新型环空化学封隔器的研制与应用

新型环空化学封隔器的研制与应用

与垂直井相比，水平井具有较高的采收率、低的生产压力和较长的无水采收期等优点。然而，随着开发时间的延长，当水平井看到水时，含油量迅速增加，产油量急剧下降。一些水平井刚建成时就变成了水，严重影响了水平井的开发效果。在新疆油田、冀东油田、大港油田等只要用水平井采油,就会不可避免地出现不同程度的出水问题。水平井完井方式主要有3种,即射孔完井、割缝筛管(或衬管)完井和裸眼完井。受成本及技术因素的影响,国内外主要采用管外无封隔器的割缝筛管完井方式,国内该类完井方式占70%,国外则达到90%。在这3种完井方式中,割缝筛管水平井堵水难度最大,因为割缝筛管与岩石壁面之间无隔挡,底水或边水进入井筒有径向流和横向流2种方式。因此,由于完井方式等原因,水平井控水问题已成为世界级的难题,亟待突破。割缝筛管水平井堵水主要采用化学剂笼统注入法。20世纪90年代中期水平井管外环空化学封隔器技术(ACP)的提出为割缝筛管水平井堵水技术提供了新的思路。1997年起Dowell、Schlumberger等公司开始将该技术应用于Nigeria、Prudhoe、SaudiArabia,证实其工艺上的可行性。但从其研究水平、工业应用规模及实施效果看,割缝筛管水平井堵水技术的研究仍处于探索阶段,特别是ACP封隔材料的开发仍不能满足工艺要求。水平井管外环空化学封隔器(ACP)定位注入技术是借助连续油管(CT)和跨式封隔器(IBP),在割缝套管与井壁之间的环空放置能够形成化学封隔层的可固化液,形成不渗透的高强度段塞,达到隔离环空区域的目的,然后配合管内封隔器,实现堵剂的定向注入。ACP技术可以克服堵剂笼统注入的局限及风险,提高施工效果,是目前国外研究应用的主体技术,但该技术在水平段环空填充的密实性、封隔强度和施工安全性等方面仍存在许多问题,制约ACP技术应用的瓶颈在于ACP材料的研究。根据筛管完井水平井堵水对ACP的要求,研究了新型的ACP材料XAN-SP,对其物理性能和施工性能进行了模拟实验和评价。该研究对筛管水平井找水、堵水技术的发展、提高水平井开发效益具有重要意义。1管越界环空化学封隔器主要特点ACP的重要功能是有效充填在筛管与井眼的环空,形成具有一定强度的、可靠的段塞封隔,保证筛管水平井找水堵水作业的顺利进行,由此对环空化学封隔器ACP提出了下列要求:(1)ACP材料在被挤入水平段环空后常会由于重力作用发生“坍塌”,导致不能形成完全的封堵,因此,要求ACP具有良好的触变性,能够快速形成网架结构,完整密实地充满需要封隔的水平井段,保证不塌落,不变形。(2)具有安全可靠的施工性能。在筛管完井水平井实施管外环空化学封隔器技术,是一项风险大、工艺流程复杂的工作,要求能够将ACP顺利推到井下的预定位置并挤入环空,然后还必须保证筛管内残余的ACP能够顺利清洗,不卡施工管柱,在施工全过程具有较高的安全系数。(3)ACP应该与筛管和井眼有较高的界面胶结强度,胶塞本身具有一定的固化强度和膨胀性能,从而实现对封隔水平段的有效封隔,胶塞抗窜强度满足今后找水和堵水的需要。2acp的组成为满足筛管水平井找水堵水对管外环空化学封隔器的要求,新型ACP材料XAN-SP主要由下列组分构成:(1)结构形成剂,主要构成ACP的高触变性和网架结构强度,保持ACP在水平环空段的形状。(2)固化交联剂,构成ACP的界面胶结强度和本体强度。(3)微膨胀剂,使ACP能够在固化过程中微膨胀,保证填充的密实性。(4)施工性能调节剂,控制ACP的初凝和终凝时间,保证施工安全。3外空化学压缩器室内实验3.1基本性能测定将新型ACP材料XAN-SP按灰水比1.47的比例配成浆体,搅拌30min后测定的基本性能是:密度1.30g/cm2,100mL浆体静止2h后的自由水为0。3.2持压性能测试ACP的触变性和形状稳定性是ACP的一个关键性能,也是ACP研究的技术难点所在。XAN-SP管外环空化学封隔器浆体是一种特殊的触变性浆体,用常规的流变学模式难以描述它的流变性和触变性特征。