（石油与天然气工程专业论文）弱冻胶调剖综合决策技术研究.pdf

摘要 弱冻胶作为性能独特的新一代改善高含水或特高含水期油藏深部非均质性、提高注 水开发效果的深部液流转向剂，近年来在油田获得了成功应用，越来越受到人们的关注。 本文在大量的调研了目前国内外关于弱冻胶体系室内试验和调驱决策技术以及效果预 测研究现状的基础上，系统分析了弱冻胶的成胶机理和调剖机理。着重介绍了弱冻胶调 剖决策技术，并在b p 神经网络的基础上建立了调驱选井决策模型。在国内外化学剂堵 水调剖数值模拟研究基础上，综合考虑重力、毛管压力、流体和岩石压缩性、聚合物和 弱冻胶的不可入孔隙体积、吸附、滞留、扩散、阻力系数、残余阻力系数、交联反应、 剪切、降解对水相粘度影响等因素，建立了可以广泛应用于水驱、聚合物驱、弱冻胶调 驱模拟的三维三相六组份数学模型，开发了可在微机上运行的效果预测软件，该软件可 以预测弱冻胶调驱效果，评价区块或单井措施效果和经济效益，评估措施可行性，优选 施工参数( 调堵剂类型、调堵剂浓度、调堵剂用量、施工注入压力等) ，使施工方案制定 和操作科学化、定量化，提高措施成功率，使调驱技术从经验、半定量化发展到定量化。 关键词：弱冻胶，调剖决策，数值模拟 s t u d y o fc o m p r e h e n s i v ed e c i s i o nt e c h n o l o g yo fw e a k g e l p r o f i l em o d i f i c a t i o n t e n 萨e i ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq uz h a n q i n g a b s 仃a c t w e a k g e lc o n t r o lt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yb e t w e e nn e a r - w e l l b o r ep r o f i l ec o n t r o l a n dp o l y m e rf l o o d i n g u n i q u ep e r f o r m a n c ew e a k g e la saf l i u dt r a n s f e r r e da g e n to fd e e p e r l a y e r sc a ni m p r o v et h ea n i s o t r o p i s mo ft h er e s e r v o i ra n dt h ee f f e c to fw a t e rf l o o d i n gd u r i n g t h eh i g hw a t e r - 一c u tp e r i o d i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yh a so b t a i n o ds u c c e s s f u l a p p l i c a t i o ni no i l f i e l d ，a t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n i nt h i sp a p e rs u r v e ya n ds t u d y l o t so f l i t e r a t u r eo ft h ee x p e r i m e n t sa n dp r o f i l ec o n t r o ld e c i s i o na b o u tw e a kg e l ，a n ds y s t e m a t i c a l l y a n a l y s eg e l a t i o nm e c h a n i s ma n dp r o f i l em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s m i n t r o d u c ep r o f i l ec o n t r o l d e c i s i o nt e c h n o l o g yo fw e a kg e la n db a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ke s t a b l i s hp r o f i l ec o n t r o l d e c i s i o nm o d e l b a s e do nc h e m i c a la g e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na th o m ea n da b r o a db y c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fg r a v i t yc a p i l l a r yp r e s s u r ea n dl i q u i dr o c kc o m p r e s s i b