致密砂巖裂縫性油藏CO2驅高強度凝膠封竄適用界限*

魯國用，趙鳳蘭，侯吉瑞，王 鵬，張 蒙，王志興，郝宏達

（1.中國石油大學（北京）非常規科學技術研究院，北京102249；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

0 前言

國內外大量研究已證明：對于致密砂巖油氣藏，CO2驅最為適合且可以取得很好的效果。但是，由于致密砂巖開采過程中普遍采用水力壓裂技術形成的大量水力壓裂裂縫，以及致密砂巖油藏中普遍發育的具有不同開度的天然裂縫，造成CO2很容易沿著裂縫竄逸。氣體遇到裂縫后主要沿著裂縫流動，導致氣體無效循環，嚴重降低了開發效果。因此，如何有效封堵不同開度的裂縫對致密砂巖裂縫性油氣藏的高效開發至關重要［1-3］。致密砂巖裂縫性油氣藏中發育的裂縫開度不同，這種沿不同開度的裂縫竄流的特征導致了封竄劑封堵時會出現“注不進”或“堵不住”的現象，因此封堵劑封堵裂縫的界限至關重要。目前在常規致密砂巖裂縫性油藏封堵中應用最廣且效果最好的為聚丙烯酰胺凝膠［4-9］。當聚合物濃度較高時，可形成高強度的凝膠，但高濃度聚合物會使體系的初始黏度過高，導致封堵小開度裂縫時易出現注不進的現象；而當濃度較低時，初始黏度較低，封堵大開度裂縫形成的凝膠強度不夠，易出現堵不住的情況。因此優選合適的堵劑并明確其封堵裂縫尺寸的界限非常重要。

通過分析致密砂巖裂縫性油氣藏的竄流特征，考慮使用既能滿足對較小開度裂縫注入性的要求，又能滿足對較大開度裂縫封堵強度的堵劑。綜合考慮注入性和封堵強度，侯吉瑞等［10-16］研發了一種由改性淀粉組成的高強度凝膠。該體系的初始黏度較低，但成膠后強度很高。在此基礎上，通過室內評價實驗優選了濃度合適的改性淀粉組成的高強度凝膠，進一步考察其對不同開度裂縫的封堵效果，明確其封竄界限。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

α淀粉：預熟化淀粉，有效含量99.8%，北京化學試劑公司；丙烯酰胺、引發劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺、控制劑Na2SO3，化學純，北京化學試劑公司。模擬地層水，礦化度147879.9 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）為：Na++K+45916.8、Mg2+1329.57、Ca2+10159.08、Cl-89306.35、SO42-954.84、HCO3-213.26。實驗用油為由某致密油田脫氣脫水原油與煤油配制的模擬油，黏度5 mPa·s（地層溫度60℃）。實驗巖心為基質滲透率相同（氣測滲透率約0.4×10-3μm2，與鄂爾多斯長8 儲層性質相同）而裂縫開度分別為0.08、0.42 和0.65 mm 的裂縫巖心，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，具體制作方法：在人工壓制巖心時將事先準備好的一定目數的紗網放入巖心模具中進行壓制。高壓CO2氣瓶，CO2純度為99.9%，北京京高氣體有限公司。

RS-600 型HAAKE 旋轉流變儀，德國哈克公司；驅替裝置包括恒流泵，巖心夾持器，恒溫箱，手搖泵，中間容器，壓力傳感器及配套計算機設備等，具體流程見參考文獻［2］。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性淀粉凝膠體系靜態評價

固定丙烯酰胺單體加量為4%、引發劑加量為0.15%、控制劑加量為0.05%，改變α淀粉加量，在一定溫度（45、60、85、100℃）、剪切速率7.34 s-1下使用HAAKE 旋轉流變儀測定淀粉凝膠成膠前體系的黏度。在剪切速率7.34 s-1、溫度60℃下測定淀粉凝膠成膠后的凝膠強度。

1.2.2 改性淀粉凝膠封堵實驗

封堵實驗具體步驟如下：①將巖心烘干，測量長寬高，計算視體積；②將巖心放入夾持器中，加圍壓，抽真空；③飽和地層水，精確計量飽和水的體積，即巖心的孔隙體積；④連接好設備，設定烘箱溫度為65℃，恒溫后水測滲透率Kf；⑤注入0.1 PV 的淀粉凝膠，注入速率為0.1 mL/min；⑥候凝24 h，觀察凝膠形態；⑦繼續水驅，測定突破壓力和封堵后滲透率Kwb。按式（1）計算堵劑的封堵率E：

