秦 飛,張?chǎng)?毛志強(qiáng),陳立峰,曾慧勇

(1.中國(guó)石化西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司 碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830011;3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430100;4.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 油氣鉆完井技術(shù)國(guó)家工程研究中心,湖北 武漢 430100)

引 言

在底水油藏開(kāi)發(fā)中后期,生產(chǎn)井附近的油水界面可能會(huì)出現(xiàn)底水錐進(jìn)現(xiàn)象,導(dǎo)致注入水突破油井后含水迅速上升,油藏產(chǎn)能低,開(kāi)發(fā)壽命短等問(wèn)題[1-4]。目前化學(xué)隔板技術(shù)是提高底水油藏開(kāi)發(fā)效果的關(guān)鍵技術(shù),由于底水能量較大,因此,隔板材料需要具有較高的封堵強(qiáng)度才能起到良好的堵水效果[5-8]。

現(xiàn)今化學(xué)隔板對(duì)斷溶體底水油藏的堵水強(qiáng)度影響規(guī)律一方面是通過(guò)礦場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)認(rèn)識(shí),但單獨(dú)開(kāi)辟試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行研究成本風(fēng)險(xiǎn)太高[9-11]。另一方面是通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,一是巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),但現(xiàn)場(chǎng)巖心獲取成本高且獲取率低,不利于室內(nèi)研究[12-13];二是采用有機(jī)玻璃可視化模型,雖然便于直觀(guān)觀(guān)察,但模型耐溫耐壓性差且表面光滑,因此裂縫和溶洞表面與實(shí)際油藏物性相差較大[14-15]。由于大理石板材耐溫耐壓性好,且在成分和潤(rùn)濕性上與實(shí)際油藏相近,可以很好地表征礦場(chǎng)實(shí)際情況[16]。因此,本文根據(jù)我國(guó)塔河油田實(shí)際儲(chǔ)層特征與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,構(gòu)建符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的縫洞組合物理模式,并依據(jù)相似性準(zhǔn)則通過(guò)大理石板材構(gòu)建典型縫洞組合物理模型,通過(guò)一系列驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究不同隔板參數(shù)對(duì)堵水強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 斷溶體底水油藏物理模型

根據(jù)文獻(xiàn)[17,18]發(fā)現(xiàn),模擬油田實(shí)驗(yàn)的物理模型設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足相似標(biāo)準(zhǔn)。為了盡可能滿(mǎn)足物理模型與實(shí)際油藏流動(dòng)規(guī)律的相似性,物理模型的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足幾何相似、動(dòng)力學(xué)相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和特征相似。結(jié)合塔河油田的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)資料,對(duì)流體的物性、生產(chǎn)壓差和注入速度進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)。根據(jù)量綱規(guī)則,結(jié)合油水在地層中的流動(dòng)特征,得到相似準(zhǔn)則公式(表1),相似度指數(shù)越接近1,說(shuō)明物理模型與實(shí)際油藏越相似。本實(shí)驗(yàn)斷溶體底水油藏物理模型相似參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 相似標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Similarity criteria

表2 物理模型相似參數(shù)Tab.2 Similarity parameters of physical model

根據(jù)塔河油田礦場(chǎng)實(shí)際情況,選擇在二維尺度上對(duì)斷溶體底水油藏儲(chǔ)層進(jìn)行表征,通過(guò)準(zhǔn)確、合理地簡(jiǎn)化輪廓,繪制了模型設(shè)計(jì)圖。最后,利用大理石板材構(gòu)建二維物理模型(圖1)。模型尺寸為400 mm×300 mm×50 mm,縫洞最大刻深為5 mm,井筒寬度為10 mm,孔隙體積為90 cm3。

圖1 斷溶體底水油藏模型實(shí)物圖Fig.1 Physical image of fault-karst bottom water reservoir model

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選自油田現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的隔板材料,具體如下表3所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)礦場(chǎng)實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)了主要實(shí)驗(yàn)步驟：①根據(jù)流程圖(圖2)連接儀器,并檢驗(yàn)各儀器及模型密封狀態(tài);②將實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層水裝入中間容器,再將隔板材料預(yù)置到模型中,最后將蓋子放在模型上;③在130 ℃條件下,按預(yù)定速度25 mL/min從底部入口注入模擬地層水,記錄不同隔板參數(shù)下的封堵壓力;④依次改變隔板參數(shù)(不同隔板材料、展布位置、展布長(zhǎng)度、段塞設(shè)計(jì)),重復(fù)步驟①—③。

表3 不同隔板材料配方Tab.3 Formulations of different partition materials

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型隔板材料對(duì)堵水強(qiáng)度影響

溫度為130 ℃,注入速度為25 mL/min,向模型中分別預(yù)置0.1 PV的凍膠和油凝膠隔板材料,探究不同類(lèi)型隔板材料對(duì)堵水強(qiáng)度的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 不同隔板材料下驅(qū)替后隔板位置對(duì)比Fig.3 Comparison of position of partition of different materials after water flooding

