大孔道高滲層開采后期封堵技術

何奇 曹廣勝 柳洪鵬

1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室；2.大慶鉆探工程公司鉆井二公司

大慶油田喇嘛甸區(qū)塊儲層物性好，SⅡ1+2～GⅠ4+5油層的沉積環(huán)境為河流－三角洲，屬于碎屑巖類儲油層，巖性以砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖為主，粒級以中、細砂為主，粒度中值在0.07～0.21 mm之間，儲油層孔隙度25%～27%，原始含油飽和度73%～76%，平均空氣滲透率為(200～1 700)×10?3μm2，最高滲透率達3 700×10?3μm2，儲層單層厚度達到20多米。喇嘛甸區(qū)塊為高滲透區(qū)塊［1-3］，由于長期注水開采，油層中的膠結物在油水沖蝕下，隨流體采出地面，使油層孔隙越來越大。因此，在該區(qū)塊鉆井井漏事故頻發(fā)、鉆井液濾液傷害儲層，采油過程中低效循環(huán)或無效循環(huán)問題突出［4］，導致鉆井成本升高、油田采收率低，給油田開發(fā)帶來巨大壓力。針對上述問題，調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外開展了大量隨鉆防漏和調(diào)剖堵水技術研究［5-26］，可以解決相關問題，但是存在以下幾方面不足：一是隨鉆防漏技術適用于鉆遇壓力衰竭地層、裂縫發(fā)育地層、破碎或弱膠結性地層，涉及高滲層鉆井防漏問題的技術研究比較少；二是目前大部分隨鉆防漏技術對地層的傷害比較大；三是堵水調(diào)剖技術以機械堵水與化學堵水為主，這兩種方法均可達到堵水調(diào)剖效果，但存在經(jīng)濟性不高、對環(huán)境不友好、易“堵死”油氣通道、傷害低滲透油層等缺點。本文介紹的鎖孔成膜鉆井液技術著力解決的是高壓高滲層防漏問題，特別是滲透率在3 500×10?3μm2以上地層的防漏難題；該技術還能減少鉆井液濾液對地層的侵入，降低對儲層的傷害。另外，通過研究形成了一種以油泥砂為主劑的堵水調(diào)剖封堵技術，具有配置簡單、成本低、環(huán)保、封堵性強、具有一定的滲透性等優(yōu)點。

1 鉆井過程中的封堵技術研究

在鉆井過程中，應用鎖孔成膜鉆井液防漏技術，打開儲層時能夠迅速在高滲透孔喉處形成致密封堵膜且具有較高的承壓能力，有效防止井漏。

1.1 鎖孔成膜鉆井液技術原理

根據(jù)高滲地層孔隙度，科學匹配可降解顆粒粒徑、柔性纖維長度及成膜聚合物濃度。在高滲層孔喉處通過架橋、溶脹、封堵作用，使井壁表面形成致密的封堵膜，提高井壁承壓能力。

1.1.1 成膜聚合物溶脹成膜原理

該成膜聚合物是一種多支化、多功能基團的共聚物，其含有多種水化基團，遇水后可吸水膨脹分散成膠束，達到一定濃度后，在巖石表面形成致密堅韌的膜，且共聚物中含有疏水基團，能夠阻止水分子快速進入膠束，從而降低該聚合物的吸水速率，使其緩慢吸水、逐漸溶脹，由于共聚物的交聯(lián)作用，可以使其只溶脹而不溶解。圖1和圖2為此高分子共聚物溶脹前和溶脹后顯微電鏡圖。從兩張電鏡圖片可看出，溶脹后功能基團締合成束作用明顯，“成膜效應”大增［8,27］。

