CN108643856B - 一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法，属于石油开发中的采油工程领域，包括如下步骤：确定径向井方位、径向井长度、径向井数目、堵剂用量和注入排量。本发明将堵剂的流线由传统的笼统注入法沿采油井作径向流，变为在水流优势条带内沿径向井作径向流，实现堵剂的精准投放，减小了对油藏的伤害；径向井的导流能力很强，可视为管流，相比于地层渗流，大大降低了向地层深部的注入压力，起到降压增注的效果；本发明可以实现堵剂在水流优势条带内的精准投放和降压增注，对提高油井堵水效果具有重要的意义。

Description

一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法

技术领域

本发明属于石油开发中的采油工程领域，具体涉及一种具有精准投放和降压增注功能的径向井引导堵剂注入油井堵水方法。

背景技术

油藏注水开发是二次采油主要手段，通过水井向地层注水可以保持油藏压力，同时注入水作为驱替流体可以将地层中的原油从地层深部驱替到油井中，提高油藏采收率。

研究表明，长期注水开发会改变地层岩石孔隙结构，增大渗透率，形成水流优势条带。注采井之间连线最短，压力梯度最大，水流优势条带通常位于注采井之间。水流优势条带的存在减小了注入水在地层中波及系数，加剧了地层非均质性，导致油井产油量减小而含水率持续上升。

通过油井注入堵剂对水流优势条带进行封堵是解决此类问题的有效措施之一。目前，国内外对于油井堵水的研究主要集中在堵剂配方优选以及与地层适应性评价。现场堵水施工采用向油井中笼统注入堵剂的方法，堵剂会以井筒为圆心向地层径向渗流，依靠堵剂自身选择性以及地层的非均质性对水流优势条带封堵，如图1所示。

研究表明，笼统注入堵剂时，由于水流优势条带渗透率高，堵剂进入的较多。但堵剂不可避免会进入到周围低渗透地层，造成油藏污染(如图2所示)。处理不当甚至会将油井堵死，需要后续解堵等复杂工艺，增加作业难度和成本。

此外，由于油井附近地层压力梯度大，笼统注入时面临注入压力大，堵剂注入量少等问题(如图3所示)。导致堵剂不能进入到地层深部，注入堵剂难以形成足够强度的封堵，若盲目增大注入压力又会加剧堵剂进入低渗透地层，污染油藏。

总的来说，目前油井堵水多采用笼统注入堵剂方法，笼统注入法具有以下几个弊端：①堵剂以井筒为圆心向地层径向渗流，不能实现堵剂在水流优势条带精准投放；②堵剂会进入到低渗透地层，污染油藏；③油井附近地层压力梯度大，导致堵剂注入压力大，堵剂难以进入到地层深部；④由于堵剂成胶时间短，注入压力大导致在短时间内堵剂注入量少，难以形成足够强度的封堵。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法，包括如下步骤：

步骤1：径向井方位的确定

采用包括示踪剂法、PI值图描述法和测井曲线特征比值判断法在内的工程方法确定出地层中水流优势条带的方位，径向井方位与水流优势条带方位一致；

步骤2：径向井长度的确定

径向井的长度取决于所采用的堵剂强度和地层压力梯度分布，根据公式(1)确定：

L≥a·r_G' (1)；

式中，L为径向井长度，单位为cm；a为冗余系数；G’堵剂突破压力梯度；r_G'为堵剂突破压力梯度对应的地层所在点与油井之间的距离，单位为cm；

为了方便计算地层压力梯度，作如下假设：水流优势条带中流体渗流视为水的单相流动，服从达西定律且为稳定流动，流体和多孔介质均不可压缩，则平面径向流地层压力梯度为：

式中，

为地层压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；P_inj为注水井井底压力，单位为10⁵Pa；P_w为油井井底压力，单位为10⁵Pa；r_inj为油水井之间距离，单位为cm；r_w为油井井筒半径，cm；r₁为油水井之间任意一点与油井之间的距离，单位为cm；

