體膨顆粒非均質(zhì)裂縫封堵效果與改善

孫 琳 ，張永昌，2，吳軼君，辛 軍，蒲萬芬

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中國石油長慶油田分公司第九采油廠，寧夏 銀川 750006；3.中國石油川慶鉆探公司蘇里格項目經(jīng)理部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；4.中國石油川慶鉆探公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610501

引言

在老油田開發(fā)過程中，油井高含水一直是最突出的問題[1-2]。在地面合成的體膨顆粒由于耐溫抗鹽[3-7]、成膠性能可控，且尺寸從微米級至厘米級可調(diào)，非常適合處理高溫高鹽裂縫油藏出水問題[8-14]。體膨顆粒以懸浮液注入地層，在油藏條件下吸水膨脹、充填裂縫[15]，可有效減小裂縫中水相流動空間。然而，由于體膨顆粒與裂縫壁面作用力較弱，當(dāng)其尺寸、分流率等與裂縫性質(zhì)不匹配時，極易從出水裂縫中突破，影響封堵效果[16-17]。

為了改善體膨顆粒在出水裂縫中的駐留能力，本文提出將可固化覆膜顆粒與體膨顆粒聯(lián)用封堵裂縫?？晒袒材ゎw粒由高軟化點熱塑性樹脂在高強度無機硬粒上覆膜形成[18-19]。低于地層溫度時，樹脂膜穩(wěn)定，覆膜顆?？煞稚⒂谒凶⑷耄贿M(jìn)入地層后，樹脂膜在地層溫度下固化，覆膜顆粒在裂縫內(nèi)形成與之固結(jié)的可滲透篩網(wǎng)段塞。堵水作業(yè)時，先注入較小尺寸體膨顆粒以處理油藏深部，后注入較大尺寸覆膜顆粒以選擇性進(jìn)入出水寬裂縫。油井生產(chǎn)后，體膨顆粒在地層水反向沖刷下進(jìn)入覆膜顆粒段塞并卡堵其中，裂縫駐留能力顯著提高[20]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗用水為模擬地層水，其中Na+、Ca2+、Cl-含量分別為6.8×104、0.9×104、12.1×104mg/L，礦化度為19.8×104mg/L。體膨顆粒，實驗室自制，130°C、模擬地層水條件下的最大膨脹度為4.5 倍；可固化覆膜顆粒，實驗室自制；氯化鈉、無水氯化鈣，分析純，成都科龍化工試劑廠生產(chǎn)。實驗用巖芯為碳酸鹽巖露頭巖芯（φ3.8 cm×8.0 cm），將巖芯沿軸線剖開，在其中一半上刻蝕一條寬2.0 mm、深0.5～4.0 mm 的凹槽（圖1a），而后用AB 膠將凹槽邊緣的巖石粘合，即形成具有一定縫寬的裂縫。兩根縫寬不同的巖芯即為一非均質(zhì)裂縫巖芯組（圖1b）。

圖1 人工造縫的碳酸鹽巖露頭巖芯Fig.1 Carbonate outcrop cores with artificial fractures

1.2 實驗步驟

為避免覆膜顆粒固化過程中污染巖芯夾持器，本實驗將直徑大于窄裂縫縫寬的覆膜顆粒預(yù)先固化在寬裂縫中。實驗在130°C、模擬地層水條件下進(jìn)行，具體流程如下：

