新型環(huán)空化學(xué)封隔器的研制與應(yīng)用

新型環(huán)空化學(xué)封隔器的研制與應(yīng)用

與垂直井相比，水平井具有較高的采收率、低的生產(chǎn)壓力和較長的無水采收期等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著開發(fā)時間的延長，當(dāng)水平井看到水時，含油量迅速增加，產(chǎn)油量急劇下降。一些水平井剛建成時就變成了水，嚴(yán)重影響了水平井的開發(fā)效果。在新疆油田、冀東油田、大港油田等只要用水平井采油,就會不可避免地出現(xiàn)不同程度的出水問題。水平井完井方式主要有3種,即射孔完井、割縫篩管(或襯管)完井和裸眼完井。受成本及技術(shù)因素的影響,國內(nèi)外主要采用管外無封隔器的割縫篩管完井方式,國內(nèi)該類完井方式占70%,國外則達(dá)到90%。在這3種完井方式中,割縫篩管水平井堵水難度最大,因?yàn)楦羁p篩管與巖石壁面之間無隔擋,底水或邊水進(jìn)入井筒有徑向流和橫向流2種方式。因此,由于完井方式等原因,水平井控水問題已成為世界級的難題,亟待突破。割縫篩管水平井堵水主要采用化學(xué)劑籠統(tǒng)注入法。20世紀(jì)90年代中期水平井管外環(huán)空化學(xué)封隔器技術(shù)(ACP)的提出為割縫篩管水平井堵水技術(shù)提供了新的思路。1997年起Dowell、Schlumberger等公司開始將該技術(shù)應(yīng)用于Nigeria、Prudhoe、SaudiArabia,證實(shí)其工藝上的可行性。但從其研究水平、工業(yè)應(yīng)用規(guī)模及實(shí)施效果看,割縫篩管水平井堵水技術(shù)的研究仍處于探索階段,特別是ACP封隔材料的開發(fā)仍不能滿足工藝要求。水平井管外環(huán)空化學(xué)封隔器(ACP)定位注入技術(shù)是借助連續(xù)油管(CT)和跨式封隔器(IBP),在割縫套管與井壁之間的環(huán)空放置能夠形成化學(xué)封隔層的可固化液,形成不滲透的高強(qiáng)度段塞,達(dá)到隔離環(huán)空區(qū)域的目的,然后配合管內(nèi)封隔器,實(shí)現(xiàn)堵劑的定向注入。ACP技術(shù)可以克服堵劑籠統(tǒng)注入的局限及風(fēng)險,提高施工效果,是目前國外研究應(yīng)用的主體技術(shù),但該技術(shù)在水平段環(huán)空填充的密實(shí)性、封隔強(qiáng)度和施工安全性等方面仍存在許多問題,制約ACP技術(shù)應(yīng)用的瓶頸在于ACP材料的研究。根據(jù)篩管完井水平井堵水對ACP的要求,研究了新型的ACP材料XAN-SP,對其物理性能和施工性能進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和評價。該研究對篩管水平井找水、堵水技術(shù)的發(fā)展、提高水平井開發(fā)效益具有重要意義。1管越界環(huán)空化學(xué)封隔器主要特點(diǎn)ACP的重要功能是有效充填在篩管與井眼的環(huán)空,形成具有一定強(qiáng)度的、可靠的段塞封隔,保證篩管水平井找水堵水作業(yè)的順利進(jìn)行,由此對環(huán)空化學(xué)封隔器ACP提出了下列要求:(1)ACP材料在被擠入水平段環(huán)空后常會由于重力作用發(fā)生“坍塌”,導(dǎo)致不能形成完全的封堵,因此,要求ACP具有良好的觸變性,能夠快速形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu),完整密實(shí)地充滿需要封隔的水平井段,保證不塌落,不變形。(2)具有安全可靠的施工性能。在篩管完井水平井實(shí)施管外環(huán)空化學(xué)封隔器技術(shù),是一項(xiàng)風(fēng)險大、工藝流程復(fù)雜的工作,要求能夠?qū)CP順利推到井下的預(yù)定位置并擠入環(huán)空,然后還必須保證篩管內(nèi)殘余的ACP能夠順利清洗,不卡施工管柱,在施工全過程具有較高的安全系數(shù)。(3)ACP應(yīng)該與篩管和井眼有較高的界面膠結(jié)強(qiáng)度,膠塞本身具有一定的固化強(qiáng)度和膨脹性能,從而實(shí)現(xiàn)對封隔水平段的有效封隔,膠塞抗竄強(qiáng)度滿足今后找水和堵水的需要。2acp的組成為滿足篩管水平井找水堵水對管外環(huán)空化學(xué)封隔器的要求,新型ACP材料XAN-SP主要由下列組分構(gòu)成:(1)結(jié)構(gòu)形成劑,主要構(gòu)成ACP的高觸變性和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,保持ACP在水平環(huán)空段的形狀。