井长度也由1 200 m逐步增长到3 000 m以上。

采用上述方法，对阿布扎比陆上NEB油田A井进行孔眼分布设计。该井实钻井深5 974.1 m，其中水平段(待酸化段)2 926.1～5 974.1 m，长度3 048 m。将待酸化段平均分成10段进行设计，每段长度为304.8 m，每段的孔隙度、渗透率和含水饱和度都在段内进行平均，得到的基本参数见表2。

表2 NEB油田A井限流筛管设计分段基本参数

本井完井管柱配置及酸化工程参数取值如下：油藏垂深2 728 m、水平井井眼尺寸152.4 mm、上部完井管柱内径75.95 mm、LEL筛管外径114.3 mm、LEL筛管内径100.58mm、酸液密度1.16 g/cm3、酸液黏度0.7 mPa·s。

根据基础参数，应用上述限流筛管孔眼分布设计方法进行设计。从井筒压力分布图(图2)中可以看出，随着深度增加，井筒压力在垂直段逐渐变大，到垂直段末端达到最大，并从水平段跟端向趾端逐渐减小。限流筛管孔眼设计结果见图3，从图中可以看出，水平段跟端孔眼数最少，孔眼为11个，逐渐向趾端增多至28个。这是因为跟端筛管内压力相对较大，筛管内外压差更大，为了实现均匀布酸，需要用更少的孔眼数适当节流；而随着酸液在筛管内的流动，受流动摩阻和孔眼分流的双重影响，流动压力逐渐降低，孔眼内外压差也随之降低，因此需要有更多的孔眼来实现均衡进液。按照该设计结果，实现了各段均衡进酸量。按照1 526.4 m3的酸液用量计算，各段的酸化强度均为0.5 m3/m。

图2 井筒内压力分布计算结果

图3 各段孔眼数设计结果(解析法)

图4为相同完井及酸化条件下，应用Fluent软件模拟井筒及环空流场进行孔眼数设计的结果。可以看出，设计结果与图3中解析方法的设计结果差别小于10%。

图4 各段孔眼数设计结果(数值方法)

根据以上设计结果，应用式(5)～式(9)对酸化后的酸蚀蚓孔长度和当量表皮系数进行预测，图5和图6为假定穿透岩心的PV数为恒定值(根据实测最小实验结果取值0.582)时的结果：酸蚀蚓孔长度为1.32～1.63 m，酸化后当量表皮系数为-2.85～-3.06；图7和图8为根据式(6)计算穿透岩心PV数的结果：酸蚀蚓孔长度为0.18～0.20 m，酸化后当量表皮系数为-0.86～-0.95。可以看出，这两组结果差异很大：用半经验公式计算出的蚓孔长度更短，酸化效果更差。这说明穿透岩心的酸液PV数的取值很关键，对酸化后结果的影响很大，实际应用时应当使用目标地层的岩心和待用的酸液进行实测，获取不同注酸排量下的穿透PV数曲线，并应用到模型当中。在缺乏实验数据的条件下，建议采用式(6)的半经验公式法，因为它考虑了酸液流量、类型以及温度的影响，相对更加客观。

图5 各段蚓孔长度计算结果(穿透岩心PV数为0.582)

图6 各段当量表皮系数计算结果(穿透岩心PV数为0.582)

图7 各段蚓孔长度计算结果(穿透岩心PV数根据半经验公式计算)

图8 各段当量表皮系数计算结果(穿透岩心PV数根据半经验公式计算)

图5～图8的计算结果还表明：尽管通过筛管孔眼数的优化设计实现了水平段储层剖面上的均匀布酸，但酸化效果却不尽相同，酸蚀蚓孔长度和酸化后的当量表皮系数并不是均衡分布。这主要是受两方面因素的影响：一是因为孔隙度会影响酸蚀蚓孔的增长速度，各段孔隙度的差异会导致蚓孔长度的差异；二是因为各段酸液在筛管孔眼中的流动速度不同，进入储层后的隙间流速也不同，因而也会影响最终蚓孔长度的差异。因此，均匀酸化的目标是实现“均匀改造程度”，即各段获得相等的“酸化后表皮系数”，单纯地追求均匀布酸是比较局限的。这也是下一步LEL限流筛管酸化研究应当完善的一个方向。

此外，如果改造段的非均质性很强(比如渗透率或含水饱和度差异很大)，目标将不再是均匀布酸甚至均衡的酸化后表皮系数，而是应当与油气藏渗流模型结合，有选择性地进行酸化，比如在局部高渗透段以及高含水饱和度段少开孔甚至不开孔，使低渗的层段以及含油气饱和度高的层段多进酸。

实际上，即使实现了各段均衡的酸化效果，由于投产后各段生产压差的差异，油气井的产能剖面也不可能是均衡的(图9)。因此，若想酸化后得到均匀的产油或产气剖面，还需要进一步地优化限流筛管设计：不需要追求均匀布酸、均衡酸蚀蚓孔长度或当量表皮系数，而是有意地削弱水平井跟端的改造强度、提高趾端的改造强度，从而使得开井生产时在各段生产压差的作用下获得均衡的产量剖面。

图9 阿布扎比海上某井LEL酸化前后实测产量剖面

4 结论

(1)优选了管流摩阻计算模型和孔眼流动摩阻计算模型，推导出了LEL限流筛管孔眼分布设计的解析式，可用来实施快速的限流筛管孔眼数设计优化。

(2)优选了酸蚀蚓孔长度计算模型和当量表皮系数计算模型，可用来预测LEL限流筛管酸化的效果。

(3)酸液穿透岩心的PV数是LEL设计的一个关键参数，实际应用时应当使用目标地层的岩心和待用的酸液进行实测，做出曲线图版并应用到模型中；在缺乏实验数据的条件下，可以采用半经验公式法。

(4)在优化设计条件下，阿布扎比NEB油田LEL酸化井的酸蚀蚓孔长度可达到1.32～1.63 m，酸化后当量表皮系数可达到-2.85～-3.06。

(5)均匀布酸并不是LEL酸化设计的唯一目标，应当结合实际条件，以均衡蚓孔长度、均衡酸化后表皮系数、均衡酸化后产量剖面等为目标开展更加优化的孔眼分布设计。