水平井環空化學封隔器研究及應用進展

柳建新，章 震，陳 通，宋勇東

(長江大學石油工程學院，武漢 430100)

水平井具有穿透油層長、泄油面積大、生產壓差低、產量高、投資回收期短、經濟效益顯著等優點［1］，目前水平井技術已在世界上絕大多數油氣產區得到應用，成為油氣田開發的一項重要技術。當水平井見水后，由于形成“水脊”，采出液含水會迅速上升。目前水平井一般采用篩管或裸眼完井方式，難以使用機械封隔注入堵劑，采用化學方法封堵可較好地適應堵水要求，其中最核心的技術為“環空化學封隔器(ACP)［1－2］”。通過在割縫套管與井壁之間的環空位置放置封隔材料，形成不滲透的高強度段塞，達到隔離環空區域的目的，再配合管內封隔器實現堵劑的定向注入。常規封隔材料(聚合物凝膠)進入水平環空后，由于重力作用，會發生“重力坍落”—下沉，無法實現水平環空間的完全封隔［3］。

國外ACP技術主要應用于割縫襯管水平井，利用管內跨式封隔器向管內環空注入特殊流體，使其在局部環空形成高強度不滲透的固體阻流環［4］。早期主要采用化學劑籠統注入法，20世紀90年代中期環空封隔技術的提出為割縫襯管水平井堵水技術提供了新的思路。1997年起，Dowell和Schlumberger等公司將該技術應用于礦場，證實其工藝可行性，但從研究水平、應用規模及施工效果看，該項技術研究仍處于發展階段［4－5］。20 世紀 90 年代后期開始，隨著國外相關公司及機構對環空封隔材料的開發及完善，相繼開發出水泥基、HPAM 基封隔體系［5－10］，為篩管完井水平井控水技術的發展奠定了基礎。國內ACP技術起步較晚，現場應用并不廣泛，也沒有成熟的配套技術［11］。

隨著環空化學封隔堵水技術在不同油田的應用，發現ACP材料的種類和組成對其封堵性能有著顯著的影響。因此深入研究ACP材料結構與性能的關系，對開發具有更好封堵性能的ACP材料具有重要意義。筆者對國內外目前研究應用的ACP材料的化學組成、性能和應用情況進行了總結，并分析了存在的問題和發展方向。

1 常見的ACP材料

目前公開報道的ACP材料主要有鋁鎂混層金屬氫氧化物/鈉質黏土礦物(MMH/MT)體系、聚合物凝膠類、水泥基類等，部分文獻僅報道了ACP材料的性能，并未提供明確的化學組成。

1)MMH/MT體系

MMH/MT體系是一種具有高觸變特性、膠凝可控且工藝安全的非牛頓體系［12］。魏發林等［13］報道了一種ACP材料的化學組成:10～30份觸變控制劑(MMH/MT)，0.1～10份結構增強劑(溴代烷基乙二銨、酰胺型雙子季銨鹽表面活性劑)，5～20份強度控制劑(聚丙烯酰胺、間苯二酚等)，0.01～1份交聯劑(N－羥甲基丙烯酰胺和叔丁基過氧化物按1∶(0.1～5)的質量比組成)。該材料的觸變性是通過觸變控制劑和結構增強劑合成觸變控制組分來實現，加入強度控制劑可提高材料的強度，形成高強度的膠凝段塞，交聯劑濃度的變化使材料膠凝時間可控。該體系適用于不同溫度的油藏，不受礦化度限制。對于溫度為40～90℃的油藏，可直接封堵出水段或輔助后續地層堵劑的注入;對于溫度大于90℃的油藏，可作為臨時環空封隔器使用，輔助后續地層堵劑的注入。由該體系材料合成的ACP的冪律指數為0.14～0.30，最終觸變結構強度為 0.3～1.0 kPa，剪切后靜止5～30 s觸變結構強度即可恢復。此外材料可在1～6 h內受控膠凝，由具有一定結構強度的觸變體變為高強度的黏彈固體，強度提高100～1 000倍。

