第四章 油水井增产增注措施

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第四章油水井增产增注措施在油田开采过程中，经常遇到一些低渗透性油层，即使在较大的压差下，它们也很难获得高的产量。有的油层在钻井过程中受到钻井液侵害，使井底附近油层的渗透串降低，这不仅导致油井产量下降．有时甚至无法投产。此外，油水井在生产过程中，也会由于各种原因造成井底附近堵塞，使注水井的注入量或油井的产油量下降，从而影响油田开采速度和采收率的提高，对于非均质多油层油田，影响更为严重。在这种情况下，就必须对油层采取各种增产增注措施。本章主要介绍目前矿场上广泛用于油水并增产增注的两种措施，即酸化、压裂处理。第一节油层酸处理油层酸处理，是油田上广泛用于改造油层、提高渗透率的措施。它是利用酸液能溶解岩层中所含盐类的特性，达到提高近井地带的油层渗透率，改善油、气、水流动状况，从而增加油、气产量和水井注入量的目的。目前，我国各油田在油层酸处理方面，广泛应用的有盐酸处理和土酸处理两种方法。有些油田还应用了“王水”处理、“热酸”处理与“热化学”处理等方法。一、酸处理原理酸处理是依靠向油层挤入酸液并与油层孔隙孔道起化学溶蚀作用，以扩大油流通道，提高油层渗透率；或溶解井壁附近的堵塞物(如泥浆、泥饼、各种杂质、沉淀物和细菌等)，以排除堵塞来提高井的生产能力。由于油层岩石性质不同，堵塞物不同，所用酸液的种类也是不同的，广泛使用的是盐酸和土酸两种。盐酸处理主要用于石灰岩、白云岩和灰质胶结的砂岩等碳酸盐含量高的地层，盐酸与地层内的碳酸盐作用时，其反应如下。对于石灰岩：对于白云岩：187 以上反应生成的钙盐和镁盐都易镕于水，生成的CO2也溶于水。对于油并，酸化后可应用抽汲或自喷方法将反应的废酸排出地面，以提高油井酸处理效果。根据室内试验和生产实践得知，当地层中所含碳酸盐类大于50％，如裂缝性石灰岩、白云岩，应用盐酸处理效果较好。对于井底堵塞，应根据堵塞物的物化性质，决定是否用盐酸处理。砂岩的成分与碳酸盐大不相同。它主要以石英和长石为主，经胶结物胶结而成。胶结物多为粘土和碳酸盐类，胶结物数量变化幅度很大，胶结物中的碳酸盐类占百分之几到十几都有。盐酸同石英及其他硅酸盐类基本上不起反应，但氢氟酸(HF)对砂岩中的主要成分都有溶解作用。其反应式如下。石英与HF的反应：[粘土)与HF的反应：碳酸盐与HF的反应：从以上的反应来看，氢氟酸对于石英、硅酸盐、碳酸盐都有溶解能力，但反应生成物中的CaF2与MgF2会产生沉淀，堵塞地层。所以，砂岩酸化多用土酸，土酸就是盐酸与氢氟酸的混合酸液，兼有盐酸与氢氟酸的优点，故砂岩的酸处理又称为土酸处理。根据玉门地区对岩心所进行的实验室研究表明：对于石英含量占55％，长石占10％、粘土占15％，氧化铁占10％，碳酸盐占10％的含油岩心，应用11．4％的盐酸加3％一5％的氢氟酸配制的土酸进行浸泡，其溶解度比单独用盐酸高4—6倍。由于土酸中台有氢氟酸，它们对于粘土、泥浆颗粒和泥饼的溶解能力均大于盐酸。二、酸处理前的预处理工作(1)酸必须稀释后再向地层中挤压，否则会造成金属设备的严重腐蚀；(2)当酸中含有的硫酸根(SO42-)大于0.2％时，必须加氯化钡处理；(3)当地层需要进行土酸处理时，若井底附近碳酸盐含量大于2％—4％时，应预先用稀盐酸处理后，再进行土酸处理；(4)187 在含有大量沥青、胶质的稠油层中进行注水时，由于岩层表面吸附了环烷酸、沥青、胶质而形成一层厚膜，影响酸处理效果，所以在酸处理前应当先用溶剂(汽油)冲洗地(5)当地层间隙水中合有大量的钠、钾离子时，在土酸处理前，应先用盐酸加以处理，以免产生硅酸盐或氟化物沉淀，堵塞油层。三、酸处理所用的添加剂1．防腐剂(缓蚀剂)其作用是避免或减轻盐酸对地面设备及井下管柱的腐蚀。常用的防腐剂有福尔马林(即含有甲醛38％—40％的液体)、烷基苯磺酸钠、油酸乳化物等。