（1）將縫寬不同的非均質(zhì)裂縫巖芯組裝入巖芯夾持器中，并按圖2 連接好實驗流程。

圖2 實驗流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental process

（2）以2 mL/min 的速度從巖芯入口端向其中注水，待巖芯出口端產(chǎn)液穩(wěn)定后測量兩巖芯堵前相對產(chǎn)液量。

（3）從夾持器中取出寬裂縫巖芯垂直放置，并將體積為其裂縫體積20%的覆膜顆粒固化在巖芯出口端。不需覆膜顆粒時，直接進(jìn)行步驟（4）。

（4）將寬裂縫巖芯再次同方向放入巖芯夾持器，并根據(jù)堵水前的相對產(chǎn)液量從巖芯入口端分別向兩巖芯中共注入占總裂縫體積16%的體膨顆粒溶液。

（5）關(guān)閉夾持器后從流程中取出垂向放置（出口端向下），待體膨顆粒吸水膨脹40 h 后，將夾持器重新接入流程。

（6）以2 mL/min 的速度從巖芯入口端向其中注水，記錄注水過程中的壓力變化，并待巖芯出口端產(chǎn)液穩(wěn)定后測量兩巖芯堵后相對產(chǎn)液量。

2 結(jié)果與討論

2.1 對體膨顆粒尺寸不當(dāng)?shù)母纳?/h3>

2.1.1 純體膨顆粒封堵

向裂縫寬度分別為1 mm 和4 mm 的非均質(zhì)裂縫巖芯組中注入不同粒徑的體膨顆粒，考察體膨顆粒尺寸對裂縫非均質(zhì)的影響。結(jié)果如表1 和圖3 所示。

表1 封堵前后相對產(chǎn)液量對比Tab.1 Comparison of relative liquid production before and after plugging

圖3 體膨顆粒尺寸對注水壓力梯度的影響Fig.3 Effect of size of PPGs on water injection pressure gradient

實驗結(jié)果表明，以純體膨顆粒進(jìn)行裂縫封堵時，隨顆粒粒徑增大，其突破壓力梯度升高，但大尺寸填充顆粒反而不能有效改善裂縫非均質(zhì)性。窄裂縫因顆粒分流率低而充填程度弱，當(dāng)體膨顆粒粒徑為0.31 mm 時，壓力梯度隨時間變化的斜率最低，說明其在裂縫中的運移能力較強，使注水壓力變化較慢；當(dāng)注水壓力梯度達(dá)到2.58 MPa/m，窄裂縫中體膨顆粒突破，新的水流通道形成，相對產(chǎn)液量高達(dá)100%。

體膨顆粒粒徑增大為0.50 mm 時，其在裂縫尤其是窄裂縫中的運移能力減弱。因窄裂縫中的顆粒充填程度較低，注入水可在顆粒間形成流動通道，因此，注水壓力梯度達(dá)到3.29 MPa/m 時，窄裂縫見水但未見顆粒。由于注入的顆粒均保留在裂縫中，注水壓力梯度持續(xù)上升，直至達(dá)到6.13 MPa/m時，水與體膨顆粒從寬裂縫中突破，兩巖芯產(chǎn)液重新分布，寬裂縫再次成為竄流通道。體膨顆粒粒徑增大為0.70 mm 時，顆粒在裂縫中的運移能力進(jìn)一步減弱，注水壓力梯度迅速上升，當(dāng)其值達(dá)到7.63 MPa/m 時，體膨顆粒從寬裂縫大量突破（圖4），注水壓力梯度急劇下降，所有液量均從寬裂縫產(chǎn)出，裂縫產(chǎn)液的非均質(zhì)性反而增強。

圖4 粒徑0.70 mm 體膨顆粒作用后的非均質(zhì)裂縫巖芯組Fig.4 The heterogeneous fracture core formation after the action of 0.70 mm PPGs

2.1.2 復(fù)合顆粒封堵

（1）對大尺寸體膨顆粒封堵效果的改善

利用過大尺寸的體膨顆粒進(jìn)行裂縫封堵，可能惡化裂縫的非均質(zhì)產(chǎn)液。針對這一現(xiàn)象，考慮將可固化覆膜顆粒與體膨顆粒聯(lián)用堵水。以粒徑為0.70 mm 的純體膨顆粒組為對照實驗，選用粒徑為1.00 mm 的覆膜顆粒改善其封堵效果。因為覆膜顆粒為硬質(zhì)顆粒，無法形變，且尺寸與窄裂縫尺寸相等，所以不能進(jìn)入寬裂縫。實驗結(jié)果如表2 和圖5所示。

