水平井化学控水技术研究与应用

李宜坤 魏发林 路海伟 周 燕

1.中国石油勘探开发研究院 （北京 100083）

2.中国石油天然气集团公司 采油采气重点实验室 （北京 100083）

3.中国石油冀东油田分公司 钻采工艺研究院 （河北 唐山 063000）

水平井化学控水技术研究与应用

李宜坤1,2魏发林1,2路海伟3周 燕3

1.中国石油勘探开发研究院 （北京 100083）

2.中国石油天然气集团公司 采油采气重点实验室 （北京 100083）

3.中国石油冀东油田分公司 钻采工艺研究院 （河北 唐山 063000）

针对水平井开发后期的出水问题，结合水平井完井及出水特点，提出了HWSO选择性堵水及ACP控水两个技术思路。研究以及矿场实践表明，对于出水层位不清，或出水层段不能封隔的水平井应用HWSO选择性堵水技术；ACP材料在强度等性能上满足环空充填的需要，可作为直接堵水、管外环空封隔的手段，辅助实现分采、地层注胶堵水等工艺。

水平井 选择性堵水 触变性 环空化学封隔器 矿场试验

中国石油的水平井应用规模不断扩大，但相应的出水问题日益凸显，严重影响了水平井的整体开发效果。

水平井产剖资料少，出水层段不清，且多为筛管完井，这导致水平井堵水面临极大困难。针对出水层段不清的问题，选择性堵水成为可行的技术方向；针对筛管完井方式下的管外窜流问题，管外环空化学封隔（ACP）技术成为解决思路。

介绍了选择性堵水以及ACP控水技术的研究与矿场应用情况，指出了面临的问题，提出了化学控水技术的进一步发展方向。

1 选择性堵水技术与现场应用

1.1 选择性堵水的室内研究

选择性堵水主要是依据堵剂在油、水环境中具有不同的性能，从而产生对油、水渗流的选择性影响（图1）。选择性堵水技术研究始于20世纪80年代，具有巨大的技术优势[1-3]，目前重点在于其性能的完善。

1.1.1 HWSO选择性堵水材料的合成及表征

利用溴化烷基甲基丙烯酸乙酯、MA等单体，在密封通氮条件下反应，然后提纯产物即得HSWO选择性堵水材料。材料可制备成溶液型以及颗粒型（图2）,满足不同油层物性的需要。

其红外光谱如图3所示。从谱图上看，400cm-1、1 660cm-1、1 450cm-1附近出现了强的吸收峰，可以判定酰胺基的存在，由于在主链上引入了带有支链的季铵盐，酰胺的吸收峰有所变宽；此外，2 920cm-1和2 850cm-1附近吸收峰的强度很大，体现出亚甲基的特征。通过在聚合物支链上引入疏水性的十六烷基，聚合物结构得到了改性。

图1 选择性堵水剂作用示意图

图2 HWSO样品

图3 HWSO红外光谱图

1.1.2 HWSO材料选择性评价

用石英砂制作4个岩心，进行室内选择性评价，步骤为：

（1）抽真空，饱和盐水，求孔隙体积后，1、2号注盐水测水相渗透率Kwb，3、4号用煤油驱替水，测油相渗透率Kob。

（2）4个岩心管各注入0.2PV HWSO样品，然后70℃养护。

（3）60天后取出1、2号岩心管，注盐水，分别测1PV……100PV时的水渗透率Kwa1…Kwa100。3、4号岩心反向注煤油，分别测1PV…100PV时的油相渗透率Koa1…Koa100。

岩心选择性封堵实验表明，HWSO材料的无量纲堵水堵油比达5.3（表1）。

1.2 选择性堵水技术矿场应用认识

（1）选择性堵水增油效果呈现渐进式的动态响应，体现了选择性堵水的作用机理，表明了技术路线的合理。选择性堵水材料主要依靠聚合物的分子链在水相中伸展、在油相中收缩，从而形成对水相的“拖曳”作用，降低水相渗透率。在油相中，这种链的收缩是一个渐进的过程，体现在采油动态上是产量的逐渐上升。G104-5P35即体现出这一点。该井位于高浅北区，生产Ng6小层，措施前日产液222.1m3，日产油2.2t,含水99%。笼统注入HWSO堵剂3 070 m3（HWSO-1 2 470m3，HWSO-2 600m3）。措施后，日产液由220m3降低为110m3条件下，产量持续增加，60天后逐步稳定在3.5t，含水96%左右（图4）。印尼umatra油田、Ecuador的Lago Agrio油田的类似矿场实例也呈现类似特点[3，4]。

（2）HWSO堵剂具有对疏松砂岩油藏条件的良好适应性。G104-5P35措施后，截至目前，稳定生产累计9个月，综合含水下降2.9%，累降水1.68万t，增油328.5t，且持续有效，表明了材料的耐冲刷以及热稳定性等可适应疏松砂岩、中等温度的油藏条件。