i l i t y a b s o r p t i o nr e s o r tp e r v a t i o nf l o we f f e c i e n c yc r o s s l i n k i n gr e a c t i o nc u td i s p e lo fp o l y m e ra n d w e a kg e l ，f o u n dm a t h sm o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a lt h r e e - p h a s es i xc o m p o n e n t su s e di nw a t e r d r i v ep o l y m e rd r i v ew e a kg e ld r i v e o p e nu pe f f e c tf o r e c a s ts o f t w a r ew h i c hc a n p r e d i c td r i v e e f f e c to fw e a kg e la n de s t i m a t ee c o n o m i ce f f e c to fb l o c ka n do n e w e l l e v a l u a t ef e a s i b i l i t yo f t h em e a s s u r ec h o o s ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r ( t h et y p eo fb l o c k i n g a g e n tc h r o m ad o s a g e c o n s t r u c t i o no fi n j e c t i o np r e s s u r e ) e n h a n c et h es u c c e s sr a t eo fm e s s a g e ，a tt h es a m et i m e ， m a k et h et e c h n o l o g yf r o me x p e r i e n c es e m iq u a n t i t a t i v e l yt oq u a n t i t a t i v i t y k e y w o r d s ：w e a kw e l l ，p r o f i l ec o n t r o ld e c i s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 鹾垄日期：7 年净月侈日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：醢圣 指导教师签名： 日期：枷矸年4 月同 同期：年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 油藏因受成藏条件的影响，储集油气的储层在平面和剖面物性分布存在着一定程度 的差异，使得地下的流体分布以及运移规律也呈现出各向异性。水驱开发的油藏，在开 发后期储层长期受外来流体的侵蚀冲刷，胶结程度相对较差的粘土矿物以及部分骨架颗 粒随之运移加剧了储层的非均质性，加上不利的油水流度比，造成注入水沿高渗透层、 大孔道串流突进，导致油层过早水淹，剩余油饱和度相对较高的低渗透层得不到合理的 利用，降低了水驱开发效果。 实践证明，调剖技术作为稳油控水措施的主要手段，能有效改善注水井吸水剖面； 缓和油藏开发中后期层间、层内的矛盾；动用剩余油饱和度高的低渗透层；抑制注入水串 流、突进等现象，提高注水开发效果。 对于层内非均质油藏提高注入波及系数【2 】，许多矿场都采用注聚合物溶液来控制水 的流度，以波及水驱时未波及到的地方，从而提高采收率。虽然注聚合物溶液技术比较 简单，成本比较低。但由于地层孔隙剪切及地层水的矿化度高等因素，当聚合物注入地 层后其有效粘度损失很大，往往达不到预期目的，当注入非均质程度较高的地层时，还 会因为有高渗带而窜流。 埕岛油田位于渤海湾南部的极浅海海域，主力含油气层系为馆陶组。该组于2 0 0 0 年实施注水，馆陶组储层物性好，平均孔隙度3 3 9 ，空气渗透率2 2 5 7 1 0 u m 2 ，为高 孔、高渗砂岩油藏；但储层非均质严重，据岩心分析，渗透率变异系数o 7 6 ，突进系数 5 4 9 。地饱压差3 4 m p a ，边底水不活跃。为避免平面层间矛盾加剧，采用了分批转注， 初期温和注水等技术政策，从2 0 0 0 年开始逐步分批转注，总体注水开发效果较好，但 从目前开采状况看，馆陶组油藏开发存在以下问题：一是含水上升快，目前该区块油井 已全部见到注入水，由于层间矛盾突出，水井分注合格率低，2 0 0 4 年底以来含水上升呈 加快趋势，2 0 0 4 年月含水上升速度1 3 ，进入2 0 0 5 年后月含水上升速度上升到2 4 。 二是地层压力低，根据测压资料分析，该区目前地层压力1 0 m p a ，地层压降3 6 m p a ， 根据数值模拟结果合理地层压力应保持水平为1 1 5 m p a ，因此需要通过提注来尽快恢复 地层压力。