柳建新，章 震，陳 通，宋勇東

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100)

水平井具有穿透油層長、泄油面積大、生產(chǎn)壓差低、產(chǎn)量高、投資回收期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)［1］，目前水平井技術(shù)已在世界上絕大多數(shù)油氣產(chǎn)區(qū)得到應(yīng)用，成為油氣田開發(fā)的一項(xiàng)重要技術(shù)。當(dāng)水平井見水后，由于形成“水脊”，采出液含水會迅速上升。目前水平井一般采用篩管或裸眼完井方式，難以使用機(jī)械封隔注入堵劑，采用化學(xué)方法封堵可較好地適應(yīng)堵水要求，其中最核心的技術(shù)為“環(huán)空化學(xué)封隔器(ACP)［1－2］”。通過在割縫套管與井壁之間的環(huán)空位置放置封隔材料，形成不滲透的高強(qiáng)度段塞，達(dá)到隔離環(huán)空區(qū)域的目的，再配合管內(nèi)封隔器實(shí)現(xiàn)堵劑的定向注入。常規(guī)封隔材料(聚合物凝膠)進(jìn)入水平環(huán)空后，由于重力作用，會發(fā)生“重力坍落”—下沉，無法實(shí)現(xiàn)水平環(huán)空間的完全封隔［3］。

國外ACP技術(shù)主要應(yīng)用于割縫襯管水平井，利用管內(nèi)跨式封隔器向管內(nèi)環(huán)空注入特殊流體，使其在局部環(huán)空形成高強(qiáng)度不滲透的固體阻流環(huán)［4］。早期主要采用化學(xué)劑籠統(tǒng)注入法，20世紀(jì)90年代中期環(huán)空封隔技術(shù)的提出為割縫襯管水平井堵水技術(shù)提供了新的思路。1997年起，Dowell和Schlumberger等公司將該技術(shù)應(yīng)用于礦場，證實(shí)其工藝可行性，但從研究水平、應(yīng)用規(guī)模及施工效果看，該項(xiàng)技術(shù)研究仍處于發(fā)展階段［4－5］。20 世紀(jì) 90 年代后期開始，隨著國外相關(guān)公司及機(jī)構(gòu)對環(huán)空封隔材料的開發(fā)及完善，相繼開發(fā)出水泥基、HPAM 基封隔體系［5－10］，為篩管完井水平井控水技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)ACP技術(shù)起步較晚，現(xiàn)場應(yīng)用并不廣泛，也沒有成熟的配套技術(shù)［11］。

隨著環(huán)空化學(xué)封隔堵水技術(shù)在不同油田的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)ACP材料的種類和組成對其封堵性能有著顯著的影響。因此深入研究ACP材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，對開發(fā)具有更好封堵性能的ACP材料具有重要意義。筆者對國內(nèi)外目前研究應(yīng)用的ACP材料的化學(xué)組成、性能和應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，并分析了存在的問題和發(fā)展方向。

1 常見的ACP材料

目前公開報(bào)道的ACP材料主要有鋁鎂混層金屬氫氧化物/鈉質(zhì)黏土礦物(MMH/MT)體系、聚合物凝膠類、水泥基類等，部分文獻(xiàn)僅報(bào)道了ACP材料的性能，并未提供明確的化學(xué)組成。

