張繼紅，王瑞虹

（東北石油大學(xué) 提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

目前，我國大部分油井平均含水已達(dá)80%以上，東部地區(qū)的一些老油田含水高達(dá)90%以上，甚至已超過經(jīng)濟(jì)極限（含水率95%～98%）[1,2]。針對裂縫油藏，堵水調(diào)剖的工作量逐年增大，工作難度增加，而增油潛力降低，這種形式促進(jìn)了堵水調(diào)剖技術(shù)的迅速發(fā)展。然而常規(guī)的堵水技術(shù)對裂縫堵水效果差：機(jī)械堵水在進(jìn)行裂縫堵水時成功率不高，有效期短；無機(jī)堵水技術(shù)在裂縫地層堵水時，其堵劑易被水稀釋，對儲層傷害大；聚合物調(diào)堵劑很容易受溫度、礦化度的影響；樹脂類堵水劑對裂縫沒有選擇性，能同時進(jìn)入地層中大、小裂縫，且不易解堵[3,4]。因此，有必要開展新堵水技術(shù)的研究以解決裂縫性油藏的出水問題。顆粒類堵劑的選擇性進(jìn)入能力可大大減少堵劑對非目的層的侵入，提高堵水調(diào)剖效果，而體膨型顆粒類堵劑的選擇性進(jìn)入能力和堵水特性為無法卡封進(jìn)行堵水作業(yè)的井降低含水提供了一種有效的封堵材料。用體膨型顆粒類堵劑進(jìn)行調(diào)剖時，堵劑可動性有利于擴(kuò)大堵劑的作用范圍，提高調(diào)剖效果，具有驅(qū)油和調(diào)剖雙重作用。同時，體膨顆粒因具有較好的耐溫性和抗鹽性，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了常規(guī)堵水調(diào)剖劑進(jìn)入地層因稀釋作用而不交聯(lián)的弊端，故在各大油田中應(yīng)用較為廣泛[5,6]。對裂縫油藏而言，體膨顆粒也因其對裂縫具有良好的充填性而用于裂縫儲層的調(diào)剖堵水。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)過程中所用到的儀器設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Tab.1 Laboratory instruments and equipment

本文實(shí)驗(yàn)所用體膨顆粒NS-3見圖1，是以殼聚糖為大分子單體，丙烯酸、丙烯酰胺為水溶性單體，分子量為800～1200萬的一種生物聚合物。其室內(nèi)研究能表現(xiàn)出優(yōu)異的增黏性、抗強(qiáng)剪切性、耐濕、抗鹽等驅(qū)油性能，同時兼有生物相溶性和可降解性質(zhì)，能在中、高溫，中、高鹽，高含水油田，作為綠色環(huán)保的驅(qū)油劑使用，提高采收率。

圖1 NS-3體膨顆粒藥劑Fig.1 NS-3 bulging granules

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為明確體膨顆粒膨脹度、濃度和?？p比對裂縫封堵性能的影響，向裂縫中注入體膨顆粒，通過控制體膨顆粒在裂縫中的吸水時間、注入濃度和粒徑，分析膨脹度、濃度和粒縫比對裂縫的封堵性能影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

為評價體膨顆粒對水平裂縫的封堵情況，需對模型進(jìn)行組裝并制備相應(yīng)的體膨顆粒，以考察體膨顆粒對裂縫的封堵性能，其具體步驟如下：

（1）模型組裝 按實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求組裝好相應(yīng)裂縫尺寸的可視化物理模型。

（2）按實(shí)驗(yàn)設(shè)計在裂縫中固化好相應(yīng)尺寸的可固化顆粒后，并注入相應(yīng)粒徑和濃度的體膨顆粒，吸水相應(yīng)時間。

（3）測突破壓力和封堵性能 以1mL·min-1的速度注入驅(qū)替液，并記錄其壓力變化情況。當(dāng)達(dá)到最大壓力時，液體從裂縫中產(chǎn)出，即為突破壓力，繼續(xù)注入驅(qū)替液，當(dāng)壓力穩(wěn)定后即為平衡壓力。

突破壓力梯度體現(xiàn)了堵劑的封堵強(qiáng)度大小，若數(shù)值越大，則表示堵劑的封堵性能越強(qiáng)。突破壓力梯度還是計算堵劑用量的重要參數(shù)。在充填堵劑的物理模型中，通過泵入地層水向裂縫中的堵劑加壓，當(dāng)裂縫內(nèi)壓力達(dá)到最大時，模型中的流體或堵劑產(chǎn)出，此時的壓力即為突破壓力，而單位裂縫長度上的突破壓力則定義為突破壓力梯度，可由式1計算：

