ZXDJ-1 堵水劑在樁西邊底水稠油油藏研究與應(yīng)用

孟慶標(biāo)，隋清國(guó)，林志彬，賈慶樂(lè)，段志剛，宋洪奇

（中國(guó)石化勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營(yíng) 257237）

樁西采油廠稠油邊底水油藏主要分布于樁139、樁1 兩大區(qū)塊，其中樁139 區(qū)塊隸屬于樁西油田灘海區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)上處于樁西和埕島潛山地質(zhì)構(gòu)造結(jié)合部。屬常溫常壓、深層、邊底水、高滲透、構(gòu)造-巖性、普通稠油油藏。其主力層為Ng6 和Ng7，其中Ng7 地質(zhì)儲(chǔ)量590×104t，油層中深1 600 m，地層溫度72 ℃，地面原油黏度達(dá)8 975～9 197 mPa·s。該區(qū)塊因儲(chǔ)層原油黏度高、油水流度比差異大、邊底水入侵等原因，周期性注汽效果偏差。純油區(qū)老井多輪次注汽轉(zhuǎn)周效果在前2～3 輪尚可，但在油水過(guò)渡帶的注汽輪次一般達(dá)不到3輪。不同位置油井受底水錐進(jìn)影響不同，動(dòng)用半徑差異較大，水錐半徑50～140 m。2014 年新投水平井初期含水率63.2%，2 年后含水率上升到94.7%，熱采水平井一直保持高含水率生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)油井控水穩(wěn)油長(zhǎng)效開采，提高稠油油藏開發(fā)效益，開展稠油油藏控水增產(chǎn)技術(shù)研究，適應(yīng)油層高溫、高強(qiáng)度、長(zhǎng)效調(diào)堵要求，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出ZXDJ-1 堵水劑，該堵水劑主要成分為改性鋰藻土，實(shí)踐證明，堵水劑既可實(shí)現(xiàn)低溫成膠、封堵效率高，又具備耐高溫能力，同時(shí)固化時(shí)間和封堵強(qiáng)度可控，可有效控制稠油高含水率井邊底水錐進(jìn)速度，完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 國(guó)內(nèi)外凝膠型堵水劑研究及應(yīng)用進(jìn)展

國(guó)外從1965 年開始注重聚合物凝膠類堵水劑研究，美國(guó)與俄羅斯發(fā)展速度最快。美國(guó)注重凝膠類，俄羅斯則主要研究水解聚丙烯晴[1]。例如，利用N-乙烯基甲酰胺單體在水溶液中與親水性單體（例如丙烯酰胺甲基丙烷磺酸鹽或堿金屬衍生的鹽）及填料（單體，如丙烯酰胺類等）反應(yīng)，加入乙二胺等添加劑、用鈉或鉀的氫氧化物作pH 調(diào)節(jié)劑、聚合反應(yīng)引發(fā)劑制作的選擇性堵水劑。國(guó)外選擇性堵水技術(shù)研究在作用機(jī)理研究、新型化學(xué)劑合成和油田應(yīng)用方面要領(lǐng)先[2]，可以說(shuō)，從分子水平上對(duì)材料進(jìn)行合成和改性成為選擇性堵水劑研究的關(guān)鍵。

2002 年，日本學(xué)者Haraguchi 實(shí)驗(yàn)成功聚N-異丙基丙烯酰胺-Laponite 納米復(fù)合凝膠，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)普通凝膠10 倍，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)常見凝膠50 倍，性能優(yōu)異[3]。

國(guó)外一些大的公司，如Halliburton 對(duì)改性聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯進(jìn)行研究，BJ 公司則研究了一種陰離子親水性三聚物，Clariant Oil Services 公司推出稱為RELTREAT 溶液型的選擇性堵水劑產(chǎn)品[4]。

