（油气井工程专业论文）钻井中封堵漏层和水层的理论研究及新型堵剂的研制.pdf

a b s t r a c t l o s tc i r c u l a t i o na n df o r m a t i o nw a t e ro u ta r et y p i c a lc o m p l e xc i r c u m s t a n c ei no i l & g a s w e l l e n g i n e e r i n gf i e l d s ，w h i c hh a v ed e t r i m e n t a le f f e c to nt h eh i g h - q u a l i t yd e s i g n a n d i m p l e m e n to fd r i l l i n ga n dc o m p l e t i o n t h es o l u t i o nf o rt h ep r o b l e m si st h a tn e wp l u g g i n g a g e n t ss h o u l db ep r e p a r e dw h i l et h en e wm e t h o di sb e i n ge x p l o r e dt h e o r e t i c a l l yi nd e p t h ，a n d t h en e w t e c h n o l o g ys h o u l db ef o r m e df i n a l l y i nv i e wo fl o s tc i r c u l a t i o nw h i c hi sa ne x t r e m em a n i f e s t a t i o nf o rd r i l l i n gf l u i di n v a d i n g f o r m a t i o n ，p u r s u a n tt od a r c y se q u a t i o n ，r e f e r r i n gt om o m e n t u mc o n s e r v a t i o nl a wo f h y d r o m e c h a n i c st h e o r y ，a n db a s e do nt h ea n a l y s i so fi n h i b i t i n gd r i l l i n gf l u i df r o mi n v a d i n g f o r m a t i o n ，o n ed i m e n s i o n a lm o d e la n dt w od i m e n s i o n a lm o d e lf o rd r i l l i n gf l u i di n v a d i n g f o r m a t i o nw e r eb u i l t t h em o d e ls t u d ys h o w st h a t ，t h ek e yf o rs u c c e s s f u lp l u g g i n gi st o d e c r e a s ef o r m a t i o np e r m e a b i l i t ya n dp o r o s i t ya n dt of o r mt i g h tc a k eo nt h ew e l l f a c e ，i ti s u n f a v o r a b l ef o rp l u g g i n gt h a tt h ed e n s i t ya n dv o l u m eo fg r a i n t y p i e dp l u g g i n gm a t e r i a l sa r e h i g he n o u g h t os h o c kt h ef o r m a t i o n ，g r a i n - t y p i e dm a t e r i a l s c o r r e s p o n d i n gw i t hg r a i n c o m p o s i t i o nt h e o r yc a np l u gt h el o s tc i r c u l a t i o nb e t t e rt h a no t h e r s ，f o r m i n gb a r r i e rb e dw i t h f a rl o wp e r m e a b i l i t yi nm i c r o c r a c ki st h ek e yt ok e e pf r a c t u r ef r o me x p a n d i n ga n dt op l u g l e a k a g ez o n eo ft h i st y p es u c c e s s f u l l y , t h i x o t r o p i cc e m e n ts l u r r yc a np r o v i d ea ne f f e c t i v ew a y f o rt h ep l u g g i