式中 PL：突破壓力梯度，MPa·m-1；Pb：突破壓力，MPa；L：堵劑段塞長度，m。

由于空裂縫時的阻力較小，很難在實(shí)驗(yàn)室條件下測得流動壓力，所以將其堵后滲透率轉(zhuǎn)換為等效裂縫寬度，用裂縫實(shí)際寬度與等效裂縫寬度之比即為等效縫寬減小倍數(shù)。其具體計算見式2、3。

式中 Q：驅(qū)替液流量，mL·s-1；μ：驅(qū)替液粘度，mPa·s；L：裂縫長度，cm；A：裂縫橫截面積，cm2；ΔP：進(jìn)出口壓差，atm；Ka：滲透率，D。

式中 b：等效裂縫寬度，cm。

堵后等效裂縫寬度計算公式見式4：

計算出堵后等效裂縫寬度，原始等效裂縫寬度與等效裂縫寬度之比，即為等效縫寬減小倍數(shù)。其計算公式見式5：

式中 n：等效縫寬減小倍數(shù)；b0：原始裂縫寬度，cm。

體膨顆粒在裂縫中吸水后會膨脹，其膨脹情況無法在裂縫中測量。因此，先測量沖刷出裂縫的體膨顆粒體積，再將這些顆粒烘干并測得其烘干后體積，通過對比體膨顆粒吸水前后體積變化，得到裂縫中體膨顆粒的體積膨脹倍數(shù)。通過體積與直徑的關(guān)系得到體膨顆粒的等效粒徑膨脹度。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

將封堵性評價物理模型組裝好后，并按圖2進(jìn)行連接，便于后續(xù)進(jìn)行封堵性評價實(shí)驗(yàn)[7-9]。

圖2 可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of visual physical simulation experiment

2 體膨顆粒封堵性的影響因素

2.1 體膨顆粒膨脹度對封堵性的影響

向（500×100×1）mm 裂縫中注入濃度為 6%的體膨顆粒，干體膨顆粒直徑與裂縫寬度之比（原始?？p比）為0.50。改變模型中體膨顆粒的吸水時間以模擬不同顆粒膨脹度[10]，以1mL·min-1的速度驅(qū)替，并記錄其壓力變化見圖3。通過計算不同膨脹時間時，得到等效縫寬減小倍數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

圖3 體膨顆粒不同吸水時間對裂縫封堵性能影響Fig.3 Effectof different water absorption time of expanded particleson fracture sealing performance

從圖3可以看出，體膨顆粒在吸水4h時其突破壓力梯度和平衡時的壓力梯度都較低，這主要是因?yàn)轶w膨顆粒在裂縫中未完全吸水膨脹，膨脹后的體膨顆粒不能完全充填整個裂縫。吸水20h的體膨顆粒突破壓力梯度高，但平衡壓力梯度低，這是因?yàn)槲赐耆念w粒強(qiáng)度稍大，在裂縫中形成封堵強(qiáng)度也會稍高，一但突破則會有部分顆粒沖刷出裂縫，形成新的液流通道，導(dǎo)致平衡時壓力較低。而吸水40、80h的體膨顆粒在突破壓力和平衡壓力梯度都比較相近，這主要是在40h以后，體膨顆粒將裂縫中的水分吸干，所以兩者的突破壓力梯度和平衡壓力梯度都相近。而產(chǎn)生突破后，體膨顆粒易被后續(xù)水沖出裂縫，并在裂縫內(nèi)形成新的竄流通道；當(dāng)體膨顆粒注入濃度為6%時，體膨顆粒的膨脹度越高，竄流通道的尺寸較小，封堵效果好。

表2 不同膨脹時間等效寬度減小倍數(shù)Tab.2 Reduction multiple of equivalent width for different expansion time

分析表2可知，體膨顆粒在不同的吸水膨脹度下其等效縫寬減小倍數(shù)不同，并且隨著體膨顆粒吸水時間的增長，其等效縫寬減小倍數(shù)在不斷增大即封堵性能越好。

2.2 體膨顆粒濃度對封堵性的影響

向（500×100×1）mm裂縫中注入原始粒縫比為0.70的體膨顆粒，其體膨顆粒濃度分別為6%、10%、16%，待其在裂縫中膨脹40h后，以1mL·min-1速度注水沖刷。考察顆粒濃度對裂縫封堵性能的影響。測得其驅(qū)替過程中的壓力梯度變化見圖4。

