大粒徑調剖顆粒封堵機理及深部運移性能評價

陳宇豪，王克亮，李 根，逯春晶

（東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318）

0 引言

近年來，我國大部分油田都進入了開發中后期，油田的多輪次調剖效果呈遞減趨勢［1］。在水驅和化學驅過程中，竄流現象的發生日益頻繁及嚴重，而諸如聚合物凍膠類、樹脂類以及凝膠類調剖劑等常規調剖劑主要作用于近井地帶，不能有效改善地層深部的非均質性［2］。針對這一情況，出現了深部調剖技術的概念［3］，顆粒類調剖劑就是目前國內各油田廣泛使用的一類針對深部地層的調剖體系［4］。顆粒類調剖劑是一種經濟有效的堵劑，尤其對于高滲透、特高滲透地層以及需要進行深部處理的大孔道地層，通過顆粒類堵劑處理可獲得明顯的調剖效果，其特有的選擇性進入能力可減少堵劑對非目標層的侵入［5-6］。顆粒類調剖劑的制作方法在主體工藝上大都相同［7］，不同類型的顆粒調剖劑都是由不同單體通過聚合交聯反應形成整塊膠狀產品，再通過烘干、造粒、篩分等工藝最終制備成不同粒徑的顆粒［8］。常用的顆粒類調剖劑包括體膨顆粒、柔性顆粒、凝膠顆粒和橡膠顆粒等［9］，它們具備不同的性能、作用方式及應用效果，針對這些顆粒的室內評價手段也很多［10］。與傳統堵水劑相比，顆粒類調剖劑在地面制備成產品，進入到地層深部后無須反應，或者是通過顆粒相互之間產生交聯作用而生效，受地層條件的影響很小［11］，此外，顆粒類調剖劑具備較高的穩定性、封堵性、耐鹽性以及耐溫性，在油田調剖堵水工藝上所占的比重將會逐步增大［12］。

大粒徑彈性顆粒的主要作用是對地層內部的裂縫進行封堵［13］，并憑借其易變形、耐剪切的特點，當壓力梯度增大時，可以進入地層深部對裂縫和孔隙進行封堵，從而實現深部調剖［14-15］。彈性顆粒成本低、有效期長［16］，但在油田進行現場試驗則存在滲透率不匹配的問題，導致顆粒注入困難［17］。目前，針對該類顆粒的室內評價實驗鮮有報道，主要原因是彈性顆粒的粒徑為1～5 mm，遠大于微米級調剖顆粒［18-19］，室內巖心驅油實驗設備的尺寸不能滿足實驗要求，此外，該類顆粒的作用主要是封堵裂縫［20］，并不作用于巖心基質［21］，因此，室內巖心驅油實驗不能很好地評價其封堵裂縫的能力及深部運移的能力［22］。針對這一問題，基于油田現場應用情況，設計一種毫米級粒徑的彈性調剖顆粒及相關模型和設備，并提出顆粒變形通過壓力這一參數，以便對該顆粒通過裂縫的能力進行評價，進而對其封堵能力和深部運移能力進行評價。

1 實驗設備及方法

實驗所用的大粒徑彈性顆粒（圖1）采用丁苯橡膠類材料制作，具備較高的形變能力及耐剪切性和熱穩定性，粒徑根據造粒工藝選擇不同尺寸，具體有1 mm，3 mm和5 mm。由于彈性顆粒粒徑為毫米級，實驗室內常規裝置的尺寸不能滿足實驗要求，故結合實驗室現有設備設計了大粒徑顆粒頂替裝置（圖2），并定制了具有不同裂縫寬度的裂縫模型（裂縫寬度分別為1 mm，3 mm和5 mm，模型厚度為10 mm），將顆粒溶液裝入活塞容器內，通過ISCO泵提供底部活塞動力，活塞頂替顆粒至頂部裂縫，利用壓力傳感器實時記錄頂替活塞處的壓力變化，并繪制注入壓力-時間曲線，進而對顆粒變形及通過裂縫的過程進行分析。

圖1 彈性顆粒Fig.1 Elastic particle

圖2 顆粒頂替裝置示意圖（a）及裂縫模型實體圖（b）Fig.2 Schematic diagram of theexperimental device（a）and fracturemodel（b）