n go fv i c i o u sl e a k a g ez o n ew i t hc a v i t i e sa n df r a c t u r e s r e f e r r i n gt ot h et h e o r yo ff l u i dk i n e t i c s ，t h em o d e lf o rf o r m a t i o nw a t e ro u tw a sb u i l to n t h eb a s i so ft h er e a s o na n a l y s i so nf o r m a t i o nw a t e ro u t s t u d i e so nt h ep h y s i c a lm o d e ls h o w t h a t ，t h em o r ef a r e rt h ei n t a k ed i s t a n c eo fw a t e rs h u t o f fa g e n ti nw a t e rz o n ei s ，t h em o r eh i g h e r t h ef i n a lv i s c o s i t yo fb l o c k i n ga g e n ti s ，t h em o r es t r o n g e rt h er e s i s t a n c eb e t w e e nf o r m a t i o n a n db l o c k i n ga g e n ti s ，i ti sb e n e f i tf o rt h eb l o c k i n go fw a t e rz o n e g e lm a t e r i a l sw i t hl o w i n i t i a lv i s c o s i t ya n dh i g hv i s c o s i t yc a nb es e l e c t e da se f f e c t i v eb l o c k i n ga g e n t s b a s e do na n a l y s i so ft h em e c h a n i s ma n dd e f i c i e n c yo fc o n v e n t i o n a lp o l y m e rg e l ，a n d r e f e r r i n gt ot h ef u n d a m e n t a l so fc r o s s l i n k i n gr e a c t i o n s ，an e wg e l t y p e dp l u g g i n ga g e n tw i t h c o n t r o l l a b l eg e l a t i o nt i m ea n dh i g hs t r e n g t hw a sp r e p a r e d ，a n di t sm e c h a n i s mw a st e s t i f i e db y i n f r a r e da n a l y s i s an e we v a l u a t i o nd e v i c ef o rg e l sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ew a sd e s i g n e da n d e s t a b l i s h e di nv i e wo ft h ed e f i c i e n c yo fe x i s t i n ge v a l u a t i o nd e v i c e a b u n d a n te x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o wt h a t ，t h en e wp l u g g i n ga g e n ti st h e r m o s t a b l e ，i th a sp r o p e r t yo fp hr e s i s t a n c ea n d i tc a nr e s i s tt oh y p e r s a l i n i t y c o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lo n e s ，t h en e wp l u g g i n ga g e n th a s b e t t e rp r o p e r t yo fr i g h ta n g l et h i c k e n i n g ，i t st h i c k n e s sc a ne x c e e dlo o b c ，i t ss t a t i cf l u i d c o l u m np r e s s u r ec a nr e m a i ns t a t i o n a r yd u r i n gg e l a t i o np r o c e s s ，a n di ta l s oh a ss h o r t e ra n d c o n t r o l l e dg e l a t i o nt i m e t h es h e a rf o r c eb e t w e e nt h eg e la n dt h ep i p ew a l li s s ol o wt h a tt h e g e l c a nb ee x p r e s s e df r o mt h ep i p ee v e ni ft h eg e l i sf o r m e d ，w h i c hc a l lg u a r da g a i n s t d o w n h o l ea c c i d e n c e 。 