在高温下，使用3％甲醛+2％[7623(2—烷基吡啶)〕+3％碘化纳+0.04％氯化亚铜等复配缓蚀剂也很有效。2．稳定剂盐酸与金属氧化物作用后所生成的盐类与水化合可生成氢氧化物的胶质沉淀，如：。这些胶质沉淀很容易堵塞地层孔道。为了消除或减轻这种堵塞现象，需要在盐酸中加稳定剂，以抑制氢氧化物沉淀的生成。最常用的稳定剂是醋酸，它和铁离子形成在高pH值下也不沉淀的络合物，如：生成物为能溶于水的六乙酸合铁(皿)络离子。因为铁离子和醋酸根的结合能力比铁离子和氢氧根的结合能力强，从而减少了产生Fe(OH)2沉淀的机会。醋酸的用量一般为酸液量的1％左右。另外，还有其他稳定剂如：草酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸(EDTA)等。3．活性剂添加表面活性剂的作用是降低酸液的表面张力和调节反应速度。常用的表面活性剂有平平加、PP2、烷基苯磺酸钠、亚硫酸纸浆废液(CCT)、酒精、杂醇等。具体用量及活性剂类型视被处理井的具体情况而定。4．缓速剂为了使酸液不致在刚进入地层时就发生反应而降低酸度，除了在工艺上采取快速高压挤入酸液外，在酸液中加人缓速剂会有更大的缓速效果。缓速剂有氯化钙、烷基苯磷酸钠。其中以烷基苯磺酸钠效果较好，只要在酸中加入0.5％，即可使反应速度降低1/2。四、提高酸处理效果的途径187 实验室研究指出：酸液注入地层中并非均匀推进，而是沿油层中某些裂缝或孔道向油层纵深延伸。所以酸处理的增产作用实质上是：在高压下将酸液注入油层，溶解油层岩石孔道(裂缝)内的可溶性物质，并不断向油层内部延伸，沟通了其他油流通道(或裂缝网)，从而大大提高油层的渗透率。因此，提高酸处理效果的主要途径是设法增加侵蚀孔道的延伸深度。反应速度快时，酸液很快消耗完毕，侵蚀孔道无法向纵深延伸，因此必须研究影响反应速度的因素，并设法控制反应速度。影响反应速度的因素有：(1)酸液浓度。通常应用最广的酸液浓度为15％。浓度大于15％，将使一般缓蚀剂的防腐效果变差。近年来，由于解决了设备防腐蚀问题，趋向使用高浓度酸液。当HCl的浓度增到25％以前．随着浓度的增加，酸反应速度亦增加。这是由于酸液中氢离子浓度增高之故。但当浓度继续增长，超过25％以后，由于氢离子活性减少，反应速度反而越来越慢。这将有利于侵蚀孔道的延伸，从而提高酸处理的效果。(2)温度和压力。随着温度的增加，防蚀困难，酸与岩石的反应速度加快．酸消耗得很快，酸处理的作用仅在井眼附近，不易做到深度酸化。目前对深井高温地层，为了减轻酸的反应速度，一般可向油层须注大量冷水，以降低并底温度，或向酸中加入缓蚀剂。实践证明，随着压力的增加，反应生成的CO2溶于残酸中使反应速度变慢。为此可以在酸液中添加一定量的液态二氧化碳，使反应速度变慢，以提高酸处理效果。压力对反应速度影响不大，一般不考虑。(3)面容比。HCl与石灰岩之间的反应速度和面容比有关。面容比是指单位体积的酸液在缝隙中与之相反应的岩石表面积之比，即：式中：Sφ——面容比；A——岩石表面积；V——酸液体积。面容比与孔隙直径或裂缝宽度成反比。孔隙直径或裂缝宽度愈小，单位体积的酸液与石接触面积就愈大，反应速度就愈快。(4)岩石的组成与结构。岩石的组成不同，酸液对它的溶解速度也不同，低温下石灰岩的反应速度是白云岩的1.5倍，高温下它们的反应速度几乎是相同的。这是因为在白云岩的晶体表面上常常沉积着一层石英薄膜与盐酸隔绝，使白云岩的面容比小于石灰岩。另外，MgCO3与HCl的反应不及CaCO3的快。(5)添加剂。酸中添加CO2及反应速度慢的酸液(甲酸、乙酸)均会降低酸的反应速度。187 综上所述，为了提高酸处理效果，必须根据所处理井的地层条件及酸处理目的，正确选择酸液种类、酸液浓度和酸的用量。为了减慢酸反应速度，增大酸液渗入油层的深度，应采用大排量注酸，控制反应速度。酸处理后应及时排出反应过后的废酸液，以免反应产物重新堵塞地层。