兴安岭群油层注水井速敏伤害酸化规模的探讨

杨宝泉,周治刚,陈冲

(1.中国矿业大学地球科学与测绘学院,北京100083;2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江大庆163453;3.大庆油田有限责任公司第三采油厂,黑龙江大庆163453;4.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江大庆163001)

兴安岭群油层是海拉尔油田的主要开发层系,其地质储量约占海拉尔盆地已探明储量的50%左右。兴安岭群对应地质时期为侏罗纪,由于发育填充过程中伴随有频繁的构造活动和火山作用,形成了较为复杂的沉积环境,因此储层岩性复杂,粘土矿物含量较高(平均含量达到24.8%),储层胶结疏松,注水过程中粘土矿物容易脱落、分散和运移,堵塞孔隙,使注水井注水能力下降,严重影响油田开发效果[1-2]。本文在速敏实验的基础上,通过理论推导,计算出常规注水井和压裂注水井的速敏伤害深度和解除伤害的最佳酸化半径,为酸化解堵措施的实施提供了有力的依据。

表1 速敏指数和伤害程度的关系Tab.1 Relation of damage degree of permeability and speed sensitivity index

1 兴安岭群油层速敏伤害实验

粘土矿物对油层的伤害主要有两种,一种是由于蒙脱石膨胀而引起的水敏伤害;第二种是由于伊利石等易脱落颗粒运移而引起的速敏伤害。在油田实际生产过程中,常采用注防膨剂的方法抑制粘土膨胀,而对于速敏,则采用酸化解堵的方法,解除速敏伤害。

兴安岭群粘土矿物主要为蒙脱石、高岭石和伊利石,若采用普通注入水进行实验,容易发生水敏伤害,因此,实验中采用加入防膨剂的注入水,研究不同注入速度下,渗透率的变化规律。

1.1 速敏伤害实验

速敏性是指因流动速度变化引起地层中微粒运移而堵塞喉道,造成渗透率下降的现象[3-5]。采用速敏指数评价岩样的速敏性,速敏指数为

式中 η—速敏指数;KI—小于临界流速时的原始渗透率,10-3μ m2;Ks—大于临界流速时,渗透率的最小值,10-3μ m2。渗透率伤害强度与速敏指数的关系如表1。

实验方法：以不同的注入速度,向岩芯注入标准盐水,在各个注入速度下测定岩石的渗透率,从注入速度与渗透率的变化关系曲线上,判断岩石对流速的敏感性,并找出其临界速度,计算速敏指数[6-7]。按下式将实验临界流量换算成线速度。

式中V—流体运动的线速度,m/d;Q—流量,ml/ min;A—岩样截面积,cm2;φ—岩样孔隙度,%。

以渗透率为纵坐标,以流速为横坐标,绘出速敏实验曲线(图1)。从实验数据可见(表2),兴安岭群油层随深度增加,呈逐渐下降的趋势,但总体来看,整个储层都具有较强的速敏性。因此必须采取相应的酸化解堵技术,解除速敏伤害。

1.2 速敏伤害半径的确定

在实际注水过程中,注入水是以井筒为中心,呈径向流方式渗流的,离井筒越近,流速就越高,反之则越低,因此油层发生速敏伤害,一般是在井筒周围一定半径内发生的。

表2 速敏实验数据表Tab.2 Data of speed sensitivity

兴安岭群注水井分为常规注水井和压裂注水井。常规注水井注水是以井筒为中心呈径向流方式渗流(图2),而压裂注水井由于压裂裂缝的影响,注水方式由圆形径向流转变为以椭圆径向流方式向地层渗流(图3)。这里分别针对常规注水井和压裂注水井,进行速敏伤害特征的探讨。

径向流流速公式表明,在井筒半径r处的流量和流速的关系为

式中V—流速,m/d;Q—单位厚度吸水油层的日实注量,m3/d;φ—孔隙度,%;A—半径r处单位厚度地层截面积。

对于常规注水井,注水呈圆形方式渗流,则单位厚度地层截面积A=2π r,相应的流量和流速的关系为

对于压裂注水井,注水呈椭圆形方式渗流,则单位厚度地层截面积2π r+4b,b为椭圆长半轴长,a为短半轴长,这里 b为压裂实际缝长,a为井眼半径长。相应的流量和流速为

已知,兴安岭群地层平均孔隙度为15%,压裂井单侧有效缝长,一般为10m,常规注水井,单位厚度油层配注为5m3/d,压裂井配注20m3/d。那么,结合速敏实验结果,通过式(2)和式(3)可计算出常规井和压裂井的速敏伤害半径(表3)。

从表3可看出以下几点：

1)常规井在目前配注条件下,Ⅰ～Ⅳ油层组均存在不同程度的速敏伤害。其中I油层组速敏伤害半径最大,达到2.5m左右,IV油层组伤害半径较小,只有不到0.5m。

2)压裂井只有Ⅰ油层组存在速敏伤害,其它大部分油层组不存在速敏伤害,但是一旦发生速敏伤害,那么其伤害半径远大于同类油层常规井的伤害半径。

表3 常规井和压裂井速敏伤害半径计算结果Tab.3 The calculation results of the damage radius of conventional well and fracturing well

