适用于高温高盐油藏裂缝封堵的沥青黏结体系研制及性能

秦 飞， 闻一平， 赖南君， 丁保东， 贾 超， 胡 东， 何 卫

(1.中石化西北油田分公司石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；2.西南石油大学化学化工学院，成都 610500)

注气是世界大部分油田提高采收率的重要措施之一[1-2]。而在注气提高油气田采收率过程中，由于天然因素[3-8]和人工开发过程[9-10]导致油藏出现非均质性，以及受驱替流体和地下油气的不利流度比[11]等因素的影响，使注入气易出现气窜现象。气窜现象的出现，降低了注入气在储层中的波及范围，导致注入气在储层中的利用率低、甚至出现无效循环等不利现象，最终影响气驱的增产效果[12]。

目前，用于封堵气窜的常规工作液体系包括泡沫体系[13-16]、凝胶体系[17-20]和复合泡沫凝胶体系[21-24]等。但随着油气田开发逐渐面向高温、高盐储层[T≥120 ℃，总矿化度(total salinity, TS)≥200 g/L]，以上工作液体系均存在化学稳定性差的缺陷，导致其长期封窜性能不佳。因此，针对高温、高矿化度地层的封窜工作，应首先考虑对双高环境免疫(或受双高恶劣环境影响小)，且长期性能稳定的材料作为封窜措施的主剂。

针对上述措施存在的不利情况，提出采用携带液-沥青和核桃壳这一新型封窜体系对高温、高盐地层裂缝进行封堵。该体系以沥青和核桃壳作为封窜主剂，采用黄原胶作为稠化剂，将沥青与核桃壳携带至目的层位，并利用沥青在高温环境中变为高黏流体，进而使核桃壳黏结成为较大团块对裂缝进行封堵。该体系能够降低恶劣环境对稠化剂的长期增黏性能的要求，仅要求携带液能够携带沥青与核桃壳进入目的层位即可；其次，体系中的沥青、核桃壳原料简单易得，可根据实际地层温度、裂缝孔隙条件分别对沥青软化点及两种材料的粒径等性质进行调整，两种封堵材料受地层恶劣环境影响小，且长期封窜性能良好。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄原胶(干粉)，工业级，纯度99%，内蒙古阜峰生物科技公司生产；石油沥青，软化点分别为60、90、105和 120 ℃，真密度0.98～1.08 g/cm3，河北邯郸延金化工公司；核桃壳，真密度1.52 g/cm3，河南洁康环保科技有限公司；试验配制模拟地层水所用无机盐均购自成都科龙化工试剂厂，采用的模拟盐水组成及总矿化度如表1所示，模拟盐水总矿化度223.07 g/L，密度1.15 g/cm3。

表1 模拟地层水组成

模拟岩心：露头碳酸盐岩，基质渗透率极低，不参与渗流。岩心长度7.05 cm，直径3.81 cm；内部网格状裂缝(模拟气窜通道)，裂缝部分完全对称，缝宽2 mm，缝半深1 mm(总体深度2 mm)，缝间距7 mm。模拟岩心如图1所示。试验前采用环氧树脂对两块岩心进行胶结。

图1 模拟裂缝岩心构造情况

1.2 试验设备

Mastersizer 2000型激光粒度仪(英国Malvern公司)、Brookfield CAP2000型高剪切锥板黏度计(美国Brookfield公司)、Quanta 450型环境扫描电镜(美国FEI公司)、2PB-1040Ⅱ型平流泵(0.01～9.99 mL/min，Pmax=42 MPa，北京卫星制造厂)、MF5712型电子气体流量计(量程0～200 L/min，美国Siargo公司)、岩心夹持器(内径3.80 cm)、活塞容器(Pmax=15 MPa)、SG83-1型双联自控恒温箱(Tmax=350 ℃)、水热反应釜(V=20 mL，Tmax=200 ℃，Pmax=5 MPa)、压力传感器(0～6 MPa)、手摇泵、高压氮气、搅拌器、分样筛。岩心流动试验所采用流程如图2所示。

