聚堵动态特征、机理及定量评价方法研究

2019-03-30王传军宋宏宇陈来勇马奎前李云鹏

天津科技 2019年3期

王传军，宋宏宇，高岳，陈来勇，马奎前，李云鹏

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300452；2. 中国石油大学(华东) 山东青岛266580)

0 引言

目前越来越多的油田已进入中高含水阶段，产量递减明显，因此很多油田采取了化学驱手段提高采收率，其中聚合物驱应用最为广泛。随着聚合物驱的广泛应用，聚合物堵塞现象出现并被提及的频率越来越高[1-15]，也越来越受到广大现场工程技术人员及科研人员的重视。但目前的研究成果主要体现在聚合物堵塞机理及解堵措施上，系统总结聚合物堵塞井动态特征、定量研究聚合物堵塞对产能影响程度的成果较少[1,9,11,14]。针对上述问题，本文首先系统总结了聚合物堵塞井动态特征，进一步分析了堵塞物的成分，并详细分析了堵塞机理，在此基础上对产能的影响进行了详细的分析，并给出了定量评价方法，为今后采取有效解堵措施提供了理论依据。

1 聚合物堵塞井动态特征分析

很多聚驱油田进入注聚后期后，部分井在生产压差增加较大的情况下，仍然出现产液量逐渐下降的现象，其主要原因为聚合物堵塞。聚合物堵塞一般发生在油井见聚后，经旅大10-1油田、绥中36-1油田实际区块生产动态分析，总结聚合物堵塞后动态特征。

①产液量下降。油井见聚一段时间后，表现出的一个明显特征即是产液量逐渐下降，表明聚合物堵塞是一个逐渐发生的过程；即使生产压差逐渐增大，产液量仍持续下降，说明产液指数逐渐下降。从图1可以看出，该井见聚后，产液量迅速下降，如不及时处理，会导致油井关停。

图1 典型井井生产曲线Fig.1 Typical well production curve

②井底流压下降。油井聚合物堵塞以后，导致油井动液面逐渐下降，流压下降。

③静压基本不变或上升。油井聚合物堵塞后，导致地层中的流体无法进入井筒，在油井周围大量聚集。聚合物堵塞轻微的井，油井静压不变或者略微上升；聚合物堵塞较为严重的井，油井静压上升。

④产聚浓度降低。油井发生聚合物堵塞的过程，即是油井渗流通道逐渐减小的过程。随着聚驱的渗流通道逐渐被堵死，产出液中携带聚合物溶液所占的比例逐渐减小，导致聚合物的浓度逐渐降低。这种现象在聚合物堵塞轻微的井中表现不明显，在聚合物堵塞较为严重的井中表现特别明显。

2 聚合物堵塞机理分析

2.1 堵塞物成分分析

聚驱堵塞物一般是由有机物和无机物组成的混合物。有机物成分是聚合物、污油(烷烃、胶质和沥青质)和细菌(腐生菌、硫酸盐还原菌和铁细菌)及其代谢产物；无机物成分则是黏土和机械杂质及钙(碳酸钙)、镁(碳酸镁)、铁(硫化铁和碱式碳酸铁)的沉淀物。本文以海上L油田为例进行分析。

L油田聚合物堵塞物质垢样呈黑色、致密、胶结状，有一定的弹性。堵塞物主要由油污、有机物、无机物等组成，其中油污占19.6%，有机物占40.3%，碳酸钙、硫酸钙、硅酸盐无机粘土矿物以及腐蚀产物占40.1%。聚合物分子缠绕在无机物形成的核周围，滞留在相应的孔隙中，形成有机聚合物胶团包裹无机物的堵塞形式。

L油田聚合物堵塞物质相比陆上油田，有机物含量高，油污含量较高。聚合物堵塞物质的组成及其存在形式决定了其解堵方法与工艺，因此发生聚合物堵塞时需要详细分析聚驱堵塞物的成分，并对应系统给出解堵所采用的化学剂、用量以及解堵策略。

2.2 聚合物堵塞成因及机理

针对注聚井堵塞原因及堵塞机理，国内已开展了大量的研究。注聚井堵塞是多因素共同作用的结果，从堵塞物成因及堵塞机理出发，将注聚井堵塞原因及堵塞机理归纳成聚合物吸附滞留、聚合物相对分子质量与储层孔喉尺寸不配伍、地层微粒的运移、细菌及其代谢产物、无机物沉积等方面[1,3,5-7,11-13]。结合堵塞物成分分析，对L油田聚合物堵塞原因分析如下：

