新型凝膠顆粒調(diào)剖劑的現(xiàn)場應(yīng)用

宋明 張勇 焦亞龍 李小奇 張 達(dá) 祝明華 張?bào)w田

摘 要：油田特高含水階段，調(diào)剖是提高采收率的重要工藝措施。按照SY/T 5590-2004《調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》研制了新型凝膠顆粒，介紹了新型凝膠顆粒的波動驅(qū)油調(diào)驅(qū)機(jī)理和主要技術(shù)指標(biāo)，密度0.8～1.5g/cm3，膨脹倍數(shù)3～6倍，耐溫90～120℃，不受礦化度影響，彈性和韌性好，具有較好的熱穩(wěn)定性。制定了選井原則。從注入設(shè)備、段塞的優(yōu)化組合及壓力和排量控制等6個方面總結(jié)了現(xiàn)場應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識。現(xiàn)場施工35口井，水井有效率100%，對應(yīng)油井件效率65.8%，累計(jì)增油12，580t。

關(guān)鍵詞：預(yù)交聯(lián)，凝膠顆粒，調(diào)剖，耐高溫，段塞

0 概 況

調(diào)剖、調(diào)驅(qū)作為穩(wěn)油控水和三次采油的重要技術(shù)在油田開發(fā)后期發(fā)揮了越來越重要的作用，堵劑一次進(jìn)入地層后同時(shí)發(fā)揮“堵”“調(diào)”“驅(qū)”三重作用是各大油田的迫切需求，由丙烯酰胺等在地面交聯(lián)聚合形成的網(wǎng)狀凝膠體，經(jīng)干燥、粉碎、分篩等工藝過程制備形成遇水膨脹但不溶解的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒，解決了常規(guī)地下交聯(lián)調(diào)驅(qū)劑進(jìn)入地層后，因稀釋、降解、吸附、酸堿性條件變化等各種復(fù)雜原因造成的不成膠現(xiàn)象，廣泛用于存在水驅(qū)通道的高含水油藏深部調(diào)剖。

調(diào)研油田在用的合成凝膠顆粒調(diào)驅(qū)劑，雖然在配制過程中具有良好的可控性，使用方便，但是在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，顆粒膨脹速度太快，不易進(jìn)入地層深部，而且顆粒密度大，懸浮性能差，在水中以分散相存在，較難進(jìn)入地層中的微小孔隙，這就很難起到徹底的調(diào)剖和驅(qū)油作用。文留油田位于東濮凹陷中央隆起帶文留構(gòu)造，油藏埋深2100～3800m，平均孔隙度11.0%～25.0%，平均空氣滲透率4.3×10-3～210×10-3um，地層溫度80～140℃，地層水礦化度21×10-3～34.5×103mg/L。目前已經(jīng)進(jìn)入高含水或特高含水開發(fā)階段，主力層水淹嚴(yán)重，剩余油分布零散，挖潛難度大。由于交聯(lián)聚合物凍膠不耐溫、不耐鹽，目前基本不用。普通凝膠顆粒由于不耐溫，應(yīng)用規(guī)模很小。為此通過主劑單體的篩選、添加相應(yīng)的助劑、完善合成工藝等方法對預(yù)交聯(lián)顆粒調(diào)驅(qū)劑進(jìn)行了性能改進(jìn)研究，研制出了適合中原油田高溫、高鹽油藏特性的新型耐高溫凝膠顆粒，新型耐高溫凝膠顆粒調(diào)驅(qū)技術(shù)成為目前油藏提高采收率的主要手段。

1 新型凝膠顆粒的研制

1.1 性能要求

根據(jù)文留油田地層條件，新型凝膠顆粒必須滿足耐溫耐鹽和長期穩(wěn)定性要求，注水管柱深、井底口袋小和低排量注入要求具有較好的懸浮性。為達(dá)到深部調(diào)剖，還必須有合適的粒徑、膨脹倍數(shù)和膨脹速度。為取得較好的封堵效果，顆粒還必須有較好的韌性和彈性，強(qiáng)度高。新型凝膠顆粒的研制主要從凝膠強(qiáng)度、粒徑、膨脹倍數(shù)、膨脹速度、密度、耐鹽性、長期穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)為研制指標(biāo)，主要提高新型凝膠顆粒的耐鹽性能、熱穩(wěn)定性能、懸浮緩膨性。

1.2 合成方法

采用水溶液中自由基共聚方式，氧化還原體系引發(fā)反應(yīng)的合成方法，在室溫條件下，依次加入丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、耐溫耐鹽單體、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，再加入無機(jī)物或有機(jī)充填劑，攪拌分散均勻。升溫至60-70℃，通入氮?dú)?0min后，加入氧化還原體系引發(fā)反應(yīng)，攪拌0.5min后，密封靜置5～6h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下使其在地面聚合與交聯(lián)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高粘半固態(tài)聚合物。經(jīng)切割、干燥、粉碎、篩分即得新型凝膠顆粒。