图2 高温岩心驱替试验流程图

1.3 耐温耐盐封窜体系的配制

取一定体积模拟盐水，开启搅拌器，调节转速为500 r/min，在盐水漩涡臂上匀速洒入一定质量黄原胶干粉；待黄原胶全部溶解后(约1 h)，向溶液中缓慢加入一定质量及目数的沥青粉末、核桃壳颗粒。搅拌4 h后，沥青粉末及核桃壳颗粒均已均匀分散在黄原胶溶液中，得到耐温耐盐封窜体系。图3所示为防窜体系实物图，其中黑色固体为沥青，褐色固体为核桃壳。

1.4 沥青及核桃壳粒径的筛选及确定

根据Abrams[25]提出的1/3架桥规则，在充填粒径d*大于地层孔喉平均直径d的1/3时，充填颗粒会在入口处发生堵塞，滤液会侵入岩石内部；当1/7d

固相架桥颗粒核桃壳分别采用55目、110目分样筛进行筛分；由于沥青不同于核桃壳，其在高温环境中会软化黏结，具有“变形虫”及自动匹配孔隙的能力，故沥青粉末粒径满足注入性即可。此外，采用激光粒度仪对筛分后的沥青及核桃壳粒径进行测定。粒径测定结果如图4、图5所示：核桃壳粒径中值为329.174 μm，与1/3架桥粒度接近；沥青粉末粒径中值为216.618 μm，满足注入性要求。

图3 沥青-核桃壳防窜体系

图4 核桃壳粒径分布情况

图5 沥青粉末粒径分布情况

1.5 沥青高温黏度及其黏结核桃壳性能研究

采用Brookfield CAP2000型高剪切锥板黏度计测定4种石油沥青在130 ℃的表观黏度，锥板转速6 r/min，剪切速率17.7 s-1。另外，取等质量沥青粉末与核桃壳(两者粒径同1.3节)共混，并将混合颗粒加入至高温反应釜中，在130 ℃高温恒温箱放置48 h后取出观察沥青黏结核桃壳颗粒情况。

1.6 核桃壳颗粒悬浮性研究

由1.1节可知，ρ沥青<ρ盐水<ρ核桃壳，根据Stcoks沉降定律，黄原胶溶液可稳定悬浮沥青粉末，由于核桃壳密度明显高于配制盐水，因此黄原胶溶液仅依靠黏度对核桃壳进行悬浮。按照1.3节的方法配制工作液，取质量分数2%的核桃壳(粒径同1.4节)加入至质量分数0.1%～0.6%的黄原胶溶液，观察其常温悬浮核桃壳情况。

在常温基础上研究黄原胶溶液在高温环境(130 ℃)下的悬浮性能，将黄原胶溶液+质量分数为2%核桃壳体系置入高温高压反应釜中，在130 ℃恒温箱中进行高温老化，分别在4、8、12、16、20、24和28 h后从反应釜取出，观察核桃壳的高温悬浮情况。

1.7 封窜体系封窜性能研究

1.7.1 最大注入浓度优选

在对封窜体系封堵性能影响因素进行研究前，需对沥青及核桃壳的最高浓度进行判定。采用黄金分割法[26]配制不同浓度的沥青及核桃壳(m沥青∶m核桃壳=1∶1)，利用岩心流动试验考察体系注入性能，根据黄金分割法不断寻优得到最大注入浓度。具体分割过程为首先根据经验定义两个浓度X1与X2(X2>X1)，对X1、X2注入性进行评价，若X1满足注入性，而X2不满足，则依据黄金分割法确定下两组试验点X3与X4，其计算公式如式(1)、式(2)；而后进一步测试浓度X3与X4注入性，在X3与X4之间继续使用黄金分割逐步优化最大注入浓度。

(1)

(2)

