1、1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 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、
2、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：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
3、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
4、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， 2 室内试验部分2.1 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（m 2）K1（m 2）封堵率（%）131# 449.50 0.007123 99.9132# 169.52 0.005398 99.9135
5、# 447.30 0.006805 99.9136# 125.37 0.003870 99.9注： K 0-堵前水相渗透率，K 1-堵后水相渗透率， K 2-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。2.2 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2.3 纳米固井材料耐矿化度评价试验试验结果如表 2 所
6、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（10 4mg/l)水型突破压力(MPa/cm)初凝时间（h)清水 1.71 10配制盐水 0.50 CaCl2 1.68 9配制盐水 5.0 CaCl2 1.67 7.30.50.70.91.11.31.51.71.92.12.32.550 100 150 200 250 300温 度 突破压力(MPa/cm)3配制盐水 15.0 CaCl2 1.67 5.5配制盐水 23.6 CaCl2 1.65 5.3河南油田污水 4.26 CaCl2 1.68 8.1塔河油田污水 20.1 CaCl2 1.66 5.4试验表明，矿化度对纳米固井
7、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 23.6104mg/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。2.4 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
8、（10min,Pa）1013 15 4.2 8.61014 17 4.5 8.81015 18 4.8 8.32.5 纳米固井材料固化后析水少,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 8 18普通油井水泥 9 20纳米固井材料1018# 0.1 02.6 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
9、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 16.24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。2.7 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
10、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。2.8 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（m 2）K1（m 2）封堵率（%）K2（m 2）解堵率（%）131# 449.50 0.007123 99.9 439.10 98.7132# 169.52 0.005398 99.9 167.98 99.8135# 447.30 0.006805 99.9 435.40 98.6136# 125.37 0.003870 99.9
11、 120.41 96.1注： K 0-堵前渗透率，K 1-堵后渗透率， K 2-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： 3.1 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
12、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 5360.775460m。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（50335038m）及 11 号层（50775095m）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 23.610
13、4mg/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。3.2 高温高压高矿化度低渗透预探井封窜井例泌
14、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 4.2104mg/L, 渗透率 0.008m2，CaCl 2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
15、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，应用效果显著，是超深油藏二次固井的一种新材料。2纳米材料表面活性高，表面缺陷多，具有很高的化学活性，可显著改善普通材料的物理力学性能，在超深油藏二次固井方面有着广阔的应用前景。参考文献 王宏志等.纳米结构材料(J). 硅酸盐通报，1999(1):31. 樊芷芸.纳米科学技术与化学建材（J）. 化学建材，1998,14(3）：41. 李海营.高温高盐油藏化学堵水技术(J).石油钻采工艺.2002,24(5):50-52 冯乃谦.高性能混凝土(M).北京：中国建筑工业出版社， 1996：154.
