海上稠油水平井蒸汽驅汽竄封堵體系評價與研究

戎凱旋，宮汝祥，黃子俊，劉光普

（中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海區(qū)域原油黏度大于350 mPa·s 的稠油儲量達到7.8×108t，其中未動用的有6.8×108t。蒸汽吞吐和蒸汽驅是稠油開采的重要手段。海上油田開發(fā)以水平井為主，在進行蒸汽驅的開發(fā)過程中，水平井間汽竄現(xiàn)象明顯。汽竄主要是由于儲層非均質性嚴重，存在高滲條帶，特別是微裂縫帶，原油黏度高，膠結疏松，工藝參數(shù)設計不合理等原因造成的[1-3]。注汽效果變差，蒸汽熱損失嚴重，導致油井產(chǎn)量大幅下降。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽竄引起的井筒和地層熱損失達到注入熱能的40 %～70 %。由于汽竄井的產(chǎn)液量和井口溫度的不斷升高，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了出砂、卡泵、注汽不平衡等復雜問題。蒸汽汽竄嚴重影響了稠油的開發(fā)，已成為一個亟待解決的問題[4-6]。

與直井相比，由于水平井與油層接觸面積更大，水平段距離較長，蒸汽在水平段內流動時，與油層之間熱量交換，導致水平段內不同位置的注汽壓力和蒸汽干度是不同的，從而引起水平段吸汽剖面和吸熱剖面的不均勻，從而更容易發(fā)生汽竄[7]。蒸汽汽竄的最大危害是注入蒸汽繞過高含油區(qū)，減小了驅替波及體積，不能有效利用熱能加熱地層，開發(fā)效果和經(jīng)濟效益較差。許多學者研究并提出了水平井蒸汽汽竄控制的方法和技術，主要包括優(yōu)化注汽工藝、調整注汽參數(shù)、優(yōu)化注汽方式和使用化學劑封堵等。陳森等提出了水平井均勻注汽的方法來抑制蒸汽竄流的發(fā)生。范英才等提出了水平井多點注汽技術[8，9]。

化學封堵是水平井熱采工藝中最重要的技術，特別是開發(fā)出了耐高溫、選擇性堵性強、合成方便、化學性能穩(wěn)定、施工工藝簡單的封堵劑。目前，主要的高溫封堵劑有超細水泥、氮氣泡沫、熱固性樹脂、木質素磺酸鹽、溫敏凝膠等[10]。

1 新型堵劑體系

1.1 注入性

很多堵劑體系的成本相對較高或者受完井方式的限制而無法應用。在當前低油價的情況下，開發(fā)一種低成本、耐高溫的封堵體系是十分必要的。新型低成本耐高溫堵劑體系FPX 是以無機材料、有機材料為誘導劑、表面活性劑為穩(wěn)定劑的無固體顆粒乳液體系，常溫下的黏度約為3 mPa·s。根據(jù)黏溫曲線，可以看出其具有良好的注入性能（見圖1）。該體系的反應機理是：在油藏溫度條件下，通過誘導劑的作用，體系會發(fā)生相變，分子間形成化學鍵會生成晶核并不斷增大，在分子間作用力和黏附力的作用下，晶核聚集成高強度的結構（見圖2）。

圖1 封堵體系FPX 的黏溫曲線

圖2 封堵體系FPX 固化后的微觀結構

1.2 成膠時間

封堵體系最重要的參數(shù)是凝固時間和封堵強度。凝固時間是在不同溫度下測量的（見圖3）。FPX 體系在80 ℃時開始初凝，最終形成塊狀固態(tài)。隨著溫度的升高，凝固時間急劇縮短，直到反應溫度達到200 ℃，當反應溫度大于200 ℃時，凝固時間基本不變。在相同的溫度下，隨著濃度的增加，凝固時間基本不變。這表明，凝固時間不受堵劑濃度的影響（見圖4）。

1.3 耐溫性

耐溫性是評價汽竄堵劑的重要參數(shù)，直接影響堵劑的封堵能力和有效期。采用熱重分析法對FPX 體系在20 ℃～600 ℃的耐溫性進行了評價（見圖5）。隨著溫度的升高，體積保留率降低。實驗結果表明，該材料的耐溫性能可能會隨著溫度的升高變弱。然而，在蒸汽溫度為350 ℃時，F(xiàn)PX 體系的體積保留率仍然在80 %以上，是一個相對較高的水平，該體系完全適用于汽竄通道的封堵。

