（油气田开发工程专业论文）靖安油田长6油藏堵塞机理及解决方法研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： 1 n s t r u c t o r a s t a d yo nb l o c k a g em e c h a n i s ma n dr e s o l v c n ti nc h a n g 6o i lr e s e r v o i r o i l 。g a sf i e l de x p l o r a t i o ne g i n 。望廿g l ih n a i j i e ( s i g a t u r e ) 丝丝竺竺 x u y u a n g a n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go fe s s e t i a lc h a r a c t e r i s t i co fc h a n g6o i lr e s e r v o i r ，b l o c k a g e m e c h a n i s ma n dc u r r e n tt e c h n o l o g i c a ls i t u a t i o no fl a y e rd e p l u g g i n gw e r es t u d i e dt h o r o u g h l y m e t h o do fi n j e c t i n gs u r f a c t a n ts y s t e mi n t o o i lr e s e r v o i rw a sp u tf o r w a r di no r d e rt ot ow e a k e n w a t e rl o c k i n ga n di m p r o v ep o r o u sf l o wc h a r a c t e r i s t i co fl o w - p e r m e a b i l i t yo i l b e a r i n g f o r m a t i o n ，t h u sa c h i e v i n gt h eg o a l so fr e l e a s i n gp l u g g i n ga n di m p r o v i n gt h ew a t e ri n j e c t i n g e f f e c t so fl o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d p r e s c r i p t i o n so fs u r f a c t a n ts y s t e mw e r es c r e e n e dt h r o u g h e m u l s i f i c a t i o nt e s t s s u r f a c t a n t sw e r ec r o s s - m i x e dt oh a v eaf i m c t i o nt e s tt og e tt h es u r f a c t a n t w h i c hh a st h em o s te m u l s i f i c a t i o np o w e r s u r f a c et e n s i o no fd i f f e r e n tc r o s s m i x e ds u r f a c t a n t s w a sm e a s u r e dt oc h o o s e 血a to ft h el e a s t t h er e s u l t so fr e s e a r c hs h o w st h a ts u r f a c t a n tc h o s e d c a ue f f e c t i v e l yp r e v e n ta n dw e a k e nw a t e rb l o c k a g ea n dj a m i ne f f e c ta n di m p r o v ep e r c o l a t i o n c h a r a c t e r i s t i co f t h el o w - p e r m e a b i l i t yf o r m a t i o n s k e yw o r d s ：b l o c k a g e ，s u r f a c t a n t ，w a t e rl o c k i n g ，j a m i ne f f e c t i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另, j d o 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：兰鱼墨垒查 日期：渺历f ，r 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：弘杰 导师签名日期：0 2 一，谬 釉 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，低渗透油田的开发已经越来越引起人们的关注。