篩管水平井堵水材料的研制與評價

程 靜 雷齊玲 葛紅江 劉希君 楊衛華 朱 杰

（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

篩管完井水平井堵水的難點在于機械封隔方法僅能實現篩管內部空間的封隔，不能封隔篩管與井壁之間環形空間。環空化學封隔器（ACP）技術［1］借助連續油管和跨式封隔器，在篩管與井壁之間的環空注入可形成化學封隔層的段塞，可達到隔離環空區域的目的，然后配合管內封隔器，對出水點進行定向封堵，是有效封隔篩管水平井水平段環空的工藝手段。國外相關公司及機構開發出Maraceal、Permseal、Texplug 等水泥基、HPAM 基環空封隔體系，為ACP 工藝施工的安全性以及ACP 技術的發展奠定了基礎［2］。但從礦場應用效果分析，ACP 材料的性能仍有待于進一步完善［1］，突出問題表現在，HPAM 基凝膠材料本身強度較低，在環空容易造成“重力坍落”和“回吐”；無機觸變水泥材料密度大，重力作用強，不容易完全填充整個環空，在觸變性、工藝安全性上仍無法滿足要求；另一方面，HPAM基凝膠材料和觸變水泥不能充分降解，均對生產水平段產生污染，嚴重影響生產產能。

針對目前ACP 材料強度低、環空填充不完全和降解難的問題，采用瓜膠粉和甘露聚糖酶等合成了高強度可降解ACP 材料，具有強度高、吸水膨脹性強且能降解的特點，適用于水平井堵水環空封隔。

1 ACP 材料的技術反應原理

丙烯酰胺與瓜膠接枝共聚交聯形成強凝膠，利用其遇水膨脹的特點，可實現完全填充篩管和井壁間環空。在聚合體系中加入甘露聚糖酶降解酶和一定濃度的強氧化劑，使所研制的封隔材料降解成相對分子量較小的低聚物，在微生物作用下可完全降解。瓜膠作為接枝體構成封隔材料的“骨架”，提高了材料的本體強度。此外，通過改變強度調節劑加量可制備一系列不同強度和持壓能力的封隔材料。

通過單體共聚合成的凝膠是一種類似橡膠的黏彈性固體，成膠后的強度很高，在一定溫度下緩慢降解，最終能夠完全降解，不污染地層。此外，該材料吸水膨脹體積倍數5～50，很強的吸水性使材料填充并充滿于環空區域，能夠保證環空的封隔效果。

2 高強度可降解ACP 材料的研制

2.1 實驗藥劑及儀器

丙烯酰胺，試劑；瓜膠粉，甘露聚糖酶，天津市諾奧科技發展有限公司生產；實驗用水為大港油田西一聯回注水，礦化度為4 500 mg/L，NaHCO3型；水膨體抗剪切測試儀，自制；電熱恒溫鼓風干燥箱；CP423S 電子天平。

2.2 實驗測試方法

2.2.1 成膠時間的測試 成膠時間一般指堵水劑的初凝時間，即從配制完畢到堵水劑溶液表現黏度增加，或者是彈性模量增大這一時間段。實驗室采用觀測堵劑成膠狀態確定成膠時間。

2.2.2 強度的測試 凝膠強度是通過水膨體強度檢測儀測試抗剪切強度來評價其大小的［3］。將成膠后的堵水材料切碎，使用水膨體強度檢測儀進行測試，通過剪切板的最大壓力讀數為其抗剪切強度的力值，單位為牛頓，該讀數除以剪切板面積即為抗剪切強度，單位為kPa。

2.3 實驗步驟

（1）將水倒入攪拌罐中，加入瓜膠粉，攪拌得到分散均勻的膠體溶液；

（2）加入丙烯酰胺攪拌溶解；

（3）加入交聯劑攪拌均勻；

（4）最后加入引發劑，密封靜置于設定溫度50～ 70 ℃的干燥箱中反應12 h；

（5）取出彈性固體產物，測試抗剪切強度。剪下一小塊彈性固體產物，放入適當濃度的含有甘露聚糖酶的過硫酸銨溶液中，觀察產品降解情況，并測試降解溶液的黏度。

2.4 基本配方實驗優選

實驗方法：首先固定單體加量，通過正交實驗來確定瓜膠、引發劑和交聯劑組分的最優加量。單體丙烯酰胺加量在2%～4%之間取值［4］，固定單體加量3.5%。反應溫度60 ℃。正交實驗因素水平見表1，實驗結果見表2。

表1 正交實驗因素水平表

表2 正交實驗結果

分別對不同成膠時間下黏彈性好的第1、4、7 組產品進行黏度和強度性能測試，結果見表3。ACP材料成膠時間大于3 h 以上，體系成分容易出現重力沉降，導致縱向成膠不均勻，即“重力坍落”。由表3 數據可以看出第4、7 組強度都較高，但是從成膠時間小于3 h 來選擇，第4 組是最佳配方組成，即：3.5%單體+2%瓜膠+2%引發劑+0.3%交聯劑。

