埕島油田凍膠調剖劑過濾砂管和填砂管綜合剪切性能評價

龔俊 葉俊紅 秦永輝 李勇 安繼彬 周洪濤

1. 勝利油田公司海洋采油廠；2. 中國石油大學（華東）石油工程學院

埕島油田位于渤海灣南部極淺海海域，試驗區位于埕島油田主體油藏的中部。油藏溫度60～90 ℃，地下原油黏度為41 mPa · s，地層水為NaHCO3型，平均礦化度為4 755 mg/L。該區屬于高孔高滲常規稠油巖性構造層狀油藏，油水關系比較復雜［1-2］。自1995年投入開發，注水開發過程中，受環境、鉆采和海上工程施工能力等條件限制，產能建設時間長，注采比較低，對開發效果產生很大影響。另外，隨著開發的進行，油井陸續水淹，含水上升速度快，直接影響到油田的最終開發效果。目前，開發過程中存在的主要問題為：(1)采油速度低，為0.9%，平臺壽命期內采出程度低；(2)層間和平面矛盾突出，層間干擾現象嚴重，水井吸水不均勻，水驅控制程度低(靜態水驅控制在60%，動態控制為42%)。目前該區油井綜合含水超過80%，必須提高注水開發效果以提高經濟效益，調剖是切實可行的技術措施［3-5］。

埕島油田位于淺海海域，屬河流相砂巖油藏，縱向層多、層薄，平面上砂體橫向變化大［6］。采用有機鉻凍膠作為改善吸水剖面的調剖劑，但海上平臺的大部分井都采用防砂管柱，濾砂管的存在會對凍膠調剖體系造成一定的剪切，使得體系黏度下降，影響凍膠的成膠性能，從而影響調剖效果。

田玉芹等［7］模擬濾砂管對化學驅用聚合物的剪切，考察了不同類型的濾砂管對聚合物的剪切效果。對于凍膠剪切穩定的實驗，翁蕊等［8］通過攪拌剪切和巖心剪切考察了剪切對低濃度聚合物凍膠的成膠行為影響，史勝龍等［9］則通過攪拌剪切和振蕩剪切研究凍膠的動態成膠效果，而對于凍膠過濾砂管及填砂管雙重剪切后的研究卻較少。因此，自制了一套室內濾砂管剪切性能評價裝置，模擬海上注入流程，研究凍膠注入過程中濾砂管及填砂管的雙重剪切作用的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

部分水解聚丙烯酰胺：915#-HPAM，工業品，分子量(1 000～1 500)萬，固含量＞90%，水解度5%；有機鉻交聯劑，自制；添加劑：亞硫酸鈉，分析純；埕島油田平臺回注水，如表1所示。

表1 埕島油田11N平臺回注水水質分析Table 1 Analysis on the water quality of the injected water of 11N platform in the Chengdao Oilfield

1.2 實驗裝置及儀器

自制濾砂管剪切性能評價裝置如圖1所示，取樣口b流出液繼續經過填砂管剪切。濾砂管裝置主要由配液箱(內有電動攪拌器)、齒輪泵(通過變頻器調節排量)、流量調節閥(細調排量)、流量計、濾砂管(模擬濾網部分長0.3 m)、儲液箱等部分組成。為考察凍膠的剪切穩定性，在濾砂管兩端分別設置取樣口a、b，濾砂管裝置的內部結構圖如圖2、3所示。其他儀器：DV-3T旋轉黏度計，Brookfield；電熱鼓風恒溫干燥箱，上海安亭科學儀器有限公司；GL-802A微型臺式真空泵，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；高溫高壓流動實驗儀，海安石油有限公司。

圖1 濾砂管剪切性能評價裝置Fig. 1 Device for evaluating the shear performance of sand-screening pipe

