耐酸颗粒堵剂在低渗透油田注水井中的应用*

李泽锋，邵秀丽，钱 涛

（1.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安710021；2.川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300）

0 前言

在低渗油田的开采过程中，注水开发是当今最为经济有效的提高采收率技术。在注水过程中，面临注水井“欠注”的问题，即实际注水量不能达到油田开发设定的日注水量，使油田开发的储层能量不能得到有效的供给和补充，影响对应受效油井和井组产量。降压增注技术可以降低注水井的注水压力，提高注水量，是目前解决低渗油田注水井“欠注”问题的有效措施。

对于油压相对较高、以降压增注和调剖为目的注水井，采用颗粒暂堵剂封堵为主，颗粒堵剂注入地层中可以改善地层非均质性［1-5］，其主要作用机理是不同类型的调剖堵水剂在注入油井或水井后，在地层孔隙通道中通过化学或物理作用控制或改变水在地层中的渗流状态，封堵地层裂缝［6-7］。封堵后需对地层进行酸化处理，达到降压增注、提高油田采收率的目的，这就要求颗粒堵剂除了要满足适应地层的各项指标外，还要有较好的抗酸性。

目前我国研制开发的常规无机堵剂、有机凝胶堵剂均因抗酸性能差或强度不够，难以满足油藏堵水和酸化联合作业的要求，同时在地层高矿化度条件下，常规堵剂不具有较好的膨胀性，难以达到施工效果。本文筛选了一种兼具良好抗盐耐酸性的颗粒堵剂SDJ，同时对其各项性能进行了研究和探索，并采用该堵剂进行了现场注水井暂堵酸化作业。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

颗粒堵剂：SAKDI、SAKDII，工业级，石大奥德科技有限公司；NDT-1、NDT-2，工业级，胜利方圆化工分公司；SDJ，工业级，成都科菲特科技股份有限公司；螯合酸，配方为：12%HCl+3%HF+5%羟基乙叉二膦酸HEDP+0.3%EDTA+1.0%CA+0.5%季铵盐缓蚀剂，自制。实验用水为模拟地层盐水，矿化度50000 mg/L，由17.74 g NaCl、2.44 g CaCl2和 5.63 g MgCl2·6H2O加入500 mL纯水中配制而成。

岩心流动仪，江苏华安科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

依照中国石油天然气行业标准SY/T 5590—2004《调剖剂性能评价方法》进行评价实验。

（1）堵剂的膨胀性能测试

在60℃下，在两个250 毫升烧杯中分别加入150 mL 的纯水和矿化度为50000 mg/L 的模拟地层盐水，然后将包有1.0000 g（m1）颗粒堵剂的纱绢袋置于上述烧杯中，一定时间后取出纱绢袋，用纸擦干纱绢袋表面的水，称取吸水后的颗粒堵剂质量m2，m2与m1之比即为颗粒堵剂的膨胀倍数。

（2）堵剂的抗酸性能测试

将吸水后质量为m2的颗粒堵剂置于60℃的15 mL 的鳌合酸中，3.5 h 后取出测剩余颗粒堵剂的质量m3，酸化后m3质量保留值越大，说明颗粒堵剂抗酸性越好，由m3与m1之比计算颗粒堵剂的在酸中的保留膨胀倍数，由式m3与m2之比计算颗粒堵剂在酸中的膨胀保留率。

（3）封堵性能测试

选取填砂管进行岩心驱替实验，实验温度为60℃。将填砂管填砂、称重，以3 mL/min 的流速注入模拟地层水直至饱和，待填砂管出口液体流速稳定后，记录压差p1，称取饱和待测液后填砂管质量，计算填砂管的孔隙度和堵前渗透率K1；从填砂管中取出适量的砂，放入2.0000 g堵剂，测定堵剂在填砂管中的长度L，再注入模拟地层盐水，直至填砂管出口端留下第一滴液体且以后不断有液体流出，此时进口端压力表读数为堵剂的突破压力p2，待流速稳定后记录稳定压差p3，并计算堵后渗透率K2。由K1与K2之差与K1之比计算堵剂的堵水率%，由p3与p1之比计算堵剂的阻力系数，由p2与L 之比计算堵剂的突破压力梯度。

选取现场岩心试样进行岩心驱替实验，将现场岩心试样劈成两半，中间填入颗粒堵剂后利用胶带将劈开的现场岩心试样缠起来，测定颗粒堵剂在现场岩心试样中的封堵效果，实验完成后观察封堵后颗粒堵剂在现场岩心中的膨胀情况。

