體膨顆粒封堵性能的影響因素研究*

張繼紅，王瑞虹

（東北石油大學(xué) 提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

目前，我國大部分油井平均含水已達(dá)80%以上，東部地區(qū)的一些老油田含水高達(dá)90%以上，甚至已超過經(jīng)濟(jì)極限（含水率95%～98%）[1,2]。針對(duì)裂縫油藏，堵水調(diào)剖的工作量逐年增大，工作難度增加，而增油潛力降低，這種形式促進(jìn)了堵水調(diào)剖技術(shù)的迅速發(fā)展。然而常規(guī)的堵水技術(shù)對(duì)裂縫堵水效果差：機(jī)械堵水在進(jìn)行裂縫堵水時(shí)成功率不高，有效期短；無機(jī)堵水技術(shù)在裂縫地層堵水時(shí)，其堵劑易被水稀釋，對(duì)儲(chǔ)層傷害大；聚合物調(diào)堵劑很容易受溫度、礦化度的影響；樹脂類堵水劑對(duì)裂縫沒有選擇性，能同時(shí)進(jìn)入地層中大、小裂縫，且不易解堵[3,4]。因此，有必要開展新堵水技術(shù)的研究以解決裂縫性油藏的出水問題。顆粒類堵劑的選擇性進(jìn)入能力可大大減少堵劑對(duì)非目的層的侵入，提高堵水調(diào)剖效果，而體膨型顆粒類堵劑的選擇性進(jìn)入能力和堵水特性為無法卡封進(jìn)行堵水作業(yè)的井降低含水提供了一種有效的封堵材料。用體膨型顆粒類堵劑進(jìn)行調(diào)剖時(shí)，堵劑可動(dòng)性有利于擴(kuò)大堵劑的作用范圍，提高調(diào)剖效果，具有驅(qū)油和調(diào)剖雙重作用。同時(shí)，體膨顆粒因具有較好的耐溫性和抗鹽性，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了常規(guī)堵水調(diào)剖劑進(jìn)入地層因稀釋作用而不交聯(lián)的弊端，故在各大油田中應(yīng)用較為廣泛[5,6]。對(duì)裂縫油藏而言，體膨顆粒也因其對(duì)裂縫具有良好的充填性而用于裂縫儲(chǔ)層的調(diào)剖堵水。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)過程中所用到的儀器設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Tab.1 Laboratory instruments and equipment

本文實(shí)驗(yàn)所用體膨顆粒NS-3見圖1，是以殼聚糖為大分子單體，丙烯酸、丙烯酰胺為水溶性單體，分子量為800～1200萬的一種生物聚合物。其室內(nèi)研究能表現(xiàn)出優(yōu)異的增黏性、抗強(qiáng)剪切性、耐濕、抗鹽等驅(qū)油性能，同時(shí)兼有生物相溶性和可降解性質(zhì)，能在中、高溫，中、高鹽，高含水油田，作為綠色環(huán)保的驅(qū)油劑使用，提高采收率。

圖1 NS-3體膨顆粒藥劑Fig.1 NS-3 bulging granules

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為明確體膨顆粒膨脹度、濃度和粒縫比對(duì)裂縫封堵性能的影響，向裂縫中注入體膨顆粒，通過控制體膨顆粒在裂縫中的吸水時(shí)間、注入濃度和粒徑，分析膨脹度、濃度和粒縫比對(duì)裂縫的封堵性能影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

為評(píng)價(jià)體膨顆粒對(duì)水平裂縫的封堵情況，需對(duì)模型進(jìn)行組裝并制備相應(yīng)的體膨顆粒，以考察體膨顆粒對(duì)裂縫的封堵性能，其具體步驟如下：

（1）模型組裝 按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求組裝好相應(yīng)裂縫尺寸的可視化物理模型。

（2）按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在裂縫中固化好相應(yīng)尺寸的可固化顆粒后，并注入相應(yīng)粒徑和濃度的體膨顆粒，吸水相應(yīng)時(shí)間。

（3）測(cè)突破壓力和封堵性能 以1mL·min-1的速度注入驅(qū)替液，并記錄其壓力變化情況。當(dāng)達(dá)到最大壓力時(shí)，液體從裂縫中產(chǎn)出，即為突破壓力，繼續(xù)注入驅(qū)替液，當(dāng)壓力穩(wěn)定后即為平衡壓力。

突破壓力梯度體現(xiàn)了堵劑的封堵強(qiáng)度大小，若數(shù)值越大，則表示堵劑的封堵性能越強(qiáng)。突破壓力梯度還是計(jì)算堵劑用量的重要參數(shù)。在充填堵劑的物理模型中，通過泵入地層水向裂縫中的堵劑加壓，當(dāng)裂縫內(nèi)壓力達(dá)到最大時(shí)，模型中的流體或堵劑產(chǎn)出，此時(shí)的壓力即為突破壓力，而單位裂縫長度上的突破壓力則定義為突破壓力梯度，可由式1計(jì)算：