1.2.3 驅油實驗

驅油實驗具體步驟如下：①將一定裂縫開度的巖心烘干，測量長、寬、高，計算視體積；②將巖心放入夾持器中，加圍壓，抽真空；③飽和地層水，精確計量飽和水的體積，即巖心的孔隙體積；（4）連接好設備，設定烘箱溫度為65℃，恒溫后水測滲透率并飽和油；（5）注入CO2進行氣驅，注入速率為0.2 mL/min，記錄產油和產氣量（6）氣竄后注入淀粉凝膠，候凝24 h；（7）繼續氣驅，記錄產油和產氣量。

2 結果與討論

2.1 改性淀粉凝膠性能

2.1.1 成膠前的初始黏度

黏度是表征流體運移的重要參數，初始黏度的高低可表征流體注入性的好壞［5］。固定丙烯酰胺單體加量為4%、引發劑加量為0.15%、控制劑加量為0.05%，不同α淀粉加量下的淀粉凝膠體系在成膠前的初始黏度如圖1所示?？梢钥闯?，α淀粉加量一定時，體系的初始黏度隨溫度的升高而降低；溫度一定時，體系的初始黏度隨α淀粉加量的增加而增大，α淀粉加量為5%的淀粉凝膠體系的初始黏度最高。α淀粉加量為3%、4%的淀粉凝膠體系的初始黏度低于60 mPa·s。從封堵裂縫的角度看，該淀粉凝膠體系具有很好的注入性。

圖1 不同濃度淀粉凝膠體系的初始黏度隨溫度的變化

2.1.2 成膠后的凝膠強度

固定丙烯酰胺單體加量為4%、引發劑加量為0.15%、控制劑加量為0.05%，不同α淀粉加量下的淀粉凝膠體系成膠后的儲能模量、損耗模量和凝膠黏度如表1 所示，由凝膠黏度表征成膠后的凝膠強度［6］。由表1可以看出，當單體、引發劑和控制劑加量不變時，淀粉凝膠體系的儲能模量、損耗模量和黏度隨α淀粉加量的增大而增大。當α淀粉加量從3%增至4%時，凝膠黏度從25686 mPa·s增至45752 mPa·s，儲能模量從55.2 Pa增至110.5 Pa。

表1 淀粉加量對凝膠強度的影響

綜上，α淀粉加量為4%的淀粉凝膠最適合封堵裂縫，能同時滿足注入性和封堵強度的性能要求，因此優選α淀粉加量為4%的淀粉凝膠體系作為不同開度裂縫的封堵劑。

2.2 改性淀粉凝膠對不同開度裂縫的封堵性能

優選的α淀粉加量為4%的淀粉凝膠體系對不同開度（0.08、0.42、0.65 mm）裂縫的封堵情況如圖2數4所示。從圖2可知，對于開度為0.08 mm的裂縫巖心，水測滲透率階段的入口端壓力穩定后為252 kPa，巖心滲透率為 1.93×10-3μm2；注入淀粉凝膠體系階段，入口壓力迅速上升，達到3.6 MPa 左右，注入壓力梯度較大；后續水驅階段，入口壓力上升到5 MPa 后便開始持續下降，上升幅度不大，說明對于開度為0.08 mm裂縫，淀粉凝膠的注入性較差，注入時在巖心入口形成端面，封堵效果欠佳。由圖3 可知，對于開度為0.42 mm的裂縫巖心，水測滲透率階段的入口端壓力穩定后為1.6 kPa，巖心滲透率為295.42×10-3μm2；注入淀粉凝膠體系階段，淀粉凝膠開始注入后入口壓力開始上升，但上升幅度逐漸變緩，說明淀粉凝膠可穩定進入裂縫；后續水驅階段，入口壓力迅速上升，上升幅度較大，達到24.9 MPa，說明淀粉凝膠對開度0.42 mm的裂縫巖心的封堵效果很好，封堵率達到99%以上。由圖4可知，對于開度為0.65 mm的裂縫巖心，水測滲透率階段，入口端壓力穩定后為0.9 kPa，巖心滲透率為658.44×10-3μm2；注膠階段，淀粉凝膠開始注入后入口壓力開始上升，最后穩定在2 MPa左右一段時間，說明淀粉凝膠可穩定進入裂縫，后續水驅階段，入口壓力迅速上升，上升幅度較大，達到15.9 MPa，淀粉凝膠對開度為0.65 mm的裂縫巖心的封堵率達92%。

圖2 裂縫開度0.08 mm巖心入口壓力隨注入體積變化

圖3 裂縫開度0.42 mm巖心入口壓力隨注入體積變化

圖4 裂縫開度0.65 mm巖心入口壓力隨注入體積變化

綜上分析，高強度淀粉凝膠對開度為0.42 mm的裂縫巖心的封堵強度最大，封堵效果最好；裂縫開度增至0.65 mm 時，高強度淀粉凝膠的封堵強度下降，封堵效果變差；裂縫開度減至0.08 mm時，因為高強度淀粉凝膠的注入性能較差，封堵效果最差。

