[科普中国]-吸水剖面

定义

注入剖面通常包括注水剖面、注蒸汽剖面、注聚合物剖面等测井方法。此外还有注CO2、注N2等。注水通常是在二次采油中使用，在我国较为常见。稠油开采通常采用注蒸汽等方法，注聚合物是三次采油中常见的方法。注入剖面主要用于确定注入水、蒸汽、聚合物等流体的去向和注入量，了解油气田开发的动向。

我国油田大都采用分层注水方式保持油层压力，因此除了钻采油井之外，还要钻一批注水井，为了及时了解注水井或生产井各层油气水的动态，应及时掌握各层的注入量以及生产井的油气水产量，前者称为注水剖面，后者称为产出剖面。

测量目的明确各小层吸水量，测量地层的吸水能力，验证注水设计的效果，为下一步优化注水措施提供依据。

测量方法（1）同位素示踪：

通过测量各层在注入同位素后的放射性强度，来来成比例的反映各层的吸水量；

（2）涡轮流量计：

通过涡轮来测量水流的流速；

（3）氧活化测量：

通过放射性示踪的方法来测量水流的流速，进而计算出流量。1

影响吸水剖面因素根据现场资料分析和实验室研究, 引起注水井吸水能力下降的因素可综合为四个方面:

(1 ) 与注水井井下作业及注水井管理操作有关的因素, 主要包括: 进行作业时, 因用压井液使泥浆侵入注入层造成堵塞; 由于酸化等措施不当或注入操作不平稳而破坏地层岩石结构, 造成砂堵; 未按规定洗井, 井筒不清洁, 井内的污物随注入水带入地层造成堵塞。

(2) 与水质有关的因素, 主要包括: 注入水与设备和管线的腐蚀产物( 如氢氧化铁, 及硫化亚铁FeS 等) 造成堵塞; 注入水中含有某些微生物( 如硫酸盐还原菌、铁菌等) , 除了它们自身有堵塞作用外, 它们的代谢产物也会造成堵塞; 注入水中所带的细小泥砂等杂质堵塞地层; 注入水中含有在油层内可能产生沉淀的不稳定的盐类。如注入水中所溶解的重碳酸盐, 在注水过程中由于温度和压力的变化, 可能在油层中生成碳酸盐沉淀。

(3 ) 组成油层的粘土矿物遇水后发生膨胀。

由于许多砂岩油层均存在着粘土夹层, 而岩石胶结物中亦含有一定数量的粘土, 因而在油层注水过程中, 往往由于粘土遇水膨胀造成地层堵塞, 甚至由于粘土膨胀后使岩石颗粒之间的联系变弱, 严重者, 在井壁处造成岩层崩解而坍塌。

粘土遇水膨胀的能力, 与构成粘土矿物的类型和含量有关。根据研究, 蒙脱石组成的粘土矿物膨胀性最大, 而高岭石组成的膨胀性最小。膨胀的程度随蒙脱石组成的矿物含量的增加而增大。粘土膨胀的大小与水的性质有关, 通常淡水比盐水使粘土膨胀的程度大。由于地层水含盐量高, 因而一般注地层水比注地面水引起的粘土膨胀要小。此外, 粘土中最小颗粒含量愈多, 膨胀性愈大。

由于不同油田上油层岩石中粘土含量与组成不同, 以及注入水性质不同, 因此粘土的膨胀程度以及对注水井吸水能力的影响程度也有所不同, 有的甚至没有明显的影响。在注水过程中, 上述影响吸水能力的各个问题可能同时出现, 但在不同条件下, 它们各自对注水井吸水能力的影响程度却有所不同。因此, 对具体情况应作具体分析, 从调查研究入手, 分析影响吸水能力降低的因素, 找出主要矛盾, 然后加以解决。

(4 ) 注水井地层压力上升。

前三方面是指在注水过程中, 由于地层孔道被各种堵塞物或粘土膨胀造成堵塞, 使吸水能力降低。第四方面则是注水过程中的正常现象。根据一些油田注水井取样分析, 其堵塞物一般为硫化亚铁、氢氧化铁、碳酸钙、泥质、藻类与细菌等。2

