隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型建立及封堵規(guī)律研究

吳晨宇，王 力，陳文將，時 光，王 飛，劉松梅

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實驗室，黑龍江大慶 163453)

油田開發(fā)過程中，對縱向上存在多層非均質(zhì)性儲層進(jìn)行多層合采時，系統(tǒng)間的滲流阻力存在差異[1]，導(dǎo)致不同滲透率級別的儲層之間發(fā)生竄流現(xiàn)象[2]，造成油氣產(chǎn)量降低[3-6]。大慶油田三元井網(wǎng)與水驅(qū)井網(wǎng)交叉，部分井竄槽，造成三元液浪費(fèi)，影響三元驅(qū)的開發(fā)效果及綜合效果評價。對竄槽位置、竄槽距離及竄槽程度認(rèn)識不全面，利用油田常用的封堵封竄方法進(jìn)行三元驅(qū)后竄槽封竄效果不理想，且存在堵劑污染儲層的問題[7]。利用一種初始黏度小于10 mPa·s，抗壓強(qiáng)度大于20 N的高強(qiáng)度堵劑[8]進(jìn)行封竄實驗。從竄槽位置、段塞組合方式出發(fā)，以竄槽模型突破壓力、堵劑分布規(guī)律及巖心封堵率等為評價手段[9-14]，研究堵劑在隔層膠結(jié)差竄槽巖心中的封竄規(guī)律。

1 實驗

1.1 主要材料與儀器

試劑。主劑：經(jīng)過輻照后的丙烯酰胺與膨潤土的接枝共聚高分子衍生物混合物，工業(yè)純；固化劑：過硫酸銨，分析純；增強(qiáng)劑：N-N甲叉基雙丙烯酰胺，分析純;聚丙烯酰胺，分子質(zhì)量為25×106，工業(yè)純；金屬離子交聯(lián)劑：工業(yè)純；功能助劑：YL-1，有機(jī)化合物，分析純；人造巖心。

實驗用水。模擬地層水，總礦化度為8 217.5 mg/L，其中Cl-，K++Na+，HCO3-，Ca2+，Mg2+，CO32-和SO42-的濃度分別為2 101.6，2 732.6，2 997.0，11.6，7.9，321.0和45.8 mg/L；實驗溫度為地層溫度(45 ℃)。

分析儀器。電子天平(PL4002-IC，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司)、數(shù)顯攪拌器、Edx能量色散X射線熒光光譜儀(西安豐登光電科技有限公司)，設(shè)備參數(shù)為最佳分辨率130±5 eV，測量時間60～300 s可調(diào)，額定功率800 W。

1.2 方法

封堵劑體系的配制。按設(shè)計濃度稱取一定量的配制水和主劑，將主劑緩慢加入配制水中，利用數(shù)顯攪拌器攪拌至完全溶解；之后依次按設(shè)計濃度及用量加入交聯(lián)劑、增強(qiáng)劑，繼續(xù)攪拌，直至充分溶解。

凝膠體系的配制。按設(shè)計濃度稱取一定量的配制水和聚丙烯酰胺干粉，在攪拌條件下，將聚丙烯酰胺緩慢加入配制水中，攪拌均勻，熟化24 h后待用；將交聯(lián)劑、功能助劑等按設(shè)計濃度用量加入到熟化好的主劑溶液中，攪拌均勻后放入恒溫箱中成膠即可。

1.3 隔層膠結(jié)差竄槽巖心物模實驗裝置

利用室內(nèi)隔層膠結(jié)差竄槽模型與巖心組合，模擬井壁附近地層之間隔層存在缺陷形成的層間竄流類型，通過壓力倉進(jìn)行封堵評價實驗。實驗裝置如圖1所示。

圖1 隔層膠結(jié)差竄槽模型封堵實驗裝置

1.3.1 隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型

隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型由上下兩層滲透率不同的人造巖心(上層巖心：300 m×45 mm×22 mm，氣測滲透率8 000×10-3～12 000×10-3μm2；下層巖心：長300 mm×45 mm×22 mm，氣測滲透率10 000×10-3～20 000×10-3μm2)、中間致密隔層(滲透率接近于0)以及兩側(cè)帶孔擋板組成，外圍用環(huán)氧樹脂澆筑進(jìn)行密封，通過壓力倉裝置在環(huán)氧樹脂表面施加圍壓增加其承壓能力。堵劑通過注入端擋板注入模型，堵劑體系通過中間隔層從上層巖心流入下層巖心，最終從出液端擋板流出，對隔層膠結(jié)差竄槽模型進(jìn)行封堵。具體隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型

1.3.2 隔層膠結(jié)差竄槽巖心模型隔層結(jié)構(gòu)