式中 PL：突破壓力梯度，MPa·m-1；Pb：突破壓力，MPa；L：堵劑段塞長度，m。

由于空裂縫時(shí)的阻力較小，很難在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得流動(dòng)壓力，所以將其堵后滲透率轉(zhuǎn)換為等效裂縫寬度，用裂縫實(shí)際寬度與等效裂縫寬度之比即為等效縫寬減小倍數(shù)。其具體計(jì)算見式2、3。

式中 Q：驅(qū)替液流量，mL·s-1；μ：驅(qū)替液粘度，mPa·s；L：裂縫長度，cm；A：裂縫橫截面積，cm2；ΔP：進(jìn)出口壓差，atm；Ka：滲透率，D。

式中 b：等效裂縫寬度，cm。

堵后等效裂縫寬度計(jì)算公式見式4：

計(jì)算出堵后等效裂縫寬度，原始等效裂縫寬度與等效裂縫寬度之比，即為等效縫寬減小倍數(shù)。其計(jì)算公式見式5：

式中 n：等效縫寬減小倍數(shù)；b0：原始裂縫寬度，cm。

體膨顆粒在裂縫中吸水后會(huì)膨脹，其膨脹情況無法在裂縫中測(cè)量。因此，先測(cè)量沖刷出裂縫的體膨顆粒體積，再將這些顆粒烘干并測(cè)得其烘干后體積，通過對(duì)比體膨顆粒吸水前后體積變化，得到裂縫中體膨顆粒的體積膨脹倍數(shù)。通過體積與直徑的關(guān)系得到體膨顆粒的等效粒徑膨脹度。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

將封堵性評(píng)價(jià)物理模型組裝好后，并按圖2進(jìn)行連接，便于后續(xù)進(jìn)行封堵性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[7-9]。

圖2 可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of visual physical simulation experiment

2 體膨顆粒封堵性的影響因素

2.1 體膨顆粒膨脹度對(duì)封堵性的影響

向（500×100×1）mm 裂縫中注入濃度為 6%的體膨顆粒，干體膨顆粒直徑與裂縫寬度之比（原始?？p比）為0.50。改變模型中體膨顆粒的吸水時(shí)間以模擬不同顆粒膨脹度[10]，以1mL·min-1的速度驅(qū)替，并記錄其壓力變化見圖3。通過計(jì)算不同膨脹時(shí)間時(shí)，得到等效縫寬減小倍數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

圖3 體膨顆粒不同吸水時(shí)間對(duì)裂縫封堵性能影響Fig.3 Effectof different water absorption time of expanded particleson fracture sealing performance

從圖3可以看出，體膨顆粒在吸水4h時(shí)其突破壓力梯度和平衡時(shí)的壓力梯度都較低，這主要是因?yàn)轶w膨顆粒在裂縫中未完全吸水膨脹，膨脹后的體膨顆粒不能完全充填整個(gè)裂縫。吸水20h的體膨顆粒突破壓力梯度高，但平衡壓力梯度低，這是因?yàn)槲赐耆念w粒強(qiáng)度稍大，在裂縫中形成封堵強(qiáng)度也會(huì)稍高，一但突破則會(huì)有部分顆粒沖刷出裂縫，形成新的液流通道，導(dǎo)致平衡時(shí)壓力較低。而吸水40、80h的體膨顆粒在突破壓力和平衡壓力梯度都比較相近，這主要是在40h以后，體膨顆粒將裂縫中的水分吸干，所以兩者的突破壓力梯度和平衡壓力梯度都相近。而產(chǎn)生突破后，體膨顆粒易被后續(xù)水沖出裂縫，并在裂縫內(nèi)形成新的竄流通道；當(dāng)體膨顆粒注入濃度為6%時(shí)，體膨顆粒的膨脹度越高，竄流通道的尺寸較小，封堵效果好。

表2 不同膨脹時(shí)間等效寬度減小倍數(shù)Tab.2 Reduction multiple of equivalent width for different expansion time

分析表2可知，體膨顆粒在不同的吸水膨脹度下其等效縫寬減小倍數(shù)不同，并且隨著體膨顆粒吸水時(shí)間的增長，其等效縫寬減小倍數(shù)在不斷增大即封堵性能越好。

2.2 體膨顆粒濃度對(duì)封堵性的影響

向（500×100×1）mm裂縫中注入原始?？p比為0.70的體膨顆粒，其體膨顆粒濃度分別為6%、10%、16%，待其在裂縫中膨脹40h后，以1mL·min-1速度注水沖刷?？疾祛w粒濃度對(duì)裂縫封堵性能的影響。測(cè)得其驅(qū)替過程中的壓力梯度變化見圖4。