2.2.1 有机物堵塞

①储层黏土矿物以高岭石和蒙脱石为主，质量分数平均为71%和25%，蒙脱石质量分数高且易吸附水和羟基，从而导致聚合物大分子与地层易产生氢键与静电吸附。

②配置聚合物溶液的地层水矿化度较高，且二价离子含量大，导致聚合物水解度较小，且更容易在地层中吸附。

③地层渗透率越低，堵塞程度越严重。储层平面上渗透率非均质性较强，会造成聚合物在地层中的吸附量明显增加，导致地层渗透率下降与地层堵塞。

④地层水中含有大量钙镁等阳离子，易于聚合物和其他阴离子在一定的地层条件下产生沉淀物。

⑤聚合物溶液配制及稀释过程不充分，易形成鱼眼和软胶团。

2.2.2 油污

原油为中胶质原油(15.28%～19.47%)，注入流体的温度低于油层温度，连续地注入大量的低温流体使局部地层温度降低到原油浊点以下，伴随气体和外来液体的侵入，打破了地层中原油以及其中的石蜡和胶质沥青质的平衡状态，导致石蜡、沥青质及胶质在井眼附近的油气层中沉积。沥青质很容易形成乳状液，增加渗流阻力，或者与滞留的聚合物相互吸附，包裹无机物，形成复杂的堵塞物。

2.2.3 无机物堵塞

①注入水中二价钙镁离子含量高，在地层中很容易与阴离子形成钙盐与镁盐沉淀。

②聚合物堵塞物质中有硅酸盐的存在，说明出砂是生产井堵塞不容忽视的原因。

③聚合物堵塞物质还有粘土矿物的存在，是聚合物堵塞物中胶核形成的良好助剂。

④聚合物堵塞物质中含有金属离子铁与铝，高价金属离子易使聚合物发生交联螯合反应，形成堵塞物。

3 堵塞位置及其对产能影响的定量评价方法

3.1 堵塞半径计算方法

聚合物堵塞可以分为油井堵塞和注水井堵塞2类；堵塞位置大体分为：近井地带聚合物堵塞和防砂工具上的堵塞2类。防砂工具及井筒中的堵塞更容易处理，因此本文重点研究近井地带的堵塞。以海上L油田典型井为例，利用Horner曲线求取表皮系数S(图2)、Mckinley图版求取渗透率下降倍数(图3)。

①由Horner曲线求得的表皮系数48.3，Gringarten曲线求得的表皮系数47.5，取二者平均值，最终表皮系数(s)为47.9。

②由Mckinley图版得到渗透率下降倍数(k/ks)为：

图2 Horner曲线与Gringarten曲线Fig2 Horner curve and Gringarten curve

图3 Mckinley图版拟合Fig3 Mckinley plate fitting

③由聚合物堵塞半径公式可得：

式中：k为始地层渗透率，md；ks为堵塞区域渗透率，md；re为堵塞半径，m；rw为井筒半径，m；S为表皮系数；T、C为拟合参数(Mf代表未污染堵塞区，Mw代表污染堵塞区)。

据此求得典型井聚合物堵塞半径为3.31m。

3.2 堵塞程度对产能影响的定量评价方法

近井地带的堵塞对油井的产能有很大的影响，采用径向加密网格来详细研究堵塞半径大小对产能的影响。模型中心井为注入井，注入量800m3/d，角井为生产井，定井底流压生产，注聚时机为含水率10%，生产井见聚时间为连续生产第1200d。

3.2.1 堵塞程度对产能的影响研究

聚合物堵塞程度随着生产的连续进行逐渐加重。如图4所示，聚合物堵塞严重程度对产能的影响可以用表皮因子及近井地带网格表示。

图4 聚合物堵塞程度对产能的影响Fig 4 The effect of polymer blockage on capacity

堵塞程度越严重(最终表皮因子越大)，产能下降的幅度越大。随着最终表皮因子的增大，产能的下降幅度减缓。聚合物堵塞进程越快(表皮因子增加的越快)，油井产能下降越快。

3.2.2 堵塞半径对产能的影响研究

通过设置井周围加密网格渗透率变化区域的大小，来研究堵塞半径的大小对产能影响的大小。

在相同的堵塞半径内，堵塞区域内平均渗透率越低，产能的下降幅度越大。随着堵塞半径的增加，油井产能逐渐下降。当堵塞半径介于0～3m时，随着堵塞半径的增加，油井产能急剧下降；当堵塞半径大于3m时，随着堵塞半径的增加，油井产能的递减速率逐渐变慢。

从图5可以看出，油井产能对堵塞半径比较敏感。因此，当油井产能开始急剧下降时，堵塞半径还比较小，此时解堵，易施工、易恢复产能；若长时间油井产能处于低值期，堵塞半径逐渐增大，对后期解堵措施的要求也会越来越苛刻。

图5 堵塞半径对产能的影响Fig 5 Impact of plugging radius on productivity

3.2.3 解堵半径对产能的影响

为了验证解堵半径对产能的定量影响，通过设置不同的解堵半径来研究其对产能的影响。

如图6、图7所示，在一定的堵塞半径之下，随着解堵半径的增大，油井的产能逐渐提高。随着解堵半径的增大，油井解堵前后产能比的增速逐渐减缓；当解堵半径达到一定值时，继续增大解堵半径，对油井产能提高的作用已趋不明显，这一解堵半径将随着堵塞区域渗透率的减小而逐渐加大。因此，对于油井聚合物堵塞应“早治理、早防护”，尤其对于近井地带渗透率下降幅度较大的井更宜早不宜迟。