冻胶对裂缝性油藏的封堵效果实验研究

邓学峰 魏开鹏 方 群

中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院, 河南 郑州 450006

0 前言

调剖技术是注水油藏开发中常采用的有效方法和工艺技术,冻胶已经成为裂缝性油藏深部封堵[1-13]的主要堵剂,但目前对裂缝内冻胶的封堵效果[14-20]和突破特征的认识还很不足。本文通过室内裂缝可视化模型,研究了冻胶堵剂对裂缝的封堵效果和被注入水突破的特征,明确了冻胶封堵裂缝的适应性和提高封堵效果的关键。

1 冻胶封堵裂缝效果的实验研究方法

1.1 实验方法和流程

将冻胶注入裂缝模型中,完全填充裂缝并密封注采端口后,将模型置于恒温水浴中至冻胶完全成胶。将裂缝模型联入驱替系统,注入水顶替裂缝中冻胶,观察冻胶被注入水突破的过程,具体实验流程如下。

1)按比例配制成胶液,0.5%HPAM+0.5%水溶性酚醛树脂+0.2%氯化铵,并在真空环境下搅拌2 h以除去溶解的空气。

2)利用Hamilton气密注射器将成胶液注入裂缝模型中,关闭模型入口端、出口端处的堵头,并将模型放置在水浴中老化至冻胶成胶。

3)模型取出后冷却至室温,并通过聚四氟乙烯管线将裂缝模型与Flow EZ微量气泵相连。

4)利用胭脂红染色剂将注入水染成红色,并通过气压泵注入模型中。设置升压速率恒定为0.1 kPa/s,染色盐水在气压作用下被泵入裂缝模型中。

5)染色盐水突破冻胶的过程由数码相机拍摄记录,并通过压力传感器记录突破过程中的压差,其中压力传感器测得的最高压差为突破压力。

1.2 材料与仪器

ME403电子天平,梅特勒—托利多公司;JJ-3 A六连数显电动搅拌器,江苏金怡仪器科技有限公司;恒温水浴锅,常州申光仪器有限公司;驱替装置,海安石油科研仪器有限公司。

裂缝模型材质为PMMA(亚克力),同时依据对储层中裂缝宽度的成果认识,设计裂缝截面分别为3.0 mm×3.0 mm、2.0 mm×2.0 mm和1.0 mm×1.0 mm的正方形,裂缝长度均为100 mm。

2 实验结果与讨论

2.1 注入水突破冻胶结果

注入水突破冻胶主要包括两个阶段:首先是冻胶受压变形阶段,随注入压力不断升高,冻胶沿裂缝产生横向位移;当注入压力上升至突破压力时,裂缝中的冻胶被注入水快速突破,此时注入压力急剧降低。裂缝宽度不同时,裂缝模型中冻胶被注入水突破的方式也不同:在宽度为1 mm的裂缝模型中,冻胶被注入水整体顶出,冻胶本体保持良好的完整性;在宽度为2 mm、3 mm的裂缝模型中,冻胶被注入水从中部突破,冻胶本体被破坏。

图1为1 mm×1 mm×100 mm裂缝模型中注入水突破冻胶的过程,其中红色为注入水,灰色模型中透明部分为裂缝中的冻胶。随注水顶替开始,注入压力逐渐增加,冻胶与水接触面产生“凹型”变形,同时注入水前段不断变细,有从冻胶中部突破的趋势。注入开始至10 min 18 s,为冻胶受压变形阶段,冻胶沿裂缝产生横向位移,此时模型出口未见产出物。10 min 18 s至10 min 30 s,裂缝模型中的冻胶被整体快速顶出,产出的冻胶保持完整。

图1 1 mm×1 mm×100 mm裂缝模型中注水突破特征图

图2和图3分别为2 mm×2 mm×100 mm和3 mm×3 mm×100 mm裂缝模型中注入水突破冻胶的过程。以图2为例进行说明,注入开始至6 min 26 s,为冻胶受压变形阶段。6 min 26 s至6 min 27 s,产生第1个冻胶中部突破点,注入水从冻胶中部突破后破坏冻胶本体,注水过流面积快速增加,表现为突破后注入水柱变粗。6 min 28 s 至6 min 29 s,产生第2个突破点,随后注入水沿冻胶中部完全突破整个裂缝模型。

