基于改性氰凝的水平井定點(diǎn)堵水技術(shù)

閆?？?， 胡書寶， 謝 剛， 魏愛軍， 張黎黎， 秦忠海

(中國(guó)石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北任丘 062552)

目前，水平井在油田開發(fā)中的應(yīng)用越來越普遍，其見水后的高含水問題日益突出，已嚴(yán)重影響水平井的開發(fā)效果。統(tǒng)計(jì)分析可知[1-2]，水平井出水受油藏、儲(chǔ)層沉積和井眼軌跡的影響，主要有底水脊進(jìn)、邊水/注入水推進(jìn)等形式，常造成局部或全井段水淹。為控制油井無效產(chǎn)水、挖掘油層潛力，需解決水平井卡水堵水問題。目前，水平井堵水技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍處于探索研究階段。機(jī)械卡水多應(yīng)用于射孔完井，但該技術(shù)并不適用于篩管完井，篩管完井水平井堵水只能選擇化學(xué)法[3-4]；化學(xué)法堵水多見于常規(guī)籠統(tǒng)擠注，封堵半徑大，易污染非目的層，采用常規(guī)堵劑(如油井水泥)施工易發(fā)生故障，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，而且凝膠用量大，強(qiáng)度較低[5-6]；定位堵水技術(shù)可實(shí)現(xiàn)堵劑的定向注入，但施工難度較大，目前還處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段;杜勇、周趙川等人[7-8]研究提出的管外環(huán)空化學(xué)封隔技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管外環(huán)空封堵，但須配合封隔器，施工工藝復(fù)雜。為此，筆者借鑒水壩裂縫處理和防水工程中的堵漏方法[9-10]，針對(duì)氰凝溫度適應(yīng)范圍窄和施工安全性差的問題，提出了基于小劑量改性氰凝的水平井定點(diǎn)堵水技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好效果。

1 堵劑性能評(píng)價(jià)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

材料：氰凝母液，催化劑，稀釋劑，空心玻璃微珠(粒徑60～80 μm，密度0.5～0.6 g/cm3)，聚丙烯纖維(長(zhǎng)度3～5 mm，直徑20～38 μm)，蒸餾水等。

儀器：玻璃絲口瓶，鋼筒，量筒，燒杯，流動(dòng)度杯，高能試驗(yàn)機(jī)，耐壓試驗(yàn)裝置。

1.2 試驗(yàn)方法

堵劑的固結(jié)和膨脹測(cè)定：將蒸餾水與氰凝母液、催化劑、稀釋劑和添加劑等按照一定比例加入玻璃絲口瓶或鋼筒中，置于水浴鍋或烘箱內(nèi)(溫度根據(jù)實(shí)際調(diào)整)，隨時(shí)觀察其固結(jié)情況，測(cè)得堵劑的初凝、終凝(初凝時(shí)漿液失去流動(dòng)性，終凝時(shí)漿液固化成固結(jié)體)時(shí)間，待完全反應(yīng)后按體積法測(cè)取膨脹倍數(shù)。該方法稱為瓶試法。

抗壓強(qiáng)度測(cè)定：試驗(yàn)前，先將改性氰凝漿液灌入模具中，水浴養(yǎng)護(hù)，脫模，得到標(biāo)準(zhǔn)試件；試驗(yàn)時(shí)，用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度，以2 400±200 N/s的速率對(duì)試件均勻施加載荷，直至達(dá)到最大載荷，記錄數(shù)據(jù)；計(jì)算公式為Cs=Ml/πr2(式中：Cs為抗壓強(qiáng)度，MPa；Ml為最大載荷，N；r為試件底面半徑，m)[11]。

流動(dòng)度測(cè)試：參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，將攪拌均勻的漿液倒入流動(dòng)度杯中，從玻璃板上垂直向上提起流動(dòng)度杯，使?jié){液自然攤開，測(cè)量攤開在玻璃板上漿液的直徑，以此得到其流動(dòng)度。

耐壓物理模擬試驗(yàn)：耐壓物理模擬試驗(yàn)裝置由電動(dòng)機(jī)、增壓泵和耐壓測(cè)試容器(包括內(nèi)筒(含活塞)、外筒、三通和壓力表等)組成，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)將改性氰凝漿液和水加入到耐壓內(nèi)筒中，加入順序?yàn)樗?、漿液、水，接增壓泵加壓至20 MPa，恒壓3 d。

