大粒徑調(diào)剖顆粒封堵機(jī)理及深部運(yùn)移性能評價(jià)

陳宇豪，王克亮，李 根，逯春晶

（東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

0 引言

近年來，我國大部分油田都進(jìn)入了開發(fā)中后期，油田的多輪次調(diào)剖效果呈遞減趨勢［1］。在水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)過程中，竄流現(xiàn)象的發(fā)生日益頻繁及嚴(yán)重，而諸如聚合物凍膠類、樹脂類以及凝膠類調(diào)剖劑等常規(guī)調(diào)剖劑主要作用于近井地帶，不能有效改善地層深部的非均質(zhì)性［2］。針對這一情況，出現(xiàn)了深部調(diào)剖技術(shù)的概念［3］，顆粒類調(diào)剖劑就是目前國內(nèi)各油田廣泛使用的一類針對深部地層的調(diào)剖體系［4］。顆粒類調(diào)剖劑是一種經(jīng)濟(jì)有效的堵劑，尤其對于高滲透、特高滲透地層以及需要進(jìn)行深部處理的大孔道地層，通過顆粒類堵劑處理可獲得明顯的調(diào)剖效果，其特有的選擇性進(jìn)入能力可減少堵劑對非目標(biāo)層的侵入［5-6］。顆粒類調(diào)剖劑的制作方法在主體工藝上大都相同［7］，不同類型的顆粒調(diào)剖劑都是由不同單體通過聚合交聯(lián)反應(yīng)形成整塊膠狀產(chǎn)品，再通過烘干、造粒、篩分等工藝最終制備成不同粒徑的顆粒［8］。常用的顆粒類調(diào)剖劑包括體膨顆粒、柔性顆粒、凝膠顆粒和橡膠顆粒等［9］，它們具備不同的性能、作用方式及應(yīng)用效果，針對這些顆粒的室內(nèi)評價(jià)手段也很多［10］。與傳統(tǒng)堵水劑相比，顆粒類調(diào)剖劑在地面制備成產(chǎn)品，進(jìn)入到地層深部后無須反應(yīng)，或者是通過顆粒相互之間產(chǎn)生交聯(lián)作用而生效，受地層條件的影響很?。?1］，此外，顆粒類調(diào)剖劑具備較高的穩(wěn)定性、封堵性、耐鹽性以及耐溫性，在油田調(diào)剖堵水工藝上所占的比重將會逐步增大［12］。

大粒徑彈性顆粒的主要作用是對地層內(nèi)部的裂縫進(jìn)行封堵［13］，并憑借其易變形、耐剪切的特點(diǎn)，當(dāng)壓力梯度增大時(shí)，可以進(jìn)入地層深部對裂縫和孔隙進(jìn)行封堵，從而實(shí)現(xiàn)深部調(diào)剖［14-15］。彈性顆粒成本低、有效期長［16］，但在油田進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)則存在滲透率不匹配的問題，導(dǎo)致顆粒注入困難［17］。目前，針對該類顆粒的室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)鮮有報(bào)道，主要原因是彈性顆粒的粒徑為1～5 mm，遠(yuǎn)大于微米級調(diào)剖顆粒［18-19］，室內(nèi)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)設(shè)備的尺寸不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，此外，該類顆粒的作用主要是封堵裂縫［20］，并不作用于巖心基質(zhì)［21］，因此，室內(nèi)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)不能很好地評價(jià)其封堵裂縫的能力及深部運(yùn)移的能力［22］。針對這一問題，基于油田現(xiàn)場應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)一種毫米級粒徑的彈性調(diào)剖顆粒及相關(guān)模型和設(shè)備，并提出顆粒變形通過壓力這一參數(shù)，以便對該顆粒通過裂縫的能力進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而對其封堵能力和深部運(yùn)移能力進(jìn)行評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)所用的大粒徑彈性顆粒（圖1）采用丁苯橡膠類材料制作，具備較高的形變能力及耐剪切性和熱穩(wěn)定性，粒徑根據(jù)造粒工藝選擇不同尺寸，具體有1 mm，3 mm和5 mm。由于彈性顆粒粒徑為毫米級，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常規(guī)裝置的尺寸不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，故結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)了大粒徑顆粒頂替裝置（圖2），并定制了具有不同裂縫寬度的裂縫模型（裂縫寬度分別為1 mm，3 mm和5 mm，模型厚度為10 mm），將顆粒溶液裝入活塞容器內(nèi)，通過ISCO泵提供底部活塞動力，活塞頂替顆粒至頂部裂縫，利用壓力傳感器實(shí)時(shí)記錄頂替活塞處的壓力變化，并繪制注入壓力-時(shí)間曲線，進(jìn)而對顆粒變形及通過裂縫的過程進(jìn)行分析。

圖1 彈性顆粒Fig.1 Elastic particle

圖2 顆粒頂替裝置示意圖（a）及裂縫模型實(shí)體圖（b）Fig.2 Schematic diagram of theexperimental device（a）and fracturemodel（b）

