埕岛油田冻胶调剖剂过滤砂管和填砂管综合剪切性能评价

龚俊 叶俊红 秦永辉 李勇 安继彬 周洪涛

1. 胜利油田公司海洋采油厂；2. 中国石油大学（华东）石油工程学院

埕岛油田位于渤海湾南部极浅海海域，试验区位于埕岛油田主体油藏的中部。油藏温度60～90 ℃，地下原油黏度为41 mPa · s，地层水为NaHCO3型，平均矿化度为4 755 mg/L。该区属于高孔高渗常规稠油岩性构造层状油藏，油水关系比较复杂［1-2］。自1995年投入开发，注水开发过程中，受环境、钻采和海上工程施工能力等条件限制，产能建设时间长，注采比较低，对开发效果产生很大影响。另外，随着开发的进行，油井陆续水淹，含水上升速度快，直接影响到油田的最终开发效果。目前，开发过程中存在的主要问题为：(1)采油速度低，为0.9%，平台寿命期内采出程度低；(2)层间和平面矛盾突出，层间干扰现象严重，水井吸水不均匀，水驱控制程度低(静态水驱控制在60%，动态控制为42%)。目前该区油井综合含水超过80%，必须提高注水开发效果以提高经济效益，调剖是切实可行的技术措施［3-5］。

埕岛油田位于浅海海域，属河流相砂岩油藏，纵向层多、层薄，平面上砂体横向变化大［6］。采用有机铬冻胶作为改善吸水剖面的调剖剂，但海上平台的大部分井都采用防砂管柱，滤砂管的存在会对冻胶调剖体系造成一定的剪切，使得体系黏度下降，影响冻胶的成胶性能，从而影响调剖效果。

田玉芹等［7］模拟滤砂管对化学驱用聚合物的剪切，考察了不同类型的滤砂管对聚合物的剪切效果。对于冻胶剪切稳定的实验，翁蕊等［8］通过搅拌剪切和岩心剪切考察了剪切对低浓度聚合物冻胶的成胶行为影响，史胜龙等［9］则通过搅拌剪切和振荡剪切研究冻胶的动态成胶效果，而对于冻胶过滤砂管及填砂管双重剪切后的研究却较少。因此，自制了一套室内滤砂管剪切性能评价装置，模拟海上注入流程，研究冻胶注入过程中滤砂管及填砂管的双重剪切作用的影响。

1 实验部分

1.1 实验药品

部分水解聚丙烯酰胺：915#-HPAM，工业品，分子量(1 000～1 500)万，固含量＞90%，水解度5%；有机铬交联剂，自制；添加剂：亚硫酸钠，分析纯；埕岛油田平台回注水，如表1所示。

表1 埕岛油田11N平台回注水水质分析Table 1 Analysis on the water quality of the injected water of 11N platform in the Chengdao Oilfield

1.2 实验装置及仪器

自制滤砂管剪切性能评价装置如图1所示，取样口b流出液继续经过填砂管剪切。滤砂管装置主要由配液箱(内有电动搅拌器)、齿轮泵(通过变频器调节排量)、流量调节阀(细调排量)、流量计、滤砂管(模拟滤网部分长0.3 m)、储液箱等部分组成。为考察冻胶的剪切稳定性，在滤砂管两端分别设置取样口a、b，滤砂管装置的内部结构图如图2、3所示。其他仪器：DV-3T旋转黏度计，Brookfield；电热鼓风恒温干燥箱，上海安亭科学仪器有限公司；GL-802A微型台式真空泵，海门市其林贝尔仪器制造有限公司；高温高压流动实验仪，海安石油有限公司。

图1 滤砂管剪切性能评价装置Fig. 1 Device for evaluating the shear performance of sand-screening pipe

