改性疏水陶粒在水平井完井控水中的研究試驗(yàn)

史 斌，鄭曉斌，蘇延輝，耿學(xué)禮，邢洪憲

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

近年來(lái)，水平井開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了大力推廣和應(yīng)用，它可以增大井眼與油藏的接觸面積，減少滲流阻力，提高油田的整體開(kāi)發(fā)效果。但是由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性、“跟趾效應(yīng)”等原因，底水油藏水平井底水錐進(jìn)現(xiàn)象明顯，一旦底水錐進(jìn)入井筒，油井含水迅速上升，油井產(chǎn)油量將急劇下降，甚至造成油井水淹，致使油藏采收率降低[1]。針對(duì)油井高含水問(wèn)題，各油田也采取了各種控水措施，如在生產(chǎn)井上采用化學(xué)、機(jī)械等方式進(jìn)行堵水，在新井水平井完井中采取中心管、變密度篩管、ICD 控水等方式[2]。

改性疏水陶粒是根據(jù)普通陶粒表面具有的大量活性基團(tuán)，將強(qiáng)親油改性材料做成的包覆膜接枝到普通陶粒顆粒表面，使普通親水陶粒表面改性為強(qiáng)親油表面，形成較強(qiáng)疏水性能的界面膜。疏水陶粒控水技術(shù)當(dāng)前主要應(yīng)用在油井壓裂控水支撐劑，且在壓裂控水方面已經(jīng)取得了較好的控水效果，但改性疏水陶粒作為水平井完井控水的研究還是空白，本文結(jié)合完井階段水平井控水技術(shù)要求，對(duì)改性疏水陶粒在水平井礫石充填完井階段的控水可行性進(jìn)行了研究。

1 改性疏水陶?？厮畽C(jī)理

1.1 改性疏水陶粒壓裂控水機(jī)理

改性疏水陶粒隨壓裂液攜帶到壓裂裂縫中，當(dāng)壓裂裂縫閉合后，在改性疏水顆粒之間形成連續(xù)的毛細(xì)管，當(dāng)?shù)貙又杏退ㄟ^(guò)毛細(xì)管時(shí)，油相迅速浸潤(rùn)毛細(xì)管壁，管中液面呈凹形，彎曲液面產(chǎn)生的毛管力有利于油相通過(guò)改性疏水材料形成的毛細(xì)管；而水相不能浸潤(rùn)改性疏水材料的毛細(xì)管壁，因?yàn)樗嘣诿?xì)管中液面呈凸形，彎曲液面產(chǎn)生的毛管力會(huì)阻止水相通過(guò)毛細(xì)管，因此改性疏水陶粒能夠?qū)崿F(xiàn)促進(jìn)油相透過(guò)而阻止水相通過(guò)的功能[3]（見(jiàn)圖1）。

圖1 油水流經(jīng)改性疏水陶粒形成的毛管力作用示意圖

1.2 改性疏水陶粒水平井完井控水機(jī)理

常規(guī)陶粒充填完井的水平井，邊底水一旦錐進(jìn)入井筒，水流將沿水平井段軸向充滿(mǎn)整個(gè)井筒，造成油井含水迅速上升甚至水淹。

改性疏水陶粒充填完井的水平井，當(dāng)?shù)姿F進(jìn)入井筒后，水流在水平井段軸向的流動(dòng)將受到抑制，再配合控水閥等機(jī)械控水手段，就可以大大減緩油井含水上升速度，最終增加油井采收率（見(jiàn)圖2）。

圖2 改性疏水陶粒充填水平井控水機(jī)理

2 改性疏水陶粒制備及評(píng)價(jià)

2.1 改性疏水陶粒制備

2.1.1 疏水改性工藝 首先把陶粒加入混砂機(jī)加熱至一定溫度，添加偶聯(lián)劑；偶聯(lián)劑遇高溫陶粒后融化，攪拌陶粒使融化的偶聯(lián)劑包覆在陶粒表面，高溫下偶聯(lián)劑與陶粒表面的活性基團(tuán)產(chǎn)生鍵合連接；在連續(xù)攪拌過(guò)程中繼續(xù)加入疏水材料和催化劑，催化劑可以加快疏水材料與接枝劑的化學(xué)反應(yīng)，使接枝劑和疏水材料形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合，有效提高疏水改性的耐沖刷性能；繼續(xù)加入特種增強(qiáng)劑，進(jìn)一步增強(qiáng)改性材料的耐沖刷性，最后陶粒經(jīng)冷卻、粉碎、篩分后得到改性疏水陶粒。