防止吸水能力下降措施要防止吸水能力下降, 就要针对吸水能力下降原因采取相应的措施。在注水过程中应当采取以预防为主的措施, 防止对地层产生堵塞。为了避免泥浆侵害油层或因操作不当引起井底砂堵, 在注水井进行井下作业时, 一般采用不压井不放喷作业, 慎重而正确地进行酸化,注水操作要平稳。

油田的实践表明, 在注水过程中使吸水能力下降的主要因素是水质及注水系统的管理。因此在注水过程中, 要防止注水井吸水能力下降, 首先必须保证水质符合要求, 尽量避免由于水质不合格所引起的各种堵塞。

在注水井日常管理中应当注意以下几方面的问题:

(1 ) 及时取水样化验分析, 发现水质不合格时, 应立即采取措施, 保证不把不合格的水注入油层;

(2 ) 按规定冲洗地面管线、储水设备和洗井, 保持管线、储水设备和井内清洁;

(3 ) 保证平稳注水, 减少波动, 以免破坏地层结构和防止管壁上的腐蚀物污染水质和堵塞地层。2

解决吸水能力下降方法地层吸水能力的降低, 绝大多数是由于地层被堵塞所引起的, 所以如果要恢复地层吸水能力, 就必须解除堵塞。造成堵塞的原因不同, 解堵的方法也不同。用排液的方法有时可以部分地解除地层的堵塞, 方法也简便。但排液法的效果有限, 有些堵塞是用一般排液所不能排除的。同时, 大量排液将降低注水井的地层压力而违背了注水的目的。因此, 通常解堵还需采用专门的处理措施。

根据前面所讲, 注水过程中造成地层堵塞的各种堵塞物可大体分为两大类。一类是无机堵塞物, 其中可被盐酸溶解的主要有CaCO3 , FeS 等。泥质堵塞物虽然不溶于盐酸, 但土酸( 盐酸和氢氟酸的混合液) 对它有较大的溶解能力。因此, 清除无机堵塞物时, 通常是用酸处理( 盐酸或土酸处理)。

另一类是有机堵塞物, 即藻类和细菌。细菌随注水井进入地层, 在井底周围生长繁殖,要清除它们的堵塞, 就要对井底附近采取杀菌措施。例如某油田曾用注入甲醛水溶液进行地层内的杀菌现场试验, 获得了一定的效果。但对细菌代谢作用产物造成的堵塞, 此法是不能清除的。这些代谢产物主要是FeS 沉淀, 可以进行酸处理。所以, 在有细菌堵塞的情况下可采用杀菌与酸化联合处理。这样既可杀菌, 又可清除细菌代谢产物及其他沉淀物对地层的堵塞。

注水井酸处理的方法, 除一般的盐酸处理和土酸处理之外, 还可根据油层具体情况采用其他的酸处理方法, 下面介绍国内油田曾采用过的方法。

1. 稀酸活性液不排液法

此法是在注水井注入浓度较低的盐酸和氢氟酸混合液。其特点是酸液挤入后不排液。因为酸液浓度低, 反应后的产物量少, 靠注入水挤入地层深部扩散, 工艺上比较简单。使用的配方是: 盐酸2%～5% , 氢氟酸0.5% , 甲醛0.5%～1% , 活性剂0.2%～0.5%。一般用量为每米厚地层2～5 m3 增注液。此法一般有效期较短, 增注幅度不大。

2. 醋酸缓冲—稀酸活性液增注

此法是先注入由醋酸15% + 烧碱1.56%配成的pH = 4.0 的溶液做前缘缓冲液, 接着注入盐酸0.5% + 氢氟酸0.5% + 甲醛0.5%～1% + 活性剂0.2% ～0.5% 配制成的稀酸活性液; 最后再注入后缓冲液( 成分同前缓冲液)。

