油水井堵水技术.docx

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油水井堵水技术

油水井堵水技术

一、概述

（一）堵水技术的必要性

1、开发层系调整的需要

XXXXX油田的绝大多数油田是多层系开发。

随着开发层系调整的进行，必然有许多老井需要封层或者封堵。

2、二次开发封层封井的需要

据XXX油田二次开发油藏工程方案部署，有130口井需要封层处理；有299口井需要弃置处理。

这些都需要应用到封堵技术。

3、油井堵水的实际需求

通过初步调查摸底，我油田因套变、层间距离小等原因无法卡水以及层内出水井约400口井，其剩余储量达IooO万吨以上需通过油井堵水技术治理。

而口前我油田堵水措施年工作量均不足20井次，有效率在65%左右。

相对美国陆上油田、大庆油田等，堵水工作量明显偏少。

4、封堵套管漏失的需求

据统汁，每年发生套管破损漏失的井数在50口左右，其中约一半可以通过封堵技术来修复。

5、严重漏失井、高压井封堵要求

统计显示，XXX油田每年有接近40口严重漏失井或高压井需要进行化学封堵,但常规堵剂和材料难以满足实际需要。

如港6-29井由于1片、2#（厚度分别为6m、2.4m）出水导致高含水，曲于出水层压力高，在92—99年该井曾应用TDG、石灰乳等堵剂进行5次堵水，均未成功。

在南部油田，水井注水压力普遍在18到25MPa之间，需要封堵体系强度大于2□MPao

6、层内大孔道治理、提高水驱效率的需要

尤其在XxXX地区，山于长期注水开发，大孔道窜流严重，大孔道的存在造成无效注水循环，增大水处理和注水费用。

降低水驱波及体系和采收率。

7、严重亏空井的封堵需求

中北部地区由于含砂生产，造成近井地带严重亏空，现场需要能够满足严重

亏空漏失井的封堵体系。

（二）国内外研究现状

从油水井堵水封层技术发展情况看，近儿年国内其他油田在高强度堵剂的研究应用中已取得了很大进步，如华北的LC堵剂、中原的YLD无机固结型堵水技术,XXX油田的有机高强度堵水技术等，在应用中均取得了较好效果。

套管堵漏方面，应用较多的是套管补贴、膨胀管和水泥封堵。

这些技术都具有各自的适应特点，不能完全解决生产实际需要，仍然存在部分井需要采用特殊化学堵剂封堵。

近儿年的实践显示，随着油井进入中后期，对化学封堵材料提出了更高的要求。

如强度要求更高。

防漏失性能更高，耐温性更高。

山于封堵的IJ的不同和每口井的特殊要求，对堵剂和材料的品种和类型也提出了多样化的要求。

针对以上需求开展了本项技术的研究。

二.强造壁高强度复合封堵技术开发

（一）强造壁高强度复合堵剂原理

为了满足严重亏空、漏失、大孔道井的封堵要求，本项技术力求开发一种能够迅速在近井地带、亏空壁、大孔道、裂缝入口形成致密、网状薄璧的高强度体系。

该堵剂具有很强的造壁性，当本堵剂浆体在流动过程中遇到大孔道的地层骨架时，内含的造壁添加剂迅速在大孔道进口处（骨架表面）形成搭桥，在压差的作用下很快形成网状结构，浆体中不同粒径的可固结颗粒状物质随之填充网状结构的空隙，随着压差的不断增加和时间的推移，造壁层开始失水也在不断的增厚,并且堵剂中的纳米至微米级颗粒也在不断填充大颗粒之间的空隙，变成不能流动的紧密的状态，使造璧层的强度逐渐增加，同时防止了堵剂在固结过程中的收缩现象，直到最后能变成具有相当强度和韧性的石状固体。