為研究不同位置的隔層膠結(jié)差竄槽對堵劑體系封堵效果的影響，在雙層巖心的交界面設(shè)置滲透率為0的隔層，并在不同位置鉆出缺口，模擬不同位置的隔層膠結(jié)差竄槽，隔層的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隔層結(jié)構(gòu)

1.4 實驗流程

1.4.1 實驗準(zhǔn)備

將隔層膠結(jié)差竄槽模型飽和水后放入環(huán)氧樹脂巖心驅(qū)替實驗壓力倉內(nèi)，將模型下層巖心與壓力倉注入端管線相連，將上層巖心與壓力倉出液端管線相連。向壓力倉內(nèi)注水并確保竄槽模型位于水面以下，關(guān)閉壓力倉密封蓋繼續(xù)注水至產(chǎn)生10 MPa的圍壓。

1.4.2 隔層膠結(jié)差竄槽封堵實驗

以0.1 mL/min的注入速度向隔層竄槽模型中注入模擬地層水，直至環(huán)氧樹脂巖心驅(qū)替實驗壓力倉出口處有水滴連續(xù)滴出，關(guān)閉模型出口。以0.5 mL/min速度向隔層膠結(jié)差竄槽模型中注入堵劑 1.0 PV，記錄注入過程中的壓力和流量，注入完畢后關(guān)閉模型兩端閥門，停泵。將封堵后的隔層竄槽模型放入45 ℃恒溫箱恒溫放置24 h，等待堵劑固化。以0.5 mL/min速度向封堵后的隔層膠結(jié)差竄槽模型中注入模擬地層水，記錄壓力變化。

1.4.3 封堵后竄槽模型切片圖譜分析

將封堵后竄槽模型置于45 ℃恒溫箱中靜置24 h使堵劑完全成膠后，將封堵后竄槽模型進(jìn)行切割取樣。將封堵后竄槽模型利用巖心切割機(jī)在預(yù)設(shè)位置切下厚度約1 mm的巖心薄片，進(jìn)行冷凍制樣，并通過圖譜分析樣品中的元素組成[15]。

1.5 實驗方案

將3種不同段塞組合的堵劑分別注入不同竄槽位置的巖心模型中，觀察堵劑在竄槽巖心模型中的分布規(guī)律，并探究段塞組合對封堵壓力及封堵率的影響，具體實施方案有9個：①注入段塞1.0 PV堵劑，竄槽位置位于入口端75 mm處(近距離竄槽)；②注入段塞0.6 PV凝膠+0.4 PV堵劑，竄槽位置位于入口端150 mm處(中距離竄槽);③注入段塞0.4 PV凝膠+0.6 PV堵劑，竄槽位置位于入口端225 mm處(遠(yuǎn)距離竄槽);④注入段塞1.0 PV堵劑，竄槽位置位于入口端150 mm處(中距離竄槽);⑤注入段塞1.0 PV堵劑，竄槽位置位于入口端225 mm處(遠(yuǎn)距離竄槽);⑥注入段塞0.6 PV凝膠+0.4 PV堵劑，竄槽位置位于入口端75 mm處(近距離竄槽);⑦注入段塞0.6 PV凝膠+0.4 PV堵劑，竄槽位置位于入口端225 mm處(遠(yuǎn)距離竄槽);⑧注入段塞0.4 PV凝膠+0.6 PV堵劑，竄槽位置位于入口端150 mm處(中距離竄槽);⑨注入段塞0.4 PV凝膠+0.6 PV堵劑，竄槽位置位于入口端75 mm處(近距離竄槽)。

2 結(jié)果與討論

2.1 封堵劑在隔層膠結(jié)差竄槽模型中的分布

堵劑體系從低滲層經(jīng)隔層膠結(jié)差竄槽進(jìn)入高滲層(圖4)，在經(jīng)過竄槽之前，低滲層內(nèi)竄槽附近的堵劑含量明顯高于高滲層(低滲層中C、O元素含量明顯高于高滲層中的含量)，低滲層內(nèi)堵劑能夠在巖心內(nèi)部形成致密的面積覆蓋，可有效封堵儲層。經(jīng)過竄槽之后，高滲層內(nèi)竄槽附近的堵劑含量高于低滲層(高滲層中C、O元素含量明顯高于低滲層中的含量)，堵劑能在高滲層內(nèi)形成大面積封堵而在低滲層內(nèi)無法有效封堵。按照堵劑在模型內(nèi)的滲流方向，在滲流路徑上的巖心堵劑含量較高，封堵情況較好，而不在滲流路徑上的巖心不能被堵劑大范圍波及，只能有少量堵劑進(jìn)入其中，沒能形成有效封堵(表1)。

