水平井环空化学封隔器研究及应用进展

柳建新，章 震，陈 通，宋勇东

(长江大学石油工程学院，武汉 430100)

水平井具有穿透油层长、泄油面积大、生产压差低、产量高、投资回收期短、经济效益显著等优点［1］，目前水平井技术已在世界上绝大多数油气产区得到应用，成为油气田开发的一项重要技术。当水平井见水后，由于形成“水脊”，采出液含水会迅速上升。目前水平井一般采用筛管或裸眼完井方式，难以使用机械封隔注入堵剂，采用化学方法封堵可较好地适应堵水要求，其中最核心的技术为“环空化学封隔器(ACP)［1－2］”。通过在割缝套管与井壁之间的环空位置放置封隔材料，形成不渗透的高强度段塞，达到隔离环空区域的目的，再配合管内封隔器实现堵剂的定向注入。常规封隔材料(聚合物凝胶)进入水平环空后，由于重力作用，会发生“重力坍落”—下沉，无法实现水平环空间的完全封隔［3］。

国外ACP技术主要应用于割缝衬管水平井，利用管内跨式封隔器向管内环空注入特殊流体，使其在局部环空形成高强度不渗透的固体阻流环［4］。早期主要采用化学剂笼统注入法，20世纪90年代中期环空封隔技术的提出为割缝衬管水平井堵水技术提供了新的思路。1997年起，Dowell和Schlumberger等公司将该技术应用于矿场，证实其工艺可行性，但从研究水平、应用规模及施工效果看，该项技术研究仍处于发展阶段［4－5］。20 世纪 90 年代后期开始，随着国外相关公司及机构对环空封隔材料的开发及完善，相继开发出水泥基、HPAM 基封隔体系［5－10］，为筛管完井水平井控水技术的发展奠定了基础。国内ACP技术起步较晚，现场应用并不广泛，也没有成熟的配套技术［11］。

随着环空化学封隔堵水技术在不同油田的应用，发现ACP材料的种类和组成对其封堵性能有着显著的影响。因此深入研究ACP材料结构与性能的关系，对开发具有更好封堵性能的ACP材料具有重要意义。笔者对国内外目前研究应用的ACP材料的化学组成、性能和应用情况进行了总结，并分析了存在的问题和发展方向。

1 常见的ACP材料

目前公开报道的ACP材料主要有铝镁混层金属氢氧化物/钠质黏土矿物(MMH/MT)体系、聚合物凝胶类、水泥基类等，部分文献仅报道了ACP材料的性能，并未提供明确的化学组成。

1)MMH/MT体系

MMH/MT体系是一种具有高触变特性、胶凝可控且工艺安全的非牛顿体系［12］。魏发林等［13］报道了一种ACP材料的化学组成:10～30份触变控制剂(MMH/MT)，0.1～10份结构增强剂(溴代烷基乙二铵、酰胺型双子季铵盐表面活性剂)，5～20份强度控制剂(聚丙烯酰胺、间苯二酚等)，0.01～1份交联剂(N－羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按1∶(0.1～5)的质量比组成)。该材料的触变性是通过触变控制剂和结构增强剂合成触变控制组分来实现，加入强度控制剂可提高材料的强度，形成高强度的胶凝段塞，交联剂浓度的变化使材料胶凝时间可控。该体系适用于不同温度的油藏，不受矿化度限制。对于温度为40～90℃的油藏，可直接封堵出水段或辅助后续地层堵剂的注入;对于温度大于90℃的油藏，可作为临时环空封隔器使用，辅助后续地层堵剂的注入。由该体系材料合成的ACP的幂律指数为0.14～0.30，最终触变结构强度为 0.3～1.0 kPa，剪切后静止5～30 s触变结构强度即可恢复。此外材料可在1～6 h内受控胶凝，由具有一定结构强度的触变体变为高强度的黏弹固体，强度提高100～1 000倍。

2)聚合物凝胶类

目前聚合物凝胶类ACP材料主要有丙烯酰胺与瓜胶接枝体系［14］以及丙烯酸与淀粉接枝体系［2］。淀粉或瓜胶与单体(丙烯酰胺或丙烯酸)在引发剂及交联剂的作用下发生接枝共聚，生成ACP材料，在相应酶的作用下材料的降解性能提高，可避免对生产层段产生污染，影响生产产能。

丙烯酰胺与瓜胶接枝共聚交联形成强凝胶［14］，由于其遇水膨胀，可完全填充筛管和井壁环空。在聚合体系中加入甘露聚糖酶降解酶和一定浓度的强氧化剂，可使所研制的封隔材料降解成相对分子质量较小的低聚物，在微生物作用下可完全降解;瓜胶在体系中起着提高材料本体强度的作用;通过改变强度调节剂的加量，可控制材料的强度和持压能力。该类材料具有吸水膨胀性能好、环空充满效果好、强度高、可降解等优点。

