春光油田春10井區(qū)熱采水平井層間竄封堵劑研制及其性能評(píng)價(jià)

劉延坡，羅全民，徐星光，田大忠

(中石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆 焉耆 841100)

楊歡

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張國(guó)威，肖娜

(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

春光油田春10井區(qū)熱采水平井層間竄封堵劑研制及其性能評(píng)價(jià)

劉延坡，羅全民，徐星光，田大忠

(中石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆 焉耆 841100)

楊歡

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張國(guó)威，肖娜

(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

基于春光油藏基本特征研究及水平井水竄特征分析，針對(duì)春光油田因地層易出砂，大部分熱采井下有機(jī)械防砂管柱等現(xiàn)狀，結(jié)合封堵調(diào)剖劑可注入性和封堵能力，合成了一種新型地下交聯(lián)凝膠竄封堵水體系。該體系以丙烯酰胺和N-N二甲基雙丙烯酰胺為原料，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其配方進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化。結(jié)果表明，凝膠竄封堵水體系具備良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗溫耐鹽性、抗剪切抗壓性、封堵能力。2015年至2016年凝膠堵水劑應(yīng)用于春10Ⅱ2-9-3H井，實(shí)施多輪次調(diào)堵施工工藝后，日產(chǎn)液量、含水率和日產(chǎn)油量體現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定趨勢(shì)，效果顯著，滿足春10井區(qū)熱采水平井層間竄封堵技術(shù)要求。

封堵劑；熱采水平井；水竄；凝膠體系；封堵性能

春光油田稠油熱采地質(zhì)儲(chǔ)量2177×104t，主要投入開發(fā)的有沙灣Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3和白堊系，共2個(gè)單元，4個(gè)層系，該區(qū)塊具有“深、稠、薄、松”等特點(diǎn)，開發(fā)難度大[1]。春光油田超稠油2012年開始試采開發(fā)，截至2016年底投產(chǎn)135口(沙灣組投產(chǎn)84口，白堊系投產(chǎn)51口)。春光油田熱采井目前存在諸多問題，如層薄、汽竄現(xiàn)象日益嚴(yán)重及水平段長(zhǎng)，平面物性差異大，儲(chǔ)量動(dòng)用不均等[2]。

春10井區(qū)內(nèi)有部分井生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)汽竄現(xiàn)象，汽竄井從動(dòng)態(tài)特征上反映為注汽壓力下降，注汽量不變或上升；開采周期內(nèi)含水率快速上升或直接水淹，采出液溫度較低；開采周期動(dòng)液面上升[3,4]。通過分析每口井的汽竄生產(chǎn)特征，可以將汽竄井按開發(fā)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分類，便于研究分析汽竄原因。注汽過程中，注汽壓力反映了地層吸氣能力的高低，注汽壓力的下降表明地層存在竄通或破裂；受組分PVT特性的影響，注汽壓力下降的同時(shí)會(huì)伴隨蒸汽干度的提高[5,6]。開采周期中，主要從含水率和能量水平判斷竄通的可能性：產(chǎn)液量上升明顯的同時(shí)動(dòng)液面維持高位，表明油井獲得地層能量補(bǔ)充，出現(xiàn)竄通；含水率迅速上升，維持高位，表明水層竄通。

基于油藏開采現(xiàn)狀及熱采水平井層間汽竄、水竄特征分析，針對(duì)春光油田因地層易出砂，大部分熱采井下有機(jī)械防砂管柱等現(xiàn)狀，結(jié)合封堵調(diào)剖劑可注入性和封堵能力，首先以丙烯酰胺及N-N二甲基雙丙烯酰胺為原料研發(fā)了凝膠竄封堵劑；再對(duì)其穩(wěn)定性、成膠性能、抗剪切性及抗壓性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；最后應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

1)實(shí)驗(yàn)藥品 丙烯酰胺，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，緩聚劑RET-1，增效劑SY，改性劑MOD-1，引發(fā)劑INI-E，乳化劑，煤油，甲苯，氯化鈣，氯化鈉；試劑均為工業(yè)品，由河南油田分公司新疆采油廠提供。

2)實(shí)驗(yàn)儀器 精密增力電動(dòng)攪拌器(D90)，數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH系列)，數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(ZNN-D6S)，恒溫磁力攪拌油浴鍋(HH-SJ)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 成膠性能評(píng)價(jià)