1、提高造壁性和韧性原理

提高油井水泥的韧性可以通过加入各种纤维材料来实现,所加入的纤维有钢纤维、玻璃纤维、合成有机纤维和碳纤维，这些纤维全都是直链单丝纤维。

玻璃纤维具有强度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、尺寸稳定等；

钢纤维韧性大,强度也高；

合成有机纤维：

抗拉强度高，吸收冲击的能力强,抗裂效果好；

碳纤维：

强度高、模量高、耐高温,碳纤维还具有极好耐蚀性能。

天然纤维：

枝链，不规则，强度低。

图2-1强造壁原理示意图

造壁性主要通过合成有机纤维+高枝链度的天然纤维来实现的。

以合成有机纤维形成筋，以天然纤维形成网。

见图2-1。

2、提高强度和降低渗透性原理

水泥是一个先天带有一定缺陷和微裂缝的脆性材料。

水泥的孔隙越少、越小渗透性越低、强度越高。

也就是建筑上的无宏观缺陷高性能混凝土。

为了尽可能减少孔隙数量，缩小孔隙直径，需要合理设计颗粒级配。

课题组建立了以下级配填充模型。

见图2-2。

令A二R2∕R1,B=R2∕R1,X=rl/Rl

CO二4A2B2

CI二-（8A2B÷8AB2）X

c2二（4A2-8A2B2-24A2B-24AB2+4B2）x2

c3二-（24A2B-8A2+24AB2+18AB-8B2）x3

c4二-（8A2B-4A2B2-4A2+IOAB+8AB2-4B2）x4

c6=2ABx6

cθ+cl+c2+c3+c4+C6=0（2-1）

式2-1是一个高次非线性方程。

可利用非线性方程的求解方法解出X,则

rl=Rl∙x（2-2）

若等直径，则简化为1/6〜1/7镶嵌规则。

根据以上模型，筛选确定了油井水泥、超细水泥、微硅颗粒三元级配体系。

颗粒级配见表2-1o

表2-1油井水泥、超细水泥、微硅颗粒三元级配

平均粒径

比表面积

油井水泥

10-70Um

280CmVg

超细水泥

2T0Um

800-1600cm2∕g

微硅

0.01-0.3μm

29000cm2∕g

经过油井水泥、超细水泥、微硅颗粒三元级配体系级配充填后，形成的水泥石（饼）的孔隙直径在2〜50nm之间。

根据高才尼方程，其渗透率在0.06×10-3μm2以下。

儿乎不渗透。

（二）强造壁复合堵剂原料和配方

1、微硅粉

微硅粉是生产硅铁或金属硅的废气中回收的粉尘。

山于生产硅铁或金属硅使用温度很高的电炉,挥发的硅在空气中氧化成二氧化硅，在空气中形成微小的颗粒（直径在10〜30Onm之间（俗称硅灰）微硅粉主要用于水泥或混凝土材料，以改善水泥或混凝土的性能，配制具有超高强（C70以上）耐磨、耐冲刷、耐腐蚀、抗渗透的水泥，可大幅提高水泥抗渗等综合性能。