本次研制的堵水劑屬于有機(jī)-無(wú)機(jī)體系，對(duì)改性鋰藻土加入的凝膠體系鮮有相關(guān)研究的文獻(xiàn)。

從普通凝膠型堵水劑體系的研究看，通過(guò)適當(dāng)復(fù)配，可使其具有良好耐剪切性、穩(wěn)定性、抗鹽性[5]。國(guó)內(nèi)中石化孤島采油廠與石油大學(xué)合作開發(fā)了一種以硅酸鈉和有機(jī)硅為主要成分的凝膠型堵水劑，凝膠強(qiáng)度可達(dá)到E 級(jí)（難流動(dòng)）[6]，另外還開發(fā)了主要由聚丙烯酰胺、交聯(lián)劑、添加劑A 及添加劑B 等組成的耐高溫復(fù)合凝膠堵水體系FHG-1[7]，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，實(shí)施先期堵水效果的井要明顯好于未進(jìn)行先期堵水的井。渤海QHD32-6 油田則采用了一種用于非均質(zhì)性油藏封堵的復(fù)合凝膠，其強(qiáng)度可達(dá)G 級(jí)（中等變形不流動(dòng)）[8]。石油大學(xué)（華東）試驗(yàn)了一種無(wú)機(jī)鉻交聯(lián)劑與HPAM 組成的交聯(lián)體系，采用了三價(jià)鉻離子與HPAM 離解出的-COO 進(jìn)行交聯(lián)后制取，鉻凍膠體系溫度至80 ℃時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到Ⅰ級(jí)（剛性膠，無(wú)流動(dòng)，無(wú)舌長(zhǎng)）[9]，鉻凍膠體系在勝利油田得到推廣應(yīng)用。中石化勝利石油管理局采油工藝研究院研制的復(fù)合凝膠堵水劑由酚醛樹脂交聯(lián)劑和聚丙烯酰胺制成，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后投入產(chǎn)出比1.00∶3.36[10]。

可以看出，國(guó)內(nèi)研制的堵水劑能在一定程度上滿足部分油井封堵邊底水的需求，但仍存在問(wèn)題，即對(duì)兼顧各類凝膠體系的高強(qiáng)度、高耐溫、高封堵率、強(qiáng)耐沖刷性能的復(fù)合凝膠堵水劑目前研制十分困難。

2 ZXDJ-1 堵水劑配方選擇

為進(jìn)一步提高堵水劑性能，適應(yīng)樁西邊底水稠油油藏區(qū)塊調(diào)堵要求，用改性鋰藻土作強(qiáng)度增強(qiáng)劑，用多聚甲醛控制反應(yīng)速度，用酚醛樹脂PN760 和增黏劑調(diào)節(jié)成膠時(shí)間，以CMC 作稠化劑研制成功堵水劑ZXDJ-1 復(fù)合凝膠體系。

3 ZXDJ-1 堵水劑成膠性能實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)

3.1 主要組分對(duì)體系成膠性能的影響

3.1.1 改性鋰藻土含量對(duì)成膠參數(shù)的影響 改性鋰藻土含量增加對(duì)初始黏度影響不斷增大，最終成膠強(qiáng)度隨改性鋰藻土含量增加而增大；改性鋰藻土含量減少，實(shí)驗(yàn)體系的成膠時(shí)間也縮短（圖1）。

圖1 改性鋰藻土含量對(duì)成膠參數(shù)的影響

3.1.2 酚醛樹脂PN760 含量對(duì)成膠參數(shù)的影響 隨著酚醛樹脂PN760 含量增加，成膠黏度變化不明顯，但成膠時(shí)間顯著減少（圖2）。

圖2 酚醛樹脂PN760 含量對(duì)成膠參數(shù)的影響

3.1.3 多聚甲醛含量對(duì)成膠參數(shù)的影響 多聚甲醛易水解生成甲醛，而甲醛是一種交聯(lián)/固化劑，含量越高，成膠時(shí)間縮短（圖3）。

