注水井深部调剖技术研究现状及发展趋势

贾晓飞　雷光伦　贾晓宇

摘要：注水井进行深部调剖(驱)是油田开发后期严重非均质性油藏高含水阶段稳油控水、提高注水波及系数的重要技术手段。从深部调剖的化学剂、物理模拟实验、决策技术、配套工艺技术等方面-系统分析了国内外深部调剖(驱)技术的研究和应用现状以及存在的问题。根据高含水油田开发现状及需求，提出了深部液流转向改善水驱开发效果的技术发展趋势，即立足高含水油藏开发后期实际需要，在精细油藏描述及油藏数值模拟研究的基础上，以开发廉价长效的深部调部(驱)剂为核心，深入开展机理理论研究，完善准确、快捷的决策技术及相关配套工艺技术，形成深部调剖(驱)技术的工业化规模，实现深部液流转向改善高含水期非均质油藏水驱效率的目的。

关键词：注水井；深部调剖；调剖剂；调剖物理模拟；液流转向；研究现状；发展趋势

中图分类号：TE358

文献标识码：A

前言

注水井调剖技术是改善层内、层间及平面矛盾，实现老油田稳产的重要措施。通过实施调剖措施，可有效改善注水井的吸水剖面，扩大注水波及体积，增加可采储量，降低自然递减速度，提高油田的开发水平。随着油田进入高含水或特高含水开发期，油田水驱问题越来越复杂，调剖等控水稳油技术难度及要求越来越高，传统的小半径调剖已经不能满足要求。这也推动着该技术领域不断创新和发展，尤其在深部调剖(驱)液流转向技术研究与应用方面取得了较多成果，在改善高含水油田注水开发效果方面获得了显著效果。

1深部调剖剂研究现状

在综合调研国内外深部调剖剂研究和应用的基础上，将其归纳为凝胶类深部调剖剂、微生物类深部调剖剂、沉淀型无机盐类深部调剖剂、泡沫深部调剖剂、粘土胶聚合物絮凝深部调剖剂、含油污泥深部调剖剂和阴阳离子聚合物深部调剖剂。

1，1凝胶类深部调剖剂

主要包括延缓交联型深部调剖剂、预交联凝胶颗粒类深部调剖剂、无机凝胶涂层深部调剖剂和孔喉尺度聚合物凝胶微球深部调剖剂。

1，1，1延缓交联型深部调剖剂

不管采用何种方法，只要使交联剂和聚合物延缓交联，都属于延缓交联调剖技术。

(1)弱凝胶。弱凝胶也称“流动凝胶”。“流动”指弱凝胶在试管内呈流动状态。弱凝胶是由低浓度的聚合物和低浓度的交联剂形成的、以分子间交联为主及分子内交联为辅、粘度在100～10000 mPa·s之间、具有三维网络结构的弱交联体系。弱凝胶一般选择高分子量聚丙烯酰胺作为交联主剂，浓度一般为800～3000 mg／L；交联剂主要有树脂、二醛和多价金属离子类等。美国使用最多的是乙酸铬、柠檬酸铝(EPT公司)和乙二醛(Pfizer公司)；我国应用较多的为酚醛复合体、树脂预聚体、乙酸铬、乳酸铬、柠檬酸铝等。凝胶强度通常在0，1～2，5 Pa，现场应用则根据地层及生产状况选择凝胶强度。

微观驱替实验表明，弱凝胶首先进入大孔道，且可通过变形被挤入窄小孔喉，从而迫使后续注水改向进入未被波及的小孔隙，其粘弹作用有利于进行深度调剖。

(2)本体凝胶(DDG)。Seright和Zaitoun等人对弱交联本体凝胶进行了大量的研究，并针对本体凝胶对油水相渗曲线的影响研究了本体凝胶对油水的选择性封堵作用。

本体凝胶中应用较多的是聚丙烯酞胺类本体凝胶(BG)。主剂一般选择分子质量为500×104～1200×10⁴的聚丙烯酞胺，用量为0.08％～0.25％；交联剂主要有树脂类、二醛类和多价金属离子类，Seright等对美国在过去15a内的交联剂使用情况进行的调研发现，使用最多的是Cr^3＋、柠檬酸铝和乙二醛，韩明等对乙二醛的交联特性进行了研究，发现乙二醛作为交联剂，对pH值敏感且形成凝胶的热稳定性较差。