根據(jù)春10井區(qū)的地層水組成，在室內(nèi)配制模擬地層水。凝膠竄封堵劑體系配方為1.41%～6.69%丙烯酰胺+0.05%～2.7%引發(fā)劑INI-E+0.23%～0.25%增效劑SY+0.46%～4.6%緩聚劑RET-1+0.19%～0.47%改性劑MOD-1+0.03%～0.08%N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。下同)。在成膠性能(濃度篩選)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，考察了包括Ca2+質(zhì)量濃度、溫度、pH值等因素，因此所形成的體系配方適用于該油藏條件。

2.2 凝膠體系靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

1)穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定在100～126℃，水樣礦化度為60000mg/L，根據(jù)體系的黏度及成膠時(shí)間評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

2)Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)成膠性能的影響 分別配制6種模擬底層水，在200mL地層水樣品中分別加入6、8、9、10、12g氯化鈣，再向地層水樣品中加入凝膠竄封堵劑體系，混合均勻后放置在120℃烘箱中。

2.3 凝膠體系抗剪切性能

在反應(yīng)釜中加入地層水和凝膠竄封堵劑體系，反應(yīng)至150℃，成膠，測(cè)定凝膠體系初始黏度，再將該凝膠攪拌2h，測(cè)定攪拌之后凝膠體系的黏度，考察其抗剪切性能。

2.4 凝膠體系抗壓性能

在反應(yīng)釜中加入地層水和凝膠竄封堵劑體系，通入一定量N2，升溫到150℃，測(cè)其在不同壓力條件下的體系黏度及其成膠時(shí)間，表征體系抗壓性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝膠體系的配方優(yōu)化

表1 丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能的影響(100 ℃)

3.1.1 丙烯酰胺對(duì)成膠性能影響

丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定凝膠相對(duì)強(qiáng)度和成膠時(shí)間，也控制堵劑費(fèi)用。若是丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)過少則反應(yīng)過慢，反之則反應(yīng)過快且生成的產(chǎn)物性能差[7]。實(shí)驗(yàn)配方：1.41%～6.69%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI-E+0.24%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1+0.28%改性劑MOD-1+0.05%N,N-亞甲基雙丙烯酰胺。體系中不斷增加丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，成膠情況如表1所示。隨著丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，成膠的時(shí)間變短，交聯(lián)后形成的凝膠更緊密，成膠黏度增加，當(dāng)丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.12%～6.69%范圍內(nèi)體系黏度達(dá)到最佳。

3.1.2 引發(fā)劑對(duì)成膠性能影響

實(shí)驗(yàn)配方：地層水+0.05% N, N-亞甲基雙丙烯酰胺+4.12%丙烯酰胺+0.05%～2.7%引發(fā)劑+0.28%改性劑MOD-1+0.24%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1。由表2可知，使用引發(fā)劑INI-E (乙醇溶液)、INI-E(甲苯溶液)時(shí)，體系黏度較高，但由于甲苯溶液有毒，推薦使用INI-E (乙醇溶液)。

表2 引發(fā)劑類型對(duì)成膠性能的影響(100 ℃)

引發(fā)劑用量過少則導(dǎo)致成膠時(shí)間增加，引發(fā)劑用量過大則導(dǎo)致體系反應(yīng)熱劇烈，破壞凝膠體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相關(guān)文獻(xiàn)[8]研究表明，堵劑黏度隨引發(fā)劑用量增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢(shì)，即在最佳引發(fā)劑用量時(shí)體系黏度達(dá)到最大值，圖1為引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠結(jié)果的影響。引發(fā)劑INI-E(乙醇溶液)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，就會(huì)導(dǎo)致生成的自由基變多，在緩聚劑量一定的時(shí)候，成膠時(shí)間越短。確定引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.94%～2.50%。

圖1 引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能的影響

3.1.3 改性劑MOD-1對(duì)成膠性能影響

改性劑的作用表現(xiàn)為接枝聚合時(shí)，在聚丙烯酰胺鏈上生成交聯(lián)點(diǎn)，進(jìn)而形成空間網(wǎng)絡(luò)。凝膠體系交聯(lián)密度取決于改性劑用量，改性劑用量增加，交聯(lián)密度變大，交聯(lián)位點(diǎn)之間聚合物分子量減小，凝膠體系網(wǎng)絡(luò)彈性減弱，堵劑吸水量減??；改性劑用量較少時(shí)也呈現(xiàn)相同的現(xiàn)象[9]。實(shí)驗(yàn)配方：地層水+0.05%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺+4.12%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI-E(乙醇溶液)+0.24%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1 +0～0.47%改性劑MOD-1。表3為改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能影響結(jié)果。可以看出，加改性劑會(huì)對(duì)凝膠脫水時(shí)間產(chǎn)生影響，但改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上對(duì)成膠時(shí)間無(wú)影響，確定改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍是0.19% ～ 0.47%。

