一种注水井扩容储层改造方法与流程

本发明属于石油开采领域，具体涉及一种注水井扩容储层改造方法。

背景技术：

油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水开发。

许多注水井经过一段时间后，都会出现严重欠注的现象。这主要是因为油层物性相对较差，渗透率较低，长期注入的水质不稳定，入井流体中固含物堵塞地层孔喉所致。另外一个原因是，欠注注水井的多次酸化处理过程中易产生酸渣，集结运移堵塞孔喉，造成储层污染。

在注水过程中，引起吸水能力下降的原因可能是固体颗粒、机械杂质、化学沉淀、结垢等造成的堵塞，也有可能是油污、细菌或毛细管现象造成的堵塞。目前，已开发的降压解堵增注技术除了常规酸化和压裂外还有十几种方法，每种方法都有自己的特点和适用范围。其中酸化是主要的解堵增注手段，并且发挥了重要作用。酸化以调整酸液各组成成分和浓度实现延长酸化有效期且均匀酸化储层的目标，但酸化面临的环保问题也一直未得到解决；同时，在注水井经过多轮次酸化后，再进行酸化时其解堵效果变差且有效期逐渐缩短，层间渗透率差异也加大。和本发明类似的目前很多油田采用且有一定效果的增注方法是利用超声波进行的振荡增注技术，但由于超声波能量衰减快，声波在地层内传播距离较近，不宜用于深度堵塞水井的解堵，且施工不是非常方便。因此，迫切需要开展新型的解堵增注技术以保证油田的高效开发。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种注水井扩容储层改造方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种注水井扩容储层改造方法，包括如下步骤：

s100，开展地应力测试作业测取储层的最小地应力和破裂压力；

s200，采用低速和压力控制的注水方式对储层进行地应力预处理，改变井筒周围储层的原始地应力和含水饱和度，增大井周储层孔隙压力；

s300，通过水力震荡的注水方式，扩容储层渗透性差的区域，在井筒周围储层产生初步扩容区；

s400，通过阶梯式大排量和压力控制注水的方式，进一步扩展所述初步扩容区。

进一步的，步骤s100中，选择同一区块，地质条件相对稳定的区域，通过对地震数据、测井数据以及地质模型的研究，避开天然裂隙发育区、断层发育区和区块边缘区域，通过小型水力压裂方法测取该区域盖层、储层、底层岩石的最小地应力和破裂压力。所述最小地应力和破裂压力是后续扩容作业进行压力控制的重要参数。

进一步的，步骤s200中低速范围介于0.2m³/min～2.0m³/min；所述压力控制是根据无线流量传感器测得的瞬时注入排量和无线压力传感器测得的瞬时注入压力，通过控制阀控制液体的注入压力，使得所述注入压力保持在地层最小主应力之上且小于储层破裂压力之下。

注水井井筒周围储层地应力的预处理主要通过两个原理：1)多孔弹性原理，注入的水在储层中的扩散，可以改变井筒周围的孔隙压力；2)热弹性原理，如果是注热水，注入的热水可以加热储层，使井筒周围的储层产生热应力。

进一步的，在步骤s200对储层进行地应力预处理之前还采用有限元分析软件开展数模敏感性分析，优化包括注入压力、注入排量和注液量在内的工艺参数，具体包括：

s201，构建考虑了应力场、温度场和渗流场的热流固三相全耦合有限元模拟；

s202，根据储层岩石的力学性质选择合适的岩石强度模型、非线性弹性关系和模拟储层岩石扩容用的弹塑性本构模型；

s203，根据储层地质条件和完井结构参数在有限元分析软件构件储层单元及模拟的注水井，并施加边界条件进行储层扩容改造模拟；

s204，在有限元分析的结果基础之上优化目标井扩容改造的工艺参数。

进一步的，开展多次瞬态流体压力测试，测试注水井井周的表皮因子和近井地带的渗透性作为评价储层地应力预处理成功的标准。

进一步的，步骤s300中水力震荡是指在地面利用管汇系统的分流和回流管线，在一定时间高排量注入液体，快速增加注液压力，持续一定时间后停止注入，已注入的液体通过回流管线高排量回流至地面，降低储层压力；此过程重复进行，通过注入压力的快速升降在注水井口产生压力波并传导进地层，调整吸水剖面的均匀性。

水力震荡作业通过震荡波在井周或者附近地层中对岩石、特别是岩石中的微观裂隙产生循环荷载。在循环荷载的作用下，岩石或者微观裂隙的岩石力学参数发生变化，有利于剪切裂缝的发育。