1.3 实验方法

(1)在配液箱中以埕岛油田回注水溶解915#-HPAM至形成均一溶液，加入一定量的交联剂和添加剂，搅拌均匀得冻胶基液。

(2)调节变频器和流量调节阀调节相应流量，并从a、b取样口依次取样，用DV-3T旋转黏度计测定剪切前后冻胶基液的黏度；

(3)将测量黏度后的溶液分别装入安瓿瓶，用酒精喷灯密封后放入70 ℃烘箱，记录放入时间并定时观察冻胶的成胶情况；

(4)采用Sydansk提出的强度代码GSC法测定成胶时间［4］，采用“黏度定量突破真空度法”［10］测定成胶后冻胶强度。

(5)取经过滤砂管剪切后的冻胶基液，进一步过填砂岩心(60 cm×5 cm)，考察填砂管剪切后冻胶基液的黏度保留率、冻胶的成胶效果及封堵效果。

图2 滤砂管横切面图Fig. 2 Cross section of sand-screening pipe

图3 滤砂管内部结构图(筛网孔径为170～190目)Fig. 3 Internal structure of sand-screening pipe(screen mesh 170-190)

2 结果与讨论

2.1 模拟排量确定

埕岛油田注水井井身结构中的每段滤砂管一般长10～15 m，需要接入3～5根长为3 m的滤砂管柱，每根管柱实际含滤膜部分长2.6 m，则实际每段滤砂管的滤膜部分长为7.8～13 m。埕岛油田平台注水井日注入量一般在0～500 m3/d，为了实验具有普遍性，选择以100 m3/d(4.17 m3/h)为间隔、实际滤砂管根数为1～5根进行实验，计算出单位滤膜长度所对应的排量，以此计算所设计的剪切装置(滤膜部分长0.3 m)的排量，如表2所示。

由表2可知，根据埕岛油田实际单位滤膜长度的排量得到所设计的滤砂管剪切装置的模拟排量范围为0.10～2.40 m3/h。考虑到室内实验的排量调节，选择以下9个模拟排量进行实验，分别为0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.20、1.50、2.00、2.40 m3/h。

表2 不同数量滤砂管模拟排量计算结果Table 2 Calculation result of the simulated displacement of different quantities of sand-screening pipes

2.2 聚合物浓度对冻胶体系成胶性能的影响

冻胶基液的黏度由聚合物915#-HPAM的浓度(质量分数，下同)决定，首先考察了不同聚合物浓度时，冻胶基液的黏度、成胶时间、冻胶强度及冻胶的稳定性，实验结果如表3所示。

由表3可知，随着聚合物浓度的增加，体系的黏度逐渐增加；当聚合物浓度为0.3%～0.7%时，冻胶基液的黏度为39.4～106.3 mPa · s，均可以有效成胶，且成胶后120 d稳定不脱水。当聚合物浓度为0.8%时，冻胶的成胶速度过快，体系稳定性较差，5 d即发生脱水现象，这是由于聚合物与交联剂之间的过交联引起的；当聚合物浓度低于0.3%，体系不能成胶，这是由于低浓度的聚合物不能提供充足的配位点与交联剂交联，导致网络结构受阻，冻胶不能成胶。而过高浓度的聚合物由于分子间的碰撞、缠绕几率增大，交联配位点多而反应易于进行，成胶时间短，但由于交联剂速度过快，交联反应不易控制。

2.3 滤砂管剪切对冻胶性能的影响

根据表3的结果，选取成胶稳定性较好的聚合物浓度0.3%、0.5%、0.7%的3组冻胶体系，对其基液进行过滤砂管剪切实验，考察滤砂管剪切后冻胶基液的黏度保留率及冻胶的成胶性能。

2.3.1 注入排量对冻胶基液剪切黏度保留率的影响

考察上述3组配方冻胶基液经滤砂管剪切，在不同的注入排量剪切后冻胶基液的黏度保留率，结果如图4所示。

图4 注入排量对冻胶基液剪切黏度保留率的影响Fig. 4 Effect of the injection rate on the viscosity retention rate of gel base fluid after the shear

由图4可知，随着注入排量的增加，过滤砂管剪切后，冻胶基液的黏度保留率逐渐下降，且体系中聚合物浓度越大，过滤砂管剪切后，体系的黏度保留率越小。当聚合物浓度为0.3%、0.5%时，剪切后体系的黏度分别为35.9 mPa · s、56.2 mPa · s，黏度保留率仍大于84%；当聚合物浓度为0.7%时，剪切后体系的黏度为78.3 mPa · s，黏度保留率为73.7%。