圖4 不同驅(qū)替材料下封堵壓力變化Fig.4 Change of plugging pressure under different partition materials

由圖3、4可知,在注入水驅(qū)替過(guò)程中,凍膠隔板會(huì)出現(xiàn)運(yùn)移現(xiàn)象,其原因是凍膠的強(qiáng)度較小,注入水驅(qū)替過(guò)程中易被沖散而發(fā)生運(yùn)移,突破壓力為0.57 MPa。當(dāng)注入水突破隔板后,封堵壓力迅速減小,穩(wěn)定后的封堵壓力維持在0.26 MPa。油凝膠隔板未出現(xiàn)運(yùn)移現(xiàn)象,突破壓力為1.97 MPa,當(dāng)注入水突破隔板后,封堵壓力緩慢降低,穩(wěn)定后的封堵壓力維持在0.99 MPa。綜上所述,油凝膠相對(duì)于凍膠而言,不易被注入水沖散而發(fā)生運(yùn)移,可以形成穩(wěn)定的隔板結(jié)構(gòu),從而具有較大的堵水強(qiáng)度。因此,單從隔板堵水強(qiáng)度考慮,斷溶體底水油藏堵水建議優(yōu)先選用油凝膠隔板材料。

2.2 不同隔板展布位置對(duì)堵水強(qiáng)度影響

向模型中分別預(yù)置0.1 PV的凍膠和油凝膠,其對(duì)應(yīng)的位置分別為深層封堵、中層封堵、淺層封堵,通過(guò)測(cè)量不同封堵位置對(duì)應(yīng)的展布寬度分別為28.3 mm、32.6 mm、36.7 mm。探究不同隔板展布位置對(duì)堵水強(qiáng)度的影響規(guī)律,其他條件同2.1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

由圖5、6可知,凍膠隔板深層封堵堵水強(qiáng)度高于中層和淺層封堵,總體上不同展布位置的突破壓力較小,其突破壓力分別為0.81 MPa、0.68 MPa、0.21 MPa。因?yàn)閮瞿z隔板的強(qiáng)度小,注入水沖刷擠壓時(shí),隔板迅速被沖散,并以球狀的形式發(fā)生運(yùn)移,這可能導(dǎo)致運(yùn)移的凍膠停留在小孔隙采油通道發(fā)生堵塞,對(duì)儲(chǔ)層造成損害,影響最終采收率。油凝膠隔板展布位置越深堵水強(qiáng)度越大,其突破壓力分別為2.83 MPa、2.36 MPa、1.12 MPa。其原因是油凝膠隔板與巖石表面交接處存在一定的孔隙體積,展布寬度越大,隔板與巖石壁面的接觸面積越大,所留孔隙體積越大,注入水越容易滲透。綜上所述,凍膠隔板的展布位置對(duì)堵水強(qiáng)度的影響較小,且在注入水沖刷擠壓下均發(fā)生運(yùn)移,油凝膠的堵水強(qiáng)度與展布尺寸關(guān)聯(lián)性較大,均大于不同展布位置下凍膠的封堵壓力。深層封堵相對(duì)于中層和淺層封堵而言,深層封堵的展布寬度較小,封堵段孔隙體積較小。因此,采用油凝膠隔板對(duì)斷溶體底水油藏進(jìn)行封堵時(shí),選擇深層封堵展布寬度小,堵水強(qiáng)度大,封堵效果好。

圖5 不同隔板展布位置下驅(qū)替后隔板位置對(duì)比Fig.5 Comparison of partition position after water flooding under different distribution of partition

圖6 不同隔板展布位置下封堵壓力變化Fig.6 Change of plugging pressure under different distribution of partition

2.3 不同隔板展布長(zhǎng)度對(duì)堵水強(qiáng)度的影響

向物理模型的深層位置(展布寬度為28.3 mm)分別預(yù)置展布長(zhǎng)度為5 mm、15 mm、30 mm和60 mm的凍膠和油凝膠進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn),探究不同隔板展布長(zhǎng)度對(duì)堵水強(qiáng)度的影響規(guī)律,其他條件同2.1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