實驗方法是利用壓力傳感器記錄計算機上的數據并繪制注入壓力-時間曲線（圖3），并將該曲線分為以下幾個階段來處理、分析：①未接觸期。由于顆粒體系所處位置距頂部裂縫模型有一定距離，因此，前期壓力僅為活塞的上升動力，該壓力值很小且不會發生變化。②封堵期。顆粒開始接觸并堵塞裂縫模型，壓力出現上升現象，在該階段顆粒逐步堵塞模型，并阻止后續顆粒向上運動。③平臺期。由于顆粒體系不斷憋壓，壓力升高直至達到閾值，迫使底部顆粒驅替頂部顆粒變形并通過裂縫，該階段由于不斷發生前部顆粒變形通過→頂替顆粒進入裂縫→頂替顆粒變形通過的過程，壓力在一定基礎值上產生波動，定義平均壓力為顆粒變形通過壓力，也可認為是顆粒對裂縫的最大封堵壓力。④驟升期。大部分顆粒被頂替出裂縫后，活塞逐漸上升并最終與頂部裂縫模型接觸，此時壓力會急劇上升，該階段對于顆粒性能的分析意義不大。

圖3 注入壓力-時間變化曲線Fig.3 Injection pressure-timevariation curve

封堵期和平臺期是針對顆粒性能須重點研究的階段，彈性顆粒要評價的2個方面就是封堵能力和運移能力，這兩點體現在一個參數值上就是平臺期的顆粒變形通過壓力，該值較小，表明對目標裂縫而言，彈性顆粒的運移能力較強，容易進入地層深部，但其封堵能力相對較弱，很容易隨壓力梯度增大發生顆粒變形并通過裂縫；反之，該值較大，則表明顆粒的封堵能力較強，但深部運移能力較弱。需要特別指出的是，當變形通過壓力為0時，需要具體分析，因為該值為0表明不存在平臺期階段，即不能計算出變形通過壓力值。此現象對應2種情況：一是大部分顆粒沒有通過裂縫模型，而是滯留在裂縫內，且隨著注入壓力上升，顆粒也未產生形變并通過裂縫，所以在曲線中不存在平臺期；二是顆粒沒有對裂縫形成封堵，全部通過裂縫，這樣在曲線中也不存在平臺期。因此，當顆粒變形通過壓力為0時，說明顆粒具有2種極端性質，或是封堵能力很強，或是運移能力很強，此時需要結合實驗中的現象進行定性判斷。

2 裂縫寬度匹配實驗及分析

利用上述頂替裝置、裂縫模型及分析方法，先后以粒徑為1 mm，3 mm，5 mm的彈性顆粒為實驗對象，分別利用縫寬為1 mm，3 mm，5 mm的裂縫模型進行了裂縫寬度匹配實驗。該實驗將顆粒體系中顆粒的含量設置為變量，即設定了20%，35%，50%等3種質量分數，探究顆粒用量對顆粒調剖效果的影響。

2.1 1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實驗

以20 mL蒸餾水為基液，配置1 mm粒徑調剖顆粒溶液，顆粒質量分數分別設定為20%，35%及50%，將ISCO泵驅替流速設定為恒速5 mL/min，針對3種不同縫寬的裂縫模型進行9組實驗，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖4為1 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線，表1為實驗結果。

圖4 1 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線Fig.4 Injection pressure-time variation curves of 1 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

表1 1 mm粒徑顆粒縫寬匹配實驗結果Table 1 Experimental results of different mass fraction of three models（1 mm particle）

分析圖4和表1可以發現，縫寬對于彈性顆粒的變形通過壓力和變形通過時間的影響均很大，在顆粒含量相同的情況下，縫寬越小，彈性顆粒變形通過壓力越高，變形通過時間越長；彈性顆粒的變形通過壓力與顆粒的質量分數有一定關聯，當顆粒質量分數為20%時，對應3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，通過肉眼直接觀察實驗現象，可以確定是1 mm粒徑顆粒直接從裂縫模型中流出，說明顆粒質量分數為20%的1 mm粒徑顆粒體系對3種縫寬的裂縫都無法產生有效封堵；顆粒質量分數分別為35%和50%的1 mm粒徑顆粒體系可以觀察到顆粒變形通過階段的平臺期，結合數據（表1）分析發現，隨著顆粒含量增大，顆粒的變形通過壓力小幅增加，且顆粒的持續作用時間也隨之延長，說明同一粒徑的顆粒體系，用量不同所產生的效果也不相同，理論上建議顆粒體系的質量分數應該設置得大一些，因為當體系內顆粒個數增加時，顆粒在運移過程中相互作用的頻率和程度均會提高，進而改善對裂縫的封堵效果。

2.2 3 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實驗

采用與1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實驗相同的實驗參數進行3 mm粒徑調剖顆粒匹配實驗，針對3種不同縫寬的裂縫模型進行9組實驗，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖5為3 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線，表2為實驗結果。