1.1.2 鎖孔成膜鉆井液封堵機理

利用成膜共聚物的覆蓋封堵功能，配合天然纖維的架橋和可降解顆粒的填充作用，強化了整個封堵體系的效果。首先，根據(jù)地層孔隙大小，匹配粒徑適中的顆粒和長度適中的纖維，通過纖維的架橋與顆粒的填充堆積作用，密實填塞高滲孔隙。然后，共聚物吸水溶脹成膠束，進而“成膜”，封堵殘余的縫隙及孔喉。待共聚物成膜功能經(jīng)過一段時間的強化后，封堵材料牢牢鑲嵌在地層孔喉中，抗壓能力陡增，使整個封堵體系逐漸融為一體，形成一層“隔液膜”，從而有效阻止鉆井液及其濾液侵入地層，實現(xiàn)近零濾失鉆井，有效保護油氣層［6,25］。

圖1成膜聚合物溶脹前Fig.1 Before the swelling of film forming polymer

圖2成膜聚合物溶脹后Fig.2 After the swelling of film forming polymer

1.2 室內(nèi)實驗研究

為了評價不同加量的鎖孔成膜劑的封堵效果及其與鉆井液的配伍性，在室內(nèi)進行了相關實驗評價［28-29］。

1.2.1 實驗材料與儀器

材料：膨潤土、抑制劑(HX-D陽離子聚合物)、陽離子黏土穩(wěn)定劑NW-1、井壁穩(wěn)定劑FRJ-Ⅱ、HPAN、改性瀝青、氫氧化鉀、鎖孔成膜封堵劑。

儀器：ZNS?2型中壓濾失儀(青島海通達專用儀器廠)，ZNN-D6型六速旋轉黏度計(青島奧思特石油科技有限公司)，YM?2型鉆井液密度計(青島奧思特石油科技有限公司)，MLN-4型馬氏漏斗黏度計(青島海通達專用儀器廠)，GJS-B12K高頻高速攪拌機(青島海通達專用儀器廠)，D90-300型大功率攪拌機(青島海通達專用儀器廠)，電子天平(上海光正醫(yī)療儀器有限公司)，無滲透濾失儀(青島海通達專用儀器廠)。

1.2.2 實驗方法及結果

按照現(xiàn)場所使用的鉀鹽共聚物鉆井液體系配方配制鉆井液：2%膨潤土+0.5%抑制劑(HX-D陽離子聚合物)+1%陽離子黏土穩(wěn)定劑NW-1+1.5%井壁穩(wěn)定劑FRJ-Ⅱ+0.5%HPAN+1%改性瀝青+0.2%氫氧化鉀，配好后加重至1.60 g/cm3備用。

(1)鎖孔成膜封堵劑的加量優(yōu)選實驗。取配制好的鉀鹽共聚物鉆井液為基漿，加入鎖孔成膜封堵劑，利用砂床實驗的方法，對鎖孔成膜劑不同加量的成膜封堵能力進行室內(nèi)實驗，圖3和圖4為室內(nèi)砂床實驗圖。實驗數(shù)據(jù)見表1。

圖3鉆井液完全漏失Fig.3 Complete mud loss

圖4鉆井液成功封堵Fig.4 Successful plugging of drilling fluid

由表1砂床封堵實驗數(shù)據(jù)可知，鎖孔成膜封堵劑在鉆井液中加量為1%時即可實現(xiàn)有效封堵，隨著其加量的增加，濾液侵入深度越來越低，當鎖孔成膜封堵劑加量在2%時，侵入量明顯降低，因此，為減少鉆井液對地層的侵入厚度，確定鎖孔成膜封堵劑的加量最低在2%。

鎖孔成膜封堵劑經(jīng)過砂床實驗和中壓濾失實驗后，鉆井液濾餅表面和砂床表面形態(tài)見圖5，砂床孔喉中鑲嵌了合成的成膜共聚物和可降解顆粒材料，中壓鉆井液濾餅薄而致密且呈現(xiàn)出了致密網(wǎng)狀結構。因而可以達到封堵地層孔喉、提高井壁承壓能力的效果。

(2)鎖孔成膜封堵材料常規(guī)鉆井液性能實驗。取配制好的鉀鹽共聚物鉆井液為基漿，在加入不同含量的鎖孔成膜封堵劑后，鉆井液的常規(guī)性能數(shù)據(jù)見表2。

