超深稠油井修井暫堵劑的吸水性能和承壓堵漏

王 磊，魏宏洋，唐照星，曹 玲，張思哲，何希高

（1.中國石化西北油田分公司采油二廠，新疆輪臺 841604；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都 610059）

我國新疆塔河油田每年有大量超深稠油井需要進行修井作業，大部分井的井深在6 000 m 左右[1]，井底溫度在140 ℃左右，這些油井的地層屬于裂縫-溶洞性碳酸鹽巖地層。目前油田在修井施工中一般直接用高礦化度油田地層水或用地層水配制的無固相鹽水作為修井液。但目前鹽水修井液因無增黏性而在井底漏失嚴重，對于惡性漏失的井，一次修井中漏失量可達500～1 000 m3，使得沖砂巖屑返出困難，而且對于定容特征明顯的油井，鹽水的大量漏失使得地層憋壓，二次壓井困難，嚴重影響了修井作業。為了減少修井液在井底的漏失，常用暫堵劑對井底漏失通道進行封堵[2-3]。已在裂縫性油藏應用的暫堵劑一般有果殼、無機固體顆粒和高分子膨脹材料（PAG）[4-5]，其中PAG 吸水后體積發生膨脹，形成具有黏彈性的凝膠（圖1），這些凝膠目前現場應用的井底溫度低于120 ℃[6-9]，主要應用于井深3 000～4 000 m、溫度80～90 ℃、礦化度（2～5）×104mg/L 的中、低滲透和裂縫性致密砂巖油藏，PAG 在井底溫度高于120 ℃的高溫油井下會發生嚴重降解或碳化，在高礦化度下會發生脫水，失去堵漏功能，而超深稠油井的井底溫度超過了120 ℃，地層水的總礦化度更是高達20×104mg/L，目前關于PAG 在超深稠油井修井作業中的現場應用未見文獻報道。針對PAG 在修井中存在的上述問題，作者模擬超深稠油井的地層環境，如井底溫度和地層水礦化度，研究了耐溫PAG 的吸水性能和暫堵性能以及其復合材料的封堵能力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高分子膨脹材料（PAG）、核桃殼和碳酸鈣（CaCO3），工業級，重慶威能鉆井助劑有限公司；羥丙基胍膠（HPMG），工業級，固體質量分數92%，淄博博皓石油化工科技有限公司；氯化鈉、氯化鈣和亞硫酸鈉均為化學純，成都科龍化工試劑公司；去離子水。

SHPJ-Ⅳ型儲層動態損害評價儀，江蘇海安華達石油儀器有限公司；XGRL-4A 型熱滾爐，青島森欣機電設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 PAG 體積膨脹倍數的測定 體積膨脹倍數的測定采用直接測量體積變化法。采用帶刻度的量筒量取一定體積的清水或鹽水V0，然后加入干燥的PAG，再讀取量筒中總漿液的體積Va，則干燥暫堵劑顆粒的體積為V1G（V1G=Va-V0）。PAG 在室內溫度或設定溫度下吸水膨脹一段時間后，倒出量筒里的剩余水，重新加入初始的清水或鹽水體積V0，然后讀取量筒中液體和吸水凝膠的總體積Vb，暫堵劑顆粒吸水膨脹后的體積則為的值即為PAG 在某個時間段的體積膨脹倍數。

1.2.2 PAG 暫堵性能的測定

1.2.2.1 實驗裝置的結構 采用SHPJ-Ⅳ型儲層動態損害評價儀進行堵漏實驗。該裝置由主體裝置、儀表系統和用于加壓的HDD-250 型電動泵三部分組成。在主體裝置中，實驗容器能容納2 L 的堵漏漿液，模擬漏失層裂縫的構件為不銹鋼裂縫巖心，裂縫巖心的直徑（即裂縫高度）為25 mm，裂縫巖心的長度（即裂縫長度）為50 mm，裂縫寬度分別為1.5、4.0、6.0、8.0、10.0 mm。該裝置可模擬測定暫堵劑在不同地層裂縫寬度情況下的封堵能力和不同壓力下的漏失量。

1.2.2.2 實驗裝置的工作原理 實驗時將預先準備好的裂縫巖心放入主體裝置的規定位置中，把配制好的堵漏漿液倒入暫堵劑罐內，旋緊罐蓋，按操作步驟開啟電動泵，用于加壓。在壓力作用下堵漏漿液被擠入模擬的漏失通道內，如果設計的暫堵劑配方合理，即能對裂縫形成堵塞，在不超過實驗裝置的額定壓力下繼續加壓，可測定暫堵劑對裂縫堵塞的承壓能力。如果暫堵劑的配方不合理，堵漏漿液將通過漏失通道而流出。實驗完成后，可卸下模擬漏失通道，觀察暫堵劑的封堵狀況。