1)MMH/MT體系

MMH/MT體系是一種具有高觸變特性、膠凝可控且工藝安全的非牛頓體系［12］。魏發(fā)林等［13］報(bào)道了一種ACP材料的化學(xué)組成:10～30份觸變控制劑(MMH/MT)，0.1～10份結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑(溴代烷基乙二銨、酰胺型雙子季銨鹽表面活性劑)，5～20份強(qiáng)度控制劑(聚丙烯酰胺、間苯二酚等)，0.01～1份交聯(lián)劑(N－羥甲基丙烯酰胺和叔丁基過氧化物按1∶(0.1～5)的質(zhì)量比組成)。該材料的觸變性是通過觸變控制劑和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑合成觸變控制組分來實(shí)現(xiàn)，加入強(qiáng)度控制劑可提高材料的強(qiáng)度，形成高強(qiáng)度的膠凝段塞，交聯(lián)劑濃度的變化使材料膠凝時間可控。該體系適用于不同溫度的油藏，不受礦化度限制。對于溫度為40～90℃的油藏，可直接封堵出水段或輔助后續(xù)地層堵劑的注入;對于溫度大于90℃的油藏，可作為臨時環(huán)空封隔器使用，輔助后續(xù)地層堵劑的注入。由該體系材料合成的ACP的冪律指數(shù)為0.14～0.30，最終觸變結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為 0.3～1.0 kPa，剪切后靜止5～30 s觸變結(jié)構(gòu)強(qiáng)度即可恢復(fù)。此外材料可在1～6 h內(nèi)受控膠凝，由具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的觸變體變?yōu)楦邚?qiáng)度的黏彈固體，強(qiáng)度提高100～1 000倍。

2)聚合物凝膠類

目前聚合物凝膠類ACP材料主要有丙烯酰胺與瓜膠接枝體系［14］以及丙烯酸與淀粉接枝體系［2］。淀粉或瓜膠與單體(丙烯酰胺或丙烯酸)在引發(fā)劑及交聯(lián)劑的作用下發(fā)生接枝共聚，生成ACP材料，在相應(yīng)酶的作用下材料的降解性能提高，可避免對生產(chǎn)層段產(chǎn)生污染，影響生產(chǎn)產(chǎn)能。

丙烯酰胺與瓜膠接枝共聚交聯(lián)形成強(qiáng)凝膠［14］，由于其遇水膨脹，可完全填充篩管和井壁環(huán)空。在聚合體系中加入甘露聚糖酶降解酶和一定濃度的強(qiáng)氧化劑，可使所研制的封隔材料降解成相對分子質(zhì)量較小的低聚物，在微生物作用下可完全降解;瓜膠在體系中起著提高材料本體強(qiáng)度的作用;通過改變強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的加量，可控制材料的強(qiáng)度和持壓能力。該類材料具有吸水膨脹性能好、環(huán)空充滿效果好、強(qiáng)度高、可降解等優(yōu)點(diǎn)。

丙烯酸與淀粉接枝體系［2］是將丙烯酸、淀粉、淀粉酶和引發(fā)劑等混拌溶解均勻，在一定溫度和過量氧化劑的條件下發(fā)生暴聚，形成強(qiáng)凝膠產(chǎn)物。研究結(jié)果表明，該類環(huán)空封隔材料聚合時間為24～48 h，聚合后突破壓力梯度可達(dá) 38 MPa/m，降解時間為24～96 h，具有高彈性、可降解等優(yōu)點(diǎn)。

3)水泥基類

國外水泥基材料作為ACP材料的開發(fā)及應(yīng)用公司較多，如Chevron，Halliburton，Shell，Schlumberger等公司相繼開發(fā)出 Maraceal，Permseal，Texplug 等水泥基材料［4］。Chow 等［6］介紹了一種高觸變水泥，它以水泥為主要成分，材料的觸變性主要來源于體系中加入的高精煉的蒙脫石。連續(xù)油管物模的流動實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，油管下游的材料密度為1.65～1.70 g/cm3，小于預(yù)設(shè)的密度1.72 g/cm3。上游材料的觸變性明顯優(yōu)于下游材料，但給予一定的壓力釋放時間和額外剪切作用，會顯著提升材料的觸變性。該類材料一般具有高觸變、封隔效果好等優(yōu)點(diǎn)。