由圖7、8可知,凍膠隔板堵水強(qiáng)度隨展布長(zhǎng)度增大而增大,但當(dāng)隔板展布長(zhǎng)度為60 mm時(shí),突破壓力僅為1.02 MPa,封堵壓力小。原因是凍膠強(qiáng)度小,在大裂縫孔隙中的運(yùn)移能力強(qiáng),無(wú)法形成穩(wěn)定的封堵帶,而且隔板展布長(zhǎng)度越大,即用量越多時(shí),運(yùn)移現(xiàn)象越明顯。分散后的凍膠運(yùn)移至小裂縫孔隙,可能會(huì)導(dǎo)致通道堵塞,儲(chǔ)層環(huán)境惡化,采油效率較低。油凝膠隔板堵水強(qiáng)度隨展布長(zhǎng)度增大而增大,其突破壓力分別為0.36 MPa、1.83 MPa、3.15 MPa、4.46 MPa。注水驅(qū)替后,油凝膠隔板均未發(fā)生運(yùn)移,這表明油凝膠與巖石壁面的黏附性較好,在地層環(huán)境中能形成穩(wěn)定的隔板結(jié)構(gòu)。綜上所述,凍膠強(qiáng)度小,增加凍膠隔板展布長(zhǎng)度,仍易被底水沖散而發(fā)生運(yùn)移。油凝膠隔板封堵底水時(shí),封堵壓力與展布長(zhǎng)度呈正相關(guān),當(dāng)隔板展布長(zhǎng)度為60 mm時(shí),封堵壓力最大,堵水效果最好。

圖7 不同隔板展布長(zhǎng)度下驅(qū)替后隔板位置對(duì)比Fig.7 Comparison of partition position after water flooding under different partition length

圖8 不同隔板展布長(zhǎng)度下封堵壓力變化Fig.8 Change of plugging pressure under different partition length

2.4 不同段塞隔板對(duì)堵水強(qiáng)度影響

采用凍膠、油凝膠、水玻璃和樹(shù)脂設(shè)計(jì)段塞,探究不同段塞隔板對(duì)堵水強(qiáng)度的影響,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)出一套可行的段塞隔板設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)降本增油,提高油藏采收率。

2.4.1 封口劑與凍膠雙段塞對(duì)堵水強(qiáng)度的影響

由于凍膠強(qiáng)度小,易發(fā)生運(yùn)移,但凍膠成本低,考慮油田經(jīng)濟(jì)效益,故探究不同封口劑與凍膠雙段塞對(duì)堵水強(qiáng)度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了下層80%凍膠,上層分別為20%水玻璃、20%油凝膠和20%樹(shù)脂三種不同段塞,其他條件同2.1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9、10。

圖9 不同雙段塞隔板下驅(qū)替后隔板位置對(duì)比Fig.9 Comparison of partition position after water flooding under different double slug partition

圖10 不同雙段塞隔板下封堵壓力變化Fig.10 Change of plugging pressure after water flooding under different double slug partition

由圖9、10可知,以水玻璃為封口劑,突破壓力為1.36 MPa,原因是水玻璃強(qiáng)度較小且在水相中易部分溶解,受到注入水沖刷后易分散,故堵水強(qiáng)度增幅較小。以強(qiáng)度較大的油凝膠和樹(shù)脂為封口劑,突破壓力分別為2.96 MPa和3.58 MPa,堵水強(qiáng)度大,其原因是其能減少凍膠運(yùn)移,從而形成穩(wěn)定的隔板結(jié)構(gòu),故封堵強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。綜上所述,注入水先擠壓下層凍膠,凍膠沖散后發(fā)生運(yùn)移,填充了封口劑與巖石壁面的孔隙。因此,該段塞設(shè)計(jì)具有良好的協(xié)同作用,堵水強(qiáng)度大,其中下層80%凍膠與上層20%樹(shù)脂封堵壓力最大。但由于封口劑段塞長(zhǎng)度較小,當(dāng)斷溶體油藏底水能量較大時(shí),需減小凍膠段塞長(zhǎng)度,增加封口劑段塞長(zhǎng)度,才能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。

2.4.2 油凝膠與凍膠、油凝膠三段塞隔板對(duì)堵水強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,凍膠置于下層難以形成穩(wěn)定的隔板,因此先加入前置段塞封堵底水,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了20%油凝膠/60%凍膠/20%油凝膠、20%油凝膠/50%凍膠/30%油凝膠和20%油凝膠/40%凍膠/40%油凝膠三種不同段塞,考察不同比例油凝膠/凍膠/油凝膠三段塞對(duì)堵水強(qiáng)度的影響。其他條件見(jiàn)2.4.1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10、11。

由圖11、12可知,采用油凝膠與凍膠、油凝膠三段塞設(shè)計(jì)可以極大地提高隔板的堵水強(qiáng)度,其突破壓力分別為4.82 MPa、8.31 MPa、10.26 MPa。因?yàn)樽⑷胨畷?huì)先擠壓高強(qiáng)度油凝膠的前置段塞,當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí),注入水才會(huì)從油凝膠與巖石壁面交接處的孔隙滲透到凍膠主體段塞。雖然凍膠強(qiáng)度較小,注入水?dāng)D壓易運(yùn)移,但是油凝膠作為封口劑,可以有效抑制凍膠運(yùn)移,少量發(fā)生運(yùn)移的凍膠也會(huì)填充油凝膠與巖石壁面間的孔隙,形成穩(wěn)定的隔板結(jié)構(gòu),從而提高其堵水強(qiáng)度。綜上所述,三段塞相比較于雙段塞隔板的堵水強(qiáng)度大幅度增加,故推薦斷溶體底水油藏采用三段塞隔板進(jìn)行堵水。