三是由于非均质性严重，三大矛盾非常突出，提注后层间矛盾进一步加剧， 该区主力生产层位n 9 3 2 + 3 + 4 、4 2 、4 4 + 5 ，但从生产动态等资料分析，主力吸水层为n 9 4 2 ， 2 0 0 4 年完钻的c b 2 5 e 调整井组测井解释资料充分证明了这一点，如c b 2 5 e 4 井，测井 第l 章前言 资料显示n 9 4 2 层下部己水淹，4 2 小层的剩余油饱和度4 5 3 ，而水淹相对较轻的4 4 小 层剩余油饱和度5 7 1 。在分层注水工艺技术不完善的情况下，尽快开展调剖工作是改 善水井吸水剖面，均衡产液剖面，减缓层间矛盾的重要手段，开展调剖综合决策技术研 究具有重要的意义。 通过本论文的研究，开发一套调剖决策模型，简便快捷的为油f f l 工程师提供可靠的 决策信息，同时为施工方案及施工工艺参数的优化设计提供理论依据，建立弱冻胶调剖 的效果预测模型，进一步增强调剖工艺的科学性、合理性，为保障措施成功提供技术支 持，为水驱油田进行调剖工业性试验提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 正是由于弱冻胶调驱技术具有聚合物驱油和冻胶堵水调剖的优点，已经广泛应用到 诸如注水井深部调剖、高温油藏深部调剖、深部处理防止气锥或水锥、改善油水流度比 等方面，同时也促使国内外学者先后丌展相关研究。目前国内外研究主要集中在冻胶体 系配方、室内渗流理论研究、矿场试验、数值模拟以及调堵选井、选层、选剂决策等方 面 1 2 1 弱冻胶体系室内研究现状 可动冻胶体系调驱技术最早是由美国p h i l i p s 公司【3 1 提出的，美国t i o r c o 公司做了多 次矿场实验并取得了一定成功。早期的冻胶处理工艺采用柠檬酸铝高分子h p a m 体系， 交替注入的柠檬酸铝和高分子h p a m 段塞在在地层深部混合并发生交联，但由于费用 高、效益差、难于控制而未被重视。近年来4 1 ，大量研究致力于发展延迟交联c r 3 + 冻胶 体系配方及其特性研究等方面。 1 9 8 8 年c s m c c o o l 等首先开展室内实脸5 1 ，研究聚丙烯酸胺冻胶体系引起地层渗 透率下降的机理。1 9 8 7 年n a m u m a l l a h 给出了一种实用的弱冻胶评价方法。此后，国 内外的许多学者开展了如矿化度、温度等因素对成胶影响等方面的研究，并开展了胶态 分散体系配方的室内实验评价筛选工作，9 0 年代中期逐渐形成了胶态分散体系( c d g ) 的概念。 过去十多年来，广泛应用的弱冻胶体系是铬氧化还原一h p a m 体系、柠檬酸铝一 h p a m c p a m 体系、硅酸盐一丙烯酰胺单体以及c r 3 + 生物聚合物体系。最近几年【6 】，醋 酸铬一h p a m 冻胶体系也常用于注入井处理 目前，延迟交联和成胶体系选择、冻胶体系临界浓度、交联反应动力学模型及成机 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 理、聚合物交联结构表征和冻胶体系评价一直是高分子领域研究中的难点，可动冻胶评 价方法和物理模拟技术也是尚未解决的问题。 1 2 2 弱冻胶调驱决策技术现状 油田区块整体调驱技术是近年来发展起来的一套以调剖为主的综合治理配套技术。 几年来，各油田相继采用区块整体调驱技术进行大规模现场试验【7 】，有效降低了区块综 合含水上升速度，提高了区块采油量和阶段采出程度，改善了区块注水开发效果，降低 了成本，取得了明显经济效益。 区块整体调驱的成败很大程度上取决于方案的合理性。目前【8 j 通常采用两种方法进 行设计：一种是根据现场经验，通过定性分析选择调驱井位和设计调驱剂用量，该方法简 单，但存在不确定性，无法实现最优化：另一种是单纯采用数值模拟进行优化设计，这种 方法通常需要地质建模、区块历史拟合和方案优化等过程，耗时较多，难以满足现场调 驱急需。因此迫切需要一种兼顾两者优点的决策和设计技术。 目前，国内外都对此展开了大量研究【9 j 。法国石油研究院、美国a u s t i n 大学、t u l s a 大学、哈里伯顿石油公司等都投入了大量精力，致力于决策方面的研究，并在工作站上 研制出相应软件，用于现场施工设计。如哈里伯顿研制的堵水专家系统。北京石油勘探 开发科学研究院在物理模拟基础上，研制出三维两相六组分数值模拟软件，可对单井和 区块堵水调剖进行优化设计。石油大学也研制出压力指数决策技术r e 决策技术，在油 田也得到了较大范围的应用。 1 2 3 弱冻胶调驱效果预测技术现状 数值模拟技术是预测、评价油田开发和措施效果的有力工具，弱冻胶深部调驱数值 模拟技术就是在聚合物溶液驱数值模拟基础上发展起来的。1 9 6 8 年z e i t o 首次提出聚合 物驱油三维数值模拟模型，o b i e 于19 8 5 年1 0 1 提出了第一个多组分地下交联反应数学模 型，该模型考虑了交联反应动力学规律、不同交联体系或过程，并用高阶差分求解对流 一扩散项。后来这一模型被推广到油水两相。 