2)聚合物凝膠類

目前聚合物凝膠類ACP材料主要有丙烯酰胺與瓜膠接枝體系［14］以及丙烯酸與淀粉接枝體系［2］。淀粉或瓜膠與單體(丙烯酰胺或丙烯酸)在引發劑及交聯劑的作用下發生接枝共聚，生成ACP材料，在相應酶的作用下材料的降解性能提高，可避免對生產層段產生污染，影響生產產能。

丙烯酰胺與瓜膠接枝共聚交聯形成強凝膠［14］，由于其遇水膨脹，可完全填充篩管和井壁環空。在聚合體系中加入甘露聚糖酶降解酶和一定濃度的強氧化劑，可使所研制的封隔材料降解成相對分子質量較小的低聚物，在微生物作用下可完全降解;瓜膠在體系中起著提高材料本體強度的作用;通過改變強度調節劑的加量，可控制材料的強度和持壓能力。該類材料具有吸水膨脹性能好、環空充滿效果好、強度高、可降解等優點。

丙烯酸與淀粉接枝體系［2］是將丙烯酸、淀粉、淀粉酶和引發劑等混拌溶解均勻，在一定溫度和過量氧化劑的條件下發生暴聚，形成強凝膠產物。研究結果表明，該類環空封隔材料聚合時間為24～48 h，聚合后突破壓力梯度可達 38 MPa/m，降解時間為24～96 h，具有高彈性、可降解等優點。

3)水泥基類

國外水泥基材料作為ACP材料的開發及應用公司較多，如Chevron，Halliburton，Shell，Schlumberger等公司相繼開發出 Maraceal，Permseal，Texplug 等水泥基材料［4］。Chow 等［6］介紹了一種高觸變水泥，它以水泥為主要成分，材料的觸變性主要來源于體系中加入的高精煉的蒙脫石。連續油管物模的流動實驗結果顯示，油管下游的材料密度為1.65～1.70 g/cm3，小于預設的密度1.72 g/cm3。上游材料的觸變性明顯優于下游材料，但給予一定的壓力釋放時間和額外剪切作用，會顯著提升材料的觸變性。該類材料一般具有高觸變、封隔效果好等優點。

4)其他類

顏明等［11］介紹了一種應用于海上油田的高觸變環空化學封隔器材料HTHC(型號為ACPH/45－80)，并與鋁鎂混層金屬氫氧化物(MMH)、三乙醇胺鈦/改性纖維素(Ti/HEC)體系的性能進行了對比。發現HTHC的結構恢復更快，且具有良好的靜止增黏特性(10 s內結構強度達到200 Pa，為最終強度的66.7%，且恢復后的結構強度高)。此外，HTHC的固化可通過固化樹脂實現，固化樹脂的質量分數影響固化時間。

周趙川等［3］介紹了一種新型封堵材料CESP。與常規封堵材料相比，CESP具備剪切變稀、剪切靜止后結構迅速恢復的高觸變特性，2～8 h內膠凝可控，具有較好的熱穩定性和高強度。針對渤海油田水平井油層根部氣竄問題，采用CESP化學定點封堵技術，結合Y441機械封隔器在篩管內部的機械卡封，可達到封堵目的層段、保留生產層段的目的。

楊振杰等［15］研制了新型 ACP材料XANSP，其主要組分為:結構形成劑(構成ACP的高觸變性和網架結構強度，保持ACP在水平環空段的形狀)、固化交聯劑(構成ACP的界面膠結強度和本體強度)、微膨脹劑(使ACP能夠在固化過程中微膨脹，保證填充的密實性)、施工性能調節劑(控制ACP的初凝和終凝時間，保證施工安全)。將XAN－SP按灰水質量比為1.47的比例配成漿體，攪拌 30 min后測得密度為 1.30 g/cm3，100 mL漿體靜止2 h后的自由水為0。模擬試驗結果表明，XAN－SP具有觸變性強、填充形狀穩定性好、封隔強度高等優點。

