聚堵動態特征、機理及定量評價方法研究

王傳軍，宋宏宇，高 岳，陳來勇，馬奎前，李云鵬

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452；2. 中國石油大學(華東) 山東青島266580)

0 引 言

目前越來越多的油田已進入中高含水階段，產量遞減明顯，因此很多油田采取了化學驅手段提高采收率，其中聚合物驅應用最為廣泛。隨著聚合物驅的廣泛應用，聚合物堵塞現象出現并被提及的頻率越來越高[1-15]，也越來越受到廣大現場工程技術人員及科研人員的重視。但目前的研究成果主要體現在聚合物堵塞機理及解堵措施上，系統總結聚合物堵塞井動態特征、定量研究聚合物堵塞對產能影響程度的成果較少[1,9,11,14]。針對上述問題，本文首先系統總結了聚合物堵塞井動態特征，進一步分析了堵塞物的成分，并詳細分析了堵塞機理，在此基礎上對產能的影響進行了詳細的分析，并給出了定量評價方法，為今后采取有效解堵措施提供了理論依據。

1 聚合物堵塞井動態特征分析

很多聚驅油田進入注聚后期后，部分井在生產壓差增加較大的情況下，仍然出現產液量逐漸下降的現象，其主要原因為聚合物堵塞。聚合物堵塞一般發生在油井見聚后，經旅大10-1油田、綏中36-1油田實際區塊生產動態分析，總結聚合物堵塞后動態特征。

①產液量下降。油井見聚一段時間后，表現出的一個明顯特征即是產液量逐漸下降，表明聚合物堵塞是一個逐漸發生的過程；即使生產壓差逐漸增大，產液量仍持續下降，說明產液指數逐漸下降。從圖1可以看出，該井見聚后，產液量迅速下降，如不及時處理，會導致油井關停。

圖1 典型井井生產曲線Fig.1 Typical well production curve

②井底流壓下降。油井聚合物堵塞以后，導致油井動液面逐漸下降，流壓下降。

③靜壓基本不變或上升。油井聚合物堵塞后，導致地層中的流體無法進入井筒，在油井周圍大量聚集。聚合物堵塞輕微的井，油井靜壓不變或者略微上升；聚合物堵塞較為嚴重的井，油井靜壓上升。

④產聚濃度降低。油井發生聚合物堵塞的過程，即是油井滲流通道逐漸減小的過程。隨著聚驅的滲流通道逐漸被堵死，產出液中攜帶聚合物溶液所占的比例逐漸減小，導致聚合物的濃度逐漸降低。這種現象在聚合物堵塞輕微的井中表現不明顯，在聚合物堵塞較為嚴重的井中表現特別明顯。

2 聚合物堵塞機理分析

2.1 堵塞物成分分析

聚驅堵塞物一般是由有機物和無機物組成的混合物。有機物成分是聚合物、污油(烷烴、膠質和瀝青質)和細菌(腐生菌、硫酸鹽還原菌和鐵細菌)及其代謝產物；無機物成分則是黏土和機械雜質及鈣(碳酸鈣)、鎂(碳酸鎂)、鐵(硫化鐵和堿式碳酸鐵)的沉淀物。本文以海上L油田為例進行分析。

L油田聚合物堵塞物質垢樣呈黑色、致密、膠結狀，有一定的彈性。堵塞物主要由油污、有機物、無機物等組成，其中油污占19.6%，有機物占40.3%，碳酸鈣、硫酸鈣、硅酸鹽無機粘土礦物以及腐蝕產物占40.1%。聚合物分子纏繞在無機物形成的核周圍，滯留在相應的孔隙中，形成有機聚合物膠團包裹無機物的堵塞形式。

L油田聚合物堵塞物質相比陸上油田，有機物含量高，油污含量較高。聚合物堵塞物質的組成及其存在形式決定了其解堵方法與工藝，因此發生聚合物堵塞時需要詳細分析聚驅堵塞物的成分，并對應系統給出解堵所采用的化學劑、用量以及解堵策略。

