聚合物堵劑對竄槽的封堵效果*

時 光

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室，黑龍江大慶 163453）

竄槽是一種因水泥環失去封隔能力導致層間互相污染的工程問題［1-4］。造成竄槽的主要原因有：固井質量差、后期措施引起的固井界面溝通、水泥環脆性拉伸破壞等［5-7］。大慶油田三元井網與水驅井網交叉，部分井竄槽造成三元液浪費，影響三元驅開發效果。以北一某區塊為例，水驅開發的48口采油井中28 口井見聚濃度高。水泥環封堵方法主要包括循環法封堵和擠入法封堵等［8-9］。但無論哪種方法對于竄槽封堵效果都不理想，且存在堵劑污染儲層的問題［10-13］。亟需摸索水泥環封堵規律，形成一種封堵強度高、儲層污染小的封堵工藝。本文通過新型水泥環封竄實驗裝置，模擬水泥環在壓力作用下局部產生拉應力，導致水泥脆性拉伸破壞而形成竄槽的情況，利用一種高強度聚合物堵劑進行封堵實驗，從竄槽結構、注入輪次、注入速率3 個角度出發，以竄槽模型突破壓力、微觀結構及巖心分流率等為評價指標，研究聚合物堵劑在水泥環中的封堵規律。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

膨潤土接枝丙烯酰胺改性聚合物，固含量＞95%，自制；過硫酸銨，分析純，天津大茂化學試劑廠；亞甲基雙丙烯酰胺，分析純，西亞化學科技公司；固井水泥，G 級；實驗用水為模擬地層水，礦化度為10 306 mg/L，主要離子濃度（單位mg/L）：Na+3857、CO32-1930、HCO3-1519、Cl-2860；實驗用巖心為人造巖心，高滲巖心滲透率為3000×10-3～3500×10-3μm2、低滲巖心滲透率為1000×10-3～1300×10-3μm2，尺寸（cm）為30×4.5×4。

SD1000型電子數顯彈簧拉壓實驗機，溫州山度儀器有限公司；FEDX-B800型能量色散X射線熒光光譜儀（EDX），西安豐登光電科技有限公司；Quanta450FEG 型掃描電鏡（SEM），美國FEI 公司；DM750 型體視顯微鏡，德國徠卡公司；SYJ-50 型巖心切割機，江蘇華安科研儀器有限公司。水泥環竄槽物理模擬實驗裝置見圖1，由驅替泵、活塞容器、竄槽模型、模擬巖心等組成，可模擬堵劑在水泥環竄槽中的封堵流程。其中竄槽模型由鋼材質模擬井壁及套管組成，將固井水泥注入套管及井壁間模擬水泥環，固化后將水泥擊碎，在斷面處涂抹凡士林后再次注入水泥，二次澆筑的水泥完全固化后，前后兩次固化的水泥交界面即有竄槽裂縫存在。將射孔間距離均分成10等分，在每一個均分點上量取一個裂縫寬度值，計算9個點的平均寬度值為該裂縫的寬度。用模型裂縫的寬度表征竄流通道的尺寸，裂縫寬度越寬代表竄槽結構越復雜，竄流通道越大。

1.2 聚合物堵劑的制備

室溫下，向模擬地層水中緩慢加入一定量的改性聚合物，持續攪拌至完全溶解，再加入一定量的過硫酸銨和亞甲基雙丙烯酰胺，繼續攪拌得到高強度堵劑。

1.3 堵劑抗壓強度的測試

將成膠后的聚合物堵劑制作成高10 cm、直徑2 cm 的圓柱體，置于電子數顯彈簧拉壓實驗機上，將壓力手柄下壓，使上壓力板接觸聚合物堵劑，當壓力板下壓距離為1 cm 時記錄此時實驗機載荷讀數，即為聚合物堵劑的抗壓強度。

1.4 堵劑在裂縫中封堵形態評價

將封堵后竄槽模型放置在45 ℃恒溫箱中候凝至堵劑完全成膠，然后將竄槽模型拆分，利用巖心切割儀對水泥環進行切割，在顯微鏡下放大20倍以上觀察堵劑在裂縫中的封堵形態。

1.5 堵劑在巖心中滯留情況評價

將封堵后巖心放置在45 ℃恒溫箱中候凝至堵劑完全成膠，然后利用巖心切割儀在巖心入口、3 cm、6 cm位置切下厚度約1 mm的巖心薄片，將巖心薄片冷凍制樣，通過掃描電鏡分析巖心孔隙中堵劑的微觀形貌，并通過能譜分析樣品中的元素組成［14］。

1.6 封堵竄槽實驗

具體實驗步驟如下：（1）將水泥漿注入模型進行人工造縫，連接實驗儀器；（2）向模型中注入1 PV的聚合物堵劑，記錄注入壓力及巖心出液量，注入后將模型放至45 ℃的恒溫箱中候凝；（3）候凝后，從模型外壁中部制造竄通，使模型上、下部填充堵劑分離，將注入管線分別與模型外壁上、下部接口相連，出口端為模型內壁中部接口，向封堵后模型注水，記錄注入壓力。