由于软岩储层或固结力较弱的砂岩储层的地层孔喉较大，压力水容易进入其中改变储层孔隙压力。因此，针对软岩储层常常采用持续注水增压，进行水力扩容。而在致密岩层中，持续注水增压方法难以改变储层孔隙压力，这是由于致密储层孔隙度较低，压力水在低压条件下难以进入孔隙内，改变储层孔隙压力。若持续增压可能会导致注液压力高于储层破裂压力，从而产生宏观的张拉裂缝。在步骤s300中，采用水力震荡的注水方式产生压力波：一方面，该压力波能够有效进入到致密储层微小孔隙中，提高孔隙压力，使得孔隙体积膨胀，清除储层孔喉堵塞物；另一方面，压力波造成储层岩石颗粒发生错动，产生新的孔隙体积；通过以上两方面的作用，在注水井周围储层中产生均匀的扩容区。

进一步的，通过岩石力学有限元计算软件计算地表震荡对井底储层的改造作用，从而确定水力震荡的频率和幅度。频率和震荡的幅度是水力震荡作业的核心施工参数，直接影响水力震荡作业储层扩容改造的效果，通过有限元分析方法确定优选的水力震荡频率和幅度，有利于提高水力震荡作业的改造效率以及整个扩容储层改造效率。具体的，所述有限元软件采用热-流-固耦合的比奥方程并考虑井筒流体的伯努利方程，通过井筒流体的伯努利方程模拟水力震荡过程中压力波从井口到地层的传播，保证井口的压力波能传到地层，通过岩石力学的热-固-流耦合模拟孔隙介质岩石的扩容和裂缝过程，从而确定水力震荡的频率和幅度。

进一步的，进行水力震荡作业过程中，每隔一段时间进行一次压降测试，根据压降数据反演注水井井周储层扩容区半径和平均渗透率，若注水压力达到最大设计压力而注液量未达到设计值，这说明储层扩容区和渗透性还未达到设计要求，则返回s200地应力预处理步骤，并根据岩石力学扩容施工实时分析软件计算包括注入压力、注入排量和注液量在内的地应力预处理作业施工参数。本领域技术人员能够理解，采用已有的诸如非线性反演、迭代反演、最优化反演或全局寻优类反演算法均能够实现通过地表观测的压降数据反演得到注水井井周储层扩容区半径和平均渗透率等参数。

进一步的，步骤四中采用阶梯式大排量注水，具体是指逐步提高或降低注入排量并保持一段时间的注水过程，即以不同的排量，稳定一段时间的注水过程，通常分为阶梯升排量和阶梯降排量。阶梯式大排量注水与岩石的力学物理特性充分适应，旨在不超过岩层破裂压力的前提下最大限度地扩大储层扩容效果。

进一步的，在阶梯式大排量注水过程中，每隔一段时间进行一次压降测试，根据压降数据反演注水井井周储层扩容区半径和平均渗透率，若注液量达到设计要求而储层扩容半径未达到设计标准，则返回s300水力震荡作业步骤，并根据岩石力学扩容施工实时分析软件计算包括注入压力、注入排量和注液量在内的水力震荡作业施工参数。

本发明通过注水井井周的表皮因子和近井地带的渗透性作为评价储层地应力预处理成功的标准；通过注水压力达到最大设计压力后注液量是否达到设计值评价水力震荡作业成功；通过注液量达到设计要求后储层扩容半径是否达到设计标准评价阶梯大排量注水作业是否成功；三级注水模式与扩容进度效果依次匹配，实现注水井储层扩容改造的效果可控和程序最优。

进一步的：步骤s200～s400中的注入压力均大于储层最小主应力，且小于储层破裂压力。

可以选择的，所述注水井为水平井、竖直井或者斜井。

可以选择的，注入的液体选自常温条件或者高于常温条件下的清水、盐水、油田注入水或者其他对储层无伤害的液体。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过地应力预处理、水利震荡扩容和大排量阶梯扩容相结合的扩容储层改造工艺对地层扩容改造的半径远大于酸化改造半径，扩容改造的岩石有效孔隙体积远大于压裂造缝的孔隙体积；技术工艺无需化学药剂、不用加沙，更有利于环境保护及降低作业成本。因此，该技术除在机理上规避了酸化有效期短及增注效果不明显的弊端外，保护了环境、降低了成本，是目前低渗透储层渗流机理改造与增油、增注的有效途径；

2、本发明具有扎实的理论基础和实验室数据支撑，能够针对各种不同储层采用针对性的预处理、水力震荡和阶梯式大排量施工参数，提出形成均匀扩容区的解决方案；

3、本发明通过水力震荡作业产生震荡波在井周或者附近地层中对岩石、特别是岩石中的微观裂隙产生循环荷载。在循环荷载的作用下，岩石或者微观裂隙的岩石力学参数发生变化，有利于剪切裂缝的发育。此外，对于致密岩层，一方面，压力波能够有效进入到致密储层微小孔隙中，提高孔隙压力，使得孔隙体积膨胀，清除储层孔喉堵塞物；另一方面，压力波造成储层岩石颗粒发生错动，产生新的孔隙体积；通过以上两方面的作用，在注水井周围储层中产生均匀的扩容区。

