基于裂縫介質轉變?yōu)槎嗫最w粒介質的調剖方法與礦場應用

王成俊 ，張磊 ，展轉盈 ，倪軍 ，高怡文 ，王維波

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065；2.中國地質大學（武漢）油氣勘探開發(fā)理論與技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.西安石油大學陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術重點實驗室，陜西 西安 710065；4.西安石油大學西安市致密油（頁巖油）開發(fā)重點實驗室，陜西 西安 710065；5.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

在低滲透油藏的開采初期，水力壓裂形成的大裂縫可以大幅提高油井的產(chǎn)量［1-12］，但在注水開發(fā)階段，大裂縫就會成為油井水竄的通道，此時，要高效開發(fā)這類油藏，須合理封堵大裂縫水竄通道［13］。封堵大裂縫要求堵劑的強度高、運移能力好，并能長期穩(wěn)定存在。從長慶油田和延長油田的礦場統(tǒng)計看，應用最普遍的堵劑是凝膠顆粒［14-15］和聚合物本體凝膠體系［16-18］。由于凝膠顆粒是分散的個體，在注入水的沖刷下，不能在大裂縫通道中保持穩(wěn)定，在實際礦場應用中會出現(xiàn)凝膠顆粒從油井被采出的情況。聚合物本體凝膠具有連續(xù)性和整體性，但其力學強度偏弱，注入水易突破，會再次形成水竄帶。

為此，本文基于凝膠顆粒與聚合物本體凝膠的優(yōu)缺點，首先用凝膠顆粒將大裂縫通道轉變?yōu)槎嗫最w粒介質通道，再利用聚合物本體凝膠將分散的單個凝膠顆粒固結；通過優(yōu)化工藝參數(shù)，將二者聯(lián)合使用，增強了聚合物堵劑的強度，提高了大尺度裂縫的封堵成功率。隨后開展的礦場應用表明，這一技術為裂縫性低滲透油藏的持續(xù)開發(fā)提供了有力支撐。

1 實驗

1.1 實驗材料與儀器

凝膠顆粒由實驗室制備［19］。聚合物本體凝膠體系由部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）與交聯(lián)劑組成。HPAM產(chǎn)自北京恒聚化工公司，其相對分子質量為2 000×104，水解度為24%。交聯(lián)劑為醋酸鉻，其中的Cr3+質量濃度為8 000 mg/L。模擬地層水由10 000 mg/L的NaCl與蒸餾水配制而成。天然露頭巖心來自陜西延長石油集團公司研究院，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率為1.3×10-3μm2。人造巖心來自中國石油勘探開發(fā)研究院，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率為 2 000.0×10-3～9 000.0×10-3μm2。人造裂縫性巖心制作方法［20］為：將滲透率為1.3×10-3μm2的天然露頭巖心沿長度方向從中間切開，隨后在裂縫表面均勻充填8目的石英砂5 g，在圍壓為5 MPa下的裂縫開度為1.8 mm?？梢暬芽p模型購置于青島石大華通科技有限公司，由無色透明的有機玻璃材料制作而成，可以直接觀察流體或者顆粒在其中的流動?？梢暬Ｐ土芽p開度為1.8 mm、寬度為4.5 cm、長度為30.0 cm。

主要實驗設備為常規(guī)驅替模擬實驗裝置［21-22］，包括驅替泵、恒溫箱、六通閥、中間容器、巖心夾持器、管線、液體計量儀等組成部件。注入流量為0.01～10.00mL/min，系統(tǒng)工作壓力小于50MPa。AntonPaarMCR302流變儀采用平板模型測試凝膠的強度。

1.2 實驗測試

1.2.1 凝膠顆粒在裂縫中的注入壓力隨注入體積的變化

實驗中所用凝膠顆粒粒徑分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm，裂縫開度為1.8 mm。用模擬地層水配制質量濃度為5 000 mg/L的凝膠顆粒溶液，以2.0 mL/min的速度注入裂縫模型中。根據(jù)注入壓力與注入體積的變化關系可以篩選出與裂縫相匹配的凝膠顆粒粒徑。

1.2.2 不同注入?yún)?shù)下凝膠顆粒在裂縫中的分布特征

基于1.2.1節(jié)的實驗結果，選定合適的凝膠顆粒粒徑。凝膠顆粒注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗方案設計了6組：方案①，凝膠顆粒溶液質量濃度1 000 mg/L、注入速度8.0 mL/min；方案②，凝膠顆粒溶液質量濃度2000mg/L、注入速度4.0mL/min；方案③，凝膠顆粒溶液質量濃度4 000 mg/L、注入速度2.0 mL/min；方案④，凝膠顆粒溶液質量濃度8 000 mg/L、注入速度1.0 mL/min；方案⑤，凝膠顆粒溶液質量濃度16 000 mg/L、注入速度0.5 mL/min；方案⑥，凝膠顆粒溶液質量濃度40 000 mg/L、注入速度0.2 mL/min。每組驅替實驗保持凝膠顆粒的質量流量均為80 mg/min。在實驗過程中，觀察凝膠顆粒在裂縫中的分布特征、前緣推進特征等，從而優(yōu)化出最佳的注入?yún)?shù)。