綜上所述，ACP材料應具有高強度、高觸變、可降解等性能。MMH，HTHC，CESP，XAN －SP和水泥基類材料的觸變性能較好，但本身強度不夠，很難滿足封堵的壓力要求，通常需要在體系中加入提高強度的材料;聚合物凝膠類材料的強度較大，但觸變性較差，不能夠完全充滿環空;此外為了在施工結束后解除封堵，ACP材料中還需添加一定量的破膠劑，以實現封堵材料的降解。

2 性能評價方法

ACP材料的主要性能要求如下:1)能有效充填在篩管與地層的環空中，形成具有一定強度的封隔段塞;2)可以避免由于重力作用發生“坍塌”而不能形成完全的封堵;3)施工后期可以完全降解，不污染地層環境。必須利用合理的方法來表征ACP材料的強度、觸變性和可降解性能。

2.1 強度

ACP的強度性能主要體現在材料本身的結構強度以及注入環空成膠后的封隔強度，分別采用不同的方法進行評價。

2.1.1 結構強度

ACP材料本身的結構強度可通過持壓性能測試來表征。楊振杰等［15］介紹了一種結構強度的評價方法，首先將配制好的材料在規定溫度下養護一段時間，模擬材料從地面泵入井下環空中的實際工況，攪拌20 min后放入裝有割縫寬度為0.36 mm的模擬實驗塊的XAN－RC封堵模擬實驗流程中，對試樣施加水力壓力，測定樣品被擠出儀器的壓力，即為試樣材料的持壓強度。

2.1.2 封隔強度

ACP材料注入環空成膠后的封隔強度可用抗剪切強度和突破壓力梯度(抗竄強度)來評價。程靜等［14］介紹了一種抗剪切強度的測試方法，將成膠后的封隔材料切碎，使用水膨脹體強度檢測儀進行測試，通過剪切板的最大壓力讀數為其抗剪切強度的力值，讀數除以剪切板面積即為抗剪切強度。

突破壓力梯度的測試方法如下:注入1.0 PV封隔材料體系到填砂巖心管中，在60℃水浴中靜置一定時間后反向測試突破壓力［2，15］。

2.2 觸變性

ACP材料的觸變特性即高剪切下可以流動、剪切降低后又能立即形成網狀結構，可利用掃描電鏡進行觸變特性的微觀研究［12］。對于ACP等分散體系的觸變特性評價，目前并無特定方法，常用方法有流動性實驗法、滯后環法、恒剪切速率條件下的應力松弛法以及動態實驗法等。其中動態實驗法較好地保證了受破壞后體系觸變結構的靜態恢復環境，具有很好的客觀性。

2.2.1 流動性實驗法［15］

將一定規格的圓筒放在水平玻璃上，將配制好的樣品材料攪拌20 min后倒入圓筒，使液面與圓筒上邊緣相平，然后用手勻速將圓筒提起，樣品自然在水平玻璃面上變形散開成圓形，之后測量直徑大小，即為樣品的流動性，這種方法很好地體現了樣品材料在停止剪切后保持形狀的能力。

2.2.2 滯后環法［16］

采用旋轉黏度計或高溫高壓流變儀，從最低速檔開始，逐步提高轉速，達到最大值后立即逐步降低轉速至最小值，同時記錄各轉速下的應力值，以切變速率或轉速對應力作圖。通常切變速率或轉速增大和減小時2條曲線不重合，出現月牙形滯后環，其面積可表示材料觸變性的相對大小;若2條曲線重合，則材料無觸變特性。

2.2.3 應力松弛法［17］

恒剪切速率條件下的應力松弛試驗［17］是采用循環加載的方式進行，先對樣品材料的法向方向加載至預定值，保持法向力不變，進行剪切力加載，加載至預定值后，保持剪切方向變形不變，進行應力松弛試驗，待應力松弛至穩定值，進行第二級加載，同樣加載至預定值，并保持對應的變形不變，進行應力松弛試驗，依此類推。