为了直观、真实地评价ACP浆体的触变性和形状稳定性,设计了一些特殊的模拟实验流程。3.2.1持压性能浆体的持压性能表现了浆体快速形成较高胶凝强度,保持浆体体积形态的特性。实验方法是将配制好的XAN-SP浆体在规定的温度条件下养护一定时间,模拟浆体从地面泵到井下,静止养护等待挤入环空的实际工况。将养护好浆体搅拌20min,然后立即放入装有割缝宽度为0.36mm的模拟实验块的XAN-RC封堵模拟实验流程中,对试样施加水力压力,测定样品被挤出仪器的压力即为试样的持压强度,实验结果见表1。实验发现,XAN-SP浆体在规定温度下养护后尽管已呈半凝固状态,但一经搅拌仍能够顺利流动,停止搅拌后又立即恢复半凝固形态,将此半凝固的浆体挤出仪器需要一定的压力,说明XAN-SP浆体的胶凝强度较高,有较好的形状稳定性。普通能够搅拌流动的浆体如水泥浆、钻井液放入实验流程中会立即自动从实验流程的割缝中流出,持压强度为0。而经过静止养护2h的油井水泥根本无法再通过搅拌恢复流动,也无法从筛管割缝中挤出,不具备ACP的施工性能。因此,XAN-SP浆体与普通油井水泥浆等油井工作液浆体在流变特性方面有本质区别。3.2.2养护温度对hs-sp管外化学封隔器浆体触变性的影响XAN-SP流动性的实验方法是:将一直径为5.0cm、高为6.0cm的圆筒放在水平玻璃上,将经过不同时间养护的样品搅拌20min后立即倒入圆筒,使液面与圆筒上边缘相平,然后用手匀速将圆筒提起,浆体自然在水平玻璃面上变形散开成圆形状,然后测量直径大小即为浆体的流动性,浆体变形越小则扩散的直径越小。该方法能够很好地表现浆体在停止剪切后保持其形状的能力,可以充分体现浆体的触变性能,见图1、图2。从图1和图2可以看出:(1)XAN-SP浆体样品在规定温度下静止养护一定时间后,随着养护时间的增加,浆体的触变性更强,形状稳定性更好;(2)养护温度对XAN-SP管外化学封隔器浆体的触变性和形状稳定性影响不大。养护时间达到2h时,浆体在搅拌条件下仍能够迅速由半凝固状态转为流动状态,静止后又立即恢复到半凝固状态,基本上不变形,浆体外形直径与仪器圆筒直径一致。3.2.3充填体形状稳定性用B38QL钻井液浮筒切力计测定了XAN-SP的抗剪切强度,以表征实验浆体在静止养护后内部胶凝结构强度的发展情况,由此评价浆体的形状稳定性,实验结果见图3。由图3可以看出,XAN-SP浆体试样的抗剪切强度(胶凝结构强度)随着养护时间的增加稳步增加,有利于浆体在水平井环空保持良好的充填稳定性,也说明ACP浆体在井下养护一定时间后再挤入水平段环空更能保证充填的密实性和形状稳定性。温度对XAN-SP浆体胶凝强度的发展影响不大。3.3试样的膨胀性XAN-SP的封隔强度主要用浆体固化体的抗窜强度来表征。具体的实验方法是:将实验浆体灌入钢管(直径25cm、长80cm)中,在规定的温度和时间下养护后,放入XAN-RC封堵模拟实验流程测试试样的抗水窜强度,以此表征试样在水平段环空的封隔强度。试样抗窜强度的测试方法见参考文献,试样的膨胀性是通过测定钢管样品养护后的膨胀量进行评价,实验结果见图4和图5。从图4、图5可以看出:(1)XAN-SP浆体固化后有较高的早期抗窜强度。在相同的养护温度条件下,随养护时间的增加,试样的抗窜强度稳定增长;在相同的养护时间内,试样的抗窜强度随养护温度的增加稳定增加;(2)浆体的膨胀性较高,初期(养护2d)最高,随养护时间的增加有所下降,但都呈现出较高的膨胀特性。研究了实验钢管长度变化对试样抗窜强度的影响,实验结果见表2。从长短钢管的抗窜强度差异看,钢管长度增加不到4倍,抗窜强度增加了4倍,说明XAN-SP的环空封堵抗窜强度能够满足找水和堵水的施工需要。XAN-SP浆体在养护过程中具有良好的膨胀性能,能够有效充填环空。在XAN-SP添加增强剂后抗窜强度能够进一步提高,80mm钢管试样的实验结果见表3。3.4施工性能xn-sp3.4.1养护温度和增强剂的影响实验研究表明,ACP泵入井下挤入水平段环空前需要养护一定的时间,以获得更高的浆体胶凝强度和触变性,保证对环空的密实充填。