表 1砂床漏失實驗結果Table 1 Sand bed loss experimental results

圖5鎖孔成膜鉆井液濾餅、砂床表面封堵形貌及微觀圖Fig.5 Surface plugging morphology and microscopic of mud cake and sand bed of pore locking and film forming

表2鎖孔成膜封堵材料加量不同時鉆井液性能實驗結果Table 2 Experimental results of drilling fluid properties at different dosages of pore locking and film forming based plugging agent

由表2可看出，在常規(guī)鉆井液中，鎖孔成膜封堵材料的含量在3%以下時，對鉆井液密度、黏度、塑黏、動塑比、初/終切、濾失量、濾餅厚度的影響均較小；含量在4%時，鉆井液常規(guī)性能參數(shù)值明顯升高，因此，也會導致現(xiàn)場鉆井液性能維護難度增大。根據(jù)砂床實驗的相關數(shù)據(jù)和鉆井液配伍性實驗數(shù)據(jù)，綜合確定鎖孔成膜封堵材料的加量為2%～3%。

根據(jù)上述實驗，確定現(xiàn)場鎖孔成膜封堵鉆井液的配方如下：2%膨潤土+0.5%HX-D陽離子聚合物抑制劑+1%陽離子黏土穩(wěn)定劑NW-1+1.5%井壁穩(wěn)定劑FRJ-Ⅱ+0.5%HPAN+1%改性瀝青+0.2%氫氧化鉀+2%～3%鎖孔成膜封堵劑。

1.3 現(xiàn)場應用效果

鎖孔成膜鉆井液技術在大慶油田喇嘛甸區(qū)塊高滲層應用取得了明顯效果。2018年以前，井漏發(fā)生率逐年上升，主要是由于隨著油田的深入開采，儲層內(nèi)的膠結物質被嚴重沖蝕，孔隙越來越大，地層承壓能力越來越低，導致井漏風險增加，尤其是2018年井漏發(fā)生率較往年大幅度增加(原因是孔隙度增大，鉆關停注時間短，安全鉆井液密度窗口變窄)，為降低井漏發(fā)生率，2019年在現(xiàn)場施工中應用了鎖孔成膜鉆井液技術，鉆井液中加入2%～3%的鎖孔成膜封堵劑，有效提高了井壁的承壓能力，井漏發(fā)生率由2018年的10.7%降至2019年的1.4%?，F(xiàn)場防漏效果明顯。

2019年，鎖孔成膜鉆井液防漏技術在該高滲層區(qū)塊施工中應用，鉆井液中加入2%的鎖孔成膜防漏材料，加入鎖孔成膜劑后，侵入帶平均厚度由原來的29 mm降至5 mm，降低了鉆井液對儲層的傷害。

2 油氣開采過程中的封堵技術

目前通用的堵水劑種類主要有兩大類：一是非選擇性堵劑，主要包含樹脂型、凍膠型、沉淀型、凝膠型及分散型堵劑；二是選擇性堵劑，主要有水基堵劑、油基堵劑及松香二聚物醇基堵劑［30］。此外，近些年來，部分油田進行了含油污泥堵水調(diào)剖技術的研究與應用［20,31-32］，現(xiàn)場試驗表明，含油污泥堵水調(diào)剖技術能夠有效封堵高滲層，達到“控水穩(wěn)油”的目的，但是大部分含油污泥堵水調(diào)剖劑固體顆粒粒徑分布較窄，緊靠顆粒自身的堆積作用與地層形成的橋聯(lián)力較弱，因此封堵強度不高，容易被流水帶走、沖蝕，封堵有效期短，尤其是無法滿足大孔道高滲層的堵水需求。針對油泥砂堵水劑存在的不足，通過研究形成了適用于高滲層的油泥砂堵水調(diào)剖封堵技術，現(xiàn)場應用取得了良好的效果。