t h ep r e s s u r er e s i s t i n gc o e f f i c i e n to ft h eg e li n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e w h i c hi sf a v o ro fi t ss e a l i n ge f f e c ti nf o r m a t i o n 。t h ep l u g g i n ga g e n tc a n b e a rs t r o n g e rp r e s s u r e i nf r a c t 盯e s ，w h i c hc a nb eu s e dt op l u g g i n gv i c i o u sl o s t c i r c u l a t i o ni nc o o r d i n a t i o nw i t h m i x o t r o d i cc e m e n ts l u r r y t h ef l e wp l u g g i n ga g e n t c a r lb ea p p l i e df o rp l u g g i n gi nr e s e 0 1 r ， b e c a u s ei t ，sp r o p e r t yo fw a t e rs h u t o f fi sb e t t e rt h a ni t sp r o p e r t yo fo i ll a y e rp l u g g i n g l h e p l u g g i n ga g e n th a sg o o dr e j e c t i o nc a p a b i l i t ya n di tk e e pt h es h a l ef r o me x p a n d i n g e f f e 吐1 v e l y c o m d r e h e n s i v er e s e a r c h e ss h o wt h a t ，t h en e wp l u g g i n ga g e n t h a sg o o dp r o p e r t i e so fp l u g g i n g a g e n ta n db l o c k i n ga g e n t k e yw o r d s ：p l u g g i n ga g e n t ，b l o c k i n ga g e n t ，g e l ，c o m p u t a t i o n a lm o d e l f o rf o r m a t i o n r e s i s t a n c e ，m o d e lf o rp l u g g i n g ，m o d e lf o rw a t e rs h u t o f f 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： f 1 期：渺7 年f 月讶h 学位论文使用授权书 本人宛全同意中困石油大学( 华东) 有权使用本学侮论文( 包括但不限于蕻印 刷版和电子版l 使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向幽家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有芙数掘库进行榆索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丝渔塑 指导教师签名：二垂彗乞寺 r 期：v 归罗年f 月馏同 同期：况9 年f 月gr 钻井中封堵漏层和水层的理论研究及新型堵剂的研制 创新点摘要 本文在钻井中封堵漏层和水层的研究过程中，经过理论分析和实验研究取得的主要 创新性成果有： l 、针对井漏这一钻井液侵入地层的极端形式，以达西定律为依据，结合流体力学 动量守恒定律，建立了地层阻力计算模型。进而建立了一维、二维钻井液侵入地层模型， 并利用物模实验进行了验证。从而为抑制钻井液侵入地层提供了依据。( 第2 章) 2 、在对井漏的力学本质进行分析的基础上，结合流体动力学理论以及抑制钻井液 侵入地层方面理论，建立了井漏模型和堵漏模型；在此基础上对微裂缝发育、孔洞缝发 育以及漏储同层等特殊漏层的封堵进行了模型分析。为堵漏材料的优选以及封堵不同类 型的漏失提供了理论依据。