压裂裂缝充填覆膜支撑剂控水增油实验

王海栋，刘义坤

（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318）

新疆油田老区新建产能措施主要采用直井加密模式，但是压裂后经济效益普遍较低；而水平井加密具有控制面积大、综合成本低、可有效提高采收率等特点［1-2］。2018 年新疆油田八区及莫北2 井区累积实施水平井压裂14 口，完成新建产能2.5×104t，鉴于老区长期注水开发，次生水体发育，水平井压裂后含水率较高，产能均未达到预期效果［3］。2019—2020年新疆油田八区乌尔禾组和莫北2井区三工河组共计划部署水平井34口，预计新建产能为18.1×104t。为有效控制水平井压裂后高含水率问题，进一步推动新疆油田老区产能建设，亟需对剩余部署拟压裂井进行控水增油提效工艺措施研究，为新疆油田老区水平井开发模式提供技术支撑［4-12］。

根据上述问题，以投入产出高、作业实操性强，后期尽可能维护少以及不增添复杂控水装置为目的，通过改变原压裂支撑剂性能，拓展支撑剂除阻止裂缝闭合功能外的附加功能——透油阻水能力，使压裂后裂缝能够具有水相低导流能力和油相高导流能力。2003 年有关研究人员提出了覆膜支撑剂概念，但出发点是为制备低密度支撑剂［13］；2009年，此类支撑剂在辽河腰英台油田得到广泛应用，切实起到了降低支撑剂密度、减少压裂液用量、减轻支撑剂嵌入、提高裂缝导流能力以及延长压裂有效期的目的，但其并未有明显增加水流阻力的控水增油作用［14］；2013 年中国专利公布了一种利用喷涂法制备覆膜疏水支撑剂的方法，但并未对该类型覆膜疏水支撑剂的真实透油阻水能力以及提高采收率效果进行研究［15］；2014—2018 年相关学者对覆膜支撑剂做了许多覆膜方法与膜性能的研究，但多数研究出发点仍是降低支撑剂密度以及对膜的抗压耐磨损性能进行升级［16-17］。为此，笔者在自主研发的覆膜支撑剂能降低或保持原油流动阻力的基础上，增加水相的流动阻力，使压裂裂缝对水相有抑制作用而对油相起到导流作用；此外，压裂裂缝内充填透油阻水支撑剂技术无需预知储层的精细渗透率分布状况，其具有自发性的水来堵水功能，能够进一步提高剩余油采出程度，延长油井生产时间。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验仪器主要包括:大型三维模拟实验装置与数控系统、ESCO 泵、接触角测量仪、气瓶、活塞容器、填砂管、岩心夹持器、回压阀、气体流量计等。实验材料主要包括:40 目数的覆膜支撑剂（自制）、质量分数为5‰的盐水、石英砂、模拟井与人造裂缝。

1.2 实验方法

1.2.1 透油阻水支撑剂的研制

制备一种使水平井压裂裂缝具有阻水不阻油的特殊导流能力的透油阻水支撑剂。制备原理是以荷叶表面疏水微纳结构出发，建立具有低表面能和微尺度粗糙结构的单体支撑剂［18-19］。制备步骤主要包括:将质量为1 000 g的环氧E44（大连齐化化工有限公司）溶解在体积为5 000 mL 的乙酸乙酯溶液（沈阳华东试剂厂）中，然后向混合物中加入体积占比为25%的可溶性聚四氟乙烯（简称PFA，美国杜邦公司），加入体积占比为3%的疏水SiO2纳米粒子构筑微纳结构（阿拉丁试剂有限公司，平均直径为40 nm），加入体积占比为40%的常规支撑剂颗粒。为提高涂层的耐磨性能，超声搅拌1.2 h后再向混合物中加入体积占比为19%的聚氨酯粉末（简称PU，阿拉丁试剂有限公司），继续超声搅拌20 min，然后放进温度为90 ℃的鼓风干燥箱中微震动固化3 h，制得覆膜支撑剂颗粒（图1a—1c）。