图2 2 mm×2 mm×100 mm裂缝模型中注水突破特征图

图3 3 mm×3 mm×100 mm裂缝模型中注水突破特征图

图4为不同缝宽裂缝模型中注入水突破冻胶时的突破压力。实验结果显示,随裂缝宽度的增加,突破压力明显降低,裂缝宽度增加1 mm,突破压力降低约30%。

图4 不同裂缝模型中注水突破压力图

2.2 组合体系突破结果

为评价冻胶与预交联颗粒组合情况下的封堵效果,利用3 mm×3 mm×100 mm裂缝模型开展实验。实验方法与步骤不变,只是在裂缝模型中预置预交联颗粒后再注成胶液。

图5和图6分别为裂缝模型中预置少量预交联颗粒和布满预交联颗粒条件下,注入水突破冻胶的过程,图中透明圆球状颗粒为预交联颗粒。图7为不同预交联颗粒含量模型中注入水突破堵剂时的突破压力。

图5 3 mm×3 mm×100 mm裂缝模型中预置少量预交联颗粒时注水突破特征图

图6 3 mm×3 mm×100 mm裂缝模型中布满预交联颗粒时注水突破特征图

图7 裂缝模型中预交联颗粒对冻胶突破压力的影响图

1)当裂缝中有少量预交联颗粒时，注入开始至2 min 5 s,为堵剂受压变形阶段。随后注入水开始突破冻胶,注入水时而沿预交联冻胶中部窜进,破坏冻胶本体,时而沿颗粒和裂缝之间的狭窄缝窜进,表现出段塞式顶替冻胶特点,注入水突破堵剂时机较单独使用冻胶的情况更早。从突破压力上看,裂缝中有少量预交联颗粒时的突破压力也明显低于单独使用冻胶时的突破压力,表明冻胶与少量预交联颗粒的组合反而降低了封堵强度。

2)当裂缝中布满预交联颗粒时，预交联颗粒和裂缝之间的狭窄缝成为注入水突破冻胶的主要通道。实验显示,注入开始至11 min 24 s,为堵剂变形阶段。此后,狭窄缝中的冻胶被注入水以段塞的方式顶替出。由于狭窄缝的横截面积明显小于模型中裂缝的横截面积,因此冻胶的突破压力也明显提高,冻胶受压变形阶段也明显延长。

综合上述,冻胶和少量预交联颗粒形成的组合体系对裂缝的封堵效果不如单独冻胶的封堵效果;只有当裂缝中的预交联颗粒能明显缩小裂缝宽度时,冻胶和预交联颗粒的组合才会产生优于单独冻胶的封堵效果,但达到该条件需要注入大量预交联颗粒,受限于预交联颗粒的注入能力,现场实施难度大。

3 结论

通过设计不同裂缝宽度的裂缝模型,开展注入水突破冻胶实验,评价注入水突破冻胶的特征和冻胶的封堵强度,实验得出以下结论。

1)裂缝宽度越小,冻胶突破压力越高。在1 mm宽度裂缝模型中冻胶本体未受破坏被整体顶出;2 mm和 3 mm 宽度裂缝模型中,注入水从冻胶中部突破,表明冻胶本体强度不足,说明提高冻胶本体强度是增强封堵裂缝强度的关键。

2)少量预交联颗粒和冻胶的组合对裂缝的封堵效果弱于单独冻胶的封堵效果,只有当预交联颗粒通过布满裂缝实现缩小裂缝宽度时,预交联颗粒和冻胶组合的封堵效果才优于单独冻胶的封堵效果。

3)考虑预交联颗粒的注入能力,矿场实施调剖封堵裂缝时难以实现用预交联颗粒对裂缝完全填充。因此,建议封堵裂缝时选择以冻胶为主体堵剂,同时提高冻胶本体强度是增强封堵强度的关键。