丙烯酸与淀粉接枝体系［2］是将丙烯酸、淀粉、淀粉酶和引发剂等混拌溶解均匀，在一定温度和过量氧化剂的条件下发生暴聚，形成强凝胶产物。研究结果表明，该类环空封隔材料聚合时间为24～48 h，聚合后突破压力梯度可达 38 MPa/m，降解时间为24～96 h，具有高弹性、可降解等优点。

3)水泥基类

国外水泥基材料作为ACP材料的开发及应用公司较多，如Chevron，Halliburton，Shell，Schlumberger等公司相继开发出 Maraceal，Permseal，Texplug 等水泥基材料［4］。Chow 等［6］介绍了一种高触变水泥，它以水泥为主要成分，材料的触变性主要来源于体系中加入的高精炼的蒙脱石。连续油管物模的流动实验结果显示，油管下游的材料密度为1.65～1.70 g/cm3，小于预设的密度1.72 g/cm3。上游材料的触变性明显优于下游材料，但给予一定的压力释放时间和额外剪切作用，会显著提升材料的触变性。该类材料一般具有高触变、封隔效果好等优点。

4)其他类

颜明等［11］介绍了一种应用于海上油田的高触变环空化学封隔器材料HTHC(型号为ACPH/45－80)，并与铝镁混层金属氢氧化物(MMH)、三乙醇胺钛/改性纤维素(Ti/HEC)体系的性能进行了对比。发现HTHC的结构恢复更快，且具有良好的静止增黏特性(10 s内结构强度达到200 Pa，为最终强度的66.7%，且恢复后的结构强度高)。此外，HTHC的固化可通过固化树脂实现，固化树脂的质量分数影响固化时间。

周赵川等［3］介绍了一种新型封堵材料CESP。与常规封堵材料相比，CESP具备剪切变稀、剪切静止后结构迅速恢复的高触变特性，2～8 h内胶凝可控，具有较好的热稳定性和高强度。针对渤海油田水平井油层根部气窜问题，采用CESP化学定点封堵技术，结合Y441机械封隔器在筛管内部的机械卡封，可达到封堵目的层段、保留生产层段的目的。

杨振杰等［15］研制了新型 ACP材料XANSP，其主要组分为:结构形成剂(构成ACP的高触变性和网架结构强度，保持ACP在水平环空段的形状)、固化交联剂(构成ACP的界面胶结强度和本体强度)、微膨胀剂(使ACP能够在固化过程中微膨胀，保证填充的密实性)、施工性能调节剂(控制ACP的初凝和终凝时间，保证施工安全)。将XAN－SP按灰水质量比为1.47的比例配成浆体，搅拌 30 min后测得密度为 1.30 g/cm3，100 mL浆体静止2 h后的自由水为0。模拟试验结果表明，XAN－SP具有触变性强、填充形状稳定性好、封隔强度高等优点。

综上所述，ACP材料应具有高强度、高触变、可降解等性能。MMH，HTHC，CESP，XAN －SP和水泥基类材料的触变性能较好，但本身强度不够，很难满足封堵的压力要求，通常需要在体系中加入提高强度的材料;聚合物凝胶类材料的强度较大，但触变性较差，不能够完全充满环空;此外为了在施工结束后解除封堵，ACP材料中还需添加一定量的破胶剂，以实现封堵材料的降解。

2 性能评价方法

ACP材料的主要性能要求如下:1)能有效充填在筛管与地层的环空中，形成具有一定强度的封隔段塞;2)可以避免由于重力作用发生“坍塌”而不能形成完全的封堵;3)施工后期可以完全降解，不污染地层环境。必须利用合理的方法来表征ACP材料的强度、触变性和可降解性能。

2.1 强度

ACP的强度性能主要体现在材料本身的结构强度以及注入环空成胶后的封隔强度，分别采用不同的方法进行评价。

2.1.1 结构强度

ACP材料本身的结构强度可通过持压性能测试来表征。杨振杰等［15］介绍了一种结构强度的评价方法，首先将配制好的材料在规定温度下养护一段时间，模拟材料从地面泵入井下环空中的实际工况，搅拌20 min后放入装有割缝宽度为0.36 mm的模拟实验块的XAN－RC封堵模拟实验流程中，对试样施加水力压力，测定样品被挤出仪器的压力，即为试样材料的持压强度。

2.1.2 封隔强度

ACP材料注入环空成胶后的封隔强度可用抗剪切强度和突破压力梯度(抗窜强度)来评价。程静等［14］介绍了一种抗剪切强度的测试方法，将成胶后的封隔材料切碎，使用水膨胀体强度检测仪进行测试，通过剪切板的最大压力读数为其抗剪切强度的力值，读数除以剪切板面积即为抗剪切强度。

突破压力梯度的测试方法如下:注入1.0 PV封隔材料体系到填砂岩心管中，在60℃水浴中静置一定时间后反向测试突破压力［2，15］。

2.2 触变性

ACP材料的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，可利用扫描电镜进行触变特性的微观研究［12］。对于ACP等分散体系的触变特性评价，目前并无特定方法，常用方法有流动性实验法、滞后环法、恒剪切速率条件下的应力松弛法以及动态实验法等。其中动态实验法较好地保证了受破坏后体系触变结构的静态恢复环境，具有很好的客观性。