图1 覆膜支撑剂及其应用机理Fig.1 Coated proppant and its application mechanism

1.2.2 透油阻水能力实验

以覆膜支撑剂代替常规支撑剂来控水增油的技术（图1d）关键在于掌握支撑剂充填后的透油阻水能力，是老区水平井压裂控水增油技术的前提。因此，应用该技术首先要测试覆膜支撑剂层是否具有透油阻水能力；实验基础是对比具有相等气测渗透能力支撑剂层在不同压力、不同渗透率条件下的透油阻水性能。实验步骤主要包括:①将目数为40目的常规支撑剂装入填砂模型中，按实验流程（图2）连接相应设备与器件。②先以一定压差进行恒压注气，待出气量稳定后再记录下每分钟出气量。③对气测后的充填支撑剂层进行恒压注水实验（恒定压差分别为0.2，0.3，…，6 MPa），记录不同压差下对应的稳定产水速度。④用气体驱填砂管至完全气窜，然后将填砂管放入温度为90 ℃的烘箱内烘干填砂管内束缚水，继续对填砂管进行恒压注油实验，记录不同压差下对应的产油速度。⑤将填砂管内的常规支撑剂换为覆膜支撑剂。先将等体积、等目数的覆膜支撑剂装入填砂管中，以一定压差进行恒压注气，根据记录的稳定产气速度及时调整充填工艺，直到产气速度与步骤②中稳定产气速度相等时，再开展对应的恒压注水及注油实验，并记录不同压差下的产水与产油速度，最后按此实验流程测定其他实验条件对应的支撑剂层透油阻水能力。

图2 透油阻水能力测试实验流程示意Fig.2 Schematic diagram of hydrophobic-lipophilic capacity testing

1.2.3 透油阻水支撑剂控水增油效果实验

图3 控水增油实验装置流程Fig.3 Flow chart of experiment device for controlling water cut to increase oil production

通过三维大型模拟装置（釜体有效体积为500 mm×500 mm×500 mm，内部设置电极探针为25 组，共125 个测点）对不同开采方式条件下的油藏含水饱和度三维场变化进行实时监测，进而揭示控水增油措施效果［20-21］。实验步骤（图3）主要包括:①水平井与裂缝（分别充填常规与覆膜2种支撑剂）同层位布置（井长为30 cm，井筒直径为6 mm，井筒沿程射孔密度为4 孔/cm，射开面积占井筒圆周面积的30%，模拟缝长为15 cm）。布井后使用石英砂填满釜体，装填平均渗透率为1 500 mD，然后设置水体隔断层，距底部10 cm 段为水体层。②饱和水并测得模型砂体的孔隙体积为31.6 L。③饱和油同时建立束缚水饱和度，其值为0.23，实验用原油表观黏度为9 mPa·s，产水速度通过回压阀控制为7～30 mL/min。④对水体隔断层供给恒定压力为0.4 MPa，生产压差为0.2 MPa，对其进行恒压水驱水平井压裂产油实验。⑤记录产油、产水实验数据，同时观察数据采集系统时反演的水体波及状况，实验直至含水率为98%时结束。

2 实验结果与分析

2.1 覆膜支撑剂透油阻水能力与机理

对具有等充填厚度（20 cm）、等气测渗透率条件下的覆膜支撑剂层与常规支撑剂层进行不同驱替压差条件下的透油阻水能力测试实验，绘制驱替压差与产油、产水速度关系曲线（图4a，4b）。覆膜支撑剂充填层的透油及阻水能力增幅计算公式分别为:

