編譯:王瑋 (西南石油大學)

審校:黃亮 (中石化西南分公司勘探開發(fā)研究院)

墨西哥Cantarell油田提高產(chǎn)量的新型酸轉(zhuǎn)向技術

編譯:王瑋 (西南石油大學)

審校:黃亮 (中石化西南分公司勘探開發(fā)研究院)

Cantarell是位于墨西哥坎佩切灣的一個重要的復合型海上油田,也是世界產(chǎn)量第二的大油田。它由五個油田組成,主要的產(chǎn)層是形成于侏羅紀、白堊紀和古新紀下葉的多裂縫、多孔碳酸鹽巖地層?；|(zhì)酸化通常作為這些碳酸鹽巖油層主要的增產(chǎn)措施,特別是這些成熟的復合體已經(jīng)達到了它們的最高產(chǎn)量。對所有的酸化措施來說,處理成功的一個關鍵因素就是酸液在各個生產(chǎn)層之間的分配。因為大部分生產(chǎn)井是非均質(zhì)的,并且產(chǎn)層的滲透率不同,所以即使是酸液的分配也是一項困難的工作。另外,各層的含水飽和度對酸液的分配有重要的影響。因為酸液是水溶液,在高含水飽和度的情況下會優(yōu)先進入產(chǎn)層,在很多情況下都會導致產(chǎn)水量提高。高產(chǎn)水量就會帶來各種各樣的問題。本文給出了55口高滲透率油井 (滲透率范圍為1 000～6 000 mD,1 md=1.02×10-3μm2)在被一種基于締合聚合物技術(APT)的新型酸轉(zhuǎn)向劑酸化處理之后的結(jié)果。這種聚合物能夠降低地層對水的滲透率,但對碳氫化合物的滲透率影響較小甚至無影響。給出了若干處理井的生產(chǎn)測井數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)能夠說明在射孔段有很好的原油產(chǎn)量分配。另外,對用其他轉(zhuǎn)向劑 (如泡沫和就地交聯(lián)酸)酸化處理的井也進行了生產(chǎn)測井,但效果稍差。

碳酸鹽巖油藏 酸轉(zhuǎn)向劑 締合聚合物 油田實例 Cantarell油田

1 前言

1.1 Cantarell油田

Cantarell油田是僅次于沙特阿拉伯 Ghawar油田的世界第二大油田。它位于墨西哥灣的近海處,坎佩切灣的Ciudad del Carmen東北方向47 km。Cantarell主要的油氣層是形成于侏羅紀、白堊紀和古新紀下葉的多裂縫碳酸鹽巖地層。這個油田有很多子油田和斷塊,主要油區(qū)是 Akal、Chac、Kutz和Nohoch。

油田1979年投產(chǎn),在1981年達到40口井總計日產(chǎn)量110×104bbl(1 bbl=0.159 m3)峰值。到了1994年,產(chǎn)量降到日產(chǎn)量89×104bbl。一年之后,由于增加了新的平臺和生產(chǎn)井,以及采用注氮工藝,日產(chǎn)量變?yōu)?00×104bbl。該工藝每日注入1×109ft3(1 ft3=28.317 dm3)的氮氣以保證油層壓力。到1996年,油田日產(chǎn)量變成210×104bbl。

1.2 轉(zhuǎn)向酸

成功的基質(zhì)酸化依靠酸的充填來有效地消除近井地層的傷害。碳酸鹽巖地層的基質(zhì)酸化不僅可以消除井筒附近的傷害,還可以通過酸溶解產(chǎn)生大的流通通道 (酸蝕孔洞)來提高井筒附近的滲透率。大部分目的層是非均質(zhì)的,包含了不同滲透率層段。酸處理傾向于優(yōu)先進入高滲透率層,這樣就會繞過低滲透率層,或者大部分受污染層。在某些情況下,這些高滲透率層也是優(yōu)先含水的,因此酸液由于相對滲透率的影響也主要進入這些層段。在另外一些情況下,酸液或許會侵占鄰近的含水層。在所有這些情況中,一次酸處理就會導致產(chǎn)水量顯著提高。