2.1.2 改性疏水陶粒制備 取40/70 目陶粒，在混砂機(jī)中加熱到120 ℃，不斷攪拌下，加入0.15%陶粒質(zhì)量的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，混合均勻，120 ℃下連續(xù)攪拌10 min；加入0.2%陶粒質(zhì)量的甲基乙烯基硅氧烷和0.05%甲基乙烯基硅氧烷質(zhì)量的HEDP，繼續(xù)攪拌45 min 后加入0.1%陶粒質(zhì)量的特種增強(qiáng)劑TZ-500，冷卻篩分后即得改性疏水陶粒。

2.2 改性疏水陶粒疏水性能評(píng)價(jià)

接觸角是改性疏水陶粒的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，接觸角越大，表明改性陶粒的疏水性能越強(qiáng)。將干燥的改性疏水陶粒樣品平鋪于光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x工作臺(tái)上，測(cè)定接觸角數(shù)據(jù)。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，合成的改性疏水陶粒接觸角基本在128°～135°。

3 改性疏水陶粒水平井完井控水性能評(píng)價(jià)

在改性疏水陶粒作為壓裂支撐劑的性能評(píng)價(jià)中，試驗(yàn)過(guò)程需要考慮地層裂縫的閉合壓力，主要測(cè)定同一閉合壓力及不同閉合壓力下的油水滲流能力[4]；與壓裂支撐劑不同，改性疏水陶粒在完井中主要充填在篩管和井壁的井筒環(huán)空中，完井結(jié)束及生產(chǎn)過(guò)程中，充填陶?；静怀惺荛]合壓力，因此，本文在實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)改性疏水陶粒的控水性能時(shí)，采取無(wú)圍壓試驗(yàn)條件。

3.1 砂床阻水高度試驗(yàn)

采用砂床來(lái)模擬水平段充填層陶粒，通過(guò)砂床的阻水高度數(shù)據(jù)可以定性判斷和對(duì)比陶粒及改性疏水陶粒的阻水性能。

將改性疏水陶粒、普通陶粒在滴定管中充填一定高度，制成陶粒砂床，打開(kāi)滴定管開(kāi)關(guān)，在陶粒砂床上方分別倒入水或者煤油，當(dāng)?shù)味ü艿撞坑杏偷纬霈F(xiàn)時(shí)的煤油液面高度即為陶粒阻油高度，當(dāng)?shù)味ü艿撞坑兴纬霈F(xiàn)時(shí)的水液面高度即為陶粒阻水高度。

試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1，圖3，圖4）。

表1 普通陶粒和改性疏水陶粒阻水（油）高度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 油、水在普通陶粒中的滲流

圖4 油、水在改性疏水陶粒中的滲流

改性疏水陶粒形成的砂床能夠支撐一定高度的水柱，而普通陶粒無(wú)此作用，表明陶粒經(jīng)過(guò)疏水改性后具備了阻止水流通過(guò)的性能。

3.2 充填陶粒油水選擇性評(píng)價(jià)

為了模擬地層條件下油水從油層進(jìn)入井筒后在充填層的流動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了一套充填陶粒油水選擇性模擬裝置，通過(guò)兩相流條件下油水在充填陶粒中的通過(guò)能力對(duì)比，以評(píng)價(jià)改性疏水陶粒充填層的選擇性控水能力。

3.2.1 試驗(yàn)方法 充填陶粒油水選擇性評(píng)價(jià)裝置示意圖（見(jiàn)圖5）。

圖5 充填陶粒油水選擇性評(píng)價(jià)裝置

將陶粒放入夾套中，夾套一端與真空泵管線(xiàn)相連接。將填滿(mǎn)陶粒的夾套放入裝有油、水的可視化儲(chǔ)液罐中（可視化儲(chǔ)液罐上部為油，下部為水），通過(guò)調(diào)整手輪和支架的高度，可以調(diào)整夾套端面在油、水相中的浸沒(méi)截面積。啟動(dòng)真空泵，在夾套兩端產(chǎn)生壓差，在壓差作用下油水分別通過(guò)夾套端面進(jìn)入陶粒充填層，并匯入抽濾瓶，試驗(yàn)結(jié)束后分別計(jì)量流出油水的體積。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 充填陶粒油水通過(guò)性評(píng)價(jià)