1.7.2 封窜体系封窜性能及其影响因素研究

在确定核桃壳、沥青粒径后，还需要对沥青和核桃壳的浓度，以及沥青软化点进行选择。采用正交试验法优化体系配方，考察以上三组因素对封堵性能的影响情况，设计因素-水平如表2所示。

表2 正交试验因素-水平

岩心驱替试验步骤：①向岩心夹持器中加入胶结好的模拟岩心，手摇泵加围压至5 MPa，以高压氮气瓶作为气源进行驱替，采用电子流量计在岩心夹持器尾端出口处测定不同气驱气压下的气体流速v0(L/min)；②注入封窜体系，直至岩心夹持器尾端流出封窜体系为止(泵注流速0.25 mL/min)，关闭岩心夹持器进、出口阀门，高温老化48 h；③打开夹持器进、出口阀门，再次进行氮气驱替，测定不同气压下岩心夹持器尾端的气体流速v1(L/min)，得到延缓气窜能力数据。

岩心流动试验全程在130 ℃烘箱中进行，为获得详细的防气窜能力数据，采用的气驱气压分别为0.25、1 MPa，测量两个驱替气压下的封堵能力。封窜体系对裂缝的封堵率按式(3)进行计算[27-29]，以封堵前后通过裂缝岩心的气体流速下降程度衡量体系封堵性能。

(3)

式(3)中：W为封堵率，%；v0为注封堵剂前气体流速，L/min；v1为注封堵剂后气体流速，L/min。

1.8 防窜体系封堵裂缝情况研究

对最优方案进行封窜试验后，剖开岩心观察防窜体系在岩心裂缝中分布及封堵情况(宏观)，并取出封窜体系在裂缝内部形成的封堵层，采用环境扫描电镜对其进行形貌分析，观察沥青对核桃壳的黏结效果(微观)。

2 结果及分析

2.1 沥青高温黏度及其黏结性能

由图6可知，随着软化点逐渐升高，石油沥青在130 ℃环境下的表观黏度越大，沥青软化点从60 ℃上升至105 ℃，沥青黏度从3 019 mPa·s增长至8 561 mPa·s，但当沥青软化点增长至120 ℃时，其黏度仅增至9 561 mPa·s，增长较缓慢，以上4种沥青的黏度均能满足黏结核桃壳的要求。理论上，沥青黏度越高，对核桃壳的黏结效果越好，但在实际封堵过程中，不仅要求沥青能够牢固地将核桃壳黏结住，还需要沥青在软化后具备一定的流动性，发挥其“变形虫”作用，将封窜体系内的核桃壳全部黏结，加厚封堵区域，增强封堵性能。因此仅凭黏度测试不能对沥青种类进行选择。

沥青作为封窜体系中的黏结材料，最重要的性能就是黏结核桃壳的能力。将沥青粉末与核桃壳共混并观察其黏结效果。由图7可知，对比黏结前后，黏结前的沥青与核桃壳均呈粉末状，只能采用水平放置俯视观察；在沥青高温黏结后，均能将黏结成块的沥青-核桃壳饼状物垂直放置，且不会出现沥青或核桃壳掉落的现象，试验所采用的不同软化点沥青均能表现良好的黏结能力。

图6 不同软化点沥青-表观黏度(130 ℃，17.7 s-1)

图7 沥青黏结核桃壳情况(从左至右软化点逐渐升高)

2.2 固相颗粒悬浮性能

由图8可知，当黄原胶浓度低于0.2%时，核桃壳颗粒在溶液内分布不均，基本沉积于试管底部；当黄原胶浓度增至0.3%时，溶液即可将核桃壳颗粒稳定悬浮，且分散均匀。但由于实际搅拌过程，尤其在现场施工时，会不可避免混入少量空气，黄原胶在高温环境下易发生热氧降解[30-31]，从而降低甚至失去对核桃壳的悬浮性，无法完成深部封堵任务，因此需要通过高温悬浮性能进一步优化黄原胶浓度。由于黄原胶溶液仅作携带用途，满足其悬浮时间的最低浓度即可，因此对0.3%～0.5%黄原胶溶液的高温悬浮性进行研究。