从不同充填物性条件下驱替压差与透油能力的关系曲线可知，覆膜支撑剂充填层比常规支撑剂充填层的透油能力高，但都小于10%；随着驱替压差增大，覆膜支撑剂充填层的透油能力增幅整体呈下降趋势，其原因是受界面张力影响的流动阻力与渐大的驱替压差驱动力相比越来越接近于无穷小，但覆膜支撑剂层对原油的透过能力整体来看仍有促进作用，并未增大原油流过的阻力，这有利于提高采收率。支撑剂充填层的渗透率本身对阻水能力就能产生一定影响，阻水能力增幅随充填支撑剂层渗透率的增大而增大，这说明储层渗透能力越小越适用于该技术；对于具有相等透油能力的不同充填支撑剂层，阻水能力受驱替压差影响较大，随驱替压差的逐渐增大，阻水能力逐渐下降。从透油阻水能力受驱替压差影响的增幅分级（表1）可以看出，当驱替压差小于0.6 MPa 时，覆膜支撑剂层既能保证良好的产油能力，又能起到比常规支撑剂层至少增加10%的阻水效果。

图4 不同驱替压差条件下的透油阻水能力测试实验结果Fig.4 Experimental results of hydrophobic-lipophilic capacity under different displacement pressure differences

表1 不同驱替压差对透油阻水能力的影响Table1 Influence of displacement pressure difference on hydrophobic-lipophilic capacity

常压可视条件下，在实验台上分别铺设一层40目、厚度为0.4 cm的普通支撑剂与覆膜支撑剂，然后在支撑剂层表面进行滴水（图1）。实验结果表明，水滴会以一定的流速进入常规覆膜支撑剂层（图1b）；而水滴会以水珠的形态停置在覆膜支撑剂层外无法渗过（图1d），这说明覆膜支撑剂层具有阻水能力；同时，当水珠与支撑剂层表面接触角较大时，支撑剂颗粒层表面显示疏水特性，水滴在其表面保持球形状，这致使球形水滴的流动直径较大，迫使其需要先受挤压、再变形，才能流入颗粒孔隙，而挤压变形需要消耗额外能量，增加的额外流动阻力是起到阻水作用的关键（图1e）。根据图1e 分析水体流入孔隙过程的受力情况，即合外力由岩石骨架支撑阻力、毛管力、重力与摩擦力组成，其中重力影响与水体流动方向有关，毛管力影响受接触角影响，摩擦力与骨架支撑力始终表现为阻力:

2.2 覆膜支撑剂控水增油效果

为进一步说明覆膜支撑剂的透油阻水能力能有效提高油田老区控水增油效果，继续开展相应的3D驱油模拟开发实验（图5）。

图5 3D驱油模拟开发实验Fig.5 Simulation experiment of 3D oil displacement

图5a—5h 为水平井压裂裂缝内充填常规支撑剂开发至含水率为98%时的最终三维油水分布实验结果。结果表明，与水体层的距离越近，同层位的整体波及程度越高；与水平井层位越接近，同层位的波及空间占比越小，但油藏全区的周边部位仍存在未波及区。从图5e—5h 可见，水平井井筒正下方及裂缝正下方垂向覆盖区域的水体波及程度较高，发生了油水界面前缘优先脊进现象。这是由于垂直辐射区流动能量比环绕辐射区的流动能量高，导致直射区水体流动更迅速。整体来看，过早的水淹导致油藏全区剩余油较多，说明水平井压裂裂缝内充填常规支撑剂的波及程度仍有提升空间。

