曲占慶， 黃德勝＊， 宋更軍， 曲冠政， 龔迪光

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島266555；2.中國(guó)石化勝利油田分公司孤島采油廠(chǎng)，山東東營(yíng)257231）

商三區(qū)塊位于商河油田南部，巖性以砂泥巖互層為主，儲(chǔ)層平均孔隙度20.4%，平均滲透率32.4×10－3μm2，屬常規(guī)低滲透油藏，其主要特點(diǎn)是成巖作用強(qiáng)，膠結(jié)致密，儲(chǔ)層孔隙小、喉道細(xì)、喉道中值半徑 一 般 小 于1.5μm。地 層 水 礦 化 度2 0 0 7 8～28 244mg／L，水型為CaCl2型。地面原油黏度6.9～16.6mPa·s，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.08%，膠質(zhì)質(zhì)量分 數(shù)4.57%。該區(qū)塊在生產(chǎn)和作業(yè)過(guò)程中入井流體易造成地層堵塞。儲(chǔ)層堵塞是商河油田商三區(qū)開(kāi)發(fā)效果差的主要原因，截至目前，商三區(qū)塊有欠注井20余口，油壓上升快，部分水井油壓已達(dá)到30 MPa，注水量明顯下降，欠注量高達(dá)450m3／d，嚴(yán)重影響注水開(kāi)發(fā)效果。因此，在理論分析的基礎(chǔ)上采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法研究商三區(qū)塊儲(chǔ)層堵塞機(jī)理及酸化解堵措施對(duì)提高商三區(qū)塊注水開(kāi)發(fā)效果具有重要意義。

1 儲(chǔ)層堵塞機(jī)理理論分析

在油氣田開(kāi)發(fā)中，儲(chǔ)層堵塞是一個(gè)普遍面臨的問(wèn)題，對(duì)油氣田生產(chǎn)相當(dāng)不利，因此在采取有效的處理措施前，必須研究各種堵塞機(jī)理及規(guī)律并診斷造成儲(chǔ)層堵塞的類(lèi)型。儲(chǔ)層堵塞機(jī)理可概括為5 大類(lèi)［1－4］：（1）儲(chǔ)層微粒運(yùn)移堵塞。儲(chǔ)層發(fā)生微粒運(yùn)移后，微粒會(huì)堵塞地層，造成地層滲透率急劇下降。（2）黏土膨脹堵塞。儲(chǔ)層中黏土礦物都有屬于自身的儲(chǔ)層傷害機(jī)理。低滲透儲(chǔ)層中黏土礦物易發(fā)生水化膨脹、分散運(yùn)移，堵塞地層。（3）外來(lái)顆粒堵塞。在常規(guī)作業(yè)中引入的外來(lái)顆粒會(huì)造成地層堵塞，外來(lái)顆粒的來(lái)源較廣，在作業(yè)和注水時(shí)，如果入井流體與油層黏土礦物不配伍，就會(huì)引起黏土礦物的膨脹、分散、運(yùn)移，堵塞滲流通道，造成油井傷害。（4）結(jié)垢堵塞。如果注入水與地層水不配伍會(huì)引起結(jié)垢?jìng)?，結(jié)垢會(huì)引起注水壓力升高和油井產(chǎn)液量減少。此外，地層結(jié)垢還會(huì)注水驅(qū)油效率的降低［5］。（5）生物垢堵塞。注入地層中若存在硫酸鹽還原菌和腐生菌也將堵塞地層，造成注入壓力的升高。

2 儲(chǔ)層堵塞機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

商三區(qū)塊可能存在的傷害因素有結(jié)垢?jìng)?、注入水固相顆粒的影響、注入水與地層不配伍產(chǎn)生的傷害等［6－8］。針對(duì)區(qū)塊注水過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種傷害，進(jìn)行了一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，確定造成儲(chǔ)層傷害的主要原因，為研究解堵措施提供依據(jù)。