1.3 性能評價(jià)

按照SY/T 5590-2004《調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》和參照相關(guān)文獻(xiàn)[1-6]提供的實(shí)驗(yàn)方法對新型凝膠顆粒的配方進(jìn)行了室內(nèi)篩選，研究了影響產(chǎn)品性能的影響因素，確定了最佳合成配方，對其性能進(jìn)行了評價(jià)。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒屬于單一組分調(diào)剖劑，分干或濕和充填或非充填幾個類型，檢測指標(biāo)主要為水分（固含量）、篩余（粒徑符合率）、密度（緩沉性）、抗剪切性、形變因子（彈性模量）、抗壓強(qiáng)度（突破壓力）、膨脹倍數(shù)、膨脹速度和耐溫耐鹽性等。

經(jīng)評價(jià)，新型凝膠顆粒的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）凝膠強(qiáng)度：彈性模量大于10Pa，適合封堵裂縫和大孔道。

（ 2 ） 粒徑： 毫米級不規(guī)則形狀顆粒， 分1～2mm，3～5mm，6～8mm和5～10mm4個等級，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）膨脹倍數(shù)：3～6倍，可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的膨脹倍數(shù)。

（4）密度：高密度1.3～1.5g/cm3，中密度1.1～1.2g/cm3，低密度0.9～1.0g/cm3。

（5）膨脹速度：小于180min。

（6）耐鹽性：不受礦化度影響，可滿足油田污水配制需要。

（7）長期穩(wěn)定性：分別放置在清水和污水中，在120℃下恒溫180d，不脫水，不溶化，揉捏無破碎，彈性和韌性好，具有較好的熱穩(wěn)定性（如圖1所示）。

2 新型凝膠顆粒的調(diào)驅(qū)機(jī)理

凝膠顆粒通過變形通過、失水收縮、破碎通過和堵塞孔喉4 種模式運(yùn)移， 具有“堵”“調(diào)”“驅(qū)”的三重作用，以“堵”“調(diào)”為主，但“堵”而不死。凝膠顆粒在地層中的封堵主要以物理堵塞為主，主要聚集在大孔道中，難以進(jìn)入小孔道，通過架橋作用封堵大孔道；當(dāng)通過較小的孔道時(shí)，通過變形和破碎通過，同時(shí)把孔隙中的原油“拉拽”出來。顆粒在地層運(yùn)移中不斷形成封堵和破壞，迫使注入水在深部產(chǎn)生液流改向，從而起到波動性驅(qū)油作用。

3 實(shí)踐和認(rèn)識

3.1 新型凝膠顆粒應(yīng)用條件

根據(jù)新型凝膠顆粒的性能，結(jié)合油藏地質(zhì)特征，制定了應(yīng)用條件和范圍。

（1）剩余油相對富集區(qū)，采出程度低，水淹程度低。對應(yīng)油井儲層較厚，控制的剩余可采儲量較高。

（2）連通、對應(yīng)關(guān)系好，動態(tài)反應(yīng)較明顯，主方向油井見效，側(cè)方向油井一定程度見效?；蛑飨蚓秃?，油水井形成優(yōu)勢滲流通道（裂縫貫通或高滲條帶形成），導(dǎo)致側(cè)向油井見效低或是液量下降。邊、角井水驅(qū)效果差或無效，井組油井含水大幅上升。

（3）水井有明顯優(yōu)勢滲流通道吸水特征（有試井、測井依據(jù)，注水井注水量增加、注水壓力不升或下降；吸水剖面顯示層間差異大，非均質(zhì)嚴(yán)重，吸水狀況變差或出現(xiàn)尖峰狀吸水）或?qū)?yīng)油井有明顯優(yōu)勢滲流通道見水及水淹特征。周邊對應(yīng)油井至少有1口經(jīng)歷“斷崖式”含水暴升或凸型（凸S型）含水上升階段。

（4）控制程度高，周邊至少對應(yīng)2口或2口以上的油井。

（5）周邊對應(yīng)油井產(chǎn)液量相對較高，一般在日產(chǎn)液10方以上。

（6）注水井具有一定的吸水能力，能滿足正常注水和調(diào)堵注入需要，一般在注水系統(tǒng)壓力下，有2.0MPa以上的調(diào)堵提壓空間。

（7）油層改造、增產(chǎn)措施引起的水驅(qū)突進(jìn)等。

（8）井況和井下注水管柱符合要求。

3.2 經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識

2021年以來在文留油田采用新型凝膠顆粒調(diào)驅(qū)后水井注水壓力明顯提高，部分井吸水剖面得到較大地改善，現(xiàn)場施工35口井，水井有效率100%，對應(yīng)油井見效率65.8%，累計(jì)增油12，580t。