2 結果與討論

2.1 PAG 的吸水性能

2.1.1 PAG 的吸水膨脹 將還未吸水的PAG 分為細顆粒PAG-1（粒徑：1～3 mm）、中顆粒PAG-2（粒徑：3～5 mm）、粗顆粒PAG-3（粒徑：5～8 mm），這些不同顆粒尺寸的PAG 作為膨脹型暫堵劑，填充在橋接堵漏材料顆粒的孔隙間，能有效封堵裂縫。在25 ℃時，粗、中、細的PAG 分別在清水和不同鹽水溶液中浸泡24 h 后的體積膨脹倍數見表1。由表1 可以看出，PAG 在NaCl和CaCl2鹽水中的體積膨脹倍數遠低于清水中的體積膨脹倍數，尤其在高濃度的220 g/L NaCl 鹽水（密度1.130 g/cm3，模擬塔河油田某稠油井區的地層水密度）、40 g/L CaCl2、160 g/L NaCl 與40 g/L CaCl2的混合鹽水（密度1.136 g/cm3，模擬塔河油田某稠油井區的主要地層水組成及密度）中的吸水膨脹很弱，這說明鹽的存在會抑制PAG 的吸水膨脹。另外，PAG-1 在清水中的吸水膨脹能力略低于PAG-2 和PAG-3。

2.1.2 吸水時間對體積膨脹倍數的影響 在25 ℃時，將50 g/L 的PAG-2 浸泡在清水、120 g/L 的NaCl 和40 g/L 的CaCl2鹽水溶液中，其體積膨脹倍數與吸水時間的關系見圖2。由圖2 可以看出，在清水和鹽水中，隨著吸水時間的增加，體積膨脹倍數均先上升，然后保持不變。PAG-2 在清水中吸水5 h 后吸水膨脹達到平衡，此時體積膨脹倍數為8.2，而PAG-2 在120 g/L 的NaCl 和40 g/L 的CaCl2鹽水溶液中吸水2 h 后吸水膨脹達到平衡，此時體積膨脹倍數均為1.5，遠低于清水中的體積膨脹倍數，另外，當吸水時間大于1 h 后，在同一吸水時間，PAG-2 在清水中的體積膨脹倍數遠高于在鹽水中的體積膨脹倍數。結果表明，鹽的加入明顯降低了PAG-2 對水的吸收速度和體積膨脹倍數。

圖2 PAG-2 在不同水溶液中的體積膨脹倍數與吸水時間的關系

2.1.3 NaCl 質量濃度對體積膨脹倍數的影響 在25 ℃時，PAG-2 在不同質量濃度NaCl 鹽水溶液中浸泡24 h 的體積膨脹倍數見圖3。由圖3 可以看出，在清水中加入少量的NaCl 后，PAG-2 在鹽水溶液中的體積膨脹倍數顯著降低，但在寬的鹽濃度范圍內，隨著NaCl 質量濃度的增加，PAG-2 在鹽水溶液中的體積膨脹倍數稍有下降。當NaCl 質量濃度在20 g/L 時，體積膨脹倍數從清水中的8.8 下降至2.2，當NaCl 質量濃度到120 g/L 時，體積膨脹倍數降至1.5，再繼續升高NaCl 質量濃度，PAG-2 不再吸水膨脹，體積膨脹倍數基本不變。

圖3 PAG-2 的體積膨脹倍數與NaCl 質量濃度的關系

2.1.4 PAG-2 的高溫老化 將含有PAG-2 和600 mg/L的Na2SO3溶液和不同鹽濃度的鹽水溶液放置于熱滾爐中，分別在120 ℃和140 ℃下熱滾老化24 h 后，其凝膠體積的增加倍數見表2，Na2SO3的加入是為了消除溶液中極少量的氧氣，提高PAG-2 的熱穩定性。由表2可以看出，在清水和40 g/L NaCl 溶液中，長時間的高溫受熱使PAG-2 的凝膠體積有所增加，但在40 g/L CaCl2和含160 g/L NaCl 與40 g/L CaCl2的混合鹽水溶液中老化前后PAG-2 的凝膠體積增加倍數基本不變或變化很小。結果表明，PAG-2 在清水和鹽水中具有良好的高溫熱穩定性，高溫老化不會使PAG-2 凝膠在多價鹽水溶液中脫水。

表2 PAG-2 的抗老化

2.1.5 老化時間對PAG-2 的影響 將含有PAG-2 和600 mg/L 的Na2SO3溶 液、40 g/L NaCl 和 含160 g/L NaCl 與40 g/L CaCl2的混合鹽水溶液放置于熱滾爐中，在140 ℃下熱滾老化120 h 后，其凝膠體積的增加倍數見圖4。由圖4 可以看出，在清水和40 g/L 的NaCl溶液中，PAG-2 的凝膠體積隨老化時間的增加而增加，在含有CaCl2和NaCl 的混合鹽水溶液中，凝膠體積隨老化時間的增加而緩慢增加。結果表明，長時間的高溫老化不會使凝膠在清水和鹽水中脫水和碳化。這說明PAG-2 的井下使用溫度能達到140 ℃。國內文獻報道目前已用于油田井下堵漏的PAG 的使用溫度低于120 ℃[7-8]，PAG 在高于120 ℃的溫度下會發生降解或碳化，生成膠質，失去堵漏功能。

