閆?？?，巨登峰 曹瑞民，謝 剛（中石油華北油田分公司采油工藝研究院，河北 任丘062552）

唐文英（中石油華北油田分公司物理勘探研究院，河北 任丘062552）

田中太（中石油華北油田分公司第二采油廠，河北 霸州065703）

有機堵劑在水平井水平段中的流動及頂替分析計算

閆?？?，巨登峰 曹瑞民，謝 剛（中石油華北油田分公司采油工藝研究院，河北 任丘062552）

唐文英（中石油華北油田分公司物理勘探研究院，河北 任丘062552）

田中太（中石油華北油田分公司第二采油廠，河北 霸州065703）

水平井規(guī)?；_發(fā)過程中化學堵水能夠有效抑制底水錐進和邊水突進，但暴露出相關參數(shù)僅能參照直井堵水經(jīng)驗等問題。從不同填充狀態(tài)下堵劑在圓管中的流動型態(tài)著手，通過水動力學理論和物理模型模擬了堵劑2種不同流動情況，并以算例形式探討了2種頂替模式。分析認為堵劑粘度和注入流量分別決定其流動型態(tài)和速度分布，從而直接影響后續(xù)頂替過程，并抓住流量對頂替的影響，發(fā)現(xiàn)當注入流量大于等于臨界流量時頂替效率較高。通過砂巖油藏水平井化學堵水先導性試驗，礦場應用符合堵水注入工藝設計，獲得了顯著的降水增油效果，為優(yōu)化水平井堵水注入工藝和豐富堵水施工設計理論提供了支持和參考。

水平井；堵水工藝；流體力學；流變性；頂替策略

作為抑制水平井底水錐進和邊水突進［1］的關鍵技術，化學堵水方法通常采用交聯(lián)聚合物﹑油基水泥等有機堵劑泵入水錐入侵通道和底水層，達到封堵邊﹑底水入侵通道的目的［2，3］，目前包括塔里木﹑新疆﹑冀東等油田已有水平井堵水的報道［3～6］。然而水平井堵水礦場實施中常會遇到一些問題，如堵劑和頂替液的用量﹑流量和壓力的設計等段塞注入?yún)?shù)只能憑直井的做法和經(jīng)驗處理［7，8］，而由于水平井特別是水平段特殊的流體流動狀況，使得對堵劑在水平井水平段流動情況和頂替液推進過程缺乏理性認識［3］。目前國內(nèi)此類文獻很少，只有鄭永剛等人［7，9～11］研究的直井井筒流動和頂替模型可供參考。而在水平井化學堵水注入模型和水平頂替理論方面的研究目前國內(nèi)還未見報道［12］。

通過水動力學理論，利用物理模型深入研究有機凍膠和油溶性堵劑在水平井水平段井筒的流動情況，探討了幾種頂替模式并對頂替過程進行推演，提出了水平井堵水注入流量設計依據(jù)并在砂巖油藏水平井化學堵水先導性試驗中取得成功。

1 堵劑流變性及流動型態(tài)分析

堵劑A和堵劑B分別為實驗室自制的有機凍膠［13］和油溶性堵劑。流變性試驗表明堵劑A表現(xiàn)為強剪切變稀，是假塑性流體。而堵劑B表現(xiàn)為弱剪切變稀，性質(zhì)接近于水。見圖1。經(jīng)計算后堵劑流變性參數(shù)見表1（試驗時剪切速率 為27s－1）。

表1 3種流體流變性參數(shù)

假設可達到的礦場實際注入流量為Q（m3/h），依據(jù)流體流動型態(tài)判斷標準［14，15］計算后可知對于含有有機凍膠A的溶液的流動為層流，而含有油溶性堵劑B的溶液和頂替液水的流動為湍流。因此水平頂替模式有2種，即湍流（水）頂替層流（堵劑 A），和湍 流（水）頂替湍流（堵劑B）。

圖1 2種堵劑表觀粘度隨剪切速率的變化曲線

2 研究模型建立

2.1 模型假設

水平圓管中流體做穩(wěn)態(tài)流動，不隨時間改變；流體流動沿程均勻，且流速軸向?qū)ΨQ；水平井井身軌跡假定為水平井水平段平行于水平方向；水平圓管的進口和出口對流動的影響可以忽略。