2.1 高效油泥砂堵水封堵工藝原理

通過對油泥砂進行除油、去污、潤濕反轉等處理后，與膠結劑、啟動劑、懸浮劑、抑菌劑、分散劑、增黏劑混合，按一定比例制成懸浮液堵水混合物，泵入高滲層油層，膠結劑具有選擇性，當遇到高含水層時，便會發(fā)生交聯(lián)聚合反應，形成網(wǎng)狀骨架結構，并將油泥砂包裹住，使自身的體積擴大數(shù)十倍，填孔封縫，膠結劑通過自身的正電荷牢牢吸附在地層巖石表面，防止被水帶走、沖蝕，通過以上作用，有效封堵大孔道高滲層，消除低效、無效循環(huán)帶，達到堵水增油的效果。此外，膠結劑形成的空間網(wǎng)狀結構無法被完全填充，油泥砂與油泥砂之間會留有微小的孔喉，防止“堵死”油氣通道。

2.2 懸浮液主要組分含量的確定

該懸浮液中的主要成分為油泥砂和膠結劑，將這兩種成分的不同含量對封堵的影響進行了室內(nèi)實驗評價，確定了各自的質量分數(shù)［33］。

2.2.1 實驗方法

將油泥砂、膠結劑與啟動劑按一定比例混合加入燒杯中，加入地層水定容至1 L，靜止觀察其體積膨脹與膠結強度情況。

2.2.2 油泥砂含量的確定

油泥砂中含有大量的黏土礦物成分，其吸附在高分子鏈上有利于提高最終封堵物的強度，此外，為了更多地處理油泥砂廢物和降低懸浮液的成本，應該在懸浮液中盡可能多地加入油泥砂，但過多的油泥砂用量對最終封堵物的膠結強度不利。在保證其他組分不變的前提下，對油泥砂與膠結劑在不同質量比例下形成的填充物強度進行了室內(nèi)實驗對比，如表3所示。由表3可以看出，油泥砂與膠結劑質量比過低，封堵物強度低，韌性較好，主要是因為油泥砂相對含量低，網(wǎng)狀結構填充不密實，導致強度低；而油泥砂與膠結劑質量比過高時，封堵物強度高，但韌性較差，甚至出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，原因是膠結劑相對含量低，空間結構力弱，油泥砂間無法形成“一體化”。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出，油泥砂與膠結劑的質量比例為20∶1時，膠結物的強度高，韌性好。當油泥砂與膠結劑的質量比例不超過20∶1時，強化時間沒有明顯的增加，不會因為強化時間過長導致封堵效果差。綜合封堵物強度和強化時間兩方面因素的影響，確定油泥砂與膠結劑的質量比例為20∶1。

表 3油泥砂與膠結劑比例的確定實驗Table 3 Determination experiment on the ratio of oily sludge to cementing agent

2.2.3 膠結劑含量的確定

膠結劑含量決定了最終封堵物的網(wǎng)狀骨架強度和交聯(lián)程度，但膠結劑過多又會提高懸浮液的成本，降低經(jīng)濟性，因此，適當?shù)哪z結劑含量尤為重要。在室內(nèi)對不同質量分數(shù)的膠結劑進行了對比實驗，見表4。

表4膠結劑質量分數(shù)優(yōu)選實驗Table 4 Optimization experiment on the mass fraction of cementing agent

通過分析實驗數(shù)據(jù)得出，膠結劑質量分數(shù)過低，封堵物的強度低，膠結性差，這是由于膠結劑含量不足，無法將油泥砂連為一體所導致的；在一定范圍內(nèi)，隨著膠結劑質量分數(shù)的增加，強度和膠結性都隨之提高，但是膠結劑質量分數(shù)過高，出現(xiàn)了部分膠結劑骨架中沒有填充物，僅靠膠結劑無法支撐整個空間結構，使得整體強度變低，同時經(jīng)濟性也降低。膠結物質量分數(shù)在4%～5%時，封堵物強度高，韌性好。隨著膠結劑質量分數(shù)的增加，強化時間逐漸延長，但是膠結劑質量分數(shù)不超過5%時，強化時間沒有明顯的增加。因此，綜合封堵物強度和強化時間兩方面的影響，確定膠結劑的含量為4%～5%。

