水平井化學(xué)控水技術(shù)研究與應(yīng)用

李宜坤 魏發(fā)林 路海偉 周 燕

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.中國石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 100083）

3.中國石油冀東油田分公司 鉆采工藝研究院 （河北 唐山 063000）

水平井化學(xué)控水技術(shù)研究與應(yīng)用

李宜坤1,2魏發(fā)林1,2路海偉3周 燕3

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.中國石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 100083）

3.中國石油冀東油田分公司 鉆采工藝研究院 （河北 唐山 063000）

針對水平井開發(fā)后期的出水問題，結(jié)合水平井完井及出水特點(diǎn)，提出了HWSO選擇性堵水及ACP控水兩個(gè)技術(shù)思路。研究以及礦場實(shí)踐表明，對于出水層位不清，或出水層段不能封隔的水平井應(yīng)用HWSO選擇性堵水技術(shù)；ACP材料在強(qiáng)度等性能上滿足環(huán)空充填的需要，可作為直接堵水、管外環(huán)空封隔的手段，輔助實(shí)現(xiàn)分采、地層注膠堵水等工藝。

水平井 選擇性堵水 觸變性 環(huán)空化學(xué)封隔器 礦場試驗(yàn)

中國石油的水平井應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，但相應(yīng)的出水問題日益凸顯，嚴(yán)重影響了水平井的整體開發(fā)效果。

水平井產(chǎn)剖資料少，出水層段不清，且多為篩管完井，這導(dǎo)致水平井堵水面臨極大困難。針對出水層段不清的問題，選擇性堵水成為可行的技術(shù)方向；針對篩管完井方式下的管外竄流問題，管外環(huán)空化學(xué)封隔（ACP）技術(shù)成為解決思路。

介紹了選擇性堵水以及ACP控水技術(shù)的研究與礦場應(yīng)用情況，指出了面臨的問題，提出了化學(xué)控水技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

1 選擇性堵水技術(shù)與現(xiàn)場應(yīng)用

1.1 選擇性堵水的室內(nèi)研究

選擇性堵水主要是依據(jù)堵劑在油、水環(huán)境中具有不同的性能，從而產(chǎn)生對油、水滲流的選擇性影響（圖1）。選擇性堵水技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢[1-3]，目前重點(diǎn)在于其性能的完善。

1.1.1 HWSO選擇性堵水材料的合成及表征

利用溴化烷基甲基丙烯酸乙酯、MA等單體，在密封通氮條件下反應(yīng)，然后提純產(chǎn)物即得HSWO選擇性堵水材料。材料可制備成溶液型以及顆粒型（圖2）,滿足不同油層物性的需要。

其紅外光譜如圖3所示。從譜圖上看，400cm-1、1 660cm-1、1 450cm-1附近出現(xiàn)了強(qiáng)的吸收峰，可以判定酰胺基的存在，由于在主鏈上引入了帶有支鏈的季銨鹽，酰胺的吸收峰有所變寬；此外，2 920cm-1和2 850cm-1附近吸收峰的強(qiáng)度很大，體現(xiàn)出亞甲基的特征。通過在聚合物支鏈上引入疏水性的十六烷基，聚合物結(jié)構(gòu)得到了改性。

圖1 選擇性堵水劑作用示意圖

圖2 HWSO樣品

圖3 HWSO紅外光譜圖

1.1.2 HWSO材料選擇性評價(jià)

用石英砂制作4個(gè)巖心，進(jìn)行室內(nèi)選擇性評價(jià)，步驟為：

（1）抽真空，飽和鹽水，求孔隙體積后，1、2號注鹽水測水相滲透率Kwb，3、4號用煤油驅(qū)替水，測油相滲透率Kob。

（2）4個(gè)巖心管各注入0.2PV HWSO樣品，然后70℃養(yǎng)護(hù)。

（3）60天后取出1、2號巖心管，注鹽水，分別測1PV……100PV時(shí)的水滲透率Kwa1…Kwa100。3、4號巖心反向注煤油，分別測1PV…100PV時(shí)的油相滲透率Koa1…Koa100。

