吳木旺 梁 豪 姜洪豐

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

吳木旺，梁豪，姜洪豐.瓊東南盆地深水區(qū)高滲氣井測(cè)試設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（6）：31-36.

深水氣井測(cè)試是當(dāng)今世界油氣勘探技術(shù)難題之一，測(cè)試程序的優(yōu)化、工作制度的確定、井筒水合物及地層出砂的防治等問(wèn)題是其主要難點(diǎn)。我國(guó)深?？碧狡鸩捷^晚，此前深水油氣測(cè)試技術(shù)一直被少數(shù)國(guó)際大公司壟斷；而南海深水區(qū)油氣地質(zhì)條件復(fù)雜［1］，勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)難度和投入較大［2］，加上測(cè)試設(shè)計(jì)須考慮天然氣水合物的形成條件及其防治［3-6］，求取產(chǎn)能方程須滿(mǎn)足較高的開(kāi)發(fā)需求，這些因素大大增加了深水氣井測(cè)試的難度和風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)預(yù)防水合物生成和出砂等情況下的臨界測(cè)試流量分析［7］，設(shè)計(jì)出了深水高滲氣井測(cè)試的合理工作制度，建立了數(shù)值試井模型并確定出壓力恢復(fù)及探邊測(cè)試時(shí)間，優(yōu)化了測(cè)試管柱和測(cè)試工藝程序，成功指導(dǎo)實(shí)施了瓊東南盆地深水區(qū)陵水凹陷LSX-N-1井深水測(cè)試作業(yè)，為類(lèi)似深水高滲氣田測(cè)試設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和實(shí)用方法。

1 工程地質(zhì)背景

LSX-N構(gòu)造位于瓊東南盆地深水區(qū)陵水凹陷東部，是由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的砂體組成的構(gòu)造＋巖性圈閉群（圖1）。該構(gòu)造濁積水道砂巖儲(chǔ)層發(fā)育，構(gòu)造下方熱流體活動(dòng)活躍，油氣成藏條件優(yōu)越。LSXN構(gòu)造區(qū)已鉆探的7口井均鉆遇中新統(tǒng)黃流組Ⅰ氣組砂體，鉆遇地層厚度為23.8～89.7 m，儲(chǔ)層厚度為11.6～59.2 m，整體為厚層灰色、淺灰色細(xì)砂巖及粉砂巖，局部夾薄層灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，單砂體厚度大，夾層僅在局部零星發(fā)育。從氣水分布上看，該構(gòu)造各砂體氣層主要分布在構(gòu)造高部位，具有不同的氣水界面和壓力系統(tǒng)，且多為底水氣藏，少數(shù)為邊水氣藏，水體能量不強(qiáng)，氣藏主要為彈性驅(qū)動(dòng)和邊、底水驅(qū)動(dòng)。

圖1 LSX-N構(gòu)造巖性圈閉群Fig.1 Lithologic traps of LSX-N structure

LSX-N-1井位于LSX-N構(gòu)造B塊，在黃流組I、II、IV氣組均見(jiàn)良好油氣顯示，共鉆遇氣測(cè)異常砂巖64.0 m，測(cè)井解釋氣層53.4 m（其中I氣組氣層39.1 m，未鉆遇氣水界面），測(cè)試段測(cè)井滲透率高達(dá)239.6 mD。為獲得該構(gòu)造區(qū)儲(chǔ)層物性、產(chǎn)能及流體性質(zhì)等參數(shù)，為本圈閉群的開(kāi)發(fā)及周邊下一步勘探提供依據(jù)，決定對(duì)未鉆遇氣水界面的LSX-N-1井I下氣組（3 321.0～3 351.0 m井段）進(jìn)行測(cè)試作業(yè)。

2 測(cè)試程序簡(jiǎn)化

常規(guī)氣井測(cè)試一般采用二開(kāi)二關(guān)的測(cè)試程序［8］，初開(kāi)、初關(guān)的主要目的是疏通儲(chǔ)層流體流動(dòng)通道，測(cè)取儲(chǔ)層原始?jí)毫?，獲取儲(chǔ)層測(cè)后能量衰減分析基準(zhǔn)值，為第二次開(kāi)、關(guān)井獲得準(zhǔn)確的產(chǎn)能和有代表性的儲(chǔ)層流體樣品等資料打下基礎(chǔ)。

