商三区块注水井堵塞机理研究

2013-12-23曲占庆黄德胜宋更军曲冠政龚迪光

石油化工高等学校学报 2013年6期

曲占庆，黄德胜＊，宋更军，曲冠政，龚迪光

（1.中国石油大学（华东），山东青岛266555；2.中国石化胜利油田分公司孤岛采油厂，山东东营257231）

商三区块位于商河油田南部，岩性以砂泥岩互层为主，储层平均孔隙度20.4%，平均渗透率32.4×10－3μm2，属常规低渗透油藏，其主要特点是成岩作用强，胶结致密，储层孔隙小、喉道细、喉道中值半径一般小于1.5μm。地层水矿化度2 0 0 7 8～28 244mg／L，水型为CaCl2型。地面原油黏度6.9～16.6mPa·s，沥青质质量分数1.08%，胶质质量分数4.57%。该区块在生产和作业过程中入井流体易造成地层堵塞。储层堵塞是商河油田商三区开发效果差的主要原因，截至目前，商三区块有欠注井20余口，油压上升快，部分水井油压已达到30 MPa，注水量明显下降，欠注量高达450m3／d，严重影响注水开发效果。因此，在理论分析的基础上采用室内实验方法研究商三区块储层堵塞机理及酸化解堵措施对提高商三区块注水开发效果具有重要意义。

1 储层堵塞机理理论分析

在油气田开发中，储层堵塞是一个普遍面临的问题，对油气田生产相当不利，因此在采取有效的处理措施前，必须研究各种堵塞机理及规律并诊断造成储层堵塞的类型。储层堵塞机理可概括为5 大类［1－4］：（1）储层微粒运移堵塞。储层发生微粒运移后，微粒会堵塞地层，造成地层渗透率急剧下降。（2）黏土膨胀堵塞。储层中黏土矿物都有属于自身的储层伤害机理。低渗透储层中黏土矿物易发生水化膨胀、分散运移，堵塞地层。（3）外来颗粒堵塞。在常规作业中引入的外来颗粒会造成地层堵塞，外来颗粒的来源较广，在作业和注水时，如果入井流体与油层黏土矿物不配伍，就会引起黏土矿物的膨胀、分散、运移，堵塞渗流通道，造成油井伤害。（4）结垢堵塞。如果注入水与地层水不配伍会引起结垢伤害，结垢会引起注水压力升高和油井产液量减少。此外，地层结垢还会注水驱油效率的降低［5］。（5）生物垢堵塞。注入地层中若存在硫酸盐还原菌和腐生菌也将堵塞地层，造成注入压力的升高。

2 储层堵塞机理实验研究

商三区块可能存在的伤害因素有结垢伤害、注入水固相颗粒的影响、注入水与地层不配伍产生的伤害等［6－8］。针对区块注水过程中可能产生的各种伤害，进行了一系列室内实验研究，确定造成储层伤害的主要原因，为研究解堵措施提供依据。

2.1 岩石矿物分析

利用岩矿学研究方法，通过X 衍射全岩分析方法来确定岩心矿物成分及各种组分的含量状况，从而确定岩心矿物对储层造成的潜在伤害类型，并为酸化解堵体系的优选提供指导意见。从X 射线衍射结果可以看出（见表1），商三区块黏土矿物主要为伊／蒙混层、高岭石和伊利石。储层中的高岭石在高流速流体作用下会导致解理裂开，分散成细小颗粒，其分散运移结果将会降低储层有效渗透率。黏土矿物中伊／蒙混层占20%左右，当注入水矿化度较低时会产生黏土膨胀，使注水井附近渗透率下降，产生水敏现象。

表1 商三区黏土矿物相对含量分析结果表Table 1 Analysis of the relative content of clay minerals result table in Shang 3 region

2.2 地层水和注入水常规离子分析

依据行业标准《油田水分析方法》对地层水和注入水进行常规离子分析，地层水取自S13－256井和S13－612井，注入水取自S13－351井和S13－381 井，水样均经0.22μm 微孔滤膜过滤。表2为地层水和注入水在常温和90 ℃条件下常规离子分析表。