据统计，在我国陆上动用 的石油地质储量中，低渗透油层( o7 0 l 中等偏弱 o 3 1 o 5 0 由此可见，五里湾一区长6 油层为无速敏；结合五里湾一区长6 油层参数研究及 地质建模技术研究成果，综合评价长6 油层为无速敏。 b 水敏评价在油层钻井之前，粘土矿物与地层水达到膨胀平衡，在开发过程中， 侵入地层的外来流体可能在化学成分和矿化度上都与地层水不一致，而使得岩石中的粘 土进一步膨胀而造成储层伤害。水敏就是指当与地层水不配伍的外来流体进入地层后引 起粘土膨胀、分散、运移，从而导致渗透率不同程度降低的现象。进行水敏性评价实验 的目的就是要了解膨胀、分散、运移的过程，以及最终使油气层渗透率下降的程度。 水敏实验的原理是首先用地层水或模拟地层水饱和岩样并测定岩样的渗透率值，然 后用次地层水测定岩样的渗透率，最后用蒸馏水测定岩样的渗透率，从而确定淡水引起 岩石中矿物水化膨胀而造成的伤害。每种流体测渗透率都应在流速小于临界流速条件下 进行。 ( 1 ) 将饱和好模拟地层水的岩样放入岩心夹持器，应使液体在岩样中的流动方向与 测定气体渗透率时的流动方向一致，并始终保持环压值大于岩心夹持器进口压力 1 5 - 2 o 口a 。 ( 2 ) 将微量泵的流量调至小于临界流速值，打开阀门，使地层水通过岩样。准确计 量流量，并测量不同时间的压差及温度。待流动状态稳定后，每隔1 0 m i n 测次，连续 三次压差的相对误差小于1 时停泵。 ( 3 ) 改用次地层水驱替1 0 1 5 倍孔隙体积后，停泵，在次地层水中浸泡1 2 小时以 上，再重复步骤2 ，测定次地层水的岩样渗透率。 ( 4 ) 改用蒸馏水驱替1 0 1 5 倍孔隙体积后，停泵，在蒸馏水中浸泡1 2 小时以上， 测定蒸馏水的岩样渗透率。 水敏损害程度采用水敏指数评价，水敏指数由下式计算： ，。= 似，一k 。) k ( 2 4 ) 式中：。水敏指数： k ，用地层水测定的岩样渗透率，1 0 。3 u m 2 ； k 用蒸馏水测定的岩样渗透率，1 0 - 3 肚m 2 。 西安石油大学硕士学位论文 水敏性评价指标见下表2 - 5 。 c 盐敏评价盐敏性评价实验是指由高到低逐渐改变通过岩样的流体矿化度，测定 不同矿化度下岩样渗透率的变化。其目的是了解储层对所接触流体矿化度的敏感性程度， 找出在盐度递减的条件下渗透率明显下降的临界矿化度，从而为油田注水矿化度提供依 据。 ( 1 ) 用标准盐水( 或按油田地层水的化学成分配制模拟地层水) ，其初始盐度应保 证岩样不发生水敏。若在水敏实验中k 。k 。小于或等于0 5 ，且岩样渗透率随盐度减少 而不断下降，则盐度评价实验应以标准盐水作为初始盐水。 表2 57 k 敏性评价结果表 损坏程度水敏指数( 1 w )损坏程度水敏指数( i w ) 无水敏 0 0 5 中等偏强水敏 0 5 1 0 7 0 弱水敏 0 0 6 一o 3 0 强水敏 0 ，7 l 一0 9 0 中等偏弱水敏0 3 1 0 5 0极强水敏 o 9 0 表2 - 6 给出了水敏评价结果，从表可见长6 油层无水敏现象，同时结合五里湾一 区长6 油层参数研究及地质建模技术研究成果，见表2 7 ，综合评价长6 储层弱水敏。 表2 - 6 水敏实验数据表 渗透率1 0 3 m 2水敏 l 岩心号 k 1 0 。p m 2 巾1 w 地层水次地层水蒸馏水 程度 z j l 8 1 81 5 4 195 4 0 6 6o 6 8o 6 30 0 4 6无水敏 表2 7 水敏评价结果表 强 中弱 无 样品k中 块比块比块比块比 综合 数 1 0 3 9 m 2 数例 数 例数例数例 评价 个 个 个 个 1 91 2 51 3 9 9l51 15 863 215中弱 ( 2 ) 将实验流体装入中间容器，用初始盐水驱替饱和有该流体的岩样，待流动状态 稳定以后，测其渗透率值，所选流量应小于1 1 右界流速值。 ( 3 ) 按选定适当的盐度等级，由高向低逐渐改变盐度直至燕馏水。每更换一次盐度， 应先在低于临界流速下用该盐度的溶液驱替1 1 5 倍孔隙体积以上，浸泡1 2 小时后，再 用该盐水溶液测定岩样的渗透率。五里湾一区长6 油层盐敏实验结果见表2 8 。 由此可以看出五里湾一区长6 油层无临界矿化度，这与前面水敏评价实验的结论是 吻合的。 第二章五里湾长6 油藏储层描述及堵塞机理 表2 - 8 五里湾一区长6 油层盐敏实验结果表 矿化度流速注入空隙体 注入水 k i k i k 1 m g l m l m i n 积系数 模拟地层水 5 6 0 1 2 11 9 8 30 6 61 模拟地层水 2 8 0 0 613 1 50 ，6 81 模拟地层水 1 4 0 0 313 4 2 6o 6 91 模拟地层水 7 0 0 1 5 1 3 0 4 5 o 6 91 模拟地层水 3 5 0 0 7 5 13 3 3 80 6 9l 蒸馏水 0 13 0 9 70 6 30 9 5 d 酸敏评价不同的地层，应有不同的酸液配方，配方不合适或措施不当，不但不 会改善地层的状况，提高产量，反而会使地层受到损害。