图8 黄原胶悬浮核桃壳情况(25 ℃，从左至右黄原胶浓度0.1%～0.6%)

图9 高温悬浮核桃壳情况(T=130 ℃，取样时间由左至右为4～28 h)

由图9可知，对0.3%黄原胶溶液在130 ℃高温环境老化12 h以内，基本不会影响黄原胶溶液悬浮核桃壳的性能；但老化时间达到16 h后，可以观察到试管底部出现明显的沉积现象；24 h后，黄原胶溶液基本失去对核桃壳的悬浮能力，溶液所携带的核桃壳颗粒全部沉积在试管底部。对质量分数为0.4%黄原胶溶液，在130 ℃环境下，在前20 h内，悬浮核桃壳性能基本不发生变化；当黄原胶溶液高温24、28 h时，虽然部分核桃壳发生沉积现象，但溶液对核桃壳还有一定的悬浮能力(溶液中部还悬浮一定量的核桃壳颗粒)。当黄原胶浓度增至0.5%，在130 ℃环境下第24 h时，试管底部开始出现明显的核桃壳沉降堆积现象，但溶液仍能够悬浮大部分核桃壳颗粒，至28 h时，与其质量分数为0.4%时相同，黄原胶溶液中部仅能悬浮小部分核桃壳颗粒，试管底部沉积情况与其质量分数为0.4%时类似。

综上，黄原胶浓度在0.5%较0.4%对于核桃壳颗粒的高温悬浮性能并未有明显改善，且黄原胶溶液仅作为悬浮剂将核桃壳颗粒携带至目的层位即可，继续增大黄原胶浓度可能会造成现场泵注压力偏高，综合考虑施工经济成本，确定黄原胶浓度为0.4%。

2.3 沥青-核桃壳体系封堵性能及影响因素分析

2.3.1 封窜体系最大注入浓度的确定

图10所示为黄金分割法优化沥青及核桃壳的最大注入浓度，按照①～⑧的试验次序考察其余浓度组的注入性。标红部分为注入性差的试验组，在注入过程中沥青、核桃壳在岩心入口处发生堵塞；黑色未标红部分为注入过程未发生注入端口堵塞的试验组，试验过程中压力较为平稳，无增长现象。由图10可知，质量分数为0.4%黄原胶溶液携带质量比1∶1的沥青&核桃壳体系，其进入裂缝模型的最高浓度为8%。因此确定2 mm裂缝岩心模型注入该体系的沥青与核桃壳最大浓度均为8%。

图10 黄金分割法优化最大注入浓度

2.3.2 体系封堵性能正交试验结果及分析

根据1.7.2节设置正交方案，其试验结果如表3所示，对该试验结果进行直观分析后的指标结果如表4所示。

由表4可知，核桃壳含量、沥青含量及其软化点的极差分别为45.837、15.002、4.593。因此三因素对封堵体系封窜能力的影响依次为核桃壳含量>沥青含量>沥青软化点，且核桃壳含量对封窜效果的影响程度要远高于沥青含量和软化点。分析认为：核桃壳作为固相架桥颗粒，其d50为330 μm左右，在裂缝通道中起到架起封堵桥梁的作用，若无核桃壳在裂缝中架桥填充部分通道空间，则沥青无可黏结位置，达不到封堵目的，故核桃壳含量为影响封窜效果最大的因素；其次，由2.1节可知，4种沥青均能够很好地黏结核桃壳，黏结性能差别较小，因此沥青软化点对于体系的封窜效果影响最小；沥青含量决定封窜体系在裂缝中黏结的紧密程度，影响气体通过封堵区域的流量。然而缺少核桃壳在裂缝通道中预先架桥，沥青则难以发挥其黏结作用，因此沥青含量影响程度小于核桃壳含量；但不同加量的沥青可以黏结不同加量的核桃壳颗粒，因此封窜性能对于沥青含量变化的敏感性仍要高于沥青软化点。