( 第3 章) 3 、在对钻井中地层出水情况进行分析的基础上，结合流体动力学理论以及地层阻 力方面的理论，建立了地层出水模型和地层堵水模型，并利用物模实验进行了验证。为 钻井中堵水剂的优选以及堵水作业方法提供了理论依据。( 第4 章) 4 、在分析常规聚合物冻胶机理和缺陷的基础上，结合交联反应基本原理，研制出 了成胶强度更大、成胶时间较短且可控的新型堵剂，并利用红外分析对其机理进行了验 证。针对冻胶类堵剂力学性能评价设备方面的不足，设计并建立了冻胶力学性能评价装 置。并对新型堵剂的对恶劣环境的适应性、力学性能、浆体性能、封堵性能以及防塌性 能等进行了大量实验研究，得出新型堵齐j j ：f , g 成为解决目前钻井中井漏、出水的有力工具。 ( 第5 ，6 章) 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第1 章前言 1 1 课题的研究目的及意义 随着我国石油勘探开发向复杂地区、复杂条件下的油藏发展以及向外部市场的拓 宽，今后在勘探开发中会越来越多地遇到海相沉积的储层。这些多以灰岩、自云岩为主 的储层中含有大量裂缝和孔洞，这样在钻井过程中就存在着严重的漏失问题。我国的 南部地区、塔河油田、沿海等地区的储层也多属于这种情况。例如被称为中石化“一号 工程”的普光气田，天然气探明储量2 5 l o 7 亿立方米，是国内最大的气田之一，该气田 地质构造为陆相，海陆相交互和海相沉积。另一方面随着旋转导向等先进钻井技术的出 现，水平井、多分支井等先进的钻井技术越来越成熟，钻井已经成为提高采收率的重要 手段【2 】。尤其当钻井钻进过程大部分在储层中进行时，就要求出现漏失问题时采用的堵 剂不仅可以防止井漏还要不能堵塞储层内的油气。 普光气田的预计井深大都在五六千米左右，钻这样的超深井就需要采用较大尺寸的 表层套管，这就会严重影响钻速；并且该气田上部陆相地层为高陡构造，砂岩、泥岩、 页岩互层频繁，硬度大，研磨性强，可钻性差。这样的情况下最好的钻井方法是空气钻 井。空气钻井钻速可达正常钻井机械钻速的五倍以上，但它最大的问题是怕水。一旦遇 到水，空气钻井就转化为雾化钻井或泡沫钻井，这将会大幅度降低钻井速度。 可以说目前钻井过程中堵漏和堵水的形势都很严峻，尤其是恶性漏失、储层漏失以 及水层的封堵。要处理目前这些棘手问题，不仅仅需要新的堵剂，更要完善钻井中封堵 漏层和水层方面的理论。 1 2 国内外研究现状分析 1 。2 1 国内冻胶堵剂研究现状 1 2 1 1 任平地区的t c 9 3 8 有机堵剂【j j 任平地区的灰岩油藏，尤其是处于风化壳部位的灰岩油藏孔缝洞发育，钻进过程中 钻井液漏失现象严重，会导致无法钻进或卡钻恶果。采用有机堵剂t c 一9 3 8 进行堵漏施 工。在井壁附近的储层裂缝注入液体堵剂凝胶后形成防渗防漏的凝胶体，具有相当大的 抗压强度，在高泵压下，可避免钻井液漏失，保证正常钻进。在完井后试油期间，采用 酸化增产技术可解除堵剂或堵剂自行降解疏通液流通道。 t c 9 3 8 是聚合物凝胶型化学堵水剂，以t d g i r 乳液为主要原料，加入交联剂和增 强剂复配而成。t d g i r 是水溶性高分子聚合物基团，溶解在水内形成乳状液，加入增 强剂和交联剂后，用泵车将混合液体注入地层油井附近的裂缝孔道内，聚合物基团和增 强剂通过交联剂作用可形成三维网状结构，呈现粘弹性的凝胶体，并且与灰岩表面具有 较好的粘附性，从而形成堵塞，隔断井筒和远处地层的通道，阻止钻进过程中的钻井液 漏失到远处地层内。 t c 9 3 8 的主要性能特点：1 ) 堵剂亲水憎油，其凝胶体遇水膨胀，遇油收缩具有一 第1 章前言 定选择性。2 ) 堵剂通过室内试验，适用于1 0 0 - - 一1 5 0 地层温度，凝胶体粘度高，大于 1 0 0 p a s ，热稳定性好。3 ) 凝胶有一个老化过程，在高温高压水的大排量冲刷下，一般 1 个月会自动降解溶入水，随水排出。在低排量水冲刷下，一般1 0 个月可全部降解，随 水排出。因此，它不会永久堵塞地层和污染地层。4 ) 堵剂溶液注入前地面粘度小，一 般在3 0 0 m p a s 左右，静态初凝时间6 h ，动态初凝时间1 8 h 以上，可以满足泵送要求。 5 ) 堵剂溶液配置方便，施工工序简单，安全可靠，成功率高。6 ) 不耐酸。在试油过程 中，采用酸化( 盐酸) 增产技术措施，受酸蚀作用，该堵剂可以加快降解，随水排出，加 快恢复并提高灰岩油藏的裂缝渗透率，减少污染。 1 2 1 2y l d 1 的堵剂 4 】 油水井化学堵剂y l d 。i ( 简称堵漏剂) 是一种多相复合材料。是由西安石油大学研 制出来的化学堵剂。通过现场1 0 0 多口井的推广试验证明，它能够有效提高施工井有效 期，具有较高的界面胶结强度。化学堵漏剂y l d 1 进入目标漏失层后，在压差的作用 下，组分中的结构形成剂迅速将化学堵剂的其他组分聚凝在一起，挤出堵浆中的自由水， 从而快速形成具有一定强度的网架结构，增大堵剂在漏失层中的流动阻力，限制堵剂向 漏失层深部流动。随着堵剂的间断挤入，网状结构的空隙不断地被充填，挤入压力不断 上升，相邻的析水较差的漏失层得以启动和封堵，保证了堵漏修复的可靠性和成功率。 新型化学堵漏剂能在封堵目标层快速( 约3 0 s ) 形成具有一定承压能力( 约4 m p a ) 的网 状封堵层。 