圖1 耐壓物模試驗(yàn)裝置Fig.1 Physical modeling apparatus of pressure-resistance test

1.3 固結(jié)特性

為保證堵劑可注入、反應(yīng)可控和封堵有效，從研究氰凝發(fā)泡、固結(jié)反應(yīng)出發(fā)，通過調(diào)整配方改善了注入時(shí)的流動(dòng)性、反應(yīng)速度和固結(jié)體的物性，分析固結(jié)反應(yīng)的影響因素，并評(píng)價(jià)了其承壓性。

1.3.1 發(fā)泡原理

氰凝(含—NCO的預(yù)聚體)是一種聚氨酯類的化學(xué)灌漿材料，既不溶于水也不溶于油，其異氰酸酯基遇水后迅速發(fā)生加聚反應(yīng)生成聚氨酯固結(jié)體(反應(yīng)方程式如圖2所示)，反應(yīng)依次經(jīng)歷發(fā)泡、增稠、成膜、初凝、海綿體、固結(jié)體等階段，體積膨脹，閉孔發(fā)泡。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受接觸方式影響，與水接觸面首先發(fā)泡，并攜帶漿液滴懸浮至水表面，增稠硬化。

圖2 氰凝與水的反應(yīng)式Fig.2 Reaction formula of cyanogen coagulation and water

1.3.2 化學(xué)自膨脹-改性氰凝配方

前期研究發(fā)現(xiàn)[10,12]，氰凝漿液黏稠，遇水反應(yīng)溫度敏感性強(qiáng)，且固化體存在空穴，影響封堵效果。為此，加入溶劑改善漿液的黏度，以滿足可注入性；其膨脹倍數(shù)受溫度影響，中高溫時(shí)膨脹倍數(shù)可達(dá)2～4倍；根據(jù)顆粒級(jí)配緊密堆積理論[13]，摻雜空心玻璃微珠，利用其密度小(0.5～0.6 g/cm3)、強(qiáng)度高(12～25 MPa)和可均勻分散在漿液表面的特點(diǎn)，作為質(zhì)點(diǎn)以點(diǎn)接觸反應(yīng)，改變了面接觸形式，從而控制了空穴大小和反應(yīng)速度，使固結(jié)體整體均勻，減少缺陷。不同配方改性氰凝在不同溫度下的基本性能見表1。

表1 不同改性氰凝在不同溫度下的基本性能Table 1 Formula of modified cyanogen coagulation and basic performance of the system at different temperatures

1.3.3 承壓性能

采用高能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試固化體的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果表明：1)固化體的機(jī)械抗壓強(qiáng)度達(dá)到12 MPa以上，試件被壓縮不破碎，壓縮后試件的厚度稍有反彈，經(jīng)計(jì)算其彈性模量大于20 Pa;2)由于煤的機(jī)械強(qiáng)度低，加入煤粉后固化體強(qiáng)度有較大幅度的降低，加入5%煤粉時(shí)的抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa，但受壓后仍能保持彈性狀態(tài)。

為驗(yàn)證改性氰凝在高壓條件下的反應(yīng)特性和耐壓性，設(shè)計(jì)加工了耐壓試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)時(shí)，將內(nèi)筒剖開，可以看到沿筒壁面分布的改性氰凝都已固化，形成了厚實(shí)的樹脂層，筒中間存有少部分改性氰凝和自由水。這表明改性氰凝在高壓下仍可與水反應(yīng)，但反應(yīng)速度減慢，同時(shí)受密閉空間限制，自由水被固化體包圍無法繼續(xù)引發(fā)反應(yīng)，形成外硬化殼內(nèi)包裹水體和改性氰凝的膠囊式結(jié)構(gòu)。

1.3.4 固結(jié)特性的影響因素

按照1.1所述瓶試法考察改性氰凝配方與不同比例蒸餾水在不同溫度下的固結(jié)情況，計(jì)算初(終)凝時(shí)間和膨脹倍數(shù)，分析溫度和水量因素對(duì)反應(yīng)的影響。