為了使酸液在各產(chǎn)層之間均勻充填,使用了各種充填技術。最可靠的方法是采用機械隔離裝置,例如跨式雙封隔器,利用它可以一個接一個地注入獨立的層段,直到整個產(chǎn)層都得到處理。然而,這項技術常常不實用,成本較高。不用封隔器的話,就必須使用某些類型的轉(zhuǎn)向劑。

目前使用的典型轉(zhuǎn)向劑包括封堵球、可降解顆粒、黏性流體和泡沫,但是每種都有各自的缺陷。另外,這些技術都未能解決酸處理后產(chǎn)水量上升的問題。基于這個原因,就需要一種能有效降低地層對水的滲透率并能保證轉(zhuǎn)向的材料。

一種控制產(chǎn)水量的方法是使用稀釋的聚合物溶液,它對水的有效滲透率降低的幅度大于對油的有效滲透率降低幅度。這種類型的處理方式在諸如相對滲透率改性劑 (RPM)、不相稱滲透率改性劑或者簡單的擠入處理中已經(jīng)有所涉及。就是說這些處理可以簡單地擠入地層而不需要層位隔離。這些系統(tǒng)是通過吸附在地層流動通路的毛細孔壁上而發(fā)生作用的。

1.3 締合聚合物

離子型、非離子型和水溶性聚合物的溶解性(例如流變性和黏度)在當疏水基團被引入聚合物鏈時會發(fā)生唯一的改變 (McCormick等,1989;Glass 1996)。引起性質(zhì)改變的主要因素是放置在水介質(zhì)中的疏水基團之間的締合趨勢。

親水性水溶性聚合物的吸附特性也能通過引入疏水基團而改變。親水性聚合物的通常情況就比平穩(wěn)吸附更好,疏水性改變能夠使聚合物的吸附性隨著聚合物濃度的提高而變得更好,這取決于之前吸附在聚合物層間的聚合物鏈的締合吸附作用 (Volpert等,1998)?？偟膩碚f,水溶性聚合物的疏水性改變增加了新的性能同時又保持了親水性聚合物應有的典型特點。

之前的測試說明了締合聚合物在目前使用中的一種獨特的剪切增稠現(xiàn)象。然而,這種溶液在地面條件下用于轉(zhuǎn)向作業(yè)時表現(xiàn)出來的黏度很低 (<2 cP,1 cP=1 mPa·s) (Eoff等,2005)。通常用于酸轉(zhuǎn)向的增稠或者起泡的流體會導致高摩擦壓力,并要求特定的管線或泵送裝置。締合聚合物轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的低黏度導致很容易混合及低摩擦壓力,不需要特定的管線或者泵送裝置。水溶液的轉(zhuǎn)向只有在液體進入多孔介質(zhì)之后才會發(fā)生,無論是天然裂縫性碳酸鹽巖或白云石巖,還是砂巖基質(zhì)。可以推論,在進入巖石基質(zhì)之上的增加剪切碰撞,加上聚合物吸附,能使黏度明顯增加,這或許可以解釋在處理過程中經(jīng)?？梢砸姷降膲毫υ黾蝇F(xiàn)象。

2 實驗步驟

2.1 單個巖心流動和酸轉(zhuǎn)向試驗

單個巖心流動測試的實驗步驟已于之前發(fā)表(Eoff等,2003)。酸轉(zhuǎn)向測試是通過使用標準的Hassler套進行的。對每個測試,每個巖心都如之前文獻所述 (Eoff等,2003)測定殘余油飽和度(含水巖心)或者殘余水飽和度 (含油巖心)和原始滲透率。然后將巖心連接起來,從而使處理按平面孔型的順序進行,可以讓處理液流過每個巖心。在APT處理和酸處理之間泵入氯化銨隔離液。對APT處理和氯化銨隔離液來說,有一個500 mL或者500 psi(1 psi=6.895 kPa)差壓的限定,在所有測試中500 psi的限定差壓在泵入500 mL之前就已經(jīng)達到了。在酸處理階段 (5%HCl),限定是200 mL或者500 psi,在每種情況下在未到500 psi限定之前已注入200 mL。在最后的階段,巖心被分開,并測量最終滲透率。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖心流動試驗