(2)固化交聯(lián)劑,構(gòu)成ACP的界面膠結(jié)強(qiáng)度和本體強(qiáng)度。(3)微膨脹劑,使ACP能夠在固化過程中微膨脹,保證填充的密實(shí)性。(4)施工性能調(diào)節(jié)劑,控制ACP的初凝和終凝時間,保證施工安全。3外空化學(xué)壓縮器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)3.1基本性能測定將新型ACP材料XAN-SP按灰水比1.47的比例配成漿體,攪拌30min后測定的基本性能是:密度1.30g/cm2,100mL漿體靜止2h后的自由水為0。3.2持壓性能測試ACP的觸變性和形狀穩(wěn)定性是ACP的一個關(guān)鍵性能,也是ACP研究的技術(shù)難點(diǎn)所在。XAN-SP管外環(huán)空化學(xué)封隔器漿體是一種特殊的觸變性漿體,用常規(guī)的流變學(xué)模式難以描述它的流變性和觸變性特征。為了直觀、真實(shí)地評價ACP漿體的觸變性和形狀穩(wěn)定性,設(shè)計了一些特殊的模擬實(shí)驗(yàn)流程。3.2.1持壓性能漿體的持壓性能表現(xiàn)了漿體快速形成較高膠凝強(qiáng)度,保持漿體體積形態(tài)的特性。實(shí)驗(yàn)方法是將配制好的XAN-SP漿體在規(guī)定的溫度條件下養(yǎng)護(hù)一定時間,模擬漿體從地面泵到井下,靜止養(yǎng)護(hù)等待擠入環(huán)空的實(shí)際工況。將養(yǎng)護(hù)好漿體攪拌20min,然后立即放入裝有割縫寬度為0.36mm的模擬實(shí)驗(yàn)塊的XAN-RC封堵模擬實(shí)驗(yàn)流程中,對試樣施加水力壓力,測定樣品被擠出儀器的壓力即為試樣的持壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),XAN-SP漿體在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)后盡管已呈半凝固狀態(tài),但一經(jīng)攪拌仍能夠順利流動,停止攪拌后又立即恢復(fù)半凝固形態(tài),將此半凝固的漿體擠出儀器需要一定的壓力,說明XAN-SP漿體的膠凝強(qiáng)度較高,有較好的形狀穩(wěn)定性。普通能夠攪拌流動的漿體如水泥漿、鉆井液放入實(shí)驗(yàn)流程中會立即自動從實(shí)驗(yàn)流程的割縫中流出,持壓強(qiáng)度為0。而經(jīng)過靜止養(yǎng)護(hù)2h的油井水泥根本無法再通過攪拌恢復(fù)流動,也無法從篩管割縫中擠出,不具備ACP的施工性能。因此,XAN-SP漿體與普通油井水泥漿等油井工作液漿體在流變特性方面有本質(zhì)區(qū)別。3.2.2養(yǎng)護(hù)溫度對hs-sp管外化學(xué)封隔器漿體觸變性的影響XAN-SP流動性的實(shí)驗(yàn)方法是:將一直徑為5.0cm、高為6.0cm的圓筒放在水平玻璃上,將經(jīng)過不同時間養(yǎng)護(hù)的樣品攪拌20min后立即倒入圓筒,使液面與圓筒上邊緣相平,然后用手勻速將圓筒提起,漿體自然在水平玻璃面上變形散開成圓形狀,然后測量直徑大小即為漿體的流動性,漿體變形越小則擴(kuò)散的直徑越小。該方法能夠很好地表現(xiàn)漿體在停止剪切后保持其形狀的能力,可以充分體現(xiàn)漿體的觸變性能,見圖1、圖2。從圖1和圖2可以看出:(1)XAN-SP漿體樣品在規(guī)定溫度下靜止養(yǎng)護(hù)一定時間后,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,漿體的觸變性更強(qiáng),形狀穩(wěn)定性更好;(2)養(yǎng)護(hù)溫度對XAN-SP管外化學(xué)封隔器漿體的觸變性和形狀穩(wěn)定性影響不大。養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到2h時,漿體在攪拌條件下仍能夠迅速由半凝固狀態(tài)轉(zhuǎn)為流動狀態(tài),靜止后又立即恢復(fù)到半凝固狀態(tài),基本上不變形,漿體外形直徑與儀器圓筒直徑一致。