以竄槽裂縫寬度、注入輪次、注入速率為實驗影響因素，開展9組實驗（表1）。

表1 封堵竄槽實驗方案

2 結果與討論

2.1 封堵劑的靜態成膠性能

固定過硫酸銨加量為聚合物質量的1%、亞甲基雙丙烯酰胺加量為聚合物質量的0.5%，在45 ℃下，不同聚合物濃度堵劑的靜態成膠性能如圖2 所示。隨著聚合物濃度升高，堵劑的成膠時間逐漸縮短，抗壓強度逐漸升高，當聚合物質量分數為11%時，堵劑性能出現拐點，此時成膠時間為160 min，抗壓強度為30 N。

圖2 不同聚合物濃度下堵劑的成膠性能

2.2 竄槽結構對封竄效果的影響

將1 PV 的聚合物堵劑以0.5 mL/min 的注入速率一輪次注入模型中。利用模型上、下部突破壓力及堵后水泥環形貌變化評價竄槽結構對封堵效果影響，通過模擬巖心分流率變化、巖心切片掃描電鏡及能譜測試，評價封堵過程中堵劑對地層的污染情況。圖3 為不同寬度裂縫模型封堵后的突破壓力。對于0.5 mm 裂縫，模型上、下部的突破壓力均較高，達到13.5 MPa 以上，聚合物堵劑的封堵效果較好。隨著裂縫尺寸的增大，模型下部的突破壓力仍較高，聚合物堵劑對模型下部仍具有較高封堵強度；但模型上部的突破壓力逐漸降低，1.0 mm 裂縫模型的突破壓力為11.76 MPa，1.5 mm 裂縫模型突破壓力為11.46 MPa。隨裂縫尺寸的增大，聚合物堵劑對裂縫模型上部的封堵強度有所降低。

圖3 竄槽裂縫寬度對突破壓力的影響

裂縫寬度分別為0.5、1.0、1.5 mm模型的水泥環竄槽內堵劑的形態如圖4所示。裂縫寬度為0.5 mm時，堵劑飽滿地填充了裂縫，且與裂縫壁面緊密貼合；裂縫寬度為1.0 mm和1.5 mm時，下部裂縫被堵劑填滿，但上部卻出現了堵劑與壁面貼合不緊或堵劑斷裂問題。這解釋了模型上部突破壓力隨竄槽裂縫寬度增加而降低的實驗結果。

圖4 不同裂縫寬度模型的水泥環竄槽中的堵劑形態

模擬巖心分流情況見表2，高、低滲巖心均有液體流出，高滲巖心分流率明顯高于低滲巖心。隨著裂縫寬度增加，高滲巖心分流率逐漸升高，低滲巖心分流率逐漸降低。

表2 裂縫寬度對封竄過程中巖心分流影響

對巖心切片進行微觀掃描及能譜測試，結果如圖5 所示。空白巖心中主要檢測到Si、O 元素信號。無論裂縫寬窄（0.5～1.5 mm），在高滲巖心入口、3 cm、6 cm 處均觀察到明顯堵劑結構且檢測到了C、N、O、Si 元素信號，其中C 原子百分數為23.7%。對于低滲巖心，裂縫寬度為1.5 mm時，僅在巖心入口處發現堵劑，C原子百分數為7.95%；裂縫寬度為1.0 mm 時，在巖心3 cm 處發現微量堵劑，C原子百分數為7.08%；裂縫寬度為0.5 mm時，巖心6 cm處也能檢測到堵劑，C原子百分數為5.7%。

圖5 巖心切片進行微觀掃描及EDX能譜分析結果

分析認為，堵劑進入竄槽模型后，沿著阻力小的路徑流動并最終進入巖心，由于巖心滲透率級差及重力導致堵劑易流經模型下部進入高滲巖心，從而保證了模型下部的封堵。當模型的竄流裂縫較窄時，堵劑經過竄槽模型進入高滲透層的壓力相對增大，使堵劑進入上部竄槽裂縫最終污染了部分低滲透層，同時也封堵了模型上部竄槽。

2.3 注入輪次對封竄效果的影響

對竄槽裂縫寬度較窄（0.5 mm）的模型，1 輪次注入1 PV 堵劑，模型上、下部分均可取得較好的封堵。但對于裂縫寬度較寬的模型，上部難以保證封堵效果，需探索新的封堵方式。

固定注入速率為0.5 mL/min，將1 PV 堵劑以2輪次或3 輪次的注入模式注入，分析注入輪次對封堵效果的影響。圖6 為不同注入輪次條件下，裂縫寬度為1.0、1.5 mm 模型上部封堵后突破壓力曲線。隨著注入輪次的增加，裂縫寬度為1.0 mm模型上部突破壓力逐漸升高。2 輪次注入時，突破壓力為13.88 MPa，對比1輪次注入時提高了2.12 MPa；3輪次注入時，突破壓力進一步達到15.13 MPa。對于裂縫寬度為1.5 mm 模型，提高注入輪次后，模型上部突破壓力得到類似的規律，2 輪次注入后的突破壓力達到12.61 MPa，對比1 輪次注入時提高了1.15 MPa，但封堵強度仍不高，3輪次注入后的突破壓力為14.33 MPa，保證了封堵效果。

