渤海J油田注聚受益井堵塞物成因研究①

陈华兴，兰夕堂，庞 铭，符扬洋，唐洪明

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459；2.西南石油大学 地球与科学技术学院，四川 成都 610500)

随着海上油田稳产、增产发展形势需要，聚合物驱油技术取得了显著的降水增油效果，成为了海上稠油油田开发增产的重要手段之一。随着注入时间的延长，聚合物注入量不断增加，聚合物长期聚集造成井底及近井地带堵塞。同时由于稠油在储层和井筒中的流动性差，极易与井底堵塞物相互包裹形成复杂堵塞物，进一步加剧近井地带污染。注聚井堵塞问题日益严重，严重影响了聚合物驱油效果，受益油井产量难以提升，无法实现油田的有效快速开发[1]。

渤海J油田从2003年开始单井注聚试验发展至今，受益油井已超过180口，但在部分受益油井的近井地带、筛管处以及泵吸入口均发现一定量的含聚堵塞物，造成油井产能下降明显、检泵作业频次增加，一定程度上制约了聚驱提高采收率效益。特别是J油田采用疏水缔合聚合物，形成的堵塞物更不易解除[2-7]。针对该问题，在渤海J油田开展注聚受益井堵塞物形成机理研究，对现场堵塞物样品、聚合物特性等进行分析，通过室内试验研究注聚受益井堵塞物产生机理，可为预防注聚受益油井形成堵塞物以及针对性研发注聚受益油井解堵工作液提供理论基础。

1 实验部分

1.1 实验药品、材料与仪器

药品及材料：正己烷、甲苯、双氧水、硫酸亚铁铵、FeCl3、Al2(SO4)3、CaCl2和MgCl2，均为分析纯；疏水缔合聚合物AP-P4，相对分子质量1200万，西南石油大学光亚公司。J-1井模拟地层水；含聚污水(J-3井井口生产污水)；残酸溶液。J-1、J-2注聚受益油井井筒堵塞物样品(分别为样品1、样品2)、人造长岩芯(长度30 cm，直径3.7 cm，PV106.5，孔隙度33%)。

仪器：恒温烘箱、分析天平、0.45 μm纤维滤膜、马弗炉、透析袋；GPC仪(Waters 1515型，美国Waters公司)；原子吸收光谱仪(AA-7090型，北京东西分析仪器有限公司)；XRD仪(X Pert PRO MPDz型，荷兰帕纳科公司)；SEM/能谱仪，FEI Quanta 650FEG场发射扫描电子显微镜，美国FEI公司；IR仪(Nicolet 6700型，美国热电公司)；Waring剪切搅拌器；离心机；截留摩尔质量为1000 g/mol的透析袋。

1.2 实验方法和测试条件

1.2.1 井筒堵塞物组分分析

堵塞物具体分离步骤：(1)称取一定质量的样品于烧杯中，冷冻干燥24 h。差量法得到样品含水率。(2)取1 g干燥后的堵塞物用100 mL双氧水溶液(3%)降解，检测金属离子浓度。(3)称取一定质量干燥后的样品于滤纸中，利用索氏提取的方法，两次萃取固体中的原油。将萃取剂旋蒸除去后得到油相，并利用IR测试分析有机物结构；无油物质进行SEM观察、能谱分析元素组成。(4)将无油物质置于马弗炉中，600 ℃下灼烧4 h后得到无机物，进行XRD测试分析无机物成分。(5)称取一定质量经除水和脱油处理后的样品于烧杯中，加入100 g去离子水，室温下搅拌12 h，使样品中水溶物充分溶解；过滤并收集滤液，将滤液转移到透析袋中透析12 h，除去其中的无机盐离子；旋干滤液中的水分得到聚合物并称量，进行GPC及IR分析测定聚合物浓度和类型。

1.2.2 堵塞物动态评价方法

受益油井产出液中聚合物的分离：(1)在2 L含油污水中加入足量萃取剂；(2)取下层水相于70 ℃的水浴中旋蒸，将2 L污水浓缩至150～200 mL；(3)将浓缩液透析48 h除盐，将透析袋中聚合物溶液倒出，冷冻干燥得到聚合物干粉。聚合物溶液及金属离子溶液的配制：(1)将聚合物干粉溶于该油田模拟地层水中，配制成2000 mg/L的聚合物溶液待用；(2)采用Waring剪切搅拌器1挡剪切一定量聚合物溶液20 s后备用；(3)用蒸馏水配制5000 mg/L 氯化铁和硝酸铝溶液备用。模拟聚合物胶团生成方法：聚合物溶液分别与不同的金属离子溶液混合，用蠕动泵输送聚合物溶液(50 mL)，注射泵输送金属离子溶液，两者在三通阀处流动混合；混合液从三通阀流出经过金属筛网(200 目)收集水不溶物。采用GPC分析聚合物的相对分子质量；采用SEM观察聚合物溶液和聚合物胶团的微观形貌。