圖5 復(fù)合顆粒對大尺寸體膨顆粒突破壓力梯度的改善Fig.5 Improvement of breakthrough pressure gradient of large size PPGs by composite particles

表2 復(fù)合顆粒與體膨顆粒封堵效果的對比Tab.2 Comparison of plugging effect between composite particles and PPGs

實驗結(jié)果顯示，在復(fù)合顆粒的作用下，注水開始后，壓力梯度即快速上升，當(dāng)其值達(dá)到18.75 MPa/m 時，體膨顆粒從窄裂縫中突破，此后注水壓力梯度陡然降低，窄裂縫100%產(chǎn)液。實驗后取出巖芯發(fā)現(xiàn)（圖6），窄裂縫巖芯出口端外部聚集大量體膨顆粒，且裂縫邊部形成一空槽；而寬裂縫巖芯端面僅見多孔的覆膜顆粒段塞，無任何體膨顆粒。

圖6 復(fù)合顆粒作用后的非均質(zhì)巖芯組Fig.6 Heterogeneous core formation after composite particle action

可見，覆膜顆粒在寬裂縫中形成了固化篩網(wǎng)段塞，這顯著提高了體膨顆粒在寬裂縫中的運移難度，令體膨顆粒從寬裂縫中突破的壓力梯度高于其從窄裂縫中突破的壓力梯度，進(jìn)而使窄裂縫成為優(yōu)勢水流通道，產(chǎn)液剖面發(fā)生反轉(zhuǎn)。

（2）對小尺寸體膨顆粒封堵效果的改善

前期研究表明，利用小尺寸體膨顆粒進(jìn)行非均質(zhì)裂縫封堵，雖然產(chǎn)液剖面發(fā)生反轉(zhuǎn)，但系統(tǒng)經(jīng)受的注水壓力較小，使得寬裂縫中潛在可動的體膨顆粒未發(fā)生突破。然而，若儲層出水強度較大，寬裂縫中的填充顆粒則有可能被沖刷產(chǎn)出，導(dǎo)致裂縫封堵失效。鑒于此，以粒徑為0.31 mm 的純體膨顆粒組為對照實驗，考察寬裂縫中是否存在覆膜顆粒（0.50 mm）對其中體膨顆粒突破壓力梯度的影響，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 表明，未固化覆膜顆粒的寬裂縫中，體膨顆粒的突破壓力梯度僅5.31 MPa/m，若儲層出水強度高，則寬裂縫與窄裂縫中的體膨顆粒都將被沖刷產(chǎn)出，裂縫的非均質(zhì)性無法得到改善。而固化有覆膜顆粒的寬裂縫中，體膨顆粒的突破壓力梯度高達(dá)79.25 MPa/m。可見，在固化顆粒的協(xié)助下，小尺寸體膨顆粒在裂縫中的駐留能力顯著提高，即使在高出水強度下也可令產(chǎn)液剖面發(fā)生反轉(zhuǎn)。

圖7 復(fù)合顆粒對小尺寸體膨顆粒突破壓力梯度的改善Fig.7 Improvement of the breakthrough pressure gradient of small size PPGs by composite particles

2.2 對體膨顆粒分流率不當(dāng)?shù)母纳?/h3>

2.2.1 不同分流率比下純體膨顆粒封堵

按不同分流率向裂縫寬度分別為1 mm 和4 mm的非均質(zhì)裂縫巖芯組中注入0.5 mm 體膨顆粒，考察體膨顆粒分流率對裂縫非均質(zhì)性改善的影響。實驗結(jié)果如表3 和圖8 所示。

圖8 體膨顆粒分流率對注水壓力梯度的影響Fig.8 Effect of PPGs diversion on water injection pressure gradient