稀酸活性液的作用是解除井底堵塞。因为根据对注水井排液取样分析, 所得的固体沉淀物中有70%～90%左右是硫化铁、氧化铁、碳酸钙、泥质等, 它们大都是可以被盐酸溶解的物质, 如HCl + FeS→ FeCl2 + H2 S。将反应产物排出地层就可达到解堵的目的。酸化后排液的目的是为了排出反应产物, 以免重新造成堵塞, 但采用排液的办法, 既增加了施工工艺内容, 又会因大量排液而降低注水井地层压力。如果注酸后采用不排液方式,则反应产物随水推进, 当酸液扩散稀释, pH 值升高到3.5 以上时, 被溶解的堵塞物有一部分又重新析出, 在油层内部造成堵塞。为了解决这个问题, 提出了在注入稀酸活性液之前和之后注入一定体积的醋酸缓冲液, 使酸液在一定的推进距离内始终保持酸性(即pH 值小于3.5) 。所用缓冲液在被水稀释380～400 倍时, 其pH 值仍然低于3.5。

醋酸缓冲—稀酸活性液增注工艺的优点是工艺简便( 不动井口, 不停注, 不排液) , 节省人力和设备( 不上作业队, 不用水泥车) , 又初步解决了FeS 在井底附近重新沉淀的问题。施工时只需先用大排量( 20～40 m3/ h ) 洗井。实践证明, 对于结构疏松, 用一般酸化浓度处理后易出砂的注水井, 这是一项可增注又不会造成出砂的行之有效的增注措施。

3. 逆土酸增注法

它是低渗透泥质胶结地层增注的一个有效方法。它与土酸处理法的原理相同, 即用HCl溶解碳酸钙, 用HF 溶解泥质、石英砂等, 但不同点是HF 的用量大于HCl , 盐酸浓度为2% , 氢氟酸浓度为6% , 所以称为逆土酸。在处理工艺上, 因使用的HF 浓度较大, 岩石泥质胶结被溶解后易引起出砂。为了避免出砂, 施工时在井壁附近留0.5～0.1 m 井壁防砂环,不用酸液浸泡。此措施效果明显, 施工后尚未发现出砂现象。

4. 胶束(活性柴油) 逆土酸增注法

此法是针对稠油、低渗透层试验成功的一种增注方法。它的原理是先用胶束或活性柴油溶解和驱替稠油, 解除稠油堵塞, 然后用逆土酸溶解泥质等, 提高地层的绝对渗透率。胶束是表面活性剂、油、水三者在一定条件下组成的互溶、单相透明体系, 对稠油、蜡、胶质、沥青质等, 具有较强的增溶能力。活性柴油是往柴油中加入一定量活性剂配制而成的, 对油也具有很好的溶解能力。室内和现场试验证明, 胶束( 活性柴油) 逆土酸联合施工, 比单独用胶束( 活性柴油) 和单独用逆土酸增注的效果都好。因为它不仅可以解除稠油堵塞, 而且还可以提高地层绝对渗透率。试验中曾出现因氢氟酸浓度大( 7.4%) , 处理量大( 5 m3/ m)而在处理后引起水井出砂问题。若采用HF 浓度6% , 用量1～2 m3/ m 处理, 施工后未出现出砂现象。

对于解除细菌堵塞, 最好的办法是先用强氧化剂把活的细菌氧化掉, 然后再进行酸处理。强氧化剂可以采用次氯酸钠, 但使用时需加防腐剂, 以避免对钢铁的腐蚀。对于粘土遇水膨胀造成的地层堵塞, 室内试验研究表明: 注入地层水、盐水( 食盐、氯化钙、氯化钾)、pH = 3～4 的酸性水以及表面活性剂溶液等, 在一定程度上都可减少( 或防止) 粘土膨胀, 或使膨胀后的粘土脱水或收缩。2

改善注水井吸水剖面的方法在非均质的多油层油田, 注水井往往是一井同时注多层。由于各层性质的差异( 孔隙大小、渗透率高低、有无裂缝等) , 各层段的吸水能力往往差别很大: 高渗透层大量吸水; 中低渗透层吸水很少或不吸水; 有裂缝的小层吸水量极大, 因而注水井吸水剖面极不均匀。其结果使高渗透、有裂缝的层段迅速水淹, 油井严重出水, 而中低渗透层由于地下亏损而使地层压力迅速下降, 油井生产困难。因此非均质地层注水, 要解决下面两个问题: 增加吸水层厚度; 降低各层段吸水的非均衡性。2