2.1 巖石礦物分析

利用巖礦學(xué)研究方法，通過(guò)X 衍射全巖分析方法來(lái)確定巖心礦物成分及各種組分的含量狀況，從而確定巖心礦物對(duì)儲(chǔ)層造成的潛在傷害類(lèi)型，并為酸化解堵體系的優(yōu)選提供指導(dǎo)意見(jiàn)。從X 射線(xiàn)衍射結(jié)果可以看出（見(jiàn)表1），商三區(qū)塊黏土礦物主要為伊／蒙混層、高嶺石和伊利石。儲(chǔ)層中的高嶺石在高流速流體作用下會(huì)導(dǎo)致解理裂開(kāi)，分散成細(xì)小顆粒，其分散運(yùn)移結(jié)果將會(huì)降低儲(chǔ)層有效滲透率。黏土礦物中伊／蒙混層占20%左右，當(dāng)注入水礦化度較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生黏土膨脹，使注水井附近滲透率下降，產(chǎn)生水敏現(xiàn)象。

表1 商三區(qū)黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果表Table 1 Analysis of the relative content of clay minerals result table in Shang 3 region

2.2 地層水和注入水常規(guī)離子分析

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油田水分析方法》對(duì)地層水和注入水進(jìn)行常規(guī)離子分析，地層水取自S13－256井和S13－612井，注入水取自S13－351井和S13－381 井，水樣均經(jīng)0.22μm 微孔濾膜過(guò)濾。表2為地層水和注入水在常溫和90 ℃條件下常規(guī)離子分析表。

表2 地層水和注入水單樣常溫與地層溫度下水質(zhì)分析對(duì)比Table 2 Water analysis comparison table of formation water and injected water samples at room temperature and formation temperature

續(xù)表2

由表2可以看出，地層水和注入水中離子質(zhì)量濃度大致相同，陽(yáng)離子中，K＋、Na＋質(zhì)量濃度之和最高，其次為Ca2＋和Mg2＋；陰離子中，Cl－質(zhì)量濃度最高，其次為HCO－3、SO2－4、CO2－3，從地層水和注入水的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果可以看出：成垢離子中，Ca2＋、Mg2＋、HCO－3、SO2－4、CO2－3質(zhì)量濃度較高。配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，商三區(qū)塊注入水與地層水混合有產(chǎn)生碳酸鈣和碳酸鎂的趨勢(shì)，此外，注入水和地層水單樣在地層溫度下（90 ℃）離子質(zhì)量濃度發(fā)生改變，有白色沉淀生成。所以在注入水中應(yīng)加入適量的防垢劑來(lái)進(jìn)行除垢，防治結(jié)垢對(duì)儲(chǔ)層造成的堵塞傷害。

2.3 注入水固相顆粒分析

注入水中固相顆粒的含量及大小是影響注入水水質(zhì)的重要指標(biāo)，并對(duì)地層傷害有重要影響。從儲(chǔ)層保護(hù)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，中值顆粒粒徑越低對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)越有利。

2.3.1 注入水顆粒粒徑分析 實(shí)驗(yàn)使用GSL－101BII型激光顆粒分布測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量注入水固相顆粒粒徑。水樣為商三區(qū)塊注入水，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 商三區(qū)塊注入水粒度分布Fig.1 The granularity distribution of injection water in Shang 3 region

通過(guò)圖1可以看出，水樣中顆粒粒徑大部分分布在0.5～18.05μm，平均顆粒粒徑約為6.68μm。李海濤等［9］通過(guò)對(duì)固相顆粒粒徑與損害程度的關(guān)系進(jìn)行非線(xiàn)性回歸，得出了低傷害情況下顆粒粒徑與儲(chǔ)層孔隙喉道的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 無(wú)傷害最小顆粒粒徑與孔喉尺寸的關(guān)系Fig.2 Diagram of no harm smallest particle size and pore throat size

根據(jù)非線(xiàn)性回歸分析結(jié)果，不易產(chǎn)生喉道堵塞的最小顆粒粒徑（dmin）與喉道存在一定的相關(guān)性，即不容易產(chǎn)生儲(chǔ)層喉道堵塞的顆粒中值粒徑d 應(yīng)小于dmin。商三區(qū)喉道中值半徑小于1.5μm，由圖2可知，當(dāng)儲(chǔ)層主流孔隙喉道為1.5μm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的無(wú)傷害最小顆粒粒徑為0.225μm。由此可知，注入水中固相顆粒粒徑較大，易對(duì)地層造成傷害，在注入地層前需要對(duì)其進(jìn)行處理。

