海上稠油水平井蒸汽驅(qū)汽竄封堵體系評價與研究

戎凱旋，宮汝祥，黃子俊，劉光普

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海區(qū)域原油黏度大于350 mPa·s 的稠油儲量達到7.8×108t，其中未動用的有6.8×108t。蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)是稠油開采的重要手段。海上油田開發(fā)以水平井為主，在進行蒸汽驅(qū)的開發(fā)過程中，水平井間汽竄現(xiàn)象明顯。汽竄主要是由于儲層非均質(zhì)性嚴(yán)重，存在高滲條帶，特別是微裂縫帶，原油黏度高，膠結(jié)疏松，工藝參數(shù)設(shè)計不合理等原因造成的[1-3]。注汽效果變差，蒸汽熱損失嚴(yán)重，導(dǎo)致油井產(chǎn)量大幅下降。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽竄引起的井筒和地層熱損失達到注入熱能的40 %～70 %。由于汽竄井的產(chǎn)液量和井口溫度的不斷升高，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了出砂、卡泵、注汽不平衡等復(fù)雜問題。蒸汽汽竄嚴(yán)重影響了稠油的開發(fā)，已成為一個亟待解決的問題[4-6]。

與直井相比，由于水平井與油層接觸面積更大，水平段距離較長，蒸汽在水平段內(nèi)流動時，與油層之間熱量交換，導(dǎo)致水平段內(nèi)不同位置的注汽壓力和蒸汽干度是不同的，從而引起水平段吸汽剖面和吸熱剖面的不均勻，從而更容易發(fā)生汽竄[7]。蒸汽汽竄的最大危害是注入蒸汽繞過高含油區(qū)，減小了驅(qū)替波及體積，不能有效利用熱能加熱地層，開發(fā)效果和經(jīng)濟效益較差。許多學(xué)者研究并提出了水平井蒸汽汽竄控制的方法和技術(shù)，主要包括優(yōu)化注汽工藝、調(diào)整注汽參數(shù)、優(yōu)化注汽方式和使用化學(xué)劑封堵等。陳森等提出了水平井均勻注汽的方法來抑制蒸汽竄流的發(fā)生。范英才等提出了水平井多點注汽技術(shù)[8，9]。

化學(xué)封堵是水平井熱采工藝中最重要的技術(shù)，特別是開發(fā)出了耐高溫、選擇性堵性強、合成方便、化學(xué)性能穩(wěn)定、施工工藝簡單的封堵劑。目前，主要的高溫封堵劑有超細(xì)水泥、氮氣泡沫、熱固性樹脂、木質(zhì)素磺酸鹽、溫敏凝膠等[10]。

1 新型堵劑體系

1.1 注入性

很多堵劑體系的成本相對較高或者受完井方式的限制而無法應(yīng)用。在當(dāng)前低油價的情況下，開發(fā)一種低成本、耐高溫的封堵體系是十分必要的。新型低成本耐高溫堵劑體系FPX 是以無機材料、有機材料為誘導(dǎo)劑、表面活性劑為穩(wěn)定劑的無固體顆粒乳液體系，常溫下的黏度約為3 mPa·s。根據(jù)黏溫曲線，可以看出其具有良好的注入性能（見圖1）。該體系的反應(yīng)機理是：在油藏溫度條件下，通過誘導(dǎo)劑的作用，體系會發(fā)生相變，分子間形成化學(xué)鍵會生成晶核并不斷增大，在分子間作用力和黏附力的作用下，晶核聚集成高強度的結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖1 封堵體系FPX 的黏溫曲線

圖2 封堵體系FPX 固化后的微觀結(jié)構(gòu)

1.2 成膠時間

封堵體系最重要的參數(shù)是凝固時間和封堵強度。凝固時間是在不同溫度下測量的（見圖3）。FPX 體系在80 ℃時開始初凝，最終形成塊狀固態(tài)。隨著溫度的升高，凝固時間急劇縮短，直到反應(yīng)溫度達到200 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度大于200 ℃時，凝固時間基本不變。在相同的溫度下，隨著濃度的增加，凝固時間基本不變。這表明，凝固時間不受堵劑濃度的影響（見圖4）。

1.3 耐溫性

耐溫性是評價汽竄堵劑的重要參數(shù)，直接影響堵劑的封堵能力和有效期。采用熱重分析法對FPX 體系在20 ℃～600 ℃的耐溫性進行了評價（見圖5）。隨著溫度的升高，體積保留率降低。實驗結(jié)果表明，該材料的耐溫性能可能會隨著溫度的升高變?nèi)?。然而，在蒸汽溫度?50 ℃時，F(xiàn)PX 體系的體積保留率仍然在80 %以上，是一個相對較高的水平，該體系完全適用于汽竄通道的封堵。