如之前發(fā)表的文獻所述 (Eoff等,2003),眾多的室內(nèi)試驗都論證了APT在對碳氫化合物滲透率傷害很小的前提下具有降低水相滲透率的能力。試驗給出了標準巖心的兩種典型巖心流動試驗結(jié)果。這是兩個獨立的試驗,一個巖心是測定殘余油飽和度,另一個是測定殘余水飽和度。測定殘余油飽和度的巖心滲透率降低了98%,而測定殘余水飽和度的巖心滲透率只有少量提高 (并不是說這種處理實際增加了原油流動;大多數(shù)試驗說明了對原油無影響或者使原油滲透率大概降低10%～15%)。

通過流變剪切增稠現(xiàn)象、RPM影響和巖心測試中的快速壓力升高得出了締合聚合物具有酸轉(zhuǎn)向劑作用的結(jié)論。另一個試驗說明將聚合物泵入巖心時的典型的壓力增加,這個測試中使用的是一個碳酸鹽巖心。在此試驗中,將鹽水和油循環(huán)通過巖心,最后以鹽水結(jié)束。注意,鹽水以10 mL/min的速度在流動,處理液的速度是2 mL/min。即使在如此低的流率下,當聚合物進入巖心時,壓力還是快速地從200 psi提高到500 psi以上。

3.2 轉(zhuǎn)向試驗

已經(jīng)用締合聚合物做了很多轉(zhuǎn)向試驗,這里將討論兩組用碳酸鹽巖心做的測試。首先是第一組測試,測試利用從同一巖塊取來的兩個碳酸鹽巖心,故可以假定兩個巖心的滲透率非常相近。一個巖心用于測定殘余油飽和度,另一個巖心用于測定殘余水飽和度。在酸液擠入巖心之后進行了一個控制測試。結(jié)果顯示,200 mL的酸有142 mL進入了水飽和的巖心,另外58 mL酸液進入了油飽和的巖心。在第二組測試中,用了兩個新的巖心,締合聚合物在酸液之后擠入巖心。在這種情況下,200 mL的酸有25 mL進入水飽和的巖心,另外175 mL酸液進入油飽和的巖心。

接著是第二組碳酸鹽轉(zhuǎn)向測試,在這個測試中使用了滲透率相差較大的兩個巖心。在控制試驗中,使用了初始鹽水滲透率差為5/1的巖心。測定巖心的殘余油飽和度和殘余水飽和度,滲透率高的巖心用作測定殘余水飽和度。測試中,92%的酸液進入了水飽和巖心。對于轉(zhuǎn)向試驗,使用相似的碳酸鹽巖心,但是不能獲得相同的滲透率差。測試中,初始鹽水滲透率差是17/1。再次測定巖心的殘余油飽和度和殘余水飽和度,滲透率高的巖心用作測定殘余水飽和度。繼續(xù)APT處理,69%的酸液進入了水飽和的巖心?？梢灶A計,如果在滲透率差為17/1的巖心中進行控制試驗,至少有92%的酸液能夠進入含水巖心 (基于滲透率差為5/1的試驗)。因此,可以假定締合聚合物在酸轉(zhuǎn)向進入油飽和巖心的過程中起了作用。其他實驗室也用締合聚合物做過類似的轉(zhuǎn)向試驗,也得到了類似的結(jié)果(Al-Taq等,2007)。

4 Cantarell油田現(xiàn)場試用結(jié)果

在該油田的鉆井階段,很大數(shù)量的鉆井泥漿很具代表性地濾失到地層中。采用了很多方法來減少泥漿濾失帶來的傷害,包括采用低密度、泡沫、無固相泥漿配方。然而,地層的多裂縫條件和儲層衰竭情況仍然導致泥漿大量濾失。Cantarell復合油田的油井要求使用增產(chǎn)措施來克服泥漿濾失帶來的損害并保證碳氫化合物產(chǎn)量的經(jīng)濟水平。擠入式基質(zhì)酸化增產(chǎn)措施是該油田主要運用的技術。通過撓性管的酸化增產(chǎn)措施有很好的效果;然而,該油區(qū)可用撓性管的尺寸限制導致了長時間的泵送,使得擠入酸技術成了主要選擇。主要使用的酸是15%HCl,該酸在平均溫度為220℉左右的井底中最合適。在30～50 m射孔段的每次增產(chǎn)措施中,轉(zhuǎn)向體系的使用也是常用步驟。該地層天然的多裂縫情況和孔洞的存在也是使用轉(zhuǎn)向體系的原因。