4)其他類

顏明等［11］介紹了一種應(yīng)用于海上油田的高觸變環(huán)空化學(xué)封隔器材料HTHC(型號為ACPH/45－80)，并與鋁鎂混層金屬氫氧化物(MMH)、三乙醇胺鈦/改性纖維素(Ti/HEC)體系的性能進(jìn)行了對比。發(fā)現(xiàn)HTHC的結(jié)構(gòu)恢復(fù)更快，且具有良好的靜止增黏特性(10 s內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到200 Pa，為最終強(qiáng)度的66.7%，且恢復(fù)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高)。此外，HTHC的固化可通過固化樹脂實(shí)現(xiàn)，固化樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響固化時間。

周趙川等［3］介紹了一種新型封堵材料CESP。與常規(guī)封堵材料相比，CESP具備剪切變稀、剪切靜止后結(jié)構(gòu)迅速恢復(fù)的高觸變特性，2～8 h內(nèi)膠凝可控，具有較好的熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)度。針對渤海油田水平井油層根部氣竄問題，采用CESP化學(xué)定點(diǎn)封堵技術(shù)，結(jié)合Y441機(jī)械封隔器在篩管內(nèi)部的機(jī)械卡封，可達(dá)到封堵目的層段、保留生產(chǎn)層段的目的。

楊振杰等［15］研制了新型 ACP材料XANSP，其主要組分為:結(jié)構(gòu)形成劑(構(gòu)成ACP的高觸變性和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保持ACP在水平環(huán)空段的形狀)、固化交聯(lián)劑(構(gòu)成ACP的界面膠結(jié)強(qiáng)度和本體強(qiáng)度)、微膨脹劑(使ACP能夠在固化過程中微膨脹，保證填充的密實(shí)性)、施工性能調(diào)節(jié)劑(控制ACP的初凝和終凝時間，保證施工安全)。將XAN－SP按灰水質(zhì)量比為1.47的比例配成漿體，攪拌 30 min后測得密度為 1.30 g/cm3，100 mL漿體靜止2 h后的自由水為0。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，XAN－SP具有觸變性強(qiáng)、填充形狀穩(wěn)定性好、封隔強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，ACP材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高觸變、可降解等性能。MMH，HTHC，CESP，XAN －SP和水泥基類材料的觸變性能較好，但本身強(qiáng)度不夠，很難滿足封堵的壓力要求，通常需要在體系中加入提高強(qiáng)度的材料;聚合物凝膠類材料的強(qiáng)度較大，但觸變性較差，不能夠完全充滿環(huán)空;此外為了在施工結(jié)束后解除封堵，ACP材料中還需添加一定量的破膠劑，以實(shí)現(xiàn)封堵材料的降解。

2 性能評價方法

ACP材料的主要性能要求如下:1)能有效充填在篩管與地層的環(huán)空中，形成具有一定強(qiáng)度的封隔段塞;2)可以避免由于重力作用發(fā)生“坍塌”而不能形成完全的封堵;3)施工后期可以完全降解，不污染地層環(huán)境。必須利用合理的方法來表征ACP材料的強(qiáng)度、觸變性和可降解性能。

2.1 強(qiáng)度

ACP的強(qiáng)度性能主要體現(xiàn)在材料本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及注入環(huán)空成膠后的封隔強(qiáng)度，分別采用不同的方法進(jìn)行評價。

2.1.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

ACP材料本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可通過持壓性能測試來表征。楊振杰等［15］介紹了一種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評價方法，首先將配制好的材料在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)一段時間，模擬材料從地面泵入井下環(huán)空中的實(shí)際工況，攪拌20 min后放入裝有割縫寬度為0.36 mm的模擬實(shí)驗(yàn)塊的XAN－RC封堵模擬實(shí)驗(yàn)流程中，對試樣施加水力壓力，測定樣品被擠出儀器的壓力，即為試樣材料的持壓強(qiáng)度。

