楊寶泉,周治剛,陳沖

(1.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪學(xué)院,北京100083;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453;3.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠,黑龍江大慶163453;4.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江大慶163001)

興安嶺群油層是海拉爾油田的主要開發(fā)層系,其地質(zhì)儲(chǔ)量約占海拉爾盆地已探明儲(chǔ)量的50%左右。興安嶺群對應(yīng)地質(zhì)時(shí)期為侏羅紀(jì),由于發(fā)育填充過程中伴隨有頻繁的構(gòu)造活動(dòng)和火山作用,形成了較為復(fù)雜的沉積環(huán)境,因此儲(chǔ)層巖性復(fù)雜,粘土礦物含量較高(平均含量達(dá)到24.8%),儲(chǔ)層膠結(jié)疏松,注水過程中粘土礦物容易脫落、分散和運(yùn)移,堵塞孔隙,使注水井注水能力下降,嚴(yán)重影響油田開發(fā)效果[1-2]。本文在速敏實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過理論推導(dǎo),計(jì)算出常規(guī)注水井和壓裂注水井的速敏傷害深度和解除傷害的最佳酸化半徑,為酸化解堵措施的實(shí)施提供了有力的依據(jù)。

表1 速敏指數(shù)和傷害程度的關(guān)系Tab.1 Relation of damage degree of permeability and speed sensitivity index

1 興安嶺群油層速敏傷害實(shí)驗(yàn)

粘土礦物對油層的傷害主要有兩種,一種是由于蒙脫石膨脹而引起的水敏傷害;第二種是由于伊利石等易脫落顆粒運(yùn)移而引起的速敏傷害。在油田實(shí)際生產(chǎn)過程中,常采用注防膨劑的方法抑制粘土膨脹,而對于速敏,則采用酸化解堵的方法,解除速敏傷害。

興安嶺群粘土礦物主要為蒙脫石、高嶺石和伊利石,若采用普通注入水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),容易發(fā)生水敏傷害,因此,實(shí)驗(yàn)中采用加入防膨劑的注入水,研究不同注入速度下,滲透率的變化規(guī)律。

1.1 速敏傷害實(shí)驗(yàn)

速敏性是指因流動(dòng)速度變化引起地層中微粒運(yùn)移而堵塞喉道,造成滲透率下降的現(xiàn)象[3-5]。采用速敏指數(shù)評價(jià)巖樣的速敏性,速敏指數(shù)為

式中 η—速敏指數(shù);KI—小于臨界流速時(shí)的原始滲透率,10-3μ m2;Ks—大于臨界流速時(shí),滲透率的最小值,10-3μ m2。滲透率傷害強(qiáng)度與速敏指數(shù)的關(guān)系如表1。

實(shí)驗(yàn)方法：以不同的注入速度,向巖芯注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水,在各個(gè)注入速度下測定巖石的滲透率,從注入速度與滲透率的變化關(guān)系曲線上,判斷巖石對流速的敏感性,并找出其臨界速度,計(jì)算速敏指數(shù)[6-7]。按下式將實(shí)驗(yàn)臨界流量換算成線速度。

式中V—流體運(yùn)動(dòng)的線速度,m/d;Q—流量,ml/ min;A—巖樣截面積,cm2;φ—巖樣孔隙度,%。

以滲透率為縱坐標(biāo),以流速為橫坐標(biāo),繪出速敏實(shí)驗(yàn)曲線(圖1)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(表2),興安嶺群油層隨深度增加,呈逐漸下降的趨勢,但總體來看,整個(gè)儲(chǔ)層都具有較強(qiáng)的速敏性。因此必須采取相應(yīng)的酸化解堵技術(shù),解除速敏傷害。

1.2 速敏傷害半徑的確定

在實(shí)際注水過程中,注入水是以井筒為中心,呈徑向流方式滲流的,離井筒越近,流速就越高,反之則越低,因此油層發(fā)生速敏傷害,一般是在井筒周圍一定半徑內(nèi)發(fā)生的。

表2 速敏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Data of speed sensitivity

興安嶺群注水井分為常規(guī)注水井和壓裂注水井。常規(guī)注水井注水是以井筒為中心呈徑向流方式滲流(圖2),而壓裂注水井由于壓裂裂縫的影響,注水方式由圓形徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸E圓徑向流方式向地層滲流(圖3)。這里分別針對常規(guī)注水井和壓裂注水井,進(jìn)行速敏傷害特征的探討。

徑向流流速公式表明,在井筒半徑r處的流量和流速的關(guān)系為

式中V—流速,m/d;Q—單位厚度吸水油層的日實(shí)注量,m3/d;φ—孔隙度,%;A—半徑r處單位厚度地層截面積。

對于常規(guī)注水井,注水呈圓形方式滲流,則單位厚度地層截面積A=2π r,相應(yīng)的流量和流速的關(guān)系為

對于壓裂注水井,注水呈橢圓形方式滲流,則單位厚度地層截面積2π r+4b,b為橢圓長半軸長,a為短半軸長,這里 b為壓裂實(shí)際縫長,a為井眼半徑長。相應(yīng)的流量和流速為