實(shí)驗(yàn)方法是利用壓力傳感器記錄計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)并繪制注入壓力-時(shí)間曲線（圖3），并將該曲線分為以下幾個(gè)階段來處理、分析：①未接觸期。由于顆粒體系所處位置距頂部裂縫模型有一定距離，因此，前期壓力僅為活塞的上升動力，該壓力值很小且不會發(fā)生變化。②封堵期。顆粒開始接觸并堵塞裂縫模型，壓力出現(xiàn)上升現(xiàn)象，在該階段顆粒逐步堵塞模型，并阻止后續(xù)顆粒向上運(yùn)動。③平臺期。由于顆粒體系不斷憋壓，壓力升高直至達(dá)到閾值，迫使底部顆粒驅(qū)替頂部顆粒變形并通過裂縫，該階段由于不斷發(fā)生前部顆粒變形通過→頂替顆粒進(jìn)入裂縫→頂替顆粒變形通過的過程，壓力在一定基礎(chǔ)值上產(chǎn)生波動，定義平均壓力為顆粒變形通過壓力，也可認(rèn)為是顆粒對裂縫的最大封堵壓力。④驟升期。大部分顆粒被頂替出裂縫后，活塞逐漸上升并最終與頂部裂縫模型接觸，此時(shí)壓力會急劇上升，該階段對于顆粒性能的分析意義不大。

圖3 注入壓力-時(shí)間變化曲線Fig.3 Injection pressure-timevariation curve

封堵期和平臺期是針對顆粒性能須重點(diǎn)研究的階段，彈性顆粒要評價(jià)的2個(gè)方面就是封堵能力和運(yùn)移能力，這兩點(diǎn)體現(xiàn)在一個(gè)參數(shù)值上就是平臺期的顆粒變形通過壓力，該值較小，表明對目標(biāo)裂縫而言，彈性顆粒的運(yùn)移能力較強(qiáng)，容易進(jìn)入地層深部，但其封堵能力相對較弱，很容易隨壓力梯度增大發(fā)生顆粒變形并通過裂縫；反之，該值較大，則表明顆粒的封堵能力較強(qiáng)，但深部運(yùn)移能力較弱。需要特別指出的是，當(dāng)變形通過壓力為0時(shí)，需要具體分析，因?yàn)樵撝禐?表明不存在平臺期階段，即不能計(jì)算出變形通過壓力值。此現(xiàn)象對應(yīng)2種情況：一是大部分顆粒沒有通過裂縫模型，而是滯留在裂縫內(nèi)，且隨著注入壓力上升，顆粒也未產(chǎn)生形變并通過裂縫，所以在曲線中不存在平臺期；二是顆粒沒有對裂縫形成封堵，全部通過裂縫，這樣在曲線中也不存在平臺期。因此，當(dāng)顆粒變形通過壓力為0時(shí)，說明顆粒具有2種極端性質(zhì)，或是封堵能力很強(qiáng)，或是運(yùn)移能力很強(qiáng)，此時(shí)需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行定性判斷。

2 裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)及分析

利用上述頂替裝置、裂縫模型及分析方法，先后以粒徑為1 mm，3 mm，5 mm的彈性顆粒為實(shí)驗(yàn)對象，分別利用縫寬為1 mm，3 mm，5 mm的裂縫模型進(jìn)行了裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)將顆粒體系中顆粒的含量設(shè)置為變量，即設(shè)定了20%，35%，50%等3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究顆粒用量對顆粒調(diào)剖效果的影響。

2.1 1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)

以20 mL蒸餾水為基液，配置1 mm粒徑調(diào)剖顆粒溶液，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為20%，35%及50%，將ISCO泵驅(qū)替流速設(shè)定為恒速5 mL/min，針對3種不同縫寬的裂縫模型進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖4為1 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線，表1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 1 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線Fig.4 Injection pressure-time variation curves of 1 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

表1 1 mm粒徑顆?？p寬匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of different mass fraction of three models（1 mm particle）

分析圖4和表1可以發(fā)現(xiàn)，縫寬對于彈性顆粒的變形通過壓力和變形通過時(shí)間的影響均很大，在顆粒含量相同的情況下，縫寬越小，彈性顆粒變形通過壓力越高，變形通過時(shí)間越長；彈性顆粒的變形通過壓力與顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定關(guān)聯(lián)，當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，對應(yīng)3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，通過肉眼直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以確定是1 mm粒徑顆粒直接從裂縫模型中流出，說明顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的1 mm粒徑顆粒體系對3種縫寬的裂縫都無法產(chǎn)生有效封堵；顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%和50%的1 mm粒徑顆粒體系可以觀察到顆粒變形通過階段的平臺期，結(jié)合數(shù)據(jù)（表1）分析發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒含量增大，顆粒的變形通過壓力小幅增加，且顆粒的持續(xù)作用時(shí)間也隨之延長，說明同一粒徑的顆粒體系，用量不同所產(chǎn)生的效果也不相同，理論上建議顆粒體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該設(shè)置得大一些，因?yàn)楫?dāng)體系內(nèi)顆粒個(gè)數(shù)增加時(shí)，顆粒在運(yùn)移過程中相互作用的頻率和程度均會提高，進(jìn)而改善對裂縫的封堵效果。

