一种评价注水井结垢趋势的方法
阅读：109发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种评价注水井结垢趋势的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种评价注 水 井 结垢 趋势的方法，包括以下步骤：S1、通过计算多井间任意点地 层压 力 建立 地层 压力场模型；S2、通过 流体 与 岩石 间的热交换过程和单元体内部间的热交换过程建立地层 温度 场模型；S3、建立地层初始孔隙度随机正态分布、渗透率模型；S4、建立结垢 预测模型 ：通过结垢预测模型预测结垢分布范围、结垢量、结垢分布、孔隙度的变化。本发明通过建立结垢预测模型预测结垢趋势，使得注水井的结垢趋势可以被预测，从而进行精准防垢，保证了油气井的长期平稳生产。，下面是一种评价注水井结垢趋势的方法专利的具体信息内容。
1.一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过计算多井间任意点地层压力建立地层压力场模型；
S2、通过流体与岩石间的热交换过程和单元体内部间的热交换过程建立地层温度场模型；
S3、建立地层初始孔隙度随机正态分布、渗透率模型；
S4、建立结垢预测模型：通过结垢预测模型预测结垢分布范围、结垢量、结垢分布、孔隙度的变化。
2.根据权利要求1所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述预测模型建立的条件为：
(1)、固液两相不可压缩，同时彼此不发生化学反应；
(2)、不考虑毛管力和重力影响；
(3)、地层厚度不发生改变；
(4)、忽略流体动能变化及粘度耗散造成的热运动；
(5)、忽略气相的存在。
3.根据权利要求1所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，步骤S1中，多井间任意点地层压力的计算公式为：
式中，M＝K·Krw/μ。
4.根据权利要求1所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述地层温度场模型为：
其中：
式中，Tj—不考虑酸-岩反应放热时的地层温度，℃。
5.根据权利要求1所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述孔隙度随机正态分布模型为：
式中，φ0为初始孔隙度，无因次；φ为溶蚀后的孔隙度，无因次；G为符合随机正态分布的数组，范围为-1—1，无因次；σ为标准偏差系数，取值范围0—1，无因次。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述结垢预测模型为：
Is＝log(Fs)＝log{[Me][An]/Kc(t,P,Si)}
或
Is＝log{[Me][An]+PKc(t,P,Si)}
式中，t为温度，P为压力，Si为离子强度；
判断是否生成垢的标准为：
当Is＝0时，表示溶液与固体垢相平衡；
当Is＞0时，表示过饱和状态,能形成结垢；
当Is＜0时，表示欠饱和状态,不能形成垢。
7.根据权利要求6所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述结垢分布范围为结垢距离井筒最大距离和最小距离之间的范围，计算公式为：
结垢距离井筒最大距离：
log{[Me][An]/Kc(T(i,j)max,P(i,j)min,Si)}＝0
结垢距离井筒最小距离：
log{[Me][An]/Kc(T(i,j)min,P(i,j)min,Si)}＝0
式中，[Me]为阳离子活度，[An]为阴离子活度。
8.根据权利要求6所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述结垢量的计算公式为：
式中， 为注入阳离子浓度，g/L； 为采出阳离子浓度，g/L；MMe为阳离子相对分子质量；M为垢相对分子质量。
