注水三十年来的心得与体会(加拿大油田)

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1、注水能力我们在过去三十年中所学到的摘要随着注水在石油工业中的不断应用，正确处理由她所带来的用水管理问题也显得愈发重要。 注水，这种将产生出水回注应用于维持油藏压力及产出水处理的工艺已有很长一段历史了。 早期的注水工艺， 主要用于提高陆上油田生产后期的原油采收率， 随着油田的开采， 油藏压力不断降低， 当压力降低至饱和压力以下时就借助注水工艺来提高采收率。然而，对于这些油田，当开采到晚期时，由于地下水层的不断侵入、 地面注水量的增加， 会导致油井产出的水越来越多。与此同时，海上油田不断地发展， 考虑到其开采对生态环境的影响，目前海上油田已将注水作为开采方式并在油田生产早期就投入使用。本文是对自

2、19世界 70 年代巴克曼和戴维森的水质调查到最近的墨西哥湾海上油田实践等公开著作中有关油田注水内容的回顾与总结，它总结了30 年来石油工程师们的经验并对注水能力的最新见解做了简明概要。文中既包括陆上油田也包括海上油田， 并列举了很多注水的成败实例， 这些都将对油田生产者为当前及未来注水工程的动态发展及策略规划提供莫大的帮助。简介当越来越多的人类主要油田进入后期生产时，在地下水层的侵入以及地面大量注水影响下， 油井产水量越发增加。 纵所周知， 如果石油工业更多的处理的是水的问题而不是油，那这样的石油工业还不如称为“水工业”。据估计，如今全世界产出原油的平均含水量已经达到75，这就意味着对于那些

3、几欲耗尽的油藏，油气生产者平均每获得一桶原油就得到三桶水。因此，如何巧妙地控制好油田产出水的量是每一个石油公司都要面对的迫切任务。注水用于石油工业的生产已有很长一段时间了。在早期的应用中，注水主要是作为当油藏压力降低至饱和压力以下时用于提高油藏压力以提高原油采收率的技术。然而，随着海上油田不断地发展，出于对生态环境的考虑，目前海上油田已将注水驱油作为优先开采方式并在油田生产早期就投入使用。油田注水，作为维持油藏地层压力以及处理地下产出水的一种方法正逐渐成为对产出液合理管理的重要问题。 尽管注水工艺的具体实施存在必要但又无法确定的经费及注水效果问题， 然而出于环境友好型的长远考虑，将产出水回注地

4、层最为注水驱油的方法任是最理想的选择，尤其是对海上油田。在过去的 30 年中，包括很多深海工程在内的注水工程陆续投入实际生产中，在生产应用中获得了大量有关注水的有价值的经验。因此，本文的目的是希望通过呈现注水 30 年来的相关重要经验、介绍已出版文献中有关注水方面的优秀文章及简明概括出时下对注水能力的最新见解来对油田生产者为当前和未来注水工程的动态发展及策略规划提供帮助。本文的主体内容是介绍石油工业中关于注水方面的相关研究心得。因此，除了水气交替注入之外不会对有关注气吸气能力方面的理论研究和实验工作进行介绍。需要指出的是， 文中引用的有关油田研究的论文大多来自SPE，也有少部分文章选自其他期刊

5、。油田注水调查在检索文献时， 从无数有关注水的科技文献中找到了几十篇有关注水能力研究的文章。如此看来，仅管在全世界范围内通过注水来提高烃类开采已经在石油工业中传承了百年有余， 而石油工程师们对注水井研究的关心程度却远不及石油生产者们。之所以会忽视注水井的研究大概是因为，石油生产者们通常没有时间和资金去进行有关注水能力方面的研究， 尤其是那些拥有大量油井又几近枯竭的陆上油田。油井的生产状况更能引起他们的注意，因为它直接影响着油田日产量是否能达标的问题。相比之下，通过改进注水井以增加注水量来提高采油速率的方法，要在数周或数月之后才能开始起效。表 1按油田名称总结了一些较典型油田现场注水实例的情况，

6、包括注水目的、地层类型、操作问题和解决方案以及从各实例中所学到的经验。对于这些注水实例，虽然它们中大多数都遇到了很多操作上的困难，但却只有极少几个以失败和永久关闭注水井而告终。如果按油田所处环境类型对注水研究进行分类，结果表明大多数研究都是有关海上油田的。这么说来，正是“海洋时代”的来临使石油工程师们开始对注水能力进行研究。然而，当下注水工程的目的主要是维持油藏压力，且对于时下的石油工业尤其是对海上石油工程，注水已不再是一种准确的二次采油方案。注水能力降低注水能力下降是注水开发中一种很正常的现象，这种现象在全世界范围内的油田都可以找到，比如墨西哥湾和北海的海上油田以及普拉德霍湾和瓦尔的陆上油田

