高触变可控固化材料及其在水...井中心管控水中的研究与应用_万小进.pdf

ISSN 1008-9446CN13-1265/TE承 德 石 油 高 等 专 科 学 校 学 报Journal of Chengde Petroleum College第 25 卷第 1 期，2023 年 2 月Vol 25，No 1，Feb 2023高触变可控固化材料及其在水平井中心管控水中的研究与应用万小进1，程利民1，何瑜宁1，卢辰1，魏发林2(1 中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江524057;2 中国石油勘探开发研究院，北京100083)摘要:为了实现海上筛管完井在生产水平井的管外分段及中心管控水工艺，针对南海西部某油田，优选了基于铁/镍稀土的高触变可控固化材料，研究了其流变学特征，形成了固化强度高、工艺风险低的化学管外封隔器，以满足筛管完井水平井控水的充填、安全等要求，并开展了失效自膨胀封隔器修复及层内窜流封堵的现场应用，措施后试验井含水降低 21%，产油量增加 73 m3/d，取得明显控水增油效果，为海上油田水平井控水稳油技术的发展探索了一条新思路。关键词:水平井;筛管;环空化学封隔器;触变特性中图分类号:TE525文献标志码:B文章编号:1008-9446(2023)01-0040-05High Thixotropic Controllable Curing Material inCentral Water Control of Horizontal WellWAN Xiao-jin1，CHENG Li-min1，HE Yu-ning1，LU Chen1，WEI Fa-lin2(1 CNOOC Zhanjiang Branch，Zhanjiang 524057，Guangdong，China;2 CNPC esearch Institute of Exploration and Development，Beijing 100083，China)Abstract:In order to realize the off pipe segmentation and central water control process of offshorescreen completion in production horizontal wells，this paper selects a high thixotropic controllable cu-ring material based on Fe/Ni rare earth for an oil field in the west of the South China Sea，studies itsrheological characteristics，and forms a chemical off pipe packer with high curing strength and lowprocess risk，which can meet the filling and safety requirements of screen completion horizontalwells The field application of repairing the failed self expanding packer and plugging the channelingflow in the formation is carried out After the measures，the water content of the test well is reducedby 21%，and the oil production is increased by 73 m3/d The results show that these measures haveachieved obvious effect of water control and oil increase，which provides a new thought for the devel-opment of water control and oil stabilization technology in horizontal wells in offshore oil fieldsKey words:horizontal well;screen;annulus chemical packer;thixotropic characteristics基金项目:中海油总公司综合科研(南海西部高含水水平井控水挖潜新技术研究与应用):YXKY-2019-ZJ-03收稿日期:2021-11-30第一作者简介:万小进(1987-)，男，江苏赣榆人，工程师，硕士，现从事采油工艺技术研究工作，E-mail:wanxj2cnooc com cn。基于自膨胀封隔器的中心管工艺广泛应用于海上筛管完井水平井开发，但中高渗储层高产液量长期开采或特殊工况下，自膨胀封隔器失效或层内窜流易导致横向阻隔作用丧失，制约其技术效能的充分发挥。利用扩张封隔器，向管外环空或层内注入特殊流体，使其在局部位置形成高强不渗透的固体阻流环可实现自膨胀封隔器修复或层内窜流通道的抑制，为中心管技术效能的持续发挥提供条件。水平井条件下，该技术目标的实现需要高触变、可控固化等特性的材料，以满足充填、安全等要求。该类材料研究国外始于 90 年代末1，3-5，近年来国内相关机构开始了这方面的研究与应用2，6。本文针对水泥基、DOI:10.13377/ki.jcpc.2023.01.020万小进，等:高触变可控固化材料及其在水平井中心管控水中的研究与应用树脂基及稀土基三类触变材料进行了优选，研究了基于铁/镍稀土高触变可控固化材料的流变学特性及影响因素，确认了其工艺适应性。室内研究基础上，矿场开展了自膨胀封隔器修复、层内窜流封堵先导试验，取得显著效果。1材料优选材料应用于水平段的关键在于防止“重力坍落”，以实现对空间的完全立体充填。