2 结果与讨论

2.1 颗粒堵剂优选

体膨胀颗粒堵剂适用于非均质性强、大孔道发育和含水率高的油水井的封堵调剖，其工作原理是：在油的作用下堵剂的体积不发生变化，而在水的作用下堵剂的体积发生膨胀，在地层深部产生流动阻力，引起注入水在高渗层和大孔道中分流，并改变方向，同时引起地层压力场和流线场发生改变，进而提高注入水的波及体积，改善注入水的开发效果［8-10］。

由于膨胀性是颗粒堵剂基本性能，抗酸性是颗粒堵剂能否适用于现场酸化增注的重要参考指标，故以颗粒堵剂膨胀性和抗酸性作为评价指标，筛选符合现场需要的性能优良的颗粒堵剂。

在60℃下，SAKDI、SAKDII、NDT-1、SDJ、NDT-2等5种颗粒堵剂分别在纯水和模拟地层盐水中的膨胀倍数随时间的变化见图1 和图2。在纯水中，SAKDI、SAKDII 和 SDJ 显示出较好的膨胀性，60℃下吸水12 h 后，这3 种颗粒堵剂的膨胀倍数依次为15.6、17.1、14.1 倍；在矿化度为 50000 mg/L 的模拟地层盐水中，SDJ显示出较好的膨胀性，吸水12 h后膨胀8倍，其余颗粒堵剂都不足4倍。

图1 不同颗粒堵剂在纯水中吸水膨胀曲线

图2 不同颗粒堵剂在模拟地层盐水中吸水膨胀曲线

将以上分别在纯水和矿化度为50000 mg/L 的模拟地层盐水中吸水膨胀12 h的5种颗粒堵剂置于螯合酸中，3.5 h后堵剂的保留膨胀倍数和保留率实验结果见表1 和表2。颗粒堵剂SDJ 在纯水和模拟地层盐水中吸水膨胀后均有较好的抗酸能力，纯水中吸水后酸化最终保留膨胀倍数为8.0 倍，在模拟地层盐水中吸水后酸化最终保留膨胀倍数为6.1倍，其他几种颗粒堵剂的均不足4.0倍，其中SAKDI的抗酸性能最差，最终膨胀保留倍数仅1.3倍。

综上，颗粒堵剂SDJ 具有较好的吸水膨胀性和抗酸性，能满足现场施工性能要求。

表1 不同颗粒堵剂在纯水中吸水膨胀后在螯合酸中的膨胀保留倍数和保留率（60℃）

表2 不同颗粒堵剂在模拟地层盐水中吸水膨胀后在螯合酸中的膨胀保留倍数和保留率（60℃）

2.2 颗粒堵剂SDJ性能

SDJ 颗粒堵剂主要由丙烯酰胺、含羟基、氨基、磺酸基及阳离子单体交联聚合制备而成，属于交联聚丙烯酰胺类颗粒堵剂，主要靠交联聚合物空间网络吸水溶胀，通过控制交联剂浓度使颗粒堵剂达到最佳凝胶强度，具有优良的抗酸性能。

为满足现场不同裂缝规模地层封堵需要，实验室将SDJ分为3个粒径范围，分别是SDJ-1：160 μm＜Φ＜355 μm；SDJ-2：355 μm＜Φ＜600 μm；SDJ-3：600 μm＜Φ＜1000 μm，对3 个粒径范围的颗粒堵剂SDJ进行性能测试。

2.2.1 颗粒堵剂SDJ的吸水膨胀性

60℃下，3种不同粒径的SDJ-1、SDJ-2、SDJ-3的颗粒堵剂的吸水膨胀倍数随时间变化见图3。颗粒堵剂SDJ 的吸水速率较快，在吸水0.5 h 后，颗粒质量基本保持不变，吸水倍数随着粒径变大稍有降低，但变化不大，SDJ-1、SDJ-2 和SDJ-3 的最终膨胀倍数分别为 14.0、14.1 和 12.2，说明颗粒堵剂 SDJ 具有较好的吸水性。颗粒堵剂SDJ 分子中含有羟基、氨基、磺酸基等亲水基团，在交联剂的作用下发生交联，最终形成不溶于水但在水中能够高度溶胀的凝胶，遇水后能迅速膨胀，大量吸水并将水保存在网状聚合物中间。

图3 颗粒堵剂SDJ在纯水中吸水膨胀曲线

2.2.2 颗粒堵剂SDJ抗盐性

60℃下，将 3 种不同粒径 SDJ-1、SDJ-2、SDJ-3的颗粒堵剂置于矿化度为50000 mg/L 的模拟地层盐水中，堵剂的吸水膨胀倍数随时间的变化见图4。每种粒径的颗粒堵剂SDJ 的最终吸水膨胀倍数均在8.5倍左右，说明颗粒堵剂SDJ具有较强的抗盐性能。这是由于颗粒堵剂中引入的磺酸基拥有稳定的电荷结构，对外界阳离子进攻不敏感，在高离子浓度盐水中使酰胺基得到保护，不易水解。