随后，s c o t 发表了考虑地下交联的化学驱模型，该模型采用简化的单步交联反应模 型，考虑了温度变化及其对反应组分物理特性的影响，使用通用化学反应模型确定反应 速率和指定组分问相互关联的化学反应模型。 t o d d 等发表的重铬酸盐氧化还原h p a m 体系渗流数学模型【1 1 】，试图从微观角度解 释冻胶处理所引起的孔隙度和渗透率变化，模型应用了双渗滤模型和f l o r y 大分子溶液 第1 章前言 理论，并考虑了重铬酸钠等十种组分问的质量传递。后来，m i d h a 等人又把它发展成二 维单相层状模型。 g a o h w 等综合运用深部交联模型和黑油模型【l 引，建立了一个三维三相延迟交联聚 合物驱数值模拟器，模型保留了气相，相对较为实用。 a u s t i n 大学的化学驱模型u t c h e m 也包含聚合物驱模型【l3 。，g a r v e r 等人在 u t c h e m 基础上，考虑了交联剂在孔隙介质运移过程中的简化离子交换现象，但效果 不太理想。s t a v l a n d 等对u t c h e m 进行改进，考虑了各种因素对冻胶特性的影响，也 考虑了地化反应过程，试图从反应动力学角度求解。 目前【1 4 1 ，内公开报道的聚合物地下交联数学模型主要有袁士义提出的三维两相多组 分聚合物地下交联调剖数学模型、朱维耀等提出的阴阳离子聚合物防窜渗流数学模型。 上述两模型仍采用u t c h e m 关于交联反应及相关性质的描述方法。 为了能够综合考虑各种因素的影响，更精确地描述复杂的化学调驱过程【i5 ，使研制 的软件易于推广应用。本文在目前国内外化学剂堵水调剖数值模拟研究基础上，综合考 虑重力、毛管压力、流体和岩石压缩性、聚合物和弱冻胶的不可入孔隙体积、吸附、滞 留、扩散、阻力系数、残余阻力系数、交联反应、剪切、降解对水相粘度影响等因素， 建立了可以广泛应用于水驱、聚合物驱、弱冻胶调驱模拟的三维三相六组份数学模型【l 引， 开发了可在微机上运行的效果预测软件，该软件可以预测弱冻胶调驱效果，评价区块或 单井措施效果和经济效益，评估措施可行性，优选施工参数( 调堵剂类型、调堵剂浓度、 调堵剂用量、施工注入压力等) ，使施工方案制定和操作科学化、定量化，提高措施成 功率，同时也使调驱技术从经验、半定量化发展到定量化。 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第2 章弱冻胶的成胶机理及调剖作用 弱冻胶是弱交联冻胶体系的一种( 粘度小于l o o o o ) ，分为弱冻胶( w e a kg e l ) 矛h 胶态分 散冻胶( c o l l o i d a ld i s p e r s i o ng e l ) 两种。弱交联冻胶的弱是相对于常规不可动冻胶而言的， 常规冻胶是一种连续三维网状结构，由于聚合物和交联剂浓度高、交联点多、交联强度 大、流动困难，称为不可动胶或强冻胶；而弱交联冻胶中因聚合物和交联剂浓度相对较低、 交联点少、强度低、较易流动而称为可动冻胶。 虽然弱冻胶和胶态分散胶均是弱交联冻胶体系，但弱冻胶是以分子间交联为主的三 维网状结构体，而胶态分散胶是以分子内交联为主的分散状态的冻胶系。 弱冻胶调驱是在冻胶深部调剖基础上，结合聚合物驱的特点而提出的一项新技术， 弱冻胶调驱将传统的冻胶调剖堵水与聚合物驱的特点综合于一体，既可以调整和改善油 藏深部地层的非均质性，使流体在油藏深部改向而扩大波及体积，同时弱冻胶又能够作 为驱替相改善水驱油的不利流度比，提高注入水的扫油率。 2 1 弱冻胶的成胶机理 弱冻胶【 】主要由低浓度水溶性聚合物大分子和低浓度交联剂发生弱交联后形成的， 油田f o r 过程主要使用部分水解聚丙烯酞胺( p h p a m ) 或生物聚合物黄原胶( x a n t h a n ) 与 金属离子或醛酚体系，通常采取延缓交联方式交联。大港油f f l 主要使用聚丙烯酞胺铬交 联体系，因此本文只讨论部分水解聚丙烯酞胺有机铬体系的交联机理。 2 1 1 醋酸铬溶液中的离子分布 交联剂溶液含有醋酸铬的一聚体、二聚体和线型或环状三聚体、醋酸根或醋酸等离 子。各种离子在溶液中的含量与醋酸钠_ - - 氯化铬比值、溶液p h 值及溶液老化时间有关。 在醋酸钠与三氯化铬的摩尔比为3 ：1 ，p h = 4 并经充分老化的醋酸铬溶液中，占据 主导地位的离子是包含有六个醋酸根和一个中心氧的铬环状三聚体。当醋酸钠与三氯化 铬的摩尔比为1 ：1 时，几乎没有环状三聚体形成，溶液中占据主导地位的离子是具有二 齿结构的醋酸铬配位体，也有少量单锥结构和铬的二聚体存在。当醋酸钠与三氯化铬的 摩尔比高于3 ：1 时，多余的醋酸钠在溶液中以自由醋酸根基团存在，不参与配合物的形 成。 当溶液p h 值增加时，氢氧根取代了环状铬三聚体的桥接醋酸根基团f 1 9 】，形成了具 有二齿结构的醋酸根基团；当第二个氢氧根再取代了桥接醋酸根基团后，环状醋酸铬三 第2 章弱冻胶的成胶机理及调剖作用 聚体结构转变为线型铬三聚体结构。 醋酸铬溶液的离子分布还与溶液老化时间有关。当醋酸钠与三氯化铬混合时，交联 剂体系的单体c r 首先与单锥型醋酸根配位，接着是速度略慢的二齿结构离子配位，2 0 分钟后，开始形成环状三聚体结构，随着交联剂老化时间的推移，体系中的环状三聚体 越来越多，三天后体系基本稳定。