圖4 體膨顆粒濃度對裂縫封堵性能影響Fig.4 Effect of bulk swelling particle concentration on crack plugging performance

分析圖4可知，突破壓力梯度會隨著注入體膨顆粒濃度的增大而升高，這主要是因?yàn)轶w膨顆粒濃度增大，在裂縫中的膨脹度減小，顆粒強(qiáng)度增大，對裂縫的封堵強(qiáng)度提高。同時，體膨顆粒濃度越高，其突破時間也會相應(yīng)的滯后。

通過計算得到等效縫寬減小倍數(shù)和等效粒徑膨脹度，其具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同體膨顆粒濃度的等效寬度減小倍數(shù)Tab.3 Equivalent width reduction multiplier of different bulk expansion particle concentrations

根據(jù)表3計算結(jié)果可知，由于裂縫中的水分是一定的，顆粒將裂縫中的水分吸干后便不再膨脹，當(dāng)注入顆粒濃度增大時，顆粒在裂縫中吸水后的膨脹度則越小，所以體膨顆粒的等效粒徑膨脹度會不斷地減小。當(dāng)體膨顆粒的膨脹度減小時，其強(qiáng)度會比完全膨脹時的強(qiáng)度大，在裂縫中運(yùn)移時體膨顆粒所受到的阻力也會增強(qiáng)，所以壓力梯度也會增加。

2.3 體膨顆粒?？p比對封堵性的影響

為了研究相同濃度、不同粒徑的體膨顆粒膨脹后對裂縫的封堵性能，通過實(shí)驗(yàn)向（500×20×1）mm的裂縫中注入濃度為10%、粒徑均不相同的體膨顆粒，待其膨脹40h后以1mL·min-1注水沖刷。目的是為了考察體膨顆粒?？p比對封堵效果的影響，測得其驅(qū)替過程中的壓力梯度變化見圖5：壓力梯度/（MPa·m-1）

圖5 ?？p比對裂縫封堵性能的影響Fig.5 Effect of particle-to-fracture ratio on fracture sealing performance

分析圖5可知，突破壓力梯度和平衡壓力梯度都會隨著注入體膨顆粒粒徑的增大而增大，即注入體膨顆粒直徑越大，對裂縫的封堵性能越強(qiáng)，驅(qū)替時的突破壓力梯度和平衡時的壓力梯度較高。

通過計算體膨顆粒的原始?？p比（原始體膨顆粒直徑與裂縫寬度之比）、膨脹后粒縫比（膨脹后體膨顆粒粒徑與裂縫寬度之）、等效縫寬減小倍數(shù)這3個參數(shù)，其具體參數(shù)見表4。

表4 不同?？p比的等效寬度減小倍數(shù)Tab.4 Reduction multiple of equivalent width for different grain-to-crackratios

通過對比表4的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入體膨顆粒粒徑較小時（原始?？p比為0.34），體膨顆粒的膨脹后粒縫比也較?。?.83），即膨脹后的體膨顆粒直徑仍小于裂縫的寬度，體膨顆粒在裂縫中不會受到兩壁的擠壓，不會產(chǎn)生變形，在顆粒的橋接作用下在裂縫中形成堆積，所以其突破壓力梯度和平衡壓力梯度皆較低。而隨著注入體膨顆粒粒徑增大，膨脹后的顆粒直徑也會變大，當(dāng)顆粒粒徑大于裂縫寬度后，體膨顆粒會變形，在驅(qū)替液的沖刷作用下會運(yùn)移，但運(yùn)移能力會減弱。所以?？p比增大，其對裂縫的封堵性能會增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）體膨顆粒在不同的吸水膨脹度下等效縫寬減小倍數(shù)不同，體膨顆粒吸水時間越長，其等效縫寬減小倍數(shù)越大即封堵性能越好。

（2）當(dāng)裂縫寬度相同時，注入的體膨顆粒濃度增大，其在裂縫中的膨脹度減小、強(qiáng)度增大，突破壓力梯度會隨體膨顆粒濃度的增大而升高，使得體膨顆粒對裂縫的封堵強(qiáng)度提高。

（3）當(dāng)裂縫寬度相同時，注入的體膨顆粒粒徑增大時，膨脹后的顆粒直徑也會增大；當(dāng)顆粒粒徑大于裂縫寬度后，體膨顆粒會變形即對裂縫的封堵性能會增強(qiáng)。