中高含水油井酸化分流控水化学微粒研究

杨 明 ,周泓宇 ,万小进 ,程利民 ,何瑜宁

(1.中海石油(中国)有限公司 海南分公司,海南 海口 570312;2.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司,广东 湛江 524057)

对于多层系开发油藏,由于纵向储层物性差异、岩矿差异、储层压力差异,酸化过程中酸液的分布和有效控制是酸化成功的关键,笼统酸化酸液注入地层后,遵循阻力最小原则,往往优先进入高渗透层,从而导致低渗透率层或伤害较严重的层没有得到有效处理,地层渗透率级差增大,层内层间矛盾加剧[1-4]。且一般而言,水相流动通道大于油相,酸液优先进入水流通道,造成含水进一步上升,导致油井增液不增油[5-6]。目前常见的分流转向技术可分为机械转向和化学转向两大类[7],其中,机械转向需要起下管柱等井下作业,费时费力,普通化学暂堵转向技术则有效性低,且对储层有一定伤害[8-9]。国内开展了大量化学转向材料的研究,但其受耐温性能差、分流效率低、对地层伤害大等因素制约[10-14]。本研究以我国南海西部油田某中高含水储层为研究对象,针对储层纵向非均质性强、层间矛盾突出的中高含水油井,研制出一种分流效率高、耐冲刷性强、且对地层伤害小的选择性化学微粒(SA-1D),该化学微粒配合酸化作业,能实现酸液分流的同时对高渗水流通道具有一定封堵作用,起到解堵控水双重效果。

1 实验方法

1.1 材料与仪器

化学微粒SA-1D,由天然树脂与多元醇反应生成的油溶性树脂,工业品,成都安实得石油科技开发有限公司;煤油、柴油、汽油、HCl、HF、NH4Cl 溶液,分析纯,湛江华南化工公司;人造岩心,由中海油湛江实验中心匹配目标储层物性人工制作而成。

PARR 4584 高温高压反应釜,美国PARR 公司;HYDRO2000(APA2000)全自动激光粒度仪,英国马尔文公司;Zeiss Xradia Context 多功能岩心扫描仪,Carl Zeiss Microscopy Gmbh 公司;SF-1 型并联岩心流动实验仪,海安华达石油仪器有限公司;DF-4 全自动智能型沥青软化点测定仪,河北信科仪器公司。

1.2 化学微粒原料及合成

化学微粒以天然树脂工业产品和多元醇为主要原料,在温度为220～300 ℃条件下,反应6～12 h 所得到的产物,用捣碎机在变速情况下将合成的块状样品捣碎后过标准筛,得到不同粒径的淡黄色细颗粒样品,如图1(a)所示。在水溶液中分别加入一定百分比的表面活性剂、分散互溶剂、化学微粒SA-1D,并搅拌均匀,得到淡黄色悬浮液体,如图1(b)所示。

1.3 化学微粒基本性能评价

1.3.1 溶解性评价

在地层温度(80 ℃)下,分别采用煤油、柴油、汽油进行溶解实验,在1 h 后观察溶解情况;在地层温度(80 ℃)下分别采用蒸馏水、自来水、盐水(3%NH4Cl 溶液)、HCl 和HF 浸泡SA-1D 颗粒1 h,用失重法分析微粒在各种溶液中的溶解性。

1.3.2 耐温性评价

利用全自动智能型沥青软化点测定仪测定化学微粒SA-1D 的软化点以评价分流剂的耐温性能,具体步骤:将SA-1D 样品放于烧杯中,烧杯中有经加热除去水分后再冷却至低于预计软化点45 ℃以下、但不得低于32 ℃的甘油,放置10 min 后,使甘油温度每分钟升高5 ±0.5 ℃,并不断地充分搅拌使温度均匀上升,直至测定完毕。当试样落至金属平板时读取的温度即为软化点,多次测量,取平均值,得到化学微粒SA-1D 的软化点。

1.4 化学微粒粒径优化实验

匹配目标储层的渗透率,制作人造岩心。根据储层的孔喉分布,设计并制作出4 个粒径等级的化学微粒,开展以下化学微粒粒径优化设计实验。

1)粒径分布测定:采用激光粒度仪分别对制作出的4 个粒径等级的化学微粒溶液进行检测,评价工业化制作出的化学微粒是否符合设计要求。

2)化学微粒封堵效率测定:在地层温度80 ℃,对岩心注入化学微粒10 PV,根据达西公式计算岩心渗透率:

式中:K为岩心渗透率,μm2;Q为注入流量,cm3/s;μ为化学微粒的黏度,mPa·s;L为岩心长度,cm;A为岩心横截面积,cm2;ΔP为岩心进出口压差,MPa。

封堵率:

式中:X1为分流剂封堵率,%;KW为岩心初始正向水相渗透率,10-3μm2;KW1为暂堵后岩心渗透率,10-3μm2。

式中:X2为过基液封堵率,%;KW2为暂堵后岩心正向水相渗透率,10-3μm2。

解堵率:

式中:Y为恢复率,%;KO为岩心初始反向驱替解堵液的渗透率,10-3μm2;KO1为解堵后岩心反向解堵液后的渗透率,10-3μm2。

比较各粒径化学微粒对各岩心的暂堵率及反向驱替解堵液的解堵率,评估化学微粒对储层渗透率的影响。

3)侵入深度测定:用岩心扫描仪对化学微粒封堵前后的岩心进行扫描,根据岩心中纵向上渗透率分布,可以精确测量封堵前后岩心纵向上的渗透率变化,进一步指导化学微粒的粒径优选。

4)耐冲刷性测定:在注完化学微粒形成滤饼后,以相同的驱替压力,继续对岩心驱替约50PV的基液,期间记录注入水的PV数及相应的出口端流量,对比基液冲洗前后岩心渗透率变化。

5)解堵效率测定:通过反向驱替解堵液(煤油)测试渗透率的恢复率。

1.5 化学微粒分流效率评价

选用高、低渗透率的2 块岩心并联,模拟实际生产中非均质地层;用NH4Cl 溶液测岩心的初始渗透率;用50%的化学微粒溶液对岩心同时进行封堵,使之形成稳定的外滤饼;对封堵后的岩心,以恒定的驱替压力注入基液,直到出口端流量趋于稳定,根据流量计算出化学微粒对高、低渗岩心的封堵率。

2 实验结果与讨论

2.1 化学微粒基本性能

化学微粒在80 ℃条件下在煤油、柴油、汽油中的溶解性良好,溶解率均达98% 以上,实验结果如表1 所示,表明有机溶剂对化学微粒溶解性好,分流酸化时,少部分进入油层后对其渗透率伤害的可能性小。

表1 化学微粒油溶性评价结果

化学微粒在80 ℃条件下在蒸馏水、自来水、盐水(3%NH4Cl 溶液)、HCl 和HF 中基本不溶解,实验结果如表2 所示,表明化学微粒SA-1D 颗粒在水或酸中呈惰性,因此酸化施工时可直接采用水或酸液作为携带液,将SA-1D 颗粒带入地层。

采用失重法测得化学微粒平均软化点为120 ℃左右,如表3 所示,表明化学微粒在地层高温条件下能保持稳定而不会发生变形,有利于形成稳定封堵。

表2 化学微粒水溶性和酸溶性评价结果

表3 化学微粒软化点测试结果

2.2 化学微粒粒径优化

采取与实际岩心孔喉匹配性好的人造岩心开展化学微粒暂堵和解堵实验,测定人造岩心的孔喉数据来划定化学微粒的粒径范围,测得人造岩心的最大吼道直径为180 μm。根据Abrams[15]提出的“三分之一”架桥规则和罗平亚院士提出的“1/2～2/3”架桥原则[16],设计制备4 种不同粒径范围的化学微粒,如表4 所示。

通过激光粒度仪测量每种化学微粒的粒径分布,并绘制粒度分布曲线和粒度累积分布曲线,检验工业化制作出的化学微粒是否满足设计要求。

表4 设计化学微粒粒径范围

1)化学微粒粒径分布:如图2～图5 所示,Ⅰ号粒径化学微粒,粒径从0.2～104 μm 之间跨度,其粒径主要分布在30～60 μm,该区间化学微粒累计分布达87.1%。Ⅱ号粒径化学微粒,粒径从0.6～132 μm 之间跨度,其粒径主要分布在60～90 μm,该区间化学微粒累计分布达79.8%。Ⅲ号粒径化学微粒,粒径从0.6～180 μm 之间跨度,其粒径主要分布在90～120 μm,该区间化学微粒累计分布达80.0%。Ⅳ号粒径化学微粒,粒径从0.4～236 μm 之间跨度,其粒径主要分布在120～150 μm,该区间化学微粒累计分布达76.7%。以上结果表明:工业化生产出的该化学微粒与设计的范围差别不大,满足后续实验要求。

2)封堵效率评价:同等条件下,测量4 种粒径的化学微粒对岩心的封堵率,实验结果如表5 和图6～图9 所示。结果表明,化学微粒粒径越小,驱替后岩心的渗透率减小幅度越大。