(3)胶态分散凝胶(CDG)。胶态分散凝胶(CDG)与本体凝胶(DDG)的一个显著区别在于交联作用点不同，本体凝胶的交联反应主要发生在聚合物分子之间，以分子间交联为主、分子内交联为辅，形成具有三维网状结构的凝胶整体；胶态分散凝胶的交联反应主要发生在分子内的各交联活性点之间，以分子内交联为主、分子间交联为辅，形成分散的凝胶线团。其特点为聚合物和交联剂的浓度低，CDG体系中聚合物浓度可低至100 mg/L，交联剂一般是多价金属离子，如柠檬酸铝、乙酸铬等。

国外只有TIORCO公司应用CDG调驱体系。该公司曾在美国落矶山地区对29个油藏采用CDG进行深部处理，其中22个项目获得了增产。尽管TIORCO声称是CDG处理，但从各段塞HPAM浓度看，这些矿场试验仍然是弱凝胶处理。

“几五”期间，中科院化学所、中国石油勘探开发研究院采收率所、大庆油田等对该技术进行了大量的研究，并在大庆、河南等油田进行了多项先导性现场试验，但使用的聚合物浓度大多在800～1500 mg／L，显然这不是真正意义上的CDG驱。此外，由于指导思想上的分歧，这些试验大多没有取得理想的效果。

1，1，2预交联凝胶颗粒型深部调剖剂

预交联凝胶颗粒主要是针对非均质性强、高含水、大孔道发育的油田改善水驱开发效果而研发的技术。

预交联凝胶颗粒遇油体积不变，吸水变软(但不溶解)，在外力作用下可发生变形运移到地层深部，在高渗层或大孔道中产生流动阻力，使后续注入水分流转向，有效改变地层深部长期水驱形成定势的压力场和流线场，实现深部调剖、提高波及体积、改善水驱开发效果。其调剖机理有变形驱动、压力波动和剪切破碎。

1，1，3无机凝胶涂层深部调剖剂

中国石油勘探开发研究院采油工程研究所针对塔里木油田高温(120～140℃)、高地层水矿化度(150000～210000 mg／L)深层油藏(4500～6000 m)的调剖问题，研究了一种无机凝胶涂层调剖剂(WJSTP)，该调剖剂与油藏高矿化度地层水反应形成与地层水密度相当的无机凝胶，通过吸附涂层，在岩石骨架表面逐渐结垢形成无机凝胶涂层，使地层流动通道逐渐变窄形成流动阻力，达到使地层流体转向、扩大波及体积的目的。

1，1.4孔喉尺度聚合物凝胶微球深部调剖剂

孔喉尺度聚合物凝胶微球是最近几年研制的深部液流转向剂，该调剖剂具有以下特点：微球合成条件可控，地面合成避免了地下交联不成胶或成胶强度低等问题；微球直径在微米级，与孔隙喉道匹配，微球数量庞大，为弹性有形球体，在储层中运移、封堵、弹性变形、再运移、再封堵，可实现从水井到油井的全程调剖；微球耐温、耐矿化度能力强、封堵强度高，阻力系数和残余阻力系数大，具有调剖驱油双重作用；微球尺度小，易分散在水中形成悬浮体系，且粘度不增加，注入时不增加管线的阻力。

1，2微生物类深部调剖剂

微生物用于注水井调剖最早始于美国。其原理是：将能够产生生物聚合物的细菌注入地层，在

地层中游离的细菌被吸附在岩石孔道表面后，开始形成附着的菌群；随着营养液的输入，细菌细胞在高渗透条带大量繁殖，繁殖的菌体细胞及细菌产生的生物聚合物等粘附在孔隙岩石表面，形成较大体积的菌团或菌醭；后续有机和无机营养物的充足供给，使细菌及其代谢产出的生物聚合物急剧扩张，孔隙越大细菌和营养物积聚滞留量越多，形成的生物团块越大。细菌的大量增殖及其代谢产出的生物聚合物在大孔道滞留部位的迅速聚集，对高渗透条带起到较好的选择性封堵作用，使水流转向，增加中、低渗透部位吸水量，从而扩大波及区域、提高原油采收率。

1，3

沉淀型无机盐类深部调剖剂

沉淀类深部调剖剂调剖方法可分为单液法和双液法，应用较多的主要有水玻璃氯化钙和表面活性剂——酒精类深部调剖剂等。

水玻璃氯化钙在俄罗斯研究和应用较多，一般要求水玻璃硅酸钠的模数Na₂O:si₂O为3.22左右。在单液法注入中，要求地层水为高矿化度钙镁型，同时考虑到地层水中形成沉淀的有效成分钙镁离子不够，在配液中补充一定量的氢氧化钙，进入地层后，缓慢与地层水发生作用，生成硅酸钙沉淀。在双液法注入中，采用清水或油作为隔离液，水玻璃和10％～15％的氯化钙按1:1的比例依次注入，2种成分地下混合后生成硅酸钙沉淀。

