戎凱旋，宮汝祥，黃子俊，劉光普

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海區(qū)域原油黏度大于350 mPa·s 的稠油儲(chǔ)量達(dá)到7.8×108t，其中未動(dòng)用的有6.8×108t。蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)是稠油開(kāi)采的重要手段。海上油田開(kāi)發(fā)以水平井為主，在進(jìn)行蒸汽驅(qū)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水平井間汽竄現(xiàn)象明顯。汽竄主要是由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重，存在高滲條帶，特別是微裂縫帶，原油黏度高，膠結(jié)疏松，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理等原因造成的[1-3]。注汽效果變差，蒸汽熱損失嚴(yán)重，導(dǎo)致油井產(chǎn)量大幅下降。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽竄引起的井筒和地層熱損失達(dá)到注入熱能的40 %～70 %。由于汽竄井的產(chǎn)液量和井口溫度的不斷升高，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了出砂、卡泵、注汽不平衡等復(fù)雜問(wèn)題。蒸汽汽竄嚴(yán)重影響了稠油的開(kāi)發(fā)，已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[4-6]。

與直井相比，由于水平井與油層接觸面積更大，水平段距離較長(zhǎng)，蒸汽在水平段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與油層之間熱量交換，導(dǎo)致水平段內(nèi)不同位置的注汽壓力和蒸汽干度是不同的，從而引起水平段吸汽剖面和吸熱剖面的不均勻，從而更容易發(fā)生汽竄[7]。蒸汽汽竄的最大危害是注入蒸汽繞過(guò)高含油區(qū)，減小了驅(qū)替波及體積，不能有效利用熱能加熱地層，開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益較差。許多學(xué)者研究并提出了水平井蒸汽汽竄控制的方法和技術(shù)，主要包括優(yōu)化注汽工藝、調(diào)整注汽參數(shù)、優(yōu)化注汽方式和使用化學(xué)劑封堵等。陳森等提出了水平井均勻注汽的方法來(lái)抑制蒸汽竄流的發(fā)生。范英才等提出了水平井多點(diǎn)注汽技術(shù)[8，9]。

化學(xué)封堵是水平井熱采工藝中最重要的技術(shù)，特別是開(kāi)發(fā)出了耐高溫、選擇性堵性強(qiáng)、合成方便、化學(xué)性能穩(wěn)定、施工工藝簡(jiǎn)單的封堵劑。目前，主要的高溫封堵劑有超細(xì)水泥、氮?dú)馀菽峁绦詷?shù)脂、木質(zhì)素磺酸鹽、溫敏凝膠等[10]。

1 新型堵劑體系

1.1 注入性

很多堵劑體系的成本相對(duì)較高或者受完井方式的限制而無(wú)法應(yīng)用。在當(dāng)前低油價(jià)的情況下，開(kāi)發(fā)一種低成本、耐高溫的封堵體系是十分必要的。新型低成本耐高溫堵劑體系FPX 是以無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料為誘導(dǎo)劑、表面活性劑為穩(wěn)定劑的無(wú)固體顆粒乳液體系，常溫下的黏度約為3 mPa·s。根據(jù)黏溫曲線，可以看出其具有良好的注入性能（見(jiàn)圖1）。該體系的反應(yīng)機(jī)理是：在油藏溫度條件下，通過(guò)誘導(dǎo)劑的作用，體系會(huì)發(fā)生相變，分子間形成化學(xué)鍵會(huì)生成晶核并不斷增大，在分子間作用力和黏附力的作用下，晶核聚集成高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖1 封堵體系FPX 的黏溫曲線

圖2 封堵體系FPX 固化后的微觀結(jié)構(gòu)