五、酸处理工艺简介在矿场实践中，针对酸处理的目的不同，其工艺方法也不同，大体可归纳为三类。1．解堵酸化其主要目的是解除井壁附近的各种堵塞。如果只在井壁形成泥饼，一般要用浸泡以便将泥饼溶解掉。如果泥浆侵入地层，考虑到泥浆可能均匀地分布在井底附近地层的孔隙或裂缝中，多采用小型酸处理的办法。特点是酸液量小，压力和排量不要求很高，希望酸液能在纵向上均匀地进入地层，处理前根据情况尽可能地排出污物，以提高酸化效果。2．层内酸化其主要目的是溶解井底周围油层孔道(或裂缝)表面的矿物或砂粒间的胶结物的侵蚀孔道，以提高井底周围的渗透率，多采用大型酸化的方法。特点是用酸量大，要求大排量注酸、使具有足够浓度的酸液进入油层深处、以扩大酸液有效作用范围。3．压裂酸化其主要针对渗透率极低、岩性致密的石灰岩地层，先用一般压裂液造缝，然后在高于地层压力下向地层内挤酸，在缝面腐蚀成沟槽，增加缝的导流能力，扩大原有裂缝。裂缝是靠缝面被侵蚀后的高点来支撑．故一般可以不加砂。第二节油层压裂水力压裂是油气井增产、注水并增注的一项重要技术措施，从1949年开始就已成为国内外坤田增产效果显著、应用广泛的—种方法。现今的压裂设备能力，可压开6000m的深井，造缝长度可达1km。一、水力压裂的基本原理水力压裂就是用高压大排量泵向油层挤注具有一定粘度的液体，当挤入液体的速度超过油层的吸收速度时，在井底附近形成足够高的压力。这种压力超过井底附近油层岩石的破裂强度及作用在油层上岩层的压力时，就会使油层产生裂缝或裂缝张开。此时继续挤入液体，已形成的裂缝就会继续向油层内部扩张。挤入油层的液体一方面使裂缝向油层内部延伸，另一方面，由于裂缝和油层间存在压差(破裂压力与油层压力之差)，大量的液体经过裂缝的壁面渗滤到油层中去，如图4—1所示。187 图4-1裂缝形成示意图当进入裂缝的液体量大于缝壁的漏失量时，裂缝便不断延伸，从而渗滤面积增大，通过缝壁的滤失量也增大，则裂缝延伸的速度愈来愈小。当进入裂缝的液量等于滤失量时，裂缝会重新闭合。为了保持压开的裂缝处于张开的状态，必须在挤入液体中加入支撑剂(如砂子之类)支撑已形成的裂缝。油层中存在有这种支撑剂充填的一条或多条裂缝时，就大大增加了油层的渗透能力，减少油流阻力，油井就能增产。要想在油层里形成足够长的裂缝，必须用高压，大排量的泵和其他设备；必须用滤失量低，悬砂能力强的压裂液，以及适宜的支撑剂。地层岩石结构是非均质的，并存在微细的天然裂缝及层理，因而所产生的裂缝数目和方向从理论上难以准确预计。一般取决于岩石所受的地应力状态。矿场实验指出：在浅油层(700—800m)可能产生水平裂缝，超过1000m或1200m，多半出现垂直裂缝。二、压裂液类型及其性能要求压裂液按其物理、化学性能可分为油基、水基和混合基三种类型。目前国内常用的压裂液为水基压裂液(由槐树豆粉、田菁粉以及决明子等配制而成)，也有的采用油水乳状压裂液。按施工过程压裂液的作用，可将它分为预压液：起劈裂油层作用；携砂液：兼有将支撑剂带入裂缝中，并延伸裂缝的作用；顶替液：将井筒中的携砂液顶替到裂缝中。压裂液在压裂过程中消耗量较大，对它的性能控制和选择，直接影响到压裂效果，施工成败和成本高低。压裂液主要性能应满足：(1)渗滤性低，以较少的用量得到较长的裂缝；(2)悬浮性能好，能将支撑剂全部、均匀地带入裂缝缝；(3)摩阻损失少，易于泵送，以降低井口压力；187 (4)同地层原有流体及岩层有较好的配伍性；(5)粘温性能、热稳定性好，能适应深井高温高压的要求；(6)压完后废液易于排出，不堵塞地层；(7)来源广、成本低、易于配制。三、支撑剂的类型及其质量要求支撑剂的选用对于压裂效果有着很大的影响。按支撑剂的性质可分为两大类：一类是韧性的，如金属球、塑料球、核桃壳。其中金属球强度大，塑料球、核桃壳球强度较低；另一类是脆性的，如砂子、玻璃球。玻璃球强度较高，砂子强度低，目前应用最广泛的仍然是石英砂，但随着井的深度增加和地层硬度增大，采用高强度支撑剂逐渐增多。对支撑剂的质量要求是：(1)强度大。