3.2.3充填體形狀穩(wěn)定性用B38QL鉆井液浮筒切力計測定了XAN-SP的抗剪切強(qiáng)度,以表征實(shí)驗(yàn)漿體在靜止養(yǎng)護(hù)后內(nèi)部膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)展情況,由此評價漿體的形狀穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,XAN-SP漿體試樣的抗剪切強(qiáng)度(膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加穩(wěn)步增加,有利于漿體在水平井環(huán)空保持良好的充填穩(wěn)定性,也說明ACP漿體在井下養(yǎng)護(hù)一定時間后再擠入水平段環(huán)空更能保證充填的密實(shí)性和形狀穩(wěn)定性。溫度對XAN-SP漿體膠凝強(qiáng)度的發(fā)展影響不大。3.3試樣的膨脹性XAN-SP的封隔強(qiáng)度主要用漿體固化體的抗竄強(qiáng)度來表征。具體的實(shí)驗(yàn)方法是:將實(shí)驗(yàn)漿體灌入鋼管(直徑25cm、長80cm)中,在規(guī)定的溫度和時間下養(yǎng)護(hù)后,放入XAN-RC封堵模擬實(shí)驗(yàn)流程測試試樣的抗水竄強(qiáng)度,以此表征試樣在水平段環(huán)空的封隔強(qiáng)度。試樣抗竄強(qiáng)度的測試方法見參考文獻(xiàn),試樣的膨脹性是通過測定鋼管樣品養(yǎng)護(hù)后的膨脹量進(jìn)行評價,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5。從圖4、圖5可以看出:(1)XAN-SP漿體固化后有較高的早期抗竄強(qiáng)度。在相同的養(yǎng)護(hù)溫度條件下,隨養(yǎng)護(hù)時間的增加,試樣的抗竄強(qiáng)度穩(wěn)定增長;在相同的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi),試樣的抗竄強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的增加穩(wěn)定增加;(2)漿體的膨脹性較高,初期(養(yǎng)護(hù)2d)最高,隨養(yǎng)護(hù)時間的增加有所下降,但都呈現(xiàn)出較高的膨脹特性。研究了實(shí)驗(yàn)鋼管長度變化對試樣抗竄強(qiáng)度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從長短鋼管的抗竄強(qiáng)度差異看,鋼管長度增加不到4倍,抗竄強(qiáng)度增加了4倍,說明XAN-SP的環(huán)空封堵抗竄強(qiáng)度能夠滿足找水和堵水的施工需要。XAN-SP漿體在養(yǎng)護(hù)過程中具有良好的膨脹性能,能夠有效充填環(huán)空。在XAN-SP添加增強(qiáng)劑后抗竄強(qiáng)度能夠進(jìn)一步提高,80mm鋼管試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。3.4施工性能xn-sp3.4.1養(yǎng)護(hù)溫度和增強(qiáng)劑的影響實(shí)驗(yàn)研究表明,ACP泵入井下擠入水平段環(huán)空前需要養(yǎng)護(hù)一定的時間,以獲得更高的漿體膠凝強(qiáng)度和觸變性,保證對環(huán)空的密實(shí)充填。因此需要通過實(shí)驗(yàn)得出最佳的ACP注入環(huán)空的時間。實(shí)驗(yàn)方法是:采用長300mm、直徑為25mm的鋼管,鋼管的一端接加壓接頭(對ACP施加氣壓),另一端是1.0mm的割縫端(模擬篩管)。先在鋼管中裝滿XAN-SP漿體樣品,在規(guī)定溫度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),然后對養(yǎng)護(hù)后的樣品施加氣壓,通過測定將樣品推出割縫外所需要的壓力值(即漿體承壓強(qiáng)度),求得t60℃和t75℃的最佳擠入時間。實(shí)驗(yàn)采用XAN-SP+2%增強(qiáng)劑的施工配方,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,XAN-SP漿體養(yǎng)護(hù)90min就能獲得較高的膠凝強(qiáng)度,溫度增加對漿體的膠凝強(qiáng)度略有增加,但影響不大。漿體在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)2h也能夠順利擠出篩管進(jìn)入水平段環(huán)空。3.4.2模擬施工管柱外含有acp殘余物的情況ACP擠入環(huán)空后,在施工管柱外充滿了ACP與頂替液的混合物,對上提施工管柱可能有一定阻力,因此需要研究該阻力的大小,對管柱安全是否構(gòu)成危險。