实验结果表明,设计出的这4 种粒径的化学微粒,均能在岩心注入端形成厚薄不一的外滤饼,对岩心的封堵率能达到90%以上,再注入3%的NH4Cl 溶液至流量稳定,基液所测得的封堵率达87%以上。其中,Ⅲ号粒径化学微粒形成的滤饼形态和封堵效果最好,既是具有一定的封堵效果,也不至于进入地层太深难以解除。所以针对此类孔喉大小的储层,判断Ⅲ号粒径化学微粒用于分流酸化作业,使其既能在岩心端面形成外滤饼,又有少部分颗粒进入岩心内部,形成内部充填,使封堵状态稳定,达到良好的分流转向效果。通过接下来的实验结果进一步验证Ⅲ号粒径对此类孔喉大小的储层的分流转向效果。

表5 不同粒径化学微粒对岩心的封堵效果

3)化学微粒侵入深度:测量驱替Ⅲ号粒径化学微粒后岩心纵向上渗透率的变化,实验结果表明,岩心纵向上渗透率降低明显,并且越靠近注入端面的点,其渗透率降低幅度越大;化学微粒纵向进入深度为25～35 mm,超过该深度,岩心渗透率变化不明显,如图10 所示,表明Ⅲ号粒径化学微粒不易进入地层深处,在起到封堵分流作用的同时,有利于储层的保护。

4)化学微粒耐冲刷性:耐冲刷性实验结果表明,随着基液冲洗体积的增加,岩心封堵率变化缓慢,但随微粒粒径的增加,封堵率降低幅度呈增大的趋势,经约50 PV 基液冲洗后,封堵率降幅在1.18%～10.36%,如表6 和图11 所示。

表6 不同粒径化学微粒的耐正向基液冲刷性

其中,Ⅲ号粒径化学微粒封堵率降幅为6.65%,滤饼保存性完好,如图12 所示,说明该化学微粒形成滤饼的稳定性最好,能够有效地暂堵分流。

5)化学微粒解堵效率:通过对已封堵的岩心,反向驱替煤油测试岩心渗透率恢复率,实验结果表明,Ⅰ号、Ⅱ号粒径化学微粒反向煤油解堵率较差,Ⅲ号、Ⅳ号粒径反向煤油解堵率高,如表7 所示。Ⅲ号粒径较Ⅳ号粒径化学微粒,结合封堵实验和耐冲刷实验来看,Ⅲ号粒径不但封堵效果好,反向煤油解堵率高,而且滤饼稳定不易被冲刷脱落,能达到良好的分流酸化效果,因此推荐Ⅲ号(120～170 目)粒径化学微粒用于此类储层的分流酸化作业。

2.3 化学微粒分流效率

高、低渗并联岩心注入化学微粒SA-1 溶液后,溶液优先进入高渗层进行封堵,随注入时间的增加,当高渗层的渗透率降低到接近低渗层的渗透率时,化学微粒开始进入到低渗透层岩心,对低渗岩心也起到了一定的封堵作用,封堵稳定后,最终对高渗层的封堵率达97%以上,低渗层的封堵率达93%以上,分流指数达91%以上,如表8 和图13 所示,说明该化学微粒对不同渗透率并联岩心能起到很好的分流转向效果。

表7 解堵液对岩心渗透率恢复率测试

表8 化学微粒对并联岩心的分流效率

综上所述,油溶性化学微粒SA-1D 不仅能对不同渗透率地层进行选择性暂堵,达到分流酸化的目的。同时作业结束,启泵生产时,因化学微粒具有油溶水不溶的特点,进入油层的化学微粒能较快地被油流溶解排出,使岩心渗透率得以恢复,具有自行解堵并保护油气层的效果。

3 现场应用

3.1 单井概况

目标井CX 井采用裸眼优质筛管完井,下了两个裸眼管外封,将储层段分为了3 段,其中,根端井段103 m(2 326～2 429 m),有效油层厚度62 m,平均渗透率283 mD,根端储层存在完井液伤害、微粒运移和有机垢伤害,因渗透率极差较大,有必要实施分层酸化。

3.2 应用效果

现场作业过程中,正挤10 m3分流剂后,正挤30 m3处理液,最后顶替到位,关井反应24 h。

分流酸化作业后,日产油55 m3,含水率下降29%,较修井前增油45 m3/d,超出油藏预期,分析认为该分流剂取得了较好的分流解堵效果,且具有一定的控水作用,具体数据如表9所示。

表9 CX 井修井前后产油量对比

4 结论

1)选择性化学微粒SA-1D 具有油溶水不溶的特点,随原油产出自解除率高,在酸和水中呈惰性,可用其作为携带液将化学微粒带入地层。

2)选择性化学微粒SA-1D 粒径易调,能适应不同孔喉大小储层。针对目标储层,通过封堵效率、侵入深度、耐冲刷性及分流效率评价实验,优选出Ⅲ号(120～170 目)粒径用于分流酸化作业。

3)选择性化学微粒SA-1D 配合酸化作业,能实现酸液分流的同时对高渗水流通道有一定封堵作用,起到解堵控水双重效果。