酸敏与酸化是完全不同的概念。 所谓酸敏性，是指酸化液进入地层后与地层中的酸敏矿物发生反应，产生沉淀或释放出 微粒，使地层渗透率下降的现象。酸敏性评价实验的目的，在于了解备用于酸化的酸液 是否会对地层产生损害及损害的程度，以便优选酸液配方，寻求更为有效的酸化处理方 法。 酸敏程度的评价采用流动实验，通过测定酸化前后的岩心渗透率来实现。实验步骤 如下： ( 1 ) 将待测岩心饱和地层水，测定地层水正向渗透率k ，； ( 2 ) 挤酸反应。以小于睇的流速，将1 0 p v 体积酸液反向注入岩心并收集流出液。 反向注酸是因为实际注酸过程与排酸方向相反，而排酸方向即为出油方向，定为正向； ( 3 ) 关井反应时间的模拟。当挤入1 0 p v 酸液后，模拟酸化关井，关井时间为1 小 时： ( 4 ) 排残酸。正向注入地层水，同时测定不同排出液量时的岩心渗透率k 。和残液 的p h 值不变时，停止实验。 酸敏损害程度评价，以地层水在注入酸前后渗透率的变化来判断酸敏程度。流动酸 敏指数按下式计算： 1 。= 伍，一k 。) k ， ( 2 5 ) 式中，。一酸敏指数； k ，一酸化前用地层水测定的岩样渗透率，1 0 。p m 2 ； k ，。一酸化后用地层水测定的岩样渗透率，1 0 4 m 2 。 酸敏性程度见表2 - 9 。 由表2 1 0 及其实验数据可知长6 储层为弱酸性，结合五里湾一区长6 油层参数研 究及地质建模技术研究成果，见表2 1 1 ，认为长6 储层为中偏弱酸储层。尽管绿泥 石含量相对较高，但因为长6 储层粘土总体含量较少，因而实验未表现出较强的酸 西安石油大学硕士学位论文 敏特征。但是由于长6 储层属于特低渗透油层，在进行酸化措施时应慎重处理。 表2 - 9 酸敏评价指标表 i 酸敏性程度酸敏指数 酸敏性程度 酸敏指数 无酸敏 o 0 5 中等酸敏 0 3 1 一o 7 弱酸敏 o 0 6 0 3 0 强酸敏 0 7 0 表2 1 0 酸敏实验数据表 渗透率1 0 。帅2 酸敏 i 岩心号k 1 0 1 “m 2 由1 w 注酸前j 注酸后 程度 z j l 8 1 9 1 412 6 90 6 60 5 8o 1 2弱酸敏 表2 - 1 1 酸敏评价结果表 强 由 弱无 样品 k中 块比块块块 综合 数1 0 3 帅2 数例 数 比例数比例数比例 评价 个个个个 1 81 4 41 4 11 05 5 642 7 7 4 2 7 7中弱酸敏 e 碱敏评价油层岩石中的地层水p h 值一般呈中性。而大多数入井液因加有各种 添加剂，可能使p h 值大大增加，当高p h 值液体进入油层后，将造成油层中粘土矿物 和硅质胶结物结构的破坏。主要表现为粘土矿物解离和胶结物溶解后释放出微粒，从而 造成孔道堵塞而产生损害。如粘土矿物中的高岭石与碱反应，反应物主要为沸长石和钠 长石矿物，它们可堵塞地层。此外，大量的氢氧根与某些二价阳离子( 如c a + + 、m g “) 结合生成不溶沉淀，也可能造成油层孔道堵塞，导致地层渗透率下降。碱敏实验的目的 就是要了解油层岩石与不同p h 值盐水作用下，岩石渗透率的变化过程，找出碱敏损害 发生的条件( 临界p h 值) 以及由碱敏引起的油层损害程度，为各种入井工作液p h 值 的确定提供依据。 碱敏实验的过程与盐敏实验类似，所不同的是盐敏实验是逐渐改变盐水的矿化度， 其p h 值与地层水保持一致，而碱敏实验则是按地层水的矿化度配制k c l 溶液，通过加 入n a o h 逐级提高k c i 溶液的p h 值，其矿化度保持不变。一般从地层水p h 值开始， 逐级升高p h 值，直到p h = 1 3 。 碱敏损害程度采用碱敏指数评价，碱敏指数由下式计算： 1 6 = 懈，一k 蛐i n ) j k 。 ( 2 - 6 ) 式中：，一碱敏指数； k ，一用k c i 盐水测定的岩样渗透率，1 0 - 3 u m 2 ： k m 。、一不同p h 值碱溶液测定岩样渗透率的最小值，1 0 。g m 2 。 碱敏性评价指标见下表2 1 2 。 第二章五里湾长6 油藏储层描述及堵塞机理 表2 1 2 碱敏性评价指标 l 碱敏性程度碱敏指数碱敏性程度 碱敏指数 无碱敏 0 0 5中等碱敏 o 3 l o 7 弱碱敏 o 0 6 0 3 0 强碱敏 0 7 0 表2 1 3 碱敏实验数据表 流量注入空隙体 p h 值 k i k i k 1 m l m i i 3积系数 712 3 7 30 6 6 1 8 513 1 0 4 o 6 2o 9 4 1 0 13 0 8 9o 5 8o 8 8 1 1 513 1 3 4 o5 2o 7 9 1 3l3 1 0 7 o 5 2o 7 9 备注注入流体5 4 5 k c l 溶液，玷= 0 2 】 表2 1 3 为碱敏实验数据表，由此可见长6 储层存在弱碱敏性，这主要是因为储层l 串 存在少量碱敏性矿物的结果。综上所述，五里湾一区长6 油层敏感性评价结果为无速敏、 弱水敏、无临界矿化度、中一弱酸敏和弱碱敏。 