深水氣井測(cè)試過(guò)程中水合物生成的風(fēng)險(xiǎn)極大，多次開(kāi)關(guān)井易造成水合物生成并堵塞管柱，在影響測(cè)試施工的同時(shí)還可能造成惡性事故，因此測(cè)試期間應(yīng)嚴(yán)控開(kāi)關(guān)井的次數(shù)，這就要求簡(jiǎn)化測(cè)試程序。通過(guò)優(yōu)化測(cè)試管柱（圖2），在測(cè)試管柱下部增加一個(gè)壓力計(jì)托筒攜帶壓力計(jì)，這樣既可利用多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力、溫度數(shù)據(jù)判斷水合物生成情況，也可結(jié)合測(cè)井測(cè)壓的有效儲(chǔ)層原始?jí)毫?shù)據(jù)判斷測(cè)后儲(chǔ)層能量的衰減，從而創(chuàng)新形成了“快速清井、低速取樣、調(diào)產(chǎn)緩變、關(guān)井恢復(fù)”的一開(kāi)一關(guān)測(cè)試程序，在縮短測(cè)試時(shí)間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了二開(kāi)二關(guān)功能，減少了多次開(kāi)關(guān)井造成的壓力激動(dòng)導(dǎo)致水合物生成等風(fēng)險(xiǎn)，提高了測(cè)試作業(yè)的安全性。

圖2 陵水凹陷LSX-N-1井部分測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of part of the test string in Well LSX-N-1

3 測(cè)試工作制度設(shè)計(jì)

深水氣井測(cè)試若采用傳統(tǒng)的大壓差、過(guò)高流量防噴、求產(chǎn)的做法可能導(dǎo)致儲(chǔ)層出砂、坍塌、測(cè)試管柱變形或破壞，甚至井口裝置、地面流程也遭破壞；但若測(cè)試流量過(guò)低，則可能達(dá)不到清井排液的目的，甚至導(dǎo)致水合物生成而使測(cè)試失?。?-10］。因此，有必要根據(jù)不同的臨界情況來(lái)設(shè)計(jì)合理的工作制度。

3.1 臨界測(cè)試流量

LSX-N-1井作業(yè)水深1 447.20 m，泥面溫度為3～4℃，具有形成水合物的風(fēng)險(xiǎn)；黃流組I下氣組氣層巖性疏松，極易出砂；儲(chǔ)層測(cè)井滲透率高，測(cè)試的有效滲透率更高，且產(chǎn)能高，難以拉開(kāi)流動(dòng)壓差。為避免測(cè)試過(guò)程中傷害儲(chǔ)層，合理的測(cè)試壓差除了滿(mǎn)足與不同生產(chǎn)目的、開(kāi)采方式和供需關(guān)系相協(xié)調(diào)外，還應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)層特點(diǎn)滿(mǎn)足避免破壞井底和傷害儲(chǔ)層而造成儲(chǔ)層變形和測(cè)試井大量出砂、測(cè)試期間不生成天然氣水合物、測(cè)試流量具有足夠的攜液能力等要求。其中，測(cè)試流量應(yīng)滿(mǎn)足

式（1）中：Qlim為最小攜液產(chǎn)量，m3／d；Qwc為不生成水合物的最小產(chǎn)量，m3／d；Qs為不出砂的最大產(chǎn)量，m3／d；Qy為不引起儲(chǔ)層變形的臨界產(chǎn)量，m3／d；Qr為測(cè)試流量，m3／d。