微硅粉掺入水泥混凝土后能很好地填充于水泥颗粒空隙之中，使浆体更微密，另外它还与游离的Ca（OH）3结合，形成稳定的硅酸钙水化物2CaO、SiO：

、H：

0,该水化物凝胶强度高于Ca（OH）C晶体，主要表现在：

（1）增加强度

使混凝土抗压、抗折强度大大增加，掺入5〜10%的微硅粉，抗压强度可提高10〜30%,抗折强度提高10%以上。

（2）增加致密度

抗渗性能提高5〜18倍，抗空化能力提高4倍以上。

（3）抗温度变化

微硅粉在经过300〜500次快速冻解循环，相对弹性模量隆低10〜20%,而普通混凝土通过25〜50次循环，相对弹性模量隆低为30〜73%。

（4）早强性

微硅粉混凝土使诱导期缩短，具有早强的特性。

（5）抗冲磨、控空蚀性

微硅粉混凝土比普通混凝土抗冲磨能力提高0.5〜2.5倍,抗空蚀能力提高3〜16倍。

IJ前已经有厂家专门生产硅灰。

2、超细水泥

在美国，大约有95%的堵水作业是用挤水泥的方法实施的。

仅在超细水泥问世后的最初9个月，有20多家作业公司在13个油气田上进行了上百次试验，根据81次作业的统计表明，成功率达94%o

超细水泥是颗粒更加细化了的油井水泥，粒径为IOUIn左右。

A级超细水泥通过0.23mm小缝隙的通过量达到94.6%,而普通G级、H级的油井水泥的通过量仅为15%左右。

细化了的油井水泥，其水化速度明显加快，析水量大大减少，抗压强度提高1倍，抗折强度提高1倍，凝固后的抗渗性提高14倍。

此外，由于比表面积增大，水化程度提高，使水泥的利用率成倍提高。

（1）粒径

IJ前，已经生产出的超细水泥产品，其粒径指标达到了国外同类产品的水平。

表2-2是超细水泥与普通油井水泥的粒径分析对比和比表面积分析对比表。

从表中可见，超细水泥的最大粒径为20〜35Hn1,普通水泥的最大粒径为90um：

超细水泥中有90%以上的颗粒粒径小于10.5〜21.4Hn1,而普通水泥有50%的粒径大于21μm;超细水泥的比表面积是普通水泥的2〜3倍。

表2-2列出了不同类型均

匀水泥的粒径。

表2-2超细水泥物理特性

水泥种类

粒

径（PIn）

真实密度g∕cm3

最大

d50

d90

dlθ

超细矿渣粉

28.0

9.5

10.5

4.0

2.91

超细水泥

25.0

5.0

9.5

2.2

2.95

C级

50.0

15.0

32.1

3.9

3.14

G级

90.0

21.0

53.0

4.5

3.15

H级

120.0

24.5

55.9

6.1

3.15

注：

表中d30表示30%颗粒小于该尺寸；d90表示90%颗粒小于该尺寸；dlθ表示10%颗粒小于该尺寸。

表2-3缓凝剂和超细水泥稠化时间

物质

加量

（%。

）

水灰比

70。

C稠化时间（min）

超细水泥

水泥

超细水泥

水泥

葡萄糖

2.0

0.7

0.5

70

12h不凝

蔗糖

5.0

0.7

0.5

94

12h不凝

柠檬酸

5.0

0.7

0.5

85

12h不凝

酒石酸

5.0

0.7

0.5

124

12h不凝

酒石酸钾钠

5.0

0.7

0.5

38

12h不凝

磷酸

10.0

0.7

0.5

42

12h不凝

三聚磷酸钠

20.0

0.7

0.5

30

12h不凝

CMC

2.0

0.7

0.5

36

12h不凝

铁珞木质素

5.0

0.7

0.5

40

12h不凝

硼酸

5.0

0.7

0.5

120

12h不凝

硼酸钠

5.0

0.7

0.5

70

12h不凝

硅油

10.0

0.7

0.5

24

12h不凝

HS〜R

5.0

0.7

0.5

32

12h不凝

氧化锌

5.0

0.7

0.5

38

12h不凝

液体石蜡

20

0.7

0.5

35

12h不凝

已二醇

20

0.7

0.5

35

12h不凝

G64

5.0

0.7

0.5

65

12h不凝

（2）稠化时间

稠化时间太短是限制超细水泥和超细矿渣粉应用的最主要的原因。

不同的粒径，其水化速度是不同的。

粒径小于10μm,其水化速度最快，粒径为11〜30μm,水化速度中等；粒径为60〜90μm,水化速度缓慢；当粒径大于90IIIn时，只在表面水化。

超细水泥的粒径绝大部分在10〜20Hnb所以水化速度也最快。

超细水泥稠化时间太短的问题可以通过加入缓凝剂来解决。

但在常规加量下，常规的油井缓凝剂作用不明显，如表2-3所示。

（3）超细水泥结石强度

试验条件为常温、常压，凝固时间分别为3d,7d,18d,试验结果见表2-4。

超细水泥的抗压强度和抗折强度均比普通水泥高儿乎一倍

表2-4水泥结石的抗压、抗折强度试验结果

样品

水灰比

抗压强度/NfPa

抗折强度/MPa

3d

7d

TSd

3d

7d

8d

超细水泥，A级

0.7

14.0

18.7

63.6

3.0

3.4

3.9

超细矿渣粉

普通水泥，G级

0.7

6.9

9.6

34.2

1.4

1.7

2.0

（4）水泥石的渗透性

在相同的水灰比下，超细水泥和超细矿渣粉形成的水泥石的渗透率远小于油

井水泥。

这有助于彻底封堵出水层和修补套管。

见表2-5。

表2-5相同的水灰比的几种水泥结石渗透性能

试样

水灰比

渗透率/μm2

超细水泥

1.0

3.6X10-5

超细矿渣粉

1.0

5.7X10-4

水泥:

石英粉=75:

25

1.0

2.5X10-2

G级普通水泥

1.0

6.8X10-3

3、纤维

（1）纤维种类

为了得到良好的造壁性，我们优选了多种纤维。

1玻璃纤维具有强度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、尺寸稳定等。

2钢纤维韧性大,强度也高。

3合成有机纤维：

抗拉强度高，吸收冲击的能力强,抗裂效果好。

4碳纤维：

强度高、模量高、耐高温,碳纤维还具有极好耐蚀性能。

5天然纤维：

枝链，不规则，强度低。

最后，经过比选，优选了合成有机纤维、高枝链度的天然纤维来实现造壁性。

选用的合成纤维为束状单丝，见图2-3。

主要特性为：

单丝长度:

2〜70mm：

比重：

0.91：

抗拉强度：

＞500MPa;弹性模量：

＞3500MPa；

软化点：

约160°C；纤维直径：

20〜38um；燃点：

约580°C;抗老化性：

极好;

安全性：

无毒材料

图2-3合成纤维

（2）纤维长度和加量的优化

纤维长度和加量必须满足既能迅速造壁乂能顺利施工。

可以借助高分子物理学中的最大回转半径的概念来进行设计。

（3）混配

纤维的混配是应用的最大难题。

常规方法有：

添加分散药剂、高速射流混拌、延长混拌时间。

考虑到现场的可操作性，课题组采用了预先和超细水泥干磨的方法。

用2〜5μm超细水泥，把20〜38Um粗，2〜70mm长的合成纤维分散开，并迫使部分刚性的水泥颗粒镶嵌在合成纤维上。

这一方法提高了纤维的粗造度，单丝之间更容易搭接，更容易形成网状结构。

提高了纤维和水泥的粘接力。

其缺点是纤维受损。

（三）强造壁复合堵剂性能

1、造壁性

所谓造璧性是指堵剂能够迅速在近井地带、亏空璧、大孔道、裂缝入口形成

致密、不渗透、薄壁、网状“水泥饼”。

可用不同砂粒填制的特高渗透率岩心管来进行的造壁性试验。

1用粒径

（1）2.0〜5.0mm,（I）1.4〜2.Omm的不规则砂粒制作的填砂管（管内尺

寸

（1）25×30Omm）O

2向填砂管中灌入水灰比为0.4、0.5、0.6的强造壁可固结复合封堵材料浆体，灌入量IOOmIO观察造壁和封堵情况。

3向填砂管中灌入水灰比为0.4、0.5>0.6的油井水泥，灌入量IoOIllI进行对比。

图2-4强造壁复合封堵体系形成的水泥饼外貌

图2-5强造壁复合封堵体系形成的水泥饼显微结构

实验发现：

对于粒径

（1）2.0〜5∙0mm,d）1.4〜2・Omm的填砂管，油井水泥浆全

部通过。

而强造壁复合封堵体系只能渗漏10~20mb其余全部不能通过。

如表2-6所示范。

在填砂管端部成了一层致密、不渗透的“水泥饼S如图2—4、2-3所示。

表2-6强造壁复合封堵体系造壁性实验结果

IOOmL浆体

水泥

水泥

堵剂

堵剂

水灰比

0.4

0.5

0.4

0.5

漏失通过量％

92

95

9

11

封堵压力MPa

0

0

20

20