9.根据权利要求6所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述结垢分布的计算公式为：
10.根据权利要求6所述的一种评价注水井结垢趋势的方法，其特征在于，所述孔隙度的变化公式为：
一种评价注水井结垢趋势的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及油田开发技术领域，具体涉及一种评价注水井结垢趋势的方法。
背景技术
[0002] 随着油田开发的不断进行，开采油气所依靠的天然能量不断衰竭。越来越多的油田通过注水的方式来使地面补充、恢复能量，从而保持油藏压力，以达到长期稳产、提高油气采收率的效果。然而，注水开发也带来了一系列的问题，其中结垢是最为严重的问题之一。
[0003] 油田结垢是指在油田的生产过程中，在地下储层、采油井井筒、套管、生产油管、井下完井设备以及地面油气集输设备和管线内由于多种原因造成的一种沉积物质，垢污的产生会造成管线内油的堵塞，妨碍出油的顺利进行。结垢现象的产生是油田生产过程中普遍存在的一种现象，普遍存在于油田生产过程中的各个环节，也可能发生在油田用水系统的任何位置，如地下储层中、泵及采油井井筒内、地面油气集输设备管线内均可能产生无机盐结垢，从而给油气开采带来巨大的危害、造成不必要的损失。
[0004] 在油田注水过程中，由于注水井地层中的水含钡、锶和钙离子，注入水中含硫酸根或碳酸氢根离子，二者在注水井地层中混合生成难溶硫酸钡锶垢和硫酸钙垢容易对地层堵塞，导致注水井压力升高、注不进或注不够。现有技术进行清垢解堵一般采用酸化、压裂等增注措施，但缺少结垢趋势的有效预测，不能及时有效确定产生堵塞的原因，盲目施工，从而带来诸多负面影响。
发明内容
[0005] 针对上述问题，本发明提供一种评价注水井结垢趋势的方法,通过建立结垢预测模型预测结垢趋势，使得注水井的结垢趋势可以被预测。
[0006] 本发明采用下述的技术方案：
[0007] 一种评价注水井结垢趋势的方法，包括以下步骤：
[0008] S1、通过计算多井间任意点地层压力建立地层压力场模型；
[0010] S3、建立地层初始孔隙度随机正态分布、渗透率模型；
[0011] S4、建立结垢预测模型：通过结垢预测模型预测结垢分布范围、结垢量、结垢分布、孔隙度的变化。
[0012] 优选的，所述预测模型建立的条件为：
[0013] (1)、固液两相不可压缩，同时彼此不发生化学反应；
[0014] (2)、不考虑毛管力和重力影响；
[0015] (3)、地层厚度不发生改变；
[0018] 优选的，步骤S1中，多井间任意点地层压力的计算公式为：
[0019]
[0020] 式中，M＝K·Krw/μ。
[0021] 优选的，所述地层温度场模型为：
[0022]
[0023] 其中：
[0024]
[0025] 式中，Tj—不考虑酸-岩反应放热时的地层温度，℃。
[0026] 优选的，所述孔隙度随机正态分布模型为：
[0027]
[0028] 式中，φ0为初始孔隙度，无因次；φ为溶蚀后的孔隙度，无因次；G为符合随机正态分布的数组，范围为-1—1，无因次；σ为标准偏差系数，取值范围0—1，无因次。
[0029] 优选的，所述结垢预测模型为：
[0030] Is＝log(Fs)＝log{[Me][An]/Kc(t,P,Si)}
[0031] 或
[0032] Is＝log{[Me][An]+PKc(t,P,Si)}
[0033]
[0034] 式中，t为温度，P为压力，Si为离子强度；
[0035] 判断是否生成垢的标准为：
[0036] 当Is＝0时，表示溶液与固体垢相平衡；
[0037] 当Is＞0时，表示过饱和状态,能形成结垢；
[0038] 当Is＜0时，表示欠饱和状态,不能形成垢。
[0039] 优选的，所述结垢分布范围为结垢距离井筒最大距离和最小距离之间的范围，计算公式为：
[0040] 结垢距离井筒最大距离：
[0041] log{[Me][An]/Kc(T(i,j)max,P(i,j)min,Si)}＝0
[0042] 结垢距离井筒最小距离：
[0043] log{[Me][An]/Kc(T(i,j)min,P(i,j)min,Si)}＝0