支撑剂在裂缝里受到裂缝壁面闭合压力的巨大压力，如果强度不够，则易被压碎，堵塞了通道，起不到增产的作用。(2)颗粒均匀，圆球度好。这种支撑剂充填了裂缝之后，具有较大的渗透能力。(3)杂质少，避免堵塞缝隙。(4)来源广，价廉。四、压裂工艺设计为了使压裂得到顶期的效果，必须根据地质情况合理地选择压裂井、压裂单位、压裂液和支撑剂。1．选井选层虽然水力压裂是广泛使用的一种增产措施，但并不是对所有的井都有效的，一般情况下，下列井适于压裂：(1)油层岩石胶结致密、渗透率低。例如致密砂岩，石灰岩等，压裂后效果较好。(2)含油饱和度高，油井压力高的低产井。压裂后，产量常常大幅度提高。(3)井眼附近油层受到堵塞，降低了产量和吸水能力的井。小规模压裂对于解除堵塞非常有效。为了提高压裂效果还可采取油水井对应压裂，以水井为主。这样能起到送效、引效的作用。此外，还应根据油田的地质情况和井网布置，调整总体规划，充分发挥油水井的作用。对于渗透率很高的井，油水边缘的井以及固井质量不好的井，一般不宜于压裂。2．压裂液的选择187 压裂液要根据油层流体特性、岩层的物理、化学性质来选择。(1)根据岩石的化学性质基本上确定压裂液的类型。对于石灰岩、白云岩，宜选用酸基压裂液；对于砂岩和低溶解的岩层，宜选用水基压裂液或油基压裂液，也可以用在水基压裂液中添加二价阳离子(如加0.5％的CaCl2)。对于注水井，可以采用含盐的清水做压裂液，如果产层内含有易溶于水的盐类成分时，也可以用清水。(2)岩石的物理性质(温度、压力、渗透率、孔隙度、有无原生孔隙和孔穴等)，特别是温度和压力需要很好考虑。一般压裂液的粘度受温度的影响较大。例如胶凝原油只能在93℃以内使用；稠化酸在高温下很快稀释，当温度高时必须增加稠化剂的用量。在一般油层温度下，水基压裂液粘度应不低于2000mPa·s，温度高时可选用粘温性能比较好的植物胶或增加植物胶的用量。在高压井压裂时，需要选用高相对密度的压裂液，以克服井底压力，并能降低地面设备所需功率。在低压井压裂时，应选用低粘度、低相对密度液体，压裂后易于从地层中排出。(3)所选择的压裂液必须与地层流体相适应，不会产生有害的乳状液或沉淀物。对于含有重质原油、沥青或石蜡的油层，最好不用低相对密度原油，而用水基压裂液或芳香族原油。3．支撑剂的选择支撑剂的类型选择取决于岩层性质及井深。对于岩石嵌入压力小的浅井可选用砂子；对于嵌入压力大的深井，一般选用不易变形或压碎的铝合金球或阔球等；对于嵌入压力中等的中、深井可选用核桃壳或硬塑料球。由于高强度支撑剂成本过高，有时对深井可先压入一部分砂子，然后再尾随一部分离强度支撑剂。砂液比的选择取决于压裂液的性能及施工时泵的排量。一般说来，在一定条件下高的砂液比，压裂效果好。但是它又受到其他因素的制约，如果不顾排量、压裂液的悬砂能力的影响而单纯提高砂液比，在施工中往往会造成砂堵。在目前设备及压裂条件下，砂液比一般控制在10％～20％之间。随着压裂液粘度增加，砂液比可以增加到30％～40％。支撑剂的大小：目前国内常用的砂粒直径为0.4～0.8mm、0.8～1.2mm或1．5～2.0mm。目前有一种趋势，即支撑刑的直径随压裂液的用量和粘度的增加而增大。4．压裂后的评价187 在每口井进行压裂后，应进行总结，找出成功或失败的原因，以便总结经验，以利再战。比较全面的总结，应对井下情况有所估计。例如地层里出现的裂缝，是垂直的还是水平的，裂缝的长度及其导流能力。这几个参数只靠压裂过程中的参数记录是不够的，需要特殊的方法进行测量，如应用膨胀打印或井下电视方法找出裂缝的形态，应用测地震波、地电等方法测量裂缝方位。评价一口井的压裂效果，目前常用两个指标：(1)在可比条件下压裂前后的产量或注水量的增加倍数；(2)增产有效期的长短。两个参数反映了裂缝的导流能力、裂缝长度、地层供液能力的大小。压裂效果的评价不仅能验证本次压裂工作各项参数选择是否合理，而且也能说明选井是否恰当。187