圖3 多聚甲醛含量對(duì)成膠參數(shù)的影響

3.1.4 增黏劑含量對(duì)成膠參數(shù)的影響 隨著增黏劑含量增加，成膠時(shí)間縮短（圖4）。

圖4 增黏劑含量對(duì)成膠參數(shù)的影響

3.2 礦化度對(duì)成膠參數(shù)的影響

采用礦化度10 000、20 000 mg/L 鹽水及清水配制調(diào)堵體系，了解對(duì)體系成膠參數(shù)的影響（圖5）。

圖5 礦化度對(duì)成膠參數(shù)的影響

隨著礦化度增加，能顯著影響凝膠的性能，原因是電解質(zhì)可壓縮膠體粒子表面雙電層，促使其交聯(lián)或聚沉，影響體系的交聯(lián)反應(yīng)。隨著礦化度增加，堵水體系強(qiáng)度逐步降低，原因是離子壓縮膠體表面分子基團(tuán)，反應(yīng)加速進(jìn)行。

3.3 溫度對(duì)成膠參數(shù)的影響

分別置于30、50、70 ℃的水配制的實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)驗(yàn)體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度見圖6。

圖6 溫度對(duì)成膠參數(shù)的影響

體系在30～70 ℃的溫度范圍內(nèi)均可成膠，溫度不斷增加，反應(yīng)速度也不斷加快，體系成膠時(shí)間則快速縮短。最高溫度70 ℃時(shí)，成膠時(shí)間9 h，凍膠生成速度快。

3.4 體系的黏彈性

體系的黏彈性判斷，利用流變儀對(duì)生成的凝膠應(yīng)力掃描，主要指標(biāo)有抗剪切性、耗能模量和儲(chǔ)能模量三項(xiàng)。

儲(chǔ)能模量代表了彈性能量的存儲(chǔ)，代表了后續(xù)可恢復(fù)性大小。它越大，說(shuō)明了樣品彈性越好。一旦結(jié)構(gòu)被某種外力或物質(zhì)破壞，儲(chǔ)能模量則會(huì)降低。耗能模量越大說(shuō)明材料形變時(shí)，能量轉(zhuǎn)化成熱能的量也越大，比如轉(zhuǎn)換成剪切熱。若樣品主要由黏性物質(zhì)構(gòu)成，其耗能模量也大。3.0%改性鋰藻土+0.1%多聚甲醛+0.3%酚醛樹脂PN760+1.0%增黏劑+0.4%改性CMC 配方所做結(jié)果見圖7。

圖7 能量變化曲線

結(jié)果表明：凝膠的儲(chǔ)能模量和耗能模量隨剪切速率增加而增加，儲(chǔ)能模量一直大于耗能模量，也說(shuō)明此樣品屬于強(qiáng)凝膠。

3.5 體系的熱穩(wěn)定性

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)體系在高溫下的穩(wěn)定性，按比例配制體系1 和體系2，然后將實(shí)驗(yàn)體系放置到50 ℃的恒溫水浴鍋中成膠，成膠后將凝膠分別放置到65 ℃和145 ℃下進(jìn)行高溫老化實(shí)驗(yàn)，形成的復(fù)合凝膠體系在145 ℃放置30 d 后，脫水率低于15%，表明該體系具有良好的耐溫性能。

4 ZXDJ-1 堵水劑巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

4.1 突破壓力梯度與封堵率指標(biāo)

突破壓力定義為凝膠在單位長(zhǎng)度的多孔介質(zhì)中水驅(qū)動(dòng)條件下出現(xiàn)突破時(shí)最高壓力，反映凝膠封堵水相流體的能力，說(shuō)明了堵水劑強(qiáng)弱，突破壓力梯度可用下式計(jì)算：

式中：P-突破壓力梯度，Pa/m；Phi-水驅(qū)突破最高壓力，Pa；L-巖心長(zhǎng)度，m。

封堵率定義為水相滲透率封堵前后差值同原始水相滲透率比值，反映了堵水劑改變巖心原始滲透率的能力。封堵率越高，封堵后水相滲透率降低程度越大，與殘余阻力系數(shù)一樣，都反映了堵水劑的封堵能力。封堵率按（2）式計(jì)算：