油水選擇性試驗(yàn)表明，油相在改性疏水陶粒充填層中的流動(dòng)阻力小，更易通過(guò)改性疏水陶粒充填層，而水相在改性疏水陶粒充填層中的流動(dòng)阻力大，具有明顯的選擇性阻水性能；普通陶粒則相反。

3.3 充填陶粒油水滲流性能評(píng)價(jià)

3.3.1 試驗(yàn)方法 將未改性陶粒填入填砂管，分別測(cè)試油相（煤油）滲透率Ko和水相滲透率Kw；將改性疏水陶粒填入填砂管，分別測(cè)試油相（煤油）滲透率Ko和水相滲透率Kw。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表3 改性疏水陶粒油水滲流性能評(píng)價(jià)

從表3 試驗(yàn)結(jié)果分析，改性疏水陶粒與未改性陶粒相比，油相滲透率增加38%，而水相滲透率下降37%，表明原油通過(guò)改性疏水陶粒時(shí)滲流阻力明顯下降，而地層水通過(guò)改性疏水陶粒時(shí)滲流阻力顯著增加，從而可以有效抑制底水在水平井礫石充填層的竄流，延緩油井含水上升速度。

3.4 耐沖刷性能評(píng)價(jià)

陶粒充填層是地層流體進(jìn)入井筒的流動(dòng)通道，充填層陶粒將經(jīng)受連續(xù)不斷的流體沖刷，而改性疏水陶粒是由普通陶粒經(jīng)表面化學(xué)接枝和涂覆改造而成，其沖刷穩(wěn)定性在油井連續(xù)生產(chǎn)條件下非常關(guān)鍵。

將改性疏水陶粒填入填砂管，填砂管連接柱塞泵，調(diào)節(jié)柱塞泵流量至2 000 mL/min，連續(xù)沖刷24 h，分別測(cè)試沖刷前后改性疏水陶粒的接觸角（見(jiàn)表4）。

表4 改性疏水陶粒耐沖刷性評(píng)價(jià)

改性疏水陶粒經(jīng)過(guò)24 h 高速連續(xù)沖刷，其疏水性能的重要指標(biāo)—接觸角保持了基本穩(wěn)定，表明通過(guò)分子接枝工藝合成的改性疏水陶粒能夠經(jīng)受井筒內(nèi)地層流體的連續(xù)沖刷。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 H21 井改性疏水陶粒充填完井控水

H21 井所在砂體為典型的稠油底水油藏，由于底水比較活躍，砂體整體采出程度低，其所在位置儲(chǔ)層發(fā)育穩(wěn)定，主力儲(chǔ)層平均孔隙度31%，平均滲透率1 732 mD。H21 井為水平井方式完井，為了抑制投產(chǎn)后底水錐進(jìn)造成的產(chǎn)液含水率過(guò)快上升，采用改性疏水陶粒進(jìn)行充填防砂。

2020 年8 月，改性疏水陶粒在H21 井上進(jìn)行了首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，全井段共充填改性疏水陶粒15 m3，完井結(jié)束后正常投產(chǎn)，目前該井產(chǎn)出液含水率為23.6%，而同層位相鄰水平井的含水率為70.6%，控水效果顯著。

4.2 C17 井改性疏水陶粒充填完井控水

C17 井構(gòu)造層狀底水油藏，底水能量充足，主力儲(chǔ)層平均孔隙度27%，平均滲透率1 305 mD。C17 井為水平井方式完井，由于底水能力充足，為了抑制投產(chǎn)后底水錐進(jìn)造成的產(chǎn)液含水率過(guò)快上升，采用改性疏水陶粒進(jìn)行充填防砂。

2020 年9 月，改性疏水陶粒在C17 井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，全井段共充填改性疏水陶粒13 m3，完井結(jié)束后正常投產(chǎn)，目前該井產(chǎn)出液含水率為77.3%，而同層位相鄰水平井的含水率為85.8%，降低含水8.5%，具有一定的控水效果。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)化學(xué)接枝及覆膜工藝對(duì)普通陶粒進(jìn)行疏水改性，合成了改性疏水陶粒。

（2）采用無(wú)圍壓評(píng)價(jià)手段，改性疏水陶粒仍具有較好的選擇性阻水性能，對(duì)原油流動(dòng)有促進(jìn)作用。

（3）模擬井筒充填條件，改性疏水陶粒具有較好的耐沖刷性能。

（4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明改性疏水陶?？梢悦黠@減緩底水油藏水平井含水率上升速度。