史 斌，郑晓斌，苏延辉，耿学礼，邢洪宪

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

近年来，水平井开采技术在国内外得到了大力推广和应用，它可以增大井眼与油藏的接触面积，减少渗流阻力，提高油田的整体开发效果。但是由于储层非均质性、“跟趾效应”等原因，底水油藏水平井底水锥进现象明显，一旦底水锥进入井筒，油井含水迅速上升，油井产油量将急剧下降，甚至造成油井水淹，致使油藏采收率降低[1]。针对油井高含水问题，各油田也采取了各种控水措施，如在生产井上采用化学、机械等方式进行堵水，在新井水平井完井中采取中心管、变密度筛管、ICD 控水等方式[2]。

改性疏水陶粒是根据普通陶粒表面具有的大量活性基团，将强亲油改性材料做成的包覆膜接枝到普通陶粒颗粒表面，使普通亲水陶粒表面改性为强亲油表面，形成较强疏水性能的界面膜。疏水陶粒控水技术当前主要应用在油井压裂控水支撑剂，且在压裂控水方面已经取得了较好的控水效果，但改性疏水陶粒作为水平井完井控水的研究还是空白，本文结合完井阶段水平井控水技术要求，对改性疏水陶粒在水平井砾石充填完井阶段的控水可行性进行了研究。

1 改性疏水陶粒控水机理

1.1 改性疏水陶粒压裂控水机理

改性疏水陶粒随压裂液携带到压裂裂缝中，当压裂裂缝闭合后，在改性疏水颗粒之间形成连续的毛细管，当地层中油水通过毛细管时，油相迅速浸润毛细管壁，管中液面呈凹形，弯曲液面产生的毛管力有利于油相通过改性疏水材料形成的毛细管；而水相不能浸润改性疏水材料的毛细管壁，因为水相在毛细管中液面呈凸形，弯曲液面产生的毛管力会阻止水相通过毛细管，因此改性疏水陶粒能够实现促进油相透过而阻止水相通过的功能[3]（见图1）。

图1 油水流经改性疏水陶粒形成的毛管力作用示意图

1.2 改性疏水陶粒水平井完井控水机理

常规陶粒充填完井的水平井，边底水一旦锥进入井筒，水流将沿水平井段轴向充满整个井筒，造成油井含水迅速上升甚至水淹。

改性疏水陶粒充填完井的水平井，当底水锥进入井筒后，水流在水平井段轴向的流动将受到抑制，再配合控水阀等机械控水手段，就可以大大减缓油井含水上升速度，最终增加油井采收率（见图2）。

图2 改性疏水陶粒充填水平井控水机理

2 改性疏水陶粒制备及评价

2.1 改性疏水陶粒制备

2.1.1 疏水改性工艺 首先把陶粒加入混砂机加热至一定温度，添加偶联剂；偶联剂遇高温陶粒后融化，搅拌陶粒使融化的偶联剂包覆在陶粒表面，高温下偶联剂与陶粒表面的活性基团产生键合连接；在连续搅拌过程中继续加入疏水材料和催化剂，催化剂可以加快疏水材料与接枝剂的化学反应，使接枝剂和疏水材料形成牢固的共价键结合，有效提高疏水改性的耐冲刷性能；继续加入特种增强剂，进一步增强改性材料的耐冲刷性，最后陶粒经冷却、粉碎、筛分后得到改性疏水陶粒。

2.1.2 改性疏水陶粒制备 取40/70 目陶粒，在混砂机中加热到120 ℃，不断搅拌下，加入0.15%陶粒质量的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，混合均匀，120 ℃下连续搅拌10 min；加入0.2%陶粒质量的甲基乙烯基硅氧烷和0.05%甲基乙烯基硅氧烷质量的HEDP，继续搅拌45 min 后加入0.1%陶粒质量的特种增强剂TZ-500，冷却筛分后即得改性疏水陶粒。

2.2 改性疏水陶粒疏水性能评价

接触角是改性疏水陶粒的主要评价指标，接触角越大，表明改性陶粒的疏水性能越强。将干燥的改性疏水陶粒样品平铺于光学接触角测量仪工作台上，测定接触角数据。

评价结果表明，合成的改性疏水陶粒接触角基本在128°～135°。

3 改性疏水陶粒水平井完井控水性能评价

在改性疏水陶粒作为压裂支撑剂的性能评价中，试验过程需要考虑地层裂缝的闭合压力，主要测定同一闭合压力及不同闭合压力下的油水渗流能力[4]；与压裂支撑剂不同，改性疏水陶粒在完井中主要充填在筛管和井壁的井筒环空中，完井结束及生产过程中，充填陶粒基本不承受闭合压力，因此，本文在实验室评价改性疏水陶粒的控水性能时，采取无围压试验条件。

3.1 砂床阻水高度试验

采用砂床来模拟水平段充填层陶粒，通过砂床的阻水高度数据可以定性判断和对比陶粒及改性疏水陶粒的阻水性能。

将改性疏水陶粒、普通陶粒在滴定管中充填一定高度，制成陶粒砂床，打开滴定管开关，在陶粒砂床上方分别倒入水或者煤油，当滴定管底部有油滴出现时的煤油液面高度即为陶粒阻油高度，当滴定管底部有水滴出现时的水液面高度即为陶粒阻水高度。