2.3 現(xiàn)場調(diào)剖技術應用要點

油田開采過程中，油泥砂的來源主要有兩種：一是污水處理和油水分離過程；二是生產(chǎn)作業(yè)過程。油泥砂組成成分復雜(油、泥砂、各種添加劑和其他雜質)，在現(xiàn)實情況中，油、水、泥砂和雜質等組分變化很大，作為堵水調(diào)剖劑使用時，如果應用不當，會造成近井堆積，懸浮液注入困難，導致堵水失效?，F(xiàn)場應用要點及注意事項如下［34］。

(1)施工前，制定完善的堵水施工現(xiàn)場技術方案，召開現(xiàn)場施工會，并進行現(xiàn)場技術交底。

(2)堵水調(diào)剖懸浮液各組分均勻混合，避免個別成分局部濃度過高，影響封堵物強度與膠結度。

(3)明確施工參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場配制的懸浮液總量，計算注入速度，避免注入時間過長，并根據(jù)管線的承壓能力確定注入壓力限高。

(4)施工步驟有序。保證施工工序前后銜接緊密，保持施工的連續(xù)性。

(5)注入工藝要求明確。注入過程中要時刻緊盯壓力表值的變化，尤其是到注入后期，保證壓力值緩慢平穩(wěn)上升，杜絕上升過快或忽高忽低，以免傷害滲透層。

(6)其他施工注意事項。一是制定施工應急預案，保證施工安全、有序進行；二是注意保護環(huán)境，制定措施，杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象的發(fā)生，尤其是施工完車輛、設備、管線的清洗工作必須在指定位置進行；三是做好防火防爆工作，防范施工現(xiàn)場發(fā)生火災等事故。

2.4 現(xiàn)場試驗

為了評價該油泥砂堵水調(diào)剖技術的應用效果，2018年在大慶油田喇嘛甸區(qū)塊高滲層進行了現(xiàn)場應用試驗。

該試驗區(qū)塊主力開采層為S、P油層，有效厚度超過30 m，油層屬于河流—三角洲沉積。區(qū)塊經(jīng)過了40多年的開發(fā)調(diào)整，目前已進入高含水開采期，綜合含水已達96.7%。由于多年的注采開發(fā)，造成地層物性發(fā)生了較大的變化?，F(xiàn)場資料統(tǒng)計表明，隨著油田的開發(fā)儲層滲透率逐步增大，尤其是P油層，滲透率最大在3 700×10?3μm2以上。

在該區(qū)塊內(nèi)選擇了4口油井進行堵水試驗(表5)，單井注入油泥砂懸浮液量為1 000～1 500 m3，其中膠結劑2 t，油泥砂40 t。調(diào)堵前單井日平均產(chǎn)液34.5 t，平均產(chǎn)油0.825 t，平均含水97.15%。調(diào)堵后，平均含水率降至91.82%，其中單井含水最低點為89.3%、含水最大降幅為7.0個百分點，累計增油837 t。4口井試驗初步取得了堵水效果，隨著研究深入和進一步試驗，必將取得更好的效果。同時，該項技術的應用可以處理掉一部分油田采出的油泥砂，從而減少了油泥砂無害化處理費用及外排帶來的環(huán)保問題，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

表5 4口井調(diào)堵試驗前后數(shù)據(jù)Table 5 Data of four wells before and after the profile control and plugging test

3 結論

(1)大孔道高滲層開采后期鎖孔成膜封堵技術能有效解決大慶油田喇嘛甸區(qū)塊出現(xiàn)的鉆井井漏事故頻發(fā)、鉆井液濾液傷害儲層的難題，應用該技術后試驗區(qū)塊內(nèi)鉆井井漏發(fā)生率由10.7%降至1.4%，鉆井液侵入帶厚度縮減82.76%。

(2)油泥砂堵水調(diào)剖技術在現(xiàn)場試驗了4口井，取得了堵水效果，4口井調(diào)堵后，平均含水率降低5.33%，累計增油837 t，下一步需深入研究和進一步試驗，以取得更好的堵水效果。