江紹靜，王維波，黃春霞，楊 紅，余華貴

(陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

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改性淀粉凝膠體系控制二氧化碳竄逸技術(shù)研究

江紹靜，王維波，黃春霞，楊 紅，余華貴

(陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

針對CO2驅(qū)油過程中發(fā)生的竄逸問題，進行改性淀粉凝膠體系控制氣竄技術(shù)研究。通過非正交實驗，對改性淀粉凝膠體系進行了優(yōu)化，并考察了在一定注入條件下，該體系在閉合裂縫和填砂裂縫中的注入性以及在滲透率級差組合巖心中的選擇封堵性能。研究表明：改性淀粉凝膠進入閉合裂縫和填砂裂縫巖心的平均深度為巖心長度的52%和55%，一次氣驅(qū)基礎(chǔ)上平均提高采出程度為12.3和14.5個百分點。在滲透率級差為100和大于1000的并聯(lián)巖心中注入堵劑后，綜合采出程度分別提高了21.5和19.0個百分點。氣竄被控制后，可有效啟動裂縫以外或巖心低滲部分基質(zhì)中的剩余油。改性淀粉凝膠體系成交時間可控，注入性能良好，封堵強度合適，具備礦場實施的可行性。

改性淀粉凝膠；低滲透儲層；裂縫；非均質(zhì)性；CO2驅(qū)；氣竄；封竄劑

0 引 言

CO2驅(qū)是提高低滲透油藏采收率的重要方法，但是CO2竄逸是礦場應(yīng)用中最嚴重的問題之一。儲層滲透率、平面非均質(zhì)性、裂縫發(fā)育情況對CO2氣竄均有影響，其中裂縫的影響尤為明顯[1]。氣竄后氣體會延裂縫方向突進，氣體波及體積大幅度下降，尤其是當(dāng)裂縫方向平行于注采方向時，驅(qū)油效果會受到嚴重影響。如何控制和延緩裂縫中CO2竄逸是CO2驅(qū)油研究的重要內(nèi)容。氣竄之前可以通過改變注入方式[2-3]延緩氣竄，例如水氣交替(WAG)、周期注氣、脈沖注氣；氣竄之后可以用物理化學(xué)生成物封堵氣竄，例如泡沫[4-6]、凝膠[7]、凝膠—泡沫[8]、凍膠—泡沫[9]、沉析鹽等。研究表明，凝膠可有效封堵裂縫、高滲透層、大孔道等。但是凝膠類封堵劑若成膠前黏度較大，則在低滲、特低滲油藏中注入困難。改性淀粉凝膠體系成膠時間可以控制，已被用作水驅(qū)后油藏的調(diào)驅(qū)堵劑用來解決氣竄問題。

1 體系篩選及評價實驗

1.1 實驗設(shè)備及材料

巖心驅(qū)替裝置：高壓恒速恒壓泵，恒溫裝置，巖心夾持器(45mm×45mm×300mm)，長方體人造巖心(45mm×45mm×300mm)，手搖泵，氣液分離裝置，氣體計量裝置，液體收集裝置，壓力傳感器及配套計算機設(shè)備。

材料：改性淀粉、丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑、成膠控制劑等；水樣、油樣(取自靖邊喬家洼區(qū)塊)，地層水總礦化度為7.13×104mg/L，地面原油黏度為4.87mPa·s；CO2(純度大于99.95%)。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性淀粉凝膠體系配方優(yōu)選

在模擬油藏溫度(45 ℃)、礦化度條件下，利用非正交實驗方法，考察改性淀粉、丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑、成膠控制劑4種組分不同濃度對封竄劑膠凝時間和膠凝強度的影響，共進行50組實驗。在地層水中加入各組分，完全溶解，混合均勻后置于密封容器，放入恒溫箱候凝，觀察記錄成膠時間、成膠強度和析水量。其中改性淀粉濃度為1.00%～5.00%；丙烯酰胺單體濃度為1.00%～5.00%；交聯(lián)劑濃度為0.05%～0.20%；成膠控制劑濃度為0.01%～0.75%。