2 2 4 水锁效应与贾敏效应 a 水锁效应在油气层开发过程中，由于钻井液、固井液、压裂液及酸化液等外来 流体侵入储层后，由于毛细管力滞留作用，地层驱动压力不能将外来流体完全排出地层， 使储层的含水饱和度增加，油气相渗透率降低，人们将这种现象称之为水锁效应。低渗 透特低渗透层中水锁效应尤为突出 15 1 。 为搞清水锁效应对长6 油层造成损害的程度，我们在室内进行了专门的水锁损害实 验研究。研究用长6 油层天然岩心，在静态岩心流动试验装置上，做如下的操作：将 岩心抽空后，用长6 地层水饱和；正向用无水煤油驱替，驱至油水两相平衡后，测油 相渗透率k o l ；反向注入模拟地层盐水，排至无油流为止；正向用煤油测损害后的 渗透率k 0 2 ：计算损害率= ( ，一k 。：) k 。1 】1 0 0 。表2 - 1 4 列出了五里湾一区长6 油 层岩心水锁实验数据，结果表明，该特低渗透油层存在很强的水锁效应，而且渗透率越 低，水锁伤害越严重。 其伤害机理如下： ( 1 ) 热力学水锁效应 假设储层孔隙结果可视为毛管束，按l a p l a c e 公式，当驱动压力p 与毛管压力平衡 西安石油大学硕士学位论文 时，储层中未被水充满的毛管半径弧应为 表2 1 4 水锁实验数据表 k g k o l注入水空隙 岩一心号 k 0 2k o i j ( 0 2 评价结果 1 0 一u m 2 1 0 。3 9 m 2 体积倍数 z j l8 7 0 7 4 70 0 9 1 3 2 4 1 4o 0 18o 2 强水锁 z 儿8 2 21 6 3o 6 1 8 2 4 4 20 1 7 3 o 2 8强水锁 z 儿8 1 85 3 52 4 42 5 7 1 0 5 3 4 0 2 2强水锁 备注温度6 0 度，排量o 5 m l m i n “= 2 c r c o s 0 p ( 2 - 7 ) 其中巧、e 分别为水的表面张力和接触角。 按p u r c e u 公式，油相渗透率k 可表示为： k = 庐2 r t s ( 2 8 ) 其中为孔隙度，；、s 分别为第i 油组毛管的半径和体积分数，k 。为最大孔 隙半径，m 。 由( 2 - 7 ) 式可见，液体的界面张力o c o s 0 越大，讯越大，因此( 2 - 8 ) 式中求和， 下限越高，油相渗透率越低。由此可见，排液过程达到平衡时的水锁效应取决于外来流 体和地层水界面张力的相对大小，若前者大于后者，则产生水锁效应；若两者相等则无 水锁效应；若前者小于后者，不但无水锁效应而且会使油气增产。由于这是以排液过程 中达到热力学平衡为前提的，所以就称作热力学水锁效应。 ( 2 ) 动力学水锁效应 根据p a i s e u i l l e 定律，毛管中排出液的体积应为： q = 4 ( 8 ) ( p 一2 0 c o s 0 r ) ( 2 - 9 ) 其中，为毛管半径，m ；上为液柱高度，m ；p 为驱动压力，m p a ；为外来流体的 粘度，m p a s ；口为流体的表面张力，n ；0 为接触角，弧度。 由( 2 - 9 ) 式转换成线速度则有： 钾d t = r2 ( 8 ) ( p 一2 0 - c o s 0 r )( 2 - 1 0 ) 对( 2 1 0 ) 式积分得到从半径为，的毛管中排出长为上的液柱所需时间为： f = 4 z z ( p r 2 2 r c r c o s 0 1 ( 2 - 1 1 ) 由此可以看出，毛管半径越小，排液时间越长，而且随着上、“及o c o s 0 的增加而 增加，随着p 及r 的增加而减小。在低渗致密、低压储层中排液过程十分缓慢，即使外 来流体在储层中的毛细管压力小于地层水在地层中的毛细管压力时，仍然会产生水锁效 应。这就是水锁效应的动力学原因。 第二章五里湾长6 油藏储层描述及堵塞机理 综上所述，在诸因素中，o 及o 同时影响热力学和动力学水锁效应。而r 、尸、及 仅影响动力学水锁效应。所以对于致密( ，小) 低压( 尸小) 储层，尤其当外来流体 浸入较深( l 大) 或其粘度高( “大) 时，将产生较强的动力学水锁效应。 由于长6 油层i l 隙网络以微细孔喉为主，润湿性为中性一弱亲水，颗粒表面覆盖绿 泥石薄膜，束缚水饱和度较高，油层压力较低，一旦外来水侵入油层，则造成油相渗透 率急剧下降：另一方面长6 油层原油中胶质、沥青质和蜡的含量比一般特低油减的偏高， 而其有机质被绿泥石的不均一吸附造成油相渗透率降低，这也是形成水锁的原因之。 b 贾敏效应作用于油藏中流体的作用力可分为重力、浮力( 质量力) 和界面张 力( 表面力) ，此外，油藏中还存在水动力、流体与孔喉间的摩擦力、流体与颗粒分子间 的吸附力以及流体的内摩擦力等。在油田注水开发中，流体渗流除受储集层结构和构造 影响外，还将受到这些作用力的影响，它们对油田总体开发效果的影响不容忽视【l “。 孑l 隙喉道极为狭窄是特低渗透油藏孔隙结构的主要特征，在这些细微孔隙中，分子 力的作用显得较为突出，在分子力的作用下，油层矿物颗粒表面会吸附一层水膜，这层 水膜是不可流动的，尽管其厚度较小，但进一步减小了低渗透储层中的有效孔隙和喉道 大小，使得这些孔隙成为束缚水孔隙，或者含油饱和度很低，同时喉道尺寸减小必然使 水驱油的过程中“卡断”现象增多，大大增加了卡断油滴被捕集成残余油的概率，降低 了驱油效率。