在注汽過程中，儲層溫度會保持在高溫的狀態(tài)，這就需要堵劑具有長期的耐高溫性能。采用填砂物模實驗對堵劑的長期耐高溫性能進行了評價。在250 ℃下老化，并每隔一段時間測量一次殘余阻力系數(shù)。堵劑的長期耐高溫性能由殘余阻力系數(shù)隨老化時間的變化來表示（見圖6）。結果表明，隨著老化時間的延長，殘余阻力系數(shù)逐漸減小。老化35 d 后，殘余阻力系數(shù)仍保持在15 以上，殘余阻力系數(shù)保留率大于93 %。實驗表明，經(jīng)過35 d 的老化，F(xiàn)PX 體系仍然具有較高的封堵能力，能有效地阻止蒸汽汽竄。

圖3 封堵體系FPX 的凝固時間-溫度曲線

圖4 封堵體系FPX 的凝固時間-濃度曲線

圖5 封堵體系FPX 的體積保留率-溫度曲線

圖6 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-老化時間曲線

1.4 封堵能力

封堵體系凝固后的封堵能力主要受堵劑類型、濃度、儲層滲透率、注入速度等因素的影響。采用填砂物模實驗對不同滲透率和濃度下FPX 體系的封堵能力進行了評價（見圖7）。實驗結果表明，隨著滲透率的增加，殘余阻力系數(shù)減小。蒸汽竄流通道主要存在于高滲區(qū)域，評價堵劑在高滲帶的封堵能力具有重要意義。實驗結果表明，堵劑的封堵能力受到滲透率的限制。當滲透率很大時，堵塞能力差，殘余阻力系數(shù)小。隨著濃度的增加，殘余阻力系數(shù)增大。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率較小，則可以采用低濃度的FPX 體系進行成功的封堵。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率很高，則可能需要高濃度的FPX 體系才能有效封堵。通過調整溶液濃度，可以控制體系的封堵能力，滿足熱采井的需要。

圖7 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-濃度和滲透率關系圖

在堵劑的注入過程中，堵劑需要進入發(fā)生蒸汽竄流的高滲區(qū)，而不是低滲透區(qū)，評價堵劑的選擇性堵性具有重要的意義。采用不同滲透率級差的平行填砂管進行實驗，利用殘余阻力系數(shù)評價其選擇性封堵能力（見圖8）。實驗結果表明，隨著滲透率級差的增大，低滲透填砂管的殘余阻力系數(shù)基本不變，高滲透填砂管的殘余阻力大幅度增加，表明堵劑優(yōu)先進入到高滲透填砂管中，F(xiàn)PX 系統(tǒng)具有一定的選擇性堵塞能力。在相同的注入速度下，由于低黏度，F(xiàn)PX 體系可以選擇性地進入高滲透區(qū)，且注入阻力小。

圖8 平行填砂管物模實驗中封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-滲透率比值

2 均勻封堵汽竄工藝

好的堵劑離不開好的工藝參數(shù)。一個成功的封堵方案不僅需要良好的堵劑體系，還需要合適的工藝參數(shù)，包括段塞設計、堵劑用量、注入量等。針對水平井蒸汽驅汽竄封堵難的問題，通過三維物模實驗和數(shù)值模擬建立了均勻封堵技術。均勻封堵技術的技術核心是高強度段塞與弱強度段塞的交替組合。高強度段塞的作用是封堵蒸汽竄流通道，而弱強度段塞的作用是調節(jié)后續(xù)注汽壓力。

2.1 堵劑組合優(yōu)化

利用注汽井，受效井和非均質填砂模型建立了三維物理模型，該模型包括13 個壓力測量點和溫度測量點（見圖9）。標記①表示注汽井，由不銹鋼管制成，內徑為0.3 mm，長度為30 cm。在不銹鋼管上均勻射孔，直徑為0.1 mm，不銹鋼面包砂篩。在不銹鋼管上均勻分布有一個直徑為0.1 mm 的小孔。不銹鋼用填砂篩網(wǎng)包裹。標記②代表受效井，通過多點測量的方法模擬水平井段，測點均勻分布在高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)。標記③代表壓力測量點和溫度測量點。非均質填砂模型尺寸為40 cm×40 cm×4 cm，模擬的井距為40 cm，水平井段為40 cm。高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)分別占1/3。三個區(qū)域的滲透率分別為500 mD，1 500 mD 和4 500 mD。然后從注汽井將250 ℃的蒸汽注入三維物模中，連續(xù)注入蒸汽8 h 后，獲得加熱后的油藏與初始油藏之間的溫差變化以及壓力變化。