1) 溫度的影響

改性氰凝加聚反應(yīng)受溫度的影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)溫度在25～90 ℃時(shí)，改性氰凝初凝反應(yīng)時(shí)間可控(1～8 h)；但溫度突破90 ℃后，改性氰凝固化很快(<30 min失去流動(dòng)性)，表現(xiàn)為“閃凝”特性。

經(jīng)計(jì)算反應(yīng)速率與溫度關(guān)系曲線符合阿侖尼烏斯公式，即溫度升高反應(yīng)速率常數(shù)將增大。阿侖尼烏斯公式的表達(dá)式為[14]：

圖3 改性氰凝初凝反應(yīng)時(shí)間受溫度的影響Fig.3 Effect of temperature on the initial setting time of modified cyanogen coagulation

(1)

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)，(mol·m-3)1-n/s(其中，n為反應(yīng)級(jí)數(shù))；A為指前因子，(mol·m-3)1-n/s；E為活化能，J/mol；T為絕對(duì)溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

2) 水量的影響

溫度為25 ℃時(shí)，水量對(duì)改性氰凝固化的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 25 ℃時(shí)水量對(duì)改性氰凝固化的影響

由表2可知，隨著水量增加，反應(yīng)速度加快，膨脹倍數(shù)也相應(yīng)增大；水量達(dá)到5%以上即可使改性氰凝全部固化，但水量為1%時(shí)無法完全固化，漿液分層。

2 施工工藝及工具

2.1 摻雜纖維架橋

超細(xì)短纖維表面粗糙，具有塑性作用，可懸浮于溶液中，先期注入使其在裂縫口喉處粘接占位[11]，吸水飽和(密度達(dá)0.9 g/cm3左右)，通過橋接作用形成網(wǎng)狀架橋，并與隨后注入的漿液接觸、混合和反應(yīng)。纖維摻加量對(duì)漿液流動(dòng)度的影響如圖4所示。

圖4 纖維摻加量對(duì)漿液流動(dòng)度的影響Fig.4 Effect of fiber content on slurry fluidity

圖4表明，纖維摻加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%時(shí)黏滯力明顯增加，漿液流動(dòng)性變差。

2.2 輸送管柱

針對(duì)需要多次封堵的薄差儲(chǔ)層，李清忠等人[15]配套研發(fā)了由封隔器、防卡、脫卡和堵劑攜帶裝置組成的氰凝封竄工藝，但該工藝堵劑用量較小(數(shù)十至數(shù)百千克)，不能滿足封堵裂縫的需要。為此，研發(fā)了由頂桿、工作筒和絲堵組成的單流活塞(見圖5)，工作筒隔離漿液段塞，同時(shí)刮削管壁，下行至絲堵處，用頂桿打開工作筒內(nèi)活塞使?jié){液流出。堵水管柱由多個(gè)單流活塞、油溶性隔離液、堵劑漿液、清洗液和頂替段塞組成，通過壓力控制活塞開閉，依次正向擠注各段塞，堵劑在隔離封閉的空間內(nèi)被順利推送至預(yù)封堵位置，注完后快速起出油管，關(guān)井候凝，最后以循環(huán)洗井的方式檢驗(yàn)封堵效果。

圖5 單流活塞及工藝管柱Fig.5 Check piston and pipe string

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于改性氰凝的水平井定點(diǎn)堵水技術(shù)已在煤層氣水平井和砂巖水平井試驗(yàn)3井次。試驗(yàn)表明，應(yīng)用該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工安全可靠，且取得良好的降水增油(氣)效果。

山西沁水盆地煤層氣井儲(chǔ)層埋深基本小于2 000.00 m，油藏溫度20～40 ℃，具有井淺、溫度低、易井漏塌陷且儲(chǔ)層敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)[16]。F71H4井是該盆地南部晉城斜坡帶樊莊區(qū)塊的一口L形水平井，該井水平段鉆至趾部時(shí)鉆壓放空，鉆井液失返，漏失嚴(yán)重，完鉆通井過程中漏失鉆井液750 m3。該井采用篩管完井，投產(chǎn)后產(chǎn)水量達(dá)92.0 m3/d，未見可燃?xì)怏w顯示，流壓2.9 MPa，且一直難以下降。分析認(rèn)為，水平井趾端(井深1 709.00 m處)遇大裂縫，溝通頂?shù)装寤規(guī)r溶洞中的水體，趾部裂縫既是漏失點(diǎn)又是出水點(diǎn)，為封堵目的層。堵水設(shè)計(jì)應(yīng)考慮堵劑適應(yīng)性，避免儲(chǔ)層傷害。該井堵水的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施見表3。