令公式(2)左端等于堵剂的突破压力梯度为G’，则r₁＝r_G'，如公式(3)所示：

根据公式(4)，求出堵剂突破压力梯度对应的地层所在点与油井之间的距离r_G'：

根据公式(1)、(4)，求出径向井长度为：

步骤3：径向井引导堵剂注入平面径向流模型

流体在径向井中的流动为管流，且相比于油藏供油面积，径向井长度很小，可将径向井视为具有无限导流能力，忽略沿径向井方向上的压降，堵剂以恒定排量注入，水流优势条带边界处地层压力一定，则径向井引导堵剂注入平面径向稳定渗流的数学模型为：

式中，

为沿径向井径向压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；R_rad为径向井半径，单位为cm；R_e为水流优势条带边界与径向井之间距离，单位为cm；P_e为水流优势条带边界处地层压力，单位为10⁵Pa；α为注入堵剂沿径向井分流系数；Q为注入堵剂排量，单位为cm³/s；

为冻胶类堵剂注入过程中平均粘度，单位为mPa.s；k为地层渗透率，单位为um²；L为径向井长度，单位为cm；r₂为径向井与水流优势条带边界之间任意一点到径向井的距离，单位为cm；

对公式(6)求解，得径向井与水流优势条带边界之间任意一点的压力为：

基于达西定律计算出的堵剂在地层中的渗流速度v为：

流体质点在地层中的平均真实流速与渗流速度的关系为：

式中，φ为孔隙度；μ为真实流速，单位为cm/s；

对公式(9)分离变量可得：

流体质点从径向井运移到水流优势条带边界所用时间为：

步骤4：径向井数目判断准则

现场油井堵水作业有一定的时间限制，如果时间过长则冻胶堵剂在注入地层之前就已经熟化，导致无法注入；假设冻胶类堵剂成胶时间为T，则堵水作业时间最长不超过时间T，如果水流优势条带比较大，在时间T内单个径向井引导堵剂注入前缘还远离水流优势条带边界，则无法对水流优势条带进行完全封堵，影响堵水效果，对此，需要进行多个径向井引导堵剂注入；

假设各个径向井之间堵剂注入过程无相互干扰，根据式(11)可以计算出堵剂从径向井运移到水流优势条带边界处所用时间T_e，径向井数目判断准则为：

若T_e＜T，则只需一个径向井；

若T_e＞T，则需多个径向井；

步骤4：多径向井数目的确定

对公式(10)进行积分，可以得到一定时间内堵剂在地层中运移距离的计算公式，如公式(12)所示：

式中，r₃为堵剂从径向井向地层渗流前缘与径向井之间的距离，单位为cm；n为径向井数目；

由于径向井半径R_rad只有3-5cm，与地层相比可以忽略不计，则公式(12)可简化为：

在堵剂成胶之前T时内，堵剂在地层中运移的最大距离为：

当水流优势条带上下边界距离为B时，所需的径向井数目应满足：

2nr_max≥B (15)；

将式(14)带入式(15)得：

由于n只能为整数，对于多个径向井引导堵剂注入，具体的径向井数目根据下式确定：

式中，

为取整函数，是指不超过

的最大整数；

步骤6：堵剂用量的确定

对于长度为A，高度为B的水流优势条带，采用长度为L的径向井进行封堵时，所需要的堵剂体积V为：

V＝βABLφ (18)；

式中，β为冗余系数；

步骤7：堵剂注入排量的确定

堵剂注入时注入压力不得超过岩石破裂压力，在此前提下排量越大越好，有利于缩短作业时间；

步骤8：从采油井按照已知的径向井方位、径向井长度和径向井数目打出相应的径向井；

步骤9：将配好的冻胶类堵剂按照一定的排量从油井泵入，控制堵水作业时间不超过冻胶成胶时间，堵剂泵入压力不得超过地层岩石破裂压力；

步骤10：堵剂泵入之后焖井一段时间，待堵剂成胶。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)将堵剂的流线由传统的笼统注入法沿采油井作径向流，变为在水流优势条带内沿径向井作径向流，实现堵剂的精准投放，减小了对油藏的伤害。