已知,興安嶺群地層平均孔隙度為15%,壓裂井單側(cè)有效縫長,一般為10m,常規(guī)注水井,單位厚度油層配注為5m3/d,壓裂井配注20m3/d。那么,結(jié)合速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過式(2)和式(3)可計(jì)算出常規(guī)井和壓裂井的速敏傷害半徑(表3)。

從表3可看出以下幾點(diǎn)：

1)常規(guī)井在目前配注條件下,Ⅰ～Ⅳ油層組均存在不同程度的速敏傷害。其中I油層組速敏傷害半徑最大,達(dá)到2.5m左右,IV油層組傷害半徑較小,只有不到0.5m。

2)壓裂井只有Ⅰ油層組存在速敏傷害,其它大部分油層組不存在速敏傷害,但是一旦發(fā)生速敏傷害,那么其傷害半徑遠(yuǎn)大于同類油層常規(guī)井的傷害半徑。

表3 常規(guī)井和壓裂井速敏傷害半徑計(jì)算結(jié)果Tab.3 The calculation results of the damage radius of conventional well and fracturing well

分析造成這種差異的原因有以下幾方面：

壓裂后,注水過流面積增大,導(dǎo)致流速降低,因此壓裂注水井不容易發(fā)生速敏傷害。

壓裂后,注水方式由圓的徑向流變?yōu)楸鈾E圓形徑向流,近井地帶流速遞減慢,因此一旦流速超過臨界流速,其傷害半徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)井的傷害半徑。

傷害半徑過大會(huì)給后續(xù)的酸化措施帶來很大難度,因此建議壓裂注水井在實(shí)際注水時(shí),要嚴(yán)格控制注入速度,以避免速敏傷害的發(fā)生。

2 速敏傷害酸化半徑的確定

油層發(fā)生堵塞后,常采用酸化措施進(jìn)行解堵。酸化措施的規(guī)模應(yīng)以經(jīng)濟(jì)可行且最大程度地解除地層堵塞為目的,因此如何確定和設(shè)計(jì)酸化半徑是決定酸化措施效益的一個(gè)重要因素。

設(shè)井筒半徑為Rw,堵塞半徑為 Rs,井控制地層半徑為Re,井底壓力為P1,地層壓力為P3,堵塞區(qū)前緣壓力為P2,地層厚度為h,未污染地層滲透率為K,地層污染后滲透率為K2,注入水粘度為 μ,井筒、污染帶、油藏邊界情況如圖4所示。

由達(dá)西定律[8-9]

將上式分離變量并積分得

常規(guī)注水井平面徑向流的流量公式

同樣可得壓裂注水井橢圓形徑向流的流量公式

下面分別針對常規(guī)井和壓裂井,計(jì)算酸化后注水井的注入量,進(jìn)而確定酸化半徑。

2.1 增注倍數(shù)的確定

首先針對常規(guī)注水井進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)式(3),地層未發(fā)生堵塞時(shí),其注入量為

地層堵塞后,其注入量為

對于非污染區(qū)Rs≤R≤Re

污染區(qū)Rw≤R≤Rs

根據(jù)連續(xù)性原理,在Rw≤R≤Re范圍內(nèi)Q2=Q3,可得注水井注入量為

式中X=K2/K。

若采取酸化措施,酸化半徑為Ra,酸化后注入量的計(jì)算同樣符合連續(xù)性原理,根據(jù)式(6)當(dāng)Rw＜Ra≤Rs時(shí),可得

式中X2為滲透率恢復(fù)率。

則增注倍數(shù)為

當(dāng)Ra＞Rs時(shí)

則增注倍數(shù)為

同樣,可得壓裂井酸化的增注倍數(shù)。

當(dāng)Rw＜Ra≤Rs時(shí)

當(dāng)Ra＞Rs時(shí)

2.2 酸化半徑的確定

對于常規(guī)井,已知條件Rw=0.139 7m,Re= 200rn,每米油層注入量為5m3,地層孔隙度15%,每注15m3水產(chǎn)1t油,每立方米酸0.25萬元,每噸油0.15萬元(扣除采油成本)。

現(xiàn)場一般注水井下降到原來注水量一半時(shí),就采取酸化措施,酸化的有效期一般在半年左右。對于I～I(xiàn)V油層組,根據(jù)速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可知其速敏傷害半徑Rs分別為2.42m、0.94m、1.30m、0.26m,那么根據(jù)式(3)和式(6)可計(jì)算出I～I(xiàn)V油層組的X分別為0.35、0.27、0.30、0.11。