3.2.1 粒徑選擇與吼道匹配

凝膠顆粒粒徑和地層吼道半徑不匹配時(shí)會使注入壓力升高太快，甚至注不進(jìn)，導(dǎo)致調(diào)剖工藝失敗。地層滲透率和孔吼半徑的關(guān)系為（r為孔吼半徑，um；k為地層滲透率，um2;φ為孔隙度，%），人工裂縫縫寬一般小于5mm，充填支撐劑的天然大裂縫縫寬小于500um，天然微裂縫縫寬小于100um。根據(jù)“三分之一架橋”或“三分之二架橋”理論，一般要求顆粒型堵劑直徑為地層的平均孔隙直徑的1/3～2/3較為合適。有研究表明，對剛性顆粒，顆粒粒徑為地層孔徑的1/3～1/10時(shí)，均具有效封堵作用[7]。對具有軟彈性的凝膠顆粒，當(dāng)顆粒粒徑為地層孔徑的1/3～3/2時(shí)，凝膠顆粒在地層中有較好的運(yùn)移性和封堵性，不會堆積在近井地帶[8，9]?，F(xiàn)場根據(jù)孔吼半徑和注水壓力，選用1～2mm，3～5mm，6～8mm和5～10mm4個等級的凝膠顆粒。

3.2.2 排量與壓力控制要素

凝膠顆粒具有一定的選擇性注入性能力，27/8油管的合理注入速度為2.0～3.0m3/h，一般小于注水井日配注水量，在此速度下，清水對顆粒具有較好的攜帶能力。低排量時(shí)，顆粒主要進(jìn)入大孔道，不會因排量過高造成井底“脫粒”埋油層問題。

調(diào)剖劑在注入地層的過程中，遵循最小流動阻力原則，首先進(jìn)入阻力小的大通道（大裂縫或高滲透層），然后再進(jìn)入小裂縫或基質(zhì)孔隙。提前關(guān)停注水井，可降低裂縫內(nèi)流體壓力，同時(shí)采用低壓小排量注入，實(shí)現(xiàn)選擇性注入，使調(diào)剖劑盡量在裂縫內(nèi)流動，盡量進(jìn)入高滲透高吸水層深部。

施工時(shí)的注入壓力要平穩(wěn)而緩慢地上升，要根據(jù)壓力提升空間和調(diào)剖劑用量設(shè)計(jì)壓力爬升速度，特別是初始爬升壓力不能過快。主要通過調(diào)整顆粒的粒徑、濃度和強(qiáng)度（軟硬程度）來控制壓力上升速度，必要時(shí)調(diào)整注入排量。

3.2.3 段塞尺寸設(shè)計(jì)方法

調(diào)剖劑用量按照1/3～1/2井距設(shè)計(jì)，等壓力梯度法組合段塞，低滲高壓井低強(qiáng)度段塞要大些。

（1）動態(tài)分析法：根據(jù)示蹤劑監(jiān)測資料以及水淹時(shí)的注水量，結(jié)合主水淹方向上油井的劈分系數(shù)，估算出大通道的體積，一般為0.15～0.3倍體積。

（2）徑向流推進(jìn)法（方向系數(shù)法）：依據(jù)油藏中竄流通道特征，考慮為扇形面積運(yùn)移的形式（如圖2所示），調(diào)剖劑用量按式（1）設(shè)計(jì)：

Q=0.0087β · θ· R ·h ·φ

式中：

β—— 竄流方向系數(shù)，值為注水井與對應(yīng)油井發(fā)生竄流的方向系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)動態(tài)和示蹤劑資料綜合分析結(jié)果，可取β=2～3。

θ —— 竄流突破角，?。在注水井嚴(yán)重竄流的方向上，竄流通道的水平面積一般很小，即其竄流突破角很小，一般可取5～15?（根據(jù)實(shí)際竄流情況進(jìn)行調(diào)整），見水早，油井氣量急劇增加的對應(yīng)油水井間竄流突破角θ 取值可以小些。

R —— 封堵半徑，m；按井距的1/5～1/2 設(shè)計(jì)。

h —— 強(qiáng)吸水層厚度，m；根據(jù)水井吸水剖面確定。

φ—— 竄流通道的孔隙度，%；油層中竄流通道的局部孔隙度一般較高（ 計(jì)算中可取0.2～0.4）。

Q—— 調(diào)剖劑用量，m3。

3.2.4 段塞組合設(shè)計(jì)及優(yōu)化

調(diào)剖劑復(fù)合和段塞組合可以提高調(diào)剖效果。

（1）低滲高壓井采用小粒徑、低濃度和低強(qiáng)度顆粒，盡可能往地層中注入更多的顆粒?？刹捎妙w粒和活性劑（驅(qū)油劑）復(fù)合。用活性水?dāng)y帶顆粒，可以降低顆粒在地層中的阻力[10]。一般采用單一段塞。