巖心選擇性封堵實(shí)驗(yàn)表明，HWSO材料的無量綱堵水堵油比達(dá)5.3（表1）。

1.2 選擇性堵水技術(shù)礦場應(yīng)用認(rèn)識

（1）選擇性堵水增油效果呈現(xiàn)漸進(jìn)式的動態(tài)響應(yīng)，體現(xiàn)了選擇性堵水的作用機(jī)理，表明了技術(shù)路線的合理。選擇性堵水材料主要依靠聚合物的分子鏈在水相中伸展、在油相中收縮，從而形成對水相的“拖曳”作用，降低水相滲透率。在油相中，這種鏈的收縮是一個(gè)漸進(jìn)的過程，體現(xiàn)在采油動態(tài)上是產(chǎn)量的逐漸上升。G104-5P35即體現(xiàn)出這一點(diǎn)。該井位于高淺北區(qū)，生產(chǎn)Ng6小層，措施前日產(chǎn)液222.1m3，日產(chǎn)油2.2t,含水99%?；\統(tǒng)注入HWSO堵劑3 070 m3（HWSO-1 2 470m3，HWSO-2 600m3）。措施后，日產(chǎn)液由220m3降低為110m3條件下，產(chǎn)量持續(xù)增加，60天后逐步穩(wěn)定在3.5t，含水96%左右（圖4）。印尼umatra油田、Ecuador的Lago Agrio油田的類似礦場實(shí)例也呈現(xiàn)類似特點(diǎn)[3，4]。

（2）HWSO堵劑具有對疏松砂巖油藏條件的良好適應(yīng)性。G104-5P35措施后，截至目前，穩(wěn)定生產(chǎn)累計(jì)9個(gè)月，綜合含水下降2.9%，累降水1.68萬t，增油328.5t，且持續(xù)有效，表明了材料的耐沖刷以及熱穩(wěn)定性等可適應(yīng)疏松砂巖、中等溫度的油藏條件。

表1 HWSO選擇性封堵性能（70℃）

圖4 G104-5P35井采油曲線

（3）根據(jù)油藏物性條件的差異，適當(dāng)加大選擇性堵劑用量，提高強(qiáng)度，有利于保證措施效果。G160-P6位于高淺南區(qū)，篩管完井。投產(chǎn)NmⅡ21小層，措施前日產(chǎn)液113.2m3，日產(chǎn)油3.3t，含水97.1%。籠統(tǒng)注入HWSO溶液型堵水劑1 200m3，措施初期，日產(chǎn)液由100m3降低為45m3條件下，產(chǎn)油量是逐漸回升的，由0.6m3增至8.9m3，但此后產(chǎn)量持續(xù)下降（圖5）。與G104-5P35相比，有效期偏短的原因在于堵水劑的量設(shè)計(jì)偏小，強(qiáng)度也偏弱。對于疏松砂巖油藏，提高強(qiáng)度以及堵劑用量對于保證措施有效期是必要的。

2 ACP控水技術(shù)與現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 ACP控水的室內(nèi)研究

環(huán)空化學(xué)封隔器（ACP）技術(shù)是借助油管和跨式封隔器，在篩管與井壁間的環(huán)空放置具備特殊性能的可固化液，形成不滲透的高強(qiáng)度段塞，達(dá)到封隔環(huán)空的目的，實(shí)現(xiàn)管外分段或者直接封隔出水部位（圖6）。該技術(shù)20世紀(jì)90年代始于國外[5－7]，國內(nèi)中石油勘探院于2006年開始了相關(guān)的研究與應(yīng)用。

2.1.1 ACP材料的觸變性

ACP材料開發(fā)的關(guān)鍵是其高觸變特性，即高剪切下可以流動，剪切降低后又能立即形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而避免常規(guī)材料的重力“坍塌”。

以鋁鎂混層氫氧化物／鈉土（MMH／MT）為主，配合納米增強(qiáng)組分，形成了抗剪切的小分子ACP材料。圖7～圖8為ACP材料的黏度～剪切速率（·γ～η）、彈性模量～恢復(fù)時(shí)間（G’～t）關(guān)系。實(shí)驗(yàn)同時(shí)對比了鋁鎂混層氫氧化物（MMH）以及三乙醇胺鈦／羧甲基纖維素(Ti/HEC)材料的相應(yīng)特性。