表3 改性氰凝堵水施工風(fēng)險(xiǎn)防控和對(duì)策

F71H4井吸水測(cè)試表明，排量達(dá)到2.0 m3/min仍無法建立井內(nèi)循環(huán)。實(shí)施堵水時(shí)，先泵注纖維，然后下入特制絲堵至井底，灌注油封隔離液，下入活塞，泵入3.0 m3堵劑，下入活塞，分2次泵注溶劑(注入量分別為0.2和0.4 m3)，最后頂替清水4.6 m3，施工排量0.2～0.3 m3/min，壓力5～10 MPa。由于液面儀顯示液面有所上升，通過套管反注0.25 m3。上提油管，觀察管壁清潔情況。施工后實(shí)探井底，堵劑留駐在趾部50.00 m內(nèi)，以0.2 m3/min的排量建立循環(huán)。該井恢復(fù)正常生產(chǎn)后，日產(chǎn)氣量達(dá)1 100.0 m3，日產(chǎn)水量20～30 m3。

華北砂巖水平井出水多表現(xiàn)為長(zhǎng)井段水淹，采用常規(guī)堵水凝膠封堵大孔道，但承壓不足，可將改性氰凝作為承壓封口主體。L36H11井為砂巖水平井，采用套管完井，水平段長(zhǎng)度337.60 m，堵前含水率100%。依據(jù)油藏特征和水淹特點(diǎn)，按照選擇封堵高滲透通道并阻止地層水繞流的思路，用泡沫凝膠對(duì)高滲透通道進(jìn)行深部封堵，然后注入2.2 m3改性氰凝樹脂封口，施工壓力15～18 MPa?；謴?fù)生產(chǎn)后，日產(chǎn)液量由34.4 m3降至24.0 m3，日產(chǎn)原油量由0上升到15.0 t，降水增產(chǎn)效果較好。

4 結(jié)論與建議

1) 氰凝是一種非常規(guī)堵水材料，通過對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性形成了以母液、溶劑、催化劑和助劑為主的改性氰凝體系，顯著改善了其理化性能，拓寬了溫度適用范圍，可滿足現(xiàn)場(chǎng)承壓封堵的要求。

2) 研究形成了基于小劑量改性氰凝的水平井定點(diǎn)堵水技術(shù)及配套施工工藝，提高了堵水的針對(duì)性，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平井段堵劑的有效駐留，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)L形篩管完井水平井定點(diǎn)堵水的空白。

3) 該技術(shù)目前尚處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，由于改性氰凝遇水即增稠變黏，且粘聯(lián)性較強(qiáng)，傳統(tǒng)吸入泵泵注后清洗困難，困此需進(jìn)一步研究如何控制其反應(yīng)速度、地面配液等問題，以提高該技術(shù)的適應(yīng)性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ZHAO Xianzheng，JIN Fengming，WANG Quan，et al.Buried-hill play，Jizhong Subbasin，Bohai Bay Basin:a review and future prospectivity[J].AAPG Bulletin，2015，99(1)：1-26.

[2] 閆?？?，謝剛，巨登峰，等.冀中地區(qū)高含水水平井治理工藝模式[J].斷塊油氣田，2016， 23(5)：648-651，654.

YAN Haijun,XIE Gang,JU Dengfeng,et al.Technologies of chemical plugging for high water-cut horizontal wells in Jizhong District[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2016,23(5):648-651,654.

[3] 李宜坤，胡頻，馮積累，等.水平井堵水的背景,現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2005，27(5)：757-760.

LI Yikun,HU Pin,FENG Jilei,et al.Background,current situation and trend of development for water shutoff in horizontal wells[J].Journal of Oil and Gas Technology,2005,27(5):757-760.

[4] 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(shì)[J].石油鉆采工藝，2007，29(1)：40-43.