试验结果（见表1，图3，图4）。

表1 普通陶粒和改性疏水陶粒阻水（油）高度试验结果

图3 油、水在普通陶粒中的渗流

图4 油、水在改性疏水陶粒中的渗流

改性疏水陶粒形成的砂床能够支撑一定高度的水柱，而普通陶粒无此作用，表明陶粒经过疏水改性后具备了阻止水流通过的性能。

3.2 充填陶粒油水选择性评价

为了模拟地层条件下油水从油层进入井筒后在充填层的流动情况，设计了一套充填陶粒油水选择性模拟装置，通过两相流条件下油水在充填陶粒中的通过能力对比，以评价改性疏水陶粒充填层的选择性控水能力。

3.2.1 试验方法 充填陶粒油水选择性评价装置示意图（见图5）。

图5 充填陶粒油水选择性评价装置

将陶粒放入夹套中，夹套一端与真空泵管线相连接。将填满陶粒的夹套放入装有油、水的可视化储液罐中（可视化储液罐上部为油，下部为水），通过调整手轮和支架的高度，可以调整夹套端面在油、水相中的浸没截面积。启动真空泵，在夹套两端产生压差，在压差作用下油水分别通过夹套端面进入陶粒充填层，并汇入抽滤瓶，试验结束后分别计量流出油水的体积。

3.2.2 试验结果 试验结果（见表2）。

表2 充填陶粒油水通过性评价

油水选择性试验表明，油相在改性疏水陶粒充填层中的流动阻力小，更易通过改性疏水陶粒充填层，而水相在改性疏水陶粒充填层中的流动阻力大，具有明显的选择性阻水性能；普通陶粒则相反。

3.3 充填陶粒油水渗流性能评价

3.3.1 试验方法 将未改性陶粒填入填砂管，分别测试油相（煤油）渗透率Ko和水相渗透率Kw；将改性疏水陶粒填入填砂管，分别测试油相（煤油）渗透率Ko和水相渗透率Kw。

3.3.2 试验结果 试验结果（见表3）。

表3 改性疏水陶粒油水渗流性能评价

从表3 试验结果分析，改性疏水陶粒与未改性陶粒相比，油相渗透率增加38%，而水相渗透率下降37%，表明原油通过改性疏水陶粒时渗流阻力明显下降，而地层水通过改性疏水陶粒时渗流阻力显著增加，从而可以有效抑制底水在水平井砾石充填层的窜流，延缓油井含水上升速度。

3.4 耐冲刷性能评价

陶粒充填层是地层流体进入井筒的流动通道，充填层陶粒将经受连续不断的流体冲刷，而改性疏水陶粒是由普通陶粒经表面化学接枝和涂覆改造而成，其冲刷稳定性在油井连续生产条件下非常关键。

将改性疏水陶粒填入填砂管，填砂管连接柱塞泵，调节柱塞泵流量至2 000 mL/min，连续冲刷24 h，分别测试冲刷前后改性疏水陶粒的接触角（见表4）。

表4 改性疏水陶粒耐冲刷性评价

改性疏水陶粒经过24 h 高速连续冲刷，其疏水性能的重要指标—接触角保持了基本稳定，表明通过分子接枝工艺合成的改性疏水陶粒能够经受井筒内地层流体的连续冲刷。

4 现场试验

4.1 H21 井改性疏水陶粒充填完井控水

H21 井所在砂体为典型的稠油底水油藏，由于底水比较活跃，砂体整体采出程度低，其所在位置储层发育稳定，主力储层平均孔隙度31%，平均渗透率1 732 mD。H21 井为水平井方式完井，为了抑制投产后底水锥进造成的产液含水率过快上升，采用改性疏水陶粒进行充填防砂。

2020 年8 月，改性疏水陶粒在H21 井上进行了首次现场试验，全井段共充填改性疏水陶粒15 m3，完井结束后正常投产，目前该井产出液含水率为23.6%，而同层位相邻水平井的含水率为70.6%，控水效果显著。

4.2 C17 井改性疏水陶粒充填完井控水

C17 井构造层状底水油藏，底水能量充足，主力储层平均孔隙度27%，平均渗透率1 305 mD。C17 井为水平井方式完井，由于底水能力充足，为了抑制投产后底水锥进造成的产液含水率过快上升，采用改性疏水陶粒进行充填防砂。

2020 年9 月，改性疏水陶粒在C17 井上进行了现场试验，全井段共充填改性疏水陶粒13 m3，完井结束后正常投产，目前该井产出液含水率为77.3%，而同层位相邻水平井的含水率为85.8%，降低含水8.5%，具有一定的控水效果。

5 结论

（1）通过化学接枝及覆膜工艺对普通陶粒进行疏水改性，合成了改性疏水陶粒。

（2）采用无围压评价手段，改性疏水陶粒仍具有较好的选择性阻水性能，对原油流动有促进作用。

（3）模拟井筒充填条件，改性疏水陶粒具有较好的耐冲刷性能。

（4）现场试验表明改性疏水陶粒可以明显减缓底水油藏水平井含水率上升速度。