室内物理模拟实验也证实了这一点。从理论上讲油驱所需压力应当大于水 驱油所需压力，因为当岩石为弱亲水时，油驱水过程是排驱过程，油需要克服油水界面 上的毛细管阻力才能进入岩石驱水；而水驱油过程是吸入过程，水可以被岩石孔隙自发 吸入而驱油。然而实验现象却相反，我们认为，发生这种反常现象的原因只能用贾敏效 应来解释。 在油驱水过程中，特别是油驱水的初期，运动的油柱多是连续的，即使发生油柱卡 断现象，产生的油柱( 气泡) 也会很快聚并，此时不存在贾敏效应或贾敏效应很弱，油 驱水排驱压力基本上接近实际压力。但在水驱油过程中，特别是孔隙介质中含油饱和度 很低时，连续油柱常被卡断，产生大量分散油珠，此时贾敏效应大大增加了水驱油所需 要的压力，是增大孔隙介质中渗流阻力的所不可忽视的影响因素i 】33 。 贾敏效应与岩石物性的关系非常密切，渗透率越低，贾敏效应越突出；同时随着油 井含水上升，大量油珠产生的贾敏效应会给低渗透率油藏水驱油过程造成很大阻力，不 仅会使大量的油滴被捕集成为残余油，而且可能会“锁死”己形成的水驱油通道，因此贾 敏效应是影响长6 油层注水开发效果的重要因素之一。 2 2 5 油田水配伍性及储层伤害评价 a 油田水质分析水质分析除了常规的离子分析外，还应分析其各项水质指标， 表：2 - 15 给出了长6 油层注入水和地层水的离子分析结果，表2 1 6 则为水质指标测试结 西安石油大学硕士学位论文 果。 由表2 1 5 可以看出长6 油层注入水水质较好，基本上都达到了水质标准的要求，一 般不会对地层产生伤害。 表2 - 15 五里湾长6 油层水样分析数据表 离子含量r n g 1 总矿化 水榉p h 值 k + + n a +c a + + m g c l c 0 3 一s 0 4 2 一 h c 0 一 度m g l 南二 注注 6 512 6 68 76 87 4 4 22 0 5 4 0 2 1 0 1 2 9 4 36 9 5 a 水 l 6 6 3 6 地6 5 1 2 9 9 3 47 8 3 2 32 8 3 53 4 2 3 1 4o5 6 03 61 1 1 15 6 0 1 2 层水 b 油田配伍性与结垢趋势预测当两种水相混合时，如果某化合物的阳离子浓度 与阴离子浓度的乘积大于该化合物的溶度积时，可能有沉淀产生，应进行室内混配试验， 以确定是否可混。依据表2 1 5 的注入水与地层水离子分析结果，按照油层温度6 0 。c 进 行结垢趋势预测。 c 碳酸钙结垢趋势预测预测c a c 0 3 的结垢趋势r y z n a r 稳定指数法、s t i f f 稳定指 数法等，其中：r y z n a r 稳定指数= z p h 卜_ p h 上式适用于温度o 1 0 0 v 、p h 值5 ，5 8 5 、离子强度p c ，也就是说将不会产 生c a s 0 4 垢。 e 储层伤害物理模拟实验在模拟油藏条件下，研究注入水与地层水以1 - 1 、 6 ：4 、7 ：3 这三种比例混配后，可能对储层产生伤害的流动实验，结果见表2 18 。 表2 - 18 混配水伤害实验数据表 l 岩心号 k 9 1 0 - 3 p i n 2 击 k 地层水10 - 3 p 2k 混配水1 03 p m 3 伤害率备注 z j 3 8 1 1 2 31 2 9 8 0 3 9 60 3 5 l1 1 41 ：l 混配 z 1 3 8 41 3 8132 403 0 8 0 2 9 44 56 ：4 ( 注地) z 1 3 8 2 41 0 21 3 2 7 0 20 1 9 14 1 7 ：3 ( 注地) 由实验结果可知，注入水与地层水混合后，基本上不对储层造成伤害，也就是说注 入水与地层水不配伍并非是造成长6 油层堵塞的主要因素。 2 2 6 注入水与储层岩石配伍性评价 在注水过程中，如果注入水与储层岩石不配伍，将会引起储层损害，损害机理可归 纳为水敏、酸敏、碱敏以及润湿性反转。有关敏感性的评价在前面作了研究，至于涧沉 反转则可以这样理解j 影响涧湿性的因素包括岩石矿物组分、流体的化学性质、岩石表 面粗糙程度、温度、压力等，因外来因素的作用而使岩石的润湿性发生改变的现象称之 为润湿性反转。而对润湿性起主要作用的是表面活性剂物质，其次还有注入水的p h 值， 无机阳离子等。从表2 1 5 中注入水分析结果认为，目前长6 油层注入的是清水，水质较 好且性质稳定，p h 值不高，无机阳离子含量较低，不含表面活性剂，总矿化度只有 西安石油大学硕士学位论文 6 9 5 m g l ，因此可以认为注入水不会改变油层岩石的润湿性，与储层岩石是配伍的。 2 2 7 注入水与原油配伍性评价 在注水过程中如果注入水水质不合格，有可能在注入地层后与原油相遇生成有机垢， 这就是由于胶体化学作用引起的损害。当注入水p h 值很高时，易与原油中的环烷酸等 起反应形成水溶性表面活性物质环烷酸钠，而表面活性剂的存在，会生成各种类型的乳 状液，造成贾敏效应堵塞地层；当注入水中含有酸时，酸与原油相遇，可形成一种淤泥 状的物质堵塞地层，给地层造成严重的损害。