2.3 改性淀粉凝膠對不同開度裂縫封堵后提高采收率效果

改變實驗流程，在地層水飽和結束后以0.1數0.2 mL/min的流速飽和油，設置回壓22 MPa模擬地層壓力，進行CO2一次氣驅直至氣竄，然后注入α淀粉加量為4%的淀粉凝膠，候凝24 h 后進行二次氣驅，記錄產油量、產油速率、產氣量、產氣速率以及對應生產壓力，其他條件保持不變，得到不同開度裂縫封堵前和封堵后的氣驅效果。高強度淀粉凝膠對0.08 mm 裂縫封堵后提高采收率效果、采收率和生產氣油比（GOR）隨注入量的變化如圖5 所示。在無氣采油階段，生產氣油比為0，采收率達到25%；在見氣階段，生產氣油比先緩慢上升，一段時間后快速大幅上升，該階段采收率增幅有所下降，采收率達到12.5%；注淀粉凝膠階段，生產氣油比下降，采收率變化不大，后續氣驅階段采收率緩慢上升，達到10%左右，生產氣油比先有所下降再大幅上升，說明淀粉凝膠對開度為0.08 mm 裂縫巖心有封堵效果，可以提高采收率，但基質啟動效果不理想。生產壓差隨注入量的變化曲線如圖6所示。在無氣采油階段，生產壓差逐漸上升；在見氣階段，生產壓差先有所下降后趨于平穩；在注淀粉凝膠階段，生產壓差迅速上升，候凝24 h后，后續氣驅時生產壓差迅速上升，說明入口處淀粉凝膠成膠，之后便開始迅速下降，說明再次發生氣竄。產油速率和產氣速率變化如圖7 所示。在無氣采油階段，產油速率逐漸增大；在見氣階段，產油速率逐漸降低，產氣速率上升；注淀粉凝膠階段，產氣速率下降，產油速率繼續下降；后續氣驅階段，產油速率大幅上升，產氣速率保持較低值，說明淀粉凝膠對0.08 mm 裂縫產生封堵效果，較短時間后產氣速率便大幅度上升，說明氣體繞流回裂縫，再次發生氣竄。

圖5 采收率和生產氣油比隨注入體積的變化（裂縫開度0.08 mm）

圖6 生產壓差隨注入體積的變化（裂縫開度0.08 mm）

圖7 產油速率和產氣速率隨注入體積的變化（裂縫開度0.08 mm）

采用0.42 mm裂縫性巖心模型評價高強度淀粉凝膠對開度0.42 mm 裂縫封堵后提高采收率效果，先進行第一次氣驅，氣油比達到4500后注入0.1 PV淀粉凝膠，候凝24 h 后，繼續注入CO2進行二次氣驅，采收率和生產氣油比隨注入量的變化如圖8 所示。在無氣采油階段，生產氣油比為0，采收率達到17%；在見氣階段，生產氣油比先緩慢上升，一段時間后快速大幅上升，采收率增幅有所下降，采收率達到8%；注淀粉凝膠階段，生產氣油比下降，采收率變化不大；后續氣驅階段，采收率先緩慢上升后大幅度上升，達到28%左右，生產氣油比保持較低值，說明淀粉凝膠對0.42 mm 裂縫巖心的封堵效果明顯，且啟動了基質，大幅提高了采收率。生產壓差隨注入量的變化曲線如圖9所示。在無氣采油階段，生產壓差逐漸上升；在見氣階段，生產壓差先下降后趨于平穩；在注淀粉凝膠階段，生產壓差迅速上升，候凝24 h后，后續氣驅時生產壓差開始上升，上升到較高值后持續一段時間，說明淀粉凝膠已封堵裂縫，開始啟動基質，之后便開始下降，說明再次發生緩慢氣竄。產油速率和產氣速率的變化如圖10 所示。在無氣采油階段，產油速率逐漸增大；在見氣階段，產油速率先上升后逐漸降低，產氣速率上升；在注淀粉凝膠階段，產氣速率下降，產油速率繼續下降，在后續氣驅階段；產油速率緩慢增加后大幅上升，產氣速率保持較低值，說明淀粉凝膠對開度0.42 mm 裂縫巖心的封堵效果較好，可以啟動基質驅油。