從3種材料的冪律指數(shù)、表征材料結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度的值以及恢復(fù)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度看，ACP材料具有更為突出的剪切變稀特性、高的結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度以及觸變結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.1.2 ACP材料的可控膠凝特性

ACP材料良好的觸變特性使其能夠完全填充水平環(huán)空，但僅依靠其觸變結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不能滿足工藝需要，油藏條件下還需具備膠凝特性，能夠形成高強(qiáng)不滲透段塞。通過引發(fā)體系的調(diào)整，ACP材料70℃下2～6h膠凝可控（圖9），可由觸變流體成為高強(qiáng)粘彈固體（圖10）。借助材料的微尺度效應(yīng)，膠凝材料具有良好熱穩(wěn)定，70℃油藏條件下預(yù)計(jì)1.5a內(nèi)可保證有效強(qiáng)度。

2.2 ACP控水技術(shù)礦場應(yīng)用的認(rèn)識

2007年起，以篩管完井水平井為主，國內(nèi)率先開展了ACP控水礦場試驗(yàn)，先后實(shí)施了ACP直接堵水、ACP管外分段、ACP管外環(huán)空封隔－分段測試－地層注膠堵水等，工藝成功率100%，取得了一定的增油降水效果。

圖5 G160-P6井采油曲線

圖6 ACP作用示意圖

圖7 ACP材料的剪切變稀特性

圖9 ACP材料的可控膠凝特性

圖10 ACP材料由觸變流體成為粘彈固體

2.2.1 ACP強(qiáng)度滿足工藝需要

ACP強(qiáng)度是其用作封隔段塞的重要特性，通過驗(yàn)封工藝，其強(qiáng)度得到了礦場驗(yàn)證。M125-P2試驗(yàn)中，篩管與井壁間形成ACP段塞后，封隔器卡封ACP段塞中部，油管分別打壓至10MPa、15MPa，套管均不返液；G104-5P79試驗(yàn)中，篩管外形成ACP段塞后，封隔器卡封ACP段塞中部，套管打壓6MPa～7MPa，停泵后,穩(wěn)定在6.5MPa，10min無壓降。

2.2.2 一定條件下，ACP可以實(shí)現(xiàn)直接堵水

圖8 ACP材料剪切靜止后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)

G160-P4位于高淺南區(qū)，生產(chǎn)NgⅠ213層，含水99%，測井找水解釋為A端出水嚴(yán)重。實(shí)施ACP直接封堵方法后，日產(chǎn)液由270m3降低到210m3情況下，動液面降低150m，產(chǎn)油量2.7t增加至3.8t（最高5.36t），表明井底流壓的增大起到了作用；措施后含水由99%降低到97.1%。降低幅度不大的原因可能是ACP用量偏于保守（1.2m3）,其次雖然封堵了2 171.7～2 220.0m的出水段，但仍然有其它出水點(diǎn)，使井底有較強(qiáng)的能量供給。

ACP直接堵水的長期作用依賴于油藏條件，如果ACP放置在頁巖層附近，其堵水效果將更加明顯。Schlumberger公司在Nigeria油田割縫襯管完井方式水平井堵水施工所作的統(tǒng)計(jì)分析也表明了這一點(diǎn)[8]。

2.2.3 ACP作為管外環(huán)空封隔手段具有可行性，為實(shí)現(xiàn)分段開采提供了可能

M28-P7含水99%，找水測試結(jié)果顯示主產(chǎn)液段在2 160m以上 （85%），其中2 110～2 160m占50.6%。為此，設(shè)計(jì)在2 128～2 162m建立ACP段塞，配合管內(nèi)卡封管柱，開采下部（圖11）。