3.1.1 攜液所需的最小測(cè)試氣流量

測(cè)試初期須排除氣井井筒中的積液（測(cè)試液和液墊）［11］，其所需的最小氣流速度為

式（2）中：σ為所排液體的表面張力，m N／m；ρL為井底積液密度，kg／m3；ρg為氣體密度，kg／m3；vc為氣體流速，m／s。

考慮測(cè)試管柱橫截面積為A，則排除井筒積液所需的最小氣流量為

式（4）中：σ（23.33）=76×e-0.0362575p；σ（137.78）=52.5-0.870 18p。

LSX-N-1井測(cè)試段地層壓力為39.077 2 MPa，溫度為77℃，積液密度為1 300 kg／m3，氣體相對(duì)密度為0.663 6，測(cè)試管柱半徑取值0.101 m，計(jì)算得到的該井?dāng)y液所需最小測(cè)試流量約為10.75萬(wàn)m3／d。

3.1.2 不形成水合物所需的最小測(cè)試氣流量

水合物的生成對(duì)于深水高滲氣井測(cè)試的成敗具有至關(guān)重要的影響，關(guān)于深水井測(cè)試過(guò)程中水合物生成規(guī)模已有大量研究［12-14］。利用已有模型對(duì)LSX-N-1井測(cè)試管柱中水合物形成區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)。圖3為該井不同氣體流速下的井筒溫度分布曲線，可以看出氣體流量對(duì)水合物生成的影響極大。當(dāng)流速為0時(shí)（關(guān)井），井深1 981 m以上均處于水合物穩(wěn)定區(qū)，最大過(guò)冷度出現(xiàn)在泥面附近，約為23℃；當(dāng)流速為（5～25）萬(wàn) m3／d時(shí)，井筒內(nèi)存在一定的水合物穩(wěn)定區(qū)；而當(dāng)流速大于25萬(wàn)m3／d時(shí)，則可避免整個(gè)井筒生成水合物。因此，該井不形成水合物的最小測(cè)試流量約為25萬(wàn)m3／d。

式（3）中：p為地層壓力，MPa；A為測(cè)試管柱橫截面積，m2；T為地層溫度，℃；Z為氣體壓縮因子。

表面張力σ的計(jì)算公式為

圖3 LSX-N-1井不同氣體流速下井筒溫度場(chǎng)Fig.3 Wellbore temperature field at different gas flow rates in Well LSX-N-1

3.1.3 儲(chǔ)層不出砂所需的最大測(cè)試流量

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)生產(chǎn)壓差小于儲(chǔ)層單軸抗壓強(qiáng)度的一半時(shí)，可保持儲(chǔ)層開(kāi)采初期不出砂［7］。如圖4所示，利用測(cè)井資料計(jì)算得到的LSX-N-1井測(cè)試段出砂的最大測(cè)試壓差約為1.5 MPa，結(jié)合數(shù)值模型預(yù)測(cè)視表皮系數(shù)為10時(shí)不出砂的最大測(cè)試流量約為162萬(wàn)m3／d。地層出砂臨界壓差計(jì)算公式為

式（5）中：Δps為地層出砂臨界壓差，MPa；C1為巖石的黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

圖4 LSX-N-1井測(cè)試段地層出砂臨界壓差Fig.4 Critical pressure of sanding for test section in Well LSX-N-1

3.2 工作制度設(shè)計(jì)

LSX-N-1井MDT測(cè)壓取樣推斷的儲(chǔ)層滲透率為938 mD，儲(chǔ)層孔隙度為25.6%，含水飽和度為31.1%，天然氣組分中CO2含量為0.4%，C1含量為89.961%，C2含量為4.843%，C3含量為2.230%，其他組分含量為2.566%。利用氣體組分模型計(jì)算得到的儲(chǔ)層條件下PVT參數(shù)為：天然氣體積系數(shù)為3.283×10-3m3／m3，黏度為0.031 mPa·s，壓縮系數(shù)為0.013 7 MPa-1?？紤]臨界測(cè)試流量為（25～162）萬(wàn)m3／d，HYSY981平臺(tái)測(cè)試流程具備200萬(wàn)m3／d的測(cè)試能力，單井配產(chǎn)在（120～160）萬(wàn)m3／d才能滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)需求，利用數(shù)值試井模型模擬設(shè)計(jì)的求產(chǎn)產(chǎn)能初開(kāi)井測(cè)試程序見(jiàn)表1。