酸与石油形成的淤泥状物质，是原油中的 沥青胶体遇酸后生成的一种聚沉物质。原油中的沥青胶体是由沥青和沥青中的中性树脂 构成的，在胶体质点周围吸附有一些较小的轻质芳香性分子，最外是些脂肪烃分子， 这些胶体物质在酸性环境中容易聚沉。有人试验了美国和加拿大的一些原油，发现其中 有三分之一的原油有这种与酸反应形成淤泥状物质的趋势。因此对注入水p h 值必须有 严格规定，既不能太高也不能太低i l ”。 本研究中采用了两种方法来观察原油与注入水的配伍性。 ( 1 ) 将等体积的石油与注入水在玻璃中混合，摇匀，在水浴中放置两小时后，取出 冷却，在】o o 目筛网上过滤，用精练油清洗筛上的残余物，如后者是固体物质则为淤泥， 如为液体则为乳状液。 ( 2 ) 将原油滴在玻璃上，加少量水，在显微镜下进行观察，如果原油液滴周围形成 了可见的牢固的膜，则说明原油有形成淤泥的倾向。 通过以上两种实验方法观察到注入水与地层原油混合后无固体物质产生，原油液滴 周围也没有见到牢固的膜，没有出现形成淤泥的趋势，因此该注入水与地层原油配伍性 较好。静态试验同时也表明原油和注入水混合后没有乳状液生成，这也说明注入水中无 表面活性物质，p h 值也不太高，水质较好。 2 2 8 油水单相渗流特性 当油层中的油气水渗流时，岩石一原油一气一水系统中的界面现象起着非常大的作 用，可以认为原油采收率的大小，相渗透率的特点，主要取决于该渗流系统中的界面现 象。对于低渗透油藏来说，显得尤为突出，甚至会引起低渗透油藏中的渗流规律发生变 化【2 0 1 。 单相流体的渗流特征是油水渗流研究的基础，因此就五里湾油田长6 特低渗透油层 中油水渗流规律进行了研究，实验是在天然岩心上进行的，温度为6 0 。c 和8 0 ，流体采 用地层水和地面原油，实验时首先将岩心抽提、烘干、测量岩心气相渗透率；然后进行 不同系统压力下的渗流实验，所有实验均在恒速渗流条件下进行。 a 单相水渗流特征根据地层水单相渗流曲线特征，地层水在长6 特低渗透油层 第二章五里湾长6 油藏储层描述及堵塞机理 中为达西线性渗流，渗透率越高，渗流阻力越小，而且系统压力变化不会引起地层水渗 流趋势的变化。 b 原油毛细管流变特征研究原油在低渗透岩心中的渗流特征，采用的是血里湾 油田长6 油层的脱气原油，为了确定原油本身的流体流变性质，首先进行毛细管渗流实 验，然后进行原油在多孔介质中的渗流实验。 根据毛细管渗流理论，考虑密度为p 的流体，在一条很长的毛细管内流动，假定：a ) 稳定层流；b ) 在管壁上无滑脱：c ) 绝热流动；d ) 管线曲率对流动阻力的影响忽略不计， 则存在l 2 1 1 ： 剪切应力： r ，= y a p c 2 l ( 2 1 2 ) 剪切速率： ( 3 胛+ 1 ) 4 n q 万3 ) ( 2 1 3 ) 胛= d i n7 c d l n ) c ( 2 1 4 ) 视粘度刀： 心= x c ( 2 - i5 ) 本构方程： = + k t c ” ( 2 1 6 ) 式中：f ，一管壁上的剪切应力，p a ； 砀一初始剪切应力，p a ( 牛顿流体，= 0 ) ； 蚪一管壁上的剪切速率，s ； q 一体积流量，c , m 3 h ； ，毛细管半径，c m ； 三一毛细管长度，m ； b 一毛细管两端的压差，p a ； 卢。一流体的视粘度，m p a s ； n 一非牛顿特性指数。 五里湾油田长6 油层原油毛细管渗流流变测试曲线，表明原油的流体性质是随温度 的变化而变化的；且温度越高，视粘度越小。也就是说，当原油粘度小于5 2 m p a - s 时， 该原油属于牛顿流体；当原油粘度大于5 2 m p a s 时，该原油属于拟塑性流体，即具有 初始压力梯度。 c 原油单相渗流特征根据多孔介质渗流理论，存在如下关系： 平均剪切应力：f = p ( k 。妒) “2 p 2 三 ( 2 1 7 ) 平均剪切速率：y = 圪f l ( k 。妒y ” ( 2 1 8 ) 初始压力梯度：g o = a f 。i k a “2 ( 2 1 9 ) 流度：k 。m = 圪上) ( 2 2 0 ) p = a ( k w k a ) “2 = a 伍w k 。) “2 式中：f 一多孔介质平均剪切应力，p a ； b 一初始剪切应力，p a ； y 一多孔介质平均剪切速率，s ； 西安石油大学硕士学位论文 一表征流体、岩石性质及其相互关系的参数。 原油在特低渗透岩心( 1 2 9 x 1 0 4 u m 2 ) 中流动时是一种非线性渗流，即在较低渗流速 度下，流动也是为非线性，然后随流速增大逐渐过渡到线性段，具有初始压力梯度( 当 原油粘度为66 m p a s 时，初始压力梯度为o 0 5 6 m p a m ) ；当原油在低渗透岩心 ( 10 2 x l o 4 t a m 2 ) 中流动时是线性渗流，符合达西渗流。 当改变系统压力时，原油渗流时的初始启动压力是不同的，系统压力增加，初始启 动压力减小，说明保持较高的地层压力开采，对流体渗流有利。 