2.3.2 注入排量对剪切后冻胶成胶性能的影响

聚合物浓度为0.3%、0.5%、0.7%时，冻胶基液的黏度分别为39.4 mPa · s、66.7 mPa · s、106.3 mPa · s，利用“滤砂管剪切性能评价装置”进行剪切，考察剪切对冻胶的成胶性能的影响。由表4实验结果可以看出，当聚合物浓度为0.3%、0.5%时，随着注入排量的增加，剪切后的冻胶基液的成胶时间稍有增加，但不影响成胶后冻胶的强度；当聚合物浓度为0.7%时，剪切后冻胶的成胶时间稍有增加，成胶后冻胶的强度从0.08 MPa下降到0.078 MPa，下降并不明显。这表明所选用的调剖剂配方在现场应用注入地层的过程中，受到滤砂管剪切影响并不明显，且对冻胶的成胶几乎无影响，可以满足现场施工的要求。

2.4 填砂管剪切对冻胶性能的影响

2.4.1 冻胶基液黏度保留率随注入量的变化

将上述经滤砂管剪切后的冻胶基液(聚合物浓度 0.5%)，通过不同渗透率 (高渗为 5 μm2，低渗为0.5 μm2，地层渗透率范围为 1～5 μm2)的填砂岩心继续剪切，模拟冻胶在地下的剪切过程，考察经填砂管再次剪切后冻胶基液的黏度及封堵效果。由图5实验结果可以看出，低渗透率填砂岩心对冻胶的剪切黏度保留率明显低于高渗透率填砂岩心对冻胶的剪切黏度保留率。随着注入孔隙体积倍数的增加，冻胶经填砂管剪切后的黏度保留率逐渐增加，当注入冻胶基液达到2 PV时，黏度保留率达到稳定，低渗透岩心的黏度保留率为88.1%，高渗透岩心的黏度保留率为94.3%。这是由于冻胶基液在通过填砂岩心的过程中不仅存在剪切，还有一定的吸附。当冻胶基液达到吸附饱和后，黏度保留率达到稳定。

表4 注入排量对剪切后冻胶基液成胶性能的影响Table 4 Effect of the injection rate on the gelling performance of gel base fluid after the shear

图5 剪切后冻胶基液黏度随注入量的变化Fig. 5 Variation of the viscosity of gel base fluid after the shear with the injection rate

2.4.2 冻胶成胶性能随注入量的变化

图6为冻胶体系成胶前后效果对比。冻胶经填砂管剪切后的成胶性能见表5，可以看出，随着注入量增加，剪切后冻胶的成胶时间缩短，成胶强度不受影响。且经高渗透率岩心剪切后冻胶成胶时间要比经低渗透岩心剪切后冻胶的成胶时间短，这表明高渗透岩心对冻胶的剪切作用要弱于低渗透率岩心。

图6 剪切前后冻胶成胶效果Fig. 6 Gelling effect before and after the shear

2.4.3 冻胶封堵性能评价

聚合物浓度为0.5%的冻胶基液，首先经滤砂管剪切，继续经过不同渗透率的岩心填砂管剪切，当冻胶基液剪切后黏度保留率保持稳定时，停止注入，70 ℃下恒温使冻胶成胶，考察剪切后高、低渗填砂管的封堵效果。由表6可知，经滤砂管、填砂岩心综合剪切后，冻胶对岩心的封堵率仍大于95.0%，且对高渗透率岩心的封堵效果要好于低渗透率岩心。

表5 填砂管剪切后冻胶的成胶性能Table 5 Gelling performance of the gel after being sheared by sand pack

表6 冻胶剪切后对填砂管的封堵效果Table 6 Plugging effect of the gel on the sand pack after the shear

3 结论

(1)针对埕岛海上油田冻胶调剖体系，首次系统模拟了海上平台注入过程中滤砂管及地层对冻胶的剪切作用。

(2)在实验设计的排量下，冻胶体系的黏度越大，过滤砂管剪切后体系的黏度保留率越小；当聚合物浓度为0.3%～0.5%时，剪切后黏度保留率大于84%，当聚合物浓度为0.7%时，剪切后体系的黏度保留率为74%。

(3)所优选的冻胶体系过滤砂管剪切后的成胶时间略有增加，但是对成胶后的强度影响不大。

(4)低渗透率岩心对冻胶的剪切作用要强于高渗透岩心的剪切，剪切后的冻胶成胶时间有所增加，但对冻胶强度无影响。剪切后对不同渗透率填砂管的封堵率仍大于95%。