表1 LSX-N-1井求產(chǎn)產(chǎn)能初開(kāi)井測(cè)試程序Table 1 Production test program of first time open well in Well LSX-N-1

4 探邊測(cè)試設(shè)計(jì)

高滲氣井的污染是由儲(chǔ)層真污染表皮系數(shù)和紊流效應(yīng)造成的表皮系數(shù)所構(gòu)成，即

式（6）中：Sa為包含有紊流效應(yīng)的擬表皮系數(shù)；S為氣井的真表皮系數(shù)；Qg為氣井產(chǎn)量，m3／d；D為非達(dá)西流系數(shù)，m3／d。

在高產(chǎn)儲(chǔ)層，紊流造成的表皮系數(shù)通常遠(yuǎn)高于真實(shí)儲(chǔ)層污染，非達(dá)西流系數(shù)D可采用陳元千等［15］的流量變表皮方法進(jìn)行計(jì)算，即

式（7）中：K為氣層有效滲透率，mD；h為儲(chǔ)層厚度，m；γg為氣相對(duì)密度；μg為天然氣黏度，mPa·s；rw為井眼半徑，m；β為湍流系數(shù)，m-1。

據(jù)式（7）可得：對(duì)于 LSX-N-1井，dS／dQ（取239.6 m D）=3.11×10-6，dS／dQ（取938 m D）=2.84×10-6，由此估算出該井150萬(wàn)m3／d流量下的變表皮系數(shù)為4.260～4.665。由于該井鉆井液濾液與儲(chǔ)層接觸時(shí)間長(zhǎng)，污染帶可能較深，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)考慮視表皮系數(shù)為5、10、15等3種情況。

結(jié)合數(shù)值試井模型得到的LSX-N-1井產(chǎn)能測(cè)試程序下的壓力波及范圍和邊界響應(yīng)如圖5所示，可以看出：滲透率為239.6 mD時(shí)，達(dá)到徑向流所需時(shí)間為0.020 h，到達(dá)第一條邊界的時(shí)間約為22 h（860 m 左右），約75 h時(shí)（1 200 m 左右）可能探到氣水邊界，約400 h（3 600 m左右）時(shí)壓力可能波及到模型東側(cè)邊界；滲透率為938 mD時(shí)，達(dá)到徑向流所需時(shí)間為0.008 h，到達(dá)第一條邊界時(shí)間約為4 h，12 h時(shí)（1 200 m左右）可能探到氣水界面，約100 h（3 600 m左右）時(shí)壓力可能波及到模型東側(cè)邊界。由于LSX-N-1井新區(qū)塊無(wú)鄰井資料可以借鑒，且海上類(lèi)似疏松儲(chǔ)層測(cè)試表明測(cè)試滲透率一般大于測(cè)井滲透率，考慮到深水測(cè)試費(fèi)用高、作業(yè)時(shí)間有限，探邊測(cè)試設(shè)計(jì)主要探測(cè)出第一條巖性邊界，同時(shí)兼顧西南部的氣水邊界和南部的巖性邊界，因此推薦該井壓力恢復(fù)時(shí)間為30～50 h，具體恢復(fù)時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況再進(jìn)行調(diào)整。

圖5 LSX-N-1井?dāng)?shù)值試井模型（a）及擬壓力與導(dǎo)數(shù)雙對(duì)數(shù)曲線（b）Fig.5 Numerical testing model（a）and pressure-pressure derivative double logarithmic curve（b）of Well LSX-N-1