[0044] 式中，[Me]为阳离子活度，[An]为阴离子活度。
[0045] 优选的，所述结垢量的计算公式为：
[0046]
[0047] 式中， 为注入阳离子浓度，g/L； 为采出阳离子浓度，g/L；MMe为阳离子相对分子质量；M为垢相对分子质量。
[0048] 优选的，所述结垢分布的计算公式为：
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 优选的，所述孔隙度的变化公式为：
[0053]
[0054] 本发明的有益效果是：
[0056] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
[0057] 图1为本发明目标井压力分布范围云图；
[0058] 图2为本发明目标井温度分布云图；
[0059] 图3为本发明目标井结垢分布云图；
[0060] 图4为本发明目标井Ca2+浓度分布云图；
[0061] 图5为本发明目标井累计结垢量示意图；
[0062] 图6为本发明目标井结垢分布范围示意图；
[0063] 图7为本发明目标井视吸水指数变化示意图；
[0064] 图8为本发明目标井沿邻井的结垢量示意图；
[0065] 图9为本发明目标井沿邻井的渗透率示意图；
具体实施方式
[0066] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067] 除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0068] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0069] 如图1至图9所示，一种评价注水井结垢趋势的方法，包括以下步骤：
[0070] S1、通过计算多井间任意点地层压力建立地层压力场模型；
[0071] 将注水井看作注入压力恒定，即稳定生产动态。根据达西定律，则有
[0072]
[0073] 对于地层中的任一口井，任意距离r的流动面积A＝2πrh，则上式变为：
[0074]
[0075] 设Q为常数，分离变量并积分得到：
[0076]
[0077] 对于采油井
[0078]
[0079] 对于注水井
[0080]
[0081] 根据势的叠加原理，多井同时生产，地层内各点的压力为
[0082] P＝P1+P2+···+Pn-(n-1)Pe (6)
[0083] 式中：
[0084]
[0085] 将公式(7)代入公式(6)，得出多井同时生产时地层中任意一点的地层压力的表达式为：
[0086]
[0087] 由公式(8)可得，第一口井的井底流压为
[0088]
[0089] 将公式(8)减公式(9)，得多井间任意点地层压力的计算公式：
[0090]
[0091] 取M＝K·Krw/μ，则公式(10)变换为
[0092]
[0093] S2、通过流体与岩石间的热交换过程和单元体内部间的热交换过程建立地层温度场模型；
[0094] 模拟最小单元体i的热交换过程分为两部分，一部分是流体与岩石间的热交换过程，另一部分是单元体内部间的热交换过程。
[0095] (1)、单元体内部热交换
[0096] 左侧传入单元体热量为：
[0097]
[0098] 右侧传出单元体热量为：
[0099]
[0100] (2)、流体与岩石间热交换
[0101] 左侧流入单元体热量为：
[0102] ρLvrrθHCLT (14)
[0103] 右侧流出单元体热量为：
[0104]
[0105] (3)、单元体单位时间热量变化为
[0106]
[0107] 由热平衡方程式得：
[0108]
[0109] 式中，vwt为井壁处液体表观流速，m/min；vr为液体流入径向速度，m/min；T为储层径向温度，℃；λL为注入液导热系数，kcal/(m·min·℃)；CL为注入液比热，kcal/(kg·℃)；λr为地层岩石导热系数，kcal/(m·min·℃)；ρr为地层岩石密度，kg/m3；Cr为地层岩石比热，kcal/(kg·℃)；H为层段厚度，m。
