時 光
(1.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶 163453;2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶 163453)
竄槽是一種因水泥環(huán)失去封隔能力導(dǎo)致層間互相污染的工程問題[1-4]。造成竄槽的主要原因有:固井質(zhì)量差、后期措施引起的固井界面溝通、水泥環(huán)脆性拉伸破壞等[5-7]。大慶油田三元井網(wǎng)與水驅(qū)井網(wǎng)交叉,部分井竄槽造成三元液浪費(fèi),影響三元驅(qū)開發(fā)效果。以北一某區(qū)塊為例,水驅(qū)開發(fā)的48口采油井中28 口井見聚濃度高。水泥環(huán)封堵方法主要包括循環(huán)法封堵和擠入法封堵等[8-9]。但無論哪種方法對于竄槽封堵效果都不理想,且存在堵劑污染儲層的問題[10-13]。亟需摸索水泥環(huán)封堵規(guī)律,形成一種封堵強(qiáng)度高、儲層污染小的封堵工藝。本文通過新型水泥環(huán)封竄實(shí)驗(yàn)裝置,模擬水泥環(huán)在壓力作用下局部產(chǎn)生拉應(yīng)力,導(dǎo)致水泥脆性拉伸破壞而形成竄槽的情況,利用一種高強(qiáng)度聚合物堵劑進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn),從竄槽結(jié)構(gòu)、注入輪次、注入速率3 個角度出發(fā),以竄槽模型突破壓力、微觀結(jié)構(gòu)及巖心分流率等為評價指標(biāo),研究聚合物堵劑在水泥環(huán)中的封堵規(guī)律。
膨潤土接枝丙烯酰胺改性聚合物,固含量>95%,自制;過硫酸銨,分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠;亞甲基雙丙烯酰胺,分析純,西亞化學(xué)科技公司;固井水泥,G 級;實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水,礦化度為10 306 mg/L,主要離子濃度(單位mg/L):Na+3857、CO32-1930、HCO3-1519、Cl-2860;實(shí)驗(yàn)用巖心為人造巖心,高滲巖心滲透率為3000×10-3~3500×10-3μm2、低滲巖心滲透率為1000×10-3~1300×10-3μm2,尺寸(cm)為30×4.5×4。
SD1000型電子數(shù)顯彈簧拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī),溫州山度儀器有限公司;FEDX-B800型能量色散X射線熒光光譜儀(EDX),西安豐登光電科技有限公司;Quanta450FEG 型掃描電鏡(SEM),美國FEI 公司;DM750 型體視顯微鏡,德國徠卡公司;SYJ-50 型巖心切割機(jī),江蘇華安科研儀器有限公司。水泥環(huán)竄槽物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置見圖1,由驅(qū)替泵、活塞容器、竄槽模型、模擬巖心等組成,可模擬堵劑在水泥環(huán)竄槽中的封堵流程。其中竄槽模型由鋼材質(zhì)模擬井壁及套管組成,將固井水泥注入套管及井壁間模擬水泥環(huán),固化后將水泥擊碎,在斷面處涂抹凡士林后再次注入水泥,二次澆筑的水泥完全固化后,前后兩次固化的水泥交界面即有竄槽裂縫存在。將射孔間距離均分成10等分,在每一個均分點(diǎn)上量取一個裂縫寬度值,計(jì)算9個點(diǎn)的平均寬度值為該裂縫的寬度。用模型裂縫的寬度表征竄流通道的尺寸,裂縫寬度越寬代表竄槽結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,竄流通道越大。