2.2.4 動態實驗法［12］

依據觸變結構的時間掃描恢復曲線，對觸變結構的恢復情況做定量表征。先用旋轉流變儀測定ACP材料的黏度－剪切速率關系，研究材料網絡結構的破壞情況;靜止后利用動態法測定彈性模量－恢復時間關系，研究網絡結構被破壞后的恢復情況。根據儲能模量與恢復時間的關系方程和冪律流體方程，擬合得出不同條件下材料的冪律指數及結構恢復速率。

3 應用現狀

ACP技術在國內主要應用于受底水脊進、注水錐進、蒸汽氣竄等因素影響的油藏［18］，目前已在渤海油田、陸梁油田等地區開展了ACP的現場應用［3，11，14，15，19］。

渤海油田某井［3］采用篩管完井方式，存在出水和氣竄的問題，提產后產氣量持續上升。該油藏存在的氣頂對油藏保壓及氣驅作用明顯，應及時封堵氣頂氣的產出通道，防止過多的油被滯留地層。因此利用CESP材料對產氣層位進行定向封堵，預先注入隔離液，并在管內機械封隔器的輔助下定向注入目的層位。該井在實施堵水措施后日產油達到74 m3，含水率降至1%，日產氣由封堵前的8.0×104m3降至1.2×104m3左右，下降了85%，堵氣增油效果十分明顯。

大港淺10－5H井［14］在鉆井過程中由于水平段軌跡控制差，造成部分水平段進入水層，投產后底水很快突破，因含水率達到100%而關井，因此利用聚合物凝膠材料阻斷地層水進入盲管段前端的通道。施工過程中首先注入ACP材料保護液，當進出口液性一致時注入堵劑打塞，施工后期注入降解液以降解封隔材料。該井實施堵水作業后初期日產液 5.6 m3，日產油 4.8 t，含水 14.3%，1年中累計增產原油1 000 t，證明高強度、可降解的聚合凝膠材料對水平段具有良好的環空封隔能力和保護作用。

針對水平井出水段定向封堵的技術難題和環空充滿阻止流體流動的問題，國外的研究者開展了相應的材料及施工工藝設計。Nigeria油田某井在高滲透地層段采用未膠結的割縫襯管完井，出現大量水侵后利用HPAM基ACP材料進行封堵，3天施工時間中關井2天用于聚合物成膠，施工后含水率下降約70%，產油量相應增長25%［5］。從施工記錄中發現，附近有頁巖存在時封隔材料的堵水效果優于無頁巖存在時的效果。分析認為易受到破壞的頁巖對注入的ACP封隔材料有支撐作用，破碎的頁巖充當了觸變材料的作用，增強了材料的觸變性，從而避免材料發生“重力坍落”。

從目前國內外的現場應用情況來看，首先應明確問題的成因，然后結合油藏溫度、封堵強度、封堵時間等要求，確定ACP材料的配方組成，合理選擇ACP材料，最后根據應用效果進行合理分析和材料化學組成的優化。

4 結語

1)目前常用的ACP材料有MMH/MT體系、水泥基類材料及聚合物凝膠類材料等，其主要性能要求是高強度、高觸變性、可降解，但是目前所應用的材料很難同時滿足這3種性能要求。

2)在ACP性能評價方面，持壓強度測試和突破壓力梯度測試等強度評價方法都是結合室內物模開展的;流動性實驗法、滯后環法、恒剪切速率條件下的應力松弛法以及動態實驗法等觸變性評價方法也是在室內儀器結合理論的基礎上開展的，尚無統一、公認的評價標準和方法。

3)ACP在一些油田的初期應用效果較好，但是面對復雜的施工環境時，不可避免地會發現材料性能的不足，因此針對不同的油藏特點和施工要求對ACP材料的化學組成進行優化顯得尤為重要。

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