4.1 泡沫酸實例

連續(xù)泡沫酸技術是在這個油田酸化增產(chǎn)措施中最先運用的轉(zhuǎn)向技術之一。用氮氣作為氣相,質(zhì)量分數(shù)從初始的50%逐步增加到70%。這種連續(xù)泡沫酸技術被推薦用于該油田典型的高滲透率長層段處理。

然而,從壓力恢復試井得到的結(jié)果和增產(chǎn)處理之后的生產(chǎn)測井都說明地層的表皮系數(shù)依然存在,射孔段呈不均勻的生產(chǎn)剖面。圖1是用泡沫酸作為轉(zhuǎn)向劑進行酸化處理后的井的生產(chǎn)剖面。在這個例子中,大部分的產(chǎn)油量來源于油井上部20 m處。增產(chǎn)處理后壓力恢復試井得到的表皮系數(shù)是14。

這里還有另外一個類似的例子,在增產(chǎn)處理后生產(chǎn)測井得到的生產(chǎn)剖面說明差不多產(chǎn)油量的90%來源于射孔段的上半部。這些井的儲層數(shù)據(jù)和一些沒有進行生產(chǎn)測井記錄的附加井數(shù)據(jù)可以查閱相關資料。

圖1 用泡沫酸轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的34號井的合成測井曲線

4.2 就地交聯(lián)酸實例

因為增產(chǎn)措施處理后立刻進行的生產(chǎn)測井說明了泡沫酸應用的效果并不十分令人滿意,所以便有了用就地交聯(lián)酸 (ICA)作為轉(zhuǎn)向劑的出現(xiàn)。ICA的引進可以預防壓裂酸化中的濾失,并在碳酸鹽巖的基質(zhì)酸化中作為轉(zhuǎn)向劑。ICA是一種黏度大致為20 cP的稠化酸。當酸在地層中起作用、p H值上升到2時,它能形成高黏度的交聯(lián)凝膠。與泡沫酸相比,這種體系具有更好的分配酸的作用。然而,基于生產(chǎn)剖面的總體結(jié)果也不是十分令人滿意。

當ICA用作轉(zhuǎn)向劑時,在某些情況下能取得較好的結(jié)果。如圖2所示的15號井合成測井曲線中最后一部分所展示的剖面,就是用ICA進行酸化增產(chǎn)處理得到的理想射孔段的生產(chǎn)剖面。幾乎100%的射孔都有利于原油流動。16號井的合成測井曲線也展示了一個相似的結(jié)果,該井幾乎整個射孔段都在生產(chǎn)。

圖2 用ICA轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的15號井的生產(chǎn)測井得到的合成測井曲線

在圖3中,17號井的生產(chǎn)剖面是合成測井曲線的最后一部分。這口井也是用ICA作為轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)?？梢钥闯?90%的產(chǎn)量都是來自射孔段最前面的9 m,其余的產(chǎn)油量都是來自射孔段底部。

圖3 用ICA轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的17號井的生產(chǎn)測井得到的合成測井曲線

圖4是18號井的合成測井曲線,可以看出總產(chǎn)油量的60%來自層段上部的射孔,其余的射孔沒有產(chǎn)量,可以預測到有40%的總產(chǎn)油量是從射孔段的底部獲得的。在19號井的生產(chǎn)剖面也可以觀測到類似的情形,該井大概90%的總產(chǎn)量來自射孔段的中部,另外10%來自射孔段的上部。在射孔段的中部以下沒有觀測到產(chǎn)油量。

圖4 用ICA轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的18號井的生產(chǎn)測井得到的合成測井曲線

