微粒運(yùn)移臨界速度及傷害半徑定量計(jì)算方法

陳　琦

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

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微粒運(yùn)移臨界速度及傷害半徑定量計(jì)算方法

陳琦

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

油田注采過程中，由于儲(chǔ)層微粒的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，流體流動(dòng)會(huì)引起油氣層中微粒運(yùn)移并堵塞孔喉，造成儲(chǔ)層傷害，影響采收率。將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)開發(fā)相結(jié)合，從巖心的速敏實(shí)驗(yàn)臨界流量入手，通過與裸眼井混相徑向流臨界流量轉(zhuǎn)換，反推出生產(chǎn)中射孔井的臨界產(chǎn)量，根據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)對(duì)比結(jié)果，評(píng)價(jià)各井儲(chǔ)層傷害程度，進(jìn)而調(diào)整油井生產(chǎn)狀況，最終達(dá)到增產(chǎn)目的。

微粒運(yùn)移；傷害半徑；臨界速度

1　微粒運(yùn)移產(chǎn)生的機(jī)理

油氣層中含有的細(xì)小礦物顆粒成分主要有黏土、非晶質(zhì)硅、石英、長石、云母和碳酸鹽巖等[1]，它們是可運(yùn)移微粒的潛在物源。這些微粒在流體流動(dòng)作用下發(fā)生運(yùn)移，單個(gè)或多個(gè)顆粒在孔喉處發(fā)生堵塞，造成滲透率下降[2]。其來源主要有兩方面，一是儲(chǔ)層內(nèi)部微粒，特別是直徑小于37 μm的顆粒；二是外來固相顆粒侵入造成的微粒運(yùn)移，主要來自于井眼中流體。

從力學(xué)的角度分析[3]，由黏土礦物或其他礦物形成的地層微粒在孔隙介質(zhì)和流體中受到顆粒自身重力(W)、微粒間范德華力(FA′)和微粒-孔隙間的范德華力(FA)、顆粒間雙電層斥力(FD)和流體流動(dòng)時(shí)地層微粒所受的水動(dòng)力(Fh)的綜合作用。在這個(gè)力學(xué)體系中，重力與范德華力維持地層微粒在原處不動(dòng)，而雙電層斥力和水動(dòng)力啟動(dòng)微粒發(fā)生運(yùn)移。通常情況下，流速增大,水動(dòng)力也增大[4]，當(dāng)水動(dòng)力大于微粒的范德華力和雙電層斥力之和時(shí)，該力學(xué)體系將使微粒從砂粒表面釋放、脫離,從而造成地層傷害；若范德華力與雙電層斥力矢量和小于0，在沒有水動(dòng)力的情況下,微粒在分子熱運(yùn)動(dòng)的作用下,也可以從砂粒表面上釋放,脫離砂粒表面。一旦微粒發(fā)生運(yùn)移，微粒就很容易隨流體一起流動(dòng)，導(dǎo)致孔喉處發(fā)生沉淀堵塞。這是微粒運(yùn)移的力學(xué)機(jī)理。

2　微粒運(yùn)移臨界速度及傷害半徑計(jì)算

微粒運(yùn)移可分為下面幾個(gè)過程：微粒的啟動(dòng)—運(yùn)移—沉淀堵塞孔喉。目前的實(shí)驗(yàn)不能定量評(píng)價(jià)顆粒進(jìn)入孔隙收縮部位和其沉淀的程度，但可以認(rèn)同的是，微粒運(yùn)移及沉淀主要與顆粒和孔隙大小、巖石表面性質(zhì)[5]、微粒的濃度、速度、孔隙內(nèi)流體離子活性和孔隙中出現(xiàn)的液相等有關(guān)[6-7]。

一般情況下，儲(chǔ)層微粒自身重力、范德華引力和雙電層斥力可認(rèn)為是一定的。對(duì)于性質(zhì)一定的巖石，水動(dòng)力與流速成正比關(guān)系，即微粒運(yùn)移程度隨巖石中流體流動(dòng)速度的增大而增加[8]。

由于不同巖石的速敏反應(yīng)程度各不相同，水動(dòng)力受外界影響致使微粒發(fā)生運(yùn)移沉淀，其引起的儲(chǔ)層滲透率下降的程度也各不相同，需要通過速敏實(shí)驗(yàn)找到臨界流速，防止由于采油速度或注入速度過大引起微粒運(yùn)移；另外在確定的臨界流速下，反向測定巖心的地層水滲透率，對(duì)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害意義重大。值得說明的是，在實(shí)際注水開發(fā)中，由于注入流體鹽度較低，顆粒與基質(zhì)間的范式引力減弱，它們之間的雙電層斥力增強(qiáng)，致使基質(zhì)間的結(jié)構(gòu)力減弱，其臨界速度將低于實(shí)驗(yàn)室所得臨界速度值，速敏引起的儲(chǔ)層傷害程度也強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。

流體在多孔介質(zhì)中的滲流速度與流量和橫截面積相關(guān)。在速敏實(shí)驗(yàn)中，巖心一般呈圓柱狀，且流體運(yùn)動(dòng)并非通過全部面積，而是只通過其孔隙面積，所以在實(shí)驗(yàn)室測得的臨界流量Qc下，Vc為Qc除以介質(zhì)的孔隙面積：

