¹中石油勘探开发研究院，北京

²北京中科聚和开发技术有限公司，北京

³西安石油大学新能源学院，陕西 西安

收稿日期：2022年12月23日；录用日期：2023年3月2日；发布日期：2023年3月9日

摘要

为解决裂缝性油藏常规堵调有效期短、易污染油层问题，提出了对裂缝性油藏窜流通道深部充填长效封堵技术思路。以石英砂为基材添加无机填充颗粒、双控暂堵颗粒、自悬浮砂、体膨颗粒等材料形成紧密堆积，提高控水能力，调整充填体封堵能力，降低堆积体的渗透率，达到堵水目的。

关键词

颗粒材料，封堵，裂缝，石英砂

Experimental Study on Solid Particle Plugging System in Fractured Reservoir

Xiaobo Lu^1,2, Xinru Li³, Yanna Zhang¹, Liangchuan Li^1*, Pingmei Wang¹, Yao Lu²

¹Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing

²Beijing Zhongke Juhe Technology Development Co. LTD, Beijing

³Xi’an Shiyou University College of New Energy, Xi’an Shaanxi

Received: Dec. 23^rd, 2022; accepted: Mar. 2^nd, 2023; published: Mar. 9^th, 2023

ABSTRACT

To solve the problem that the conventional plugging period of a fractured reservoir is short and easy to pollute the reservoir, the idea of deep filling and long-term plugging technology for the channeling path of a fractured reservoir is put forward. With quartz sand as the base material, inorganic filling particles, double-controlled temporary blocking particles, self-suspended sand, bulk expansion particles, and other materials are added to form tight packing, which can improve the water control ability, adjust the blocking ability of backfill, reduce the permeability of accumulation body, and achieve the purpose of water plugging.

Keywords:Granular Materials, Plugging, Fracture, Quartz Sand

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1. 引言

裂缝性油藏由于储层内部裂缝发育，基质孔渗差，开发过程中，油藏压力的降低，注水或边底水沿天然裂缝进入油井，见水后快速水淹，甚至形成无效循环；裂缝性油藏能量低，地层存水量少，注水驱替波及体积小、效率低；是开发效果较差的主要原因 [1] 。为了提效增产，华北油田在潜山裂缝油藏开展机械和化学堵水；塔河油田缝洞油藏、新疆油田潜山火山岩裂缝油藏、玉门油田下沟组裂缝油藏也开展了堵水工作，都取得一定效果 [2] [3] [4] 。

裂缝性油藏已形成水窜的主流裂缝，既是地层流体汇聚、流动的主要通道，又是堵水时堵剂进入储层的主要通道。这一特殊性决定对裂缝进行封堵后，能否释放富油条带或动用较差油层的产油能力是影响堵水效果的关键地质因素 [5] [6] 。裂缝性油层常采用颗粒材料封堵裂缝 [7] ，颗粒材料的粒径分布是重要的参数，是否能够进入裂缝，进入裂缝深度及在裂缝内堆积状态等方面起主要作用，还影响封堵层孔隙度，封堵率和封堵强度等 [8] [9] 。根据封堵理论需要考虑封堵颗粒的粒径分布、物化性能等与地层不同裂缝类型匹配关系 [10] [11] [12] 。

堵水施工中，因堵剂注入排量过大，对主要出水/吸水裂缝进行封堵，同时对剩余油较为富集的次级裂缝、微裂缝或孔隙也造成一定的伤害。堵水施工后，出现油井产液量大幅度下降，增油效果较差，且有效期短 [13] 。为此进行裂缝通道深部充填长效封堵实验研究，其工艺原理是：超破裂压力下，储层天然裂缝扩张、延伸，注入堵剂对已形成水窜的主流裂缝进行大排量深部充填；充填材料采用低成本的石英砂与可调节渗透率的不同性能的填充颗粒混合砂，不仅降低材料成本，还能适用于不同工况需求；充填材料进入裂缝，使得流体在裂缝内的流动形态由窜流变成渗流，大幅度降低裂缝内的水窜速度，达到控水目的。