1.2 成膠時(shí)間

封堵體系最重要的參數(shù)是凝固時(shí)間和封堵強(qiáng)度。凝固時(shí)間是在不同溫度下測(cè)量的（見(jiàn)圖3）。FPX 體系在80 ℃時(shí)開(kāi)始初凝，最終形成塊狀固態(tài)。隨著溫度的升高，凝固時(shí)間急劇縮短，直到反應(yīng)溫度達(dá)到200 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度大于200 ℃時(shí)，凝固時(shí)間基本不變。在相同的溫度下，隨著濃度的增加，凝固時(shí)間基本不變。這表明，凝固時(shí)間不受堵劑濃度的影響（見(jiàn)圖4）。

1.3 耐溫性

耐溫性是評(píng)價(jià)汽竄堵劑的重要參數(shù)，直接影響堵劑的封堵能力和有效期。采用熱重分析法對(duì)FPX 體系在20 ℃～600 ℃的耐溫性進(jìn)行了評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖5）。隨著溫度的升高，體積保留率降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料的耐溫性能可能會(huì)隨著溫度的升高變?nèi)?。然而，在蒸汽溫度?50 ℃時(shí)，F(xiàn)PX 體系的體積保留率仍然在80 %以上，是一個(gè)相對(duì)較高的水平，該體系完全適用于汽竄通道的封堵。

在注汽過(guò)程中，儲(chǔ)層溫度會(huì)保持在高溫的狀態(tài)，這就需要堵劑具有長(zhǎng)期的耐高溫性能。采用填砂物模實(shí)驗(yàn)對(duì)堵劑的長(zhǎng)期耐高溫性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在250 ℃下老化，并每隔一段時(shí)間測(cè)量一次殘余阻力系數(shù)。堵劑的長(zhǎng)期耐高溫性能由殘余阻力系數(shù)隨老化時(shí)間的變化來(lái)表示（見(jiàn)圖6）。結(jié)果表明，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余阻力系數(shù)逐漸減小。老化35 d 后，殘余阻力系數(shù)仍保持在15 以上，殘余阻力系數(shù)保留率大于93 %。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)35 d 的老化，F(xiàn)PX 體系仍然具有較高的封堵能力，能有效地阻止蒸汽汽竄。

圖3 封堵體系FPX 的凝固時(shí)間-溫度曲線

圖4 封堵體系FPX 的凝固時(shí)間-濃度曲線

圖5 封堵體系FPX 的體積保留率-溫度曲線

圖6 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-老化時(shí)間曲線

1.4 封堵能力

封堵體系凝固后的封堵能力主要受堵劑類型、濃度、儲(chǔ)層滲透率、注入速度等因素的影響。采用填砂物模實(shí)驗(yàn)對(duì)不同滲透率和濃度下FPX 體系的封堵能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖7）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著滲透率的增加，殘余阻力系數(shù)減小。蒸汽竄流通道主要存在于高滲區(qū)域，評(píng)價(jià)堵劑在高滲帶的封堵能力具有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堵劑的封堵能力受到滲透率的限制。當(dāng)滲透率很大時(shí)，堵塞能力差，殘余阻力系數(shù)小。隨著濃度的增加，殘余阻力系數(shù)增大。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率較小，則可以采用低濃度的FPX 體系進(jìn)行成功的封堵。如果蒸汽竄流區(qū)域的滲透率很高，則可能需要高濃度的FPX 體系才能有效封堵。通過(guò)調(diào)整溶液濃度，可以控制體系的封堵能力，滿足熱采井的需要。

圖7 封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-濃度和滲透率關(guān)系圖

在堵劑的注入過(guò)程中，堵劑需要進(jìn)入發(fā)生蒸汽竄流的高滲區(qū)，而不是低滲透區(qū)，評(píng)價(jià)堵劑的選擇性堵性具有重要的意義。采用不同滲透率級(jí)差的平行填砂管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用殘余阻力系數(shù)評(píng)價(jià)其選擇性封堵能力（見(jiàn)圖8）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著滲透率級(jí)差的增大，低滲透填砂管的殘余阻力系數(shù)基本不變，高滲透填砂管的殘余阻力大幅度增加，表明堵劑優(yōu)先進(jìn)入到高滲透填砂管中，F(xiàn)PX 系統(tǒng)具有一定的選擇性堵塞能力。在相同的注入速度下，由于低黏度，F(xiàn)PX 體系可以選擇性地進(jìn)入高滲透區(qū)，且注入阻力小。

