有機(jī)堵劑在水平井水平段中的流動(dòng)及頂替分析計(jì)算

閆?？。薜欠?曹瑞民，謝 剛（中石油華北油田分公司采油工藝研究院，河北 任丘062552）

唐文英（中石油華北油田分公司物理勘探研究院，河北 任丘062552）

田中太（中石油華北油田分公司第二采油廠，河北 霸州065703）

有機(jī)堵劑在水平井水平段中的流動(dòng)及頂替分析計(jì)算

閆?？?，巨登峰 曹瑞民，謝 剛（中石油華北油田分公司采油工藝研究院，河北 任丘062552）

唐文英（中石油華北油田分公司物理勘探研究院，河北 任丘062552）

田中太（中石油華北油田分公司第二采油廠，河北 霸州065703）

水平井規(guī)?；_發(fā)過程中化學(xué)堵水能夠有效抑制底水錐進(jìn)和邊水突進(jìn)，但暴露出相關(guān)參數(shù)僅能參照直井堵水經(jīng)驗(yàn)等問題。從不同填充狀態(tài)下堵劑在圓管中的流動(dòng)型態(tài)著手，通過水動(dòng)力學(xué)理論和物理模型模擬了堵劑2種不同流動(dòng)情況，并以算例形式探討了2種頂替模式。分析認(rèn)為堵劑粘度和注入流量分別決定其流動(dòng)型態(tài)和速度分布，從而直接影響后續(xù)頂替過程，并抓住流量對(duì)頂替的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入流量大于等于臨界流量時(shí)頂替效率較高。通過砂巖油藏水平井化學(xué)堵水先導(dǎo)性試驗(yàn)，礦場(chǎng)應(yīng)用符合堵水注入工藝設(shè)計(jì)，獲得了顯著的降水增油效果，為優(yōu)化水平井堵水注入工藝和豐富堵水施工設(shè)計(jì)理論提供了支持和參考。

水平井；堵水工藝；流體力學(xué)；流變性；頂替策略

作為抑制水平井底水錐進(jìn)和邊水突進(jìn)［1］的關(guān)鍵技術(shù)，化學(xué)堵水方法通常采用交聯(lián)聚合物﹑油基水泥等有機(jī)堵劑泵入水錐入侵通道和底水層，達(dá)到封堵邊﹑底水入侵通道的目的［2，3］，目前包括塔里木﹑新疆﹑冀東等油田已有水平井堵水的報(bào)道［3～6］。然而水平井堵水礦場(chǎng)實(shí)施中常會(huì)遇到一些問題，如堵劑和頂替液的用量﹑流量和壓力的設(shè)計(jì)等段塞注入?yún)?shù)只能憑直井的做法和經(jīng)驗(yàn)處理［7，8］，而由于水平井特別是水平段特殊的流體流動(dòng)狀況，使得對(duì)堵劑在水平井水平段流動(dòng)情況和頂替液推進(jìn)過程缺乏理性認(rèn)識(shí)［3］。目前國(guó)內(nèi)此類文獻(xiàn)很少，只有鄭永剛等人［7，9～11］研究的直井井筒流動(dòng)和頂替模型可供參考。而在水平井化學(xué)堵水注入模型和水平頂替理論方面的研究目前國(guó)內(nèi)還未見報(bào)道［12］。

通過水動(dòng)力學(xué)理論，利用物理模型深入研究有機(jī)凍膠和油溶性堵劑在水平井水平段井筒的流動(dòng)情況，探討了幾種頂替模式并對(duì)頂替過程進(jìn)行推演，提出了水平井堵水注入流量設(shè)計(jì)依據(jù)并在砂巖油藏水平井化學(xué)堵水先導(dǎo)性試驗(yàn)中取得成功。

1 堵劑流變性及流動(dòng)型態(tài)分析

堵劑A和堵劑B分別為實(shí)驗(yàn)室自制的有機(jī)凍膠［13］和油溶性堵劑。流變性試驗(yàn)表明堵劑A表現(xiàn)為強(qiáng)剪切變稀，是假塑性流體。而堵劑B表現(xiàn)為弱剪切變稀，性質(zhì)接近于水。見圖1。經(jīng)計(jì)算后堵劑流變性參數(shù)見表1（試驗(yàn)時(shí)剪切速率 為27s－1）。

表1 3種流體流變性參數(shù)

假設(shè)可達(dá)到的礦場(chǎng)實(shí)際注入流量為Q（m3/h），依據(jù)流體流動(dòng)型態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)［14，15］計(jì)算后可知對(duì)于含有有機(jī)凍膠A的溶液的流動(dòng)為層流，而含有油溶性堵劑B的溶液和頂替液水的流動(dòng)為湍流。因此水平頂替模式有2種，即湍流（水）頂替層流（堵劑 A），和湍 流（水）頂替湍流（堵劑B）。

圖1 2種堵劑表觀粘度隨剪切速率的變化曲線

2 研究模型建立

2.1 模型假設(shè)