2. 实验方法

2.1. 裂缝导流能力评价法

1) 实验材料及仪器

漏斗、烧杯、直尺、密度瓶、压力试验机、振筛机、电子天平、体视显微镜、体积密度仪、样品筛、破碎室、裂缝导流仪等。

2) 实验方法

裂缝恰好保持不至于闭合所需的流体压力即闭合压力，在模具中加入70~140目石英砂模拟无固相颗粒充填裂缝，施加不同载荷的闭合压力，在充填裂缝中通入不同压差的压缩空气，根据气体径向渗流定律计算出模拟充填裂缝的导流能力值。

2.2. 填砂管驱替评价法

1) 实验材料及仪器

烧杯、橡胶锤、填砂管、球磨机、电子天平、高温高压多动能驱替装置等。

2) 实验方法

注入流体：蒸馏水；注入前需要过滤，滤膜孔径规格为0.22 μm；填砂管：规格φ2 cm × 30 cm。填砂方法：称取200 g石英砂或添加一定量的颗粒材料的石英砂与水混匀搅拌成团至无游离的砂和水，取少量混合砂放入填砂管，橡胶锤敲击填砂管外壁8~10次，再用填砂杵反复用力填实，重复填砂至填砂管满为止；填砂管填充结束后连接到驱替装置，以设定流速注水(或其他介质)，注入口排空后测渗透率。

3. 实验内容

3.1. 固体颗粒材料的粒径分布及功能

单独石英砂堆积后形成的充填体渗透率偏高，为了提高充填体堵水效果，可通过增加不同性能的细颗粒材料，各填充材料粒径及功能见表1。

表1. 各类填充材料粒径及功能

3.2. 固体颗粒封堵性能评价

1) 石英砂充填裂缝导流能力评价

选择70~140目石英砂作为封堵材料，充填到裂缝导流室内，逐步调高闭合压力10~50 MPa，常温水驱替，每一个闭合压力下测试2、5、10 mL/min的三个驱替速度，测试石英砂充填体的渗透率和导流能力(结果见表2)。

表2. 充填石英砂后不同闭合压力下裂缝导流能力

从实验测试结果看，随着闭合压力的升高，石英砂充填体的渗透率大幅度降低，导流能力下降。闭合压力为10 MPa时，渗透率为11.24~11.53 μm²，导流能力为6.18~6.34 μm²cm。而闭合压力增加为30 MPa时，渗透率降为4.07~4.22 μm²，导流能力为3.32~3.44 μm²cm。当闭合压力一定的情况下，驱替流量分别设置了2、5、10 mL/min，当流量为10 mL/min时，导流室入口出口压差接近或高于10 KPa，高于安全压力值，且测得的渗透率和导流能力值也与2、5 mL/min时的渗透率和导流能力值发生了较大的偏离，因此认为70~140目石英砂充填体在10~50 MPa压力范围内的合理的驱替流量为2~5 mL/min，随着闭合压力越高，压实作用下导致渗透率下降、导流能力下降。

闭合压力5 MPa、15 MPa，且驱替流量为2~5 mL/min，测试石英砂的渗透率和导流能力。由表3内的实验结果显示，闭合压力对石英砂充填体的渗透率起到重要的影响作用，闭合压力15 MPa比5 MPa石英砂渗透率降低。但随着驱替流量降低，导流能力下降，因为石英砂粗颗粒多，颗粒堆积形成的骨架大，在驱替流量发生变化时，横向压差增加，挤压石英砂颗粒，骨架之间的空间被压缩，因此渗透率降低，导流能力下降。

表3. 充填石英砂后不同流量下裂缝导流能力

2) 功能型颗粒充填体封堵性能评价石英砂充填裂缝导流能力评价

① 无机充填颗粒充填体的裂缝导流能力

无机充填颗粒为粒径为50~80 μm的固体材料，其平均渗透率为0.18 μm²，比70~140目石英砂充填裂缝的渗透率低，降幅达98.9%，因此可以通过改变粒径大小来改善充填体的渗透率。