按照目前五里湾油田长6 油层的生产状况，地层压力为1 0 1 6 m p a ，油井井底流压为 6 - 9 m p a ，井距3 0 0 m ，则驱替压力梯度为o 0 2 7 0 0 4 7m p a m ，说明五里湾油田长6 油 层原油渗流处于低速渗流。欲减少渗流阻力，提高渗流速度就必须增加驱替压力梯度， 使原油渗流达到拟线性渗流。 2 , 3 五里湾长6 油层堵塞因素综合评价 从前述对五里湾油田长6 油层堵塞机理的研究结果可知，在应力敏感性、“五敏”、 水锁效应、贾敏效应、油田水配伍性、注入水与岩石配伍性、注入水与原油配伍性以及 流体单相渗流特性等诸多可能造成长6 油层伤害的因素，在影响长6 油层注入水丌发效 果的因素中，水锁效应、贾敏效应、应力敏感性以及特低渗透油藏流体特有的渗流特征， 是造成长6 油层伤害、影响长6 油层水驱开发效果的主要因素。为了有效地解除各种因 素对储层造成的伤害，改善其水驱开发效果，必须对长6 油层进行针对性的措施对策研 究。本文初步提出了向低渗油层中挤注优化的表面活性剂体系进行解堵的方法，力图利 用表面活性剂降低界面张力、改变润湿性等性能来削弱长6 油层的水锁效应、贾敏效应 和改变低渗透油层中流体的渗流特性，从而达到解除地层堵塞，改善特低渗透油藏的注 水开发效果。 第三章表面活性剂 第三章表面活性剂 表面活性剂的特点是加入很少量便能大大降低溶液的表面张力或界面张力，改变体 系界面状态，使界面呈活化状态，从而产生润湿或反润温、乳化或破乳、发泡或消泡、 增溶、漂洗等一系列作用，从而达到实际应用的要求。 在石油工业中，表面活性剂越来越广泛地应用于油田开发、集输及原油加工等各个 方面。如将活性剂加入水中配成活性水，用它驱油可提高采收率，用它处理注入水可以 起到杀菌、防腐、防膨等作用，从而抑制地层伤害，增加注水量；将活性剂加入酸中配 成活性酸，则酸化时既可以减少金属腐蚀，又可以减缓酸与地层的反应速度，提高酸化 效果。又如含水原油需要脱水脱盐，水敏地层需要控制粘土膨胀，特殊井段需要乳状液 钻井、泡沫堵水，稠油的开采和输送需要降粘等都要使用表面活性剂( 2 “。 3 1 表面活性原理 3 1 1 表面能与表面张力 表面活性剂的应用性能取决于它们在表面、界面以及溶液中的各种性质，这些性质 都与表面活性有密切的关系。 每单位液体表面积对应一定量的自由能，其单位是1 0 。3 j m 2 ( = 1 0 - 7 j c m 2 ) 。增 加表面自由能要消耗功，才能增加液体的表面积。这种现象的原因在于液相表面层分子 受到分子间力的作用与液相内部分子受到分子间力的作用不同，它们受到气相气体分子 的作用力远小于液相内部分子对表面层分子的引力，两者比值约为1 1 0 0 0 。 表面张力是使液体表面尽量缩小的力，即液体分子间的一种凝聚力。要使液相表面伸 展，就必须抵抗这种使表面缩小的力。由此可见，表面张力愈小，液相的表面就愈易伸展。 表面张力以液体的表面伸展一个单位面积所需单位长度的力来表示，其单位是m n m 。表 面活性剂可显著降低界面张力，并与其浓度有关。 3 】2 接触角与润湿性 表面活性剂的另一物理化学特性数据是接触角，它在表征固一液体系的润湿性能方 面有重要的作用。接触角定义为固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气 液界面的夹角，以p 表示。接触角和液气、固液、固气的界面张力间的关系可用润湿方 程来表示： c o s 0 = ( y 一y n ) y l g ( 3 - 1 ) 式中：为口接触角，弧度；y 。为固气相界面张力，n ；y 。为固液相界面张力，n ； y 。为液气相界面张力，n 。 西安石油大学硕士学位论文 3 2 表面活性剂的结构和性能 3 2 1 表面活性荆的结构 表面活性剂是由至少两种极性或亲媒性显著不同的宫能团所构成。即分子中有一个 对溶剂( 主要是水) 吸引力弱的基团，如碳氢化合物，称为疏液基团，在水溶液中通常 称为疏水基团，也可称为亲油基团。另一个是对溶剂水吸引力强的基团，称为亲水基团。 亲水基团可以是离子，也可以是不电离的基团。因此，表面活性剂分子中既存在亲水基 团，又存在亲油基团，是一种两亲分子，这样的分子结构使一部分溶于水，而另一部分 易从水中逃离而具有双重亲媒结构，这种结构特点使活性剂具有以下两种基本性质： 第一，在溶液与它相接的界面上，基于宫能团的作用而产生选择性定向吸附，使界 面的相态或性质发生显著变化。 其次，虽然具有双亲性质，但溶解度、特别是以分子状态分散的浓度较低，在通常 浓度下大部分形成胶束。 构成表面活性剂的亲油基团和亲水基团种类很多，有代表性的见表3 一l 表3 - 1表面活陛剂的主要亲油基和亲水基结构 亲油基原子团 亲水基原子团 烷烃基r 一羧酸基一c o o h 烷基苯基r 一醇基- o h 烷基酚基r 一0 一磺酸基一s o n a 脂肪酸酰胺基r c o n h 一磷酸基一p 脂肪醇基r 一0 一铵盐 聚氧丙烯基氨基酸 氟烃基 甜菜碱 硅烃基氧乙烯基一c h c h o 3 2 2 表面活性剂分类 表面活性剂在化学结构上均有两亲性，且亲油基和亲水基同出于一个分子之中，但 由于亲油基和亲水基团结构、种类不同以及连接的方式多种多样，表面活性剂的数量有 数千种之多。