(1)

式中：Vc——臨界流速，cm/min；Qc——實(shí)驗(yàn)室測得的臨界流量，cm3/min；ΔAD——巖心的橫截面積；φ——巖心孔隙度，%；rD——巖心半徑，cm。

而實(shí)際生產(chǎn)中井眼內(nèi)的混相流動(dòng)為徑向流，其臨界滲流速度Vc為：

(2)

式中：Vc——臨界滲流速度，cm/d；Q——射孔段井眼井壁處的臨界流量，m3/d；rw——井眼半徑，cm；h——油層厚度，m。

通過式(1)、式(2)可將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與實(shí)際相結(jié)合，得出井壁處的臨界流量Q與實(shí)驗(yàn)室臨界流量Qc的關(guān)系，轉(zhuǎn)換為油田常用單位后得到：

(3)

對(duì)于射孔井，借鑒Muskat等人建立的裸眼井的臨界流量Qp與射孔井臨界產(chǎn)量Qo的比值Y[10]，可通過下式折算：

(4)

式中：Qp——裸眼井臨界流量，m3/d；Qo——射孔井臨界產(chǎn)量，m3/d；X——射孔密度與射孔半徑之積。

以上方法常用來評(píng)價(jià)實(shí)際生產(chǎn)中采油速度和注水井配注量合理與否。一旦采油速度和注水井配注量過大，將引發(fā)儲(chǔ)層微粒運(yùn)移并產(chǎn)生速敏反應(yīng)，就要判斷該反應(yīng)造成的傷害程度有多大，即傷害半徑。

實(shí)際生產(chǎn)中，地層徑向流發(fā)生微粒運(yùn)移引起儲(chǔ)層傷害時(shí)，假設(shè)傷害半徑為Rc，則：

BoQo=2πVcRcφh

(5)

式中：Bo——地層原油體積系數(shù)；Qo——射孔井臨界產(chǎn)量，m3/d，可以理解為在相同地層條件下發(fā)生速敏反應(yīng)，折算為裸眼井臨界流量Qp對(duì)應(yīng)的臨界流速Vc，帶入式(2)得出：

(6)

令式(5)、式(6)中Vc相等，再帶入式(4)可推出傷害半徑的計(jì)算公式：

(7)

3　實(shí)例分析

某油田區(qū)塊平均孔隙度為15.3%，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)約10%，黏土礦物以伊利石為主，體積分?jǐn)?shù)28%～33%，其次為高嶺石和綠泥石，體積分?jǐn)?shù)分別為25%和26%，蒙脫石和伊/蒙混層體積分?jǐn)?shù)約為15%，原油體積系數(shù)1.233，射孔密度為20孔/m，孔徑為12.5 mm，井眼半徑為10 cm，巖心取樣半徑1.3 cm。通過對(duì)該區(qū)塊巖心做速敏實(shí)驗(yàn)分析后，其臨界流量為0.75 cm3/min。

目前，該區(qū)完鉆有a、b、c三口井，其中a井油層厚度9.0 m，單井日產(chǎn)量6.3 m3/d；b井油層厚度5.0 m，單井日產(chǎn)量7.2 m3/d；c井油層厚度11.6 m，單井日產(chǎn)量7.3 m3/d。

根據(jù)式(3)計(jì)算井壁處流量分別為：a井井壁處臨界流量11.503 m3/d；b井井壁處臨界流量6.391 m3/d；c井井壁處臨界流量14.826 m3/d。

根據(jù)射孔密度和射孔半徑，計(jì)算出X為2.999；井眼半徑為10 cm，小于11.43 cm，所以應(yīng)選用式(4)中的上式計(jì)算比值Y值，Y=0.828。

所以，裸眼井的臨界流量分別為：a井9.524 m3/d；b井5.292 m3/d；c井12.276 m3/d。

以上為數(shù)據(jù)模型計(jì)算出的臨界流量，當(dāng)實(shí)際開采時(shí)的流量值大于計(jì)算所得臨界流量值時(shí)，地層中細(xì)小黏土顆粒將發(fā)生運(yùn)移，從而造成油井近井地帶的地層傷害。

綜合以上計(jì)算和分析，a井和c井的Qp>Q，可認(rèn)為無傷害；而b井Qp

根據(jù)研究成果，a井和c井日產(chǎn)油量分別由原來的6.3 t和7.3 t提高到9.0 t和12.0 t，b井日產(chǎn)油量由原來的7.2 t降低到5.0 t。區(qū)塊日增油4.8 t，增產(chǎn)效果顯著。

4　結(jié)論

(1)當(dāng)水動(dòng)力大于微粒的范德華引力和雙電層斥力之和時(shí)，該力學(xué)體系將使微粒從砂粒表面釋放、脫離，從而造成地層傷害。

(2)預(yù)測微粒運(yùn)移臨界速度及傷害半徑是減少儲(chǔ)層傷害、提高原油產(chǎn)量的重要依據(jù)。

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編輯：王金旗

1673-8217(2016)04-0113-03

2016-03-03

陳琦，工程師，1982年生，2006年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油藏地質(zhì)研究及開發(fā)方案設(shè)計(jì)工作。

TE313.7

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