2.3.2 注入水固相含量測(cè)定 采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中的膜濾法對(duì)S13－613、S13－318、S13－351三口注水井井口水樣品進(jìn)行了固相含量指標(biāo)測(cè)定［10］，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注入水固相含量數(shù)據(jù)Table 3 The solid phase content of injection water

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，三口注水井水樣中固體質(zhì)量濃度都很高，分別為115.6、119.3、102.3mg／L，固體質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)，較多的固相顆粒會(huì)隨注入水在儲(chǔ)層的流動(dòng)在其相應(yīng)喉道出造成堵塞，使儲(chǔ)層滲透率降低，對(duì)油田生產(chǎn)不利。

2.4 注入水與地層巖石的配伍性研究

注入水與地層巖石的配伍性實(shí)驗(yàn)反映了注入水本身與地層巖石的動(dòng)態(tài)配伍性。實(shí)驗(yàn)先用地層水測(cè)試原始滲透率，然后用注入水測(cè)巖心滲透率，評(píng)價(jià)注入水對(duì)地層巖石滲透率的傷害程度［11］。水樣取自商三區(qū)塊地層水和注入水，為了排除懸浮顆粒、懸浮油滴和細(xì)菌對(duì)地層巖心滲透率傷害的影響，地層水和注入水須經(jīng)0.22μm 濾膜過(guò)濾。

系統(tǒng)論認(rèn)為，系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)要素是有機(jī)聯(lián)系、相互作用、相互滲透、相互影響的。作戰(zhàn)與動(dòng)員共同存在于信息化戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)中，共同存在于聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)中，有作戰(zhàn)必有動(dòng)員，作戰(zhàn)與動(dòng)員一體聯(lián)動(dòng)已成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要特征。必須著眼動(dòng)員保障作戰(zhàn)、作戰(zhàn)牽引動(dòng)員，充分認(rèn)識(shí)把握作戰(zhàn)與動(dòng)員的內(nèi)在統(tǒng)一要求和聯(lián)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，促進(jìn)作戰(zhàn)與動(dòng)員研究的協(xié)調(diào)發(fā)展。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》要求選取了4塊商三區(qū)塊采油廠(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)巖心，編號(hào)分別為：沙 二 下 儲(chǔ) 層224－6，224－8，沙 三 上 儲(chǔ) 層318－8，318－12，用地層水和注入水分別測(cè)4塊巖心的滲透率，結(jié)果如表4所示。

表4 滲透率對(duì)比數(shù)據(jù)表Table 4 The permeability comparative data

通過(guò)表4可以看出巖心注注入水后，滲透率明顯下降，降幅超過(guò)40%。分析原因，認(rèn)為商三區(qū)塊黏土礦物含量較高，注入水與地層發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，造成黏土膨脹，并發(fā)生水敏與結(jié)垢現(xiàn)象，對(duì)地層傷害較大，使地層滲透率下降；另外，注入水與地層水中的成垢離子反應(yīng)生成沉淀，堵塞地層。因此，在選擇注入水時(shí)要考慮礦化度的影響，對(duì)注入水實(shí)施有力的阻垢措施，并加入一定量的防膨劑。

3 儲(chǔ)層巖樣解堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

根據(jù)商三區(qū)塊儲(chǔ)層特點(diǎn)及井史資料，酸化解堵技術(shù)可以解除儲(chǔ)層近水井地帶污染，恢復(fù)地層的滲透率，解除地層堵塞，達(dá)到注水井增注、油井增產(chǎn)的目的［12－13］。商三區(qū)塊常用的酸液有鹽酸、土酸、有機(jī)酸、多氫酸等酸化體系，為此，筆者主要從巖心動(dòng)態(tài)酸化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鹽酸、土酸、有機(jī)酸、多氫酸等酸化體系對(duì)商三區(qū)巖心的酸化解堵能力。此外，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生黏土膨脹而產(chǎn)生堵塞的地層，縮膨劑能夠明顯的改善儲(chǔ)層，筆者從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了縮膨劑的縮膨效果。