1 2 1 3 新型多功能复合凝胶堵漏剂【5 1 针对苛刻条件下的恶性漏失，四川大学化工学院研发了可有效对付大漏失( 漏速在 每小时几十方以上) 的裂缝性、溶洞性、破碎性地层漏失以及用桥塞堵漏、随钻堵漏方 法无法解决的漏失问题的新型堵剂。堵漏机理：配方的堵剂在可控时间内在漏失层形成 粘度、切力、弹性和静结构足够大的凝胶断塞，由于其具有极强的粘附能力和长度，最 终形成的极高流动阻力足以抵抗外来力( 漏失压差) 的破坏，最终成功堵住漏层。 该堵剂的优点是：胶凝前可在压差下进入漏层，不存在对漏失层孔隙或裂缝大小、 形状的配伍问题；不易与地层水相混，能进入漏层排挤地层水，占据水空间；可根据漏 速的大小而设计合理的成胶时间使复合凝胶停留在适当的漏层位置，从而成为具有高强 度发育的空间网状结构，具有高切力、高粘度和高弹性的堵漏材料；可与无机材料、无 机凝胶堵剂以及常规桥堵剂复配进步提高堵漏效果；不含重金属离子，对环境无不良 影响；与地层有较强的粘附力，可经受地层水的反复冲刷而不脱落。 1 2 2 国外冻胶堵剂研究现状 多年来国外处理井漏的理论和实践可归纳出五个相关点【6 j ：堵漏材料应当对未胶结 地层和有裂缝或溶洞的硬地层都有效果；它应当在高压和低压下都能形成有效的堵漏效 果：最后形成的桥塞的剪切强度要足以承受上部泥浆压力，但是还要保证能通过清洗和 喷射来顶替掉；堵漏桥塞还必须能承受在钻进、起下钻和下套管时所产生的抽吸压力( 负 压) 和激动压力( 正压) ；它还要具有时间可控性，而且能用于油基、合成基或水基钻 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 井液体系中。 1 2 2 1 化学活性胶联桥塞c a c p 6 j 新型胶联桥塞是一种聚合物和堵漏材料的混合物。桥塞通过交联剂在一定温度和时 间内被激活，调整好后很快表现出韧性、弹性和柔软性。调制时间完全可以根据漏层或 井底温度通过加入缓凝剂或速凝剂来控制。桥塞的调制一般在几小时内完成。 第一代化学活性胶联桥塞c a c p 是一种由胶联聚合物、交联剂和纤维状堵漏材料组 成的散装混合材料，用于溶洞或裂缝性地层，当它在一定时间和温度下发挥作用时形成 - - 看e e 具有韧性、柔软性和弹性的凝胶，能有效地防止地层漏失。这种胶联桥塞中的堵漏 材料是含有各种尺寸颗粒的纤维素。第二代c a c p 由胶联聚合物和纤维材料组成的一种 特殊混合物，它用于封堵基岩和裂缝性地层。当加入生物聚合物和用交联剂化合物活化 后，在一定时间和温度下会形成种稳固的有韧性和柔软性的桥塞，它能有效防止钻井 液漏失到地层。这种胶联桥塞中的堵漏材料由一定尺寸和浓度、含有细颗粒混合物的纤 维素组成。它可以堵塞深裂缝、断层和溶洞性地层。第三代c a c p 由胶联聚合物与碳酸 钙组成特殊混合物，它用于封堵基岩和裂缝性地层。这种胶联桥塞比第一代和第二代能 更深入地进入渗透性地层或断层。因为它的强度较高以及可以更深地进入渗透地层、裂 缝或未胶结地层，第三代胶联桥塞具有更广的应用范围，从部分漏失到非生产层堵水和 砂砾岩固结。这三代胶联桥塞都长期不能降解，因此在油层或油层附近使用时应当d , , t b 。 1 2 2 2p h 控制的凝胶【7 j 一种含有二氧化硅材料的高p h 溶液和一种可以水解而形成氟化酸的无机氟化物。 当p h 值通过酸而降低时，二氧化硅材料就形成凝胶从而堵塞地层区域。凝胶形成的p h 值可以通过在溶液中增加可溶性有机盐而增加。该无机氟化物以高浓度存在以降低水溶 液的p h 值，从而影响当地的氧化硅胶体或碱金属硅酸脂的成胶。水溶液中包括氧化硅 胶体、氢氟酸钠、水溶性无机盐。水溶液中需加入一种酸，而且加量要充足，以降低对 所需氟硼酸钠的量。适用温度大约8 2 。c 。氧化硅胶体或碱金属硅酸盐的浓度在1 0 3 0 之间。无机氟化物浓度在0 1 2 o 之间。水溶性无机盐的浓度在0 0 5 - 1 0 之间。 1 2 2 - 3 储层堵漏剂 处理含油气地层的一种方法【8 】。该油气层中至少含有一种含油气层和至少一种含水 地层，并且含油气层的渗透率与含水地层的渗透率之比为1 ：2 0 - - 3 ：1 ，方法包括：1 ) 连 续向地层中注入，( i ) 含有水溶性聚合物0 0 1 0 5 ( 质量百分比) 的水台聚合物溶液， 其中水溶性聚合物组成中有0 0 1 7 5 ( 摩尔百分比) 的可交联的羧酸酯和或磷酸酯， 摩尔质量达到0 2 5 1 0 6 1 2 1 0 6 ，( i i ) 一种交联剂的水合溶液。2 ) 由于交联剂使得聚 合物在地层中发生交联形成凝胶，从而由于凝胶的可收缩性以便于油气流动。 一种可用于封堵井眼附近地层的堵剂【9 】。它包括一种乳状液，乳状液中包括一种分 散的含水相和一种由接枝纤维素醚衍生物组成的聚合物的连续疏水相，种表面活性剂 和一种聚合物的交联活化剂。聚合物最好是乙烯基膦酸接枝的2 羟乙基纤维素。遇到由 钻头产生的剪切时，乳状液发生转向，从而乳状液滴破裂释放出交联活化剂到水相中， 3 第1 章前言 从而形成胶体结构。 钻井液中加入适量地具有足够强度的不流动的胶体可以消除或减少钻井液漏失。