表面活性剂(乙醇)法利用乙醇能显著降低盐的溶解度的特性，在地层中形成盐的沉淀，对高渗层产生堵塞。

1，4泡沫深部调剖剂

泡沫深部调剖的作用机理是，泡沫通过地层孔隙(相当于通过毛细管)时，液珠发生形变，通过贾敏效应，对液体流动产生阻力，这种阻力可以叠加，从而使目的层发生堵塞，改变主要水流方向的水线推进速度和吸水量，提高注入水的波及体积。用于水井调剖的一般有三相泡沫深部调剖剂、凝胶泡沫深部调剖剂和蒸汽泡沫深部调剖剂。

1，5粘土胶聚合物絮凝深部调剖剂

粘土胶聚合物絮凝体系调剖技术是20世纪90年代以来石油大学(华东)与胜利油田共同研究的一项技术。主要做法是将钠膨润土配制成悬浮液，膨润土水化后颗粒能与聚合物形成絮凝体系，在地层孔喉处产生堵塞，起到调剖的作用。其主要调剖机理为：絮凝堵塞、积累膜机理和机械堵塞。

1，6含油污泥深部调剖剂

含油污泥调剖的基本原理是：在含油污泥中加入适量添加剂，调配成粘稠的微米级的油／水型乳化悬浮液，当乳化悬浮液在地层达到一定深度后，受地层水冲释的作用，乳化悬浮体系分解，其中能泥质吸附胶质沥青和蜡质，并通过它们的粘联聚集形成较大粒径的“团粒结构”沉降在大孔道中，使大孔道通径变小，增加了注入水的渗流阻力，迫使注入水改变渗流方向，从而达到提高注入水波及体积、改善注水开发效果的目的。

1.7阴阳离子聚合物深部调剖剂

这种方法可以在生产井和注入井分别同时注入阴、阳离子聚合物，或在注入井中交替注入阴、阳离子聚合物。在生产井和注入井同时进行时，一般称之为防窜技术。

岩石表面呈负电性，从油井中注入的阳离子聚合物溶液优先进入高渗透层和大孔道中，先期吸附于岩石表面，此时从注入井注入阴离子聚合物。阴阳离子型聚合物在地层中相遇后生成不溶性沉淀物，使高渗透层的渗透率降低，迫使后续注入的阴离子聚合物和驱替液进入中、低渗透层，提高波及系数，从而实现深部调剖的目的。

2调剖物理模拟研究现状

在调剖物理模拟研究方面，国外许多学者对调剖机理及堵剂的封堵性和选择性进行了研究。White利用岩心实验研究了水解聚丙烯酰胺的堵水作用机理，可归结为：吸附理论(即亲水膜理论)；动力捕集理论；物理堵塞理论。交联聚合物的封堵作用主要表现在物理堵塞上。Dawe，Li—ang等人分别利用微观模型和Berea砂岩岩心实验研究了聚合物冻胶堵水不堵油的原因，认为油水流动通道的分离可能是造成冻胶对油水相渗透率不均衡减少的根本原因。Seright利用Berea砂岩采用示踪剂等技术研究了渗透率、堵后注水速度、岩性、冻胶性能等因素对堵剂封堵性能的影响，认为强冻胶可使不同渗透率的岩心封堵率减少到近似同一个值，对于弱冻胶，渗透率越高，封堵率越大；堵后的残余阻力系数随注水速度的增大而减少，并具有较好的双对数关系。

在国内调剖物理模拟研究方面，中国石油勘探开发研究院、中科院渗流流体力学研究所、中国石油大学等单位在堵水调剖物理模拟方面做了一些研究工作，取得了一些成果。20世纪90年代后期，用可视性物模对颗粒在孔隙介质中的流动规律及弱凝胶对孔隙介质的“变形虫”和“蚯蚓虫”通过机理等进行了研究。中国石油勘探开发研究院和中科院渗流流体力学研究所合作，用微观模拟技术和核磁共振成像技术研究了聚合物冻胶在多孔介质中的充填、运移和堵塞规律，探索了聚合物冻胶提高注入水的波及体积、调整吸水剖面、改善水驱采收率的微观机理。中国石油大学等单位对颗粒类堵剂堵水调剖机理进行了初步研究，将堵剂的封堵机理归结为絮凝堵塞、积累膜降低渗透率和耦合机理。