1.2.3 聚合物本體凝膠體系在顆粒介質中的封堵強度

基于1.2.2節(jié)實驗結果，選定優(yōu)化的注入?yún)?shù)，向人造裂縫性巖心注入凝膠顆粒，直至顆粒充填整條裂縫。當裂縫介質轉變?yōu)槟z顆粒形成的多孔顆粒介質后，可通過達西公式計算其形成的多孔顆粒介質的滲透率。

由于裂縫性巖心中的裂縫體積較小，形成的多孔顆粒介質的孔隙體積小，后續(xù)難以對其開展封堵評價實驗，因此，選擇滲透率與之相等的人造巖心代替多孔顆粒介質。

在后續(xù)注入聚合物本體凝膠之前，利用流變儀測試聚合物本體凝膠體系成膠之后的強度，利用驅替裝置測試聚合物本體凝膠體系在多孔顆粒介質中的封堵強度（突破壓力梯度）。當所優(yōu)選的聚合物本體凝膠體系在多孔顆粒介質中的封堵強度大于注入水（注水速度均為0.5 mL/min）在裂縫性巖心基質中的流動阻力梯度時，裂縫通道即被完全封堵，巖心基質中的剩余油則能被啟動。

2 實驗結果與討論

2.1 凝膠顆粒粒徑優(yōu)選

在開度為1.8 mm裂縫中，凝膠顆粒注入壓力隨注入體積的變化如圖1所示。當凝膠顆粒粒徑為1.5 mm時，顆粒的流動阻力較低；當凝膠顆粒粒徑為3.5 mm時，顆粒的流動阻力急劇上升，因為顆粒粒徑過大，導致顆粒堆積在入口端；當凝膠顆粒粒徑在2.0～3.0 mm時，顆粒能在裂縫內流動，且流動阻力較高。在凝膠顆粒粒徑2.0～3.0 mm范圍內，顆粒的注入壓力與流動阻力的平衡點（圖1中虛線圈位置）隨著粒徑的增加而向右移動，顆粒在裂縫中的存留量隨著粒徑的增加而增加，這說明在凝膠顆粒進入裂縫后，大的粒徑更有利于封堵。雖然如此，對比粒徑分別為2.0，2.5，3.0 mm的凝膠顆粒，可知其流動阻力梯度分別為1.50，2.25，4.25 MPa/m，當開展大規(guī)模深部調剖時，3.0 mm粒徑的凝膠顆粒所需的施工壓力會過高，因此，考慮施工安全、管線承壓能力等風險，后續(xù)實驗選用粒徑為2.5 mm的凝膠顆粒。

2.2 凝膠顆粒注入?yún)?shù)優(yōu)化

在凝膠顆粒溶液質量流量相同、注入方案不同的條件下，粒徑為2.5 mm的凝膠顆粒在裂縫中的鋪展分布特征如圖2所示。從圖中可以看出：凝膠顆粒在裂縫中的存留量隨著注入凝膠顆粒溶液的質量濃度增加、注入速度降低而不斷增加；在適當?shù)哪z顆粒溶液質量濃度和注入速度下，凝膠顆粒既可以較為緊密地分布在裂縫中，也具有一定的流動能力（見圖2d）。對比發(fā)現(xiàn)，方案④的注入?yún)?shù)（凝膠顆粒溶液質量濃度8 000 mg/L、注入速度1.0 mL/min）與裂縫尺度相匹配。基于凝膠顆粒在圖2d中的分布，測得凝膠顆粒在裂縫表面的鋪展?jié)舛葹?.4 mg/cm2。此外，觀察方案④凝膠顆粒的前緣推進特征發(fā)現(xiàn)，凝膠顆粒前緣呈活塞式推進，再結合凝膠顆粒在裂縫中的鋪展面積和注入體積，可以計算出凝膠顆粒的運移深度。

2.3 聚合物本體凝膠體系優(yōu)選

依據(jù)方案④開展實驗，基于凝膠顆粒在裂縫表面的鋪展?jié)舛?，注?20 mg的凝膠顆粒即可確保整條裂縫被充填，從而使得裂縫介質轉變?yōu)槎嗫最w粒介質。根據(jù)凝膠顆粒注入前后的壓差，計算所形成的多孔顆粒介質的滲透率為2 300.0×10-3μm2。隨后，選擇滲透率為2300.0×10-3μm2的人造巖心開展后續(xù)評價實驗。

滲透率為1.3×10-3μm2的裂縫性巖心基質，在注入速度為0.5 mL/min時的注水壓力梯度為3.3 MPa/m。因此，在0.5 mL/min的水驅速度下，聚合物本體凝膠體系在滲透率為2 300.0×10-3μm2的多孔顆粒介質中的突破壓力梯度需高于3.3MPa/m?；诹髯儨y試和突破壓力測試，當聚合物本體凝膠的強度大于66 Pa時，其在滲透率為2 300.0×10-3μm2的人造巖心中的突破壓力梯度大于3.3 MPa/m，從而可以完全封堵多孔顆粒介質，進而啟動基質中的剩余油。依據(jù)堵劑的強度要求，聚合物本體凝膠體系的組成為質量濃度4 000 mg/L的HPAM+質量濃度150 mg/L的Cr3+。

