凍膠對裂縫性油藏的封堵效果實驗研究

鄧學峰 魏開鵬 方 群

中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院, 河南 鄭州 450006

0 前言

調剖技術是注水油藏開發中常采用的有效方法和工藝技術,凍膠已經成為裂縫性油藏深部封堵[1-13]的主要堵劑,但目前對裂縫內凍膠的封堵效果[14-20]和突破特征的認識還很不足。本文通過室內裂縫可視化模型,研究了凍膠堵劑對裂縫的封堵效果和被注入水突破的特征,明確了凍膠封堵裂縫的適應性和提高封堵效果的關鍵。

1 凍膠封堵裂縫效果的實驗研究方法

1.1 實驗方法和流程

將凍膠注入裂縫模型中,完全填充裂縫并密封注采端口后,將模型置于恒溫水浴中至凍膠完全成膠。將裂縫模型聯入驅替系統,注入水頂替裂縫中凍膠,觀察凍膠被注入水突破的過程,具體實驗流程如下。

1)按比例配制成膠液,0.5%HPAM+0.5%水溶性酚醛樹脂+0.2%氯化銨,并在真空環境下攪拌2 h以除去溶解的空氣。

2)利用Hamilton氣密注射器將成膠液注入裂縫模型中,關閉模型入口端、出口端處的堵頭,并將模型放置在水浴中老化至凍膠成膠。

3)模型取出后冷卻至室溫,并通過聚四氟乙烯管線將裂縫模型與Flow EZ微量氣泵相連。

4)利用胭脂紅染色劑將注入水染成紅色,并通過氣壓泵注入模型中。設置升壓速率恒定為0.1 kPa/s,染色鹽水在氣壓作用下被泵入裂縫模型中。

5)染色鹽水突破凍膠的過程由數碼相機拍攝記錄,并通過壓力傳感器記錄突破過程中的壓差,其中壓力傳感器測得的最高壓差為突破壓力。

1.2 材料與儀器

ME403電子天平,梅特勒—托利多公司;JJ-3 A六連數顯電動攪拌器,江蘇金怡儀器科技有限公司;恒溫水浴鍋,常州申光儀器有限公司;驅替裝置,海安石油科研儀器有限公司。

裂縫模型材質為PMMA(亞克力),同時依據對儲層中裂縫寬度的成果認識,設計裂縫截面分別為3.0 mm×3.0 mm、2.0 mm×2.0 mm和1.0 mm×1.0 mm的正方形,裂縫長度均為100 mm。

2 實驗結果與討論

2.1 注入水突破凍膠結果

注入水突破凍膠主要包括兩個階段:首先是凍膠受壓變形階段,隨注入壓力不斷升高,凍膠沿裂縫產生橫向位移;當注入壓力上升至突破壓力時,裂縫中的凍膠被注入水快速突破,此時注入壓力急劇降低。裂縫寬度不同時,裂縫模型中凍膠被注入水突破的方式也不同:在寬度為1 mm的裂縫模型中,凍膠被注入水整體頂出,凍膠本體保持良好的完整性;在寬度為2 mm、3 mm的裂縫模型中,凍膠被注入水從中部突破,凍膠本體被破壞。

圖1為1 mm×1 mm×100 mm裂縫模型中注入水突破凍膠的過程,其中紅色為注入水,灰色模型中透明部分為裂縫中的凍膠。隨注水頂替開始,注入壓力逐漸增加,凍膠與水接觸面產生“凹型”變形,同時注入水前段不斷變細,有從凍膠中部突破的趨勢。注入開始至10 min 18 s,為凍膠受壓變形階段,凍膠沿裂縫產生橫向位移,此時模型出口未見產出物。10 min 18 s至10 min 30 s,裂縫模型中的凍膠被整體快速頂出,產出的凍膠保持完整。

圖1 1 mm×1 mm×100 mm裂縫模型中注水突破特征圖

圖2和圖3分別為2 mm×2 mm×100 mm和3 mm×3 mm×100 mm裂縫模型中注入水突破凍膠的過程。以圖2為例進行說明,注入開始至6 min 26 s,為凍膠受壓變形階段。6 min 26 s至6 min 27 s,產生第1個凍膠中部突破點,注入水從凍膠中部突破后破壞凍膠本體,注水過流面積快速增加,表現為突破后注入水柱變粗。6 min 28 s 至6 min 29 s,產生第2個突破點,隨后注入水沿凍膠中部完全突破整個裂縫模型。