纤维加量是影响造壁性的主要因素。

提高纤维加量，造壁性提高，但强度降

低。

最终优选纤维加量0.2〜O.4%o见图2-6和图2-7。

纤维JJIr⅛X寸造壁TzI-IN影∏I"J

2.初凝和稠化时间

O

OO.1O.2O.3O.4O.5

缓凝剂加S（%）

图2-860°C两种缓凝剂不同加量初凝时间曲线对比

通过改变缓凝剂的加量，体系的初凝时间（60°C时）可在13Onlin〜26Onlin内调整，适应不同的现场施工要求。

稠化试验：

通过改变缓凝剂的加量可以将60°C常圧稠化时间调整到13Omin到240分钟之间。

见图2-8。

3＞抗压强度

S6对2OS642O

IXlXl

S

9

水灰比（无|人1次）

图2-948h抗压强度

抗压强度主要受水灰比控制。

通常去水灰比为0.5。

此时，48小时抗压强度可达16MPaO见图2-9。

4＞流动性

图2-10流动性

通过调整分散剂的加量，体系的粘度可在30〜1800mPa.S内调整，满足现场

施工的泵送需要。

见图2-10o

5、收缩性

常规油井水泥通常有0.1%左右的线形收缩性。

在其中加入膨胀性添加药剂,

可以使得水泥略微膨胀，通常控制线形膨胀率在0.5%左右。

否则会导致水泥膨胀开裂。

本文采用了硅铝酸盐、硫铝酸盐膨胀剂来调节膨胀率。

6、稳定性（自由水）

在相同的水灰比下。

强造壁复合堵剂的稳定性远大于常规油井水泥，更适合长井段封堵。

如表2-7所示。

表2-7强造壁复合堵剂的稳定性

自由水mL

水灰比

0.4

0.5

0.6

0.7

强造壁复合堵剂

0

0

0

7

油井水泥

0

•1

21

34

7、韧性

韧性是强造壁复合堵剂优于常规油井水泥的另一个重要性能。

韧性是通过抗折实验来衡量的。

试件规格采用长12cm,宽4cm,高2cm的长条形柱体，每组3块。

用水泥抗折试验机测试强度。

普通油井水泥抗折强度为4.05NiPa左右；强造壁复合堵剂抗折强度可以达到

5.56Mpa,这主要是山于加入纤维造成的。

如图2-11所示。

图2-11强造壁复合堵剂抗折试样断口纤维

8、体系综合性能

强造壁复合封堵体系最终综合下性能如表2-8所示。

表2-8强造壁复合封堵体系最终综合下性能

指标

【低温型

II中温型

In高温型

适用井温°C

≤60.0

60.（TloO.O

>100.0

自由水（%）

<20.0

<20.0

<20.0

24小时抗压强度（MPa）

>8.5

>10.5

>12.0

增压稠化时间（min）

>160.0

>190.0

>220.O

初始稠度（BC）

<30.0

<30.0

30.0

概括起来，强造壁复合堵剂具有以下特点：

1密度低：

现场容易配制，并且不易出现沉淀或分层现象；

2造璧能力强：

在向Ll的层注入过程中遇到高渗透层或大孔道的骨架时，在有机与无机复合材料的协同作用和压差的作用下，很容易在其表面进行造壁封堵,随着注入压力的增加造壁强度也在同时增加；