3 礦場應用

3.1 井區(qū)概況

5088-3注水井位于延長油田志丹縣樊川區(qū)5098井區(qū)，主要含油層為長6組，油層平均有效厚度為7.7 m，基質平均滲透率為2.4×10-3μm2，油層溫度為45℃。該井于2004年8月壓裂投產(chǎn)，于2005年12月轉注。吸水剖面測試結果顯示，5088-3井在1 754.2～1 759.6 m處的注水段存在明顯的指進現(xiàn)象，該層段壓裂裂縫較大，吸水剖面嚴重不均勻。結合砂體連通情況和生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)分析，5088-3井組（除5088-3注水井外，還包括5088，5088-1，5088-2，5088-5，5088-7，5098-6，5078-6，5395-1等油井）存在較大的人工裂縫，在井組注水后，存在見效快、見水快、水淹快，以及“一停則多停”的特點。目前，5088，5088-1，5088-5，5098-6，5088-2 井均為特高含水井（含水率大于98%），注入水在油水井間低效或無效循環(huán)?；趲r心取樣和示蹤劑測試，井組中的主流裂縫的平均開度為 1.8 mm［23］。

3.2 調剖施工設計

5088-3井組調剖施工面臨的首要問題是“堵不住”，因此，采用凝膠顆粒與聚合物本體凝膠聯(lián)合封堵的調剖方式。調剖施工設計方案及目的是：1）采取籠統(tǒng)注入的方式，與注水方式一致，不動管柱。2）凝膠顆粒注入。結合示蹤劑測試的裂縫體積，依據(jù)室內實驗的優(yōu)化方案，利用CMG軟件的STARS模塊設計不同的工藝參數(shù)，優(yōu)選出模擬結果最佳的一組［24-25］，即凝膠顆粒粒徑為2.5 mm、凝膠顆粒溶液質量濃度為8 000 mg/L、注入速度為2.5 m3/h、注入量為240 m3。3）聚合物本體凝膠注入。結合室內評價實驗結果和CMG軟件的模擬結果，優(yōu)選聚合物本體凝膠體系的組成，即質量濃度4 000 mg/L的HPAM+質量濃度150 mg/L的Cr3+，以保證凝膠強度能封堵多孔顆粒介質。設計注入量為120 m3，注入速度為1.0 m3/h，這樣的小排量、低壓力條件下，使得凝膠顆粒在裂縫中的分布狀態(tài)不易發(fā)生改變。另外，為防止壓開地層和破壞管柱，設計注入壓力小于20 MPa（低于地層壓力80%）。同時，計劃在施工結束后，配注12 m3/d，井口注入壓力低于16 MPa。

基于以上設計的調剖施工曲線見圖3。從圖3可以看出：在凝膠顆粒注入階段，注入壓力平緩，逐步上升，說明凝膠顆粒逐漸地進入裂縫深部，且能較均勻地分布；在聚合物本體凝膠體系注入階段，壓力同樣也是緩慢增加的，說明該體系也是比較平緩地進入多孔顆粒介質中的。施工結束后，關井候凝5 d，再次開井正常注水時，配注12 m3/d，注入壓力為12.5 MPa，符合設計要求。

3.3 調剖效果分析

表1為5088-3井組調剖施工前后的生產(chǎn)情況。由表 1可知，5395-1，5088-7，5088-1等 3口裂縫性水竄井取得較為明顯的增油效果，其他井組產(chǎn)油量也有一定程度增加。整個井組平均增油量為2.44 t/d，有效期大于160 d。這說明采用該調剖方法可以較好地封堵大尺度裂縫。

表1 5088-3井組調剖前后的油井生產(chǎn)情況

4 結論

1）凝膠顆粒既可以增強聚合物本體凝膠的強度，又可以充填裂縫，將裂縫介質轉變?yōu)槎嗫最w粒介質，利于后續(xù)聚合物本體凝膠對裂縫的封堵；反過來，聚合物本體凝膠則可以將分散的單個凝膠顆粒固結。

2）對于開度為1.8 mm的裂縫，當凝膠顆粒粒徑為2.5 mm、凝膠顆粒溶液質量濃度為8 000 mg/L、注入速度為1.0 mL/min時，凝膠顆粒可以在裂縫表面均勻密集地鋪展，鋪展?jié)舛葹?.4 mg/cm2，并呈活塞式向前推進。注入320 mg凝膠顆粒即可充填整條裂縫，然后，基于壓力變化計算出多孔顆粒介質的滲透率，據(jù)此選擇對應強度的聚合物本體凝膠。

3）將裂縫介質轉變?yōu)槎嗫最w粒介質的調剖方法在延長油田5088-3井組的應用取得了較好的增產(chǎn)效果，可為高含水的裂縫性低滲透油藏持續(xù)高效開發(fā)提供技術支撐。