② 70~140目石英砂 + 双控暂堵颗粒充填体的裂缝导流能力

由表4可知，70~140目石英砂的渗透率仍然比较高，5 MPa闭合压力下，充填体渗透率为10~20 μm²。为了降低充填体的渗透率，在石英砂基材中添加9%双控暂堵剂颗粒，常温测试混合砂的裂缝导流能力显示超压，降低排量2 mL/min以下，仍然超压，说明9%双控暂堵剂的加入能够大幅度降低70~140目石英砂充填体的渗透率，导致驱替压力过大，渗透性明显变差。而且双控暂堵剂能够高温溶解，改善充填体的导流能力。

表4. 无机充填颗粒充填裂缝导流能力

由表3和表5可知，70~140目石英砂中加入少量双控暂堵剂颗粒，能够大幅度降低充填裂缝的渗透率。5 MPa闭合压力下石英砂渗透率由平均20 μm²降低为5.4 μm²，降低幅度73%，15 MPa闭合压力下，渗透率同样下降明显，说明通过在70~140目石英砂为基材，通过添加小粒径的填充颗粒材料能够大幅度降低渗透率，调整充填体的封堵能力。

表5. 石英砂与双控暂堵颗粒混合充填裂缝导流能力

③ 填砂管不同填料渗透率测试

由表4和表6可知，无机填充颗粒可单独使用，也可与石英砂混合使用，均较石英砂大幅度降低裂缝导流能力。随着无机填充颗粒填充比例增大，渗透率降低幅度越大。9%~25%充填比时，70~140目石英砂与无机充填颗粒材料混合形成的充填体渗透率由365.39 mD降至46.40 mD，较石英砂渗透率的降幅达86.89%~98.33%；石英砂 + 30%自悬浮堵剂可将充填体渗透率降低至32.83 mD，降低率98.82%。同时，无机填充颗粒具有粒径小、悬浮性能好、成本低的优势，适合用于大规模储层深部裂缝填充封堵，控制底水上窜。

表6. 不同无机填充颗粒填充对渗透率影响

在70~140目石英砂中，加入不同的有机填充颗粒，也可以明显降低充填体的渗透率(结果见表7)；油基双控暂堵剂作为填充颗粒可降低充填体的渗透率，且随养护时间延长，部分颗粒融化被水流带出，恢复部分渗透率，有利于实现裂缝的选择性封堵；在石英砂中加入体膨调剖剂颗粒，可大幅度降低水相渗透率，充填到裂缝内有利于降低水窜速度，改善封堵效果；石英砂与自悬浮砂7:3配比再加入少量油基双控暂渗透率也大幅降低；自悬浮堵剂表面涂覆有机物，其能在水中溶解增加粘度，提高携砂能力。

表7. 不同有机填充颗粒对渗透率的影响

4. 结论

通过裂缝导流能力评价和填砂管驱评价对石英砂性能及封堵性能评价，石英砂等颗粒材料满足裂缝通道深部充填长效封堵技术要求。单独石英砂堆积后形成的充填体渗透率偏高，通过粒径优化选择，但与其他小一级粒径具有一定功能性的固相颗粒材料以不同比例混和，充填到石英砂堆积形成的孔隙体积中，实现颗粒之间的最紧密堆积，大幅度降低石英砂堆积体的渗透率，降幅85%~98%，达到堵水的目标。

文章引用

卢小波,李欣儒,张艳娜,李良川,王平美,路 遥. 裂缝性油藏固相颗粒封堵体系实验研究
Experimental Study on Solid Particle Plugging System in Fractured Reservoir[J]. 石油天然气学报, 2023, 45(01): 37-43. https://doi.org/10.12677/JOGT.2023.451006

参考文献