圖9 用于評價堵劑組合類型的三維物理模型

首先，在連續(xù)注汽5 h 后確定非均質模型溫度差和壓力的變化（見圖10）。然后，在相同的注汽量下，將不同組合類型的堵劑段塞分別注入到非均質模型中。最后，在連續(xù)注汽5 h 后，測定不同堵劑注入組合類型的非均質模型的溫度變化和壓力變化（見圖11～圖13）。

在注汽過程中，蒸汽主要進入高滲區(qū)，高滲區(qū)的溫度和壓力變化最大。這是因為蒸汽總是優(yōu)先沿著最大壓降的高滲區(qū)流動。隨著滲透率的降低，蒸汽進入量減少，溫度和壓力差減小，也反映出蒸汽竄流主要發(fā)生在高滲區(qū)。

圖10 連續(xù)注蒸汽5 h 后溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖11 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強-中-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖12 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強-弱-強-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖13 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（弱-強-弱-強）溫度變化（左）和壓力變化（右）

在注入一定量的堵劑段塞后，注汽過程中溫度和壓力發(fā)生了明顯的變化。由于注入堵劑組合類型的不同，溫度變化差異較大，但壓力變化相似，差異主要體現(xiàn)在不同的注汽壓力上。強-中-弱組合堵劑注入之后，高滲區(qū)被堵塞，蒸汽主要分布在中、低滲區(qū)，主要表現(xiàn)為中、低滲區(qū)溫度和壓力升高。但由于強-中-弱組合后置堵劑封堵能力較弱，蒸汽在高、中段塞封堵區(qū)域附近繞流，又重新進入到高滲（見圖11）。

強-弱-強-弱組合段塞注入之后，高滲透區(qū)完全堵塞，蒸汽主要集中在中、低滲透區(qū)。蒸汽波及體積明顯增大（見圖12）。由于弱-強-弱-強組合段塞的前置段塞強度較弱，井底附近的高滲透帶無法完全封堵。然而，通過這種組合，可以有效地阻止蒸汽向高滲透區(qū)流動（見圖13）。后續(xù)注汽過程中，強-中-弱組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最大、弱-強-弱-強組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最小。

2.2 堵劑組合用量優(yōu)化

圖14 不同堵劑用量下的蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力倍數(shù)

堵劑用量的設計非常重要，它不僅關系到堵劑的封堵效果，而且關系到作業(yè)的成本。為了進一步評價封堵劑的封堵效果，定義了兩個評價參數(shù)，分別為蒸汽波及效率和注汽壓力系數(shù)。蒸汽波及效率定義為封堵前后中低滲透層溫度與相應面積乘積的比值。表示堵劑的封堵效應。值越大，封堵效果越好。注汽壓力系數(shù)定義為封堵前后穩(wěn)定注汽壓力的比值。表示堵劑的封堵強度。值越大，封堵強度越高。

采用數(shù)值模擬的方法建立堵劑用量、蒸汽波及系數(shù)與注汽壓力系數(shù)之間的關系（見圖14）。結果表明，隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大。曲線上有一個明顯的拐點。考慮作業(yè)成本和封堵強度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。

高滲透層不僅是蒸汽汽竄的通道，而且是原油滲流的通道。均勻封堵技術的核心是采用高強度段塞與弱強度段塞的交替組合。高強度段塞的作用是封堵蒸汽汽竄通道，而弱強度段塞的作用是調節(jié)后續(xù)注入壓力。從而實現(xiàn)封堵和穩(wěn)定注入壓力的雙重效果。堵劑組合形式可根據(jù)注汽壓力靈活選擇。

3 結論及認識

（1）研制出了一種新型的低成本耐高溫藥劑體系FPX，該體系在室溫下黏度約為3 mPa·s，具有良好的注入性，在80 ℃時開始凝固，最終形成塊狀固態(tài)。該體系能承受350 ℃高溫，殘余阻力系數(shù)高達30，是一個良好的堵劑體系。

（2）針對FPX 體系，建立了適用于海上稠油油藏汽竄問題的均勻封堵技術，采用高強度段塞與弱強度段塞的組合方式，既能有效封堵汽竄通道，又能控制注汽壓力。

（3）當平臺限壓較高時，采用強-中-弱組合類型注入堵劑，封堵效果最好。如果平臺限壓較低時，可以采用弱-強-弱-強組合類型注入堵劑，在對高滲區(qū)進行有效封堵的同時，又能夠保證后續(xù)注汽壓力較低，從而滿足作業(yè)的需要。

（4）隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大，封堵的效果越明顯。考慮作業(yè)成本和封堵強度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。