聚堵動(dòng)態(tài)特征、機(jī)理及定量評(píng)價(jià)方法研究

王傳軍，宋宏宇，高 岳，陳來勇，馬奎前，李云鵬

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452；2. 中國石油大學(xué)(華東) 山東青島266580)

0 引 言

目前越來越多的油田已進(jìn)入中高含水階段，產(chǎn)量遞減明顯，因此很多油田采取了化學(xué)驅(qū)手段提高采收率，其中聚合物驅(qū)應(yīng)用最為廣泛。隨著聚合物驅(qū)的廣泛應(yīng)用，聚合物堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)并被提及的頻率越來越高[1-15]，也越來越受到廣大現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及科研人員的重視。但目前的研究成果主要體現(xiàn)在聚合物堵塞機(jī)理及解堵措施上，系統(tǒng)總結(jié)聚合物堵塞井動(dòng)態(tài)特征、定量研究聚合物堵塞對(duì)產(chǎn)能影響程度的成果較少[1,9,11,14]。針對(duì)上述問題，本文首先系統(tǒng)總結(jié)了聚合物堵塞井動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)一步分析了堵塞物的成分，并詳細(xì)分析了堵塞機(jī)理，在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了定量評(píng)價(jià)方法，為今后采取有效解堵措施提供了理論依據(jù)。

1 聚合物堵塞井動(dòng)態(tài)特征分析

很多聚驅(qū)油田進(jìn)入注聚后期后，部分井在生產(chǎn)壓差增加較大的情況下，仍然出現(xiàn)產(chǎn)液量逐漸下降的現(xiàn)象，其主要原因?yàn)榫酆衔锒氯?。聚合物堵塞一般發(fā)生在油井見聚后，經(jīng)旅大10-1油田、綏中36-1油田實(shí)際區(qū)塊生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析，總結(jié)聚合物堵塞后動(dòng)態(tài)特征。

①產(chǎn)液量下降。油井見聚一段時(shí)間后，表現(xiàn)出的一個(gè)明顯特征即是產(chǎn)液量逐漸下降，表明聚合物堵塞是一個(gè)逐漸發(fā)生的過程；即使生產(chǎn)壓差逐漸增大，產(chǎn)液量仍持續(xù)下降，說明產(chǎn)液指數(shù)逐漸下降。從圖1可以看出，該井見聚后，產(chǎn)液量迅速下降，如不及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致油井關(guān)停。

圖1 典型井井生產(chǎn)曲線Fig.1 Typical well production curve

②井底流壓下降。油井聚合物堵塞以后，導(dǎo)致油井動(dòng)液面逐漸下降，流壓下降。

③靜壓基本不變或上升。油井聚合物堵塞后，導(dǎo)致地層中的流體無法進(jìn)入井筒，在油井周圍大量聚集。聚合物堵塞輕微的井，油井靜壓不變或者略微上升；聚合物堵塞較為嚴(yán)重的井，油井靜壓上升。

④產(chǎn)聚濃度降低。油井發(fā)生聚合物堵塞的過程，即是油井滲流通道逐漸減小的過程。隨著聚驅(qū)的滲流通道逐漸被堵死，產(chǎn)出液中攜帶聚合物溶液所占的比例逐漸減小，導(dǎo)致聚合物的濃度逐漸降低。這種現(xiàn)象在聚合物堵塞輕微的井中表現(xiàn)不明顯，在聚合物堵塞較為嚴(yán)重的井中表現(xiàn)特別明顯。

2 聚合物堵塞機(jī)理分析

2.1 堵塞物成分分析

聚驅(qū)堵塞物一般是由有機(jī)物和無機(jī)物組成的混合物。有機(jī)物成分是聚合物、污油(烷烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì))和細(xì)菌(腐生菌、硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌)及其代謝產(chǎn)物；無機(jī)物成分則是黏土和機(jī)械雜質(zhì)及鈣(碳酸鈣)、鎂(碳酸鎂)、鐵(硫化鐵和堿式碳酸鐵)的沉淀物。本文以海上L油田為例進(jìn)行分析。

L油田聚合物堵塞物質(zhì)垢樣呈黑色、致密、膠結(jié)狀，有一定的彈性。堵塞物主要由油污、有機(jī)物、無機(jī)物等組成，其中油污占19.6%，有機(jī)物占40.3%，碳酸鈣、硫酸鈣、硅酸鹽無機(jī)粘土礦物以及腐蝕產(chǎn)物占40.1%。聚合物分子纏繞在無機(jī)物形成的核周圍，滯留在相應(yīng)的孔隙中，形成有機(jī)聚合物膠團(tuán)包裹無機(jī)物的堵塞形式。