[0110] 经简化式(17)为：
[0111]
[0112] 其中：
[0113]
[0114] 式中，Tj为不考虑酸-岩反应放热时的地层温度，℃。
[0115] S3、建立地层初始孔隙度随机正态分布、渗透率模型；
[0116] 建立孔隙度随机正态分布模型：
[0117]
[0118] 根据Garman-Kozeny半经验关系式表征孔隙介质中物性的改变：
[0119]
[0120] 式中：φ0-初始孔隙度，无因次；φ-溶蚀后的孔隙度，无因次；K0-初始渗透率，mD；K—溶蚀后的渗透率，mD；β—由实验测得的数值，无因次；G—符合随机正态分布的数组，范围-1—1，无因次；σ—标准偏差系数，取值范围0—1，无因次；
[0121] S4、建立结垢预测模型：通过结垢预测模型预测结垢分布范围、结垢量、结垢分布、孔隙度的变化。
[0122] 所述预测模型建立的条件为：
[0123] (1)、固液两相不可压缩，同时彼此不发生化学反应；
[0124] (2)、不考虑毛管力和重力影响；
[0125] (3)、地层厚度不发生改变；
[0126] (4)、忽略流体动能变化及粘度耗散造成的热运动；
[0127] (5)、注水开发地层压力一般大于原油泡点压力，因此忽略气相的存在。
[0128] 根据饱和比，求饱和指数。所述饱和比为离子的活度积与溶度积之比，如下：
[0129] FS＝[Me][An]/Ksp (21)
[0130] 式中，[Me]为阳离子活度，[An]为阴离子活度,Ksp为物质的溶度积。
[0131] 由于活度为活度系数与浓度的乘积，而活度系数又是温度、压力和离子强度的函数，溶度积亦是温度、压力和离子强度的函数,故在预测方程中需使用溶度积系数Kc。
[0132] 由式(21)引入饱和度指数Is，其公式变为。
[0133] Is＝log(Fs)＝log{[Me][An]/Kc(t,P,Si)} (22)
[0134] 或
[0135] Is＝log{[Me][An]+PKc(t,P,Si)} (23)
[0136]
[0137] 式中，t为温度，P为压力，Si为离子强度；
[0138] 判断是否生成垢的标准为：
[0139] 当Is＝0时，表示溶液与固体垢相平衡；
[0140] 当Is＞0时，表示过饱和状态,能形成结垢；
[0141] 当Is＜0时，表示欠饱和状态,不能形成垢。
[0142] 所述模型有两种情况：
[0143] (1)、有气相存在时，其有关方程如下所示：
[0144]
[0145]
[0146]
[0147] (2)、无气相存在时，其有关方程如下所示。
[0148]
[0149]
[0150]
[0151] [Ca2+]为水中钙离子浓度，mol/L； 为水中重碳酸根离子浓度，mol/L；为在CH4和CO2混合气中(其中CO2含量少)CO2的逸度系数； 为在一定温度、压力条件下CO2在气相中的含量，mol％或％； 为地面条件下CO2在气、油、盐水混合体系中的含量，mol％
6 3
或％；Qg为在标准温度、压力条件下每日采出的气体总量，10m ； 为每日在盐水和油中采出的CO2含量，mol/L；Qw为每日采出的水量，m3；Qo为每日采出的油量，m3； 为在标准温度、压力条件下每日采出的CO2气量，106m3。
6 3
或％；Qg为在标准温度、压力条件下每日采出的气体总量，10m ； 为每日在盐水和油中采出的CO2含量，mol/L；Qw为每日采出的水量，m3；Qo为每日采出的油量，m3； 为在标准温度、压力条件下每日采出的CO2气量，106m3。
[0152] (1)、结垢分布范围
[0153] 注水井的结垢分布范围为结垢距离井筒最大距离和最小距离之间的范围，通过下式求得：
[0154] log{[Me][An]/Kc(T(i,j)max,P(i,j)min,Si)}＝0 (31)
[0155] log{[Me][An]/Kc(T(i,j)min,P(i,j)min,Si)}＝0 (32)
[0156] (2)、结垢量
[0157] 注水井的结垢量对阻垢剂用量有重要意义，其结垢重量可通过下式求得：
[0158]