表3 沥青-核桃壳体系封窜性能正交设计

表4 三因素四水平试验评价指标

核桃壳含量水平趋势如图11所示，随着核桃壳含量的增大，封堵呈先上升后下降再上升的变化趋势，分析认为：核桃壳含量从2%升至4%时，其占据裂缝的空间也明显增大，此时体系对于裂缝的封堵能力得到明显加强；但在体系中沥青含量一定时，沥青所能黏结核桃壳的含量也因此固定，核桃壳含量继续增大(从4%增加至6%)，占据更多体积，使得体系中沥青分布更为分散，单一核桃壳颗粒周边的沥青颗粒数量明显减少，未被黏结的核桃壳数目大大增加，形成自由核壳颗粒，而自由核桃壳填充的封堵区域易被高压气流冲垮甚至裹挟，导致封堵效果降低；随核桃壳含量继续增长(从6%上升至8%)，核桃壳颗粒在裂缝中已经形成了具有一定厚度且具备较强机械封堵强度的封堵层，导致封堵作用又得以增强。

棕色球体为核桃壳；黑色球体为沥青颗粒

棕色为核桃壳颗粒；黑色球体为沥青颗粒

同样地，如图12所示，沥青含量从2%升至4%时，体系中被沥青黏结核桃壳的量得到一定提升，由核桃壳堆积产生的孔隙被沥青进一步填充，气流通过孔隙阻力得以增加，其封堵率有所上升；而体系内的核桃壳含量一定时，体系架桥封堵的能力也随之确定，随沥青含量进一步增大(从4%升至6%)，分布更分散的核桃壳不能有效地建立架桥，此时封堵率随着沥青含量的上升出现微弱下降；当沥青含量继续增长时(从6%升至8%)，沥青颗粒自身也可作为架桥颗粒，并通过彼此的高黏性质黏结实现紧密封堵，增大气流通过裂缝的阻力，导致封堵率在此沥青含量区间内有所上升。

图13 沥青软化点水平趋势

沥青软化点水平趋势如图13所示，随着沥青软化点的上升，其封堵能力出现先升后降的趋势。分析认为：沥青软化点升高时(从60 ℃升至90 ℃)，其黏度提升有利于加强沥青与核桃壳之间黏结的紧固程度，使封堵层不易被高压流体裹挟或冲垮，封堵能力得以提升；另外，软化点90 ℃的沥青流动性较好，在高温环境中由固相转为高黏液相后，因其自身体积增大的缘故，沥青以“变形虫”形式自动对周围的核桃壳架桥孔隙进行填充，减小气流通道，增大气流流动阻力。随沥青软化点继续升高(从90 ℃升至120 ℃)，其表观黏度明显增大，流动性逐渐变差，且高软化点沥青内部尚有较多未转变为液相的部分，因此体积变化较小，此时高软化点沥青更趋于原地软化而非向周围运移并填充核桃壳堆积产生的孔隙，导致封性能下降。此外，该试验结果也与2.1节所得结论得到了印证：从图7中高温前后饼状面积的变化来看，沥青软化点越低，沥青流动性较好，高温后的饼状面积越大，说明沥青高温软化后自动对其周围核桃壳进行黏结；而随沥青软化点升高，沥青流动性差，高温后的饼状物面积增大并不明显，此时沥青趋向于就地对核桃壳进行黏结。

随后，对正交试验所得的最佳配比A4B4C2进行了验证，即8%核桃壳+8%沥青(软化点90 ℃)方案。所得结果如表5所示，最优方案所得的封堵率达到了91.02%(0.25 MPa)和86.24%(1 MPa)，较之正交试验中的第15#组有明显增强。