7、等等。值得注意的是， 不管是低渗透油田还是高渗透油田都会出现注水能力下降的现象。早先的研究表明采出油的体积通常是和注入水的总体积相关联的。因此，合理的注水速率是导致注水工程能否成功的核心经济指标。当注水量下降时， 操作人员需要找出导致注水能力下降的原因。注水能力上升一般情况下，在初次注水后注水能力会逐渐降低，可对一些较特殊的油田反倒会出现上升的情况。 这种上升的情况通常是由于在特定操作条件下致使地层中产生裂纹所造成的。史文德森等人报道了乌拉油田注水能力上升的事例。起除，由于储层性质较差，北海乌拉油田2#注水井压力相对较低。然而，在连续几周的注水后，注入量上升 33，注入压力每 15 分钟降低

8、70磅每平方英寸。在连续几周每天每口井4000050000桶的稳定注水下， 北海敦林油田的注入量随时间不断增加。 同样，北海的福蒂斯油田也报道说在注水一个月后其注水量上升了 25。影响注水能力的因素注水能力是一个很复杂的问题，它受特殊油藏的岩性、注入水和地层水的交互作用、储集岩及有效压降等因素的综合影响。比较典型的影响因素， 诸如出砂，悬浮物的数量，蜡沉积，结垢，腐蚀以及次生裂缝，这些因素都能对注水井的注水能力产生比较明显的影响。出砂地层出砂进入到生产井会对生产井造成损害，这也是纵多就问题中的一种，因此对于生产井中出砂问题的研究在石油工业中已广泛开展。注水井中出砂的情况不是很常见， 这主要是因

9、为注水井基本上是单方向注水的，而且由于注水的本质特征也使注水井周围的压力条件不足以致使砂子形成。就是因为这样， 现在石油工业中对注水井中出砂的研究还比较少。仅管注水井中出砂的情况不常见，但并不是说出砂就不作为值得考虑的问题。比如，在压实状况较差的油藏中这类问题还是可能引起不少操作问题的。桑塔雷利等人曾报道过一宗油田实例。报道中说，位于挪威海的挪威国家石油公司的注水器出现了在短时间内注水能力急剧下降的现象，且对部分井来讲已经完全丧失了注水能力。 经检查发现这些井中填充了大量的砂子，有的砂子甚至超过上射孔几百米之长。 进一步调查表明那些注水井注水能力下降是由以下原因造成的：油藏岩石不足以承受地层应

10、力，在注水井关闭后岩石发生坍塌；由于油藏渗透率的不均匀性，低渗地层与高渗地层间存在交叉流动，导致射孔段前出现出砂现象；产出砂在再次注水前不能及时沉降，从而致使射孔孔道的堵塞；由于关井所导致的水击作用，已被出砂削弱的地层再次遭受寝蚀，致使井中产生大量泥沙造成注水能力的下降。为了解决注水井中出砂的问题，桑德雷利等人推荐了一下三种方法来阻止砂子的生成： (1)改变应急计划；（2）再启动前停住足够长的时间； （3）加长加细注水井的流道。 使用上述方法之后， 挪威海上油田的注水井没有再出现的停用的状况且各井都能保持比较稳定的注水能力。另外还有两个发现注水井中存在出砂现象的油田。对于这两个油田，当注水井紧

11、急关闭而产生回流的瞬间或之后的短时间内射孔孔洞会发生坍塌，这种坍塌就是导致该它们出现出砂现象的主要原因。森田等人首次比较系统地评价了几种完井方法下的注水能力，并为有出砂倾向地层注水井的井钻提供制定了指导方案，他们还建议忽略对疏松地层完井时可能的地层失效危险，使用砾石填充型注水井。几年之后，史密斯普莱斯等人出版了一套非常优秀的工具书。在书中，他们通过对大量油田注水能力的研究， 针对裸眼卧式发生器及注水器砂石控制技术的选择制定了指导方针。 他们认为裸眼注水器的实现需要一些特殊的考虑，这是因为大多数注水井最终的结束压力都会超过断裂压力并且有将碎石挤压成次生裂缝的可能。固体悬浮物注入水的质量通常靠水中