圖11 不同三段塞隔板下驅(qū)替后隔板位置對(duì)比Fig.11 Comparison of partition position after water flooding under different three slug partition

圖12 不同三段塞隔板下封堵壓力變化Fig.12 Change of plugging pressure after water flooding under different three slug partition

2.4.3 不同隔板參數(shù)下經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

油田現(xiàn)場(chǎng)可以針對(duì)不同底水能量的油藏在滿(mǎn)足堵水強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效益下選擇最佳的隔板參數(shù),現(xiàn)統(tǒng)計(jì)了不同隔板參數(shù)下的突破壓力梯度(突破壓力與隔板長(zhǎng)度的比值)和噸價(jià)(1噸隔板材料的成本),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知,油田應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的隔板參數(shù),推薦弱底水油藏選擇80%凍膠/20%油凝膠隔板,其突破壓力梯度49.33 MPa·m-1,噸價(jià)為3 600元,強(qiáng)底水油藏推薦20%油凝膠/50%凍膠/30%油凝膠,其突破壓力梯度138.50 MPa·m-1,噸價(jià)為6 750元。

表4 不同隔板參數(shù)下經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)Tab.4 Economic evaluation under different partition parameters

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 井組情況

選取與模型儲(chǔ)層特征相近的塔河油田TH102X井作為試驗(yàn)井,該井于2013年10月10日投產(chǎn),初期5 mm油嘴生產(chǎn),油壓12.5 MPa,日產(chǎn)液154 t,日產(chǎn)油150 t,含水2.6%。生產(chǎn)期間逐級(jí)上調(diào)油嘴至8 mm生產(chǎn),油壓、產(chǎn)液快速下降,自噴期僅40 d,2013年11月18日停噴。自噴期間累計(jì)產(chǎn)液2 592 t,產(chǎn)油2 529 t,產(chǎn)水63 t。2015年2月14日實(shí)施注水,含水率高速上升,最后注水井壓力不變,表明水竄優(yōu)勢(shì)通道形成,開(kāi)井采油后含水率高達(dá)96.3%。截至2019年11月23日,期間累產(chǎn)液55 659 t,累產(chǎn)油21 311 t,累產(chǎn)水34 348 t。

3.2 實(shí)施效果

具體堵水思路如下：采用定向注入的控制方法保證堵劑到達(dá)預(yù)定位置,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)估算封堵目標(biāo)位置的縫洞體積從而確定堵劑用量,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的封堵寬度和相似準(zhǔn)則推算出實(shí)際油藏封堵處的寬度,然后選擇相對(duì)應(yīng)寬度的管道注入堵劑,最后根據(jù)堵劑用量控制封堵的長(zhǎng)度。2021年4月25日對(duì)該井進(jìn)行堵水試驗(yàn),采用段塞式工藝進(jìn)行堵水。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定段塞設(shè)計(jì)為第1段塞為油凝膠20 m3,第2段塞為凍膠50 m3,第3段塞加入30 m3油凝膠進(jìn)行封口?；謴?fù)生產(chǎn)后,平均產(chǎn)油量從0.23 t/d增至0.76 t/d,含水率從96.2%降至90.7%,取得了良好的降水增油效果。

4 結(jié) 論

(1)基于隔板材料本身力學(xué)強(qiáng)度以及與巖石壁面較強(qiáng)的黏附能力,油凝膠隔板具有較高的堵水強(qiáng)度,凍膠隔板易發(fā)生運(yùn)移,堵水強(qiáng)度小。當(dāng)注入量為0.1 PV時(shí),突破壓力分別為1.97 MPa、0.57 MPa。

(2)針對(duì)隔板展布位置和長(zhǎng)度,斷溶體底水油藏深層封堵效果優(yōu)于中層和淺層封堵,且展布長(zhǎng)度越大,堵水強(qiáng)度越大,因此,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)隔板注入量以保證材料在縫洞中展布充分。三段塞隔板相對(duì)于雙段塞,能夠有效抑制凍膠運(yùn)移,極大地提高隔板的堵水強(qiáng)度。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用油凝膠/凍膠/油凝膠三段塞隔板進(jìn)行堵水,平均產(chǎn)油量從0.23 t/d增至0.76 t/d,含水率從96.2%降至90.7%,取得了較好的降水增油效果。

(4)針對(duì)斷溶體底水油藏堵水時(shí),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)底水強(qiáng)度的不同選擇最佳的隔板參數(shù)。