式中：E-封堵率，%；kwa-原始（或初始）填砂管滲透率，μm2；kwb-封堵后填砂管滲透率，μm2。

采取單管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行封堵率測(cè)試，見圖8。

配方采用8.0%改性鋰藻土+0.6%多聚甲醛+0.6%酚醛樹脂PN760+1.5%增黏劑+0.5%改性CMC 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：最大突破壓力梯度為24.1 MPa/m；封堵率達(dá)99.9%（圖9）。

圖9 封堵性能

4.2 堵水劑對(duì)目的層的選擇性注入性能

為了說(shuō)明堵水劑在注入過(guò)程中是否進(jìn)入高滲透地層，采取雙管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（圖10），即建立兩個(gè)滲透率不同的填砂管，在相同的壓力條件下向并聯(lián)管中注入堵水劑，測(cè)量?jī)筛钌肮艿牧鞒鲆后w量，以此來(lái)判斷堵水劑對(duì)處理目的層的選擇性注入性能。

圖10 雙管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

根據(jù)選擇性注入性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)4.0%、6.0%和8.0%改性鋰藻土在不同滲透率級(jí)差的并聯(lián)填砂管中進(jìn)行選擇性注入性能評(píng)價(jià)。

配方1 為4.0%改性鋰藻土+0.1%多聚甲醛+0.3%酚醛樹脂PN760+1.0%增黏劑+0.4%改性CMC。配方2為6.0%改性鋰藻土+0.5%多聚甲醛+0.5%酚醛樹脂PN760+1.6%增黏劑+0.4%改性CMC。配方3 為8.0%改性鋰藻土+0.5%多聚甲醛+0.5%酚醛樹脂PN760+1.6%增黏劑+0.4%改性CMC（圖11～圖13）。

圖11 配方1 分流量實(shí)測(cè)

圖12 配方2 分流量實(shí)測(cè)

圖13 配方3 分流量實(shí)測(cè)

4.3 色譜分離實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)體系在地層中的流動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證凝膠各組分是否存在色譜分離現(xiàn)象，在地層流動(dòng)狀態(tài)下是否仍然能夠有效成膠。

向填砂管中填入石英砂，用自來(lái)水飽和填砂管，測(cè)得孔隙體積，然后緩慢向巖心注入凝膠液，觀察注入壓力的變化和填砂管出液端的出液情況。驅(qū)替過(guò)程中收集驅(qū)出的凝膠液，將出液端收集到的凝膠液分裝好，置于50 ℃恒溫水浴中觀察成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度。

配方1 體系成膠時(shí)間最大48 h，最小24 h，配方2體系成膠時(shí)間最大65 h，最小37 h，配方3 體系成膠時(shí)間最大65 h，最小37 h，各配方成膠后強(qiáng)度均可達(dá)到G 級(jí)以上，強(qiáng)度由左至右逐漸變強(qiáng)。表明實(shí)驗(yàn)體系中控制交聯(lián)時(shí)間的組分在地層中有吸附損失，造成成膠時(shí)間變長(zhǎng)（圖14）。

圖14 配方體系驅(qū)出液體成膠強(qiáng)度

4.4 ZXDJ-1 堵水劑的耐沖刷性能

在突破壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，驅(qū)替30～120 PV的注入水，實(shí)驗(yàn)堵水劑耐沖刷性能。

按照堵水劑體系的耐沖刷性能實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)體系和常規(guī)聚合物凍膠堵水劑的耐沖刷性能評(píng)價(jià)，見圖15。兩填砂管的滲透率分別為4.1 μm2和5.3 μm2。實(shí)驗(yàn)體系的耐沖刷性能優(yōu)于常規(guī)聚合物凍膠堵水劑。