12、固体悬浮物的含量来判断，而且不管是使用海水注入还是产出水注入，其水质都是设计经济型注水工程所必须考虑的重要因素。当注入水中的悬浮固体流过地下储层时，这些悬浮物会对井眼区域附近地层的孔喉造成堵塞。 如图 1 所示，随着井眼区域附近地层渗透率的降低，注水井的注水能力不断下降。许多研究人员都对水中存在悬浮物的影响进行过研究。根据1972 巴克曼和戴维森的研究表明由悬浮物对井造成的伤害大致可以分为四种：钻井孔收缩，颗粒侵入，钻孔堵塞和射孔堵塞。固体悬浮物是导致墨西哥湾油田注水能力下降的主要原因。图 2 表示的是典型的墨西哥湾油田注水器的注水属性。此外，在该油田的实地调查表明， 即使是渗透率较高的地层也

13、容易遭到尺寸远小于孔隙大小的悬浮颗粒物的破坏。采用注水的处理方式可以减少井的损害。对墨西哥湾油田的一口注水井的现场测试显示，用 10 微米的过滤器取代原来的5 微米过滤器后注水能力快速增长。沙玛等人进一步指出， 对于墨西哥湾油田， 水质的有效提高能使其注水器的半衰期系数从 2 提高到 5。在中东地区乌拉谢夫和库姆油田展开的水质研究表明，即便是在注水车间进行过充分处理的水，由于没有添加杀菌剂或掺杂进输水管道中的悬浮物等原因，在注入时仍是已经恶化的水。 如果这样需要对输水管道进行清管操作，清除腐蚀碎片及附着在管内表面上的生物膜。因此，对注入水的规格进行实施全天候的监测及维护是减少注水能力下降所必须

14、的。应该注意到的是在注水井中井底的水质明显要比井口的差很多，这是佩奇和莫里对从北海油田两口注水井中所取的井底试样的研究中发现的。由此可见，单单靠地面水处理并不能完全解决颗粒悬浮的问题，因此应当把用于水处理的大笔投资部分用于油井定期增产之类的项目中去。为了解决墨西哥湾注水井典型的注水能力下降问题，萨姆贝尔等人通过引进一套裸眼裂缝分析方法以及独特的井底过滤系统来取代以前的注水井频繁酸化的方法。他们还推荐将这两项技术应用到墨西哥湾其他油田的未来海上注水井中去。一般来说，在断裂出现之前，大多数注水井尤其是处于低渗透地层的注水井在将产出水或海水回注时都会因固体悬浮物的存在而产生堵塞的问题。因此，将产出水

15、和海水用于回注的方法是具有潜在高风险的。比如说，普拉德霍湾油田，由于在回注前没有对采出水进行过滤处理，导致在注水后的24 小时内地层渗透率的破坏率达到了90。注入水和地层流体的相容性对于有些注水开发油田，当注入盐水起效不大或者造价太高时，往往需要注入淡水。在这种情况下， 如果该储油岩石中含有间质粘土，一旦与淡水接触就会发生膨胀并四处扩散，这样会破坏地层渗透并导致注水能力的下降。巴克曼等人提出一种既有效又经济的方法油膜包覆层法，通过该方法能够保护含粘土地层在所注入淡水遭受污染时不会出现注水能力下降的问题。但是他们也指出， 该方法只适用于原油粘度在5 厘泊左右的油藏， 且随着原油粘度的增加，该方法

16、的有效性不断降低。之后，斯科尔曼和伯格森提出了注入水与地层粘土的相容准则。他们通过判断注入水中是否含有充足的总阳离子及二价阳离子的方法对注入水及地层粘度进行分析，并以这些分析作为依据提出了上述准则。对由于地层粘土扩散而使地层渗透性遭到破坏的问题， 需要我们对其进行预处理， 这些准则正是帮助我们判断是否需要以及何时需要对注入水或地层进行预处理。然而， 要想使用这些方法，必须先搞清楚注入水的组分，油藏粘土的类型以及油藏粘度的阳离子交换能力。幸运的是，在之后的研究中他们发现，浓度0.02的氯化钾溶液或浓度0.04 的氯化钠溶液能有效抑制任何水敏性粘土的扩散。蜡沉积对加拿大最大油藏帕宾那鸟哈油藏的现场测试及分析发现，蜡沉积现象的出现以沉积物的产生都会对注水井注水能力及生产井的生产能力造成伤害。经金恩和阿德格贝森的论证发现，当用冷水注入帕宾那鸟哈油田时，注水井附近油藏的温度会下降至原油浊点以下。在对相平衡的进一步研究中发现，钻井孔和油藏压力是决定油藏蜡沉积的两个重要变量。油藏模拟试验显示降温现象通常出现在油藏中渗透率较高的部分。对于渗透性较低的油藏， 只有很细微的冷却现象