表3 改性劑對(duì)成膠性能的影響(100℃)

3.1.4 緩聚劑RET-1對(duì)成膠性能影響

實(shí)驗(yàn)配方：地層水+0.05% N, N-亞甲基雙丙烯酰胺+4.12%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI - E(乙醇溶液)+0.28%改性劑MOD-1+0.24%增效劑SY+0～4.46%緩聚劑RET-1。緩聚劑RET-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取0%、0.46%、1.05%、1.65%、4.46%，研究緩聚劑RET-1對(duì)凝膠體系成膠性能的影響如圖2所示，緩聚劑RET-1在一定程度上可以延長(zhǎng)成膠時(shí)間，但緩聚劑RET-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變對(duì)成膠時(shí)間影響較小，但對(duì)凝膠的黏度則有一定影響。成膠后將玻璃瓶倒置，會(huì)出現(xiàn)有少量凝膠掛在底部和上層液面之間，在其間生成一層膜，凝膠和玻璃瓶之間形成凹液面。由圖3可知，緩聚劑RET-1越多，顏色越深。有增效劑存在時(shí)，RET-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.46%～4.46%可將體系成膠時(shí)間從2.5h延長(zhǎng)至10h以上。

圖2 緩聚劑RET-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能的影響

圖3 緩聚劑RET-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠竄封堵劑顏色的影響

3.1.5 增效劑SY對(duì)成膠性能影響

實(shí)驗(yàn)配方為：地層水+0.05%N, N-亞甲基雙丙烯酰胺+4.12%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI- E(乙醇溶液)+0.28%改性劑MOD-1+0～0.25%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1。增效劑SY對(duì)成膠性能影響如表4所示，不加入增效劑SY時(shí)，緩聚劑RET-1可以起到一定程度的延緩成膠作用，但體系成膠時(shí)間較短。當(dāng)緩聚劑RET-1與增效劑SY同時(shí)存在的條件下，可以大幅度延緩成膠時(shí)間，當(dāng)增效劑SY質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%～0.25%時(shí)比不加入增效劑SY時(shí)的體系成膠時(shí)間增加1倍多。

表4 增效劑SY質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能的影響 (100 ℃)

表5 溫度對(duì)成膠性能的影響

3.1.6 溫度對(duì)成膠性能影響

表5為溫度對(duì)成膠性能的影響。當(dāng)溫度小于60℃時(shí)，體系成膠時(shí)間超過15h，體系黏度為0mPa·s；當(dāng)溫度達(dá)到120℃時(shí)，成膠時(shí)間為5h，繼續(xù)升高溫度，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，成膠時(shí)間急劇下降至0.4h，體系黏度趨于穩(wěn)定，有利于實(shí)現(xiàn)蒸汽驅(qū)封竄。

3.2 凝膠體系靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)體系配方：地層水+4.12%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI-E(乙醇溶液)+0.24%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1+0.28%改性劑MOD-1+0.05%N,N-亞甲基雙丙烯酰胺。

3.2.1 穩(wěn)定性

凝膠體系穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，分別測(cè)試了0～90d的凝膠強(qiáng)度，隨著時(shí)間的增加，凝膠強(qiáng)度是不斷增強(qiáng)的，凝膠體系在80d內(nèi)不脫水，強(qiáng)度基本穩(wěn)定，80d后強(qiáng)度開始下降，說明該凝膠體系穩(wěn)定性可以持續(xù)80d。

3.2.2 pH值對(duì)成膠性能的影響

pH值對(duì)凝膠體系成膠性能影響結(jié)果如圖5所示。隨著pH值降低，成膠時(shí)間減少。當(dāng)pH值由7降至3時(shí)，成膠時(shí)間由6.5h降為5h，但當(dāng)pH值由3降至1.5時(shí)，成膠時(shí)間急劇減少，縮短為1h。此外，pH值對(duì)體系黏度也存在極大的影響，當(dāng)pH值由7降至5.5時(shí)，體系黏度上升至19.5×104mPa·s，再隨著pH值降低，體系黏度下降明顯，當(dāng)pH值為1.5時(shí)，體系黏度下降至7×104mPa·s。