水平圓管中流體做穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，不隨時(shí)間改變；流體流動(dòng)沿程均勻，且流速軸向?qū)ΨQ；水平井井身軌跡假定為水平井水平段平行于水平方向；水平圓管的進(jìn)口和出口對(duì)流動(dòng)的影響可以忽略。

2.2 流體流動(dòng)物理模型

如圖2所示，建立流體在圓管中流動(dòng)的物理模型，設(shè)有一很長(zhǎng)的圓管，其半徑為R。物理模型采用圓柱坐標(biāo)系（3個(gè)參數(shù)為r，x，φ）。

圖2 直圓管中流動(dòng)的物理模型

3 有機(jī)堵劑流動(dòng)行為研究

利用描述流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的Navier－Stokes方程和連續(xù)性方程［16，17］，結(jié)合粘性流體不同的流動(dòng)型態(tài)，合理利用相關(guān)假設(shè)，推導(dǎo)不同流動(dòng)型態(tài)下粘性流體流動(dòng)的微分方程［10］，得到流體在圓管中流動(dòng)的層流速度方程和湍流速度方程［18］，最后求解流體沿管徑方向的流速分布和流體與壁面的切應(yīng)力τw。經(jīng)計(jì)算含有有機(jī)凍膠A的溶液的流速分布呈圓錐型，含油溶性堵劑B的溶液和頂替液水的流速分布呈類圓柱型。

4 流體頂替模式和過程

4.1 水平圓管等流量頂替行為

4.1.1 湍流頂替層流

如圖3，比較頂替液和被頂替液的流速分布看到開始層流發(fā)展緩慢而湍流發(fā)展迅速，此時(shí)堵劑可被頂替，隨后層流快速發(fā)展而湍流發(fā)展緩慢，導(dǎo)致管中心區(qū)域的大部分堵劑不能被頂替。按此思路，被頂替液為堵劑A，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 湍流頂替層流過程推演

表2 62mm圓管內(nèi)2種頂替模式算例

表2 62mm圓管內(nèi)2種頂替模式算例

頂替模式 被頂替液 流量/m3·h－1 頂替效率/%A 5 16.80 20 16.80湍流頂替湍流 堵劑B 1.7（臨界值）湍流頂替層流 堵劑84.20

由表2可見湍流頂替層流的頂替效率很低，管中心大部分區(qū)域未被頂替，且頂替效率不隨流量變化。

4.1.2 湍流頂替湍流

圖4 湍流頂替湍流過程推演

算例中被頂替液為堵劑B，計(jì)算結(jié)果見表2，所列數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)完全均勻湍流頂替湍流的臨界值，可看到臨界流量較小，最大頂替效率為84.2%，很少部分未被頂替是粘滯層存在所致。該種情況為理想的活塞式推進(jìn)過程，頂替液用量為整個(gè)圓管體積。

4.2 頂替因素分析

4.2.1 流動(dòng)型態(tài)

湍流頂替時(shí)，整個(gè)圓管的流速比較均勻，而層流時(shí)流速分布相差較大，因此湍流頂替湍流的整體頂替效率要比層流高得多。

4.2.2 注入流量

在湍流頂替層流的過程中可以看到頂替效率不隨流量變化，即頂替效率與流量無(wú)關(guān)。下面重點(diǎn)討論流量對(duì)于湍流頂替湍流過程的影響。

頂替效率Ed的計(jì)算式為：

式中，ε＊為粘滯層厚度，無(wú)量綱；εb為流速等于平均流速時(shí)的徑向距離（約為0.2，無(wú)量綱）。由式（1）可以看出Ed的大小取決于ε＊的大小。62mm圓管不同流量的湍流頂替效率見表3。

表3 62mm圓管不同流量的湍流頂替效率

表3 62mm圓管不同流量的湍流頂替效率

流量/m3·h－1徑向距離/m τw/Pa 頂替效率Ed/%1.5 0 τw堵劑B＞τw水0 1.7 － τw堵劑B＝τw水 84 5 0.147 τw堵劑B＜τw水 68 10 0.183 τw堵劑B＜τw水 64 20 0.204 τw堵劑B＜τw水61

由表3可以看到隨著τw堵劑B（堵劑B與壁面切應(yīng)力，Pa）與τw水（水與壁面切應(yīng)力，Pa）的相對(duì)變化，頂替推進(jìn)大致經(jīng)歷3個(gè)過程。當(dāng)實(shí)際流量小于臨界流量時(shí)頂替效率很小（接近于0），這是因?yàn)棣觲堵劑B＞τw水導(dǎo)致在湍流核心區(qū)被頂替液的流速大于水，以致不能頂替。當(dāng)注入流量提高到臨界流量，湍流頂替效率達(dá)到最大值，隨著流量的繼續(xù)提高頂替界面逐漸向管中心靠近，使頂替效率有所降低（圖5）。

圖5 提高流量對(duì)湍流頂替推進(jìn)的影響

4.2.3 堵劑流變性指數(shù)

對(duì)于湍流頂替層流過程由于堵劑的稠度指數(shù)與層流速度分布無(wú)關(guān)，頂替效率不隨稠度指數(shù)發(fā)生變化，但與流動(dòng)指數(shù)n有關(guān)，n減小頂替效率略有增加。