其 中胶体的成分包括【1 0 】：1 ) 含有乙烯基一磷酸脂共聚物单元的非纤维素，这些单元能够通 过和其他包含这种聚合体的共聚单体发生共聚反应从而连接到聚合物分子上，也可以接 枝到已有的聚合体或者共聚体上。2 ) 对磷酸酯存在活性的一种交联剂。3 ) 一种包含 b r o n s t e dl o w r y 碱或者l e w i s 碱的交联引发剂。4 ) 一种水溶剂。 1 2 3 选择性调剖堵水剂的研究现状 1 2 3 1 主要选择性堵剂 ( 1 ) 国内选择性堵剂【l 卜2 0 j 随着石油工业的不断发展，以及对高效选择性堵剂的需求的日益增加，国内外石油 工作者研发出了大量的选择性堵剂，实践证明已经取得了良好的效果。对油井的稳油控 水起到了积极的作用。 泡沫型堵剂是由发泡剂和稳泡剂构成。泡沫体系具有油敏特性，表现在泡沫与油接 触后迅速破灭，这是因为油能很快浸入泡沫的液膜，使其液膜的表面张力降低，造成泡 沫不稳定。因此泡沫可以不堵油，泡沫的堵水机理主要有以下几个方面：泡沫以水为外 相，可优先进入出水层，在出水层稳定存在；小气泡吸附在岩石孔隙表面上，可阻止水 在多孔介质中的自由移动；同时由于贾敏效应和岩石孔隙中泡沫的膨胀，使水在多孔介 质中的阻力增大；堵液在岩石孔隙内的乳化，使岩石表面润湿反转，岩石表面憎水，阻 碍流水窜通。泡沫体系的缺点在于泡沫的稳定性差，有效期短，限制了泡沫在选择性堵 水中的应用。 以聚丙烯酰胺为代表的水溶性聚合物是目前国内外最广泛和最有效的水基堵剂。此 聚合物溶于水而不溶于油，当水流通过吸附有聚丙烯酰胺的岩石上时，此聚合物中未被 吸附的部分可在水中伸展，增大了水的流动阻力；当油流过时，聚合物在原油中蜷缩， 因此对油流的阻力小，起到了选择性堵水的目的。 油基水泥浆体系是大庆石油学院开发出来的一种选择性堵剂，选堵机理是：油基水 泥浆是水泥在油中的悬浮体，当将油基水泥浆体系注入出水层时，水可置换水泥亲水表 面的油而与水泥作用，使它固化而封堵水层，如若进入油层，则会被油稀释而继续前进。 这种体系的缺点是选择性不强，假如是油水同层或者油层中有少量的水而凝固，而把油 层堵死。 松香酸钠堵剂是由松香( 8 0 9 0 9 6 的松香酸) 与碳酸钠( 碱) 反应生成，由于松 香酸钠可与钙、镁离子反应，生成不溶于水的松香酸钙、松香酸镁凝胶，所以松香酸钠 适合于水中钙、镁离子含盘较大( 例如大于1 0 0 0 m g l ) 的油井堵水。由于油层的油不 含钙镁离子，所以该体系不堵塞油层，起到选择性堵水的作用。 超强吸水树脂始于1 9 6 1 年美国的淀粉接枝丙烯睛，本世纪7 0 年代有了长足的发展， 江汉石油学院用有机硅一双丙烯酞按为复合交联剂，为引发剂采用溶液法合成了丙烯酸 钠与丙烯酰胺共聚物。此种选择性堵剂有良好的选择性，它的机理是：溶液进入地层后 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 交联成网状结构的凝胶，吸水，则迅速膨胀，封堵水层，阻止出水；进入油层则不膨胀， 缺点是容易堵死被水锁的油层。 有机无机复合堵剂的基本成分是油溶性物质，添加适量的无机填料、表面活性剂来 增加强度。它的最大特点是在地层温度压力下可软化交联，将无机刚性材料胶结起来， 当油流通过时逐渐被溶解分散，使其网络结构强度结构降低，油相渗透率慢慢恢复，而 在水相中则不溶解，达到堵水疏油的目的。优点是选择性很强。 油基凝胶选堵剂是近年吉林石油集团公司钻采院研制成功的一种优良的选堵剂，该 堵剂是通过在柴油中加入两性聚合物、交联剂、o w 型表面活性剂来配成选堵剂。注入 水层后可形成高强度的凝胶，遇油则更加稀释，强度更低。该堵剂的优点是强度高，有 一定选择性；缺点是凝胶一旦形成网状结构就很难清除，造成长久封堵，这样也会堵死 油流通道。 烃基卤代甲硅烷的堵水选择性是由它的化学性质决定的。它可与砂岩表面的羟基反 应，使砂岩表面憎水化，由于出水的砂岩表面由亲水反转为亲油，增加了水的流动阻力， 减少了油井的出水；它可与水反应，生成相应的硅醇，硅酸的多元醇很容易缩聚，形成 聚合度足够高的聚硅醇沉淀，封堵出水层。烃基卤代甲硅烷是油溶性的，必须配成油溶 液使用。 聚氨基甲酸脂是由多羧基化合物与多异氯酸脂缩合而成，但在聚合时，必须保持异 氰酸基( n c o ) 的数量多于羟基( o h ) 数量。得到的聚氨基甲酸脂之所以有选择性是因为 过剩的异氰酸基遇水可发生一系列反应，异氰酸基与水反应生成氨基，还可继续与异氰 酸基反应，使原来可流动的聚氨基甲酸脂变成不可流动的聚氨基甲酸脂，将水层堵住； 在油层，由于没有上述反应，所以不产生堵塞。聚氨基甲酸脂是一种选择性很好，封堵 能力很强的堵剂。 稠化油是由高粘原油和表面活性剂组成。这种稠油被高压挤入地层后，进入油流孔 道的活化稠油溶于油而随油流排出；进入水流孔道的活化稠油，在渗流作用下与地层水 或注入水混合乳化形成油包水乳状液( w o ) ，从而使活化稠油粘度进一步提高，增加 了驱替水的流动阻力，限制了水的流动；同时粘稠的w o 乳状液在地层中被水流隔断 后形成分散的乳化液球等油水分散体系，物理堵塞孔喉阻碍水流。该堵剂的最大优点就 是对地层无伤害，缺点就是耐冲刷能力弱。 ( 2 ) 国外选择性堵剂【2 】j 国外早期使用非选择性的水基水泥浆堵水，后来发展为应用原油、粘性油、憎水的 油水乳化液、固态烃溶液和油基水泥等作为选择性堵剂。