圖8 平行填砂管物模實(shí)驗(yàn)中封堵體系FPX 的殘余阻力系數(shù)-滲透率比值

2 均勻封堵汽竄工藝

好的堵劑離不開(kāi)好的工藝參數(shù)。一個(gè)成功的封堵方案不僅需要良好的堵劑體系，還需要合適的工藝參數(shù)，包括段塞設(shè)計(jì)、堵劑用量、注入量等。針對(duì)水平井蒸汽驅(qū)汽竄封堵難的問(wèn)題，通過(guò)三維物模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬建立了均勻封堵技術(shù)。均勻封堵技術(shù)的技術(shù)核心是高強(qiáng)度段塞與弱強(qiáng)度段塞的交替組合。高強(qiáng)度段塞的作用是封堵蒸汽竄流通道，而弱強(qiáng)度段塞的作用是調(diào)節(jié)后續(xù)注汽壓力。

2.1 堵劑組合優(yōu)化

利用注汽井，受效井和非均質(zhì)填砂模型建立了三維物理模型，該模型包括13 個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)和溫度測(cè)量點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。標(biāo)記①表示注汽井，由不銹鋼管制成，內(nèi)徑為0.3 mm，長(zhǎng)度為30 cm。在不銹鋼管上均勻射孔，直徑為0.1 mm，不銹鋼面包砂篩。在不銹鋼管上均勻分布有一個(gè)直徑為0.1 mm 的小孔。不銹鋼用填砂篩網(wǎng)包裹。標(biāo)記②代表受效井，通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量的方法模擬水平井段，測(cè)點(diǎn)均勻分布在高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)。標(biāo)記③代表壓力測(cè)量點(diǎn)和溫度測(cè)量點(diǎn)。非均質(zhì)填砂模型尺寸為40 cm×40 cm×4 cm，模擬的井距為40 cm，水平井段為40 cm。高滲區(qū)，中滲區(qū)和低滲區(qū)分別占1/3。三個(gè)區(qū)域的滲透率分別為500 mD，1 500 mD 和4 500 mD。然后從注汽井將250 ℃的蒸汽注入三維物模中，連續(xù)注入蒸汽8 h 后，獲得加熱后的油藏與初始油藏之間的溫差變化以及壓力變化。

圖9 用于評(píng)價(jià)堵劑組合類型的三維物理模型

首先，在連續(xù)注汽5 h 后確定非均質(zhì)模型溫度差和壓力的變化（見(jiàn)圖10）。然后，在相同的注汽量下，將不同組合類型的堵劑段塞分別注入到非均質(zhì)模型中。最后，在連續(xù)注汽5 h 后，測(cè)定不同堵劑注入組合類型的非均質(zhì)模型的溫度變化和壓力變化（見(jiàn)圖11～圖13）。

在注汽過(guò)程中，蒸汽主要進(jìn)入高滲區(qū)，高滲區(qū)的溫度和壓力變化最大。這是因?yàn)檎羝偸莾?yōu)先沿著最大壓降的高滲區(qū)流動(dòng)。隨著滲透率的降低，蒸汽進(jìn)入量減少，溫度和壓力差減小，也反映出蒸汽竄流主要發(fā)生在高滲區(qū)。

圖10 連續(xù)注蒸汽5 h 后溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖11 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強(qiáng)-中-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖12 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱）溫度變化（左）和壓力變化（右）

圖13 連續(xù)注蒸汽5 h 后，注入堵劑組合（弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)）溫度變化（左）和壓力變化（右）