其分类方法普遍采用i s o 分类法。由于绝大部分表面活性剂是水溶性的， 这种分类法可较好地将结构、理论性质和应用反应出来，具体分类见表3 2 。 表面活性剂溶于水时，能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂。离子型表面活性 剂按生成的离子性质可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。阴离子型表面活性剂是 具有阴离子亲水性基团的表面活性剂。主要用作洗涤剂、润湿剂、发泡剂和乳化剂。阳 离子表面活性剂其疏水基结构及疏水基和亲水基的连接方式与阴离子表面活性剂也很相 似，但溶于水时，其亲水基呈现正电荷。两性离子表面活性剂是在同一分子中既含 第三章表面活性剂 表3 - 2 表面活| 生剂分类 阴离子型 r o s o n a 离子型阳离子型r n ( c h ) x 两性离子 r n h c h c 0 0 聚氧乙烯型r ( o c h c h ) o h 非禺于型多元醇型r ( 0 h ) 聚氧乙烯烃整体共聚物r o ( c h o ) ( c h o ) h 全氟烷c f ( c f ) c o o n a 特殊类型 聚硅氧烷( c h ) s i ( c h ) c o o n a 有阴离子亲水基又含有阳离子亲水基的表面活性剂，最大特点在于他既能给出质子又能 接受质子。 目前石油工业上使用的最典型的表面活性剂有以下几类口2 】： ( 1 ) 阴离子表面活性剂：磺酸盐( 石油磺酸盐，一烯基磺酸盐，烷基苯磺酸盐) 和 羧酸盐、纸浆皂、天然羧酸盐。 ( 2 ) 非离子表面活性剂：烷基酚聚氧乙烯醚( o p 型表面活性剂) ，脂肪醇聚氧乙烯 醚，脂肪酸聚氧乙烯脂，环氧乙烷与环氧丙烷的嵌段聚合物，聚氧乙烯脂肪酞胺。 3 2 3 表面活性剂的一般性质 表面活性剂主要是根据亲水基的离子类型来分类，因此，它的一般性质也即物理、 化学和生化性质，也因亲水基离子类型不同而异。 a 溶解度。表面活性剂在水中溶解度的一般规律是，在一定温度下，溶解度随亲油 ( 疏水) 基碳链增长而降低。而对一定链长的亲油基而言，不同类型的表面活性剂的溶 解性不同。 一般情况是：离子型表面活性剂的溶解度随温度升高而增大，温度上升到某一温度 后，溶解度增加很快，有一个明显的突破点。这一点的突变温度称为克拉夫特点( k r a f f t p o i n t ) 。克拉夫特点是离子型表面活性剂在水中溶解度剧增时的温度，低于此点温度时， 在溶液中的结晶或凝胶物能与单一离子共有；高于此点时，则由于已经溶解的表面活性 离子形成胶束，出现胶束效应而使溶解度急剧上升；正好在此点温度时，表面活性剂的 溶解度即为该点时的临界胶束浓度【2 。 一般离子型表面活性剂在克拉夫特点以上使用。同系物中，碳原子数越多，溶解度 转折点对应的温度越高。同时也说明，碳原子数多的表面活性剂的溶解度较低。对聚氧 乙烯链的非离子型表面活性剂而言，则完全相反，它们一般在温度低时易溶于水中成为 澄清的溶液，温度升高到一定程度后，表面活性剂将在水中混浊，析出，分层。 在室温( 2 0 2 5 ) 下，非离子表面活性剂的溶解度最大，离子型的较小，而在碳链 长度相同的离子型表面活性剂中，季盐类阳离子型表面活性剂的溶解度较大。 西安石油大学硕士学位论文 b 化学稳定性。化学稳定性一般是指在酸、碱、无机盐和含氧化剂的溶液中的稳 1 定性。 ( 1 ) 酸、碱稳定性。一般阴离子型表面活性剂在强酸中不稳定，而在碱液中比较稳 定。在强酸作用下，羧酸盐易成为游离羧酸析出，硫酸脂盐易于水解，磺酸盐在酸和碱 中均比较稳定。 阳离子型表面活性剂中，胺盐类在碱中不稳定，易析出游离胺，但较耐酸；季胺盐 类在酸和碱中均比较稳定。 一般非离子型表面活性剂能稳定存在于酸和碱中，而两性表面活性剂，一般容易随 p h 值变化而改变，当p h 值达到该两性表面活性剂的等电点时，会由于形成内盐而沉淀 析出，但分子结构中含有季胺团的，则不会生成沉淀。 ( 2 ) 无机盐稳定性。无机盐比较容易使离子型表面活性剂在溶液中盐析而沉淀析出。 多价金属离子对阴离子表面活性剂的影响更大，容易与阴离子基作用形成不溶或溶解度 小的盐，尤其是羧酸类阴离子表面活性剂，遇c a 2 + 、m 9 2 + 和a i h 等形成不溶于水的金属 皂。 无机盐对非离子型及两性离子表面活性剂的作用甚小，不易沉淀析出，甚至某些非 离子和两性离子表面活性剂可溶于高浓度无机盐中，表现出良好的相溶性。 ( 3 ) 氧化剂稳定性。一般以离子型中的磺酸盐类和非离子中的聚氧乙烯醚类最为稳 定，因为这些表面活性剂中的c s 键和醚键比较稳定。从亲油基链考虑，则以含氟烷的 稳定性最高【2 4 】。 3 2 4 各类表面活性剂的结构特点和性能 a 亲油基结构及其对性能的影响( 1 ) 亲油基与亲油性 由表3 - 1 列出的亲油基类型可知，其主体虽为烃类，但结构多种多样，按实际应用 又可分为以下六种： 脂肪族烃基：十二烷基、十八烷基、十八烯基等； 芳香族烃基：萘、苯基、酚等； 多样