1.2.2 封堵強度測試

將巖心抽真空，飽和水，水測滲透率；巖心壓裂造縫，填砂控制縫寬；在圍壓大于注入壓力的條件下，以1mL/min的流量注入2倍孔隙體積堵劑，模擬地層溫度，恒溫20h候凝；以1mL/min的流量注CO2，直至巖心夾持器出口端開始產(chǎn)氣且CO2連續(xù)產(chǎn)出，此時入口端壓力為凝膠的突破壓力(氣驅(qū)突破壓力來表征封堵強度)。

1.2.3 注入性能評價

將巖心抽真空，飽和水，水測滲透率，飽和油；巖心壓裂造縫，填砂控制縫寬；保持壓差進行CO2驅(qū)，氣驅(qū)至氣竄或出口端不出油時，停止氣驅(qū)；注入一定量的改性淀粉體系，候凝20h后開始后續(xù)CO2驅(qū)，考察封堵效果。

1.2.4 封堵選擇性能評價

實驗過程同注入性能評價實驗步驟。實驗流程中再并聯(lián)一套巖心夾持器，形成具有一定滲透率級差的低滲、高滲并聯(lián)巖心，模擬非均質(zhì)油藏。相同注氣壓差下，CO2在非均質(zhì)巖心中氣竄之后，再注入堵劑，候凝20h以后，繼續(xù)進行CO2驅(qū)，考察采出程度提高值。出口壓力為7MPa，入口壓力為10MPa。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 配方優(yōu)選結(jié)果

改性淀粉和丙烯酰胺單體作為主劑，其配比影響堵劑性能和成膠時間。交聯(lián)劑的比例影響成膠強度，成膠控制劑用于調(diào)節(jié)成膠時間。根據(jù)成膠時間、成膠強度和析水量進行篩選，確定凝膠體系配方為：4.00%淀粉+4.00%丙烯酰胺單體+0.05%交聯(lián)劑+0.18%成膠控制劑。該凝膠體系外觀呈淺黃色，析水量小于10mL，初始黏度約為60mPa·s，最終成膠時間需要8～20h，成膠后垂直倒置，凝膠表面不發(fā)生形變，GSC目視法測定為I級剛性凍膠。

使用流變儀測量溶液成膠前黏彈曲線，剪切角速率為10～40rad/s，流體主要表現(xiàn)為黏性流體，45 ℃下將該配方體系分別置于大氣環(huán)境和高壓CO2環(huán)境下，測試成膠后的黏彈性，黏彈性曲線如圖1所示。改性淀粉凝膠體系成膠后的強度很高，且置于高壓CO2環(huán)境下體系的性能保持穩(wěn)定，表明淀粉凝膠體系的性質(zhì)不受高壓氣體的影響。

圖1 體系成膠后的黏彈性

2.2 凝膠封堵強度

在巖心出口端不加回壓的條件下，氣驅(qū)測試凝膠封堵后的突破壓力。氣驅(qū)開始，入口端壓力瞬間上升至4MPa以上，表明淀粉凝膠充滿了整個裂縫且具有一定強度；氣體最終突破壓力約為7MPa，被突破后壓力迅速下降，穩(wěn)定在2MPa左右。表明改性淀粉凝膠在低滲裂縫巖心中具有良好的封堵性，后續(xù)注入氣體不能輕易突破，在一定壓力范圍內(nèi)能夠阻止氣體從裂縫竄逸。

2.3 封竄劑體系的注入性評價

實驗選取了5組低滲巖心：L0101、L0102、L0201為閉合裂縫，L0103、L0301為填砂裂縫，較好地代表了目標(biāo)區(qū)塊油藏特征。實驗中將巖心沿流體流動方向壓開，形成裂縫通道，截面為4.5cm×30.0cm，縫寬為0.01～5.00mm。由于縫寬大小取決于圍壓，壓力越大，裂縫越小，因此，在造縫結(jié)束以后，填入一定粒徑的砂粒，可以控制縫寬。表1為巖心驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果。

