纳米材料在油田二次固井上的研究与应用

1 纳米材料在油田二次固井上的研究与应用纳米材料在油田二次固井上的研究与应用 陈 渊 张文玉 孙迎胜 刘卫军 宋春红 中石化河南油田分公司石油工程技术研究院 河南 南阳 473132 摘摘 要 要 近年 国内投入开发的超深油藏愈来愈多 此类油藏由于埋藏深 温度高 储层流体压力和矿 化度高等原因 固井难度大 采用水泥类固井材料完井后常出现固井质量不合格 表现为一 二界面固 结质量差和存在管外窜槽等 由于水泥类固井材料粒径较大 用其二次固井挤注难度大 施工安全性差 措施成功率低 本文研究开发出一种纳米固井新材料 与水泥类固井材料相比 其颗粒微细均匀 流变 性能好 可泵时间可根据具体井况调整 具有体积不收缩 强度高 可解堵和耐高温 高盐的特点 现场 应用表明 纳米固井材料是解决超深油藏二次固井难题的一项新技术 主题词 主题词 纳米材料 超深油藏 二次固井 研究应用 前 言 近年 国内投入开发的超深油藏愈来愈多 此类油藏由于埋藏深 温度高 储层流体压力和矿化 度高等原因 固井难度大 采用水泥类固井材料完井后常出现固井质量不合格 表现在一 二界面固 结质量差和存在管外窜槽等 完井后难以正常投产 需要二次固井 然而 由于水泥类固井材料粒径 较大 二次固井是其很难再进入原固结质量差和管外窜等存在微空隙的部位 挤注难度大 施工安全 性差 措施成功率低 本文研究开发出一种纳米固井新材料 与水泥类固井材料相比 其颗粒微细均 匀 流变性能好 可泵时间可根据具体井况调整 具有体积不收缩 强度高 可解堵和耐高温 高盐 的特点 现场应用表明 纳米固井材料施工安全简便 措施成功率高 是解决超深油藏二次固井难题 的一项新技术 1 技术原理 纳米固井材料主要由无机纳米活性功能材料及其它助剂组成 纳米材料表面活性高 表面缺陷多 表面原子周围因缺少相邻的原子 有许多悬空键 具有不饱和性质 易与其它原子相结合而稳定下来 具有很高的化学活性 极易与及其它助剂发生水化键合 生成以纳米材料为核心 网络节点 的三维 网络结构 同时纳米材料颗粒微细均匀 极易进入水化产物的毛细孔及其微裂缝等缺陷结构中 对其 进行填充和补强 可显著改善了固井材料的物理力学性能 强度更高 同时 微细的纳米材料在二次 固井时 其浆体较水泥类固井材料更容易进入原固井质量差和管外窜等存在微空隙的部位 可有效提 高二次固井的成功率 作者简介 陈 渊 男 1967 年 11 月生 1990 年 7 月毕业于石油大学 华东 应用化学专业 高级采油工程师 现在河南 2 油田分公司石油工程技术研究院从事采油科研工作 473132 0377 63834086 hnytchyuan 2 室内试验部分 2 12 1 纳米固井材料封堵性能评价试验纳米固井材料封堵性能评价试验 试验结果如表 1 所示 表 1 岩芯动态模拟试验数据表 岩芯 编号 K0 m2 K1 m2 封堵率 131 449 500 00712399 9 132 169 520 00539899 9 135 447 300 00680599 9 136 125 370 00387099 9 注 K0 堵前水相渗透率 K1 堵后水相渗透率 K2 解堵后水相渗透率 由表可知 纳米固井材料固化后封堵率均在 99 9 以上 封堵效果很好 2 22 2 纳米固井材料耐温性能评价试验纳米固井材料耐温性能评价试验 将纳米固井材料固化后分别放在不同温度下养护 10 天后测突破压力 由图 1 可知 随着温度的 升高 纳米固井材料突破压力有的增强趋势 说明纳米固井材料在高温下能继续发生反应 所以纳米 固井材料固化体强度在高温下不仅不会衰退 反而有所提高 图 1 纳米固井材料耐温试验曲线 2 32 3 纳米固井材料耐矿化度评价试验纳米固井材料耐矿化度评价试验 试验结果如表 2 所示 表 2 水质对纳米固井材料性能影响试验数据表 水样 矿化度 104mg l 水型 突破压力 MPa cm 初凝时间 h 清水 1 7110 配制盐水 0 50CaCl21 689 配制盐水 5 0CaCl21 677 3 0 5 0 7 0 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 50100150200250300 温度 突破压力 MPa cm 3 配制盐水 15 0CaCl21 675 5 配制盐水 23 6CaCl21 655 3 河南油田污水 4 26CaCl21 688 1 塔河油田污水 20 1CaCl21 665 4 试验表明 矿化度对纳米固井材料的初凝时间有一定的影响 原因是金属盐尤其是钙盐对纳米固 井材料有促凝作用 但即使在 23 6 104mg l 的矿化度下 纳米固井材料的初凝时间仍在 5 3 小时以 上 完全可满足二次固井对挤注时间的要求 2 42 4 纳米固井材料流变性能评价试验纳米固井材料流变性能评价试验 用旋转粘度计测定纳米固井材料浆液的触变性 测试结果见表3 从表中看出 静切力初值4 2 4 8Pa 终值8 3 8 8Pa 纳米固井材料浆液具有理想的触变性 这利于纳米固井材料悬浮 又不致于 静止后开泵时泵压过高 而且纳米固井材料浆液塑性粘度低 低于20mPa s 易于泵注 表3 纳米固井材料流变性能评价 样号 塑性粘度 mPa s 初切值 10s Pa 终切值 10min Pa 1013154 28 6 1014174 58 8 1015184 88 3 