分析造成这种差异的原因有以下几方面：

压裂后,注水过流面积增大,导致流速降低,因此压裂注水井不容易发生速敏伤害。

压裂后,注水方式由圆的径向流变为扁椭圆形径向流,近井地带流速递减慢,因此一旦流速超过临界流速,其伤害半径要远远大于常规井的伤害半径。

伤害半径过大会给后续的酸化措施带来很大难度,因此建议压裂注水井在实际注水时,要严格控制注入速度,以避免速敏伤害的发生。

2 速敏伤害酸化半径的确定

油层发生堵塞后,常采用酸化措施进行解堵。酸化措施的规模应以经济可行且最大程度地解除地层堵塞为目的,因此如何确定和设计酸化半径是决定酸化措施效益的一个重要因素。

设井筒半径为Rw,堵塞半径为 Rs,井控制地层半径为Re,井底压力为P1,地层压力为P3,堵塞区前缘压力为P2,地层厚度为h,未污染地层渗透率为K,地层污染后渗透率为K2,注入水粘度为 μ,井筒、污染带、油藏边界情况如图4所示。

由达西定律[8-9]

将上式分离变量并积分得

常规注水井平面径向流的流量公式

同样可得压裂注水井椭圆形径向流的流量公式

下面分别针对常规井和压裂井,计算酸化后注水井的注入量,进而确定酸化半径。

2.1 增注倍数的确定

首先针对常规注水井进行计算。

根据式(3),地层未发生堵塞时,其注入量为

地层堵塞后,其注入量为

对于非污染区Rs≤R≤Re

污染区Rw≤R≤Rs

根据连续性原理,在Rw≤R≤Re范围内Q2=Q3,可得注水井注入量为

式中X=K2/K。

若采取酸化措施,酸化半径为Ra,酸化后注入量的计算同样符合连续性原理,根据式(6)当Rw＜Ra≤Rs时,可得

式中X2为渗透率恢复率。

则增注倍数为

当Ra＞Rs时

则增注倍数为

同样,可得压裂井酸化的增注倍数。

当Rw＜Ra≤Rs时

当Ra＞Rs时

2.2 酸化半径的确定

对于常规井,已知条件Rw=0.139 7m,Re= 200rn,每米油层注入量为5m3,地层孔隙度15%,每注15m3水产1t油,每立方米酸0.25万元,每吨油0.15万元(扣除采油成本)。

现场一般注水井下降到原来注水量一半时,就采取酸化措施,酸化的有效期一般在半年左右。对于I～IV油层组,根据速敏实验结果,可知其速敏伤害半径Rs分别为2.42m、0.94m、1.30m、0.26m,那么根据式(3)和式(6)可计算出I～IV油层组的X分别为0.35、0.27、0.30、0.11。

实验室测得酸液对未污染岩心渗透率提高率X1 =1.98,对于速敏伤害岩心渗透率恢复率X2=1.19,根据式(7)和式(8)可得出各油层组不同酸化半径与增产倍数的关系(图4),通过计算不同酸化半径所得的最大效益,可进一步确定酸化半径(图5)。

由图4可见,在伤害区内,随酸化半径增大,增注倍数增大幅度较大,在酸化半径超过伤害半径后,则曲线变缓,表明增注倍数增大幅度变缓。由图5也可看出,酸化半径超过伤害半径后,效益增长变缓,甚至开始负增长。经计算,在半年有效期内,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ油层组取得最大效益的酸化半径分别为2.4m、1.6m、1.6m和1.8m。各油层组获得最大酸化效益情况见表4。

I油层组的压裂井存在速敏伤害,伤害半径Rs=3.3m,当注水量下降一半时,其渗透率伤害率X=0.10,已知,X1=1.98,X2=1.19,b=10m,每米油层注入量为20m3,根据式(9)和式(10)计算可得酸化半径与增注倍数及效益的关系曲线(图6、图7、图8)。

表4 不同油层组最大酸化效益计算结果Tab.4 The calculation results of the largest acidizing benefit of different group

从图6和图7可见,在伤害区域内,增注倍数和效益增加幅度明显,超过伤害区域,增注倍数明显变缓,效益也出现明显的负增长,因此对于压裂井,酸化半径应以解除地层堵塞为主。经计算,每米压裂井酸化,最大可得效益14.01万元,投入产出比为1：2.71。

3 现场试验情况

在兴安岭群油层开展了7口井的现场试验,试验后注水压力平均下降2.2MPa,单井平均日增注15m3,平均有效期已达到5个月以上。

德108-233井酸化前顶破裂压力11.7MPa,注水2m3/d。该井酸化后,压力下降1.1MPa,日增注20m3,酸后分层注水监测结果表明(表5),各层段吸面均匀,说明达到了增加吸水能力和吸水厚度,调整吸水剖面的目的。目前该井有效期已超过6个月。

表5 德108-233井分层注水监测表Tab.5 Monitoring table of separated layer injection

4 结束语

研究表明,兴安岭群储层存在较严重的速敏伤害。常规注水井Ⅰ～Ⅳ油层组伤害半径分别为2.42m、0.94m、1.30m、0.26m,压裂注水井Ⅰ油层组存在速敏伤害,伤害半径为3.3m。酸化设计的规模应以解除地层伤害,且取得最大效益为主。常规注水井Ⅰ～Ⅳ油层组的最佳酸化半径分别为2.4m、1.6m、1.6m和1.8m。压裂注水井Ⅰ油层组酸化半径为3.3m。兴安岭群油层7口井试验结果表明,该设计方法具有较强的实用性,可用于指导其它砂岩油层的酸化设计。

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