图4 颗粒堵剂SDJ在模拟地层盐水中吸水膨胀曲线

2.2.3 颗粒堵剂SDJr的抗酸性

分别称取在纯水和模拟地层盐水中吸水膨胀后的颗粒2.0000 g，60℃下置于15 mL 的鳌合酸中，吸水膨胀后堵剂的剩余质量随时间的变化见图5和图6。随着浸泡时间延长，吸水膨胀后的颗粒堵剂质量均逐渐减少；颗粒粒径越大，与酸接触的表面积越小，抗酸能力越好。颗粒堵剂SDJ的结构致密，表面圆润，颗粒保持独立完整的状态，在酸中仍能保持稳定的结构，受酸影响较小。现场施工中应合理控制施工时间，发挥颗粒堵剂的最大作用效果。

图5 SDJ在下纯水中吸水后的抗酸曲线（60℃）

图6 SDJ在模拟地层盐水中吸水后的抗酸曲线

2.2.4 颗粒堵剂SDJ的封堵性

用矿化度50000 mg/L的模拟地层水做驱替液，利用填砂管在60℃下对3种粒径的颗粒堵剂SDJ进行岩心封堵实验，实验结果见表3。实验结果显示，每种粒径的颗粒堵剂SDJ对渗透率为1049×10-3μm2的填砂管都具有良好的封堵能力，封堵率均在99.5%以上，且拥有较高的阻力系数。颗粒堵剂SDJ注入填砂管后在缝隙中填充、吸水膨胀，形成具有一定强度的大颗粒，在孔隙介质中间形成物理堵塞，阻止水流通过或改变水流方向，达到封堵地层水，降低渗透率的目的。

表3 3种粒径的颗粒堵剂SDJ对填砂管的封堵性能

由于低渗油藏中地层岩石致密，孔隙体积小，故SDJ-1 颗粒更加符合现场施工要求。用50000 mg/L的模拟地层水做驱替液，利用现场岩心试样在60℃下对SDJ-1 颗粒堵剂进行岩心封堵实验，压力曲线见图7。

图7 SDJ-1颗粒堵剂现场岩心封堵实验压力曲线

图8 SDJ-1颗粒堵剂现场岩心封堵实验后颗粒膨胀情况

实验结果显示，SDJ-1 颗粒封堵后封堵率为94.7%，阻力系数为2.83，突破压力梯度为35.6 MPa/cm。从图8 可以看出，SDJ-1 颗粒封堵后仍能保持较好的颗粒状，颗粒结构稳定，阻力系数高，对于现场岩心具有良好的封堵能力。

2.3 现场应用效果

现场试验根据低渗透油藏注水井前期注水情况，结合暂堵酸化工艺技术，配套了酸液在线增注和颗粒堵剂搅拌设备。酸液在线增注设备过酸部件全部采用耐酸蚀能力较强的哈氏合金材质组成，耐酸性满足现场作业要求，同时加入自动控制系统和数据采集系统，实现全自动、精细化现场作业。暂堵酸化采取大段笼统合注，利用不同簇间的渗透率和吸水指数不同的特点，暂堵剂优先进入高渗区并且在高渗区近井带形成暂堵，减少高渗区酸液量，实现近井带自然选择性封堵，提高低渗区入酸液量。

图9 地××井暂堵酸化施工曲线

图10 地××井注水剖面改善效果对比

目前完成注水井暂堵酸化3口井（图9，图10），其中地XX井于2010年7月高能气体压裂投注长811层，投注即高压欠注；于2013年、2014年、2017年分别进行3次酸压增注措施，平均有效期6个月，整体措施后有效期短，增注量低，增注压力高。该井长期欠注，机杂堵塞储层深部；多次解堵有效距离短；吸水剖面不均一，指进明显，液体效率低；酸液二次沉淀成分复杂，解堵不彻底。2018年9月，进行了暂堵酸化作业。施工前，注水压力17.0 MPa，日注28 m3，吸水剖面显示该井吸水不均，底部高渗带吸水严重，上段不吸水。施工后，单井日增注量较措施前提高了40.6%，注水压力下降6.0 MPa，降压增注效果显著，吸水剖面得到明显改善。

3 结论

耐酸颗粒堵剂SDJ 具有较好的抗盐性，不同粒径的颗粒堵剂均能保持8.5 倍的吸水倍数，且具有一定的耐酸性能。

耐酸颗粒堵剂可有效封堵大孔喉和裂隙，酸化作业后注水井注水压力降低，注水量提升，注水剖面明显改善，降压增注效果明显。

颗粒堵剂在低渗透油田注水井暂堵酸化作业中具有良好的应用前景。