2 52 5 纳米固井材料固化后析水少纳米固井材料固化后析水少 体积不收缩体积不收缩 将配制的纳米固井材料浆体密封置于 80 下恒温固化 48 小时 观察其固结情况 试验表明 纳 米固井材料固化后坚硬致密 与超细水泥等常规无机纳米固井材料相比 纳米固井材料固化后析水量 少 体积不收缩 试验结果如表 4 所示 表 4 纳米固井材料固化后状态与超细水泥对比 样品号 50ml纳米固井材料析水量 ml 收缩率 超细水泥 818 普通油井水泥 920 纳米固井材料1018 0 10 2 62 6 纳米固井材料抗压性能测试纳米固井材料抗压性能测试 将配好的纳米固井材料浆液倒入 2 54 高为2 54 的模具中 密封后置于80 水浴中养护 48h后脱模 在压力试验机上测试其抗压强度 并于超细水泥和普通油井水泥进行比较 试验结果如表 5 表5 纳米固井材料性能测试对比数据表 样品号抗压强度 MPa 超细水泥 16 2 4 油井水泥 13 5 纳米固井材料1018 33 6 从上表可以看出 纳米固井材料水化固化体抗压强度达33 6MPa 远大于超细水泥等常规纳米固井 材料的抗压强度 说明纳米固井材料具有抗压性能好 可承压油水井地层下高压流体的冲击 2 72 7 纳米固井材料稠化性能测试纳米固井材料稠化性能测试 将配制好的纳米固井材料加入高温高压稠化仪的样杯中 测其在 110 和 40MPa 下稠化时间 测 定结果如图 2 所示 由图知 在 110 和 40MPa 条件下 纳米固井材料的稠化时间 6 小时以上 能满足高温地层挤 注的要求 初始稠度为 10BC 可泵性能好 2 82 8 纳米固井材料溶解性能评价试验纳米固井材料溶解性能评价试验 试验结果如表 6 所示 表 6 解纳米固井材料岩芯动态解堵试验数据表 岩芯 编号 K0 m2 K1 m2 封堵率 K2 m2 解堵率 131 449 500 00712399 9439 1098 7 132 169 520 00539899 9167 9899 8 135 447 300 00680599 9435 4098 6 136 125 370 00387099 9120 4196 1 注 K0 堵前渗透率 K1 堵后渗透率 K2 解堵后渗透率 由表可知 解堵后填砂管内石英砂均呈松散状态 解堵率平均在 96 以上 说明纳米固井材料溶 解性能很好 二次固井过程中若对生产层形成污染堵塞则可用化学方法解堵恢复其渗透性 3 现场试验部分 截至目前 纳米固井材料已累计现场试验 8 井次 工艺成功率 100 有效成功率 100 施井阶段 图 2 纳米固井材料稠化性能测试曲线图 5 累计增油 6893t 降水 32000m3 取得了显著的经济效益和社会效益 典型井例 3 13 1 高温高压高矿化度低渗透超深油井二次固井高温高压高矿化度低渗透超深油井二次固井 TK322 井 该井是中石化西北分公司塔河采油一厂的一口超深油井 该井 2005 年 11 月裸眼酸压 完井奥陶系 完井井段 5360 77 5460m 投产后自喷生产 累计产液 772 8m3 累计产油 355 7t 于 2006 年 1 月 27 日转抽 电泵 生产 日产液 59 6m3 日产油 1 6t 含水 97 遂决定上返石炭系的 6 号层和 11 号层生产 由于 6 号层 5033 5038m 及 11 号层 5077 5095m 完井时固井质量差 验窜显示存在管外 窜槽 2006 年 6 月决定上返石炭系的 6 号层和 11 号层生产 上返前要求二次固井 由于窜槽井段长 达 688m 窜槽井段地层温度高达 118 地层水矿化度高达 23 6 104mg L 地层流体压力 52 35 53 01MPa 储层渗透率仅为 3md 采用水泥类固井材料二次固井难度大 2006 年 5 月 22 日 采用纳米固井新材料通过工程孔 5089 5091m 和 5060 5062m 对一二界面进行 二次固井 累计挤注堵剂 6 1m3 堵后固井质量评价合格 后射开 6 号和 11 号层上返生产 射孔后自 喷生产 油压 15Mpa 套压 14 9 Mpa 日产油由二次固井前的 1 6t 上升至 130t 含水由 97 降至 0 5 阶段累计增油 17884 4t 降水 10121 4 m3 增油降水效果显著 3 23 2 高温高压高矿化度低渗透预探井封窜井例高温高压高矿化度低渗透预探井封窜井例 泌 310 井是河南安棚油田的一口预探井 2006 年 12 月投产射开 H33 6层即 2816 1 2826 5m 井段 试油 高含水关井 2007 年 1 月井段采用热中子俘获测井验窜 发现 H33 6 层完井时固井质量不合格 即 H33 6 层与 2800 0 2807 9m 井段存在管外窜槽 上部地层水沿窜槽窜至 H33 6试油层导致高含水 该井管外窜井段地层温度 115 地层水矿化度为 4 2 104mg L 渗透率 0 008 m2 CaCl2水型 属高 温高压高矿化度低渗透疑难井 遂决定采用纳米固井材料封窜 2007 年 1 月 26 日 在 2807 4 2808 4 井段开工程孔循环封窜 累计挤注纳米堵剂 2 5m3 堵后试 压 10MPa 合格 采用热中子俘获测井验窜表明 管外窜槽得到了有效封堵 为该井后续试油和认识地 层潜力奠定了基础 4 结 语 1 纳米固井新材料强度高 封堵率高 溶解率高 耐温范围宽 初凝时间可调 施工安全简便 措施成功率高 应