2.2 聚合物堵塞成因及機理

針對注聚井堵塞原因及堵塞機理，國內已開展了大量的研究。注聚井堵塞是多因素共同作用的結果，從堵塞物成因及堵塞機理出發，將注聚井堵塞原因及堵塞機理歸納成聚合物吸附滯留、聚合物相對分子質量與儲層孔喉尺寸不配伍、地層微粒的運移、細菌及其代謝產物、無機物沉積等方面[1,3,5-7,11-13]。結合堵塞物成分分析，對L油田聚合物堵塞原因分析如下：

2.2.1 有機物堵塞

①儲層黏土礦物以高嶺石和蒙脫石為主，質量分數平均為71%和25%，蒙脫石質量分數高且易吸附水和羥基，從而導致聚合物大分子與地層易產生氫鍵與靜電吸附。

②配置聚合物溶液的地層水礦化度較高，且二價離子含量大，導致聚合物水解度較小，且更容易在地層中吸附。

③地層滲透率越低，堵塞程度越嚴重。儲層平面上滲透率非均質性較強，會造成聚合物在地層中的吸附量明顯增加，導致地層滲透率下降與地層堵塞。

④地層水中含有大量鈣鎂等陽離子，易于聚合物和其他陰離子在一定的地層條件下產生沉淀物。

⑤聚合物溶液配制及稀釋過程不充分，易形成魚眼和軟膠團。

2.2.2 油污

原油為中膠質原油(15.28%～19.47%)，注入流體的溫度低于油層溫度，連續地注入大量的低溫流體使局部地層溫度降低到原油濁點以下，伴隨氣體和外來液體的侵入，打破了地層中原油以及其中的石蠟和膠質瀝青質的平衡狀態，導致石蠟、瀝青質及膠質在井眼附近的油氣層中沉積。瀝青質很容易形成乳狀液，增加滲流阻力，或者與滯留的聚合物相互吸附，包裹無機物，形成復雜的堵塞物。

2.2.3 無機物堵塞

①注入水中二價鈣鎂離子含量高，在地層中很容易與陰離子形成鈣鹽與鎂鹽沉淀。

②聚合物堵塞物質中有硅酸鹽的存在，說明出砂是生產井堵塞不容忽視的原因。

③聚合物堵塞物質還有粘土礦物的存在，是聚合物堵塞物中膠核形成的良好助劑。

④聚合物堵塞物質中含有金屬離子鐵與鋁，高價金屬離子易使聚合物發生交聯螯合反應，形成堵塞物。

3 堵塞位置及其對產能影響的定量評價方法

3.1 堵塞半徑計算方法

聚合物堵塞可以分為油井堵塞和注水井堵塞2類；堵塞位置大體分為：近井地帶聚合物堵塞和防砂工具上的堵塞2類。防砂工具及井筒中的堵塞更容易處理，因此本文重點研究近井地帶的堵塞。以海上L油田典型井為例，利用Horner曲線求取表皮系數S(圖2)、Mckinley圖版求取滲透率下降倍數(圖3)。

①由Horner曲線求得的表皮系數48.3，Gringarten曲線求得的表皮系數47.5，取二者平均值，最終表皮系數(s)為47.9。

②由Mckinley圖版得到滲透率下降倍數(k/ks)為：

圖2 Horner曲線與Gringarten曲線Fig2 Horner curve and Gringarten curve

圖3 Mckinley圖版擬合Fig3 Mckinley plate fitting

③由聚合物堵塞半徑公式可得：

式中：k為始地層滲透率，md；ks為堵塞區域滲透率，md；re為堵塞半徑，m；rw為井筒半徑，m；S為表皮系數；T、C為擬合參數(Mf代表未污染堵塞區，Mw代表污染堵塞區)。