（2）低滲低壓井采用大粒徑、高濃度和高強(qiáng)度顆粒，采用不同粒徑復(fù)合，顆粒和鈉基膨潤土復(fù)合。一般采用多級復(fù)合段塞。

（3）在段塞組合上，凝膠顆?？梢圆捎眯×?大粒徑交替注入組合，低濃度/高濃度交替注入組合，凝膠顆粒和膨潤土交替注入組合，凝膠顆粒和活性水（注入水）交替注入組合。在段塞強(qiáng)度上采用由低到高組合，高低多輪次組合。

3.2.5 施工注意事項(xiàng)

（1）注入設(shè)備

凝膠顆?？梢杂们逅?、注入水、活性水或稠化水?dāng)y帶，由于凝膠顆粒為固體，在水中不易均勻分散，必須通過不斷攪拌，使之較為均勻地分散在水中，保證注入濃度相對均一。

注入泵：柱塞泵或注聚泵，通過變頻控制柜和柱塞大小控制泵排量。泵凡爾座通道能通過粒徑10mm的顆粒。

配液罐：2個帶攪拌電機(jī)可攪拌的12m3鐵池，有扶梯可到罐頂。

上料設(shè)備：為降低勞動強(qiáng)度和安全性，地面上料可將散顆粒通過蝸桿上料機(jī)加入罐中，也可用傳送帶將整袋顆粒傳到罐頂，再倒入罐中。

帶電設(shè)備接地電阻合格。

（2）注入管柱

一般采用原注水管柱，分注管柱分調(diào)時(shí)撈空堵塞器，施工時(shí)控制注入壓力和顆粒濃度，防止顆粒在油管內(nèi)沉積，導(dǎo)致壓力突升。籠統(tǒng)管柱的管腳，不出砂井放置在油層下界附近，出砂井放置在油層上界附近。

（3）突發(fā)事件處理

1）事件風(fēng)險(xiǎn)與危害

調(diào)剖井在施工過程中，出現(xiàn)停電、停水造成施工暫停事件，定性為一般突發(fā)事件（Ⅱ級），此時(shí)易出現(xiàn)凝膠顆粒沉積在管內(nèi)或沉積在井筒掩埋油層，可能出現(xiàn)注入管線壓力異常升高或管線堵塞，無法繼續(xù)施工，形成井下事故。

2）事件預(yù)防和控制

施工現(xiàn)場，預(yù)留水泥車、水罐車場地，注入流程安裝備用注入接頭，連接管線齊全完好。凝膠顆粒注入施工過程中，確保信息通暢，掌握停水（電）信息，保證在出現(xiàn)停水（電）時(shí)，能夠及時(shí)通知采油廠安排水泥車、罐車在4h內(nèi)趕到現(xiàn)場。

3.3 結(jié)論和建議

（1）凝膠顆粒耐溫耐鹽，可用于高溫、高鹽油藏。

（2）配制工藝簡單，勞動強(qiáng)度較小。

（3）建議實(shí)施一井一策的個性化方案，提高調(diào)剖工藝針對性。推廣低成本凝膠顆?！罢{(diào)+堵+驅(qū)”集成技術(shù)。

4 標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)建議

SY/T 5590-2004《調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》合并和代替了SY/T 5590-93《凍膠調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》、SY/T 5799-93《雙液法調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》和SY/T 6379-1998《顆粒調(diào)剖劑性能評價(jià)方法》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了油田常用的7類調(diào)剖劑性能的評價(jià)方法，只適用于調(diào)剖劑性能的室內(nèi)評價(jià)。對預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒來說，SY/T 5590-2004標(biāo)準(zhǔn)只提供了部分評價(jià)方法，且其針對性不強(qiáng)，沒有量化凝膠強(qiáng)度、粒徑、膨脹倍數(shù)、膨脹速度、密度、耐鹽性等技術(shù)指標(biāo)。目前，預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在油田調(diào)剖調(diào)驅(qū)中得到了廣泛應(yīng)用，全國各生產(chǎn)廠家都制定了自己的產(chǎn)品評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但評價(jià)指標(biāo)不同，有多有少，同一指標(biāo)的評價(jià)方法也有差別。因此，建議編制專門權(quán)威的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一調(diào)剖劑性能評價(jià)量化指標(biāo)，規(guī)范評價(jià)方法。

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