篩管水平井堵水材料的研制與評(píng)價(jià)

程 靜 雷齊玲 葛紅江 劉希君 楊衛(wèi)華 朱 杰

（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

篩管完井水平井堵水的難點(diǎn)在于機(jī)械封隔方法僅能實(shí)現(xiàn)篩管內(nèi)部空間的封隔，不能封隔篩管與井壁之間環(huán)形空間。環(huán)空化學(xué)封隔器（ACP）技術(shù)［1］借助連續(xù)油管和跨式封隔器，在篩管與井壁之間的環(huán)空注入可形成化學(xué)封隔層的段塞，可達(dá)到隔離環(huán)空區(qū)域的目的，然后配合管內(nèi)封隔器，對出水點(diǎn)進(jìn)行定向封堵，是有效封隔篩管水平井水平段環(huán)空的工藝手段。國外相關(guān)公司及機(jī)構(gòu)開發(fā)出Maraceal、Permseal、Texplug 等水泥基、HPAM 基環(huán)空封隔體系，為ACP 工藝施工的安全性以及ACP 技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)［2］。但從礦場應(yīng)用效果分析，ACP 材料的性能仍有待于進(jìn)一步完善［1］，突出問題表現(xiàn)在，HPAM 基凝膠材料本身強(qiáng)度較低，在環(huán)空容易造成“重力坍落”和“回吐”；無機(jī)觸變水泥材料密度大，重力作用強(qiáng)，不容易完全填充整個(gè)環(huán)空，在觸變性、工藝安全性上仍無法滿足要求；另一方面，HPAM基凝膠材料和觸變水泥不能充分降解，均對生產(chǎn)水平段產(chǎn)生污染，嚴(yán)重影響生產(chǎn)產(chǎn)能。

針對目前ACP 材料強(qiáng)度低、環(huán)空填充不完全和降解難的問題，采用瓜膠粉和甘露聚糖酶等合成了高強(qiáng)度可降解ACP 材料，具有強(qiáng)度高、吸水膨脹性強(qiáng)且能降解的特點(diǎn)，適用于水平井堵水環(huán)空封隔。

1 ACP 材料的技術(shù)反應(yīng)原理

丙烯酰胺與瓜膠接枝共聚交聯(lián)形成強(qiáng)凝膠，利用其遇水膨脹的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)完全填充篩管和井壁間環(huán)空。在聚合體系中加入甘露聚糖酶降解酶和一定濃度的強(qiáng)氧化劑，使所研制的封隔材料降解成相對分子量較小的低聚物，在微生物作用下可完全降解。瓜膠作為接枝體構(gòu)成封隔材料的“骨架”，提高了材料的本體強(qiáng)度。此外，通過改變強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑加量可制備一系列不同強(qiáng)度和持壓能力的封隔材料。

通過單體共聚合成的凝膠是一種類似橡膠的黏彈性固體，成膠后的強(qiáng)度很高，在一定溫度下緩慢降解，最終能夠完全降解，不污染地層。此外，該材料吸水膨脹體積倍數(shù)5～50，很強(qiáng)的吸水性使材料填充并充滿于環(huán)空區(qū)域，能夠保證環(huán)空的封隔效果。

2 高強(qiáng)度可降解ACP 材料的研制

2.1 實(shí)驗(yàn)藥劑及儀器

丙烯酰胺，試劑；瓜膠粉，甘露聚糖酶，天津市諾奧科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水為大港油田西一聯(lián)回注水，礦化度為4 500 mg/L，NaHCO3型；水膨體抗剪切測試儀，自制；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；CP423S 電子天平。

2.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

2.2.1 成膠時(shí)間的測試 成膠時(shí)間一般指堵水劑的初凝時(shí)間，即從配制完畢到堵水劑溶液表現(xiàn)黏度增加，或者是彈性模量增大這一時(shí)間段。實(shí)驗(yàn)室采用觀測堵劑成膠狀態(tài)確定成膠時(shí)間。

2.2.2 強(qiáng)度的測試 凝膠強(qiáng)度是通過水膨體強(qiáng)度檢測儀測試抗剪切強(qiáng)度來評(píng)價(jià)其大小的［3］。將成膠后的堵水材料切碎，使用水膨體強(qiáng)度檢測儀進(jìn)行測試，通過剪切板的最大壓力讀數(shù)為其抗剪切強(qiáng)度的力值，單位為牛頓，該讀數(shù)除以剪切板面積即為抗剪切強(qiáng)度，單位為kPa。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將水倒入攪拌罐中，加入瓜膠粉，攪拌得到分散均勻的膠體溶液；

（2）加入丙烯酰胺攪拌溶解；

（3）加入交聯(lián)劑攪拌均勻；

（4）最后加入引發(fā)劑，密封靜置于設(shè)定溫度50～ 70 ℃的干燥箱中反應(yīng)12 h；

（5）取出彈性固體產(chǎn)物，測試抗剪切強(qiáng)度。剪下一小塊彈性固體產(chǎn)物，放入適當(dāng)濃度的含有甘露聚糖酶的過硫酸銨溶液中，觀察產(chǎn)品降解情況，并測試降解溶液的黏度。