表1 HWSO选择性封堵性能（70℃）

图4 G104-5P35井采油曲线

（3）根据油藏物性条件的差异，适当加大选择性堵剂用量，提高强度，有利于保证措施效果。G160-P6位于高浅南区，筛管完井。投产NmⅡ21小层，措施前日产液113.2m3，日产油3.3t，含水97.1%。笼统注入HWSO溶液型堵水剂1 200m3，措施初期，日产液由100m3降低为45m3条件下，产油量是逐渐回升的，由0.6m3增至8.9m3，但此后产量持续下降（图5）。与G104-5P35相比，有效期偏短的原因在于堵水剂的量设计偏小，强度也偏弱。对于疏松砂岩油藏，提高强度以及堵剂用量对于保证措施有效期是必要的。

2 ACP控水技术与现场应用

2.1 ACP控水的室内研究

环空化学封隔器（ACP）技术是借助油管和跨式封隔器，在筛管与井壁间的环空放置具备特殊性能的可固化液，形成不渗透的高强度段塞，达到封隔环空的目的，实现管外分段或者直接封隔出水部位（图6）。该技术20世纪90年代始于国外[5－7]，国内中石油勘探院于2006年开始了相关的研究与应用。

2.1.1 ACP材料的触变性

ACP材料开发的关键是其高触变特性，即高剪切下可以流动，剪切降低后又能立即形成网状结构，从而避免常规材料的重力“坍塌”。

以铝镁混层氢氧化物／钠土（MMH／MT）为主，配合纳米增强组分，形成了抗剪切的小分子ACP材料。图7～图8为ACP材料的黏度～剪切速率（·γ～η）、弹性模量～恢复时间（G’～t）关系。实验同时对比了铝镁混层氢氧化物（MMH）以及三乙醇胺钛／羧甲基纤维素(Ti/HEC)材料的相应特性。

从3种材料的幂律指数、表征材料结构恢复速度的值以及恢复后的结构强度看，ACP材料具有更为突出的剪切变稀特性、高的结构恢复速度以及触变结构强度。

2.1.2 ACP材料的可控胶凝特性

ACP材料良好的触变特性使其能够完全填充水平环空，但仅依靠其触变结构强度并不能满足工艺需要，油藏条件下还需具备胶凝特性，能够形成高强不渗透段塞。通过引发体系的调整，ACP材料70℃下2～6h胶凝可控（图9），可由触变流体成为高强粘弹固体（图10）。借助材料的微尺度效应，胶凝材料具有良好热稳定，70℃油藏条件下预计1.5a内可保证有效强度。

2.2 ACP控水技术矿场应用的认识

2007年起，以筛管完井水平井为主，国内率先开展了ACP控水矿场试验，先后实施了ACP直接堵水、ACP管外分段、ACP管外环空封隔－分段测试－地层注胶堵水等，工艺成功率100%，取得了一定的增油降水效果。

图5 G160-P6井采油曲线

图6 ACP作用示意图

图7 ACP材料的剪切变稀特性

图9 ACP材料的可控胶凝特性

图10 ACP材料由触变流体成为粘弹固体

2.2.1 ACP强度满足工艺需要

ACP强度是其用作封隔段塞的重要特性，通过验封工艺，其强度得到了矿场验证。M125-P2试验中，筛管与井壁间形成ACP段塞后，封隔器卡封ACP段塞中部，油管分别打压至10MPa、15MPa，套管均不返液；G104-5P79试验中，筛管外形成ACP段塞后，封隔器卡封ACP段塞中部，套管打压6MPa～7MPa，停泵后,稳定在6.5MPa，10min无压降。

2.2.2 一定条件下，ACP可以实现直接堵水

图8 ACP材料剪切静止后的结构恢复

G160-P4位于高浅南区，生产NgⅠ213层，含水99%，测井找水解释为A端出水严重。实施ACP直接封堵方法后，日产液由270m3降低到210m3情况下，动液面降低150m，产油量2.7t增加至3.8t（最高5.36t），表明井底流压的增大起到了作用；措施后含水由99%降低到97.1%。降低幅度不大的原因可能是ACP用量偏于保守（1.2m3）,其次虽然封堵了2 171.7～2 220.0m的出水段，但仍然有其它出水点，使井底有较强的能量供给。

ACP直接堵水的长期作用依赖于油藏条件，如果ACP放置在页岩层附近，其堵水效果将更加明显。Schlumberger公司在Nigeria油田割缝衬管完井方式水平井堵水施工所作的统计分析也表明了这一点[8]。

2.2.3 ACP作为管外环空封隔手段具有可行性，为实现分段开采提供了可能

M28-P7含水99%，找水测试结果显示主产液段在2 160m以上 （85%），其中2 110～2 160m占50.6%。为此，设计在2 128～2 162m建立ACP段塞，配合管内卡封管柱，开采下部（图11）。