2.2.1 流动性实验法［15］

将一定规格的圆筒放在水平玻璃上，将配制好的样品材料搅拌20 min后倒入圆筒，使液面与圆筒上边缘相平，然后用手匀速将圆筒提起，样品自然在水平玻璃面上变形散开成圆形，之后测量直径大小，即为样品的流动性，这种方法很好地体现了样品材料在停止剪切后保持形状的能力。

2.2.2 滞后环法［16］

采用旋转黏度计或高温高压流变仪，从最低速档开始，逐步提高转速，达到最大值后立即逐步降低转速至最小值，同时记录各转速下的应力值，以切变速率或转速对应力作图。通常切变速率或转速增大和减小时2条曲线不重合，出现月牙形滞后环，其面积可表示材料触变性的相对大小;若2条曲线重合，则材料无触变特性。

2.2.3 应力松弛法［17］

恒剪切速率条件下的应力松弛试验［17］是采用循环加载的方式进行，先对样品材料的法向方向加载至预定值，保持法向力不变，进行剪切力加载，加载至预定值后，保持剪切方向变形不变，进行应力松弛试验，待应力松弛至稳定值，进行第二级加载，同样加载至预定值，并保持对应的变形不变，进行应力松弛试验，依此类推。

2.2.4 动态实验法［12］

依据触变结构的时间扫描恢复曲线，对触变结构的恢复情况做定量表征。先用旋转流变仪测定ACP材料的黏度－剪切速率关系，研究材料网络结构的破坏情况;静止后利用动态法测定弹性模量－恢复时间关系，研究网络结构被破坏后的恢复情况。根据储能模量与恢复时间的关系方程和幂律流体方程，拟合得出不同条件下材料的幂律指数及结构恢复速率。

3 应用现状

ACP技术在国内主要应用于受底水脊进、注水锥进、蒸汽气窜等因素影响的油藏［18］，目前已在渤海油田、陆梁油田等地区开展了ACP的现场应用［3，11，14，15，19］。

渤海油田某井［3］采用筛管完井方式，存在出水和气窜的问题，提产后产气量持续上升。该油藏存在的气顶对油藏保压及气驱作用明显，应及时封堵气顶气的产出通道，防止过多的油被滞留地层。因此利用CESP材料对产气层位进行定向封堵，预先注入隔离液，并在管内机械封隔器的辅助下定向注入目的层位。该井在实施堵水措施后日产油达到74 m3，含水率降至1%，日产气由封堵前的8.0×104m3降至1.2×104m3左右，下降了85%，堵气增油效果十分明显。

大港浅10－5H井［14］在钻井过程中由于水平段轨迹控制差，造成部分水平段进入水层，投产后底水很快突破，因含水率达到100%而关井，因此利用聚合物凝胶材料阻断地层水进入盲管段前端的通道。施工过程中首先注入ACP材料保护液，当进出口液性一致时注入堵剂打塞，施工后期注入降解液以降解封隔材料。该井实施堵水作业后初期日产液 5.6 m3，日产油 4.8 t，含水 14.3%，1年中累计增产原油1 000 t，证明高强度、可降解的聚合凝胶材料对水平段具有良好的环空封隔能力和保护作用。

针对水平井出水段定向封堵的技术难题和环空充满阻止流体流动的问题，国外的研究者开展了相应的材料及施工工艺设计。Nigeria油田某井在高渗透地层段采用未胶结的割缝衬管完井，出现大量水侵后利用HPAM基ACP材料进行封堵，3天施工时间中关井2天用于聚合物成胶，施工后含水率下降约70%，产油量相应增长25%［5］。从施工记录中发现，附近有页岩存在时封隔材料的堵水效果优于无页岩存在时的效果。分析认为易受到破坏的页岩对注入的ACP封隔材料有支撑作用，破碎的页岩充当了触变材料的作用，增强了材料的触变性，从而避免材料发生“重力坍落”。

从目前国内外的现场应用情况来看，首先应明确问题的成因，然后结合油藏温度、封堵强度、封堵时间等要求，确定ACP材料的配方组成，合理选择ACP材料，最后根据应用效果进行合理分析和材料化学组成的优化。

4 结语

1)目前常用的ACP材料有MMH/MT体系、水泥基类材料及聚合物凝胶类材料等，其主要性能要求是高强度、高触变性、可降解，但是目前所应用的材料很难同时满足这3种性能要求。

2)在ACP性能评价方面，持压强度测试和突破压力梯度测试等强度评价方法都是结合室内物模开展的;流动性实验法、滞后环法、恒剪切速率条件下的应力松弛法以及动态实验法等触变性评价方法也是在室内仪器结合理论的基础上开展的，尚无统一、公认的评价标准和方法。

3)ACP在一些油田的初期应用效果较好，但是面对复杂的施工环境时，不可避免地会发现材料性能的不足，因此针对不同的油藏特点和施工要求对ACP材料的化学组成进行优化显得尤为重要。

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