(2)径向井的导流能力很强，可视为管流，相比于地层渗流，大大降低了向地层深部的注入压力，起到降压增注的效果。

附图说明

图1为笼统注入堵剂示意图。

图2为笼统注入堵剂造成的油藏污染示意图。

图3为笼统注入堵剂造成的注入压力大示意图。

图4为径向井引导堵剂注入的示意图。

图5为径向井引导堵剂注入平面径向流模型示意图。

图6为多径向井引导堵剂注入的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一、方法阐述

(1)径向井方位的确定

采用工程方法(示踪剂法、PI等值图描述法、测井曲线特征比值判断法等)确定出地层中水流优势条带的方位，径向井方位与水流优势条带方位一致。

(2)径向井长度的确定

地层中的压力分布呈现出注水井和采油井压力梯度大，地层深部压力梯度小的特点(如图4所示)。油井堵水选用的堵剂强度至少要能承受油井周围地层的压力梯度，才能对水流优势条带进行有效封堵。对于一定强度的堵剂(突破压力梯度为G’)，其投放的位置至少要深入对应地层压力梯度为G’的所在位置。所以径向井的长度取决于所采用的堵剂强度和地层压力梯度分布，可根据公式(1)确定。

L≥a·r_G' (1)；

式中，L为径向井长度，单位为cm；a为冗余系数，一般取1.1～1.3；r_G'为堵剂突破压力梯度为G’时对应的地层所在点与油井之间的距离，单位为cm。

为了方便计算地层压力梯度，作如下假设：水流优势条带中流体渗流视为水的单相流动，服从达西定律且为稳定流动，流体和多孔介质均不可压缩，则平面径向流地层压力梯度为：

式中，

为地层压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；P_inj为注水井井底压力，单位为10⁵Pa；P_w为油井井底压力，单位为10⁵Pa；r_inj为油水井之间距离，单位为cm；r_w为油井井筒半径，cm；r₁为油水井之间任意一点与油井之间的距离，单位为cm。

令公式(2)左端等于堵剂的突破压力梯度为G’，则r₁＝r_G'，如公式(3)所示：

根据公式(4)，求出堵剂突破压力梯度对应的地层所在点与油井之间的距离r_G'：

则径向井长度为：

(3)径向井引导堵剂注入平面径向流模型

冻胶类堵剂作为非牛顿流体，其在地层多孔介质中的流动会导致孔隙结构和渗透率的改变，受剪切作用的影响其粘度也会发生变化。目前对于非牛顿流体在地层中流动的研究集中在聚合物驱、稠油流动等方面，其开发时间多在几年甚至几十年。用于描述此类过程的非牛顿流体在多孔介质中流动的数学模型过于复杂，求解过程繁琐且多采用数值求解，这限制了其在工程领域的应用。而利用径向井引导堵剂注入进行油井堵水施工时间一般仅为几个小时到几十个小时，为了方便现场施工计算，忽略在此短时间内流体对地层孔隙结构和渗透率造成的影响以及自身物性等的变化。图5为堵剂沿径向井向地层径向流模型。

流体在径向井中的流动为管流，且相比于油藏供油面积，径向井长度很小，可将径向井视为具有无限导流能力，忽略沿径向井方向上的压降，堵剂以恒定排量注入，水流优势条带边界处地层压力一定，则径向井引导堵剂注入平面径向稳定渗流的数学模型为：

式中，

为沿径向井径向压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；R_rad为径向井半径，单位为cm；R_e为水流优势条带边界与径向井之间距离，单位为cm；P_e为水流优势条带边界处地层压力，单位为10⁵Pa；α为注入堵剂沿径向井分流系数；Q为注入堵剂排量，单位为cm³/s；

为冻胶类堵剂注入过程中平均粘度，单位为mPa.s；k为地层渗透率，单位为um²；L为径向井长度，单位为cm；r₂为径向井与水流优势条带边界之间任意一点到径向井的距离，单位为cm。