4、本发明便于现场实施，配合精细化的硬件系统和实时软件分析，能够根据注水压力、注水排量及使用液量等压降相关参数结合地层压力、渗透系数等地层特性参数实时计算在注水井周围产生的扩容区半径和平均渗透率，操作人员根据扩容区半径进行判断下一步的操作，从而在注水井周产生大体积，均匀，高孔隙度，高渗透性的扩容区，从而达到注水井增注的目的；

5、本发明提供的三级注水扩容模式尤其适用于解决注水井由于机杂固含物堵塞地层孔喉，及近井地带储层结构疏松产生微粒运移，造成地层堵塞问题；

6、本发明不需要下入井底工具，无卡钻等井控风险；

7、该发明的施工液体对储层无伤害，比如水，盐水等，不会造成储层污染；

8、该发明采用井口人为控制的精细泵注，严格控制注入压力小于地层破裂压力，不会对井筒产生破坏也不会出现压串等现象。

附图说明：

图1：本发明注水井扩容储层改造方法流程图；

图2：有封隔器的注水井完井结构示意图；

图3：无封隔器的注水井完井结构示意图；

图4：采用笼统注水的注水井完井结构示意图；

图5：注水井扩容储层改造后形成的扩容区示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图2所示，由于储层固有的非均质性影响，以及注入水质的不稳定性，储层的渗透性会发生较大程度的波动，这就造成储层吸液能力也具有较大的差异。

图3和图4分辨为无封隔器的注水井完井结构示意图和采用笼统注水的注水井完井结构示意图。根据储层的地质情况，注水井的方向和完井方式可能发生变化，本发明不限制注水井的钻井和完井方式。

本实施例提供一种注水井扩容储层改造方法，如图1所示，包括如下步骤：

s100，开展地应力测试作业测取储层的最小地应力和破裂压力；

s200，采用低速和压力控制的注水方式对储层进行地应力预处理，改变井筒周围储层的原始地应力和含水饱和度，增大井周储层孔隙压力；

s300，通过水力震荡的注水方式，扩容储层渗透性差的区域，在井筒周围储层产生初步扩容区；

s400，通过阶梯式大排量和压力控制注水的方式，进一步扩展所述初步扩容区。

步骤s100中，选择同一区块，地质条件相对稳定的区域，通过对地震数据、测井数据以及地质模型的研究，避开天然裂隙发育区、断层发育区和区块边缘区域，通过小型水力压裂方法测取该区域盖层、储层、底层岩石的最小地应力和破裂压力。所述最小地应力和破裂压力是后续扩容作业进行压力控制的重要参数，例如若注入压力高于地层破裂压力，扩容作业会对井筒产生破坏甚至会出现压串等现象。

地应力测试作业结束后，开始进行注水井井筒周围的地应力预处理。地应力预处理的目的是，改变井筒周围储层的原始地应力和含水饱和度，以有利于扩容时形成较大范围的均匀的扩容区，进而清除井周堵塞，实现调整长射孔段吸液剖面及油藏动用均匀性。步骤s200中低速范围介于0.2m³/min～2.0m³/min；所述压力控制是根据无线流量传感器测得的瞬时注入排量和无线压力传感器测得的瞬时注入压力，通过控制阀控制液体的注入压力，使得所述注入压力保持在地层最小主应力之上且小于储层破裂压力之下。

注水井井筒周围储层地应力的预处理主要通过两个原理：1)多孔弹性原理，注入的水在储层中的扩散，可以改变井筒周围的孔隙压力；2)热弹性原理，如果是注热水，注入的热水可以加热储层，使井筒周围的储层产生热应力。