此时，体系中占据主导地位的离子就是环状醋酸铬三 聚体。 根据醋酸钠三氯化铬溶液中的离子分布及变化情况可以得出【2 0 】，随着体系p h 值降 低或老化时间延长，溶液中的坏状醋酸铬三聚体含量增多。由于环状醋酸铬三聚体最稳 定，因此，聚合物交联剂体系的成胶时间随p h 值降低或老化时间延长而增加。当醋酸 钠与三氯化铬的摩尔比高于3 ：1 时，多余的醋酸钠在溶液中以自由醋酸根基团存在，不 参与配合物的形成。因此，从热力学观点来说，过量醋酸钠并不能延缓醋酸铬与聚丙烯 酞胺的交联速度，加入过量醋酸钠实现延缓交联的机理只能用动力学观点解释。 实验室条件下配制的醋酸铬交联剂2 1 1 ，经充分老化后，溶液中含有醋酸铬的单聚体、 二聚体和线型或环状三聚体、醋酸根或醋酸等离子，体系中占据主导地位的离子是环状 醋酸铬三聚体。 2 1 2 醋酸铬的反应速度 醋酸铬与聚丙烯酰胺的交联反应包含许多复杂的中间反应，其反应过程如下： 醋酸铬的离解：醋酸铬_ 铬离子+ 醋酸根 羟桥作用：铬离子_ 多核羟桥络离子 多核羟桥络离子+ 低浓度聚丙烯酰胺叶弱冻胶 在这三步反应中，第一步反应制约交联反应速度，醋酸铬螫合物中的螯合联逐渐被 破坏，放出铬离子再通过羟桥作用形成多核羟桥络离子，多核羟桥络离子再与低浓度聚 丙烯酰胺发生交联反应生成弱冻胶。 但以上反应无法解释p h 值大于7 时的交联反应，因为体系p h 值大于7 时，醋酸 铬是热力学不稳定的，醋酸铬中的铬在碱性条件下立即形成不能与聚丙烯酞胺反应的 c r ( o h ) 3 ( h 2 0 ) 3 沉淀，而不是与聚合物发生交联。 对于醋酸铬与聚丙烯酞胺的交联机理，目前仍没有较明确而统一的解释。多数研究 人员把醋酸铬与聚丙烯酞胺的交联反应看作是聚丙烯酞胺取代醋酸铬中的醋酸根形成 更稳定的铬一聚丙烯酰胺配合物的过程。 6 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 不管哪一种交联机理或交联过程，醋酸铬的离解都是交联反应速度的控制步骤。醋 酸铬的离解速度很大程度上取决于醋酸铬的结构。醋酸铬溶液中的离子分布分析表明， 环状醋酸铬三聚体最稳定，随着体系中醋酸钠三氯化铬比值、体系p h 值和体系老化时 间变化，醋酸铬溶液中的离子分布也要发生相应变化。因此可通过以下方法控制醋酸铬 的离解速度，从而控制交联剂与聚合物交联的速度【2 2 】： 第一，变化醋酸钠与三氯化铬的摩尔比这种方法在醋酸钠与三抓化铬的比值低于 3 ：1 时更为有效。当二者比值大于3 ：1 时，由于过量醋酸根并不参与形成更稳定的配合 物，从热力学观点来讲，这种方法无效。通过增大二者比值来进一步延缓体系交联速度 的机理只能用动力学观点解释 第二，加入能与醋酸根作用形成更稳定物质的添加剂。如当体系中有二价阳离子存 在时，二价阳离子与醋酸根作用会生成更稳定的沉淀，这一反应不可逆，从而破坏醋酸 铬的稳定结构，加快了体系的成胶速度。 第三，控制体系p h 值。当体系p h 值增加时，氢氧根取代环状醋酸铬三聚体的桥 接醋酸根基团，形成二齿结构醋酸根基团，当第二个氢氧根再取代了桥接醋酸根基团后， 坏状醋酸铬三聚体结构转变为线型铬三聚体结构，线型铬三聚体结构比环状醋酸铬三聚 体更活泼，因而加快了体系的交联速度。 第四，控制配制交联剂溶液的老化时间。不同老化时间下，交联剂溶液中占据主导 地位的离子不同，其活性也不同，从而调节体系的成胶速度。 2 2 弱冻胶形成的影响因素 弱冻胶是由低浓度聚合物和交联剂形成的以分子间交联为主、分子内交联为辅的弱 交联体系，其形成和性能主要受聚合物性质( 包括种类、分子量、水解度、浓度) 、交联 剂性质( 包括种类、配比、浓度、老化时间) 、聚合物交联剂值、温度、矿化度、p h 值、 剪切程度等多方面因素的影响。 ( 1 ) 聚合物分子量的影响 由于弱冻胶体系中聚合物浓度较低，它只能通过几个或十几个聚合物分子间交联而 形成。聚合物分子量越大，分子线团体积越大，形成具有几个或几十个分子间交联结构 的弱冻胶粘度越大。聚合物分子量太低时，分子链卷曲后有效流体积较小、无法形成增 粘能力较强的弱冻胶。因此，制备弱冻胶应倾向于应用分子量较高的聚丙烯酰胺【2 3 1 。 分子量越大，越有利于形成弱冻胶。相同条件下，分子量越高的聚丙烯酞胺形成的 7 第2 章弱冻胶的成胶机理及调剖作用 弱凝胶强度越大，体系成胶速度也越快，形成弱凝胶所需的最低聚合物浓度越小。 ( 2 ) 聚合物浓度的影响 聚合物交联时存在一个临界浓度，聚合物浓度低于该值时，因粘度增加很小，认为 基本不成胶；当聚合物浓度高于该值时，聚合物与交联剂反应后会使体系粘度显著增加， 并且聚合物浓度越高，体系交联速度越快，弱凝胶粘度越大。这是因为一定条件下，聚 合物分子的水力学半径是一定的，随着聚合物浓度的增加，聚合物分子间碰撞、缠绕几 率增大，与交联剂反应的聚合物分子增多，增加了聚合物分子问作用力，体系粘度升高， 凝胶体系逐渐形成三维结构。 ( 3 ) 交联剂浓度的影响【2 4 】 聚合物浓度一定时，随着交联剂浓度的增加，体系成胶速度加快，形成的凝胶强度 增加。但交联剂浓度增加到一定程度后，成胶速度太快，且形成的弱凝胶稳定性变差， 且可能由于交联剂浓度过大，聚合物与交联剂之间发生过度交联而引起凝胶脱水收缩。 