3.1 巖樣酸化解堵實(shí)驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《SY／T 5358－2002儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》，從巖心動(dòng)態(tài)酸化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鹽酸、土酸、有機(jī)酸、多氫酸等酸化體系對(duì)商三區(qū)巖心的酸化解堵能力，優(yōu)選出適合于商三區(qū)塊儲(chǔ)層的酸體系，提高儲(chǔ)層酸化解堵效果。商三區(qū)塊巖心酸化解堵實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5及圖3所示（表5、圖3中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表5 商三區(qū)塊巖心酸化解堵實(shí)驗(yàn)方案Table 5 The experimental programm of acidification in Shang 3 region

圖3 沙二下巖心滲透率曲線(xiàn)Fig.3 The core permeability curve of Sha 2

實(shí)驗(yàn)1是常規(guī)土酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%氫氟酸）＋多氫酸對(duì)商三區(qū)沙二下儲(chǔ)層酸化解堵效果的影響，酸化實(shí)驗(yàn)后的巖心入口端有較大程度的破壞。在注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%氫氟酸初期，酸液與部分堵塞物反應(yīng)，使?jié)B透率提高，隨著酸液量的增加，加劇了微粒運(yùn)移和黏土礦物的膨脹，還可能存在二次生成物堵塞巖心，使巖心滲透率下降。此外，高濃度土酸與巖心反應(yīng)快，在巖心入口端消耗大量酸液，破壞了巖心骨架，而且因溶蝕而脫落的微粒進(jìn)入巖心深部，堵塞了孔隙喉道，造成巖心滲透率的下降。

實(shí)驗(yàn)2將氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為1%，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%氫氟酸的低濃度土酸液＋多氫酸來(lái)研究酸化解堵效果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，酸化后巖心滲透率大幅度提高，從取出的巖心看，224－8巖心損壞程度明顯小于224－6巖心，酸液對(duì)巖心骨架的破壞小，微粒運(yùn)移少。由此可知，降低氫氟酸濃度有利于保護(hù)地層巖石骨架。

由圖3可以看出，巖心在注入多氫酸后，滲透率上升幅度較大。分析其原因，多氫酸采用新型復(fù)合膦酸與氟鹽反應(yīng)，利用反應(yīng)生成氫氟酸進(jìn)行酸化，體系中的氟鹽和多氫酸形成一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)體系，隨著酸液中H＋的消耗，多氫酸會(huì)逐漸電離出H＋，與氟鹽生成可供反應(yīng)的氫氟酸。多氫酸具有優(yōu)良的螯合能力，對(duì)儲(chǔ)層中多價(jià)金屬離子具有強(qiáng)絡(luò)合能力，在儲(chǔ)層中不形成二次沉淀，不會(huì)重新傷害儲(chǔ)層；產(chǎn)生的氫氟酸對(duì)Ca2＋、Na＋、K＋、NH＋4等陽(yáng)離子具有很強(qiáng)的吸附能力，難以有機(jī)會(huì)與F－、SiF2－6形成氟鹽沉淀和氟硅酸鹽沉淀［14］。因此在注酸時(shí)可以增加氫氟酸的注入量。

由圖4可知，注入鹽酸＋有機(jī)酸體系，沙三上儲(chǔ)層巖心滲透率均降低。分析原因，認(rèn)為由于鹽酸與碳酸鹽巖膠結(jié)物反應(yīng)，使一些膠結(jié)顆粒脫落，產(chǎn)生微粒運(yùn)移，堵塞了孔吼通道。此外，沙三上儲(chǔ)層綠泥石相對(duì)含量偏高，它屬于酸敏性礦物，容易發(fā)生酸敏傷害［15］。由此可知，鹽酸＋有機(jī)酸體系對(duì)沙三上儲(chǔ)層改善效果不理想，沒(méi)有起到酸化解堵的效果。