3封堵能力强：

该工艺所用的强造壁复合封堵材料与地层岩石具有较强的亲和能力，可以在凝固后与地层（接触面）形成一个牢固的整体，提高了封堵强度和效果；

4浅表封堵：

由于具有强造壁的性能，所以限制了堵剂向地层深部的进入，这样该工艺既达到了对LI的层的封堵，乂不影响IJ的层将来的再利用；

5不收缩：

在主体封堵材料中添加了防收缩的添加剂，所以有效的防止了堵剂在凝固过程中的收缩；

6防脆裂：

在主体复合封堵材料中添加了防脆裂的添加剂，所以有效地防止了堵剂在凝固过程中和以后的脆裂；

7用量少：

由于该堵剂具有较快的造壁能力，属于浅表封堵，所以一般来说比水泥用量相对要少得多，并能达到或优于水泥封堵的效果。

（四）适用范围和施工工艺参数优化

1、适用范围

强造壁复合堵剂适合以下范围和应用条件：

1漏失量较大暂时不用的地层；

2渗透率高、存在大孔道或较大裂缝的地层；

3用普通油井水泥封堵不住的地层；

4破损套管修复；

5适应温度30°C~130°C（不同型号适应不同的温度）；

6本工艺不适用于套管变形、无法钻塞的井；

7配浆用水最好用洁净的淡水；

8对于长期出砂套管周围已经形成空洞（没有骨架）的井，可能会导致对空洞容积估计不足，用量超过计划用量，如以后重复利用该层可能会导致射孔困难。

2、主要施工工艺参数优化

强造壁复合堵剂可采用以下施工工艺施工：

1油管注入，放压，提油管，反洗井，关井加压后凝，钻塞。

用于严重亏空、漏失、大孔道井。

为主要应用工艺。

2油管送入，提油管，不反洗井，直接加压后凝。

钻塞。

用于高压注水井。

3利用可钻桥塞分割，套管外循环挤堵剂。

用于二固，自山套管封堵，套管外窜流。

对于第一种施工工艺主要步骤如下：

1根据施工井的实际悄况测试该堵剂的稠化时间和初凝时间；

2对Ll的层以上井段的套管和本次施工用油管进行试压验漏，确保油、套管完好不漏（试压压力必须大于堵剂的注入压力），并确定该井无套管变形现象；

3现场备足配制堵剂用水和洗井用水（洗井一周以上用水量）；

4现场准备61∏3〜IOnI3配浆罐2具（带足够功率的搅拌机，最好是圆罐）、对各搅拌机、泵车等所有施工设备试运，确保所有施工设备在整个施工过程中运行正常完好；

5按要求用量配制堵剂（一般水灰比为0.6〜0.7为宜，也可以根据实际情况进行调整）；

6在一切准备就绪后将已经配制好的堵剂注入至IJ的层，顶替清水至尾管一下；

7缓慢放压后倒返洗流程，带压返洗井，直至返清水为止；

8开套管阀门边灌水边缓慢上提管柱100〜300m,座好井口加压至5〜8MPa后带压关井候凝48小时。

对于每口井状况、封堵要求不同。

还需要进行以下参数优化：

1堵剂用量：

平均封堵半径0.5m,每米油层用量Im3o

2纤维加量：

根据每口井情况调整0.2%到0.4%o相应调整分散剂加量。

3缓凝剂加量：

根据井温、现场水、堵剂批次，实验优化加量确保初凝时间

3〜5h。

4水灰比：

根据对封堵强度的要求，调整水灰比，达到需要封堵强度。

32

庄11-11油井（二厂）

1200-1657

封井

SMPalOminOm2

1、现场施工成功率

一次施工成功率达到90%以上，仅一口井因为设计量不足失败，二次施工后成功。

其中：

官195井是在水泥封堵了4次不成功后，应用强造壁复合堵剂堵剂封堵成功的。

板831井也是在水泥封堵了3次不成功后，应用强造壁复合堵剂堵剂封堵成功的。

风31-15水井，封层后转其它层注水，24MPa,日注入0.3In'水。

四、结论、成果创新和下一步工作

（一）结论、成果创新

①研制开发了强造壁复合堵剂，中试生产了强造壁复合堵剂。

这是创新之一。

4室内性能测试评价和现场试验结果结果显示：

强造壁复合堵剂对XXX油田具有良好的经济技术适用性。

6通过2007、2008两年的试验，合计增油6280吨，创益1416.6万元。

7本项技术的研究和试验基本解决了大港油田严重亏空漏失层位、大孔道窜流的封堵问题，部分解决了套管漏失问题。

并为即将进行的老油田二次开发封井封层奠定了技术基础。

（二）下一步工作

2009年将着力针对老油田二次开发废弃井封井、封层技术需求来扩大应用，为此需要开展以下研究和试验工作

（1）继续扩大高造壁封强度强堵技术在二次开发封层封井中的试验应用。

根据XXX油田二次开发油藏工程方案部署，需实施封层处理146口井次；需弃置处理147口井。

其中09年度实施封层（暂闭）处理11口井；需封层弃置处理19口井。

（2）开发以超细水泥为主的高强度超细无机封堵体系。

或优选液体橡胶、树脂等无固相、长效、易注入的堵剂。

（3）进行具有井口-井底液体通道的套损套变井封堵技术先导试验。

为有液

体通道的套损套变井封堵积累经验。

（4）加强弃置井层间窜流预测和监测研究。

根据文献报道弃置井层间窜流会对开发效果产生明显影响，在封堵前后都尽可能进行层间窜流预测和监测研究。