同时，交联剂浓度还在很大程度上取决于聚合物浓度。 ( 4 ) 聚合物交联剂比值的影响 随着聚合物与交联剂浓度比降低，体系成胶速度加快，形成凝胶强度增加。弱凝胶 体系的最佳聚交比取决于聚合物种类、浓度及油藏条件。聚合物与交联剂的浓度比值小 时，体系成胶速度快，形成的弱凝胶稳定性较差，易脱水。此外，由于二者浓度比低， 交联剂用量大，增加了弱凝胶大剂量深部调驱成本。当聚合物交联剂值较高时，形成的 弱凝胶强度较低或根本不成胶，达不到设计要求。 ( 5 ) 温度的影响 如表2 1 所示，随着温度升高，分子热运动加刷，分子间碰撞加剧，聚合物分子与 交联剂交联反应更剧烈，更容易形成连续性强的三维网状结构。因此，体系成胶速度随 温度上升而加快，体系的最高成胶强度也随温度升高而增加。 表2 - 1 温度对成胶情况的影响 t a b l e 2 1c o l l o i db ye f f e c to ft e m p e r a t u r e 粘度保留率 温度( o c )成胶时间( h )最高成胶强度( m p a s ) ( ) 2 03 0 天不成胶 3 53 6 01 2 6 09 8 5 01 6 81 9 2 09 6 7 09 62 0 4 09 5 8 56 02 2 6 09 2 1 0 062 3 5 0 k i k 3 的层状油藏，水驱时 注入水沿k 2 层位舌进，当注入水从k 2 层到达生产并后，k l 和k 3 层还留有大量原油 来被波及。注弱凝胶后，弱凝胶段塞首先进入高渗屡k 2 ，由于糕发增加以及吸附滞留， 导致k 2 层的流动阻力增大，迫使后续注入水进入k l 和k 3 层，启动低渗层位，提高垂 向波及效率，扩大油层水淹体积，提高采收率。 根据水驱相对渗透率曲线及油水粘度，可计算出不同含水饱和度下两个层段的吸水 量比值。( 见表2 2 ) 寝2 - 2 油水相对渗透率数据计算结果 | 法戮娩龙r e s u l t so fo i l - w a t e rr e l a t i v ep e r m e a b i l i t y 含水饱 和度 o 2o 3o - 3 50 40 4 5o 5 2 备注 9 1 q 2 5 5 2 27 2 91 0 。4 31 4 3 32 1 5 8 水驱i x 油1 1 t 永= 1 5 q l q a 55 。3 73 。2 93 。2 53 。2 93 。4 2 聚合物驱弦, l l x 糸= l 低渗层的2 1 5 8 倍；丽在产液( 弱凝胶调驱) 条件下，高渗层吸水量仅为低渗层的3 4 2 倍，这表明弱凝胶能显著改善油层吸水剖面，提高纵向波及效率。 弱凝胶在调整和扩大驱替液波及剖面的同时，兼具有驱油功能： ( 1 ) 弱凝胶调驱所用的聚合物和交联荆浓度较低，粘度仅为水的十几倍，其流动特性 与水十分接近，具有类似牛顿流体的流动特性。实际注入过程中，弱凝胶溶液会自动优 先沿水通道流动，丽不进入含油和较大流动阻力的小孔隙。 ( 2 ) 弱凝胶溶液在较大孔隙中流动时发生交联反应，粘度增大，发生滞留堵塞孔喉或 减小大孔隙的有效流通截面，使流动阻力增加，提高其阻力系数，导致后继注入的聚合 物溶液或水进入较小孔隙驱患其中原、矬。由于地层中孔隙大小有差别，聚合物溶液流入 驱油的顺序是自动由大到小逐渐进行。实验结果表明，当弱凝胶对较大孔隙产生轻微堵 塞，流动阻力略有提高时便发生明显的流动改向，使后续流体进入较小孔隙。在此过程 中，弱凝胶或水不断发生液流改向，逐步进入较小孔隙，使波及面积逐渐扩大，当高渗 层渗透率接近低渗层渗透率时，流入商低渗层的流体流量也基本相同。此过程是个自 动由微观到宏观逐步发展的过程。 2 4 弱冻胶在地层中渗流特征 ( 1 ) 阻力系数与残余阻力系数【2 7 】 中雷石油大学( 华东) 硕士学位论文 阻力系数是度量弱凝胶相对流度大小的参数，蔼残余阻力系数煲l j 是反映弱凝胶永久 姓降低岩石渗透率麓力静参数。疆力系数与残余毽力系数勰溺定要求在稳定条件( 压力 和流速均恒定1 下，记录多孔介质两端聪藏和流经多孔介质流量。由于弱凝胶在油藏深 部的前沿流速或粒闻流速很小( 一般认力0 3 m d 1 0 m d ) 。医此，实验流速应该控制在较 低流速范星雨，以免溺定期闯产生剪切降解或规械降解。 测定阻力系数和残余阻力系数要求猩岩心流动实验装置上进行，尽管阻力系数和残 余阻力系数的测定十分费时盈戒本较高，但阻力系数帮残余阻力系数是全面评价弱凝胶 体系较茺可靠静参数。通过对不霜弱凝胶体系阻力系数帮残余阻力系数的对蹴，可以评 价其降低流度和地下分流能力。 簌照聚合物溶液阻力系数的定义，将弱凝胶的阻力系数定义为不通过岩心填砂滤管 的流度与弱凝胶通过岩心或填砂滤管酶流度之既值，用r r f 表示。 弱凝胶的残余阻力系数) 是弱凝胶滞留岩芯后渗透率降低摆度的量度，其值可 雳予弱凝胶降低渗透能力的评价，r r f 等于弱凝胶调制蓠蜃东测渗透率之比。 弱凝胶其宥低阻力系数和较高残余阻力系数的特点。凝胶韵阻力系数是弱凝胶溶液 降低流度能力的量度，其实质是形成弱凝胶的聚合物交联剂溶液降低流度的能力。