在注汽過程中，儲層溫度會保持在高溫的狀態(tài)，這就需要堵劑具有長期的耐高溫性能。采用填砂物模實驗對堵劑的長期耐高溫性能進行了評價。在250 ℃下老化，并每隔一段時間測量一次殘余阻力系數(shù)。堵劑的長期耐高溫性能由殘余阻力系數(shù)隨老化時間的變化來表示（見圖6）。結(jié)果表明，隨著老化時間的延長，殘余阻力系數(shù)逐漸減小。老化35 d 后，殘余阻力系數(shù)仍保持在15 以上，殘余阻力系數(shù)保留率大于93 %。實驗表明，經(jīng)過35 d 的老化，F(xiàn)PX 體系仍然具有較高的封堵能力，能有效地阻止蒸汽汽竄。

圖3 封堵體系FPX 的凝固時間-溫度曲線

圖4 封堵體系FPX 的凝固時間-濃度曲線

圖5 封堵體系FPX 的體積保留率-溫度曲線

圖6 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-老化時間曲線

1.4 封堵能力

封堵體系凝固后的封堵能力主要受堵劑類型、濃度、儲層滲透率、注入速度等因素的影響。采用填砂物模實驗對不同滲透率和濃度下FPX 體系的封堵能力進行了評價（見圖7）。實驗結(jié)果表明，隨著滲透率的增加，殘余阻力系數(shù)減小。蒸汽竄流通道主要存在于高滲區(qū)域，評價堵劑在高滲帶的封堵能力具有重要意義。實驗結(jié)果表明，堵劑的封堵能力受到滲透率的限制。當(dāng)滲透率很大時，堵塞能力差，殘余阻力系數(shù)小。隨著濃度的增加，殘余阻力系數(shù)增大。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率較小，則可以采用低濃度的FPX 體系進行成功的封堵。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率很高，則可能需要高濃度的FPX 體系才能有效封堵。通過調(diào)整溶液濃度，可以控制體系的封堵能力，滿足熱采井的需要。

圖7 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-濃度和滲透率關(guān)系圖

在堵劑的注入過程中，堵劑需要進入發(fā)生蒸汽竄流的高滲區(qū)，而不是低滲透區(qū)，評價堵劑的選擇性堵性具有重要的意義。采用不同滲透率級差的平行填砂管進行實驗，利用殘余阻力系數(shù)評價其選擇性封堵能力（見圖8）。實驗結(jié)果表明，隨著滲透率級差的增大，低滲透填砂管的殘余阻力系數(shù)基本不變，高滲透填砂管的殘余阻力大幅度增加，表明堵劑優(yōu)先進入到高滲透填砂管中，F(xiàn)PX 系統(tǒng)具有一定的選擇性堵塞能力。在相同的注入速度下，由于低黏度，F(xiàn)PX 體系可以選擇性地進入高滲透區(qū)，且注入阻力小。

圖8 平行填砂管物模實驗中封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-滲透率比值

2 均勻封堵汽竄工藝

好的堵劑離不開好的工藝參數(shù)。一個成功的封堵方案不僅需要良好的堵劑體系，還需要合適的工藝參數(shù)，包括段塞設(shè)計、堵劑用量、注入量等。針對水平井蒸汽驅(qū)汽竄封堵難的問題，通過三維物模實驗和數(shù)值模擬建立了均勻封堵技術(shù)。均勻封堵技術(shù)的技術(shù)核心是高強度段塞與弱強度段塞的交替組合。高強度段塞的作用是封堵蒸汽竄流通道，而弱強度段塞的作用是調(diào)節(jié)后續(xù)注汽壓力。

2.1 堵劑組合優(yōu)化

利用注汽井，受效井和非均質(zhì)填砂模型建立了三維物理模型，該模型包括13 個壓力測量點和溫度測量點（見圖9）。標(biāo)記①表示注汽井，由不銹鋼管制成，內(nèi)徑為0.3 mm，長度為30 cm。在不銹鋼管上均勻射孔，直徑為0.1 mm，不銹鋼面包砂篩。在不銹鋼管上均勻分布有一個直徑為0.1 mm 的小孔。不銹鋼用填砂篩網(wǎng)包裹。標(biāo)記②代表受效井，通過多點測量的方法模擬水平井段，測點均勻分布在高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)。標(biāo)記③代表壓力測量點和溫度測量點。非均質(zhì)填砂模型尺寸為40 cm×40 cm×4 cm，模擬的井距為40 cm，水平井段為40 cm。高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)分別占1/3。三個區(qū)域的滲透率分別為500 mD，1 500 mD 和4 500 mD。然后從注汽井將250 ℃的蒸汽注入三維物模中，連續(xù)注入蒸汽8 h 后，獲得加熱后的油藏與初始油藏之間的溫差變化以及壓力變化。