圖4 堵劑體系在竄槽巖心中的運(yùn)移

表1 封堵后隔層膠結(jié)差竄槽模型中元素含量

2.2 不同封堵劑段塞組合對封堵效果的影響

由變量參數(shù)1(隔層膠結(jié)差竄槽位置)和變量參數(shù)2(封竄劑組合)的不同組合，可進(jìn)行9組隔層膠結(jié)差竄槽巖心實驗。

表2 隔層膠結(jié)差竄槽封堵實驗基本參數(shù)

2.2.1 段塞組合對封堵壓力的影響

封竄劑完全固化后，注入模擬地層水，記錄壓力變化。通過分析封竄劑組合與封堵壓力關(guān)系可知，注入的段塞為1.0 PV堵劑時，封堵近距離竄槽突破壓力為11.8 MPa，封堵中距離竄槽時，突破壓力為8.5 MPa，封堵遠(yuǎn)距離竄槽時突破壓力為4.2 MPa；說明當(dāng)僅向竄槽內(nèi)單獨(dú)注入堵劑時，只有距離入口端的近距離竄槽形成了有效封堵(圖5a)。注入的段塞為0.4 PV堵劑+0.6 PV凝膠時，封堵近距離竄槽突破壓力為10.1 MPa，封堵中距離竄槽時，突破壓力分別為9.5 MPa，封堵遠(yuǎn)距離竄槽時，突破壓9.8 MPa。當(dāng)采用0.4 PV堵劑+0.6 PV凝膠的注入方式封堵竄槽時，各個位置竄槽封堵后的突破壓力差別不大，說明在各個位置的竄槽均能形成一定強(qiáng)度的封堵(圖5b)。注入的段塞為0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠時，封堵近距離竄槽突破壓力為11.5 MPa，封堵中距離竄槽時，突破壓力為11.1 MPa，封堵遠(yuǎn)距離竄槽時，突破壓力為10.9 MPa，封竄劑在近中遠(yuǎn)三個位置的竄槽形成的封堵強(qiáng)度依次降低，但降低的幅度較小，在三個竄槽位置均形成了較強(qiáng)的封堵，相較于前兩種封竄劑組合，該種封竄劑組合即能滿足強(qiáng)度需求，又能保證封竄劑的波及距離(圖5c)。

分析不同竄槽位置與封堵壓力關(guān)系可知，注入1.0 PV堵劑封堵近端竄槽，突破壓力為11.8 MPa；注入0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠封堵近端竄槽，突破壓力為11.5 MPa；注入0.4 PV堵劑+0.6 PV凝膠封堵近端竄槽，突破壓力為10.1MPa，說明如果封堵近端竄槽，采用只注入堵劑的封竄劑效果最好(圖5d)。注入1.0 PV堵劑封堵中距離竄槽，突破壓力為8.5 MPa；注入0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠封堵中距離竄槽，突破壓力為11.1 MPa；注入0.4 PV堵劑+0.6 PV凝膠封堵中距離竄槽，突破壓力為9.5 MPa；說明如果封堵中距離竄槽，采用注入0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠的封堵效果最好(圖5e)。注入1.0 PV堵劑封堵遠(yuǎn)距離竄槽，突破壓力為4.2 MPa；注入0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠封堵遠(yuǎn)距離竄槽，突破壓力為10.9 MPa；注入0.4 PV堵劑+0.6 PV凝膠封堵遠(yuǎn)距離竄槽，突破壓力為9.8 MPa；說明如果封堵遠(yuǎn)距離竄槽，采用注入0.6 PV堵劑+0.4 PV竄槽的封堵效果最好(圖5f)。

a.1.0 PV堵劑封堵壓力變化曲線

2.2.2 段塞組合對封堵率的影響

將不同段塞下不同位置的隔層膠結(jié)差竄槽巖心封堵實驗的滲透率、封堵率進(jìn)行整理，結(jié)果見表3。

表3 隔層竄槽封堵率情況

從表中封堵率數(shù)據(jù)可知，對于近距離竄槽，單獨(dú)注入1.0 PV堵劑封堵率高達(dá)96.7%，封堵率最高，封堵效果最好；對于中、遠(yuǎn)距離竄槽，采用0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠配方封堵率達(dá)到了94.6%和94.4%，封堵率最高，封竄劑封堵效果最好。

3 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果顯示，在滲流路徑上的巖心堵劑含量較高，封堵情況較好，而不在滲流路徑上的巖心不能被堵劑大范圍波及，只能有少量堵劑進(jìn)入其中，也沒能形成有效封堵。

(2)封堵近端竄槽，采用只注入堵劑的封竄劑效果最好，單獨(dú)注入1.0 PV堵劑封堵率高達(dá)96.7%；封堵中距離竄槽及遠(yuǎn)距離竄槽，采用注入0.6 PV堵劑+0.4 PV凝膠的封堵效果最好，封堵率分別為94.6%和94.4%。