在注入一定量的堵劑段塞后，注汽過(guò)程中溫度和壓力發(fā)生了明顯的變化。由于注入堵劑組合類型的不同，溫度變化差異較大，但壓力變化相似，差異主要體現(xiàn)在不同的注汽壓力上。強(qiáng)-中-弱組合堵劑注入之后，高滲區(qū)被堵塞，蒸汽主要分布在中、低滲區(qū)，主要表現(xiàn)為中、低滲區(qū)溫度和壓力升高。但由于強(qiáng)-中-弱組合后置堵劑封堵能力較弱，蒸汽在高、中段塞封堵區(qū)域附近繞流，又重新進(jìn)入到高滲（見(jiàn)圖11）。

強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱組合段塞注入之后，高滲透區(qū)完全堵塞，蒸汽主要集中在中、低滲透區(qū)。蒸汽波及體積明顯增大（見(jiàn)圖12）。由于弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)組合段塞的前置段塞強(qiáng)度較弱，井底附近的高滲透帶無(wú)法完全封堵。然而，通過(guò)這種組合，可以有效地阻止蒸汽向高滲透區(qū)流動(dòng)（見(jiàn)圖13）。后續(xù)注汽過(guò)程中，強(qiáng)-中-弱組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最大、弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)組合封堵后的后續(xù)注汽壓力最小。

2.2 堵劑組合用量?jī)?yōu)化

圖14 不同堵劑用量下的蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力倍數(shù)

堵劑用量的設(shè)計(jì)非常重要，它不僅關(guān)系到堵劑的封堵效果，而且關(guān)系到作業(yè)的成本。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)封堵劑的封堵效果，定義了兩個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，分別為蒸汽波及效率和注汽壓力系數(shù)。蒸汽波及效率定義為封堵前后中低滲透層溫度與相應(yīng)面積乘積的比值。表示堵劑的封堵效應(yīng)。值越大，封堵效果越好。注汽壓力系數(shù)定義為封堵前后穩(wěn)定注汽壓力的比值。表示堵劑的封堵強(qiáng)度。值越大，封堵強(qiáng)度越高。

采用數(shù)值模擬的方法建立堵劑用量、蒸汽波及系數(shù)與注汽壓力系數(shù)之間的關(guān)系（見(jiàn)圖14）。結(jié)果表明，隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大。曲線上有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)?？紤]作業(yè)成本和封堵強(qiáng)度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。

高滲透層不僅是蒸汽汽竄的通道，而且是原油滲流的通道。均勻封堵技術(shù)的核心是采用高強(qiáng)度段塞與弱強(qiáng)度段塞的交替組合。高強(qiáng)度段塞的作用是封堵蒸汽汽竄通道，而弱強(qiáng)度段塞的作用是調(diào)節(jié)后續(xù)注入壓力。從而實(shí)現(xiàn)封堵和穩(wěn)定注入壓力的雙重效果。堵劑組合形式可根據(jù)注汽壓力靈活選擇。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）研制出了一種新型的低成本耐高溫藥劑體系FPX，該體系在室溫下黏度約為3 mPa·s，具有良好的注入性，在80 ℃時(shí)開(kāi)始凝固，最終形成塊狀固態(tài)。該體系能承受350 ℃高溫，殘余阻力系數(shù)高達(dá)30，是一個(gè)良好的堵劑體系。

（2）針對(duì)FPX 體系，建立了適用于海上稠油油藏汽竄問(wèn)題的均勻封堵技術(shù)，采用高強(qiáng)度段塞與弱強(qiáng)度段塞的組合方式，既能有效封堵汽竄通道，又能控制注汽壓力。

（3）當(dāng)平臺(tái)限壓較高時(shí)，采用強(qiáng)-中-弱組合類型注入堵劑，封堵效果最好。如果平臺(tái)限壓較低時(shí)，可以采用弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)組合類型注入堵劑，在對(duì)高滲區(qū)進(jìn)行有效封堵的同時(shí)，又能夠保證后續(xù)注汽壓力較低，從而滿足作業(yè)的需要。

（4）隨著堵劑用量的增加，蒸汽波及系數(shù)和注汽壓力系數(shù)均增大，封堵的效果越明顯。考慮作業(yè)成本和封堵強(qiáng)度，最佳的堵劑用量為汽竄體積的0.4 倍。