圖9 用于評價堵劑組合類型的三維物理模型

首先，在連續(xù)注汽5 h 后確定非均質(zhì)模型溫度差和壓力的變化（見圖10）。然后，在相同的注汽量下，將不同組合類型的堵劑段塞分別注入到非均質(zhì)模型中。最后，在連續(xù)注汽5 h 后，測定不同堵劑注入組合類型的非均質(zhì)模型的溫度變化和壓力變化（見圖11～圖13）。

在注汽過程中，蒸汽主要進入高滲區(qū)，高滲區(qū)的溫度和壓力變化最大。這是因為蒸汽總是優(yōu)先沿著最大壓降的高滲區(qū)流動。隨著滲透率的降低，蒸汽進入量減少，溫度和壓力差減小，也反映出蒸汽竄流主要發(fā)生在高滲區(qū)。

圖10 連續(xù)注蒸汽5 h 后溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖11 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強-中-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖12 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強-弱-強-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖13 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（弱-強-弱-強）溫度變化（左）和壓力變化（右）

在注入一定量的堵劑段塞后，注汽過程中溫度和壓力發(fā)生了明顯的變化。由于注入堵劑組合類型的不同，溫度變化差異較大，但壓力變化相似，差異主要體現(xiàn)在不同的注汽壓力上。強-中-弱組合堵劑注入之后，高滲區(qū)被堵塞，蒸汽主要分布在中、低滲區(qū)，主要表現(xiàn)為中、低滲區(qū)溫度和壓力升高。但由于強-中-弱組合后置堵劑封堵能力較弱，蒸汽在高、中段塞封堵區(qū)域附近繞流，又重新進入到高滲（見圖11）。

強-弱-強-弱組合段塞注入之后，高滲透區(qū)完全堵塞，蒸汽主要集中在中、低滲透區(qū)。蒸汽波及體積明顯增大（見圖12）。由于弱-強-弱-強組合段塞的前置段塞強度較弱，井底附近的高滲透帶無法完全封堵。然而，通過這種組合，可以有效地阻止蒸汽向高滲透區(qū)流動（見圖13）。后續(xù)注汽過程中，強-中-弱組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最大、弱-強-弱-強組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最小。

2.2 堵劑組合用量優(yōu)化

圖14 不同堵劑用量下的蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力倍數(shù)

堵劑用量的設(shè)計非常重要，它不僅關(guān)系到堵劑的封堵效果，而且關(guān)系到作業(yè)的成本。為了進一步評價封堵劑的封堵效果，定義了兩個評價參數(shù)，分別為蒸汽波及效率和注汽壓力系數(shù)。蒸汽波及效率定義為封堵前后中低滲透層溫度與相應(yīng)面積乘積的比值。表示堵劑的封堵效應(yīng)。值越大，封堵效果越好。注汽壓力系數(shù)定義為封堵前后穩(wěn)定注汽壓力的比值。表示堵劑的封堵強度。值越大，封堵強度越高。

采用數(shù)值模擬的方法建立堵劑用量、蒸汽波及系數(shù)與注汽壓力系數(shù)之間的關(guān)系（見圖14）。結(jié)果表明，隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大。曲線上有一個明顯的拐點。考慮作業(yè)成本和封堵強度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。

高滲透層不僅是蒸汽汽竄的通道，而且是原油滲流的通道。均勻封堵技術(shù)的核心是采用高強度段塞與弱強度段塞的交替組合。高強度段塞的作用是封堵蒸汽汽竄通道，而弱強度段塞的作用是調(diào)節(jié)后續(xù)注入壓力。從而實現(xiàn)封堵和穩(wěn)定注入壓力的雙重效果。堵劑組合形式可根據(jù)注汽壓力靈活選擇。

3 結(jié)論及認(rèn)識

（1）研制出了一種新型的低成本耐高溫藥劑體系FPX，該體系在室溫下黏度約為3 mPa·s，具有良好的注入性，在80 ℃時開始凝固，最終形成塊狀固態(tài)。該體系能承受350 ℃高溫，殘余阻力系數(shù)高達30，是一個良好的堵劑體系。

（2）針對FPX 體系，建立了適用于海上稠油油藏汽竄問題的均勻封堵技術(shù)，采用高強度段塞與弱強度段塞的組合方式，既能有效封堵汽竄通道，又能控制注汽壓力。

（3）當(dāng)平臺限壓較高時，采用強-中-弱組合類型注入堵劑，封堵效果最好。如果平臺限壓較低時，可以采用弱-強-弱-強組合類型注入堵劑，在對高滲區(qū)進行有效封堵的同時，又能夠保證后續(xù)注汽壓力較低，從而滿足作業(yè)的需要。

（4）隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大，封堵的效果越明顯?？紤]作業(yè)成本和封堵強度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。