據此求得典型井聚合物堵塞半徑為3.31m。

3.2 堵塞程度對產能影響的定量評價方法

近井地帶的堵塞對油井的產能有很大的影響，采用徑向加密網格來詳細研究堵塞半徑大小對產能的影響。模型中心井為注入井，注入量800m3/d，角井為生產井，定井底流壓生產，注聚時機為含水率10%，生產井見聚時間為連續生產第1200d。

3.2.1 堵塞程度對產能的影響研究

聚合物堵塞程度隨著生產的連續進行逐漸加重。如圖4所示，聚合物堵塞嚴重程度對產能的影響可以用表皮因子及近井地帶網格表示。

圖4 聚合物堵塞程度對產能的影響Fig 4 The effect of polymer blockage on capacity

堵塞程度越嚴重(最終表皮因子越大)，產能下降的幅度越大。隨著最終表皮因子的增大，產能的下降幅度減緩。聚合物堵塞進程越快(表皮因子增加的越快)，油井產能下降越快。

3.2.2 堵塞半徑對產能的影響研究

通過設置井周圍加密網格滲透率變化區域的大小，來研究堵塞半徑的大小對產能影響的大小。

在相同的堵塞半徑內，堵塞區域內平均滲透率越低，產能的下降幅度越大。隨著堵塞半徑的增加，油井產能逐漸下降。當堵塞半徑介于0～3m時，隨著堵塞半徑的增加，油井產能急劇下降；當堵塞半徑大于3m時，隨著堵塞半徑的增加，油井產能的遞減速率逐漸變慢。

從圖5可以看出，油井產能對堵塞半徑比較敏感。因此，當油井產能開始急劇下降時，堵塞半徑還比較小，此時解堵，易施工、易恢復產能；若長時間油井產能處于低值期，堵塞半徑逐漸增大，對后期解堵措施的要求也會越來越苛刻。

圖5 堵塞半徑對產能的影響Fig 5 Impact of plugging radius on productivity

3.2.3 解堵半徑對產能的影響

為了驗證解堵半徑對產能的定量影響，通過設置不同的解堵半徑來研究其對產能的影響。

如圖6、圖7所示，在一定的堵塞半徑之下，隨著解堵半徑的增大，油井的產能逐漸提高。隨著解堵半徑的增大，油井解堵前后產能比的增速逐漸減緩；當解堵半徑達到一定值時，繼續增大解堵半徑，對油井產能提高的作用已趨不明顯，這一解堵半徑將隨著堵塞區域滲透率的減小而逐漸加大。因此，對于油井聚合物堵塞應“早治理、早防護”，尤其對于近井地帶滲透率下降幅度較大的井更宜早不宜遲。

圖6 解堵示意圖Fig 6 Unblocking diagram

圖7 解堵對產能的影響Fig 7 Unblocking the impact on capacity

4 結 論

①聚合物堵塞井表現出產液量下降、井底流壓下降、靜壓上升或不變、產聚濃度降低等動態特征。

②堵塞物一般由有機物、無機物以及油污組成，且不同的堵塞物堵塞機理不同。一般聚合物堵塞均為復合堵塞。

③堵塞程度越嚴重，產能下降的幅度越大。聚合物堵塞進程越快(表皮因子增加的越快)，油井產能下降得越快。

④隨著堵塞半徑的增加，油井產能逐漸下降。當堵塞半徑在0～3m內，隨著堵塞半徑的增加，油井產能急劇下降；當堵塞半徑大于3m后，隨著堵塞半徑的增加，油井產能的遞減速率逐漸變慢。

⑤隨著解堵半徑的增大，油井解堵前后產能比的增速逐漸減緩；當解堵半徑達到一定值時，繼續增大解堵半徑，對油井產能提高的作用已趨于不明顯。因此，對于油井聚合物堵塞應“早治理、早防護”，尤其對于近井地帶滲透率下降幅度較大的井更是宜早不宜遲。