图11 M28-P7井身轨迹以及下部分采示意图

建立ACP段塞后，卡2 151m，油管打压5MPa，套管不返液；下分采管柱后，油管打压8MPa，正测2 151m以下目的井段吸收量，吸收量正常，套管不返液，表明设置的ACP段塞达到了工程目的。

2.2.4矿场试验证实了ACP管外环空封隔－分段测试－地层注胶堵水工艺方法的有效性、合理性与可行性

该工艺思路下，管外AC段塞为分段找水测试创造条件，并进而通过大剂量地层堵剂的注入实现对地层水流通道的封堵，可有效摆脱对找水的依赖，实现控水增油的目的。矿场试验证实了该工艺方法的有效性、合理性与可行性。

G104-5P79是该工艺方法的尝试（图12）。下部设置 ACP段塞后，ACP段塞以下地层顺利注入1 800m3WSO堵剂，在注入800m3地层堵剂前，泵压6MPa，套压为0。这表明一定的油藏条件及工艺方法下，地层堵剂的垂向运移是可能的，这为ACP管外环空封隔－分段测试－地层注胶堵水工艺的可行性与合理性提供了实证，同时也证实了环空中ACP段塞的封隔作用及其轴向的承压能力。措施后该井含水降低25个点左右 （98%降低至73%），油量由2.5t增至4.7t。

图12 G104-5P79工程设计示意图

3 水平井化学控水技术面临的问题及发展方向

水平井化学控水技术在矿场试验见到了增油降水效果，检验了材料性能以及相依的工艺方法，为水平井化学控水技术的进一步深入奠定了基础。

对于出水层位不清，或出水层段不能封隔的水平井可以应用选择性堵水技术，该技术适应性强，技术优势突出；对于筛管完井水平井，ACP技术提供了可行的环空封隔手段。一定条件下，可直接堵水或辅助实现分采、地层注胶堵水等工艺。其中，ACP管外环空封隔－分段测试－地层注胶堵水工艺可有效摆脱出水层位不清的瓶颈，矿场试验效果初步证实了其适应性与合理性。

水平井化学控水技术是涉及油藏、材料、工艺等的系统工程，许多方面仍有待于进一步完善。其中选择性堵水的作用机理及其与油藏的适应性研究有待进一步深入，从而为合成以及工艺设计提供进一步指导；ACP技术方面，对于疏松砂岩油藏，地层出砂导致难以认识的管外砂埋等复杂状况，疏松砂岩存在的井漏问题都使得ACP的运移方向控制出现困难。有待于借助大型物理模拟以及相应数值手段予以深入认识，从而细化工艺。

[1]Stavland A.,Nilsson S..Segregated Flow is the Governing Mechanism of Disproportionate Permeability Reduction in Water and Gas Shutoff[R].SPE 71510,2001.

[2]Zaitoun A..Water Shutoff by Relative Permeability Modifiers[R].SPE 56740,1999.

[3]Di Lullo,G.,Rae P.New Insights Into Water Control-A Reriew of the State of the Art[R].SPE 79963,2002.

[4]Shahab Uddin，Jimmy D Dolan，Ricardo A.Lessons Learned from the Job Using Two New Polymer Systems-A Case History from Wafra Ratawi Field[R].SPE81447,2003.

[5]Saavedra N F，Chemical Wellbore Plug for Zone Isolation in Horizontal Wells[D],Texas A&M University,College Station,Texas(Aug. 1996).

[6]Saavedra N，Mamora D D.Water Shutoff in Horizontal Wells Using Gel Technology[J].Ciencia,Tecnologiay Futuro,published by E-copetrol,Dec.1997.

[7]Mamora D D，Saavedra N，Burnett D，et al.Chemical Wellbore Plug for Zone Isolation in Horizontal Wells[R].SPE 39647,1998.

[8]R Arangth，Mkpasi.Water Shut-off Treatments in Open Hole Horizontal Wells Completed with Slotted Liners[R].SPE74806,2002.

According to the water-out problem at the later period of horizontal well exploration,together with the well completion of horizontal wells and the characteristics of water out,two technical ideas are put forward,which include the selective water shutoff of HWSO and the water control of ACP.The research and the field practice demonstrate that the selective water shutoff technology of HWSO should be applied to horizontal wells with the unclear watered interval and with the water exit interval unable to be sealed and blocked.Then the research and practice also indicate that ACP materials,which satisfy the needs of annulus filling at the property of strengths,can be used as the means of direct water shutoff and annulus block outside the pipe,and thus help to realize the technology of separate production and injected water shutoff.

horizontal wells;selective water shutoff;thixotropy;annulus chemical packer;field test

李宜坤（1965-），男，高级工程师，博士。现主要从事堵水调剖技术研究与应用工作。

路萍

2011-05-23