2.2 3 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)

采用與1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行3 mm粒徑調(diào)剖顆粒匹配實(shí)驗(yàn)，針對3種不同縫寬的裂縫模型進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖5為3 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線，表2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 3 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線Fig.5 Injection pressure-timevariation curvesof 3 mm particlesizewith 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表2可知，3 mm粒徑的顆粒在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和35%時(shí)，針對1 mm，3 mm和5 mm這3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，通過肉眼觀察實(shí)驗(yàn)中的裂縫封堵現(xiàn)象，確定原因?yàn)轭w粒在裂縫模型入口端封堵裂縫，說明顆粒具有很強(qiáng)的剛性封堵性能，當(dāng)體系中顆粒含量較低時(shí)，由于后續(xù)顆粒數(shù)量不足，無法頂替前端顆粒產(chǎn)生形變通過裂縫；當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，針對1 mm，3 mm和5 mm這3種縫寬的模型均可觀察到顆粒變形通過階段的平臺期，1 mm，3 mm，5 mm裂縫對應(yīng)的顆粒變形通過壓力依次為4.65 MPa，1.45 MPa，1.05 MPa，說明變形通過壓力隨模型裂縫寬度的增大而降低。1 mm縫寬裂縫對應(yīng)的變形通過壓力與3 mm和5 mm縫寬裂縫對應(yīng)的變形通過壓力相比有明顯差距，此現(xiàn)象說明裂縫寬度越小，顆粒體系進(jìn)行深部調(diào)剖所要求的壓力梯度越高，在施工時(shí)需要對注入工藝進(jìn)行針對性調(diào)整。

表2 3 mm粒徑顆?？p寬匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of different mass fraction of three models（3 mm particle）

2.3 5 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)

采用與1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行5 mm粒徑調(diào)剖顆粒匹配實(shí)驗(yàn)，針對3種不同縫寬的裂縫模型進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖6為5 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線，表3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 5 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時(shí)間曲線Fig.6 Injection pressure-time variation curves of 5 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表3可知，5 mm粒徑顆粒針對1 mm，3 mm，5 mm等3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，結(jié)合肉眼觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象確定原因?yàn)轭w粒過大封堵了裂縫，使大部分顆粒滯留在了裂縫模型的入口端，并形成了剛性封堵，后續(xù)顆粒難以使前端顆粒產(chǎn)生形變通過裂縫。

綜合1 mm，3 mm，5 mm縫寬裂縫模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于相同的顆粒調(diào)剖體系，其中顆粒的含量越高，其深部運(yùn)移效果越好，因此，建議顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇50%。5 mm粒徑顆粒由于粒徑較大，在3種縫寬的裂縫模型中都無法進(jìn)行深部運(yùn)移，故不建議在需要實(shí)施深部調(diào)剖措施的油田使用。比較1 mm與3 mm粒徑顆粒在顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%條件下通過3種縫寬的裂縫模型的變形通過壓力可知，1 mm粒徑顆粒對應(yīng)3個(gè)裂縫模型的變形通過壓力均小于3 mm粒徑顆粒，說明1 mm粒徑顆粒的深部運(yùn)移能力強(qiáng)于3 mm粒徑顆粒，而3 mm粒徑顆粒對裂縫的封堵能力要強(qiáng)于1 mm粒徑顆粒。

3 結(jié)論

（1）針對毫米級大粒徑彈性顆粒設(shè)計(jì)了顆粒頂替裝置及裂縫模型，并總結(jié)出注入壓力-時(shí)間曲線的分析方法，提出了顆粒變形通過壓力這一參數(shù)，來表征彈性顆粒的深部運(yùn)移能力及對裂縫的封堵能力。

（2）結(jié)合3種粒徑顆粒的裂縫寬度匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出顆粒體系中顆粒的含量對于其封堵效果和運(yùn)移效果均有一定影響，建議顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在一定程度上保持較高數(shù)值。裂縫寬度對于顆粒體系進(jìn)行深部運(yùn)移所需的注入壓力具有較大影響，裂縫寬度越小，所需注入壓力越大。

（3）5 mm粒徑顆粒的封堵能力強(qiáng)于1 mm和3 mm粒徑顆粒，但深部運(yùn)移能力極差，不建議用于油田現(xiàn)場的深部調(diào)剖。1 mm粒徑顆粒的深部運(yùn)移能力強(qiáng)于3 mm粒徑顆粒，3 mm粒徑顆粒的封堵能力強(qiáng)于1 mm粒徑顆粒，在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合措施區(qū)塊的地質(zhì)條件及措施目的進(jìn)行選擇，若注重對裂縫的封堵效果選擇3 mm粒徑顆粒，若注重調(diào)剖體系的作用波及范圍則選擇1 mm粒徑顆粒。