L油田聚合物堵塞物質(zhì)相比陸上油田，有機(jī)物含量高，油污含量較高。聚合物堵塞物質(zhì)的組成及其存在形式?jīng)Q定了其解堵方法與工藝，因此發(fā)生聚合物堵塞時(shí)需要詳細(xì)分析聚驅(qū)堵塞物的成分，并對(duì)應(yīng)系統(tǒng)給出解堵所采用的化學(xué)劑、用量以及解堵策略。

2.2 聚合物堵塞成因及機(jī)理

針對(duì)注聚井堵塞原因及堵塞機(jī)理，國內(nèi)已開展了大量的研究。注聚井堵塞是多因素共同作用的結(jié)果，從堵塞物成因及堵塞機(jī)理出發(fā)，將注聚井堵塞原因及堵塞機(jī)理歸納成聚合物吸附滯留、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量與儲(chǔ)層孔喉尺寸不配伍、地層微粒的運(yùn)移、細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物、無機(jī)物沉積等方面[1,3,5-7,11-13]。結(jié)合堵塞物成分分析，對(duì)L油田聚合物堵塞原因分析如下：

2.2.1 有機(jī)物堵塞

①儲(chǔ)層黏土礦物以高嶺石和蒙脫石為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為71%和25%，蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且易吸附水和羥基，從而導(dǎo)致聚合物大分子與地層易產(chǎn)生氫鍵與靜電吸附。

②配置聚合物溶液的地層水礦化度較高，且二價(jià)離子含量大，導(dǎo)致聚合物水解度較小，且更容易在地層中吸附。

③地層滲透率越低，堵塞程度越嚴(yán)重。儲(chǔ)層平面上滲透率非均質(zhì)性較強(qiáng)，會(huì)造成聚合物在地層中的吸附量明顯增加，導(dǎo)致地層滲透率下降與地層堵塞。

④地層水中含有大量鈣鎂等陽離子，易于聚合物和其他陰離子在一定的地層條件下產(chǎn)生沉淀物。

⑤聚合物溶液配制及稀釋過程不充分，易形成魚眼和軟膠團(tuán)。

2.2.2 油污

原油為中膠質(zhì)原油(15.28%～19.47%)，注入流體的溫度低于油層溫度，連續(xù)地注入大量的低溫流體使局部地層溫度降低到原油濁點(diǎn)以下，伴隨氣體和外來液體的侵入，打破了地層中原油以及其中的石蠟和膠質(zhì)瀝青質(zhì)的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致石蠟、瀝青質(zhì)及膠質(zhì)在井眼附近的油氣層中沉積。瀝青質(zhì)很容易形成乳狀液，增加滲流阻力，或者與滯留的聚合物相互吸附，包裹無機(jī)物，形成復(fù)雜的堵塞物。

2.2.3 無機(jī)物堵塞

①注入水中二價(jià)鈣鎂離子含量高，在地層中很容易與陰離子形成鈣鹽與鎂鹽沉淀。

②聚合物堵塞物質(zhì)中有硅酸鹽的存在，說明出砂是生產(chǎn)井堵塞不容忽視的原因。

③聚合物堵塞物質(zhì)還有粘土礦物的存在，是聚合物堵塞物中膠核形成的良好助劑。

④聚合物堵塞物質(zhì)中含有金屬離子鐵與鋁，高價(jià)金屬離子易使聚合物發(fā)生交聯(lián)螯合反應(yīng)，形成堵塞物。

3 堵塞位置及其對(duì)產(chǎn)能影響的定量評(píng)價(jià)方法

3.1 堵塞半徑計(jì)算方法

聚合物堵塞可以分為油井堵塞和注水井堵塞2類；堵塞位置大體分為：近井地帶聚合物堵塞和防砂工具上的堵塞2類。防砂工具及井筒中的堵塞更容易處理，因此本文重點(diǎn)研究近井地帶的堵塞。以海上L油田典型井為例，利用Horner曲線求取表皮系數(shù)S(圖2)、Mckinley圖版求取滲透率下降倍數(shù)(圖3)。

①由Horner曲線求得的表皮系數(shù)48.3，Gringarten曲線求得的表皮系數(shù)47.5，取二者平均值，最終表皮系數(shù)(s)為47.9。

②由Mckinley圖版得到滲透率下降倍數(shù)(k/ks)為：

圖2 Horner曲線與Gringarten曲線Fig2 Horner curve and Gringarten curve

圖3 Mckinley圖版擬合Fig3 Mckinley plate fitting

③由聚合物堵塞半徑公式可得：

式中：k為始地層滲透率，md；ks為堵塞區(qū)域滲透率，md；re為堵塞半徑，m；rw為井筒半徑，m；S為表皮系數(shù)；T、C為擬合參數(shù)(Mf代表未污染堵塞區(qū)，Mw代表污染堵塞區(qū))。