图5i—5p 为水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂开发至含水率为98%时的实验结果。截取与水平井压裂裂缝内充填常规支撑剂开发实验相同部位的剖面对比可知（图5a 与图5i），波及规律基本相近，说明油藏外围动用程度相差无几，即裂缝内充填覆膜支撑剂与常规支撑剂对油藏外围改善效果不显著；对比图5b 与图5j 可知，水平井压裂裂缝内充填常规支撑剂开发实验中仅水平井跟部存在小面积水淹区，而充填覆膜支撑剂开发实验中的水平井跟部水淹区则扩大到了趾端，波及体积明显增加；对比图5c，5d 与图5k，5l 可知，油藏整体的外部波及区略有增加但面积较小，水体依然沿已有通道推进但优势推进区逐渐转化为水平井趾端下方辐射区，这表明水平井趾端下方的波及程度得以改善；对比图5e 与图5m 可知，水平井跟部正下方的波及程度略有增加，但增幅较小；对比图5f，5g，5h 与图5n，5o，5p 可知，靠近水平井跟部的裂缝1 下方水淹区几乎无变化，但裂缝2 和裂缝3 下方的水侵前缘均上升，波及程度增大；这表明水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂后，当水体前缘推进至裂缝1 或裂缝任意点M 处后，由于覆膜支撑剂的阻水能力，使M 处允许水体前缘通过并进入裂缝内或井筒内的能力减弱，从而降低水平井井筒内含水率上升速度，使已形成的水窜优势通道（水体层至裂缝1 或M点）中的水相流动能力变差，迫使其他区域（图5o，5p）的裂缝2 和裂缝3 下方水相优先推进，从而增大剩余油的动用程度。

动用研究区水平井压裂裂缝内充填覆膜和常规2 种支撑剂的开发方式所对应的生产结果（图6）表明，当含水率为98%时，水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂的最终采收率比充填常规支撑剂的高3.95%，增加期主要表现在见水后油水两相流动期；见水前2 种开发方式的生产数据基本相同，见水后水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂的含水率上升速度较慢，进一步说明覆膜支撑剂起作用时机为水头前缘到达裂缝层位后，水头未至裂缝层位前油藏内的油水流动规律与裂缝内充填常规支撑剂的油水流动规律基本一致，而对于充填覆膜支撑剂的裂缝，当水头前缘到达裂缝的任意点M 处时，由于裂缝内的覆膜支撑剂层对水相能自发产生附加渗流阻力，从而降低水相通过能力，迫使该水窜优势通道变为相对的惰性条带，进而使水相剖面反转波及剩余油区，从而提高采收率。

图6 水平井压裂裂缝内充填覆膜和常规支撑剂的开发方式所对应的生产结果Fig.6 Development result of horizontal wells with fractures filled with coated proppants and conventional proppants respectively

3 结论

在低驱替压差生产条件下，水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂具有良好的透气、透油和阻水效果，其更适用于低渗透储层。覆膜支撑剂堆叠厚度为20 cm 时所对应的阻水最佳驱替压差为0.2 MPa，驱替压差小于0.4 MPa 时阻水效果良好，驱替压差大于0.6 MPa 后阻水性能与常规支撑剂的基本一致。

水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂比充填常规支撑剂具有抑制见水后含水率上升速率和弱化优势流道的效果，会形成部分剖面反转效应，从而延长生产时机、增大未波及区动用程度，开发至含水率为98%时，前者比后者采收率增加3.95%。水平井压裂裂缝内充填覆膜支撑剂的阻水机理是覆膜支撑剂表面疏水涂层使水滴在其表面力图保持球形特征，当球形水滴进入颗粒孔隙间狭窄入口处时需要消耗额外附加阻力，从而降低水相流动能力。

符号解释

δo——透油能力增幅，%；δw——阻水能力增幅，%；Q(o,cp1)——充填常规支撑剂时不同压力对应的产油速度，mL/min；Q(o,cp2)——充填覆膜支撑剂时不同压力对应的产油速度，mL/min；Q(w,cp1)——充填常规支撑剂时不同压力对应的产水速度，mL/min；Q(w,cp2)——充填覆膜支撑剂时不同压力对应的产水速度，mL/min；F——合外力，N；pC——毛管力，N/m2；FN1——岩石骨架左侧接触壁面的支撑阻力，N；FN2——岩石骨架右侧接触壁面的支撑阻力，N；α1——岩石骨架左侧与水珠外壁的夹角，（°）；α2——岩石骨架右侧与水珠外壁夹角，（°）；ρ——水相密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；V——水珠体积，m3；f——摩擦力，N；σ——界面张力，N/m；θ——接触角，（°）；r——支撑剂粒间孔隙半径，m。