进一步的，在步骤s200对储层进行地应力预处理之前还采用有限元分析软件开展数模敏感性分析，优化包括注入压力、注入排量和注液量在内的工艺参数，具体包括：

s201，构建考虑了应力场、温度场和渗流场的热流固三相全耦合有限元模拟；

s202，根据储层岩石的力学性质选择合适的岩石强度模型、非线性弹性关系和模拟储层岩石扩容用的弹塑性本构模型；

s203，根据储层地质条件和完井结构参数在有限元分析软件构件储层单元及模拟的注水井，并施加边界条件进行储层扩容改造模拟；

s204，在有限元分析的结果基础之上结合施工经验优化目标井扩容改造的工艺参数。

进一步的，开展多次瞬态流体压力测试，测试注水井井周的表皮因子和近井地带的渗透性作为评价储层地应力预处理成功的标准。

进一步的，步骤s300中水力震荡是指在地面利用管汇系统的分流和回流管线，在一定时间高排量注入液体，快速增加注液压力，持续一定时间后停止注入，已注入的液体通过回流管线高排量回流至地面，降低储层压力；此过程重复进行，通过注入压力的快速升降在注水井口产生压力波并传导进地层，调整吸水剖面的均匀性。例如，以1.5m³/min的排量先注入10min，紧接着以1.0m³/min回流8min，再以2m³/min的排量注入15min，接着以1.5m³/min回流10min。注入以及回流的排量以及时间是根据分析软件实时确定，目的是产生足够强的压力差，传导至改造储层，形成均匀的扩容区。

水力震荡作业通过震荡波在井周或者附近地层中对岩石、特别是岩石中的微观裂隙产生循环荷载。在循环荷载的作用下，岩石或者微观裂隙的岩石力学参数发生变化，有利于剪切裂缝的发育。

由于软岩储层或固结力较弱的砂岩储层的地层孔喉较大，压力水容易进入其中改变储层孔隙压力。因此，针对软岩储层常常采用持续注水增压，进行水力扩容。而在致密岩层中，持续注水增压方法难以改变储层孔隙压力，这是由于致密储层孔隙度较低，压力水在低压条件下难以进入孔隙内，改变储层孔隙压力。若持续增压可能会导致注液压力高于储层破裂压力，从而产生宏观的张拉裂缝。在步骤s300中，采用水力震荡的注水方式产生压力波：一方面，该压力波能够有效进入到致密储层微小孔隙中，提高孔隙压力，使得孔隙体积膨胀，清除储层孔喉堵塞物；另一方面，压力波造成储层岩石颗粒发生错动，产生新的孔隙体积；通过以上两方面的作用，在注水井周围储层中产生均匀的扩容区。

通过岩石力学有限元计算软件计算地表震荡对井底储层的改造作用，从而确定水力震荡的频率和幅度。频率和震荡的幅度是水力震荡作业的核心施工参数，直接影响水力震荡作业储层扩容改造的效果，通过有限元分析方法确定优选的水力震荡频率和幅度，有利于提高水力震荡作业的改造效率以及整个扩容储层改造效率。所述有限元软件采用热-流-固耦合的比奥方程并考虑井筒流体的伯努利方程，通过井筒流体的伯努利方程模拟水力震荡过程中压力波从井口到地层的传播，保证井口的压力波能传到地层，通过岩石力学的热-固-流耦合模拟孔隙介质岩石的扩容和裂缝过程，从而确定水力震荡的频率和幅度。

进行水力震荡作业过程中，每隔一段时间进行一次压降测试，根据压降数据反演注水井井周储层扩容区半径和平均渗透率，若注水压力达到最大设计压力而注液量未达到设计值，这说明储层扩容区和渗透性还未达到设计要求，则返回s200地应力预处理步骤，并根据岩石力学扩容施工实时分析软件计算包括注入压力、注入排量和注液量在内的地应力预处理作业施工参数。

步骤四中采用阶梯式大排量注水，具体是指逐步提高或降低注入排量并保持一段时间的注水过程，即以不同的排量，稳定一段时间的注水过程，通常分为阶梯升排量和阶梯降排量。例如，比如采取阶梯升排量注水，一开始以0.5m³/min的排量先注入20min，然后以1.0m³/min的排量注入20min，继续以1.5m³/min的排量注入20min，以此类推，继续增加排量。在进行大排量阶梯注水的同时，需要控制注入压力小于储层破裂压力，防止出现宏观的张拉裂缝和井串现象，关键是时刻注意压力监控，不能超出地层的破裂压力。

在阶梯式大排量注水过程中，每隔一段时间进行一次压降测试，根据压降数据反演注水井井周储层扩容区半径和平均渗透率，若注液量达到设计要求而储层扩容半径未达到设计标准，则返回s300水力震荡作业步骤，并根据岩石力学扩容施工实时分析软件计算包括注入压力、注入排量和注液量在内的水力震荡作业施工参数。

步骤s200～s400中的注入压力均大于储层最小主应力，且小于储层破裂压力。

可以选择的，所述注水井为水平井、竖直井或者斜井。

液体选择因地制宜，以方便施工及适合储层条件为标准灵活选取热水或者冷水。注入的液体选自常温条件或者高于常温条件下的清水、盐水、油田注入水或者其他对储层无伤害的液体。

如图5所示，按照上述步骤，可在注水井井筒周围产生均匀的高渗透性的扩容区，从而达到注水井增注的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。