據(jù)此求得典型井聚合物堵塞半徑為3.31m。

3.2 堵塞程度對(duì)產(chǎn)能影響的定量評(píng)價(jià)方法

近井地帶的堵塞對(duì)油井的產(chǎn)能有很大的影響，采用徑向加密網(wǎng)格來詳細(xì)研究堵塞半徑大小對(duì)產(chǎn)能的影響。模型中心井為注入井，注入量800m3/d，角井為生產(chǎn)井，定井底流壓生產(chǎn)，注聚時(shí)機(jī)為含水率10%，生產(chǎn)井見聚時(shí)間為連續(xù)生產(chǎn)第1200d。

3.2.1 堵塞程度對(duì)產(chǎn)能的影響研究

聚合物堵塞程度隨著生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行逐漸加重。如圖4所示，聚合物堵塞嚴(yán)重程度對(duì)產(chǎn)能的影響可以用表皮因子及近井地帶網(wǎng)格表示。

圖4 聚合物堵塞程度對(duì)產(chǎn)能的影響Fig 4 The effect of polymer blockage on capacity

堵塞程度越嚴(yán)重(最終表皮因子越大)，產(chǎn)能下降的幅度越大。隨著最終表皮因子的增大，產(chǎn)能的下降幅度減緩。聚合物堵塞進(jìn)程越快(表皮因子增加的越快)，油井產(chǎn)能下降越快。

3.2.2 堵塞半徑對(duì)產(chǎn)能的影響研究

通過設(shè)置井周圍加密網(wǎng)格滲透率變化區(qū)域的大小，來研究堵塞半徑的大小對(duì)產(chǎn)能影響的大小。

在相同的堵塞半徑內(nèi)，堵塞區(qū)域內(nèi)平均滲透率越低，產(chǎn)能的下降幅度越大。隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能逐漸下降。當(dāng)堵塞半徑介于0～3m時(shí)，隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能急劇下降；當(dāng)堵塞半徑大于3m時(shí)，隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能的遞減速率逐漸變慢。

從圖5可以看出，油井產(chǎn)能對(duì)堵塞半徑比較敏感。因此，當(dāng)油井產(chǎn)能開始急劇下降時(shí)，堵塞半徑還比較小，此時(shí)解堵，易施工、易恢復(fù)產(chǎn)能；若長(zhǎng)時(shí)間油井產(chǎn)能處于低值期，堵塞半徑逐漸增大，對(duì)后期解堵措施的要求也會(huì)越來越苛刻。

圖5 堵塞半徑對(duì)產(chǎn)能的影響Fig 5 Impact of plugging radius on productivity

3.2.3 解堵半徑對(duì)產(chǎn)能的影響

為了驗(yàn)證解堵半徑對(duì)產(chǎn)能的定量影響，通過設(shè)置不同的解堵半徑來研究其對(duì)產(chǎn)能的影響。

如圖6、圖7所示，在一定的堵塞半徑之下，隨著解堵半徑的增大，油井的產(chǎn)能逐漸提高。隨著解堵半徑的增大，油井解堵前后產(chǎn)能比的增速逐漸減緩；當(dāng)解堵半徑達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增大解堵半徑，對(duì)油井產(chǎn)能提高的作用已趨不明顯，這一解堵半徑將隨著堵塞區(qū)域滲透率的減小而逐漸加大。因此，對(duì)于油井聚合物堵塞應(yīng)“早治理、早防護(hù)”，尤其對(duì)于近井地帶滲透率下降幅度較大的井更宜早不宜遲。

圖6 解堵示意圖Fig 6 Unblocking diagram

圖7 解堵對(duì)產(chǎn)能的影響Fig 7 Unblocking the impact on capacity

4 結(jié) 論

①聚合物堵塞井表現(xiàn)出產(chǎn)液量下降、井底流壓下降、靜壓上升或不變、產(chǎn)聚濃度降低等動(dòng)態(tài)特征。

②堵塞物一般由有機(jī)物、無機(jī)物以及油污組成，且不同的堵塞物堵塞機(jī)理不同。一般聚合物堵塞均為復(fù)合堵塞。

③堵塞程度越嚴(yán)重，產(chǎn)能下降的幅度越大。聚合物堵塞進(jìn)程越快(表皮因子增加的越快)，油井產(chǎn)能下降得越快。

④隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能逐漸下降。當(dāng)堵塞半徑在0～3m內(nèi)，隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能急劇下降；當(dāng)堵塞半徑大于3m后，隨著堵塞半徑的增加，油井產(chǎn)能的遞減速率逐漸變慢。

⑤隨著解堵半徑的增大，油井解堵前后產(chǎn)能比的增速逐漸減緩；當(dāng)解堵半徑達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增大解堵半徑，對(duì)油井產(chǎn)能提高的作用已趨于不明顯。因此，對(duì)于油井聚合物堵塞應(yīng)“早治理、早防護(hù)”，尤其對(duì)于近井地帶滲透率下降幅度較大的井更是宜早不宜遲。