4.5 ZXDJ-1 堵水劑與常規(guī)聚合物凍膠堵水劑強(qiáng)度對(duì)比

比較了實(shí)驗(yàn)體系與聚合物凍膠堵水劑的封堵強(qiáng)度，結(jié)果見圖16。實(shí)驗(yàn)體系的強(qiáng)度優(yōu)于常規(guī)聚合物凍膠堵水劑，在相同的聚合物和交聯(lián)劑使用濃度下，實(shí)驗(yàn)體系成膠后強(qiáng)度達(dá)到普通聚合物堵水劑成膠強(qiáng)度的1.6 倍，這也是研制的最終目的。

圖16 實(shí)驗(yàn)體系和常規(guī)聚合物凍膠強(qiáng)度對(duì)比

5 堵水劑用量?jī)?yōu)化

直井用量可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：V-堵水劑體積，m3；R-堵水劑推移水平半徑，m；H-堵水劑推移垂直高度，m；Ф-地層孔隙度；e-特異系數(shù)，無(wú)單位，與孔道特征相關(guān)，樁139 區(qū)塊取1.18，樁1 區(qū)塊取1.25。根據(jù)前期研究結(jié)果，從措施效果和成本角度，式中R 取10-14m。

水平井用量可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：V-堵水劑體積，m3；L-調(diào)堵段長(zhǎng)度，m；c-調(diào)堵半徑，m；H-油層厚度，m；d-頂替半徑，m；Ф-孔隙度；e-特異系數(shù)，無(wú)單位，取0.6。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

自2019 年至2023 年，累計(jì)實(shí)施以ZXDJ-1 堵水劑為主的邊底水稠油油藏調(diào)堵工藝5 口井,堵水有效率100%，期間不斷進(jìn)行堵水劑優(yōu)化改進(jìn)。措施前平均日產(chǎn)液72 t，平均日產(chǎn)油0.5 t，含水率99.3%，措施后平均日產(chǎn)液37 t，平均日產(chǎn)油4.1 t，平均含水率88.9%。累計(jì)增油3 715 t，平均單井累增油743 t。

典型井例1：樁139-平20 井,生產(chǎn)層位Ng71，砂層井段2 658.5～2 926.0 m（垂深1 627.5～1 686.4 m），射開厚度58.9 m（斜深），孔隙度32.40%，滲透率1 285.6×10-3μm2，2022 年10 月11 日實(shí)施ZXDJ-1 堵水劑施工，開井后獲得好效果，實(shí)施調(diào)堵前日產(chǎn)液、油、含水率分別為53.5 t、1.7 t、96.8%，實(shí)施調(diào)堵后變?yōu)?2.1 t、7.1 t、86.3%。含水率下降10.5%，日增油5.4 t，累增油1 153 t。

典型井例2：樁1-平66 井，生產(chǎn)Ng 下72層組，砂層井段1 946.7～2 168.0 m，射開厚度39.0 m（斜深），孔隙度35.22%，滲透率1 042.8×10-3μm2，該井于2021 年1 月14 日高含水率關(guān)井，2022 年10 月1 日實(shí)施調(diào)堵工藝，ZXDJ-1 堵水劑用量507 m3，開井后日產(chǎn)液44.6 t，日產(chǎn)油3.5 t，含水率92.1%。實(shí)施后堵水效果顯著，含水率下降7.8%，日增油3.5 t。

7 結(jié)論

（1）ZXDJ-1 堵水劑屬于無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合凝膠體系，該體系在地層發(fā)生交聯(lián)后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)材料填充三維空間結(jié)構(gòu)，黏彈性好，成膠時(shí)間1～3 d 可控，適合強(qiáng)底水油井堵水。

（2）凝膠體系質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試凝膠強(qiáng)度達(dá)到2.8 N，首創(chuàng)改性鋰藻土堵水體系。

（3）凝膠體系封堵率達(dá)90%以上，最大突破壓力梯度不低于6.5 MPa/m，封堵率高。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：ZXDJ-1 堵水劑對(duì)樁西邊底水稠油油藏適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)堵效果好，有效控制了底水錐進(jìn)，達(dá)到了降水增油的目的，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。