室溫下,向模擬地層水中緩慢加入一定量的改性聚合物,持續(xù)攪拌至完全溶解,再加入一定量的過硫酸銨和亞甲基雙丙烯酰胺,繼續(xù)攪拌得到高強(qiáng)度堵劑。
將成膠后的聚合物堵劑制作成高10 cm、直徑2 cm 的圓柱體,置于電子數(shù)顯彈簧拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)上,將壓力手柄下壓,使上壓力板接觸聚合物堵劑,當(dāng)壓力板下壓距離為1 cm 時記錄此時實(shí)驗(yàn)機(jī)載荷讀數(shù),即為聚合物堵劑的抗壓強(qiáng)度。
將封堵后竄槽模型放置在45 ℃恒溫箱中候凝至堵劑完全成膠,然后將竄槽模型拆分,利用巖心切割儀對水泥環(huán)進(jìn)行切割,在顯微鏡下放大20倍以上觀察堵劑在裂縫中的封堵形態(tài)。
將封堵后巖心放置在45 ℃恒溫箱中候凝至堵劑完全成膠,然后利用巖心切割儀在巖心入口、3 cm、6 cm位置切下厚度約1 mm的巖心薄片,將巖心薄片冷凍制樣,通過掃描電鏡分析巖心孔隙中堵劑的微觀形貌,并通過能譜分析樣品中的元素組成[14]。
具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)將水泥漿注入模型進(jìn)行人工造縫,連接實(shí)驗(yàn)儀器;(2)向模型中注入1 PV的聚合物堵劑,記錄注入壓力及巖心出液量,注入后將模型放至45 ℃的恒溫箱中候凝;(3)候凝后,從模型外壁中部制造竄通,使模型上、下部填充堵劑分離,將注入管線分別與模型外壁上、下部接口相連,出口端為模型內(nèi)壁中部接口,向封堵后模型注水,記錄注入壓力。
以竄槽裂縫寬度、注入輪次、注入速率為實(shí)驗(yàn)影響因素,開展9組實(shí)驗(yàn)(表1)。
表1 封堵竄槽實(shí)驗(yàn)方案
固定過硫酸銨加量為聚合物質(zhì)量的1%、亞甲基雙丙烯酰胺加量為聚合物質(zhì)量的0.5%,在45 ℃下,不同聚合物濃度堵劑的靜態(tài)成膠性能如圖2 所示。隨著聚合物濃度升高,堵劑的成膠時間逐漸縮短,抗壓強(qiáng)度逐漸升高,當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時,堵劑性能出現(xiàn)拐點(diǎn),此時成膠時間為160 min,抗壓強(qiáng)度為30 N。
圖2 不同聚合物濃度下堵劑的成膠性能
將1 PV 的聚合物堵劑以0.5 mL/min 的注入速率一輪次注入模型中。利用模型上、下部突破壓力及堵后水泥環(huán)形貌變化評價竄槽結(jié)構(gòu)對封堵效果影響,通過模擬巖心分流率變化、巖心切片掃描電鏡及能譜測試,評價封堵過程中堵劑對地層的污染情況。圖3 為不同寬度裂縫模型封堵后的突破壓力。對于0.5 mm 裂縫,模型上、下部的突破壓力均較高,達(dá)到13.5 MPa 以上,聚合物堵劑的封堵效果較好。隨著裂縫尺寸的增大,模型下部的突破壓力仍較高,聚合物堵劑對模型下部仍具有較高封堵強(qiáng)度;但模型上部的突破壓力逐漸降低,1.0 mm 裂縫模型的突破壓力為11.76 MPa,1.5 mm 裂縫模型突破壓力為11.46 MPa。隨裂縫尺寸的增大,聚合物堵劑對裂縫模型上部的封堵強(qiáng)度有所降低。
圖3 竄槽裂縫寬度對突破壓力的影響