解决这两个问题有两种途径:

一是降低高渗透小层的吸水能力, 将稠粘液体注入地层, 使它在吸水剖面上按各小层的渗透率吸收。因此, 在注水时高渗透层将产生较大的流动阻力, 从而降低其吸水量, 改善整个厚度上吸水的不均衡性。

二是改善井底地带岩石的渗透率, 即增加中低渗透层岩石的绝对渗透率, 以达到剖面上吸水均衡的目的。用来改善吸水剖面的方法主要有以下几种。

1. 酸处理低渗透层

目的是用酸液提高中低渗透层的绝对渗透率, 原理与一般酸处理相同。要求进行选择性分层处理, 即用封隔器卡封高渗透层, 而对中低渗透层进行酸处理。处理后在原注水压力下可提高注水量, 改善吸水剖面。

2. 提高注水压力

如果在已选择的注水压力下, 只有高渗透层吸水, 低渗透层不吸水, 为改善吸水剖面及提高开发速度, 可用提高注水压力的方法。

在产生垂直裂缝的油藏, 为了防止注入水串到非注水层位, 一般要严格控制注水压力在地层破裂压力以下。对产生水平裂缝的油藏, 一般无此限制, 注入压力由所要求达到的注入量来决定。

高压注水提高了注水压差, 使在低注入压力下不吸水的地层吸水。高压注水可使地层产生微小裂缝, 以提高吸水能力。室内试验结果是: 当注入时的井底压力大于岩柱压力时, 地层渗透率将随井底压力与岩柱压力之差的增加而增大。这是由于, 当注入井井底压力大于岩柱压力后, 颗粒间的应力减小, 颗粒发生移动, 岩石孔隙结构被坏; 原关闭孔隙和敞开孔隙的隔墙被打开, 在大的压力差下, 小孔道内产生了流动。

提高注水压力后, 可使一些低渗透层吸水而增加吸水层厚度, 但并不能保证达到各层吸水能力均衡增加, 因为在高注水压力下高渗透层的吸水能力也要增大。在裂缝性灰岩中采取高压注水, 常导致油井暴性水淹, 所以要根据油层的具体情况选择注入压力, 保证得到最好的注入效果。

3. 用堵塞剂在厚度上控制注入水的方法

此法的原理是在注水井中注入堵塞剂, 它将按各小层的吸水能力进入各小层, 高渗透层吸入的多, 地层孔道被堵塞剂塞住后可降低吸水量。如果保持原注水压力, 整个井的吸水能力将降低。如果堵住高渗透层后, 提高注入压力, 从前不吸水的层可在高压下增加吸水量,从而达到均衡注水的目的。

对堵塞剂的要求是: 既保证降低地层中水的相渗透率或完全把高渗透层和裂缝堵起来,同时又要有在必要时恢复地层原有渗透性的可能; 要有充足的货源, 价廉, 使用安全, 工艺简单, 并能利用矿场一般设备注入地层。可以选择为堵塞剂的物质有: 石灰乳、脱气原油、原油、重油混合物、混气液体等。堵塞剂的选择要根据注水层的性质( 渗透率、孔隙大小、裂缝大小) 来考虑。2

应用1、针对常规方法获取分层吸水指数存在的问题，结合渗流理论和注水剖面测井一次下井能连续测量流量和压力的特点，测井时多次改变井口注水量，通过注水剖面资料的处理确定各储层的相对吸水量、确定各储层的地层压力和吸水指数的方法，由此还能掌握各储层地层压力和吸水能力的差异。

2、吸水剖面包括同位素和氧活化，同位素费用低，主要用于水井，氧活化主要是针对聚驱，因为聚合物分子有污染，氧活化要准确些。

3、测量的产出剖面与 地质静态资料基本符合，指出射孔油层的动用差别，指示调整挖潜的油层。3