3.2 縮膨劑縮膨效果評(píng)價(jià)

縮膨劑是一種具有防縮膨作用的化學(xué)助劑，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生黏土膨脹的地層，縮膨劑的防膨和縮膨性能能明顯的改善儲(chǔ)層，是改善低滲儲(chǔ)層的有效添加劑［16］。

實(shí)驗(yàn)研究了縮膨劑縮膨效果，先使用地層水進(jìn)行驅(qū)替得出K1，再使用注入水進(jìn)行驅(qū)替，得出K2。最后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的縮膨劑的注入水驅(qū)替，得出K3。

圖4 沙三上巖心滲透率曲線(xiàn)Fig.4 The core permeability curve of Sha 3

通過(guò)縮膨劑縮膨效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出，K1約為0.7 mD，K2約為0.21mD，其損害程度為70.42%，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%縮膨劑注入水驅(qū)替后巖心滲透率明顯提高，達(dá)到0.45mD，巖心傷害率只有35.71%，說(shuō)明縮膨劑縮膨效果好，能恢復(fù)地層的滲透率。分析原因認(rèn)為，縮膨劑與黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使黏土晶格改性，遇水后不發(fā)生膨脹；已經(jīng)膨脹的黏土晶格，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改性后釋放出水分子，晶格縮小，并通過(guò)多點(diǎn)吸附作用使這些改性的黏土物質(zhì)與原地層礦物牢固結(jié)合，從而避免了黏土礦物遇水膨脹、運(yùn)移對(duì)地層造成傷害，快速消除水鎖傷害，達(dá)到降壓增注、解除地層堵塞的目的。

圖5 318－10巖心滲透率曲線(xiàn)Fig.5 The core permeability curve of 318－10

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2013年3月至7月分別對(duì)沙二下儲(chǔ)層的S13－613、S13－318、S13－351 三 口 注 水 井 采 取 質(zhì) 量 分 數(shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%氫氟酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%多氫酸＋縮膨劑的復(fù)合解堵工藝，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質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%氫氟酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氫氟酸＋縮膨劑的復(fù)合解堵工藝后，油壓明顯降低，注水量達(dá)到配注要求，產(chǎn)油量都有增加，且增幅超過(guò)50%。以上數(shù)據(jù)充分說(shuō)明沙二下儲(chǔ)層三口注水井用質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%氫氟酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%多氫酸＋縮膨劑的配方進(jìn)行酸化解堵成功有效，達(dá)到了儲(chǔ)層解堵和改善注水開(kāi)發(fā)效果的目的。

表6 沙二下儲(chǔ)層酸化井酸化前后效果對(duì)比Table 6 The acidifying effect of contrast table in Sha 2

5 結(jié)論及建議

（1）商三區(qū)塊注入水中固相顆粒較多，顆粒粒徑較大且與地層發(fā)生水敏現(xiàn)象，建議提高注入水中水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，防止因水質(zhì)不合格而堵塞地層。

（2）沙二下儲(chǔ)層巖心污染后，注入鹽酸＋低濃度土酸＋多氫酸體系，可以較好改善儲(chǔ)層，滲透率大大提高。其中，多氫酸酸化解堵效果最好。沙三上儲(chǔ)層巖心污染后，注入鹽酸＋有機(jī)酸體系，儲(chǔ)層改善效果不理想，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，沒(méi)有起到酸化解堵的效果。這是由于注入的鹽酸＋有機(jī)酸酸體系與沙三上儲(chǔ)層不配伍造成，儲(chǔ)層產(chǎn)生了酸敏現(xiàn)象，而未起到酸化解堵的效果。

（3）通過(guò)縮膨劑縮膨效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，可知縮膨劑能恢復(fù)地層滲透率，在已發(fā)生堵塞的地層可注入縮膨劑來(lái)恢復(fù)地層滲透率。

（4）礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%氫氟酸＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%多氫酸＋縮膨劑的復(fù)合解堵工藝能明顯改善儲(chǔ)層，達(dá)到注水井增注、油井增產(chǎn)的目的。

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