5 實(shí)施效果分析

LSX-N-1井測(cè)試作業(yè)從2014年8月6日開(kāi)始，至2014年8月26日結(jié)束，測(cè)試管柱采用分趟下入的插入式封隔器組合管柱：TCP＋插入式可回收封隔器＋DST工具＋油管＋深水專(zhuān)用水下測(cè)試樹(shù)。使用外徑11.43 cm、孔密16孔／m、裝配PJOmega4505HMX型射孔彈的射孔槍射孔，射開(kāi)儲(chǔ)層后分別在泥面以下、泥面和地面油嘴管匯前向測(cè)試流程內(nèi)注入防水合物的甲醇，并打開(kāi)可調(diào)油嘴放噴，根據(jù)井口壓力等變化調(diào)節(jié)產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)快速清井和有效抑制水合物生成。清噴完測(cè)試管柱內(nèi)的液墊、壓井液后，流體導(dǎo)入分離器分離、計(jì)量，分別用12.70、9.53、19.05和25.40 mm油嘴求產(chǎn)，取得準(zhǔn)確的產(chǎn)能資料，后關(guān)井34h測(cè)取恢復(fù)資料，如圖6所示，可以看出不同油嘴下獲得的代表性產(chǎn)能分別為74.29、48.30、123.73、160.63萬(wàn) m3／d，回歸得到的二項(xiàng)式產(chǎn)能方程為

式（8）中：Ψr為地層壓力對(duì)應(yīng)的擬壓力，MPa2／（mPa·s）；Ψwf為井底壓力對(duì)應(yīng)的擬壓力，MPa2／（mPa·s）；qg為氣產(chǎn)量，m3／d。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到的該井無(wú)阻流量為4 276萬(wàn)m3／d。該井整個(gè)測(cè)試過(guò)程與設(shè)計(jì)基本一致，無(wú)水合物生成和出砂跡象，取得了完整的測(cè)試資料。

圖6 LSX-N-1井測(cè)試壓力歷史圖Fig.6 History matching of test pressure for Well LSX-N-1

圖7為篩管外壓力計(jì)所記錄的該井井下關(guān)井壓力與壓力導(dǎo)數(shù)雙對(duì)數(shù)曲線，可以看出，經(jīng)歷明顯的徑向流后出現(xiàn)邊界反映。該井測(cè)試資料解釋得到氣層有效滲透率為565 m D，總表皮系數(shù)為0.78，井儲(chǔ)系數(shù)為0.048 8 m3／MPa，巖性邊界約為880 m和940 m，西南方向氣水邊界約為1 200 m，清晰勾畫(huà)出了測(cè)試氣層的含氣范圍。

圖7 LSX-N-1井?dāng)M壓力與導(dǎo)數(shù)雙對(duì)數(shù)曲線Fig.7 Pressure-pressure derivative double logarithmic curve of Well LSX-N-1

根據(jù)不同深度壓力計(jì)記錄的該井關(guān)井末壓力求取靜壓梯度，推測(cè)氣藏中部深度壓力并與MDT測(cè)壓進(jìn)行比較，如表2所示，測(cè)試后壓力衰減3.52 kPa，說(shuō)明氣層能量足，供給強(qiáng)。

表2 LSX-N-1井測(cè)試后儲(chǔ)層能量評(píng)價(jià)表Table 2 Reservoir energy evaluation after testing in Well LSX-N-1

6 結(jié)論

1）通過(guò)簡(jiǎn)化深水氣井測(cè)試程序，創(chuàng)新形成了深水氣井的“快速清井、低速取樣、調(diào)產(chǎn)緩變、關(guān)井恢復(fù)”的一開(kāi)一關(guān)井測(cè)試程序，大大縮短了測(cè)試時(shí)間，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到二開(kāi)二關(guān)井測(cè)試的目的。

2）基于臨界攜液流量、水合物生成流量以及出砂流量分析確定深水高滲氣井合理測(cè)試工作制度，可以有效防止水合物生成和儲(chǔ)層出砂對(duì)測(cè)試作業(yè)的影響。

3）深水高滲氣井測(cè)試設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)在瓊東南盆地陵水凹陷LSX-N-1井進(jìn)行了成功應(yīng)用，該井測(cè)試實(shí)施與測(cè)試設(shè)計(jì)基本一致，測(cè)試資料達(dá)到了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的目的，表明本文方法能夠指導(dǎo)深水氣井的測(cè)試設(shè)計(jì)。

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