圖6 注入輪次對突破壓力的影響

觀察水泥環竄槽發現，對于裂縫寬度為1.0 mm模型，2 輪次注入模式就可使堵劑填充滿模型上部的裂縫路徑，裂縫內部的堵劑充盈致密（圖7a、7c）。對于裂縫寬度為1.5 mm模型，2輪次注入模式雖然使更多堵劑填充到了的模型上部裂縫中，但在部分位置堵劑仍無法緊密貼合壁縫（圖7b），繼續增加注入輪次到3次后，裂縫中的堵劑明顯更加飽滿，無明顯堵劑斷裂現象（圖7d）。

圖7 水泥環竄槽中堵劑形態

多輪次封竄實驗過程中模擬巖心分流率如表3所示。與表2共同分析可知，隨著注入輪次的增加，高滲巖心的分流率逐漸降低，低滲巖心的分流率逐漸升高。以裂縫寬度最大的1.5 mm為例，增加注入輪次后，高滲層分流率分別降低了6.6%和14.2%。

表3 注入輪次對封竄過程中巖心分流率的影響

多輪次注入模式使竄槽裂縫中堵劑起到協同封堵作用，前一輪次注入的堵劑優先進入流動阻力小的裂縫中，為下輪注入的堵劑起到“墊稱”作用，使后續注入的堵劑“被迫”克服高滲透層的吸液能力及重力作用，進入并封堵模型上部。擴大了后續堵劑對竄槽裂縫的波及體積［15］。但同時也增加了低滲巖心的污染程度。

2.4 注入速率對封竄效果的影響

增加注入輪次可保證竄槽取得較好的封堵效果，但對低滲層仍存在較大污染。以實驗1為例，堵劑在低滲巖心分流率達到19.5%。為保證封堵效果的同時，減少堵劑對低滲巖心的污染，需探索合理注入參數。以裂縫寬度為0.5 mm 的竄槽模型為實驗對象，分別以0.25、0.5、0.75 mL/min 的注入速率將1 PV 的堵劑一輪次注入竄槽模型中。實驗結果表明，改變注入速率后，模型上部突破壓力及突破時間變化較為明顯，當注入速率為0.25 mL/min 時，模型上部突破壓力為13.21 MPa，保持了較高的封堵強度，突破時間為0.56 PV。對比注入速率為0.5 mL/min 時，突破壓力基本無變化，僅提高了0.28 MPa，突破時間降至0.45 PV。注入速率0.75 mL/min 時，模型上部突破壓力最高，達到14.3 MPa，突破時間0.42 PV。較低的注入速率可使模型上部仍保持較高的突破壓力，同時延長了突破時間，增加堵劑的耐沖刷性。

不同注入速率下封堵實驗模擬巖心分流情況見表4。注入速率為0.5 mL/min時，高、低滲巖心分流率分別為80.5%、19.5%。調整注入速率為0.25 mL/min 時，分流率明顯改變，高滲巖心分流率升至89.2%，低滲巖心分流率降至10.8%。注入速率為0.75 mL/min時，高、低滲巖心分流率分別為78.8%、21.2%。

表4 注入速率對封竄過程中巖心分流率的影響

降低注入速率可以改善堵劑進入高滲巖心的流動阻力，導致更多的堵劑由模型進入高滲巖心中，從而減少了對低滲巖心的污染；過快的注入速率提高了堵劑進入高滲巖心的注入壓力，使堵劑經由模型擠入低滲巖心中，造成污染。

3 結論

水泥環竄槽模型結構直接影響了封竄效果，竄槽裂縫寬度越寬，模型的突破壓力越低、封竄難度越大，在模型上部竄槽會出現堵劑無法緊密貼合縫壁或堵劑斷裂等情況。大部分堵劑流經竄槽裂縫進入了高滲層，分流率大于80%。巖心切片微觀結構顯示，僅在低滲巖心前端發現微量堵劑。

注入輪次也是影響封竄效果的重要參數之一，對于結構相對簡單的竄槽通過1輪次化學封竄即可達到較高的封堵強度，而結構復雜的竄槽則需要2輪次或3輪次的封竄才能保證效果。多輪次注入模式使竄槽裂縫中堵劑起到協同封竄作用，前一輪次注入的堵劑優先進入流動阻力小的裂縫中，為下輪注入的堵劑起到“墊稱”作用，擴大了后續堵劑對竄槽裂縫的波及體積。

注入速率對竄槽模型的突破壓力影響較小，但較低的注入速率可以增強竄槽模型中堵劑的耐沖刷性，改善堵劑進入高滲巖心的流動阻力，導致更多的堵劑由模型進入高滲巖心中，減少對低滲巖心的污染。