2.2 流體流動物理模型

如圖2所示，建立流體在圓管中流動的物理模型，設有一很長的圓管，其半徑為R。物理模型采用圓柱坐標系（3個參數(shù)為r，x，φ）。

圖2 直圓管中流動的物理模型

3 有機堵劑流動行為研究

利用描述流體質(zhì)點運動的Navier－Stokes方程和連續(xù)性方程［16，17］，結(jié)合粘性流體不同的流動型態(tài)，合理利用相關假設，推導不同流動型態(tài)下粘性流體流動的微分方程［10］，得到流體在圓管中流動的層流速度方程和湍流速度方程［18］，最后求解流體沿管徑方向的流速分布和流體與壁面的切應力τw。經(jīng)計算含有有機凍膠A的溶液的流速分布呈圓錐型，含油溶性堵劑B的溶液和頂替液水的流速分布呈類圓柱型。

4 流體頂替模式和過程

4.1 水平圓管等流量頂替行為

4.1.1 湍流頂替層流

如圖3，比較頂替液和被頂替液的流速分布看到開始層流發(fā)展緩慢而湍流發(fā)展迅速，此時堵劑可被頂替，隨后層流快速發(fā)展而湍流發(fā)展緩慢，導致管中心區(qū)域的大部分堵劑不能被頂替。按此思路，被頂替液為堵劑A，計算結(jié)果見表2。

圖3 湍流頂替層流過程推演

表2 62mm圓管內(nèi)2種頂替模式算例

表2 62mm圓管內(nèi)2種頂替模式算例

頂替模式 被頂替液 流量/m3·h－1 頂替效率/%A 5 16.80 20 16.80湍流頂替湍流 堵劑B 1.7（臨界值）湍流頂替層流 堵劑84.20

由表2可見湍流頂替層流的頂替效率很低，管中心大部分區(qū)域未被頂替，且頂替效率不隨流量變化。

4.1.2 湍流頂替湍流

圖4 湍流頂替湍流過程推演

算例中被頂替液為堵劑B，計算結(jié)果見表2，所列數(shù)據(jù)為實現(xiàn)完全均勻湍流頂替湍流的臨界值，可看到臨界流量較小，最大頂替效率為84.2%，很少部分未被頂替是粘滯層存在所致。該種情況為理想的活塞式推進過程，頂替液用量為整個圓管體積。

4.2 頂替因素分析

4.2.1 流動型態(tài)

湍流頂替時，整個圓管的流速比較均勻，而層流時流速分布相差較大，因此湍流頂替湍流的整體頂替效率要比層流高得多。

4.2.2 注入流量

在湍流頂替層流的過程中可以看到頂替效率不隨流量變化，即頂替效率與流量無關。下面重點討論流量對于湍流頂替湍流過程的影響。

頂替效率Ed的計算式為：

式中，ε＊為粘滯層厚度，無量綱；εb為流速等于平均流速時的徑向距離（約為0.2，無量綱）。由式（1）可以看出Ed的大小取決于ε＊的大小。62mm圓管不同流量的湍流頂替效率見表3。

表3 62mm圓管不同流量的湍流頂替效率

表3 62mm圓管不同流量的湍流頂替效率

流量/m3·h－1徑向距離/m τw/Pa 頂替效率Ed/%1.5 0 τw堵劑B＞τw水0 1.7 － τw堵劑B＝τw水 84 5 0.147 τw堵劑B＜τw水 68 10 0.183 τw堵劑B＜τw水 64 20 0.204 τw堵劑B＜τw水61

由表3可以看到隨著τw堵劑B（堵劑B與壁面切應力，Pa）與τw水（水與壁面切應力，Pa）的相對變化，頂替推進大致經(jīng)歷3個過程。當實際流量小于臨界流量時頂替效率很?。ń咏?），這是因為τw堵劑B＞τw水導致在湍流核心區(qū)被頂替液的流速大于水，以致不能頂替。當注入流量提高到臨界流量，湍流頂替效率達到最大值，隨著流量的繼續(xù)提高頂替界面逐漸向管中心靠近，使頂替效率有所降低（圖5）。

圖5 提高流量對湍流頂替推進的影響

4.2.3 堵劑流變性指數(shù)

對于湍流頂替層流過程由于堵劑的稠度指數(shù)與層流速度分布無關，頂替效率不隨稠度指數(shù)發(fā)生變化，但與流動指數(shù)n有關，n減小頂替效率略有增加。