圖4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 pH值對(duì)成膠性能的影響

3.2.3 Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)成膠性能的影響

Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)凝膠體系成膠性能影響結(jié)果如圖6所示。Ca2+質(zhì)量濃度在4000～14000mg/L范圍內(nèi)，對(duì)凝膠成膠時(shí)間的影響很小，成膠時(shí)間在8～12h之間。但Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)成膠后體系黏度影響比較大，當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度為12000mg/L時(shí)，體系黏度高達(dá)19×104mPa·s，隨著Ca2+質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，體系黏度又急劇下降至8×104mPa·s。

3.3 凝膠體系抗剪切性能

移取成膠溫度為150℃的凝膠，首先測(cè)定凝膠體系初始黏度，然后將該凝膠置于不同轉(zhuǎn)速下攪拌2h，測(cè)定凝膠黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。隨著剪切速率增大，凝膠體系黏度逐漸降低，當(dāng)剪切速率為11000r/min，其黏度還可以達(dá)到6×104mPa·s，說明其內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)牢固，不易受到剪切力的破壞，表明該堵劑完全可以起到封堵的效果。

圖6 Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)凝膠體系成膠性能的影響

圖7 剪切速率對(duì)凝膠體系黏度的影響

3.4 凝膠體系抗壓性能

壓力對(duì)凝膠體系成膠時(shí)間與體系黏度的影響結(jié)果如圖8所示。在0～10MPa范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，體系成膠時(shí)間可以控制在6～8h之間，隨著壓力的增加體系黏度先上升再下降，當(dāng)壓力為6MPa的時(shí)候，體系黏度達(dá)到最大，為18.2×104mPa·s；當(dāng)壓力為10MPa的時(shí)候，體系黏度下降至12.5×104mPa·s。

3.5 長(zhǎng)填砂管封堵物模實(shí)驗(yàn)

水驅(qū)填砂管的壓力為0.0063MPa，測(cè)得填砂管的滲透率約為8000mD，注入0.8 PV改性水凝膠之后，放置48h，成膠，水驅(qū)。封堵物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，水驅(qū)一段時(shí)間之后，壓力從1MPa快速升到5.2MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)填砂管的滲透率由8000mD下降至100mD，說明該凝膠體系具備良好的封堵效果。

圖8 壓力對(duì)凝膠體系性能的影響

圖9 長(zhǎng)填砂管(1.5 m)封堵物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2015年開始對(duì)春10Ⅱ2-9-3H井實(shí)施耐溫凝膠堵水，由于水竄現(xiàn)象會(huì)隨著開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)而加劇，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多輪次調(diào)堵，生產(chǎn)曲線見圖10。第一階段2015年5月～2015年7月，共注入凝膠竄封堵劑330m3，采油61d，增油降水效果明顯，但持續(xù)時(shí)間短且下降速度快。第二階段2015年8月～2015年11月，共注入凝膠竄封堵劑280m3，采油73d，日產(chǎn)油量和含水率又快速提升，穩(wěn)定時(shí)間較第一階段長(zhǎng)，平均日產(chǎn)油量為7.72t。第三階段2015年12月～2016年4月，共注入凝膠竄封堵劑265m3，采油115d，平均日產(chǎn)油量5.50t，平均含水率87.3%，措施后日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量和含水率體現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定趨勢(shì)，效果顯著。

圖10 春10Ⅱ2-9-3H井生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論

1) 根據(jù)凝膠體系配方優(yōu)化結(jié)果，確定交聯(lián)凝膠堵水體系配方：地層水+4.12%丙烯酰胺+0.94%引發(fā)劑INI-E(乙醇溶液)+0.24%增效劑SY+1.65%緩聚劑RET-1+0.28%改性劑MOD-1+0.05%N,N-亞甲基雙丙烯酰胺。

2)凝膠堵水體系具備良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗溫耐鹽性、抗剪切抗壓性能。長(zhǎng)填砂管(1.5m)封堵物模實(shí)驗(yàn)表明該凝膠堵水體系具備良好的封堵能力。

3)耐溫凝膠堵水劑應(yīng)用于春10Ⅱ2-9-3H井，實(shí)施多輪次調(diào)堵施工工藝后，日產(chǎn)液量、含水率和日產(chǎn)油量體現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定趨勢(shì)，效果顯著。

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[編輯] 帥群

2016-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574197)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2015D-5006-0206).

劉延坡(1975-)，男，工程師，現(xiàn)從事稠油熱采工藝研究；通信作者：楊歡，yanghuan76@yangtzeu.edu.cn。

TE357

A

1673-1409(2017)11-0063-06

[引著格式]劉延坡，羅全民，徐星光，等.春光油田春10井區(qū)熱采水平井層間竄封堵劑研制及其性能評(píng)價(jià)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(11):63～68.