2.4 基本配方實(shí)驗(yàn)優(yōu)選

實(shí)驗(yàn)方法：首先固定單體加量，通過正交實(shí)驗(yàn)來確定瓜膠、引發(fā)劑和交聯(lián)劑組分的最優(yōu)加量。單體丙烯酰胺加量在2%～4%之間取值［4］，固定單體加量3.5%。反應(yīng)溫度60 ℃。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對不同成膠時(shí)間下黏彈性好的第1、4、7 組產(chǎn)品進(jìn)行黏度和強(qiáng)度性能測試，結(jié)果見表3。ACP材料成膠時(shí)間大于3 h 以上，體系成分容易出現(xiàn)重力沉降，導(dǎo)致縱向成膠不均勻，即“重力坍落”。由表3 數(shù)據(jù)可以看出第4、7 組強(qiáng)度都較高，但是從成膠時(shí)間小于3 h 來選擇，第4 組是最佳配方組成，即：3.5%單體+2%瓜膠+2%引發(fā)劑+0.3%交聯(lián)劑。

表3 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

2.5 降解液優(yōu)選

用油田采出水按照上文配方配制成均勻的溶液，在60 ℃下恒溫成膠，取2 g 凝膠塊，放入不同濃度甘露聚糖酶的過硫酸銨溶液中，觀察凝膠塊的降解情況，并測量降解溶液的黏度。凝膠塊吸水膨脹，凝膠強(qiáng)度逐漸降低，得到含有少量絮狀物的溶液。測試凝膠降解后黏度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果見表4，可以看出，0.3%甘露聚糖酶和0.2%過硫酸銨的降解效果最好。

表4 不同組配的降解液降解性能

3 高強(qiáng)度可降解ACP 材料的性能測試

3.1 環(huán)空充填性能和降解性能評(píng)價(jià)

高強(qiáng)度可降解ACP 材料的吸水倍數(shù)隨溫度升高而增大。吸水后凝膠強(qiáng)度（抗剪切強(qiáng)度）見表5。根據(jù)理論計(jì)算［1］，ACP 材料強(qiáng)度至少應(yīng)當(dāng)在1.0 kPa（即100 N）以上。本文材料在20～120 ℃之間吸水后強(qiáng)度均大于1.0 kPa，吸水倍數(shù)在5～50 之間，能夠保證環(huán)空的封隔效果。且由表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，ACP 材料降解96 h 后溶液黏度為4.0 mPa·s，能滿足降解要求。

表5 高強(qiáng)度可降解材料的吸水倍數(shù)和強(qiáng)度

3.2 水平段流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證工藝的可行性，建立全尺寸篩管水平井模型來模擬實(shí)際注入條件下ACP 材料的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程。模型以?241.3 mm 透明玻璃管模擬地層界面，在玻璃管中下入尺寸?139.7 mm 的精密復(fù)合篩管，在篩管內(nèi)下入油管及封隔器。

模擬實(shí)驗(yàn)假設(shè)出水點(diǎn)在水平段端部。先在模型中注滿清水，在靠近出水點(diǎn)跟部下入封隔器，用水泥車在跟部注入ACP 材料進(jìn)行隔離保護(hù)；對出水點(diǎn)注入堵劑進(jìn)行封堵。從實(shí)驗(yàn)可以看出：（1）在封隔器位置以下有水流出，而在封隔器以上沒有水流出，證明封隔器在精密復(fù)合篩管內(nèi)具有良好的密封性；（2）注入過程中ACP 材料與堵劑之間有明顯的界面，表明ACP 材料能有效防止堵劑混相，堵劑能實(shí)現(xiàn)段塞式注入，能對水平井水平段的管外環(huán)空形成完整的封堵。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

港淺10-5H 井在鉆井過程中由于水平段軌跡控制較差，造成在1 659～1 670 m 附近水平段進(jìn)入水層，投產(chǎn)后底水很快突破，日產(chǎn)液30 m3/d，含水100%，后關(guān)井。地質(zhì)提出針對1 653.91～1 714.05 m水平盲管段進(jìn)行堵水，阻斷地層水進(jìn)入前端的通道，達(dá)到增油降水的目的。

施工過程：（1）下通井規(guī)通井；（2）下油管至1 653 m；（3）配制ACP 材料保護(hù)液11 m3；打開套管閥門，正替ACP 凝膠保護(hù)液10.5 m3，正替清水8 m3；上提油管至1 500 m，反洗井，直到進(jìn)出口液性一致；（4）注堵劑打塞，注塞井段1 653.91～1 714.05 m；（5）注降解液；（6）探塞面，試壓12 MPa，10 min 壓力下降0.5 MPa；（7）鉆塞，補(bǔ)孔。

該井堵后初期日產(chǎn)液5.6 m3，日產(chǎn)油4.8 t，含水14.3%，目前有效期已達(dá)到1 年，累計(jì)增產(chǎn)原油1 000 t，取得了良好的效果，證明高強(qiáng)度可降解ACP 材料對水平段具有良好的環(huán)空封隔能力和保護(hù)作用。

5 結(jié)論

（1）高強(qiáng)度可降解ACP 材料是篩管水平井堵水工藝的核心材料，它是由單體、瓜膠、引發(fā)劑、交聯(lián)劑和甘露聚糖酶組成，為了保證降解效果，通常在施工過程中還要注入0.2%的過硫酸銨。

（2）該ACP 材料較強(qiáng)的吸水性使材料能夠填充并充滿于環(huán)空區(qū)域，能保證環(huán)空的封隔效果；具有較好的降解性，降解96 h 后黏度可達(dá)到4.0 mPa·s。

（3）全尺寸篩管水平井模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該ACP 材料應(yīng)用于篩管水平井堵水是可行的。

［1］ 魏發(fā)林，劉玉章，李宜坤，等.割縫襯管水平井堵水技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2007，29（1）：40-43.

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