隔层胶结差窜槽岩心模型建立及封堵规律研究

吴晨宇，王 力，陈文将，时 光，王 飞，刘松梅

(1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453；
2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室，黑龙江大庆 163453)

油田开发过程中，对纵向上存在多层非均质性储层进行多层合采时，系统间的渗流阻力存在差异[1]，导致不同渗透率级别的储层之间发生窜流现象[2]，造成油气产量降低[3-6]。大庆油田三元井网与水驱井网交叉，部分井窜槽，造成三元液浪费，影响三元驱的开发效果及综合效果评价。对窜槽位置、窜槽距离及窜槽程度认识不全面，利用油田常用的封堵封窜方法进行三元驱后窜槽封窜效果不理想，且存在堵剂污染储层的问题[7]。利用一种初始黏度小于10 mPa·s，抗压强度大于20 N的高强度堵剂[8]进行封窜实验。从窜槽位置、段塞组合方式出发，以窜槽模型突破压力、堵剂分布规律及岩心封堵率等为评价手段[9-14]，研究堵剂在隔层胶结差窜槽岩心中的封窜规律。

1.1 主要材料与仪器

试剂。主剂：经过辐照后的丙烯酰胺与膨润土的接枝共聚高分子衍生物混合物，工业纯；
固化剂：过硫酸铵，分析纯；
增强剂：N-N甲叉基双丙烯酰胺，分析纯;聚丙烯酰胺，分子质量为25×106，工业纯；
金属离子交联剂：工业纯；
功能助剂：YL-1，有机化合物，分析纯；
人造岩心。

实验用水。模拟地层水，总矿化度为8 217.5 mg/L，其中Cl-，K++Na+，HCO3-，Ca2+，Mg2+，CO32-和SO42-的浓度分别为2 101.6，2 732.6，2 997.0，11.6，7.9，321.0和45.8 mg/L；
实验温度为地层温度(45 ℃)。

分析仪器。电子天平(PL4002-IC，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司)、数显搅拌器、Edx能量色散X射线荧光光谱仪(西安丰登光电科技有限公司)，设备参数为最佳分辨率130±5 eV，测量时间60～300 s可调，额定功率800 W。

1.2 方法

封堵剂体系的配制。按设计浓度称取一定量的配制水和主剂，将主剂缓慢加入配制水中，利用数显搅拌器搅拌至完全溶解；
之后依次按设计浓度及用量加入交联剂、增强剂，继续搅拌，直至充分溶解。

凝胶体系的配制。按设计浓度称取一定量的配制水和聚丙烯酰胺干粉，在搅拌条件下，将聚丙烯酰胺缓慢加入配制水中，搅拌均匀，熟化24 h后待用；
将交联剂、功能助剂等按设计浓度用量加入到熟化好的主剂溶液中，搅拌均匀后放入恒温箱中成胶即可。

1.3 隔层胶结差窜槽岩心物模实验装置

利用室内隔层胶结差窜槽模型与岩心组合，模拟井壁附近地层之间隔层存在缺陷形成的层间窜流类型，通过压力仓进行封堵评价实验。实验装置如图1所示。

图1 隔层胶结差窜槽模型封堵实验装置

1.3.1 隔层胶结差窜槽岩心模型

隔层胶结差窜槽岩心模型由上下两层渗透率不同的人造岩心(上层岩心：300 m×45 mm×22 mm，气测渗透率8 000×10-3～12 000×10-3μm2；
下层岩心：长300 mm×45 mm×22 mm，气测渗透率10 000×10-3～20 000×10-3μm2)、中间致密隔层(渗透率接近于0)以及两侧带孔挡板组成，外围用环氧树脂浇筑进行密封，通过压力仓装置在环氧树脂表面施加围压增加其承压能力。堵剂通过注入端挡板注入模型，堵剂体系通过中间隔层从上层岩心流入下层岩心，最终从出液端挡板流出，对隔层胶结差窜槽模型进行封堵。具体隔层胶结差窜槽岩心模型结构如图2所示。