1.3 實驗方法

(1)在配液箱中以埕島油田回注水溶解915#-HPAM至形成均一溶液，加入一定量的交聯劑和添加劑，攪拌均勻得凍膠基液。

(2)調節變頻器和流量調節閥調節相應流量，并從a、b取樣口依次取樣，用DV-3T旋轉黏度計測定剪切前后凍膠基液的黏度；

(3)將測量黏度后的溶液分別裝入安瓿瓶，用酒精噴燈密封后放入70 ℃烘箱，記錄放入時間并定時觀察凍膠的成膠情況；

(4)采用Sydansk提出的強度代碼GSC法測定成膠時間［4］，采用“黏度定量突破真空度法”［10］測定成膠后凍膠強度。

(5)取經過濾砂管剪切后的凍膠基液，進一步過填砂巖心(60 cm×5 cm)，考察填砂管剪切后凍膠基液的黏度保留率、凍膠的成膠效果及封堵效果。

圖2 濾砂管橫切面圖Fig. 2 Cross section of sand-screening pipe

圖3 濾砂管內部結構圖(篩網孔徑為170～190目)Fig. 3 Internal structure of sand-screening pipe(screen mesh 170-190)

2 結果與討論

2.1 模擬排量確定

埕島油田注水井井身結構中的每段濾砂管一般長10～15 m，需要接入3～5根長為3 m的濾砂管柱，每根管柱實際含濾膜部分長2.6 m，則實際每段濾砂管的濾膜部分長為7.8～13 m。埕島油田平臺注水井日注入量一般在0～500 m3/d，為了實驗具有普遍性，選擇以100 m3/d(4.17 m3/h)為間隔、實際濾砂管根數為1～5根進行實驗，計算出單位濾膜長度所對應的排量，以此計算所設計的剪切裝置(濾膜部分長0.3 m)的排量，如表2所示。

由表2可知，根據埕島油田實際單位濾膜長度的排量得到所設計的濾砂管剪切裝置的模擬排量范圍為0.10～2.40 m3/h。考慮到室內實驗的排量調節，選擇以下9個模擬排量進行實驗，分別為0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.20、1.50、2.00、2.40 m3/h。

表2 不同數量濾砂管模擬排量計算結果Table 2 Calculation result of the simulated displacement of different quantities of sand-screening pipes

2.2 聚合物濃度對凍膠體系成膠性能的影響

凍膠基液的黏度由聚合物915#-HPAM的濃度(質量分數，下同)決定，首先考察了不同聚合物濃度時，凍膠基液的黏度、成膠時間、凍膠強度及凍膠的穩定性，實驗結果如表3所示。

由表3可知，隨著聚合物濃度的增加，體系的黏度逐漸增加；當聚合物濃度為0.3%～0.7%時，凍膠基液的黏度為39.4～106.3 mPa · s，均可以有效成膠，且成膠后120 d穩定不脫水。當聚合物濃度為0.8%時，凍膠的成膠速度過快，體系穩定性較差，5 d即發生脫水現象，這是由于聚合物與交聯劑之間的過交聯引起的；當聚合物濃度低于0.3%，體系不能成膠，這是由于低濃度的聚合物不能提供充足的配位點與交聯劑交聯，導致網絡結構受阻，凍膠不能成膠。而過高濃度的聚合物由于分子間的碰撞、纏繞幾率增大，交聯配位點多而反應易于進行，成膠時間短，但由于交聯劑速度過快，交聯反應不易控制。

2.3 濾砂管剪切對凍膠性能的影響

根據表3的結果，選取成膠穩定性較好的聚合物濃度0.3%、0.5%、0.7%的3組凍膠體系，對其基液進行過濾砂管剪切實驗，考察濾砂管剪切后凍膠基液的黏度保留率及凍膠的成膠性能。

2.3.1 注入排量對凍膠基液剪切黏度保留率的影響

考察上述3組配方凍膠基液經濾砂管剪切，在不同的注入排量剪切后凍膠基液的黏度保留率，結果如圖4所示。

圖4 注入排量對凍膠基液剪切黏度保留率的影響Fig. 4 Effect of the injection rate on the viscosity retention rate of gel base fluid after the shear

由圖4可知，隨著注入排量的增加，過濾砂管剪切后，凍膠基液的黏度保留率逐漸下降，且體系中聚合物濃度越大，過濾砂管剪切后，體系的黏度保留率越小。當聚合物濃度為0.3%、0.5%時，剪切后體系的黏度分別為35.9 mPa · s、56.2 mPa · s，黏度保留率仍大于84%；當聚合物濃度為0.7%時，剪切后體系的黏度為78.3 mPa · s，黏度保留率為73.7%。