圖4 老化時間對PAG-2 凝膠體積的影響

2.2 吸水堵漏復合暫堵劑的承壓堵漏

單組分暫堵劑能封堵裂縫的尺寸及效果與加入暫堵劑的濃度和粒度有關。單組分暫堵劑一般可封堵比其自身粒度直徑大2～3 倍的裂縫，而單組分暫堵劑的適宜濃度則因暫堵劑尺寸的不同而存在差異，而且其封堵能力也是有限的。一般暫堵劑有核桃殼、PAG 和無機固體材料，而無機固體材料比核桃殼和PAG 具有更高的承壓能力，不同類型材料的復合能對裂縫的暫堵增效。因此，為了增強PAG的封堵能力，把PAG 與核桃殼和無機固體材料碳酸鈣復配使用，形成核桃殼/PAG/碳酸鈣復合暫堵劑。核桃殼的粗、中和細顆粒尺寸分別為2.0～5.0 mm、0.5～1.0 mm 和0.1～0.5 mm。碳酸鈣的粗、中和細顆粒尺寸分別為5.0～9.0 mm、2.0～5.0 mm 和0.5～2.0 mm。

綜合考慮PAG 吸水膨脹后的體積膨脹倍數和堵漏強度，以下實驗是在PAG 吸水120 min 后開始測定其堵漏性能。PAG 在水中的質量濃度為40 g/L，其顆粒尺寸與裂縫的尺寸相匹配，復合暫堵劑在清水中的總質量濃度為150～300 g/L，另外，在堵漏漿液中加入質量濃度為2～5 g/L 的胍膠，以增加堵漏漿液的黏性，懸浮復合暫堵劑。不銹鋼裂縫巖心的裂縫寬度為1.5 和4.0 mm。對這2 個裂縫寬度的堵漏實驗所用的材料配比如下：

（1）裂縫寬度1.5 mm 所用的復合材料配比為核桃殼（細）∶碳酸鈣（細）∶PAG（細）=5∶1∶2（質量比）。

（2）裂縫寬度4.0 mm 所用的復合材料配比為核桃殼∶碳酸鈣（細）∶PAG=8∶1∶3（質量比），其中核桃殼的尺寸級別配比為中∶細=3∶1（質量比），PAG 的尺寸配比為中∶細=1∶2（質量比）。

核桃殼/PAG/碳酸鈣復合暫堵劑在寬1.5 和4.0 mm 裂縫中的堵漏實驗結果見圖5、圖6。對于寬1.5 mm 的裂縫，初始壓力升至2.0 MPa，瞬間漏失85 mL后堵住不漏，然后壓力逐漸升至6.5 MPa 時堵住沒漏，繼續升至7.0 MPa 時，暫堵劑最后被擊穿。對于寬4.0 mm的裂縫，初始壓力升至4.0 MPa，瞬間漏失100 mL 后堵住不漏，壓力逐漸升至10.0 MPa 時堵住沒漏，繼續升至12.0 MPa 時暫堵劑被擊穿。

圖5 復合暫堵劑在寬1.5 mm 裂縫中的承壓隨擠注時間的變化

圖6 復合暫堵劑在寬4.0 mm 裂縫中的承壓隨擠注時間的變化

結果顯示，核桃殼/PAG/碳酸鈣復合暫堵劑比單組分的PAG 具有強得多的堵漏承壓能力，在裂縫性地層中至少能承壓6.5 MPa，遠高于高溫高壓下堵漏材料試驗的行業標準3.5 MPa，這說明這種復合材料能適用于裂縫性地層的堵漏。核桃殼在漏失通道中能形成“橋架”，起橋接堵漏作用，而PAG 吸水后形成具有黏彈性的凝膠，受壓可變形，能適應任何形狀的孔隙和裂縫，隨壓差的不斷升高，堵漏效果更好，在加壓過程中PAG不斷地被擠入到裂縫通道，起堵塞、壓實填充作用，同時，繼續吸水膨脹，封堵作用越來越好，當壓力達到突破壓力后，封堵層被擊穿，流體漏失。在未對漏失通道形成很好的匹配之前，會有一些間歇漏失，一旦形成比較致密的封堵后，再升壓就不易被破堵。

3 結論

（1）高分子膨脹材料（PAG）的體積膨脹倍數與吸水時間和溶劑有關，清水的吸水膨脹平衡時間遠長于鹽水，而鹽的加入嚴重削弱了PAG 的體積膨脹倍數，多價金屬鹽如CaCl2的影響尤其嚴重，在PAG 的漿液中宜用清水配制。

（2）PAG 能耐溫140 ℃，在鹽水中140 ℃條件下老化5 d 后，其凝膠沒有脫水和碳化，高溫受熱反而使凝膠體積略有增加。

（3）核桃殼/PAG/碳酸鈣復合暫堵劑具有較高的承壓能力，復合材料中各材料的顆粒尺寸應與裂縫寬度相匹配，由PAG 形成的復合材料應能封堵一般的超深稠油井碳酸鹽巖裂縫-溶洞性漏層。