为此，油藏条件下材料需具备“剪切变稀，静止瞬间增稠”的高触变特性，以实现注入低摩阻、空间全充填;并能在可控的时间内，由触变流体形成高强固体，以实现“固化高强度、工艺低风险”。触变性研究采用动态实验方法，首先在较高的剪切速率下破坏样品结构，然后对其施加小幅振荡应力，监测储能模量随恢复时间的变化7;固化特性研究采用小幅度振荡法，通过模量拐点的监测判定固化时间7。以上均采用 HAAKE S600 模块化流变仪。样品有钛酸酯水泥、稠化树脂及铁/镍稀土。以上体系广泛用作水平井固井、管外窜槽治理、环空化学分段等7。1 1不同材料的触变特性钛酸酯水泥、稠化改性环氧树脂、铁/镍稀土的触变特性分别如图 1 所示。设触变体系经预剪切后开始静止时刻的初始储能模量为 G0，体系内部结构经长时间静止恢复达到的储能模量为 G。则 G 与恢复时间 t 的关系符合下述指数形式:lnG lnGlnG0 lnG=exp(ctm)令 A=lnG，B=lnG lnG0，则上式简化为:lnG=A Bexp(ctm)。式中:c，m 为常数，其中，c 即可反映出触变体系经剪切后静止时，结构恢复速率的相对大小;G 为储能模量，MPa。从幂律指数(n)分析，铁/镍稀土体系幂律指数为 0 090 23，表现出更强的“剪切变稀”非牛顿流体特征。与稠化树脂相比，低剪切速率下二者黏度基本一致，高剪切速率下其黏度则可大幅降低。即铁/镍稀土体系具有更好的流动特性。矿场条件下(排量 10 m2/h，2-7/8油管，筛管过滤精度 100 120 m)，管内、筛管处剪切速率分别为 300 500 s1、6 000 10 000 s1，剪切条件下的低黏度可实现注入过程的低摩阻。此外，强非牛顿性特性同时可以保证材料在管外水平环空的轴向流动过程中形成更稳定的段塞前缘9;从材料结构恢复速度(c)以及恢复后的结构强度(G)看，较其他两类体系，铁/镍稀土体系具有高的结构恢复速度(c 为 0 714 5)，10 s 内结构强度可达 200 Pa，为最终强度的 66 7%，且恢复后的结构强度高(G=298 Pa)。即铁/镍稀土体系剪切后静止可迅速增稠。这可为水平环空条件下防止“重力坍落”、实现立体填充程度提供了保证。14承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 1 期区别于稠化树脂(见图 2)，铁/镍稀土体系具有较为一致的层状结构10，在溶液中可通过同晶置换等作用成为无数端面带相反电荷粒子，形成具有分形特征的三维网状结构，即“卡片房子”结构，剪切时这种联接结构发生解离导致体系黏度降低，静止后联接解构则又会重新生成导致黏度升高，因此体现突出的触变特性(见图 3)。1 2铁/镍稀土体系触变特性影响因素研究材料的触变特性受多种因素的影响，考虑使用条件，重点研究了温度、剪切因素的影响，以指导其性能控制及应用。1 2 1剪切速率的影响利用流变仪，一定速率下(分别取 1 000、3 000、5 000、7 000 s1)剪切上述体系 30 s，然后静止，测定其结构恢复情况(见图 4)。图 4 反映出剪切速率越高，剪切后材料的视黏度越低、反映触变结构恢复速度的 c 值越大。说明由于剪切速率的增大，体系结构遭受的破坏程度越大，但其在静置后的初始阶段的结构恢复速率也越大，类似于弹性元件的力学特征，此外不同速率剪切后均可恢复至基本相近的触变结构强度，表现出可逆触变特性，表明片层结构体系对强剪切的适应性。该特征与非牛顿原油不同，研究11 表明，非牛顿原油经受的剪切作用越强，原油在静态条件下所能恢复的平衡结构水平越低，体现出明显的剪切降解。两种体系结构特性的不同可能是其中原因。1 2 2温度的影响铁/镍稀土体系在1 000 s1剪切60 s，然后测定不同温度下的结构恢复情况。温度分别取为50、70、24万小进，等:高触变可控固化材料及其在水平井中心管控水中的研究与应用90(见图5)。图5 表明，温度升高，体系的结构恢复速度增大，同时体系的触变结构强度也明显增大，这可归因于温度升高引起的粒子聚并速率增加。剪切体系结构完全恢复后的屈服应力测试(见图 6)也进一步显示温度提高了触变结构的强度，50、70、90 时，完全恢复后其屈服应力值分别为 200、300、340 Pa。以上分析表明，铁/镍稀土体系具有可逆的触变特性，且与温度正相关，有利于其在油藏条件下的应用。1 3铁/镍稀土体系固化特性铁/镍稀土体系的触变结构强度不能满足封隔要求，需要材料在填充水平环空后继续发生固化，由流体形成为高强弹性体，其固化可通过固化剂予以实现。试验表明固化剂的质量分数影响固化时间，质量分数为0 5%1 0%时，其固化时间可控 制 在 3 8 h 左 右(见图 7)，施工时间一般在 1 2 h，满足工艺安全要求。该条件下，其径向击穿强度折合为78 MPa/m。2铁/镍稀土体系工艺适应性模拟为确认铁/镍稀土体系工艺适应性，利用 1 1 水平井筒模型(模拟工况:8 5 in 井筒，5 5 in 筛管)进行了其充填状态模拟。同心井筒条件下，铁/镍稀土体系进入环空后，垂向上未出现重力坍落，实现了环空的立体充填;轴向上运移过程中，段塞活塞式均匀推进，未出现指进现象;此外，筛管偏心不影响铁/镍稀土体系的充填状态。3管外分段及层内封堵先导试验高触变可控固化材料铁/镍稀土体系(ACP-H)在室内研究基础上，针对矿场南海西部某油田 B15H井开展了分段控水试验应用。34承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 1 期3 1措施井概况及工艺设计B15H 井 2020 年 3 月投产 ZJ2-1L(1+2 小层)，裸眼水平段 258 m，油层钻遇率 96 3%。采用自膨胀封隔器及中心管)单采下部油层。日平均产液 253 m3，产油 20 m3/d，含水率约 92%，吸入口流压8 8 MPa，产能约 150 m3/(dMPa)。B15H 在ZJ2-1L-1 小层钻遇强水淹层(类比邻井渗透率523 1 836 mD，计算产能20 71 m3/(