表2 地层水和注入水单样常温与地层温度下水质分析对比Table 2 Water analysis comparison table of formation water and injected water samples at room temperature and formation temperature

续表2

由表2可以看出，地层水和注入水中离子质量浓度大致相同，阳离子中，K＋、Na＋质量浓度之和最高，其次为Ca2＋和Mg2＋；阴离子中，Cl－质量浓度最高，其次为HCO－3、SO2－4、CO2－3，从地层水和注入水的水质检测结果可以看出：成垢离子中，Ca2＋、Mg2＋、HCO－3、SO2－4、CO2－3质量浓度较高。配伍性实验结果表明，商三区块注入水与地层水混合有产生碳酸钙和碳酸镁的趋势，此外，注入水和地层水单样在地层温度下（90 ℃）离子质量浓度发生改变，有白色沉淀生成。所以在注入水中应加入适量的防垢剂来进行除垢，防治结垢对储层造成的堵塞伤害。

2.3 注入水固相颗粒分析

注入水中固相颗粒的含量及大小是影响注入水水质的重要指标，并对地层伤害有重要影响。从储层保护的观点出发，中值颗粒粒径越低对储层保护越有利。

2.3.1 注入水颗粒粒径分析实验使用GSL－101BII型激光颗粒分布测量仪来测量注入水固相颗粒粒径。水样为商三区块注入水，测试实验结果如图1所示。

图1 商三区块注入水粒度分布Fig.1 The granularity distribution of injection water in Shang 3 region

通过图1可以看出，水样中颗粒粒径大部分分布在0.5～18.05μm，平均颗粒粒径约为6.68μm。李海涛等［9］通过对固相颗粒粒径与损害程度的关系进行非线性回归，得出了低伤害情况下颗粒粒径与储层孔隙喉道的关系，如图2所示。

图2 无伤害最小颗粒粒径与孔喉尺寸的关系Fig.2 Diagram of no harm smallest particle size and pore throat size

根据非线性回归分析结果，不易产生喉道堵塞的最小颗粒粒径（dmin）与喉道存在一定的相关性，即不容易产生储层喉道堵塞的颗粒中值粒径d 应小于dmin。商三区喉道中值半径小于1.5μm，由图2可知，当储层主流孔隙喉道为1.5μm 时，对应的无伤害最小颗粒粒径为0.225μm。由此可知，注入水中固相颗粒粒径较大，易对地层造成伤害，在注入地层前需要对其进行处理。

2.3.2 注入水固相含量测定采用石油天然气行业标准《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》中的膜滤法对S13－613、S13－318、S13－351三口注水井井口水样品进行了固相含量指标测定［10］，测定结果见表3。

表3 注入水固相含量数据Table 3 The solid phase content of injection water

从实验结果来看，三口注水井水样中固体质量浓度都很高，分别为115.6、119.3、102.3mg／L，固体质量浓度严重超标，较多的固相颗粒会随注入水在储层的流动在其相应喉道出造成堵塞，使储层渗透率降低，对油田生产不利。

2.4 注入水与地层岩石的配伍性研究

注入水与地层岩石的配伍性实验反映了注入水本身与地层岩石的动态配伍性。实验先用地层水测试原始渗透率，然后用注入水测岩心渗透率，评价注入水对地层岩石渗透率的伤害程度［11］。水样取自商三区块地层水和注入水，为了排除悬浮颗粒、悬浮油滴和细菌对地层岩心渗透率伤害的影响，地层水和注入水须经0.22μm 滤膜过滤。

系统论认为，系统内的各个要素是有机联系、相互作用、相互渗透、相互影响的。作战与动员共同存在于信息化战争系统中，共同存在于联合作战系统中，有作战必有动员，作战与动员一体联动已成为信息化战争的重要特征。必须着眼动员保障作战、作战牵引动员，充分认识把握作战与动员的内在统一要求和联动响应规律，促进作战与动员研究的协调发展。

根据标准《储层敏感性流动实验评价方法》要求选取了4块商三区块采油厂的标准岩心，编号分别为：沙二下储层224－6，224－8，沙三上储层318－8，318－12，用地层水和注入水分别测4块岩心的渗透率，结果如表4所示。