表5 最优方案封堵气窜能力

2.4 黏结体系在裂缝中分布情况及其微观形貌观察

2.4.1 封窜体系裂缝分布情况

对最优组合的封气窜性能进行测试后，将试验岩心剖开，观察封窜体系在网格裂缝模型中的分布情况。其内部网格分布情况如图14所示。

图14 最优组合在裂缝岩心模型分布情况

岩心裂缝内部中，黑色固体为沥青，其内部分布的部分褐色颗粒为核桃壳。由图14可知，封堵体系在岩心内部网格裂缝各处均匀分布，在裂缝拐角处转向能力好，有利于封窜体系在裂缝中均匀建立阻力。此外，封窜体系在裂缝中能够产生一定的堆积高度，并完全占据裂缝通道，此时体系中的沥青在高温环境下，通过自身高黏特性对核桃壳颗粒进行黏结，降低气流在裂缝中通过的半径，增大气体流动阻力，进一步提高了体系的封堵效果。

2.4.2 封窜体系微观形貌观察

将裂缝岩心剖开后，取出岩心裂缝内部的封堵层，对其微观的黏结形态进行观察，其微观形貌如图15所示，图像中核桃壳呈现疏松多孔的结构，表面较为光滑且黏连成片状的为软化后沥青。由图15可知，沥青对核桃壳进行了黏结和包覆，说明在高温环境中，软化后的高黏沥青对核桃壳颗粒架桥产生的孔隙作进一步的填充，沥青在软化后发挥了“变形虫”特性，能够自动捕捉核桃壳架桥孔隙，使得相邻的核桃壳之间相互黏结，在确保核桃壳颗粒形成的封堵区不被高压气流裹挟而发生运移的同时，增大气流通过裂缝阻力，增强体系封堵效果。

3 结论

(1)根据经典架桥理论及实际岩心的裂缝宽度，确定沥青及核桃壳的粒径范围；并根据黄原胶溶液的常温、高温悬浮核桃壳性能，确定黄原胶溶液浓度(0.4%)。

(2)通过正交试验设计对封堵体系性能影响因素研究结果表明，对封窜性能的影响程度依次为核桃壳含量、沥青含量以及沥青软化点，且体系封窜性能对于核桃壳含量的敏感性明显高于沥青含量及其软化点；而不同软化点沥青在130 ℃环境下对核桃壳黏结效果均良好，黏结性能差别并不明显，故对封堵效果影响最小；但沥青在对颗粒材料保持黏结能力的同时，自身也需具备一定的流动能力，扩大黏结颗粒的范围；因此不同地层温度应选用不同软化点的沥青。

(3)通过正交试验设计得到的最优方案，其在高温、高盐环境下的封堵率达到了86.24%～91.02%，封气窜性能得以明显提升；且环境扫描电镜分析结果显示，沥青作为高温黏结材料，在高温环境下软化发挥其“变形虫”特性，自动填充核桃壳堆积形成的孔隙，并通过包裹和黏结作用固定分散的核桃壳颗粒，进一步增强体系封堵气窜的效果。

图15 不同视野下封堵层微观形貌

(4)研制的防窜体系对裂缝通道形成了有效封堵，封堵后，氮气在裂缝岩心出口流量较之封堵前有明显程度下降。这一体系降低了高温、高盐等恶劣油藏环境对于稠化剂的长期增黏性能要求，仅要求稠化剂携带封堵主体(黏结剂和黏结颗粒)至目的层位即可完成封堵，稠化剂浓度可综合地层温度、地层水矿化度及目的层位距离进行调整；且黏结剂、黏结颗粒材料种类及其粒径可根据实际地层温度、裂缝宽度进行筛选与调节，以确保黏结剂有效充填黏结颗粒在裂缝内部架桥后形成的孔隙空间，进一步降低气窜程度。由于黏结剂与黏结颗粒均为惰性材料，从而保证了防窜体系在恶劣油藏环境下对气窜裂缝通道的长期封堵性能。该防窜体系为解决高温、高盐裂缝性油藏气驱气窜问题提供了思路和方法上的借鉴，为后续其他恶劣油藏环境下的防气窜体系研制提供了理论支持。