實(shí)驗(yàn)室測得酸液對未污染巖心滲透率提高率X1 =1.98,對于速敏傷害巖心滲透率恢復(fù)率X2=1.19,根據(jù)式(7)和式(8)可得出各油層組不同酸化半徑與增產(chǎn)倍數(shù)的關(guān)系(圖4),通過計(jì)算不同酸化半徑所得的最大效益,可進(jìn)一步確定酸化半徑(圖5)。

由圖4可見,在傷害區(qū)內(nèi),隨酸化半徑增大,增注倍數(shù)增大幅度較大,在酸化半徑超過傷害半徑后,則曲線變緩,表明增注倍數(shù)增大幅度變緩。由圖5也可看出,酸化半徑超過傷害半徑后,效益增長變緩,甚至開始負(fù)增長。經(jīng)計(jì)算,在半年有效期內(nèi),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ油層組取得最大效益的酸化半徑分別為2.4m、1.6m、1.6m和1.8m。各油層組獲得最大酸化效益情況見表4。

I油層組的壓裂井存在速敏傷害,傷害半徑Rs=3.3m,當(dāng)注水量下降一半時(shí),其滲透率傷害率X=0.10,已知,X1=1.98,X2=1.19,b=10m,每米油層注入量為20m3,根據(jù)式(9)和式(10)計(jì)算可得酸化半徑與增注倍數(shù)及效益的關(guān)系曲線(圖6、圖7、圖8)。

表4 不同油層組最大酸化效益計(jì)算結(jié)果Tab.4 The calculation results of the largest acidizing benefit of different group

從圖6和圖7可見,在傷害區(qū)域內(nèi),增注倍數(shù)和效益增加幅度明顯,超過傷害區(qū)域,增注倍數(shù)明顯變緩,效益也出現(xiàn)明顯的負(fù)增長,因此對于壓裂井,酸化半徑應(yīng)以解除地層堵塞為主。經(jīng)計(jì)算,每米壓裂井酸化,最大可得效益14.01萬元,投入產(chǎn)出比為1：2.71。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

在興安嶺群油層開展了7口井的現(xiàn)場試驗(yàn),試驗(yàn)后注水壓力平均下降2.2MPa,單井平均日增注15m3,平均有效期已達(dá)到5個(gè)月以上。

德108-233井酸化前頂破裂壓力11.7MPa,注水2m3/d。該井酸化后,壓力下降1.1MPa,日增注20m3,酸后分層注水監(jiān)測結(jié)果表明(表5),各層段吸面均勻,說明達(dá)到了增加吸水能力和吸水厚度,調(diào)整吸水剖面的目的。目前該井有效期已超過6個(gè)月。

表5 德108-233井分層注水監(jiān)測表Tab.5 Monitoring table of separated layer injection

4 結(jié)束語

研究表明,興安嶺群儲(chǔ)層存在較嚴(yán)重的速敏傷害。常規(guī)注水井Ⅰ～Ⅳ油層組傷害半徑分別為2.42m、0.94m、1.30m、0.26m,壓裂注水井Ⅰ油層組存在速敏傷害,傷害半徑為3.3m。酸化設(shè)計(jì)的規(guī)模應(yīng)以解除地層傷害,且取得最大效益為主。常規(guī)注水井Ⅰ～Ⅳ油層組的最佳酸化半徑分別為2.4m、1.6m、1.6m和1.8m。壓裂注水井Ⅰ油層組酸化半徑為3.3m。興安嶺群油層7口井試驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性,可用于指導(dǎo)其它砂巖油層的酸化設(shè)計(jì)。

[1]張紹槐,羅平亞.保護(hù)儲(chǔ)集層技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社,1991.

[2]秦積舜,彭蘇萍.注入水中固相顆粒損害地層機(jī)理分析[J].石油勘探與開發(fā),2001,28(1)：87-88.

[3]呂道平,劉榮軍.儲(chǔ)集層流速敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的討論及應(yīng)用[J].新疆石油地質(zhì),1999,20(增)：31-36.

[4]段勇.巖心速敏試驗(yàn)理論與方法的研究[J].石油鉆采工藝,1994,16(2)：36-40.

[5]李明忠,秦積舜,鄭連英.注水水質(zhì)造成油層損壞的評價(jià)技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2002,24(3)：40-43.

[6]HOWER J.Mechanism of burial metamorphism of argillaceous sediment 1：Mineralogical and chemical evidence[J]. Geol Soc Amer,1975(87)：727-757.

[7]BASAN P B.Formation damage index number：A model for the evaluation of fluid sensitivity in shale sandstone[J].SPE 14317,1985：404-412.

[8]史紹德.油層物理[M].北京：石油工業(yè)出版社,1989.

[9]叢洪良,盛宏志.疏松砂巖油藏油井出砂量預(yù)測模型及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2006,28(2)：120-122.