表3 強度實驗測試結果

2.5 降解液優選

用油田采出水按照上文配方配制成均勻的溶液，在60 ℃下恒溫成膠，取2 g 凝膠塊，放入不同濃度甘露聚糖酶的過硫酸銨溶液中，觀察凝膠塊的降解情況，并測量降解溶液的黏度。凝膠塊吸水膨脹，凝膠強度逐漸降低，得到含有少量絮狀物的溶液。測試凝膠降解后黏度隨時間的變化情況，結果見表4，可以看出，0.3%甘露聚糖酶和0.2%過硫酸銨的降解效果最好。

表4 不同組配的降解液降解性能

3 高強度可降解ACP 材料的性能測試

3.1 環空充填性能和降解性能評價

高強度可降解ACP 材料的吸水倍數隨溫度升高而增大。吸水后凝膠強度（抗剪切強度）見表5。根據理論計算［1］，ACP 材料強度至少應當在1.0 kPa（即100 N）以上。本文材料在20～120 ℃之間吸水后強度均大于1.0 kPa，吸水倍數在5～50 之間，能夠保證環空的封隔效果。且由表4 實驗結果可知，ACP 材料降解96 h 后溶液黏度為4.0 mPa·s，能滿足降解要求。

表5 高強度可降解材料的吸水倍數和強度

3.2 水平段流動模擬實驗

為驗證工藝的可行性，建立全尺寸篩管水平井模型來模擬實際注入條件下ACP 材料的動態流動過程。模型以?241.3 mm 透明玻璃管模擬地層界面，在玻璃管中下入尺寸?139.7 mm 的精密復合篩管，在篩管內下入油管及封隔器。

模擬實驗假設出水點在水平段端部。先在模型中注滿清水，在靠近出水點跟部下入封隔器，用水泥車在跟部注入ACP 材料進行隔離保護；對出水點注入堵劑進行封堵。從實驗可以看出：（1）在封隔器位置以下有水流出，而在封隔器以上沒有水流出，證明封隔器在精密復合篩管內具有良好的密封性；（2）注入過程中ACP 材料與堵劑之間有明顯的界面，表明ACP 材料能有效防止堵劑混相，堵劑能實現段塞式注入，能對水平井水平段的管外環空形成完整的封堵。

4 現場試驗

港淺10-5H 井在鉆井過程中由于水平段軌跡控制較差，造成在1 659～1 670 m 附近水平段進入水層，投產后底水很快突破，日產液30 m3/d，含水100%，后關井。地質提出針對1 653.91～1 714.05 m水平盲管段進行堵水，阻斷地層水進入前端的通道，達到增油降水的目的。

施工過程：（1）下通井規通井；（2）下油管至1 653 m；（3）配制ACP 材料保護液11 m3；打開套管閥門，正替ACP 凝膠保護液10.5 m3，正替清水8 m3；上提油管至1 500 m，反洗井，直到進出口液性一致；（4）注堵劑打塞，注塞井段1 653.91～1 714.05 m；（5）注降解液；（6）探塞面，試壓12 MPa，10 min 壓力下降0.5 MPa；（7）鉆塞，補孔。

該井堵后初期日產液5.6 m3，日產油4.8 t，含水14.3%，目前有效期已達到1 年，累計增產原油1 000 t，取得了良好的效果，證明高強度可降解ACP 材料對水平段具有良好的環空封隔能力和保護作用。

5 結論

（1）高強度可降解ACP 材料是篩管水平井堵水工藝的核心材料，它是由單體、瓜膠、引發劑、交聯劑和甘露聚糖酶組成，為了保證降解效果，通常在施工過程中還要注入0.2%的過硫酸銨。

（2）該ACP 材料較強的吸水性使材料能夠填充并充滿于環空區域，能保證環空的封隔效果；具有較好的降解性，降解96 h 后黏度可達到4.0 mPa·s。

（3）全尺寸篩管水平井模擬實驗和現場試驗表明，該ACP 材料應用于篩管水平井堵水是可行的。

［1］ 魏發林，劉玉章，李宜坤，等.割縫襯管水平井堵水技術現狀及發展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2007，29（1）：40-43.

［2］ ARANGATH R, MKPASI E E. Water thut-off treatments in open hole horizontal wells completed with slotted liners［R］. SPE 74806, 2002.

［3］ 葛紅江，劉希君.水膨體抗剪切強度檢測儀：中國，200510103288 ［P］. 2006-03-01.

［4］ 袁潤成，程靜，葛紅江，等.管流地層化學調堵體系的研制與試驗［J］.石油地質與工程，2012，26（6）：99-102.