表4 堵劑流變性對(duì)湍流頂替湍流的影響

湍流頂替湍流中隨著稠度指數(shù)（或流動(dòng)指數(shù)）的增加（注：稠度指數(shù)1、3、4算例，流動(dòng)指數(shù)3、1、2算例，兩者相關(guān)），臨界流量快速增大（表4），從而提高了頂替效率。但由于湍流情況下湍動(dòng)應(yīng)力大于粘滯應(yīng)力，流動(dòng)指數(shù)n和稠度指數(shù)K對(duì)湍動(dòng)速度剖面的影響不大。因此現(xiàn)場(chǎng)頂替流量設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮堵劑的流變性。另外應(yīng)注意到臨界流量對(duì)流動(dòng)指數(shù)更為敏感。

5 砂巖油藏水平井應(yīng)用實(shí)例

砂巖油藏水平井堵水調(diào)剖成功應(yīng)用上述理論設(shè)計(jì)了堵調(diào)劑和頂替液段塞以及排量。對(duì)于含堵劑A的段塞后續(xù)頂替液應(yīng)該過量以保證堵劑完全被替入地層，而對(duì)于含油溶性堵劑B的段塞，后續(xù)頂替液一次等量頂替即可。如路36平11井，采用套管完井，于2008年12月投產(chǎn)后便出現(xiàn)高產(chǎn)液高含水，動(dòng)靜態(tài)資料分析認(rèn)為儲(chǔ)層內(nèi)底水上升、邊水或注入水突進(jìn)，造成水線指進(jìn)溝通導(dǎo)致該井生產(chǎn)層水淹。為此依據(jù)油藏特征和水淹特點(diǎn)，按照選擇性封堵主要高滲透通道，并阻止地層水繞流的思路，于2010年10月在2240.0～2325.0m井段采用復(fù)合堵劑低排量籠統(tǒng)擠注工藝，以段塞方式依次注入有機(jī)凍膠A、頂替液、油溶性堵劑B和頂替液，施工排量和頂替液用量見表5。堵水取得良好降水增油效果，截止到2011年6月，累計(jì)增油2345t。

表5 路36平11井堵水段塞設(shè)計(jì)

6 結(jié) 論

1）完成了水平井水平段圓管內(nèi)有機(jī)凍膠和油溶性堵劑流動(dòng)和頂替模式理論計(jì)算與分析，有關(guān)結(jié)論對(duì)于傾斜圓管流體流動(dòng)和頂替過程仍可參考。

2）影響有機(jī)堵劑頂替的因素有頂替液的用量、注入流量和流體流變性等等，現(xiàn)場(chǎng)堵水應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的頂替策略。湍流頂替層流過程由于有機(jī)堵劑在水平段圓管以半充滿形態(tài)流動(dòng)，頂替效率低，所以應(yīng)在注入流量保持不變的前提下，采用過量頂替方式，增大頂替液用量。湍流頂替湍流過程油溶性堵劑能以全充滿方式在水平段流動(dòng)，頂替效率較高，所以應(yīng)在注入流量稍大于臨界流量的前提下，等量頂替就可保證堵劑完全替進(jìn)地層。

3）礦場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)表明，使用該方法優(yōu)化了水平井化學(xué)堵水注入工藝，為水平井堵水施工設(shè)計(jì)提供了支持和參考，對(duì)礦場(chǎng)堵水調(diào)剖具有一定指導(dǎo)意義。

本文受中石油華北油田分公司科技項(xiàng)目 “水平井堵控水工藝技術(shù)研究”（2011－HB－C13）資助。

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Analysis and Calculation of Flow and Replacement Behavior of Organic Plugging Agent in Horizontal Wells

YAN Hai－jun，JU Deng－feng，CAO Rui－min，XIE Gang，TANG Wen－ying，TIAN Zhong－tai（First Author's Address：Research Institute of Oil Production Technology，Huabei Oilfield Company，CNPC，Renqiu062552，Hebei，China）

As an effective way of water controlling，the scale of chemical water shut－off could be effectively inhibit bottom water coning and edge water breakthrough，but there existed the problem of referring to the experience of water plugging in straight wells.From the study of different filling modes of flow patterns in around tubings，the theory of hydrodynamics and physical model were used for simulating 2different flow patterns，and the 2displacement modes were discussed with examples.Analysis shows that its viscosity and injection volume can determine the flow patterns and velocity distribution，it would directly influence displacement，and based on the influence of flow rate on the displacement，it reveals that the highest displacement efficiency is obtained as the injecting rate is bigger than that of critical flow rate.Through a pilot test of chemical plugging agent in horizontal wells in sandstone reservoirs，it indicates that the result of field test is consistent with that of process design，the effect of water reduction and oil increment is obvious，it provides a support and reference for water plugging and enriching the theoretical design of water－plugging operation in horizontal wells.

horizontal well；water－plugging technique；fluid dynamics；rheology；displacement strategy

TE358.3

A

1000－9752（2012）07－0141－05

2011－11－24

閆?？。?985－），男，2008年天津大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事油田化學(xué)研究工作。

［編輯］ 蕭 雨