微粒運移臨界速度及傷害半徑定量計算方法

陳　琦

(中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南南陽 473132)

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微粒運移臨界速度及傷害半徑定量計算方法

陳琦

(中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南南陽 473132)

油田注采過程中，由于儲層微粒的物理、化學性質不同，流體流動會引起油氣層中微粒運移并堵塞孔喉，造成儲層傷害，影響采收率。將室內實驗結果與實際生產開發相結合，從巖心的速敏實驗臨界流量入手，通過與裸眼井混相徑向流臨界流量轉換，反推出生產中射孔井的臨界產量，根據與實際生產對比結果，評價各井儲層傷害程度，進而調整油井生產狀況，最終達到增產目的。

微粒運移；傷害半徑；臨界速度

1　微粒運移產生的機理

油氣層中含有的細小礦物顆粒成分主要有黏土、非晶質硅、石英、長石、云母和碳酸鹽巖等[1]，它們是可運移微粒的潛在物源。這些微粒在流體流動作用下發生運移，單個或多個顆粒在孔喉處發生堵塞，造成滲透率下降[2]。其來源主要有兩方面，一是儲層內部微粒，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移，主要來自于井眼中流體。

從力學的角度分析[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)和流體流動時地層微粒所受的水動力(Fh)的綜合作用。在這個力學體系中，重力與范德華力維持地層微粒在原處不動，而雙電層斥力和水動力啟動微粒發生運移。通常情況下，流速增大,水動力也增大[4]，當水動力大于微粒的范德華力和雙電層斥力之和時，該力學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，在沒有水動力的情況下,微粒在分子熱運動的作用下,也可以從砂粒表面上釋放,脫離砂粒表面。一旦微粒發生運移，微粒就很容易隨流體一起流動，導致孔喉處發生沉淀堵塞。這是微粒運移的力學機理。

2　微粒運移臨界速度及傷害半徑計算

微粒運移可分為下面幾個過程：微粒的啟動—運移—沉淀堵塞孔喉。目前的實驗不能定量評價顆粒進入孔隙收縮部位和其沉淀的程度，但可以認同的是，微粒運移及沉淀主要與顆粒和孔隙大小、巖石表面性質[5]、微粒的濃度、速度、孔隙內流體離子活性和孔隙中出現的液相等有關[6-7]。

一般情況下，儲層微粒自身重力、范德華引力和雙電層斥力可認為是一定的。對于性質一定的巖石，水動力與流速成正比關系，即微粒運移程度隨巖石中流體流動速度的增大而增加[8]。

由于不同巖石的速敏反應程度各不相同，水動力受外界影響致使微粒發生運移沉淀，其引起的儲層滲透率下降的程度也各不相同，需要通過速敏實驗找到臨界流速，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，對評價儲層傷害意義重大。值得說明的是，在實際注水開發中，由于注入流體鹽度較低，顆粒與基質間的范式引力減弱，它們之間的雙電層斥力增強，致使基質間的結構力減弱，其臨界速度將低于實驗室所得臨界速度值，速敏引起的儲層傷害程度也強于實驗結果[9]。

流體在多孔介質中的滲流速度與流量和橫截面積相關。在速敏實驗中，巖心一般呈圓柱狀，且流體運動并非通過全部面積，而是只通過其孔隙面積，所以在實驗室測得的臨界流量Qc下，Vc為Qc除以介質的孔隙面積：

(1)

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

而實際生產中井眼內的混相流動為徑向流，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)可將實驗室結果與實際相結合，得出井壁處的臨界流量Q與實驗室臨界流量Qc的關系，轉換為油田常用單位后得到：

(3)

對于射孔井，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——射孔井臨界產量，m3/d；X——射孔密度與射孔半徑之積。

以上方法常用來評價實際生產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，將引發儲層微粒運移并產生速敏反應，就要判斷該反應造成的傷害程度有多大，即傷害半徑。

實際生產中，地層徑向流發生微粒運移引起儲層傷害時，假設傷害半徑為Rc，則：

BoQo=2πVcRcφh

(5)

式中：Bo——地層原油體積系數；Qo——射孔井臨界產量，m3/d，可以理解為在相同地層條件下發生速敏反應，折算為裸眼井臨界流量Qp對應的臨界流速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算公式：

(7)

3　實例分析

某油田區塊平均孔隙度為15.3%，泥質體積分數約10%，黏土礦物以伊利石為主，體積分數28%～33%，其次為高嶺石和綠泥石，體積分數分別為25%和26%，蒙脫石和伊/蒙混層體積分數約為15%，原油體積系數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。通過對該區塊巖心做速敏實驗分析后，其臨界流量為0.75 cm3/min。

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

根據式(3)計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。

根據射孔密度和射孔半徑，計算出X為2.999；井眼半徑為10 cm，小于11.43 cm，所以應選用式(4)中的上式計算比值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。

以上為數據模型計算出的臨界流量，當實際開采時的流量值大于計算所得臨界流量值時，地層中細小黏土顆粒將發生運移，從而造成油井近井地帶的地層傷害。

綜合以上計算和分析，a井和c井的Qp>Q，可認為無傷害；而b井Qp

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

4　結論

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

(2)預測微粒運移臨界速度及傷害半徑是減少儲層傷害、提高原油產量的重要依據。

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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年畢業于江漢石油學院石油工程專業，現從事油藏地質研究及開發方案設計工作。

TE313.7

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