图2 隔层胶结差窜槽岩心模型

1.3.2 隔层胶结差窜槽岩心模型隔层结构

为研究不同位置的隔层胶结差窜槽对堵剂体系封堵效果的影响，在双层岩心的交界面设置渗透率为0的隔层，并在不同位置钻出缺口，模拟不同位置的隔层胶结差窜槽，隔层的具体结构如图3所示。

图3 隔层结构

1.4 实验流程

1.4.1 实验准备

将隔层胶结差窜槽模型饱和水后放入环氧树脂岩心驱替实验压力仓内，将模型下层岩心与压力仓注入端管线相连，将上层岩心与压力仓出液端管线相连。向压力仓内注水并确保窜槽模型位于水面以下，关闭压力仓密封盖继续注水至产生10 MPa的围压。

1.4.2 隔层胶结差窜槽封堵实验

以0.1 mL/min的注入速度向隔层窜槽模型中注入模拟地层水，直至环氧树脂岩心驱替实验压力仓出口处有水滴连续滴出，关闭模型出口。以0.5 mL/min速度向隔层胶结差窜槽模型中注入堵剂 1.0 PV，记录注入过程中的压力和流量，注入完毕后关闭模型两端阀门，停泵。将封堵后的隔层窜槽模型放入45 ℃恒温箱恒温放置24 h，等待堵剂固化。以0.5 mL/min速度向封堵后的隔层胶结差窜槽模型中注入模拟地层水，记录压力变化。

1.4.3 封堵后窜槽模型切片图谱分析

将封堵后窜槽模型置于45 ℃恒温箱中静置24 h使堵剂完全成胶后，将封堵后窜槽模型进行切割取样。将封堵后窜槽模型利用岩心切割机在预设位置切下厚度约1 mm的岩心薄片，进行冷冻制样，并通过图谱分析样品中的元素组成[15]。

1.5 实验方案

将3种不同段塞组合的堵剂分别注入不同窜槽位置的岩心模型中，观察堵剂在窜槽岩心模型中的分布规律，并探究段塞组合对封堵压力及封堵率的影响，具体实施方案有9个：①注入段塞1.0 PV堵剂，窜槽位置位于入口端75 mm处(近距离窜槽)；
②注入段塞0.6 PV凝胶+0.4 PV堵剂，窜槽位置位于入口端150 mm处(中距离窜槽);③注入段塞0.4 PV凝胶+0.6 PV堵剂，窜槽位置位于入口端225 mm处(远距离窜槽);④注入段塞1.0 PV堵剂，窜槽位置位于入口端150 mm处(中距离窜槽);⑤注入段塞1.0 PV堵剂，窜槽位置位于入口端225 mm处(远距离窜槽);⑥注入段塞0.6 PV凝胶+0.4 PV堵剂，窜槽位置位于入口端75 mm处(近距离窜槽);⑦注入段塞0.6 PV凝胶+0.4 PV堵剂，窜槽位置位于入口端225 mm处(远距离窜槽);⑧注入段塞0.4 PV凝胶+0.6 PV堵剂，窜槽位置位于入口端150 mm处(中距离窜槽);⑨注入段塞0.4 PV凝胶+0.6 PV堵剂，窜槽位置位于入口端75 mm处(近距离窜槽)。

2.1 封堵剂在隔层胶结差窜槽模型中的分布

堵剂体系从低渗层经隔层胶结差窜槽进入高渗层(图4)，在经过窜槽之前，低渗层内窜槽附近的堵剂含量明显高于高渗层(低渗层中C、O元素含量明显高于高渗层中的含量)，低渗层内堵剂能够在岩心内部形成致密的面积覆盖，可有效封堵储层。经过窜槽之后，高渗层内窜槽附近的堵剂含量高于低渗层(高渗层中C、O元素含量明显高于低渗层中的含量)，堵剂能在高渗层内形成大面积封堵而在低渗层内无法有效封堵。按照堵剂在模型内的渗流方向，在渗流路径上的岩心堵剂含量较高，封堵情况较好，而不在渗流路径上的岩心不能被堵剂大范围波及，只能有少量堵剂进入其中，没能形成有效封堵(表1)。