2.3.2 注入排量對剪切后凍膠成膠性能的影響

聚合物濃度為0.3%、0.5%、0.7%時，凍膠基液的黏度分別為39.4 mPa · s、66.7 mPa · s、106.3 mPa · s，利用“濾砂管剪切性能評價裝置”進行剪切，考察剪切對凍膠的成膠性能的影響。由表4實驗結果可以看出，當聚合物濃度為0.3%、0.5%時，隨著注入排量的增加，剪切后的凍膠基液的成膠時間稍有增加，但不影響成膠后凍膠的強度；當聚合物濃度為0.7%時，剪切后凍膠的成膠時間稍有增加，成膠后凍膠的強度從0.08 MPa下降到0.078 MPa，下降并不明顯。這表明所選用的調剖劑配方在現場應用注入地層的過程中，受到濾砂管剪切影響并不明顯，且對凍膠的成膠幾乎無影響，可以滿足現場施工的要求。

2.4 填砂管剪切對凍膠性能的影響

2.4.1 凍膠基液黏度保留率隨注入量的變化

將上述經濾砂管剪切后的凍膠基液(聚合物濃度 0.5%)，通過不同滲透率 (高滲為 5 μm2，低滲為0.5 μm2，地層滲透率范圍為 1～5 μm2)的填砂巖心繼續剪切，模擬凍膠在地下的剪切過程，考察經填砂管再次剪切后凍膠基液的黏度及封堵效果。由圖5實驗結果可以看出，低滲透率填砂巖心對凍膠的剪切黏度保留率明顯低于高滲透率填砂巖心對凍膠的剪切黏度保留率。隨著注入孔隙體積倍數的增加，凍膠經填砂管剪切后的黏度保留率逐漸增加，當注入凍膠基液達到2 PV時，黏度保留率達到穩定，低滲透巖心的黏度保留率為88.1%，高滲透巖心的黏度保留率為94.3%。這是由于凍膠基液在通過填砂巖心的過程中不僅存在剪切，還有一定的吸附。當凍膠基液達到吸附飽和后，黏度保留率達到穩定。

表4 注入排量對剪切后凍膠基液成膠性能的影響Table 4 Effect of the injection rate on the gelling performance of gel base fluid after the shear

圖5 剪切后凍膠基液黏度隨注入量的變化Fig. 5 Variation of the viscosity of gel base fluid after the shear with the injection rate

2.4.2 凍膠成膠性能隨注入量的變化

圖6為凍膠體系成膠前后效果對比。凍膠經填砂管剪切后的成膠性能見表5，可以看出，隨著注入量增加，剪切后凍膠的成膠時間縮短，成膠強度不受影響。且經高滲透率巖心剪切后凍膠成膠時間要比經低滲透巖心剪切后凍膠的成膠時間短，這表明高滲透巖心對凍膠的剪切作用要弱于低滲透率巖心。

圖6 剪切前后凍膠成膠效果Fig. 6 Gelling effect before and after the shear

2.4.3 凍膠封堵性能評價

聚合物濃度為0.5%的凍膠基液，首先經濾砂管剪切，繼續經過不同滲透率的巖心填砂管剪切，當凍膠基液剪切后黏度保留率保持穩定時，停止注入，70 ℃下恒溫使凍膠成膠，考察剪切后高、低滲填砂管的封堵效果。由表6可知，經濾砂管、填砂巖心綜合剪切后，凍膠對巖心的封堵率仍大于95.0%，且對高滲透率巖心的封堵效果要好于低滲透率巖心。

表5 填砂管剪切后凍膠的成膠性能Table 5 Gelling performance of the gel after being sheared by sand pack

表6 凍膠剪切后對填砂管的封堵效果Table 6 Plugging effect of the gel on the sand pack after the shear

3 結論

(1)針對埕島海上油田凍膠調剖體系，首次系統模擬了海上平臺注入過程中濾砂管及地層對凍膠的剪切作用。

(2)在實驗設計的排量下，凍膠體系的黏度越大，過濾砂管剪切后體系的黏度保留率越小；當聚合物濃度為0.3%～0.5%時，剪切后黏度保留率大于84%，當聚合物濃度為0.7%時，剪切后體系的黏度保留率為74%。

(3)所優選的凍膠體系過濾砂管剪切后的成膠時間略有增加，但是對成膠后的強度影響不大。

(4)低滲透率巖心對凍膠的剪切作用要強于高滲透巖心的剪切，剪切后的凍膠成膠時間有所增加，但對凍膠強度無影響。剪切后對不同滲透率填砂管的封堵率仍大于95%。