2.1.2 封隔強(qiáng)度

ACP材料注入環(huán)空成膠后的封隔強(qiáng)度可用抗剪切強(qiáng)度和突破壓力梯度(抗竄強(qiáng)度)來評價。程靜等［14］介紹了一種抗剪切強(qiáng)度的測試方法，將成膠后的封隔材料切碎，使用水膨脹體強(qiáng)度檢測儀進(jìn)行測試，通過剪切板的最大壓力讀數(shù)為其抗剪切強(qiáng)度的力值，讀數(shù)除以剪切板面積即為抗剪切強(qiáng)度。

突破壓力梯度的測試方法如下:注入1.0 PV封隔材料體系到填砂巖心管中，在60℃水浴中靜置一定時間后反向測試突破壓力［2，15］。

2.2 觸變性

ACP材料的觸變特性即高剪切下可以流動、剪切降低后又能立即形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可利用掃描電鏡進(jìn)行觸變特性的微觀研究［12］。對于ACP等分散體系的觸變特性評價，目前并無特定方法，常用方法有流動性實(shí)驗(yàn)法、滯后環(huán)法、恒剪切速率條件下的應(yīng)力松弛法以及動態(tài)實(shí)驗(yàn)法等。其中動態(tài)實(shí)驗(yàn)法較好地保證了受破壞后體系觸變結(jié)構(gòu)的靜態(tài)恢復(fù)環(huán)境，具有很好的客觀性。

2.2.1 流動性實(shí)驗(yàn)法［15］

將一定規(guī)格的圓筒放在水平玻璃上，將配制好的樣品材料攪拌20 min后倒入圓筒，使液面與圓筒上邊緣相平，然后用手勻速將圓筒提起，樣品自然在水平玻璃面上變形散開成圓形，之后測量直徑大小，即為樣品的流動性，這種方法很好地體現(xiàn)了樣品材料在停止剪切后保持形狀的能力。

2.2.2 滯后環(huán)法［16］

采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)或高溫高壓流變儀，從最低速檔開始，逐步提高轉(zhuǎn)速，達(dá)到最大值后立即逐步降低轉(zhuǎn)速至最小值，同時記錄各轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力值，以切變速率或轉(zhuǎn)速對應(yīng)力作圖。通常切變速率或轉(zhuǎn)速增大和減小時2條曲線不重合，出現(xiàn)月牙形滯后環(huán)，其面積可表示材料觸變性的相對大小;若2條曲線重合，則材料無觸變特性。

2.2.3 應(yīng)力松弛法［17］

恒剪切速率條件下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)［17］是采用循環(huán)加載的方式進(jìn)行，先對樣品材料的法向方向加載至預(yù)定值，保持法向力不變，進(jìn)行剪切力加載，加載至預(yù)定值后，保持剪切方向變形不變，進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，待應(yīng)力松弛至穩(wěn)定值，進(jìn)行第二級加載，同樣加載至預(yù)定值，并保持對應(yīng)的變形不變，進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，依此類推。

2.2.4 動態(tài)實(shí)驗(yàn)法［12］

依據(jù)觸變結(jié)構(gòu)的時間掃描恢復(fù)曲線，對觸變結(jié)構(gòu)的恢復(fù)情況做定量表征。先用旋轉(zhuǎn)流變儀測定ACP材料的黏度－剪切速率關(guān)系，研究材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞情況;靜止后利用動態(tài)法測定彈性模量－恢復(fù)時間關(guān)系，研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞后的恢復(fù)情況。根據(jù)儲能模量與恢復(fù)時間的關(guān)系方程和冪律流體方程，擬合得出不同條件下材料的冪律指數(shù)及結(jié)構(gòu)恢復(fù)速率。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

ACP技術(shù)在國內(nèi)主要應(yīng)用于受底水脊進(jìn)、注水錐進(jìn)、蒸汽氣竄等因素影響的油藏［18］，目前已在渤海油田、陸梁油田等地區(qū)開展了ACP的現(xiàn)場應(yīng)用［3，11，14，15，19］。