图4 堵剂体系在窜槽岩心中的运移

表1 封堵后隔层胶结差窜槽模型中元素含量

2.2 不同封堵剂段塞组合对封堵效果的影响

由变量参数1(隔层胶结差窜槽位置)和变量参数2(封窜剂组合)的不同组合，可进行9组隔层胶结差窜槽岩心实验。

表2 隔层胶结差窜槽封堵实验基本参数

2.2.1 段塞组合对封堵压力的影响

封窜剂完全固化后，注入模拟地层水，记录压力变化。通过分析封窜剂组合与封堵压力关系可知，注入的段塞为1.0 PV堵剂时，封堵近距离窜槽突破压力为11.8 MPa，封堵中距离窜槽时，突破压力为8.5 MPa，封堵远距离窜槽时突破压力为4.2 MPa；
说明当仅向窜槽内单独注入堵剂时，只有距离入口端的近距离窜槽形成了有效封堵(图5a)。注入的段塞为0.4 PV堵剂+0.6 PV凝胶时，封堵近距离窜槽突破压力为10.1 MPa，封堵中距离窜槽时，突破压力分别为9.5 MPa，封堵远距离窜槽时，突破压9.8 MPa。当采用0.4 PV堵剂+0.6 PV凝胶的注入方式封堵窜槽时，各个位置窜槽封堵后的突破压力差别不大，说明在各个位置的窜槽均能形成一定强度的封堵(图5b)。注入的段塞为0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶时，封堵近距离窜槽突破压力为11.5 MPa，封堵中距离窜槽时，突破压力为11.1 MPa，封堵远距离窜槽时，突破压力为10.9 MPa，封窜剂在近中远三个位置的窜槽形成的封堵强度依次降低，但降低的幅度较小，在三个窜槽位置均形成了较强的封堵，相较于前两种封窜剂组合，该种封窜剂组合即能满足强度需求，又能保证封窜剂的波及距离(图5c)。

分析不同窜槽位置与封堵压力关系可知，注入1.0 PV堵剂封堵近端窜槽，突破压力为11.8 MPa；
注入0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶封堵近端窜槽，突破压力为11.5 MPa；
注入0.4 PV堵剂+0.6 PV凝胶封堵近端窜槽，突破压力为10.1MPa，说明如果封堵近端窜槽，采用只注入堵剂的封窜剂效果最好(图5d)。注入1.0 PV堵剂封堵中距离窜槽，突破压力为8.5 MPa；
注入0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶封堵中距离窜槽，突破压力为11.1 MPa；
注入0.4 PV堵剂+0.6 PV凝胶封堵中距离窜槽，突破压力为9.5 MPa；
说明如果封堵中距离窜槽，采用注入0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶的封堵效果最好(图5e)。注入1.0 PV堵剂封堵远距离窜槽，突破压力为4.2 MPa；
注入0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶封堵远距离窜槽，突破压力为10.9 MPa；
注入0.4 PV堵剂+0.6 PV凝胶封堵远距离窜槽，突破压力为9.8 MPa；
说明如果封堵远距离窜槽，采用注入0.6 PV堵剂+0.4 PV窜槽的封堵效果最好(图5f)。

a.1.0 PV堵剂封堵压力变化曲线

2.2.2 段塞组合对封堵率的影响

将不同段塞下不同位置的隔层胶结差窜槽岩心封堵实验的渗透率、封堵率进行整理，结果见表3。

表3 隔层窜槽封堵率情况

从表中封堵率数据可知，对于近距离窜槽，单独注入1.0 PV堵剂封堵率高达96.7%，封堵率最高，封堵效果最好；
对于中、远距离窜槽，采用0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶配方封堵率达到了94.6%和94.4%，封堵率最高，封窜剂封堵效果最好。

(1)模拟结果显示，在渗流路径上的岩心堵剂含量较高，封堵情况较好，而不在渗流路径上的岩心不能被堵剂大范围波及，只能有少量堵剂进入其中，也没能形成有效封堵。

(2)封堵近端窜槽，采用只注入堵剂的封窜剂效果最好，单独注入1.0 PV堵剂封堵率高达96.7%；
封堵中距离窜槽及远距离窜槽，采用注入0.6 PV堵剂+0.4 PV凝胶的封堵效果最好，封堵率分别为94.6%和94.4%。

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