裂縫寬度分別為0.5、1.0、1.5 mm模型的水泥環(huán)竄槽內(nèi)堵劑的形態(tài)如圖4所示。裂縫寬度為0.5 mm時,堵劑飽滿地填充了裂縫,且與裂縫壁面緊密貼合;裂縫寬度為1.0 mm和1.5 mm時,下部裂縫被堵劑填滿,但上部卻出現(xiàn)了堵劑與壁面貼合不緊或堵劑斷裂問題。這解釋了模型上部突破壓力隨竄槽裂縫寬度增加而降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖4 不同裂縫寬度模型的水泥環(huán)竄槽中的堵劑形態(tài)
模擬巖心分流情況見表2,高、低滲巖心均有液體流出,高滲巖心分流率明顯高于低滲巖心。隨著裂縫寬度增加,高滲巖心分流率逐漸升高,低滲巖心分流率逐漸降低。
表2 裂縫寬度對封竄過程中巖心分流影響
對巖心切片進(jìn)行微觀掃描及能譜測試,結(jié)果如圖5 所示??瞻讕r心中主要檢測到Si、O 元素信號。無論裂縫寬窄(0.5~1.5 mm),在高滲巖心入口、3 cm、6 cm 處均觀察到明顯堵劑結(jié)構(gòu)且檢測到了C、N、O、Si 元素信號,其中C 原子百分?jǐn)?shù)為23.7%。對于低滲巖心,裂縫寬度為1.5 mm時,僅在巖心入口處發(fā)現(xiàn)堵劑,C原子百分?jǐn)?shù)為7.95%;裂縫寬度為1.0 mm 時,在巖心3 cm 處發(fā)現(xiàn)微量堵劑,C原子百分?jǐn)?shù)為7.08%;裂縫寬度為0.5 mm時,巖心6 cm處也能檢測到堵劑,C原子百分?jǐn)?shù)為5.7%。
圖5 巖心切片進(jìn)行微觀掃描及EDX能譜分析結(jié)果
分析認(rèn)為,堵劑進(jìn)入竄槽模型后,沿著阻力小的路徑流動并最終進(jìn)入巖心,由于巖心滲透率級差及重力導(dǎo)致堵劑易流經(jīng)模型下部進(jìn)入高滲巖心,從而保證了模型下部的封堵。當(dāng)模型的竄流裂縫較窄時,堵劑經(jīng)過竄槽模型進(jìn)入高滲透層的壓力相對增大,使堵劑進(jìn)入上部竄槽裂縫最終污染了部分低滲透層,同時也封堵了模型上部竄槽。
對竄槽裂縫寬度較窄(0.5 mm)的模型,1 輪次注入1 PV 堵劑,模型上、下部分均可取得較好的封堵。但對于裂縫寬度較寬的模型,上部難以保證封堵效果,需探索新的封堵方式。
固定注入速率為0.5 mL/min,將1 PV 堵劑以2輪次或3 輪次的注入模式注入,分析注入輪次對封堵效果的影響。圖6 為不同注入輪次條件下,裂縫寬度為1.0、1.5 mm 模型上部封堵后突破壓力曲線。隨著注入輪次的增加,裂縫寬度為1.0 mm模型上部突破壓力逐漸升高。2 輪次注入時,突破壓力為13.88 MPa,對比1輪次注入時提高了2.12 MPa;3輪次注入時,突破壓力進(jìn)一步達(dá)到15.13 MPa。對于裂縫寬度為1.5 mm 模型,提高注入輪次后,模型上部突破壓力得到類似的規(guī)律,2 輪次注入后的突破壓力達(dá)到12.61 MPa,對比1 輪次注入時提高了1.15 MPa,但封堵強(qiáng)度仍不高,3輪次注入后的突破壓力為14.33 MPa,保證了封堵效果。
圖6 注入輪次對突破壓力的影響
觀察水泥環(huán)竄槽發(fā)現(xiàn),對于裂縫寬度為1.0 mm模型,2 輪次注入模式就可使堵劑填充滿模型上部的裂縫路徑,裂縫內(nèi)部的堵劑充盈致密(圖7a、7c)。對于裂縫寬度為1.5 mm模型,2輪次注入模式雖然使更多堵劑填充到了的模型上部裂縫中,但在部分位置堵劑仍無法緊密貼合壁縫(圖7b),繼續(xù)增加注入輪次到3次后,裂縫中的堵劑明顯更加飽滿,無明顯堵劑斷裂現(xiàn)象(圖7d)。
圖7 水泥環(huán)竄槽中堵劑形態(tài)
多輪次封竄實(shí)驗(yàn)過程中模擬巖心分流率如表3所示。與表2共同分析可知,隨著注入輪次的增加,高滲巖心的分流率逐漸降低,低滲巖心的分流率逐漸升高。以裂縫寬度最大的1.5 mm為例,增加注入輪次后,高滲層分流率分別降低了6.6%和14.2%。