由于 影戚弱凝胶的聚合物浓度较低，焉且由于剪诱变稀特性，因此，当其注入岩心时，阻力 系数较低，且随着岩心渗透率增加，其值降低。毽当弱凝胶溶液成胶后，其粘度远远大 予相同浓度聚合物溶液的粘度，此时，弱凝胶的阻力祭数值高达上千。弱凝胶的残余阻 力系数随岩心渗透率的提高褥降低。 量o1 52 02 s3 0 p v 数 图2 - i 弱凝胶耐冲试验 联蝣一1 p u n c he x p e r i m e n t so fw e a k g e t ( 2 ) 弱凝胶耐、井溺性能 向岩芯注入0 s p v 的弱凝胶，成胶后注入水冲洗，以经过3 0 p v 的水冲洗聪，体系 o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 8 7 7 7 7 7 6 6 6 6 6 第2 章弱冻胶的成胶机理及调剖作用 ( 2 ) 弱冻胶耐冲刷性能 向岩芯注入0 8 p v 的弱冻胶，成胶后注入水冲洗，以经过3 0 p v 的水冲洗后，体系 的残余阻力系数仍较大，结果见图2 6 。样品1 与样品2 的唯一差别就是样品2 中加有 4 0 0 m g 1 的甲醛，甲醛的加入提高了弱冻胶的强度，体系的粘附性能也能得到较大的改 善，因此，样品2 的耐冲能力比样品l 强得多。结合弱冻胶流变特性及弱冻胶阻力系数 和残余阻力系数测试结果，甲醛的加入大大改善了弱冻胶的性能。 ( 3 ) 弱冻胶在多孔介质中的流动性 弱冻胶在多孔介质中的流动性通常采用多测压点填砂模型评价，通过各测压点的压 力变化趋势，了解弱冻胶在多孔介质中的成胶和流动特征。测定弱冻胶流动特性的填砂 模型中一般充填不同数目的石英砂，以获得不同渗透率的多孔介质。 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第3 章弱冻胶调剖决策技术 弱冻胶调驱的成败很大程度上取决于调驱选井、选层及方案的合理性。目前，通常 采用两种方法进行设计：一种是根据现场经验通过定性分析选择调驱井位，确定调驱剂 用量，该方法简单，但存在不确定性，主观性太大，无法达到优化的目的。另一种是单 纯采用数值模拟进行优化设计，采用这种方法，通常需要地质建模、区块历史拟合和方 案优化等过程，耗时较多，难以满足现场调驱设计和施工急需。因而迫切需要一种既综 合现场专家知识和经验定性特点，又继承数值模拟技术定量性优点的综合决策方法。本 章内容正是基于这样背景下开展工作的。 3 1 调驱决策影响因素 根据海上油田作业平台的特点以及调驱工艺的要求，在筛选实验井组的过程中，遵 循以下几个原则【2 8 】： ( 1 ) 选择能够满足施工条件的平台，优先在平台面积相对较大的平台上选井； ( 2 ) 与井组内油井连通性情况好，并对应油井含水快速上升的水井； ( 3 ) 选择小层渗透率差异较大的水井； ( 4 ) 选择吸水剖面纵向差异大、层间吸水差异大的井； ( 5 ) 位于综合含水高，采出程度低，剩余油饱和度较高的开发区块的注水井； ( 6 ) 吸水和注水状况良好的注水井； ( 7 ) 注水井固井质量好，无串槽和层间窜漏现象。 影响弱冻胶深部调驱井选择的因素很多，且各种因素对选择结果的制约程度也不 同。本文综合分析了反映注水井吸水能力、反映油层非均质性及对应油井动态等影响调 驱选井的三种主要因素，考虑了注水井吸水指数、压力指数、渗透率变异系数、吸水剖 面非均质性及对应油井含水、采出程度、控制储量等参数对调驱选井的影响，以此为基 础，用人工神经网络技术建立了调驱井选择模型，根据人工神经网络分析结果优选调驱 井。 3 1 1 注水井吸水能力指标 渗透率是静态资料，不能完全反映注水井目前的真实吸水状况，同时吸水剖面资料 相对较少，会给优化决策带来某种程度的不精确性，而根据注水井月度数据计算出的单 井吸水强度就可以克服上述资料不足带来的困难，因此可以用来选择调驱井。通常情况 第3 章弱冻胶调剖决策技术 下，对存在高渗透层( 或条带) 的井，其单井吸水强度会远比其它井大。因此，从吸水 强度的角度来选择调驱井。资料齐全准确且容易获得，同时决策的可靠性也比较高。 反映单井吸水能力的指标主要有： ( 1 ) 每米视吸水指数( 偏大型) 每米视吸水指数是指单位压力下每米油层的吸水量，属于越大越优型参数，即数值 越大，调驱的必要性越大。对于笼统注水井，每米视吸水指数定义为： k s = 瓦q 百 ( 3 1 ) 墨一每米视吸水指数，m 3 m m p a ；q _ 日注水量，m 3 d ；厶井口压力，m p a 。 对于采取分层注水工艺的注水井，每米视吸水指数定义为： e = 赤 ( 3 2 ) 式中，q 为层日注水量，m 3 d ；t l , 为油层厚度，m ；衅为水嘴压耗，m p a 。 其中，水嘴压降损失为： 鹋= a 2 f l t 旭) 2 ( 3 3 ) 其中伊为水嘴流量系数，无因次；4 为水嘴过流面积，m 2 。 进行调驱优化决策时，用嘴损曲线消除水嘴压力损失的影响。正注时井口压力匕取 油压。反滓时则取套压。 ( 2 ) 每米吸水指数( 偏大型) 每米吸水指数是指单位生产压差下每米油层的日吸水量， 素，即数值越大，调驱的必要性越大。 