对公式(6)求解，得径向井与水流优势条带边界之间任意一点的压力为：

基于达西定律计算出的堵剂在地层中的渗流速度v为：

流体质点在地层中的平均真实流速与渗流速度的关系为：

式中，φ为孔隙度；μ为真实流速，单位为cm/s；

对公式(9)分离变量可得：

流体质点从径向井运移到水流优势条带边界所用时间为：

(4)径向井数目判断准则

现场油井堵水作业有一定的时间限制，如果时间过长则冻胶堵剂在注入地层之前就已经熟化，导致无法注入。假设冻胶类堵剂成胶时间为T，则堵水作业时间最长不超过时间T。如果水流优势条带比较大，在时间T内单个径向井引导堵剂注入前缘还远离水流优势条带边界，则无法对水流优势条带进行完全封堵，影响堵水效果。对此，需要进行多个径向井引导堵剂注入。

假设各个径向井之间堵剂注入过程无相互干扰，根据式(11)可以计算出堵剂从径向井运移到水流优势条带边界处所用时间T_e。径向井数目判断准则为：

若T_e＜T，则只需一个径向井；

若T_e＞T，则需多个径向井。

(5)多径向井数目的确定

对公式(10)进行积分，可以得到一定时间内堵剂在地层中运移距离的计算公式为；

式中，r₃为堵剂从径向井向地层渗流前缘与径向井之间的距离，单位为cm；n为径向井数目。

由于径向井半径R_rad只有3-5cm，与地层相比可以忽略不计，则(12)可简化为：

那么在堵剂成胶之前T时内，堵剂在地层中运移的最大距离为：

对于图6所示的多径向井引导堵剂注入模型，当水流优势条带上下边界距离为B时，所需的径向井数目应满足：

2nr_max≥B (15)；

将式(14)带入式(15)得：

由于n只能为整数，对于多个径向井引导堵剂注入，具体的径向井数目根据下式确定：

式中，

为取整函数，是指不超过

的最大整数；

(6)堵剂用量的确定

对于长度为A，高度为B的水流优势条带，采用长度为L的径向井进行封堵时，所需要的堵剂体积V为：

V＝βABLφ (18)；

式中，β为冗余系数。

(7)堵剂注入排量的确定

堵剂注入时注入压力不得超过岩石破裂压力，在此前提下排量越大越好，利于缩短作业时间，现场排量一般不超过10m³/h.

(8)在确定了径向井方位、径向井长度、径向井数目、堵剂用量和注入排量之后，径向井引导堵剂注入油井堵水作业具体作业方法为：

①从采油井按照已知的径向井方位、径向井长度和径向井数目打出相应的径向井，径向井直径一般为3～5cm；

②将配好的冻胶类堵剂按照一定的排量从油井泵入，堵水作业时间不得超过冻胶成胶时间；

③控制堵剂泵入压力不得超过地层岩石破裂压力；

④堵剂泵入之后焖井一段时间，待堵剂成胶。

二、作用机理及优点

(1)将堵剂的流行由传统的笼统注入法沿采油井作径向流，变为在水流优势条带内沿径向井作径向流，实现堵剂的精准投放，减小了对油藏的伤害。

(2)径向井的导流能力很强，可视为管流，相比于地层渗流，大大降低了向地层深部的注入压力，起到降压增注的效果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种径向井引导堵剂注入油井堵水方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：径向井方位的确定

采用包括示踪剂法、PI值图描述法和测井曲线特征比值判断法在内的工程方法确定出地层中水流优势条带的方位，径向井方位与水流优势条带方位一致；

步骤2：径向井长度的确定

径向井的长度取决于所采用的堵剂强度和地层压力梯度分布，根据公式(1)确定：

L≥a·r_G' (1)；

式中，L为径向井长度，单位为cm；a为冗余系数；G’堵剂突破压力梯度；r_G'为堵剂突破压力梯度对应的地层所在点与油井之间的距离，单位为cm；

为了方便计算地层压力梯度，作如下假设：水流优势条带中流体渗流视为水的单相流动，服从达西定律且为稳定流动，流体和多孔介质均不可压缩，则平面径向流地层压力梯度为：

式中，

为地层压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；P_inj为注水井井底压力，单位为10⁵Pa；P_w为油井井底压力，单位为10⁵Pa；r_inj为油水井之间距离，单位为cm；r_w为油井井筒半径，cm；r₁为油水井之间任意一点与油井之间的距离，单位为cm；