但近2 0 年来，水溶性聚合物 类堵剂在油田得到了广泛的应用。独联体各国对聚丙烯腈堵水有广泛的研究和应用，同 时还使用了有机硅、水泥、泡沫及化工副产品作为堵剂；美国以两性水溶性聚合物为主， 同时还使用了生物聚合物、水玻璃、油基水泥等堵剂，经过多年的研究和应用，美国和 独联体各国都形成了套比较完备的适应各种地层、温度等条件的堵水剂。 比如，p r i f e r 公司研制的一种新阳离子型的h p a m 类凝胶选堵剂，交联剂为有机物。 5 第1 章前言 此凝胶具有亲水性。能优先进入含水层，不进入含油层。成胶时间可调，是一种延迟交 联系统。对地层不会造成永久性伤害。加入破胶剂可恢复渗透率。现场施工先用酸洗井， 接着注地层水或2 0 k c l 前置液，再注聚合物和交联剂混合液后用地层水或柴油洗井。 关井候凝后投产。投产1 至2 周内为防聚合物返排应保持低排量。此种堵剂曾在美网堪 萨斯、新墨西哥及加拿大的阿尔达进行现场试验，共处理3 3 井次各类油藏均获成 功、平均含水下降9 4 ，增油9 4 ，6 0 天内收回全部处理费用。 美国还发展了颗粒型堵剂。颗粒型堵剂成功的前提就是根据地层的孔喉半径来选择 颗粒型堵剂的粒径大小，使颗粒型堵剂能更优先进入高渗透孔道，而不易进入低渗透孔 道。同时减少对低渗透层的伤害。生物型堵剂也是国外发展的一个重要方向，由于生物 型堵剂可视作微粒，但比微粒的分布更窄，具有更好的驱替特性。更容易进入高渗透地 层，起到很好的选择性封堵的作用。 前苏联列宁石油管理局三个 采收率研究所用酸性渣油在3 0 多 口井上进行堵水试验，取得了很好 的效果，此类堵剂价格便宜、选择 水 性强。主要有油包水乳化液、磺化 ( 冻胶在水流中保持膨胀状态) ( 冻胶在油流压力下脱水收缩) 图1 - 1 膨胀收缩机理示意 水存在 胶施压 而不会形成凝胶。这种选择性堵剂 f 醵1 - 1s c h e m a t i cv i e wo fs w e m n g s h r i n “n 2m e c h n i s m 有很大的局限性就是只适用于高矿化度的地层。但这种选择性堵剂对高矿化度地层却有 很好的选择性。 1 2 3 2 非均匀渗透率降低机理研究 2 2 。2 4 】 ( 1 ) 膨胀收缩机理 膨胀收缩机理认为交联剂交联的聚合物为一个网络，充满网络的水与流动的水是同 相，水流动时，网络保持着膨胀状态，对水的流动阻力大；但油流动时，油与冻胶网络 中的水非同相，油相可对水相施加压力，该压力使冻胶网络中的水析出，引起冻胶网络 收缩，减小了油的流动阻力，图1 1 为膨胀收缩机理解释冻胶选择性的示意图。 ( 2 ) 油水分流机理 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 油水分流机理则认为，油和水在孔 隙介质中的流动是各有通道的，水走水 道，油走油道。注入冻胶时，由于冻胶 属水基堵剂，它将沿水的通道流动，成 冻后，它堵的是水道而不是油道，因此 冻胶具有堵水不堵油的特性。图1 2 为 油水分流机理解释冻胶选择性的示意 图。 在这些理论的基础上，2 0 0 6 年挪 威国家石油公司开发出一种新型的选 择性调剖堵水剂。是将聚合物溶液中加 入柴油混配成乳状液的形式注入地层。 这就降低了堵剂中的含水饱和度。该堵 剂取得了很好的效果。 1 2 4 暂堵剂的研究现状 1 2 4 1 调剖堵水用暂堵剂2 5 2 7 翁三蚕一渤= 迎 ( 亲油表面) 图1 - 2 油水分流机理示意 f i g 1 - 2s c h e m a t i cv i e wo fd i s t r i b u t a r y o fo i lp h a s ea n dw a w rp h a s e 目前在堵水和调剖过程中，采用的暂堵剂主要分为两种，一种是采用聚合物为主剂， 有机物为交联剂，加入破胶剂。通过控制组分的加入量，使成胶时间和破胶时间保持在 一定的范围内，在注入堵剂过程中暂堵剂不破胶，注完堵剂后一段时间内自动破胶，从 而起到保护低渗层的目的。另一种是采用油溶性树脂为主剂，通过添加悬浮剂( 一般采 用高分子聚合物溶液) 形成悬浮颗粒体系，利用一定的粒径与孔隙直径的比值使暂堵剂 在低渗层形成有效堵塞，使后续注入的堵剂进入高渗层，关井一段时间后投入生产，进 入低渗层的油溶性树脂在产出油的作用下逐渐溶解，从而恢复低渗层的渗透率。 唐孝芬等利用生产井的出水层多位于高压高能层的现象，采用聚丙烯酰胺为主剂， 酚醛复合体为交联剂，过硫酸盐为破胶剂制成一种暂堵剂，该堵液在地层条件下经一段 时间后变为具有一定封堵能力的弱凝胶，弱凝胶在一定时问范围内能自行破胶液化。笼 统挤注暂堵剂时有利于暂堵剂溶液优先进入低渗透油层，胶凝后的暂堵剂可使低渗透油 层中的启动压力提高程度远远大于高渗透出水层，能够在随后笼统注堵剂时保护低渗透 油层不被污染。笼统堵水作业时，适当控制堵剂挤注压力更有利于实现低渗透油层中堵 剂的不可入性，从而高渗地层被高强度堵剂有效地封堵，达到了选择性堵水或调剖的目 的。 王桂杰等采用有一定分选粒度的油溶性石油树脂与羟基瓜尔胶配成具有一定交联 度的暂堵剂，按优先进入低压层的原则，低压注入油井，产生各层之间平衡的压力带。 