k 2 阿q 属于越大越优型影响因 ( 3 4 ) 式中，k 为每米吸水指数，m 3 d m p a ；g 为井日注水量，m 3 c i ；为井底流动压力， m p a ；乃为油层厚度，m ；为地层压力，m p a 。 可以利用吸水指示曲线计算每米吸水指数，用吸水指示曲线计算吸水指数的公式 为： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 爱2 隔q l - - q 2 ( 3 5 ) 式中，片、忍为注水压力，m p a ；q zq 2 为注水量，m p a ；h 为注水井吸水厚度，m 。 ( 3 ) 并瑟压力指数蛹小麴 在正常注水条件下，注承井突然关并测井口压力随时闯的变化关系，得到井口压降 曲线， 并墨压力指数定义戈； 陆逊翌 t ( 3 - 6 ) 式中，烈先并霹压力指数，m p 觏f 为关并对闯，m i n ；p 章) 为井疆压力，凇鑫。 根据多孔介质渗流理论可以确定，注水井p i 值与地层及流体物型参数有如下关系： 辩：旦k 燮+ 最 1 5 k h k t 8 ( 3 7 式中，q 为注水井日注量，m 3 d ；为流体动力粘度，m p a s ；k 为地层渗透率，u n ； h 鸯缝层簿度，黻；名为淡水并控制半径，臻；多为乳隙度，；c 为综合压缩系数，p 鑫； 壤为地层开始吸水时井口油管压力，m p a 。 若足与辩楣毙可以忽路，劂上式可改驾成： 肼：里蛾! 兰：兰生丝 1 5 k a慰 ( 3 8 ) 从主式可以看怠：熏) 注东井p 差值与蟪屡渗透鼙反槿关；2 注水并掰值与地层厚 度成反比；3 注水并科悠与目注量成孤比；毒) 注水并硝值与注入流体黏度燕相关； 5 ) 注水井纠值与地层系数反相关；6 ) 注水井值与流度反相关。 嚣姥，区块孛每西并的娜值霹作为区块整钵调割躺决策参数，雕值越夺，越需要 调剖。 3 1 2 油层非均膜性 健瑟潺积受水动力强度等因素酶影响，镄星渗透黎在平面帮割面上存在一定程度静 麓异。随着油i l j 的长期注水开发，油层受注入水、边水等流体的长期冲刷，使得粘土等 第3 章弱冻胶调剖决策技术 一些骨架矿物和胶结物被侵蚀、运移形成高渗条带，油层的非均质性加剧，进一步加剧 油藏注采矛盾，为了能够有效缓和这种矛盾，我们必须将定性概念转为定量概念，把非 均质程度用定量的概念进行表述，达到最佳选井的目的。本文用统计学方法计算渗透率 变异系数表示油层非均质性即油层渗透率的非均质性，渗透率变异系数越大，则非均质 性越严重。 ( 1 ) 渗透率变异系数 渗透率变异系数是指渗透率标准差与平均值的比值。渗透率平均值： e ( x ) - - y h , 石h ( 3 - 9 ) 式中，忽为第i 层厚度，m ；k 为第i 层渗透率，f a n 2 ；日为储层总厚度，m 。 渗透率平方的平均值： e 伍2 ) - - z h , 9 2 屈 ( 3 1 0 ) 式中各参数同上。 渗透率变异系数定义为： y 伍) = 抠蕊万确肛伍) ( 3 - 1 1 ) ( 2 ) 吸水剖面非均质性 根据吸水剖面测试资料，以累计厚度百分数为横坐标，吸水百分数为纵坐标，做出 吸水剖面的非均质描述的劳伦兹图，如图3 1 所示，计算吸水剖面非均质系数q ( k ) ， 吸水剖面非均质的计算公式如下所示： q ( k ) = 挚 ( 3 1 2 ) o a b c a 式中，s 删为曲边形a d c a 的面积，无因次；邑删为三角形a b c a 的面积，无因 次。 吸水剖面是反映注水井在纵向上单层吸水相对大小的一个参数，吸水剖面资料能直 接反映注水井单层吸水状况差异，单层吸水强度的不均匀反映了注水井纵向上的渗透率 差异。吸水强度大的层吸水量也大，反之则小，吸水强度越大，注入水不均匀推进越严 重，因此选择调驱井时必须选择吸水剖面最不均匀的井，通常吸水百分数变异系数较大 的井是应该调驱的井。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 零 u 山 求 舡 * 登 累积厚度百分比瞄 图3 - 1 吸水剖面非均质性劳伦兹图 f i 9 3 - 1 l o r e n t zg r a p ho fw a t e ra b s o r t i o np r o f i l eh e t e r o g e n e i t y 3 1 3 连通油井生产动态 在现场进行调驱决策时，为减小决策风险应充分考虑连通油井的产能潜力、采出程 度等因素，以避免水井措施成功而油井由于产能小或采出程度高而未能达到预期目的， 因此，需要考察连通油井的产液量、剩余油或采出程度等参数评价对应水井调驱是否具 有挖潜潜力。为充分考虑各对应油井对调驱效果的贡献程度，各生产动态指标均采用产 液加权平均的方法进行计算。 ( 1 ) 连通油井产液量 ， 骁= q 0 ) ( 3 1 3 ) = l 式中，q l 为连通井产液量，m 3 d ；，为连通井数。 连通井平均含水率： ， 凡= q 。u ) 耿 ( 3 。1 4 ) = l 式中，各参数意义同上。 以上参数属于偏大型，数值越大，表明越需要调驱处理。 ( 2 ) 连通油井的采出程度 打 = e x f ( i ) f = l 式中，s ( i ) 为连通油井采出程度；1 1 为连通井数。 连通油井采出程度属于偏小型，数值越小，表明越需