表1 巖心驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

由表1可知，影響注入壓力的主要因素是基質(zhì)滲透率、注入速度和裂縫。L0101、L0102同為閉合裂縫發(fā)育情況，在相同回壓下，注入速度越大，注入壓力越大；L0102、L0103分別為閉合和填砂裂縫，填砂裂縫尺寸大于閉合裂縫，在相同注入速度下，裂縫越大，注入壓力越低；L0103、L0301同為填砂裂縫，基質(zhì)滲透率越大，注入壓力越小。在基質(zhì)滲透率不變的情況下，影響注入壓力的主要因素是裂縫大小。

由表1可知，進入3組閉合裂縫巖心的深度分別為巖心長度的17%、63%、76%，平均深度為巖心長度的52%。進入2組填砂裂縫巖心的深度分別為巖心長度的50%、60%，平均深度為巖心長度的55%，填砂裂縫具有一定縫寬，有利于凝膠向裂縫深部運移。實驗觀察到，注入巖心裂縫中的淀粉將分開的巖心黏在一起，從巖心剖面可以看出，淀粉凝膠充滿裂縫的截面部分，裂縫巖心中改性淀粉凝膠體系注入性能良好。

從表1中的封堵前采出程度數(shù)據(jù)可知，L0103、L0201、L0301巖心飽和油造縫后，氣體直接從裂縫竄逸，基質(zhì)中的原油基本上沒有被涉及到。封堵前5組巖心發(fā)生氣竄時氣體流速不小于290mL/min，封堵后氣體流速降低約90%，氣竄得到有效控制，閉合裂縫巖心提高采出程度為8.8～15.0個百分點，平均為12.3個百分點。填砂裂縫巖心提高采出程度為12.0～16.9個百分點，平均為14.5個百分點。這是由于凝膠在填砂裂縫中運移的距離較閉合裂縫更深，實際上起到了深部封堵的作用，有利于擴大波及體積。

以巖心L0301封堵實驗為例，實驗曲線如圖2所示。巖心經(jīng)壓裂、造縫、封堵后實施氣驅(qū)，入口壓力基本恒定，出口壓力一開始小幅度上升，隨后趨于恒定。待驅(qū)替穩(wěn)定后，進出口壓差長時間穩(wěn)定在2.7MPa，堵劑成功注入。裂縫的存在使得氣竄通道的形成成為必然。注入堵劑前打開巖心進出口，立刻發(fā)生氣竄，氣體流速超過500mL/min，注入凝膠后，后續(xù)CO2驅(qū)氣體流量穩(wěn)定在260mL/min，且提高采收率16.9個百分點。實驗表明在裂縫封堵的同時，擴大了波及體積，基質(zhì)中的剩余油得到動用，提高了采出程度。

圖2 巖心L0301封堵實驗曲線

2.4 封竄劑體系的選擇性封堵性能評價

表2為巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，表3為巖心驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果。前2組巖心中無裂縫，后2組巖心中用填砂裂縫模擬高滲透層。模擬不同滲透率級差條件下，封竄劑體系的選擇性封堵性能評價。

表2 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表3 巖心驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