圖5 3 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線Fig.5 Injection pressure-timevariation curvesof 3 mm particlesizewith 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表2可知，3 mm粒徑的顆粒在質量分數為20%和35%時，針對1 mm，3 mm和5 mm這3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，通過肉眼觀察實驗中的裂縫封堵現象，確定原因為顆粒在裂縫模型入口端封堵裂縫，說明顆粒具有很強的剛性封堵性能，當體系中顆粒含量較低時，由于后續顆粒數量不足，無法頂替前端顆粒產生形變通過裂縫；當顆粒質量分數為50%時，針對1 mm，3 mm和5 mm這3種縫寬的模型均可觀察到顆粒變形通過階段的平臺期，1 mm，3 mm，5 mm裂縫對應的顆粒變形通過壓力依次為4.65 MPa，1.45 MPa，1.05 MPa，說明變形通過壓力隨模型裂縫寬度的增大而降低。1 mm縫寬裂縫對應的變形通過壓力與3 mm和5 mm縫寬裂縫對應的變形通過壓力相比有明顯差距，此現象說明裂縫寬度越小，顆粒體系進行深部調剖所要求的壓力梯度越高，在施工時需要對注入工藝進行針對性調整。

表2 3 mm粒徑顆粒縫寬匹配實驗結果Table 2 Experimental results of different mass fraction of three models（3 mm particle）

2.3 5 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實驗

采用與1 mm粒徑顆粒裂縫寬度匹配實驗相同的實驗參數進行5 mm粒徑調剖顆粒匹配實驗，針對3種不同縫寬的裂縫模型進行9組實驗，考察不同顆粒含量的顆粒體系對于裂縫的封堵能力。圖6為5 mm粒徑顆粒分別針對3種不同縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線，表3為實驗結果。

圖6 5 mm粒徑顆粒針對1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）縫寬裂縫模型的注入壓力-時間曲線Fig.6 Injection pressure-time variation curves of 5 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表3可知，5 mm粒徑顆粒針對1 mm，3 mm，5 mm等3種縫寬的裂縫模型的顆粒變形通過壓力均為0 MPa，結合肉眼觀察的實驗現象確定原因為顆粒過大封堵了裂縫，使大部分顆粒滯留在了裂縫模型的入口端，并形成了剛性封堵，后續顆粒難以使前端顆粒產生形變通過裂縫。

綜合1 mm，3 mm，5 mm縫寬裂縫模型的實驗結果發現，對于相同的顆粒調剖體系，其中顆粒的含量越高，其深部運移效果越好，因此，建議顆粒的質量分數選擇50%。5 mm粒徑顆粒由于粒徑較大，在3種縫寬的裂縫模型中都無法進行深部運移，故不建議在需要實施深部調剖措施的油田使用。比較1 mm與3 mm粒徑顆粒在顆粒質量分數為50%條件下通過3種縫寬的裂縫模型的變形通過壓力可知，1 mm粒徑顆粒對應3個裂縫模型的變形通過壓力均小于3 mm粒徑顆粒，說明1 mm粒徑顆粒的深部運移能力強于3 mm粒徑顆粒，而3 mm粒徑顆粒對裂縫的封堵能力要強于1 mm粒徑顆粒。

3 結論

（1）針對毫米級大粒徑彈性顆粒設計了顆粒頂替裝置及裂縫模型，并總結出注入壓力-時間曲線的分析方法，提出了顆粒變形通過壓力這一參數，來表征彈性顆粒的深部運移能力及對裂縫的封堵能力。

（2）結合3種粒徑顆粒的裂縫寬度匹配實驗結果，總結出顆粒體系中顆粒的含量對于其封堵效果和運移效果均有一定影響，建議顆粒的質量分數應在一定程度上保持較高數值。裂縫寬度對于顆粒體系進行深部運移所需的注入壓力具有較大影響，裂縫寬度越小，所需注入壓力越大。

（3）5 mm粒徑顆粒的封堵能力強于1 mm和3 mm粒徑顆粒，但深部運移能力極差，不建議用于油田現場的深部調剖。1 mm粒徑顆粒的深部運移能力強于3 mm粒徑顆粒，3 mm粒徑顆粒的封堵能力強于1 mm粒徑顆粒，在具體應用時，應結合措施區塊的地質條件及措施目的進行選擇，若注重對裂縫的封堵效果選擇3 mm粒徑顆粒，若注重調剖體系的作用波及范圍則選擇1 mm粒徑顆粒。