表4 渗透率对比数据表Table 4 The permeability comparative data

通过表4可以看出岩心注注入水后，渗透率明显下降，降幅超过40%。分析原因，认为商三区块黏土矿物含量较高，注入水与地层发生一系列的物理化学作用，造成黏土膨胀，并发生水敏与结垢现象，对地层伤害较大，使地层渗透率下降；另外，注入水与地层水中的成垢离子反应生成沉淀，堵塞地层。因此，在选择注入水时要考虑矿化度的影响，对注入水实施有力的阻垢措施，并加入一定量的防膨剂。

3 储层岩样解堵实验评价

根据商三区块储层特点及井史资料，酸化解堵技术可以解除储层近水井地带污染，恢复地层的渗透率，解除地层堵塞，达到注水井增注、油井增产的目的［12－13］。商三区块常用的酸液有盐酸、土酸、有机酸、多氢酸等酸化体系，为此，笔者主要从岩心动态酸化驱替实验来评价盐酸、土酸、有机酸、多氢酸等酸化体系对商三区岩心的酸化解堵能力。此外，对于已经发生黏土膨胀而产生堵塞的地层，缩膨剂能够明显的改善储层，笔者从室内实验研究了缩膨剂的缩膨效果。

3.1 岩样酸化解堵实验

根据标准《SY／T 5358－2002储层敏感性流动实验评价方法》，从岩心动态酸化驱替实验来评价盐酸、土酸、有机酸、多氢酸等酸化体系对商三区岩心的酸化解堵能力，优选出适合于商三区块储层的酸体系，提高储层酸化解堵效果。商三区块岩心酸化解堵实验方案及实验结果如表5及图3所示（表5、图3中百分数为质量分数）。

表5 商三区块岩心酸化解堵实验方案Table 5 The experimental programm of acidification in Shang 3 region

图3 沙二下岩心渗透率曲线Fig.3 The core permeability curve of Sha 2

实验1是常规土酸（质量分数12%盐酸＋质量分数3%氢氟酸）＋多氢酸对商三区沙二下储层酸化解堵效果的影响，酸化实验后的岩心入口端有较大程度的破坏。在注入质量分数12%盐酸＋质量分数3%氢氟酸初期，酸液与部分堵塞物反应，使渗透率提高，随着酸液量的增加，加剧了微粒运移和黏土矿物的膨胀，还可能存在二次生成物堵塞岩心，使岩心渗透率下降。此外，高浓度土酸与岩心反应快，在岩心入口端消耗大量酸液，破坏了岩心骨架，而且因溶蚀而脱落的微粒进入岩心深部，堵塞了孔隙喉道，造成岩心渗透率的下降。

实验2将氢氟酸的质量分数降为1%，使用质量分数12%盐酸＋质量分数1%氢氟酸的低浓度土酸液＋多氢酸来研究酸化解堵效果。由实验结果看出，酸化后岩心渗透率大幅度提高，从取出的岩心看，224－8岩心损坏程度明显小于224－6岩心，酸液对岩心骨架的破坏小，微粒运移少。由此可知，降低氢氟酸浓度有利于保护地层岩石骨架。

由图3可以看出，岩心在注入多氢酸后，渗透率上升幅度较大。分析其原因，多氢酸采用新型复合膦酸与氟盐反应，利用反应生成氢氟酸进行酸化，体系中的氟盐和多氢酸形成一个自动调节体系，随着酸液中H＋的消耗，多氢酸会逐渐电离出H＋，与氟盐生成可供反应的氢氟酸。多氢酸具有优良的螯合能力，对储层中多价金属离子具有强络合能力，在储层中不形成二次沉淀，不会重新伤害储层；产生的氢氟酸对Ca2＋、Na＋、K＋、NH＋4等阳离子具有很强的吸附能力，难以有机会与F－、SiF2－6形成氟盐沉淀和氟硅酸盐沉淀［14］。因此在注酸时可以增加氢氟酸的注入量。