圖2 2 mm×2 mm×100 mm裂縫模型中注水突破特征圖

圖3 3 mm×3 mm×100 mm裂縫模型中注水突破特征圖

圖4為不同縫寬裂縫模型中注入水突破凍膠時的突破壓力。實驗結果顯示,隨裂縫寬度的增加,突破壓力明顯降低,裂縫寬度增加1 mm,突破壓力降低約30%。

圖4 不同裂縫模型中注水突破壓力圖

2.2 組合體系突破結果

為評價凍膠與預交聯顆粒組合情況下的封堵效果,利用3 mm×3 mm×100 mm裂縫模型開展實驗。實驗方法與步驟不變,只是在裂縫模型中預置預交聯顆粒后再注成膠液。

圖5和圖6分別為裂縫模型中預置少量預交聯顆粒和布滿預交聯顆粒條件下,注入水突破凍膠的過程,圖中透明圓球狀顆粒為預交聯顆粒。圖7為不同預交聯顆粒含量模型中注入水突破堵劑時的突破壓力。

圖5 3 mm×3 mm×100 mm裂縫模型中預置少量預交聯顆粒時注水突破特征圖

圖6 3 mm×3 mm×100 mm裂縫模型中布滿預交聯顆粒時注水突破特征圖

圖7 裂縫模型中預交聯顆粒對凍膠突破壓力的影響圖

1)當裂縫中有少量預交聯顆粒時，注入開始至2 min 5 s,為堵劑受壓變形階段。隨后注入水開始突破凍膠,注入水時而沿預交聯凍膠中部竄進,破壞凍膠本體,時而沿顆粒和裂縫之間的狹窄縫竄進,表現出段塞式頂替凍膠特點,注入水突破堵劑時機較單獨使用凍膠的情況更早。從突破壓力上看,裂縫中有少量預交聯顆粒時的突破壓力也明顯低于單獨使用凍膠時的突破壓力,表明凍膠與少量預交聯顆粒的組合反而降低了封堵強度。

2)當裂縫中布滿預交聯顆粒時，預交聯顆粒和裂縫之間的狹窄縫成為注入水突破凍膠的主要通道。實驗顯示,注入開始至11 min 24 s,為堵劑變形階段。此后,狹窄縫中的凍膠被注入水以段塞的方式頂替出。由于狹窄縫的橫截面積明顯小于模型中裂縫的橫截面積,因此凍膠的突破壓力也明顯提高,凍膠受壓變形階段也明顯延長。

綜合上述,凍膠和少量預交聯顆粒形成的組合體系對裂縫的封堵效果不如單獨凍膠的封堵效果;只有當裂縫中的預交聯顆粒能明顯縮小裂縫寬度時,凍膠和預交聯顆粒的組合才會產生優于單獨凍膠的封堵效果,但達到該條件需要注入大量預交聯顆粒,受限于預交聯顆粒的注入能力,現場實施難度大。

3 結論

通過設計不同裂縫寬度的裂縫模型,開展注入水突破凍膠實驗,評價注入水突破凍膠的特征和凍膠的封堵強度,實驗得出以下結論。

1)裂縫寬度越小,凍膠突破壓力越高。在1 mm寬度裂縫模型中凍膠本體未受破壞被整體頂出;2 mm和 3 mm 寬度裂縫模型中,注入水從凍膠中部突破,表明凍膠本體強度不足,說明提高凍膠本體強度是增強封堵裂縫強度的關鍵。

2)少量預交聯顆粒和凍膠的組合對裂縫的封堵效果弱于單獨凍膠的封堵效果,只有當預交聯顆粒通過布滿裂縫實現縮小裂縫寬度時,預交聯顆粒和凍膠組合的封堵效果才優于單獨凍膠的封堵效果。

3)考慮預交聯顆粒的注入能力,礦場實施調剖封堵裂縫時難以實現用預交聯顆粒對裂縫完全填充。因此,建議封堵裂縫時選擇以凍膠為主體堵劑,同時提高凍膠本體強度是增強封堵強度的關鍵。