表4 堵劑流變性對湍流頂替湍流的影響

湍流頂替湍流中隨著稠度指數(shù)（或流動指數(shù)）的增加（注：稠度指數(shù)1、3、4算例，流動指數(shù)3、1、2算例，兩者相關），臨界流量快速增大（表4），從而提高了頂替效率。但由于湍流情況下湍動應力大于粘滯應力，流動指數(shù)n和稠度指數(shù)K對湍動速度剖面的影響不大。因此現(xiàn)場頂替流量設計應充分考慮堵劑的流變性。另外應注意到臨界流量對流動指數(shù)更為敏感。

5 砂巖油藏水平井應用實例

砂巖油藏水平井堵水調(diào)剖成功應用上述理論設計了堵調(diào)劑和頂替液段塞以及排量。對于含堵劑A的段塞后續(xù)頂替液應該過量以保證堵劑完全被替入地層，而對于含油溶性堵劑B的段塞，后續(xù)頂替液一次等量頂替即可。如路36平11井，采用套管完井，于2008年12月投產(chǎn)后便出現(xiàn)高產(chǎn)液高含水，動靜態(tài)資料分析認為儲層內(nèi)底水上升、邊水或注入水突進，造成水線指進溝通導致該井生產(chǎn)層水淹。為此依據(jù)油藏特征和水淹特點，按照選擇性封堵主要高滲透通道，并阻止地層水繞流的思路，于2010年10月在2240.0～2325.0m井段采用復合堵劑低排量籠統(tǒng)擠注工藝，以段塞方式依次注入有機凍膠A、頂替液、油溶性堵劑B和頂替液，施工排量和頂替液用量見表5。堵水取得良好降水增油效果，截止到2011年6月，累計增油2345t。

表5 路36平11井堵水段塞設計

6 結(jié) 論

1）完成了水平井水平段圓管內(nèi)有機凍膠和油溶性堵劑流動和頂替模式理論計算與分析，有關結(jié)論對于傾斜圓管流體流動和頂替過程仍可參考。

2）影響有機堵劑頂替的因素有頂替液的用量、注入流量和流體流變性等等，現(xiàn)場堵水應根據(jù)實際情況選擇不同的頂替策略。湍流頂替層流過程由于有機堵劑在水平段圓管以半充滿形態(tài)流動，頂替效率低，所以應在注入流量保持不變的前提下，采用過量頂替方式，增大頂替液用量。湍流頂替湍流過程油溶性堵劑能以全充滿方式在水平段流動，頂替效率較高，所以應在注入流量稍大于臨界流量的前提下，等量頂替就可保證堵劑完全替進地層。

3）礦場先導性試驗表明，使用該方法優(yōu)化了水平井化學堵水注入工藝，為水平井堵水施工設計提供了支持和參考，對礦場堵水調(diào)剖具有一定指導意義。

本文受中石油華北油田分公司科技項目 “水平井堵控水工藝技術研究”（2011－HB－C13）資助。

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Analysis and Calculation of Flow and Replacement Behavior of Organic Plugging Agent in Horizontal Wells

YAN Hai－jun，JU Deng－feng，CAO Rui－min，XIE Gang，TANG Wen－ying，TIAN Zhong－tai（First Author's Address：Research Institute of Oil Production Technology，Huabei Oilfield Company，CNPC，Renqiu062552，Hebei，China）

As an effective way of water controlling，the scale of chemical water shut－off could be effectively inhibit bottom water coning and edge water breakthrough，but there existed the problem of referring to the experience of water plugging in straight wells.From the study of different filling modes of flow patterns in around tubings，the theory of hydrodynamics and physical model were used for simulating 2different flow patterns，and the 2displacement modes were discussed with examples.Analysis shows that its viscosity and injection volume can determine the flow patterns and velocity distribution，it would directly influence displacement，and based on the influence of flow rate on the displacement，it reveals that the highest displacement efficiency is obtained as the injecting rate is bigger than that of critical flow rate.Through a pilot test of chemical plugging agent in horizontal wells in sandstone reservoirs，it indicates that the result of field test is consistent with that of process design，the effect of water reduction and oil increment is obvious，it provides a support and reference for water plugging and enriching the theoretical design of water－plugging operation in horizontal wells.

horizontal well；water－plugging technique；fluid dynamics；rheology；displacement strategy

TE358.3

A

1000－9752（2012）07－0141－05

2011－11－24

閆?？。?985－），男，2008年天津大學畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事油田化學研究工作。

［編輯］ 蕭 雨