3调剖决策技术的研究现状

调剖决策技术方面，国外进行了很多研究。数值模拟方法是预测、评价油田开发和措施调整效果的有效方法。法国石油研究院、美国能源部、澳斯丁大学、塔尔萨大学、哈里伯顿石油公司、英国AEA技术咨询公司等投入了大量的精力致力于此方面的研究，在工作站上研制出相应的软件，并应用于现场，指导施工设计。如哈里伯顿公司的KTROL程序可以用来模拟单井堵水调剖的施工过程，预测措施后产液或吸水剖面、优选注入量、注入压力、注入速度等施工参数。英国AEA技术咨询公司研制的三维三相多组分模拟器Scorpi053，考虑了温度场的影响，具有较好的前后处理功能。这些软件的应用为调剖方案的制定和操作达到科学化、定量化，提高调剖措施的成功率提供了有益的工具。哈里伯顿公司研制的堵水专家系统XERO，具有判断油井出水原因、优选堵剂种类、进行方案设计等功能。

目前，国内具有代表性的决策技术主要有：中国石油大学研究的PI决策技术、RE决策技术、示踪剂决策技术，以及中国石油勘探开发研究院研制的Rs决策技术；具有代表性的调剖数值模拟软件有：中国石油勘探开发研究院采油所研制的三维两相六组分堵水调剖数值模拟软件，中国石油大学利用黑油模型改造而形成的调剖优化设计软件，中科院渗流流体力学研究所研制的交联聚合物防窜驱油的三维两相六组分数值模拟器FPP。为了克服区块整体调剖多因素模糊选井综合评判模型常权评判中因评判井资料缺乏而带来的评判偏差，中国石油大学提出了在模糊评判模型中使用变权向量的方法及变权所遵循的2条公理，使得调剖选井更合理、可靠。另外，中国石油大学还研制了不同含水期进行整体调剖效果

预测的理论标准图版。以上各种决策技术、调剖数值模拟技术以及效果预测方法都在指导矿场施工中起到了重要作用。

4相关配套工艺技术的研究现状

地面设备方面，已普遍使用专门的堵水调剖剂注入设备，主要组成部分有带电动搅拌器的配液池，堵水调剖泵，压力及注入量自动计量仪等。有车载式和橇装式，胜利油田还建立了固定式注入站及注入网络。另外，我国最近还研制开发了地面智能泵注系统，实现了注入自动控制、自动记录以及长时间、全天候注入。这些设备和系统可以连续施工，实现大剂量注入，满足油藏整体深部调剖的需要。

注入管柱方面，在能够分注或已进行分注的注水井中应进行分层注入，但矿场上多数井是光油管笼统注入。之所以如此，一是因为下封隔器施工密封不严或管柱漏失，堵水调剖剂沉积在封隔器卡瓦或胶筒上，或沉积在环空，封隔器不解封，管柱拔不出，造成事故；二是井况差或隔层薄，无法分注。

5深部调剖技术存在的不足

5，1深部调剖剂存在的不足

虽然各种深部调驱剂都取得了一定的矿场效果，但是也存在着各自的缺点。以聚丙烯酰胺为主的各种地下交联凝胶类调驱体系，其成胶条件苛刻，堵塞程度低，不适合大孔道和裂缝油藏，耐温在90℃以下，注入水矿化度不得超过50000 mg／L，交联时间较慢，交联体系在地层孔隙内长时间的运移造成扩散、稀释、剪切、降解等，从而造成本来在地面成胶条件就苛刻的交联体系在地下成胶情况变差，甚至造成部分交联体系无法交联；同时，目前油田需进行调驱作业的井组或区块基本上是经过长期注水开发形成水驱大孔道的注水井，此类凝胶强度低，形成凝胶条件苛刻，很难起到较好的深部液流转向作用。预交联凝胶颗粒在一定程度上容易形成表面堵塞，且对施工工艺有一定的要求，另外，颗粒对渗透率大小也有一定限制。微生物类深部调剖剂则会由于微生物过度生长而引起井堵塞。沉淀型无机盐类深部调剖剂不适合严重非均质地层。泡沫深部调剖剂有效期短，施工工艺复杂。粘土胶聚合物絮凝深部调剖剂自然选择性较差；现场施工需要专用设备；注入性较差，使大剂量注入受到限制。含油污泥深部调剖剂受原料产地及产量限制，不易在其他油田推广；阴、阳离子聚合物深部调剖剂的调剖效果受交替注入顺序、注入浓度和注入比例影响较大，这也限制了其大规模推广。