圖4 體膨顆粒濃度對(duì)裂縫封堵性能影響Fig.4 Effect of bulk swelling particle concentration on crack plugging performance

分析圖4可知，突破壓力梯度會(huì)隨著注入體膨顆粒濃度的增大而升高，這主要是因?yàn)轶w膨顆粒濃度增大，在裂縫中的膨脹度減小，顆粒強(qiáng)度增大，對(duì)裂縫的封堵強(qiáng)度提高。同時(shí)，體膨顆粒濃度越高，其突破時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的滯后。

通過計(jì)算得到等效縫寬減小倍數(shù)和等效粒徑膨脹度，其具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同體膨顆粒濃度的等效寬度減小倍數(shù)Tab.3 Equivalent width reduction multiplier of different bulk expansion particle concentrations

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可知，由于裂縫中的水分是一定的，顆粒將裂縫中的水分吸干后便不再膨脹，當(dāng)注入顆粒濃度增大時(shí)，顆粒在裂縫中吸水后的膨脹度則越小，所以體膨顆粒的等效粒徑膨脹度會(huì)不斷地減小。當(dāng)體膨顆粒的膨脹度減小時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)比完全膨脹時(shí)的強(qiáng)度大，在裂縫中運(yùn)移時(shí)體膨顆粒所受到的阻力也會(huì)增強(qiáng)，所以壓力梯度也會(huì)增加。

2.3 體膨顆粒粒縫比對(duì)封堵性的影響

為了研究相同濃度、不同粒徑的體膨顆粒膨脹后對(duì)裂縫的封堵性能，通過實(shí)驗(yàn)向（500×20×1）mm的裂縫中注入濃度為10%、粒徑均不相同的體膨顆粒，待其膨脹40h后以1mL·min-1注水沖刷。目的是為了考察體膨顆粒粒縫比對(duì)封堵效果的影響，測(cè)得其驅(qū)替過程中的壓力梯度變化見圖5：壓力梯度/（MPa·m-1）

圖5 ?？p比對(duì)裂縫封堵性能的影響Fig.5 Effect of particle-to-fracture ratio on fracture sealing performance

分析圖5可知，突破壓力梯度和平衡壓力梯度都會(huì)隨著注入體膨顆粒粒徑的增大而增大，即注入體膨顆粒直徑越大，對(duì)裂縫的封堵性能越強(qiáng)，驅(qū)替時(shí)的突破壓力梯度和平衡時(shí)的壓力梯度較高。

通過計(jì)算體膨顆粒的原始?？p比（原始體膨顆粒直徑與裂縫寬度之比）、膨脹后?？p比（膨脹后體膨顆粒粒徑與裂縫寬度之）、等效縫寬減小倍數(shù)這3個(gè)參數(shù)，其具體參數(shù)見表4。

表4 不同?？p比的等效寬度減小倍數(shù)Tab.4 Reduction multiple of equivalent width for different grain-to-crackratios

通過對(duì)比表4的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入體膨顆粒粒徑較小時(shí)（原始?？p比為0.34），體膨顆粒的膨脹后粒縫比也較?。?.83），即膨脹后的體膨顆粒直徑仍小于裂縫的寬度，體膨顆粒在裂縫中不會(huì)受到兩壁的擠壓，不會(huì)產(chǎn)生變形，在顆粒的橋接作用下在裂縫中形成堆積，所以其突破壓力梯度和平衡壓力梯度皆較低。而隨著注入體膨顆粒粒徑增大，膨脹后的顆粒直徑也會(huì)變大，當(dāng)顆粒粒徑大于裂縫寬度后，體膨顆粒會(huì)變形，在驅(qū)替液的沖刷作用下會(huì)運(yùn)移，但運(yùn)移能力會(huì)減弱。所以?？p比增大，其對(duì)裂縫的封堵性能會(huì)增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）體膨顆粒在不同的吸水膨脹度下等效縫寬減小倍數(shù)不同，體膨顆粒吸水時(shí)間越長，其等效縫寬減小倍數(shù)越大即封堵性能越好。

（2）當(dāng)裂縫寬度相同時(shí)，注入的體膨顆粒濃度增大，其在裂縫中的膨脹度減小、強(qiáng)度增大，突破壓力梯度會(huì)隨體膨顆粒濃度的增大而升高，使得體膨顆粒對(duì)裂縫的封堵強(qiáng)度提高。

（3）當(dāng)裂縫寬度相同時(shí)，注入的體膨顆粒粒徑增大時(shí)，膨脹后的顆粒直徑也會(huì)增大；當(dāng)顆粒粒徑大于裂縫寬度后，體膨顆粒會(huì)變形即對(duì)裂縫的封堵性能會(huì)增強(qiáng)。