表3 不同體膨顆粒分流率比下的裂縫非均質(zhì)性改善效果Tab.3 Effect of fracture heterogeneity improvement at different PPGs diversion ratio

實驗結(jié)果表明，兩種分流率條件下，均是水相攜帶體膨顆粒從寬裂縫中突破，但寬裂縫中分流的體膨顆粒更多時，突破壓力梯度更大。體膨顆粒從寬裂縫中突破后，寬裂縫中滲流阻力明顯降低，繼續(xù)發(fā)揮主要滲流通道作用。當(dāng)寬裂縫中體膨顆粒分流率為82.8%時，即使體膨顆粒突破，該寬裂縫中仍滯留較多的體膨顆粒，因此，系統(tǒng)的注水壓力梯度較高，窄裂縫能夠被啟動。當(dāng)寬裂縫中體膨顆粒分流率為60.0%時，顆粒突破后寬裂縫中滲流阻力較低，而窄裂縫中因存在大量體膨顆粒滲流阻力進(jìn)一步增大，導(dǎo)致裂縫非均質(zhì)性增強，窄裂縫無法被啟動。

2.2.2 不當(dāng)分流率比下復(fù)合顆粒封堵

針對體膨顆粒分流率不恰當(dāng)加劇裂縫非均質(zhì)產(chǎn)液的現(xiàn)象，考慮引入覆膜顆粒聯(lián)用堵水。以體膨顆粒分流率比60.0：40.0 的純體膨顆粒組為對照實驗，選用粒徑為1.0 mm 的固化顆粒改善其封堵效果。因固化顆粒尺寸與窄裂縫尺寸相等，其只能進(jìn)入寬裂縫。實驗結(jié)果如表4 和圖9 所示。

圖9 對不當(dāng)分流體膨顆粒突破壓力梯度的改善Fig.9 Improvement on breakthrough pressure gradient of improper PPGs diversion

表4 不當(dāng)體膨顆粒分流率比下的裂縫非均質(zhì)性改善Tab.4 Fracture heterogeneity improvement under improper PPGs diversion

與前期復(fù)合顆粒的封堵現(xiàn)象相似，注水開始后，壓力梯度即明顯上升，當(dāng)壓力梯度值增大到6.81 MPa/m 時，體膨顆粒即從窄裂縫中突破。由于突破壓力梯度較小，且窄裂縫中分流的體膨顆粒較多，因此，突破后窄裂縫中仍存在部分體膨顆粒，注水壓力梯度保持在2.10 MPa/m 左右。該壓力梯度顯然不足以令寬裂縫中的體膨顆粒穿過覆膜顆粒段塞突破（圖10），因此，窄裂縫成為堵后唯一產(chǎn)液通道。

圖10 純體膨顆粒與復(fù)合顆粒作用后的非均質(zhì)巖芯組對比（體膨顆粒分流率比為60.0：40.0）Fig.10 Comparison of heterogeneous core groups after the action of pure PPGs and composite particles（PPGs diversion ratio is 60.0：40.0）

3 結(jié)論

（1）體膨顆粒的裂縫非均質(zhì)性改善效果受其粒徑、分流率影響明顯，粒徑過大、窄裂縫分流率過高會加劇裂縫產(chǎn)液的非均質(zhì)性，而粒徑過小不能有效控制高強度產(chǎn)水。

（2）可固化覆膜顆粒能夠在裂縫中形成不可動篩網(wǎng)段塞，大幅度提高體膨顆粒從寬裂縫中突破的壓力梯度，進(jìn)而令寬、窄裂縫產(chǎn)液剖面發(fā)生反轉(zhuǎn)。

（3）可固化顆粒與體膨顆粒聯(lián)用能夠避免體膨顆粒尺寸、分流率不當(dāng)對裂縫非均質(zhì)性改善造成的不利影響，并令利用小尺寸體膨顆粒進(jìn)行深部堵水成為可能。