由表3可知，在滲透率級差為100的實驗1中，初次氣驅(qū)結(jié)束時(即高滲層發(fā)生氣竄時)高滲層的采出程度為45.0%，低滲層的采出程度僅為8.0%，這是由于低滲層滲流阻力大，在高滲層發(fā)生氣竄時低滲層的油氣前緣帶還未到達出口端，巖心中還存在著大量的剩余油。注入30mL堵劑后繼續(xù)氣驅(qū)發(fā)現(xiàn)低滲層采出程度提高33個百分點，同時高滲透層采出程度也提高10個百分點，綜合采出程度提高了21.5個百分點。低滲層采出程度的提高發(fā)生在高滲層被封堵之后。注入堵劑后，低滲層仍有流體采出，說明大部分堵劑優(yōu)先選擇性進入了滲流阻力較小的高滲層。高滲層被封堵后，迫使氣體繞流進入低滲層，低滲層被啟動，高、低滲層之間氣驅(qū)前緣較為同步地前進，波及體積擴大，高、低滲層之間最終采出程度縮小。實驗2中，2塊巖心基質(zhì)滲透率完全相同，但是F0106中存在裂縫，滲透率級差大于1 000。在CO2驅(qū)過程中，大部分氣體從裂縫中竄逸，由于實驗設(shè)備的限制，入口壓力很難保持恒定，故在裂縫封堵之前低滲層沒有被啟動，而高滲層中幾乎只有很少量裂縫中的原油被驅(qū)替出。在裂縫封堵以后進行CO2驅(qū)，低滲層被啟動，最終采出程度約為19%，高滲層裂縫以外基質(zhì)中的流體也被采出，最終采出程度為20%，綜合采出程度提高19.0個百分點。綜上所述，堵劑可以優(yōu)先進入高滲層和裂縫，控制氣體竄逸，很好地啟動低滲層基質(zhì)中的剩余油。

3 現(xiàn)場應(yīng)用可行性

改性凝膠淀粉體系已成功應(yīng)用于水驅(qū)油藏調(diào)剖堵水，該研究將改性凝膠淀粉體系用于封堵低滲裂縫性油藏CO2驅(qū)油時CO2的竄逸。用于封堵裂縫的凝膠強度應(yīng)當(dāng)較高，否則易分散運移，提前失效；成膠時間不易過快，否則影響泵注、管柱中的運移以及凝膠在地層深部最終運移的距離。室內(nèi)研究表明改性淀粉凝膠體系成膠時間可以控制，注入性能良好，封堵強度合適，解決了傳統(tǒng)凝膠在低滲透油田注入困難的問題，并且擴大氣驅(qū)波及體積作用明顯，剩余油采出程度有不同程度提高。所以該技術(shù)具備在目標(biāo)區(qū)塊實施的潛力。

4 結(jié) 論

(1) 配方為4.00%淀粉+4.00%丙烯酰胺單體+0.05%交聯(lián)劑+0.18%成膠控制劑的改性淀粉凝膠體系，成膠前初始黏度低，成膠后黏彈性好，封堵強度高。

(2) 改性淀粉凝膠體系在低滲裂縫巖心中注入性能良好。在一定注入速度和注入壓差下，凝膠進入閉合裂縫和填砂裂縫巖心的平均深度為巖心長度的52.0%和55.0%。裂縫被封堵后，氣竄得到明顯控制，2種巖心平均提高采出程度為12.3、14.5個百分點。

(3) 改性淀粉凝膠體系優(yōu)先進入相對高滲層和裂縫。滲透率級差為100和1000的2組并聯(lián)巖心，高低滲層采出程度均有所提高，綜合采出程度分別提高21.5、19.0個百分點。

(4) 該凝膠配方體系控制CO2竄逸后，可以有效啟動裂縫以外或者低滲層部分基質(zhì)中的剩余油。該技術(shù)對于控制目標(biāo)區(qū)塊裂縫中CO2竄逸有著指導(dǎo)意義，為擴大氣驅(qū)波及體積，提高剩余油采出程度提供了新思路。

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編輯 朱雅楠

20160119；改回日期：20160515

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目“陜北致密砂巖油藏CO2驅(qū)提高采收率關(guān)鍵技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗”(2014KTZB03-02)；國家科技支撐計劃項目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”(2012BAC26B00)

江紹靜(1970-)，男，教授級高級工程師，1990年畢業(yè)于西南石油學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，2006年畢業(yè)于長江大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事提高采收率技術(shù)研究工作。

王維波(1982-)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，2012年畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事提高采收率技術(shù)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.032

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