令公式(2)左端等于堵剂的突破压力梯度为G’，则r₁＝r_G'，如公式(3)所示：

根据公式(4)，求出堵剂突破压力梯度对应的地层所在点与油井之间的距离r_G'：

根据公式(1)、(4)，求出径向井长度为：

步骤3：径向井引导堵剂注入平面径向流模型

流体在径向井中的流动为管流，且相比于油藏供油面积，径向井长度很小，将径向井视为具有无限导流能力，忽略沿径向井方向上的压降，堵剂以恒定排量注入，水流优势条带边界处地层压力一定，则径向井引导堵剂注入平面径向稳定渗流的数学模型为：

式中，

为沿径向井径向压力梯度，单位为10⁵Pa/cm；R_rad为径向井半径，单位为cm；R_e为水流优势条带边界与径向井之间距离，单位为cm；P_e为水流优势条带边界处地层压力，单位为10⁵Pa；α为注入堵剂沿径向井分流系数；Q为注入堵剂排量，单位为cm³/s；

为冻胶类堵剂注入过程中平均粘度，单位为mPa.s；k为地层渗透率，单位为um²；L为径向井长度，单位为cm；r₂为径向井与水流优势条带边界之间任意一点到径向井的距离，单位为cm；

对公式(6)求解，得径向井与水流优势条带边界之间任意一点的压力为：

基于达西定律计算出的堵剂在地层中的渗流速度v为：

流体质点在地层中的平均真实流速与渗流速度的关系为：

式中，φ为孔隙度；μ为真实流速，单位为cm/s；

对公式(9)分离变量可得：

流体质点从径向井运移到水流优势条带边界所用时间为：

步骤4：径向井数目判断准则

现场油井堵水作业有一定的时间限制，如果时间过长则冻胶堵剂在注入地层之前就已经熟化，导致无法注入；假设冻胶类堵剂成胶时间为T，则堵水作业时间最长不超过时间T，如果水流优势条带比较大，在时间T内单个径向井引导堵剂注入前缘还远离水流优势条带边界，则无法对水流优势条带进行完全封堵，影响堵水效果，对此，需要进行多个径向井引导堵剂注入；

假设各个径向井之间堵剂注入过程无相互干扰，根据式(11)计算出堵剂从径向井运移到水流优势条带边界处所用时间T_e，径向井数目判断准则为：

若T_e＜T，则只需一个径向井；

若T_e＞T，则需多个径向井；

步骤5 ：多径向井数目的确定

对公式(10)进行积分，得到一定时间内堵剂在地层中运移距离的计算公式，如公式(12)所示：

式中，r₃为堵剂从径向井向地层渗流前缘与径向井之间的距离，单位为cm；n为径向井数目；

由于径向井半径R_rad只有3-5cm，与地层相比忽略不计，则公式(12)可简化为：

在堵剂成胶之前T时内，堵剂在地层中运移的最大距离为：

当水流优势条带上下边界距离为B时，所需的径向井数目应满足：

2nr_max≥B (15)；

将式(14)带入式(15)得：

由于n只能为整数，对于多个径向井引导堵剂注入，具体的径向井数目根据下式确定：

式中，

为取整函数，是指不超过

的最大整数；

步骤6：堵剂用量的确定

对于长度为A，高度为B的水流优势条带，采用长度为L的径向井进行封堵时，所需要的堵剂体积V为：

V＝βABLφ (18)；

式中，β为冗余系数；

步骤7：堵剂注入排量的确定

堵剂注入时注入压力不得超过岩石破裂压力，在此前提下排量越大越好，有利于缩短作业时间；

步骤8：从采油井按照已知的径向井方位、径向井长度和径向井数目打出相应的径向井；

步骤9：将配好的冻胶类堵剂按照一定的排量从油井泵入，控制堵水作业时间不超过冻胶成胶时间，堵剂泵入压力不得超过地层岩石破裂压力；

步骤10：堵剂泵入之后焖井一段时间，待堵剂成胶。

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