4.3 締合聚合物技術實例

締合聚合物已于之前在墨西哥其他海上油田作為轉(zhuǎn)向劑開始使用,甚至在含水 (Reza等,2006)和低滲透率地層 (Soriano等,2007)都取得了很好的效果。良好的效果使得墨西哥國家石油公司(PEMEX)開始考慮和評價在Cantarell油田的酸化增產(chǎn)中使用這種方法。注意在這些實例中,遠離含水地層的轉(zhuǎn)向不是主要的考慮。使用締合聚合物轉(zhuǎn)向劑的新酸化措施開始于2005年底,在2006年已廣泛使用。進行增產(chǎn)處理之后部分井進行生產(chǎn)測井,以評估酸液在處理層段中的分配。從生產(chǎn)測井得出的生產(chǎn)剖面可以觀測到很好的效果,證明了締合聚合物的作用?；谶@些結(jié)果,2006年大概有50口井使用了締合聚合物進行酸化增產(chǎn)處理。雖然所有工作的結(jié)果不能在這里全部展示,但可以得到一個總結(jié)論:APT的轉(zhuǎn)向性能比泡沫酸或者ICA更好。

圖5最后一部分所展示的生產(chǎn)剖面說明了整個射孔段的產(chǎn)油量僅僅比射孔段上半部的產(chǎn)油量多出很少的量。該生產(chǎn)剖面開始于3 398 m處,因為在這個深度之下井內(nèi)有一個閉塞。

圖5 用APT轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的1號井的生產(chǎn)測井得到的合成測井曲線

在下一個實例中 (圖6),2號井的生產(chǎn)剖面說明了整個射孔段的產(chǎn)油量主要來自底部。在3號井中可以看到同樣的情形,該井整個射孔段的產(chǎn)量幾乎與總產(chǎn)量相等。最后一個實例是4號井,該井總產(chǎn)量100%來自射孔段。

圖6 用APT轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的2號井的生產(chǎn)測井得到的合成測井曲線

4.4 泵注圖表

酸化期間觀測地面泵注壓力得出一個結(jié)論,締合聚合物能提高比泡沫酸或ICA更大、更持久的壓力提升。有一口井專門用ICA轉(zhuǎn)向劑進行酸化處理,但地層中的表面系數(shù)依然存在。4個月之后,該井的產(chǎn)率一直下降,為了克服第一次酸化處理帶來的傷害和提高產(chǎn)率,該井又進行了第二次酸化處理,第二次處理運用了締合聚合物。兩次處理的主體酸都是15%HCl。圖7說明了用締合聚合物處理射孔段時得到的壓力提升。而在用ICA處理時卻無法觀測得這樣的壓力提升。當?shù)孛鎵毫Σ辉偈撬釓母邼B透率地層轉(zhuǎn)向低滲透率地層的明確指示時,通常只有使用指示劑。

圖7 用締合聚合物轉(zhuǎn)向劑進行酸化增產(chǎn)的的泵注圖表

4.5 生產(chǎn)指數(shù)

圖8 生產(chǎn)指數(shù)數(shù)據(jù)

圖8展示了分別用泡沫酸、ICA和締合聚合物作為轉(zhuǎn)向劑的酸化增產(chǎn)的生產(chǎn)指數(shù)。這些數(shù)據(jù)來自能進行壓力恢復試井的油井。這些數(shù)據(jù)表明,用締合聚合物進行酸化增產(chǎn)得到的平均生產(chǎn)指數(shù)(PI)高于使用泡沫酸或者ICA得到的平均生產(chǎn)指數(shù)。使用締合聚合物處理的油井的 PI值是349,ICA是151,泡沫酸是182。

5 結(jié)論

◇實驗室試驗已經(jīng)說明了締合聚合物轉(zhuǎn)向劑在砂巖和碳酸鹽巖地層中都能使酸液從水飽和占優(yōu)的地層轉(zhuǎn)向進入油飽和占優(yōu)的地層。

◇Cantarell油田的現(xiàn)場生產(chǎn)測井數(shù)據(jù)說明了與使用泡沫酸或ICA相比,使用締合聚合物能得到更好的效果。

◇與ICA相比,使用締合聚合物得到的地面壓力響應說明了締合聚合物有更持久的轉(zhuǎn)向性能。

◇與泡沫酸或ICA相比,生產(chǎn)指數(shù)數(shù)據(jù)說明了使用締合聚合物作為轉(zhuǎn)向劑的效果更好。

◇該油田的現(xiàn)場試驗說明締合聚合物的轉(zhuǎn)向性能在高含水飽和度的油井也不受限制。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.007

資料來源于美國《SPE 112413》

2008-12-16)