表3 注入輪次對封竄過程中巖心分流率的影響
多輪次注入模式使竄槽裂縫中堵劑起到協(xié)同封堵作用,前一輪次注入的堵劑優(yōu)先進(jìn)入流動阻力小的裂縫中,為下輪注入的堵劑起到“墊稱”作用,使后續(xù)注入的堵劑“被迫”克服高滲透層的吸液能力及重力作用,進(jìn)入并封堵模型上部。擴(kuò)大了后續(xù)堵劑對竄槽裂縫的波及體積[15]。但同時也增加了低滲巖心的污染程度。
增加注入輪次可保證竄槽取得較好的封堵效果,但對低滲層仍存在較大污染。以實(shí)驗(yàn)1為例,堵劑在低滲巖心分流率達(dá)到19.5%。為保證封堵效果的同時,減少堵劑對低滲巖心的污染,需探索合理注入?yún)?shù)。以裂縫寬度為0.5 mm 的竄槽模型為實(shí)驗(yàn)對象,分別以0.25、0.5、0.75 mL/min 的注入速率將1 PV 的堵劑一輪次注入竄槽模型中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改變注入速率后,模型上部突破壓力及突破時間變化較為明顯,當(dāng)注入速率為0.25 mL/min 時,模型上部突破壓力為13.21 MPa,保持了較高的封堵強(qiáng)度,突破時間為0.56 PV。對比注入速率為0.5 mL/min 時,突破壓力基本無變化,僅提高了0.28 MPa,突破時間降至0.45 PV。注入速率0.75 mL/min 時,模型上部突破壓力最高,達(dá)到14.3 MPa,突破時間0.42 PV。較低的注入速率可使模型上部仍保持較高的突破壓力,同時延長了突破時間,增加堵劑的耐沖刷性。
不同注入速率下封堵實(shí)驗(yàn)?zāi)M巖心分流情況見表4。注入速率為0.5 mL/min時,高、低滲巖心分流率分別為80.5%、19.5%。調(diào)整注入速率為0.25 mL/min 時,分流率明顯改變,高滲巖心分流率升至89.2%,低滲巖心分流率降至10.8%。注入速率為0.75 mL/min時,高、低滲巖心分流率分別為78.8%、21.2%。
表4 注入速率對封竄過程中巖心分流率的影響
降低注入速率可以改善堵劑進(jìn)入高滲巖心的流動阻力,導(dǎo)致更多的堵劑由模型進(jìn)入高滲巖心中,從而減少了對低滲巖心的污染;過快的注入速率提高了堵劑進(jìn)入高滲巖心的注入壓力,使堵劑經(jīng)由模型擠入低滲巖心中,造成污染。
水泥環(huán)竄槽模型結(jié)構(gòu)直接影響了封竄效果,竄槽裂縫寬度越寬,模型的突破壓力越低、封竄難度越大,在模型上部竄槽會出現(xiàn)堵劑無法緊密貼合縫壁或堵劑斷裂等情況。大部分堵劑流經(jīng)竄槽裂縫進(jìn)入了高滲層,分流率大于80%。巖心切片微觀結(jié)構(gòu)顯示,僅在低滲巖心前端發(fā)現(xiàn)微量堵劑。
注入輪次也是影響封竄效果的重要參數(shù)之一,對于結(jié)構(gòu)相對簡單的竄槽通過1輪次化學(xué)封竄即可達(dá)到較高的封堵強(qiáng)度,而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的竄槽則需要2輪次或3輪次的封竄才能保證效果。多輪次注入模式使竄槽裂縫中堵劑起到協(xié)同封竄作用,前一輪次注入的堵劑優(yōu)先進(jìn)入流動阻力小的裂縫中,為下輪注入的堵劑起到“墊稱”作用,擴(kuò)大了后續(xù)堵劑對竄槽裂縫的波及體積。
注入速率對竄槽模型的突破壓力影響較小,但較低的注入速率可以增強(qiáng)竄槽模型中堵劑的耐沖刷性,改善堵劑進(jìn)入高滲巖心的流動阻力,導(dǎo)致更多的堵劑由模型進(jìn)入高滲巖心中,減少對低滲巖心的污染。