實(shí)驗(yàn)采用20%XAN-SP漿體與80%頂替液混合的方式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),模擬施工管柱外充滿ACP殘余物的工況。實(shí)驗(yàn)方法是:XAN-SP漿體配好后在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)70min,之后與前置液混合,注入模擬篩管的有機(jī)玻璃管柱中(長度300mm,內(nèi)徑40mm),然后插入模擬油管的鋼管(長度300mm、外徑25mm),一起放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),測定一定溫度下在規(guī)定時間內(nèi)的鋼管從有機(jī)玻璃管中提出的阻力,以此得出合理的上提油管時間,同時指出上提油管的危險時間(油管被卡時間),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,XAN-SP漿體和頂替液的混合物在一定溫度下靜止4h以內(nèi)都不會對上提油管產(chǎn)生較大的阻力,能夠保證施工結(jié)束后順利提出施工管柱。溫度變化對管柱上提力的影響不大。3.4.3殘留物沖洗效率測定ACP擠入水平段環(huán)空后,需要將施工管柱提出,然后換成沖洗管柱,對篩管內(nèi)的ACP殘余物進(jìn)行沖洗。沖洗時間的選擇是既要保證管外ACP的完整性,又要保證篩管內(nèi)的殘余物順利洗出。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繗堄辔镌诰履軌驈氐浊逑吹淖罴褧r間。實(shí)驗(yàn)方法:(1)XAN-SP漿體配制好后在規(guī)定的溫度下養(yǎng)護(hù)70min;(2)將養(yǎng)護(hù)好的XAN-SP漿體與頂替液按比例混合后灌入長度為300mm帶孔的鋼管內(nèi)(模擬篩管內(nèi)存有ACP殘余物);(3)將養(yǎng)護(hù)好的XAN-SP漿體灌入有機(jī)玻璃管中(尺寸同上,模擬水平段環(huán)空井眼充滿ACP),再將帶孔的鋼管插入有機(jī)玻璃管中,并使其固定居中;(4)在規(guī)定養(yǎng)護(hù)溫度下,定時用沖洗槍對鋼管內(nèi)的XAN-SP模擬殘余物進(jìn)行沖洗,觀察沖洗鋼管內(nèi)殘余物時對有機(jī)玻璃管環(huán)空ACP的破壞程度,測定管內(nèi)殘留物的沖洗效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只要在10~24h內(nèi)對篩管內(nèi)的ACP混合物進(jìn)行沖洗,就能夠保證不影響管外化學(xué)封隔器ACP的完整性,同時保證100%的沖洗效率。4采用acp聯(lián)合共管柱抽下段、隔水、壓過濾管,確保施工質(zhì)量LUHW1421井是新疆油田陸梁油田的一口水平井。根據(jù)生產(chǎn)情況和對水平段出水位置的分析判斷,決定在水平段1939±2m(距B點(diǎn)124m)放置XAN-SP管外環(huán)空化學(xué)封隔器,進(jìn)行水平井管外分段。對XAN-SP管外化學(xué)封隔器驗(yàn)封后再進(jìn)行分段找水,確定高含水井段,為分段堵水、隔水提供施工依據(jù)和條件。該井井下溫度60℃,將地面配制好的XAN-SP管外環(huán)空化學(xué)封隔器漿體泵入井下預(yù)定位置后靜止養(yǎng)護(hù)1h,然后控制排量順利將漿體擠入篩管與水平段井眼的環(huán)空,靜止養(yǎng)護(hù)1h后取出施工管柱,管柱上提時無附加阻力。24h后下入沖洗管柱,將ACP殘余物洗凈,整個施工過程安全順利。施工參數(shù)能夠保證現(xiàn)場施工的正常安全進(jìn)行。建立ACP后下入隔抽管柱抽下段15d,含水率為80%左右,產(chǎn)液量15t/d左右。2010年11月30日換層抽上段。隔抽上段初期含水率降為50%~60%,含水率下降明顯。穩(wěn)水半年后含水率有所上升,目前日產(chǎn)油量為5t左右,生產(chǎn)正常。LUHW1421井現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)取得了一定的降水效果,對于穩(wěn)水時間較短的問題,需要對具體的地質(zhì)及工程原因進(jìn)行分析。5施工參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)(1)XAN-SP漿