渤海油田某井［3］采用篩管完井方式，存在出水和氣竄的問題，提產(chǎn)后產(chǎn)氣量持續(xù)上升。該油藏存在的氣頂對油藏保壓及氣驅(qū)作用明顯，應(yīng)及時封堵氣頂氣的產(chǎn)出通道，防止過多的油被滯留地層。因此利用CESP材料對產(chǎn)氣層位進(jìn)行定向封堵，預(yù)先注入隔離液，并在管內(nèi)機(jī)械封隔器的輔助下定向注入目的層位。該井在實(shí)施堵水措施后日產(chǎn)油達(dá)到74 m3，含水率降至1%，日產(chǎn)氣由封堵前的8.0×104m3降至1.2×104m3左右，下降了85%，堵氣增油效果十分明顯。

大港淺10－5H井［14］在鉆井過程中由于水平段軌跡控制差，造成部分水平段進(jìn)入水層，投產(chǎn)后底水很快突破，因含水率達(dá)到100%而關(guān)井，因此利用聚合物凝膠材料阻斷地層水進(jìn)入盲管段前端的通道。施工過程中首先注入ACP材料保護(hù)液，當(dāng)進(jìn)出口液性一致時注入堵劑打塞，施工后期注入降解液以降解封隔材料。該井實(shí)施堵水作業(yè)后初期日產(chǎn)液 5.6 m3，日產(chǎn)油 4.8 t，含水 14.3%，1年中累計(jì)增產(chǎn)原油1 000 t，證明高強(qiáng)度、可降解的聚合凝膠材料對水平段具有良好的環(huán)空封隔能力和保護(hù)作用。

針對水平井出水段定向封堵的技術(shù)難題和環(huán)空充滿阻止流體流動的問題，國外的研究者開展了相應(yīng)的材料及施工工藝設(shè)計(jì)。Nigeria油田某井在高滲透地層段采用未膠結(jié)的割縫襯管完井，出現(xiàn)大量水侵后利用HPAM基ACP材料進(jìn)行封堵，3天施工時間中關(guān)井2天用于聚合物成膠，施工后含水率下降約70%，產(chǎn)油量相應(yīng)增長25%［5］。從施工記錄中發(fā)現(xiàn)，附近有頁巖存在時封隔材料的堵水效果優(yōu)于無頁巖存在時的效果。分析認(rèn)為易受到破壞的頁巖對注入的ACP封隔材料有支撐作用，破碎的頁巖充當(dāng)了觸變材料的作用，增強(qiáng)了材料的觸變性，從而避免材料發(fā)生“重力坍落”。

從目前國內(nèi)外的現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，首先應(yīng)明確問題的成因，然后結(jié)合油藏溫度、封堵強(qiáng)度、封堵時間等要求，確定ACP材料的配方組成，合理選擇ACP材料，最后根據(jù)應(yīng)用效果進(jìn)行合理分析和材料化學(xué)組成的優(yōu)化。

4 結(jié)語

1)目前常用的ACP材料有MMH/MT體系、水泥基類材料及聚合物凝膠類材料等，其主要性能要求是高強(qiáng)度、高觸變性、可降解，但是目前所應(yīng)用的材料很難同時滿足這3種性能要求。

2)在ACP性能評價方面，持壓強(qiáng)度測試和突破壓力梯度測試等強(qiáng)度評價方法都是結(jié)合室內(nèi)物模開展的;流動性實(shí)驗(yàn)法、滯后環(huán)法、恒剪切速率條件下的應(yīng)力松弛法以及動態(tài)實(shí)驗(yàn)法等觸變性評價方法也是在室內(nèi)儀器結(jié)合理論的基礎(chǔ)上開展的，尚無統(tǒng)一、公認(rèn)的評價標(biāo)準(zhǔn)和方法。

3)ACP在一些油田的初期應(yīng)用效果較好，但是面對復(fù)雜的施工環(huán)境時，不可避免地會發(fā)現(xiàn)材料性能的不足，因此針對不同的油藏特點(diǎn)和施工要求對ACP材料的化學(xué)組成進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。

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