5，2决策技术存在的不足

PI决策技术操作简单，主要从注水井出发，但未考虑油井生产动态以及剩余油的可挖潜潜力等油藏因素；RE决策和Rs决策需要大量的静态和动态生产数据，而油田受条件的限制，提供完整的数据进行决策分析较为困难；数值模拟决策技术通常需要地质建模、区块历史拟合和方案优化等过程，若达到优化目的需耗时较多，难以满足现场调削的急需。另外各种决策技术在进行调剖剂用量设计时大多使用吸水指示法、面积法、天然裂缝法、人工裂缝法、压力突破法、渗流法等方法，这些方法很少能够考虑深部调剖剂移动封堵的机理，尤其是对于与孔喉匹配的孔喉尺度聚合物凝胶微球深部调剖剂，以上的调剖剂用量计算方法显然不够准确。

6深部调剖技术发展趋势

目前，我国水驱油田普遍进入高含水或特高含水开采期，针对单井或井组水驱问题开展的近井调剖堵水或大剂量处理技术，已不能满足解决油藏深部水驱问题的需要。为改善高含水油藏的水驱效果、实现油田的高效开发，开展适合不同油田条件的深部液流转向技术及相关配套技术研究，是高含水或特高含水油田改善水驱技术的发展趋势。

(1)油藏深部液流转向技术与油藏工程研究相结合。油藏工程研究包括精细油藏描述和精细数值模拟。只有清楚认识了油藏构造、油层结构、油层物性和剩余油分布，才能合理选择调剖剂类型、确定调剖剂用量、优化调剖剂放置位置等。

(2)新型廉价、长效深部调剖(驱)剂研究。研究廉价、长效、适应不同油藏条件(高温、高盐、深井、厚油层、水平井等)的新型深部转向材料。高含水油藏深部液流转向需要转向剂用量大，因此，转向材料的廉价长效是关键。随着纳米技术的发展，纳米材料可能会更多地应用于调剖领域，其中纳米级孔喉尺度聚合物凝胶微球可能会在深部调剖中发挥重要作用。

(3)深部液流转向改善水驱作用机理研究。建立与油藏开发后期条件相适应的物理模型，依托先进的测试评价手段，研究油藏真实条件下转向剂与油藏的匹配关系、转向作用机理、转向剂深部运移行为特征、微观力学性能变化等，并在此基础上研究充分考虑深部调剖机理的调剖剂用量计算方法。从而为满足不同油藏条件的新型转向剂的开发、改进及应用提供指导。

(4)准确、快捷的决策技术研究。根据深部液流转向剂自身的特点及深部调剖机理，结合长期水驱油藏储集层实际条件，研发与之相适应的准确、快捷的数值模拟及决策软件，以使转向剂获得深部液流转向的最佳效果。

(5)调剖相关配套工艺技术研究。针对厚油层、深井、超深井、高温井、水平井、底水油藏、裂缝大孔道油藏、海上油藏等特殊条件下的调剖问题，在研究与之相适应的深部调剖剂的基础上，加强调剖配套工艺技术研究，准确完整地将深部调剖剂送到预定区域。

(6)深部调剖技术将发展为一项常规的提高采收率的技术措施。一项工艺技术必须从油藏整体出发，与开发方式配套，以提高采收率为目标，才能获得广泛的、有工业性规模的应用。对调剖技术来说，必须进行对整体区块、油藏的处理，与注水开发配套，形成调、驱、采一条龙的配套工艺技术和措施程序，形成工业化规模，这样才能降低成本，最大限度提高原油采收率，实现经济效益最大化。

7结束语

深部调剖等技术经过几十年的发展，已形成了一系列适应不同油藏条件的控水稳油、改善水驱开发效果的有效技术。但随着油田进入高含水(特高含水)期，优势渗流通道不断形成，油藏深部的非均质性不断加剧，水驱效率低下，一些特殊油田(高温、高盐、深井油藏，海上油藏、厚油层、水平井开采油藏、裂缝大孔道油藏等)的高含水及水驱低效问题日益严重，使控水稳油、改善水驱等技术面临极大的挑战。为适应这些高含水油藏改善水驱开发效果的要求，需进一步进行油藏工程研究，加强廉价、长效深部调剖(驱)剂及其机理研究，完善与之相适应的决策技术及相关配套工艺技术，为提高高含水油田后期开发效果提供可靠、有效的技术保障。