微粒运移临界速度及伤害半径定量计算方法

2016-04-06陈琦

石油地质与工程 2016年4期

关键词：射孔运移微粒

陈　琦

(中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132)

微粒运移临界速度及伤害半径定量计算方法

陈琦

(中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132)

油田注采过程中，由于储层微粒的物理、化学性质不同，流体流动会引起油气层中微粒运移并堵塞孔喉，造成储层伤害，影响采收率。将室内实验结果与实际生产开发相结合，从岩心的速敏实验临界流量入手，通过与裸眼井混相径向流临界流量转换，反推出生产中射孔井的临界产量，根据与实际生产对比结果，评价各井储层伤害程度，进而调整油井生产状况，最终达到增产目的。

微粒运移；伤害半径；临界速度

1　微粒运移产生的机理

油气层中含有的细小矿物颗粒成分主要有黏土、非晶质硅、石英、长石、云母和碳酸盐岩等[1]，它们是可运移微粒的潜在物源。这些微粒在流体流动作用下发生运移，单个或多个颗粒在孔喉处发生堵塞，造成渗透率下降[2]。其来源主要有两方面，一是储层内部微粒，特别是直径小于37 μm的颗粒；二是外来固相颗粒侵入造成的微粒运移，主要来自于井眼中流体。

从力学的角度分析[3]，由黏土矿物或其他矿物形成的地层微粒在孔隙介质和流体中受到颗粒自身重力(W)、微粒间范德华力(FA′)和微粒-孔隙间的范德华力(FA)、颗粒间双电层斥力(FD)和流体流动时地层微粒所受的水动力(Fh)的综合作用。在这个力学体系中，重力与范德华力维持地层微粒在原处不动，而双电层斥力和水动力启动微粒发生运移。通常情况下，流速增大,水动力也增大[4]，当水动力大于微粒的范德华力和双电层斥力之和时，该力学体系将使微粒从砂粒表面释放、脱离,从而造成地层伤害；若范德华力与双电层斥力矢量和小于0，在没有水动力的情况下,微粒在分子热运动的作用下,也可以从砂粒表面上释放,脱离砂粒表面。一旦微粒发生运移，微粒就很容易随流体一起流动，导致孔喉处发生沉淀堵塞。这是微粒运移的力学机理。

2　微粒运移临界速度及伤害半径计算

微粒运移可分为下面几个过程：微粒的启动—运移—沉淀堵塞孔喉。目前的实验不能定量评价颗粒进入孔隙收缩部位和其沉淀的程度，但可以认同的是，微粒运移及沉淀主要与颗粒和孔隙大小、岩石表面性质[5]、微粒的浓度、速度、孔隙内流体离子活性和孔隙中出现的液相等有关[6-7]。

一般情况下，储层微粒自身重力、范德华引力和双电层斥力可认为是一定的。对于性质一定的岩石，水动力与流速成正比关系，即微粒运移程度随岩石中流体流动速度的增大而增加[8]。

由于不同岩石的速敏反应程度各不相同，水动力受外界影响致使微粒发生运移沉淀，其引起的储层渗透率下降的程度也各不相同，需要通过速敏实验找到临界流速，防止由于采油速度或注入速度过大引起微粒运移；另外在确定的临界流速下，反向测定岩心的地层水渗透率，对评价储层伤害意义重大。值得说明的是，在实际注水开发中，由于注入流体盐度较低，颗粒与基质间的范式引力减弱，它们之间的双电层斥力增强，致使基质间的结构力减弱，其临界速度将低于实验室所得临界速度值，速敏引起的储层伤害程度也强于实验结果[9]。

流体在多孔介质中的渗流速度与流量和横截面积相关。在速敏实验中，岩心一般呈圆柱状，且流体运动并非通过全部面积，而是只通过其孔隙面积，所以在实验室测得的临界流量Qc下，Vc为Qc除以介质的孔隙面积：

(1)

式中：Vc——临界流速，cm/min；Qc——实验室测得的临界流量，cm3/min；ΔAD——岩心的横截面积；φ——岩心孔隙度，%；rD——岩心半径，cm。

而实际生产中井眼内的混相流动为径向流，其临界渗流速度Vc为：

(2)

式中：Vc——临界渗流速度，cm/d；Q——射孔段井眼井壁处的临界流量，m3/d；rw——井眼半径，cm；h——油层厚度，m。

通过式(1)、式(2)可将实验室结果与实际相结合，得出井壁处的临界流量Q与实验室临界流量Qc的关系，转换为油田常用单位后得到：

(3)

对于射孔井，借鉴Muskat等人建立的裸眼井的临界流量Qp与射孔井临界产量Qo的比值Y[10]，可通过下式折算：

(4)

式中：Qp——裸眼井临界流量，m3/d；Qo——射孔井临界产量，m3/d；X——射孔密度与射孔半径之积。

以上方法常用来评价实际生产中采油速度和注水井配注量合理与否。一旦采油速度和注水井配注量过大，将引发储层微粒运移并产生速敏反应，就要判断该反应造成的伤害程度有多大，即伤害半径。

实际生产中，地层径向流发生微粒运移引起储层伤害时，假设伤害半径为Rc，则：

BoQo=2πVcRcφh

(5)

式中：Bo——地层原油体积系数；Qo——射孔井临界产量，m3/d，可以理解为在相同地层条件下发生速敏反应，折算为裸眼井临界流量Qp对应的临界流速Vc，带入式(2)得出：

(6)

令式(5)、式(6)中Vc相等，再带入式(4)可推出伤害半径的计算公式：

(7)

3　实例分析

某油田区块平均孔隙度为15.3%，泥质体积分数约10%，黏土矿物以伊利石为主，体积分数28%～33%，其次为高岭石和绿泥石，体积分数分别为25%和26%，蒙脱石和伊/蒙混层体积分数约为15%，原油体积系数1.233，射孔密度为20孔/m，孔径为12.5 mm，井眼半径为10 cm，岩心取样半径1.3 cm。通过对该区块岩心做速敏实验分析后，其临界流量为0.75 cm3/min。

目前，该区完钻有a、b、c三口井，其中a井油层厚度9.0 m，单井日产量6.3 m3/d；b井油层厚度5.0 m，单井日产量7.2 m3/d；c井油层厚度11.6 m，单井日产量7.3 m3/d。

根据式(3)计算井壁处流量分别为：a井井壁处临界流量11.503 m3/d；b井井壁处临界流量6.391 m3/d；c井井壁处临界流量14.826 m3/d。

根据射孔密度和射孔半径，计算出X为2.999；井眼半径为10 cm，小于11.43 cm，所以应选用式(4)中的上式计算比值Y值，Y=0.828。

所以，裸眼井的临界流量分别为：a井9.524 m3/d；b井5.292 m3/d；c井12.276 m3/d。

以上为数据模型计算出的临界流量，当实际开采时的流量值大于计算所得临界流量值时，地层中细小黏土颗粒将发生运移，从而造成油井近井地带的地层伤害。

综合以上计算和分析，a井和c井的Qp>Q，可认为无伤害；而b井Qp

根据研究成果，a井和c井日产油量分别由原来的6.3 t和7.3 t提高到9.0 t和12.0 t，b井日产油量由原来的7.2 t降低到5.0 t。区块日增油4.8 t，增产效果显著。