[0159] 式中， 为注入阳离子浓度，g/L； 为采出阳离子浓度，g/L；MMe为阳离子相对分子质量；M为垢相对分子质量。
[0160] (3)、结垢分布
[0161] 注水井的结垢分布主要是掌握各处的结垢量，掌握各点堵塞情况，判断最大结垢点，其可通过下式求得：
[0162]
[0163]
[0164]
[0165] (4)、孔隙度的变化
[0166] 结垢造成的地层堵塞情况，通过下式求得：
[0167]
[0168] 现有技术中使用的阻垢剂的作用机理是阻垢剂的阴离子与水中成垢阳离子形成五元或六元螯合环将金属离子封闭起来，阻止金属离子和水中其他阴离子接触生成结垢物质，增加了难溶物在水中的饱和溶解度，从而起到阻垢作用。
[0169] 根据质量守恒有：
[0170]
[0171] 引入平均阻垢率可得：
[0172]
[0173] 阻垢率与温度和压力有关，引入这两个影响因素则有：
[0174]
[0175] 根据室内实验法绘制不同温度压力下的阻垢率，带入上式即可。
[0176] 利用有限差分将一阶和二阶偏微分方程离散化，利用数值方法隐式求解各网格节点上的离散解，即地层压力P(i,j,t)、温度T(i,j,t)及成垢离子浓度C(i,j,t)随时间、距离的动态变化。然后将P(i,j,t)、T(i,j,t)、C(i,j,t)计算结果代入结垢模型和阻垢模型，求出饱和度指数Is随时间、距离的动态变化,即Is(i,j,t)，根据临界饱和度指数判断油田水结垢趋势。当存在结垢时，计算单元体内的结垢量W(i,j)，以及流出的阳离子浓度，并由孔隙度变化模型求解孔隙度的变化，再根据Garman-Kozeny半经验关系式求解渗透率的变化，然后根据临近点的渗透率分布，计算出下一点的流量。然后进入循环计算，直到到达最小结垢浓度时结束。
[0177] 实施例
[0178]
[0179]
[0180] 表1目标地层物性参数
[0181] 根据表1，图1至图4所示(目标井日注水量70立方米，注水生产总时间为3年，在两年半的时候开始使用阻垢剂)，压力从注水井开始主要沿着油井的方向降低，温度的变化主要集中在距井筒10m左右的范围，在这区间里注入水温度已经通过热交换达到地层原始温度，再往外延伸已无法降低地层温度。温度变化范围太小，由于温度是结垢的主要影响因素，其决定了结垢的分布也在一个较小的范围，如果从整个注采单元来看，结果不便于观察，所以只取注水井井筒周围10m的范围进行结垢模拟结果的展示。Ca2+从注水井开始沿着油井方向先不变，接着缓慢减小，随后快速减小，最后趋于不变；结垢分布在距注水井井筒2-8m的范围，主要分布在5m左右。
[0182] 图5至图9所示，结垢量呈直线增长趋势，最大结垢量在距离井筒5m左右。加入除垢剂后，阻垢剂的阴离子与水中成垢阳离子形成五元或六元螯合环将金属离子封闭起来，阻止金属离子和水中其他阴离子接触生成结垢物质，增加了难溶物在水中的饱和溶解度，结垢明显变缓，累计结垢速度由33.3kg/月降低到9.32kg/月；视吸水指数呈负指数下降，其主要表征的是储油层的吸水能力，由于不断的结垢，造成孔隙堵塞，地层渗透率不断下降，注水越来越困难，若想保持注入量不变，就需不断提高注水压力，增加了成本、施工难度以及危险性。由于模型中设定了地层是非均质的，各方向的结垢量变化不一样，此处选取注水井沿邻井的径向方向研究结垢特征。结垢发生在距井筒2m左右的地方，主要是由于注入水温度较低，降低了近井地带的地层温度，温度过低，溶解平衡常数非常小，难以结垢，加之近井地带注入水流速过高，垢微粒不易沉淀，所以难以成垢；在距离5m左右，地层温度较高，注入水流速大幅减缓，是成垢的最佳地方，所以产生大量垢；在8m左右，Ca2+浓度达到最小结垢浓度，所以不再结垢。加入阻垢剂后，最高结垢量由799g/L降低到691g/L，最低渗透率由61×10-3m2增加到65×10-3m2。
[0183] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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