因此需要通过实验得出最佳的ACP注入环空的时间。实验方法是:采用长300mm、直径为25mm的钢管,钢管的一端接加压接头(对ACP施加气压),另一端是1.0mm的割缝端(模拟筛管)。先在钢管中装满XAN-SP浆体样品,在规定温度下进行养护,然后对养护后的样品施加气压,通过测定将样品推出割缝外所需要的压力值(即浆体承压强度),求得t60℃和t75℃的最佳挤入时间。实验采用XAN-SP+2%增强剂的施工配方,实验结果见表4。实验结果表明,XAN-SP浆体养护90min就能获得较高的胶凝强度,温度增加对浆体的胶凝强度略有增加,但影响不大。浆体在规定温度下养护2h也能够顺利挤出筛管进入水平段环空。3.4.2模拟施工管柱外含有acp残余物的情况ACP挤入环空后,在施工管柱外充满了ACP与顶替液的混合物,对上提施工管柱可能有一定阻力,因此需要研究该阻力的大小,对管柱安全是否构成危险。实验采用20%XAN-SP浆体与80%顶替液混合的方式进行模拟实验,模拟施工管柱外充满ACP残余物的工况。实验方法是:XAN-SP浆体配好后在规定温度下养护70min,之后与前置液混合,注入模拟筛管的有机玻璃管柱中(长度300mm,内径40mm),然后插入模拟油管的钢管(长度300mm、外径25mm),一起放入养护箱中养护,测定一定温度下在规定时间内的钢管从有机玻璃管中提出的阻力,以此得出合理的上提油管时间,同时指出上提油管的危险时间(油管被卡时间),实验结果见表5。实验结果表明,XAN-SP浆体和顶替液的混合物在一定温度下静止4h以内都不会对上提油管产生较大的阻力,能够保证施工结束后顺利提出施工管柱。温度变化对管柱上提力的影响不大。3.4.3残留物冲洗效率测定ACP挤入水平段环空后,需要将施工管柱提出,然后换成冲洗管柱,对筛管内的ACP残余物进行冲洗。冲洗时间的选择是既要保证管外ACP的完整性,又要保证筛管内的残余物顺利洗出。实验目的是研究残余物在井下能够彻底清洗的最佳时间。实验方法:(1)XAN-SP浆体配制好后在规定的温度下养护70min;(2)将养护好的XAN-SP浆体与顶替液按比例混合后灌入长度为300mm带孔的钢管内(模拟筛管内存有ACP残余物);(3)将养护好的XAN-SP浆体灌入有机玻璃管中(尺寸同上,模拟水平段环空井眼充满ACP),再将带孔的钢管插入有机玻璃管中,并使其固定居中;(4)在规定养护温度下,定时用冲洗枪对钢管内的XAN-SP模拟残余物进行冲洗,观察冲洗钢管内残余物时对有机玻璃管环空ACP的破坏程度,测定管内残留物的冲洗效率。实验结果表明,只要在10~24h内对筛管内的ACP混合物进行冲洗,就能够保证不影响管外化学封隔器ACP的完整性,同时保证100%的冲洗效率。4采用acp联合共管柱抽下段、隔水、压过滤管,确保施工质量LUHW1421井是新疆油田陆梁油田的一口水平井。根据生产情况和对水平段出水位置的分析判断,决定在水平段1939±2m(距B点124m)放置XAN-SP管外环空化学封隔器,进行水平井管外分段。对XAN-SP管外化学封隔器验封后再进行分段找水,确定高含水井段,为分段堵水、隔水提供施工依据和条件。该井井下温度60℃,将地面配制好的XAN-SP管外环空化学封隔器浆体泵入井下预定位置后静止养护1h,然后控制排量顺利将浆体挤入筛管与水平段井眼的环空,静止养护1h后取出施工管柱,管柱上提时无附加阻力。24h后下入冲洗管柱,将ACP残余物洗净,整个施工过程安全顺利。施工参数能够保证现场施工的正常安全进行。建立ACP后下入隔抽管柱抽下段15d,含水率为80%左右,产液量15t/d左右。2010年11月30日换层抽上段。隔抽上段初期含水率降为50%~60%,含水率下降明显。稳水半年后含水率有所上升,目前日产油量为5t左右,生产正常。LUHW1421井现场试验结果表明,该技术取得了一定的降水效果,对于稳水时间较短的问题,需要对具体的地质及工程原因进行分析。5施工参数模拟实验(1)XAN-SP浆