圖11 M28-P7井身軌跡以及下部分采示意圖

建立ACP段塞后，卡2 151m，油管打壓5MPa，套管不返液；下分采管柱后，油管打壓8MPa，正測2 151m以下目的井段吸收量，吸收量正常，套管不返液，表明設(shè)置的ACP段塞達(dá)到了工程目的。

2.2.4礦場試驗(yàn)證實(shí)了ACP管外環(huán)空封隔－分段測試－地層注膠堵水工藝方法的有效性、合理性與可行性

該工藝思路下，管外AC段塞為分段找水測試創(chuàng)造條件，并進(jìn)而通過大劑量地層堵劑的注入實(shí)現(xiàn)對地層水流通道的封堵，可有效擺脫對找水的依賴，實(shí)現(xiàn)控水增油的目的。礦場試驗(yàn)證實(shí)了該工藝方法的有效性、合理性與可行性。

G104-5P79是該工藝方法的嘗試（圖12）。下部設(shè)置 ACP段塞后，ACP段塞以下地層順利注入1 800m3WSO堵劑，在注入800m3地層堵劑前，泵壓6MPa，套壓為0。這表明一定的油藏條件及工藝方法下，地層堵劑的垂向運(yùn)移是可能的，這為ACP管外環(huán)空封隔－分段測試－地層注膠堵水工藝的可行性與合理性提供了實(shí)證，同時(shí)也證實(shí)了環(huán)空中ACP段塞的封隔作用及其軸向的承壓能力。措施后該井含水降低25個(gè)點(diǎn)左右 （98%降低至73%），油量由2.5t增至4.7t。

圖12 G104-5P79工程設(shè)計(jì)示意圖

3 水平井化學(xué)控水技術(shù)面臨的問題及發(fā)展方向

水平井化學(xué)控水技術(shù)在礦場試驗(yàn)見到了增油降水效果，檢驗(yàn)了材料性能以及相依的工藝方法，為水平井化學(xué)控水技術(shù)的進(jìn)一步深入奠定了基礎(chǔ)。

對于出水層位不清，或出水層段不能封隔的水平井可以應(yīng)用選擇性堵水技術(shù)，該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，技術(shù)優(yōu)勢突出；對于篩管完井水平井，ACP技術(shù)提供了可行的環(huán)空封隔手段。一定條件下，可直接堵水或輔助實(shí)現(xiàn)分采、地層注膠堵水等工藝。其中，ACP管外環(huán)空封隔－分段測試－地層注膠堵水工藝可有效擺脫出水層位不清的瓶頸，礦場試驗(yàn)效果初步證實(shí)了其適應(yīng)性與合理性。

水平井化學(xué)控水技術(shù)是涉及油藏、材料、工藝等的系統(tǒng)工程，許多方面仍有待于進(jìn)一步完善。其中選擇性堵水的作用機(jī)理及其與油藏的適應(yīng)性研究有待進(jìn)一步深入，從而為合成以及工藝設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步指導(dǎo)；ACP技術(shù)方面，對于疏松砂巖油藏，地層出砂導(dǎo)致難以認(rèn)識的管外砂埋等復(fù)雜狀況，疏松砂巖存在的井漏問題都使得ACP的運(yùn)移方向控制出現(xiàn)困難。有待于借助大型物理模擬以及相應(yīng)數(shù)值手段予以深入認(rèn)識，從而細(xì)化工藝。

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According to the water-out problem at the later period of horizontal well exploration,together with the well completion of horizontal wells and the characteristics of water out,two technical ideas are put forward,which include the selective water shutoff of HWSO and the water control of ACP.The research and the field practice demonstrate that the selective water shutoff technology of HWSO should be applied to horizontal wells with the unclear watered interval and with the water exit interval unable to be sealed and blocked.Then the research and practice also indicate that ACP materials,which satisfy the needs of annulus filling at the property of strengths,can be used as the means of direct water shutoff and annulus block outside the pipe,and thus help to realize the technology of separate production and injected water shutoff.

horizontal wells;selective water shutoff;thixotropy;annulus chemical packer;field test

李宜坤（1965-），男，高級工程師，博士?，F(xiàn)主要從事堵水調(diào)剖技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

路萍

2011-05-23