在加压挤入水泥一石灰复合堵剂的过程中，高孔高渗油层内的微细颗粒在外界压力下首 先发生运移，“三高”层部位的暂堵剂先被突破，平衡的压力带遭到破坏。复合剂在进 入“三高”层后凝固，产生封堵，而得到暂堵剂保护的油层，暂堵剂破坏，石油树脂 7 笋 第1 章前言 颗粒被溶解，渗透率得以恢复，在水淹层的影响减小后自身的能量得以释放。 赵普春等提出在调剖施工时首先以大排量挤入水溶性颗粒暂堵剂，利用颗粒的架桥 理论，实现对高、中、低渗透层的“堵塞污染”，然后以低排量挤入调剖剂。由于暂堵 剂处理半径小，它在高渗透层的封堵能力差，随后的调剖剂突破它对高渗透层的封堵， 实现调剖的目的；暂堵剂在中、低渗透层的封堵能力强( 易受污染的地层也是易封堵的 地层) ，随后的调剖剂在低排量( 即低压力) 下，难以突破这种封堵，即调剖剂无法进 入中、低渗透层，一定时间( 施工结束) 后，这种水溶性暂堵剂溶解，恢复中、低渗透 层的吸水，从而实现暂堵调剖的目的。 1 2 4 2 钻井用暂堵剂k 争圳 单向压力封闭剂是采用短棉绒纤维或将某种木质纤维经化学处理和机械加工而制 成的自由流动粉末。泥浆中加入单向压力封闭剂在正压差作用下，封闭剂中的纤维物质 在孔喉或微裂缝中架桥形成垫层，泥浆中的胶体颗粒在垫层上形成滤饼，封堵地层中孔 喉或微裂缝；在负压差作用下，地层中流体将单向压力封闭剂和胶体粒子推出孔喉或微 裂缝，能自动解堵。 o p 一1 堵剂属沥青类防漏堵剂，软化点为1 6 0 0 c 颗粒为不规则体，粒度6 0 - - 2 0 0 目 的颗粒为9 0 ，堵剂具有充填、桥堵、塞堵以及涂敷漏层的作用；而且该堵剂溶于原油， 对油层段漏失有暂堵效果，具有保护产层的作用。 p c c 暂堵剂是一种可酸溶暂堵剂，其堵漏机理是将按一定比例和清水配成浆液后， 用钻具泵入井内，在漏层和井筒间的压差作用下，产生快速滤失，在漏失通道中形成坚 韧致密的滤饼而堵塞通道。p c c 中含有9 0 左右的酸溶性材料，生成的滤饼酸溶率达 8 0 以上、易于酸化解堵，适合产层堵漏，具有保护油气层的功能。 a s c 1 是一种酸溶性固化材料。它是由多种无机化合物以科学试验配比组成的混 合物，这种混合物遇水时即发生化学反应，生成一种均匀的触变凝胶，随后结晶成一种 致密而坚硬的具有高抗压强度的多物相无机聚合物，这个反应与普通油井水泥的水化作 用过程类似，所形成的凝固体不仅具有高的抗压强度，而且其酸溶率达9 5 以上。 d f a 为有机低分子量化合物，不溶于水，但极易溶于煤油，在煤油中的油溶率高达 9 9 9 ，而且对原油粘度基本无影响。在堵漏修井液( 海水+ ( 1 0 1 2 ) 增粘剂 d f z + 2 0 粘土稳定剂h c s ) 中加入3 5 的d f a 暂堵剂，流变性能满足工程泵送需 要，能在渗透性砂床上形成有效封堵，堵漏层承受的最大压力达到7 0 m p a ：也能自行 解堵，2 h 内渗透率恢复值在9 2 以上。暂堵剂d f a 与油溶性树脂等有机高分子聚合物 不同，它属于有机低分子量化合物，不溶于水，但极易溶于煤油。 s y d 一1 型暂堵剂由石油树脂、改性酚醛树脂、改性烃类树脂等组成。在对其油溶 性、软化点、密度等物理性质考察的基础上，筛选出了油溶率达到9 0 以上，软化点在 7 0 1 2 0 。c 之间，密度1 。0 1 2 9 c m 3 左右的不同型号树脂，按照一定比例混合、熔融、 粉碎成一定粒径的粉末，用o p 一10 活性剂和h p a m 配制成一定浓度的悬浮液后进行室 内性能评价。 8 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 使用油溶性树脂暂堵剂是一种保护油气层的重要方法，它是利用树脂的油溶性来达 到对油气层暂堵的目的。油井在各种修井作业中，当油层部位井筒内液柱压力高于油层 压力时，会造成修井液不同程度地漏失，严重影响修井作业的正常进行。油溶性树脂暂 堵剂被挤入井筒附近和近井地带时，在地层压力，温度作用下变软，堵塞岩石孔隙，形 成屏蔽，有效地阻止修井液进入油层。作业完成后，暂堵剂又可溶入原油，随原油排出 后，地层渗透率恢复，有效地保护油气层。 1 2 5 堵漏机理的研究现状 1 2 6 1 裂缝地层的封堵机理【_ 3 2 】 ( 1 ) 裂缝中微粒沉降对流体漏失的影响 裂缝中固相颗粒沉降对裂缝导流能力的影响，难以进行定量化分析，它受侵入裂缝 流体的性质、固相含量、尺寸分布及裂缝形态的影响。 水平缝，裂缝的开度是沿裂缝面变化的，裂缝的平均开度减小。如当沉降厚度只有 裂缝平均开度的5 ，其渗透率将下降约1 4 ，可见微粒沉降对裂缝开度的影响是显而 易见的。 垂直裂缝中( 往往是裂缝性储层的最主要流动通道) ，沉降影响的方式不同于水平 裂缝。固相沉降于裂缝的底部。显然固相堆积部分的渗透率低于裂缝，因而垂直缝中沉 降作用相当于增加了裂缝充填，从而减小裂缝的导流能力。对于任意角度的倾斜裂缝， 这两种作用都存在。 ( 2 ) 裂缝对固体颗粒的反作用机理 裂缝都受到一定的应力作用。在应力作用下两裂缝面间发生部分接触。相互接触的 微凸体将发生变形。 在垂直缝中，当微粒密度大于流体密度时，重力的作用对微粒的捕集也有影响。这 时重力沉降和重力影响下圆柱体对微粒的捕集同时起作用。对任意角度的倾斜缝，重力， 流体动力及伦敦引力的综合作