由图4可知，注入盐酸＋有机酸体系，沙三上储层岩心渗透率均降低。分析原因，认为由于盐酸与碳酸盐岩胶结物反应，使一些胶结颗粒脱落，产生微粒运移，堵塞了孔吼通道。此外，沙三上储层绿泥石相对含量偏高，它属于酸敏性矿物，容易发生酸敏伤害［15］。由此可知，盐酸＋有机酸体系对沙三上储层改善效果不理想，没有起到酸化解堵的效果。

3.2 缩膨剂缩膨效果评价

缩膨剂是一种具有防缩膨作用的化学助剂，对于已经发生黏土膨胀的地层，缩膨剂的防膨和缩膨性能能明显的改善储层，是改善低渗储层的有效添加剂［16］。

实验研究了缩膨剂缩膨效果，先使用地层水进行驱替得出K1，再使用注入水进行驱替，得出K2。最后用质量分数5%的缩膨剂的注入水驱替，得出K3。

图4 沙三上岩心渗透率曲线Fig.4 The core permeability curve of Sha 3

通过缩膨剂缩膨效果评价实验结果如图5 所示。由图5 可以看出，K1约为0.7 mD，K2约为0.21mD，其损害程度为70.42%，用质量分数5%缩膨剂注入水驱替后岩心渗透率明显提高，达到0.45mD，岩心伤害率只有35.71%，说明缩膨剂缩膨效果好，能恢复地层的渗透率。分析原因认为，缩膨剂与黏土矿物发生物理化学反应，使黏土晶格改性，遇水后不发生膨胀；已经膨胀的黏土晶格，通过化学反应改性后释放出水分子，晶格缩小，并通过多点吸附作用使这些改性的黏土物质与原地层矿物牢固结合，从而避免了黏土矿物遇水膨胀、运移对地层造成伤害，快速消除水锁伤害，达到降压增注、解除地层堵塞的目的。

图5 318－10岩心渗透率曲线Fig.5 The core permeability curve of 318－10

4 现场应用效果

2013年3月至7月分别对沙二下储层的S13－613、S13－318、S13－351 三口注水井采取质量分数12%盐酸＋质量分数1%氢氟酸＋质量分数5%多氢酸＋缩膨剂的复合解堵工艺，所取得的酸化效果如表6所示。

由表6可以看出，S13－613、S13－318、S13－351三口注水井在采取质量分数12%盐酸＋质量分数1%氢氟酸＋质量分数5%氢氟酸＋缩膨剂的复合解堵工艺后，油压明显降低，注水量达到配注要求，产油量都有增加，且增幅超过50%。以上数据充分说明沙二下储层三口注水井用质量分数12%盐酸＋质量分数1%氢氟酸＋质量分数5%多氢酸＋缩膨剂的配方进行酸化解堵成功有效，达到了储层解堵和改善注水开发效果的目的。

表6 沙二下储层酸化井酸化前后效果对比Table 6 The acidifying effect of contrast table in Sha 2

5 结论及建议

（1）商三区块注入水中固相颗粒较多，颗粒粒径较大且与地层发生水敏现象，建议提高注入水中水质的各项指标，防止因水质不合格而堵塞地层。

（2）沙二下储层岩心污染后，注入盐酸＋低浓度土酸＋多氢酸体系，可以较好改善储层，渗透率大大提高。其中，多氢酸酸化解堵效果最好。沙三上储层岩心污染后，注入盐酸＋有机酸体系，储层改善效果不理想，从实验数据分析，没有起到酸化解堵的效果。这是由于注入的盐酸＋有机酸酸体系与沙三上储层不配伍造成，储层产生了酸敏现象，而未起到酸化解堵的效果。

（3）通过缩膨剂缩膨效果评价实验，可知缩膨剂能恢复地层渗透率，在已发生堵塞的地层可注入缩膨剂来恢复地层渗透率。

（4）矿场试验表明，质量分数12%盐酸＋质量分数1%氢氟酸＋质量分数5%多氢酸＋缩膨剂的复合解堵工艺能明显改善储层，达到注水井增注、油井增产的目的。

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