WEI Falin,LIU Yuzhang,LI Yikun,et al.Developing trend and current situation of water plugging technology for slotted pipe horizontal wells[J].Oil Drilling & Production Technology,2007,29(1):40-43.

[5] 葛紅江，茍景鋒，雷齊玲，等.水平井化學(xué)堵水配套藥劑研究[J].油田化學(xué)，2009，26(4)：387-390，397.

GE Hongjiang,GOU Jingfeng,LEI Qiling,et al.Chemicals for water shutoff in horizontal wells[J].Oilfield Chemistry,2009,26(4):387-390,397.

[6] 閆?？。薜欠?，謝剛，等.二次交聯(lián)泡沫凍膠體系評(píng)價(jià)與應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2013，20(2)：252-254.

YAN Haijun,JU Dengfeng,XIE Gang,et al.Evaluation and application of gelled foam with secondary cross-linking[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2013,20(2):252-254.

[7] 杜勇.邊底水油藏水平井ACP定位控水技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2015，38(5)：44-46.

DU Yong.Research and application of ACP positioning water control technology in edge-bottom water reservoir horizontal well[J].Drilling & Production Technology,2015,38(5):44-46.

[8] 周趙川，陳立群，高尚，等.CESP水平井環(huán)空化學(xué)封堵工藝在渤海油田的應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2013，20(3)：400-402.

ZHOU Zhaochuan,CHEN Liqun,GAO Shang,et al.Application of annulus chemical plugging for horizontal well with CESP screen pipe in Bohai Oilfield[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2013,20(3):400-402.

[9] 天津大學(xué)化工系高分子教研室.氰凝灌漿材料的研制與應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào)，1978(3)：11-13.

High Polymer Teaching and Research Department of Chemical Engineering，Tianjin University.Development and application of urethane precondensate grouting[J].Chemistry，1978(3)：11-13.

[10] 劉雙平，郝健，張順軍.油田堵水、封竄用改性氰凝材料[J].油田化學(xué)，1999，16(4)：314-316，371.

LIU Shuangping,HAO Jian,ZHANG Shunjun,et al.Modified urethane precondensates OTPT and WTPT as gelling materials for water shutoff/profile modification agents[J].Oilfield Chemistry,1999,16(4):314-316,371.

[11] 步玉環(huán)，王瑞和，穆海朋.纖維水泥抗壓強(qiáng)度模型[J].天然氣工業(yè)，2007，27(9)：56-58， 61.

BU Yuhuan,WANG Ruihe,MU Haipeng.Compressive strength model for fiber cement[J].Natural Gas Industry,2007,27(9):56-58,61.

[12] 范振忠，王犇.改性氰凝堵水劑的室內(nèi)評(píng)價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(29)：7260-7262.

FAN Zhenzhong,WANG Ben.The indoor evaluation of modification of cyanogen coagulation[J].Science Technology and Engineering,2011,11(29):7260-7262.

[13] 劉學(xué)鵬，張明昌，馮明慧，等.復(fù)合空心微珠低密度水泥漿的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2014，36(6)：39-41.

LIU Xuepeng,ZHANG Mingchang,FENG Minghui,et al.Research and application of composite hollow microbead low density cement slurry[J].Oil Drilling & Production Technology,2014,36(6):39-41.

[14] 許晶瑋，龐浩，顏永斌，等．以甘蔗渣為原料的聚氨酯合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J]．高分子材料科學(xué)與工程，2007，23(6)：50-52，56.

XU Jingwei,PANG Hao,YAN Yongbin,et al. Kinetic study of the reaction between liquefied product of bagasse and isocyanate[J]. Polymer Materials Science & Engineering,2007,23(6):50-52,56.

[15] 李清忠，楊萬有，吳恩成，等.三次加密井管外竄槽檢測(cè)及治理技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2006，28(1):79-81.

LI Qingzhong,YANG Wanyou,WU Encheng,et al.Detection and treatment for outside casing channel infill well[J].Oil Drilling & Production Technology,2006,28(1):79-81.

[16] 包貴全.煤層氣鉆井工程中幾個(gè)重點(diǎn)技術(shù)問題的探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(12)：4-8.

BAO Guiquan.Study on some focal technical problems of drilling engineering for coal bed methane[J].Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling),2007,34(12):4-8.