圖8 采收率和生產氣油比隨注入體積的變化（裂縫開度0.42 mm）

圖9 生產壓差隨注入體積的變化（裂縫開度0.42 mm）

圖10 產油速率和產氣速率隨注入體積的變化（裂縫開度0.42 mm）

α淀粉加量為4%的高強度淀粉凝膠對0.65 mm裂縫封堵后提高采收率和生產氣油比隨注入量的變化如圖11所示。在無氣采油階段，生產氣油比為0，采收率達到9%；在見氣階段，生產氣油比先緩慢上升，一段時間后快速大幅上升，該階段采收率增幅略有下降，采收率達到8%，在注淀粉凝膠階段，生產氣油比下降，采收率變化不大；在后續氣驅階段，采收率上升，達到18%左右，生產氣油比保持較低值，說明淀粉凝膠對開度0.65 mm 裂縫巖心的封堵效果明顯，且啟動了基質，大幅提高了采收率。生產壓差隨注入量的變化曲線如圖12 所示。在見氣階段，生產壓差先下降后趨于平穩；在注淀粉凝膠階段，生產壓差略有上升，說明注入性很好；候凝24 h后，后續氣驅時生產壓差開始上升，有一定的封堵效果，但由于裂縫開度增大導致封堵強度下降，一段時間后生產壓差開始下降說明再次發生了氣竄。產油速率和產氣速率的變化如圖13 所示。在無氣采油階段，產油速率逐漸增大；在見氣階段，產油速率先上升后逐漸降低，產氣速率上升；在注淀粉凝膠階段產氣速率下降，產油速率先下降后略有上升；在后續氣驅階段，產油速率開始變化不大，一段時間后緩慢上升，產氣速率先保持較低值，隨后開始上升，略有下降后大幅增加直至氣竄，說明淀粉凝膠對開度0.65 mm的裂縫有一定的封堵效果但封堵強度不大。

圖11 采收率和生產氣油比隨注入體積的變化（裂縫開度0.65 mm）

圖12 生產壓差隨注入體積的變化（裂縫開度0.65 mm）

圖13 產油速率和產氣速率隨注入體積的變化（裂縫開度0.65 mm）

不同開度裂縫巖心的巖心參數及α淀粉加量為4%的高強度淀粉凝膠提高采收率效果如表2 所示。由表2 可知，高強度淀粉凝膠對開度0.08 mm的裂縫巖心有提高波及體積的效果，能提高采收率；高強度淀粉凝膠對開度0.42 mm 的裂縫巖心提高采收率效果最明顯；高強度淀粉凝膠對開度0.65 mm 裂縫巖心有一定的提高采收率效果。綜上分析，致密砂巖裂縫性巖心一次CO2氣驅采收率隨裂縫開度的增大而降低；高強度淀粉凝膠對開度0.42 mm裂縫巖心的封堵效果最好，產氣速率最小，產油速率最大，提高采收率幅度最大；裂縫開度增至0.65 mm，產氣速率變大，產油速率變小，提高采收率幅度變小；裂縫開度減至0.08 mm，產氣速率最大，產油速率最小，提高采收率幅度最低。

表2 高強度淀粉凝膠對不同開度裂縫巖心封堵后驅油效果

2.4 改性淀粉凝膠對不同基質滲透率裂縫封堵提高采收率效果

固定裂縫開度為0.42 mm，高強度淀粉凝膠對基質滲透率分別為0.1×10-3μm2和1.2×10-3μm2的裂縫巖心封堵后，采收率和生產氣油比隨注入量的變化如圖14 和圖15 所示，高強度淀粉凝膠封堵后提高采收率效果如表3所示。淀粉凝膠對基質滲透率1.2×10-3μm2的裂縫巖心提高采收率高于對0.1×10-3μm2基質的裂縫性巖心，說明當基質滲透率增大時，向裂縫巖心中注入淀粉凝膠封堵后可以更多地啟動基質中的剩余油。

圖14 采收率和生產氣油比隨注入體積的變化（滲透率0.1×10-3 μm2）

圖15 采收率和生產氣油比隨注入體積的變化（滲透率1.2×10-3 μm2）

表3 不同基質滲透率淀粉凝膠封堵后驅油效果

3 結論

α淀粉加量為4%的淀粉凝膠最適合封堵致密砂巖裂縫性巖心，能同時滿足注入性和封堵強度的性能要求。

該淀粉凝膠對開度0.42 mm裂縫巖心的封堵效果最好，提高采收率幅度最大；裂縫開度增至0.65 mm 或減至0.08 mm，封堵效果均較差，提高采收率幅度變小。該淀粉凝膠對開度0.42 mm裂縫的致密砂巖裂縫性巖心的適應性最好。

基質滲透率越高，CO2驅啟動剩余油越多，淀粉凝膠封堵后提高采收率越高。該淀粉凝膠能啟動基質滲透率為0.1×10-3μm2的低滲透基質。