1.2.3 长岩芯动态驱替实验

(1)水样准备。在模拟地层水中加入聚合物干粉配制成含聚质量浓度200 mg/L的含聚污水待用；将储层酸化解堵所用的酸液与等质量油砂样混合于烧杯内，放置于恒温箱，设置温度为60 ℃密闭反应4 h，调节反应后的酸液pH至1.5，然后5000 r/min离心处理30 min配制成残酸溶液。(2)岩样饱和地层水。实验长岩芯烘干，计量长度、直径，称干质量m1；利用驱替装置在一定压力条件下，正向地层水驱替测试长岩芯渗透率Kw1，注入流量1 mL/min；饱和地层水后，称湿重m2，计算岩芯孔隙度和PV数；正向转注含聚合物质量浓度为200 mg/L的油田污水，注入污水体积在2 PV以上，注入流量1 mL/min，注入过程中持续检测岩芯水相渗透率Kw2，并监测压力和流量。(3)人造岩芯残酸注入。取酸化酸液，离心处理后调节pH至1.5备用；正向转注残酸溶液，注入酸液体积1 PV，注入流量1 mL/min，反应2～3 h，在注入过程中持续检测岩芯水相渗透率Kw3，并监测压力和流量；正向利用地层水测试岩芯水相渗透率Kw4。实验岩芯采用人造岩芯；整个实验过程在60 ℃条件下进行。

2 结果与讨论

2.1 油井井筒堵塞物组分分析

油井井筒堵塞物组分分析见表1、图1。由表1可知，堵塞物样品中无机物主要为SiO2、CaCO3、FeCO3，有机物为部分水解聚丙烯酰胺交联物。

表1 注聚受益井堵塞物样品分析结果

a 样品1电镜微观形貌 b 样品2 滤液絮团聚合物电镜微观形貌

c 样品1的IR分析 d 样品2的XRD分析

堵塞物样品的无机成分为不配伍产生的垢、黏土矿物及其他机械杂质等，其中铁、钙、镁离子的存在说明存在铁垢及钙镁离子结垢堵塞。大量的铁盐沉淀是因为Fe3+随液体pH增大后形成氢氧化铁沉淀。

推测堵塞物中有机质形成机理：聚驱用聚合物分子链以Al3+、Fe3+等高价阳离子为交联点，通过聚合物侧基中的羧酸根和高价阳离子之间的配位作用，形成交联网状的弹性体；同时部分水、原油和无机盐等物质被包裹在弹性体中从而形成堵塞物(见图2)。为验证有机堵塞物形成机理，对聚合物与高价金属离子(Al3+、Fe3+)作用后形成水不溶物的规律开展研究。

图2 堵塞物形成机理

2.2 聚合物形成水不溶物的规律分析

实验测试不同pH下聚合物与金属离子作用后不溶物的产生量。在pH=1时，聚合物不会与钙镁离子作用生产不溶物，但会和铁离子、铝离子作用生成不溶物(离子质量浓度为500 mg/L时，不溶物质量浓度为0.22～0.49 g/L)；当pH=3时，聚合物仍不与钙镁离子作用，与铁离子、铝离子作用生成的不溶物质量浓度为0.14～0.21 g/L。

表2为在pH=3时，当聚合物溶液质量浓度为2000 mg/L，初始温度为20 ℃，金属离子质量浓度为100 mg/L时，对比不同流量和温度下水不溶物的产生量。随着聚合物原液流量增大、温度增加，与Al3+、Fe3+作用后水不溶物产生量整体变化不大；而对于剪切后聚合物溶液，其不溶物产生量较原液均有所减小，同时Al3+产生的不溶物更多于Fe3+。用筛网搜集水不溶物，并进行环境SEM观察，显示聚合物与Al3+、Fe3+作用后产生的不溶物均具有明显的交联网状结构(见图3)。

表2 聚合物溶液流量、温度对形成水不溶物量的影响(pH=3)

a 聚合物与Al3+作用 b 聚合物与Fe3+作用

高价金属离子是聚丙烯酰胺常用的交联剂，聚丙烯酰胺通过羧基发生交联。当与之接触的金属离子浓度小时，聚丙烯酰胺只有部分羧基参与交联，作用后形成冻胶；随着金属离子浓度增大交联程度也增强，交联体脱水并收缩形成不溶物。聚合物的网状分子结构因回旋半径增大，流动阻力也增加。同时由于疏水缔合聚合物的特性，一旦发生交联会在储层内发生严重的堵塞。

2.3 残酸与含聚污水混合水对岩芯伤害程度评价

受益井堵塞物性质分析表明堵塞物样品的无机成分为不配伍产生的垢、黏土矿物及其他杂质等，其中铁、钙、镁离子的存在说明存在铁垢及钙镁离子结垢堵塞；有机堵塞物成分主要为聚合物形成的胶团絮凝物、原油中的重质成分等。堵塞成因推测为酸化后二次沉淀(铁盐沉淀)、钙质垢、产出聚合物与三价金属离子(Al3+或Fe3+)作用形成胶团。

为此实验通过室内长岩芯动态驱替研究，综合评价水驱、聚合物驱、残酸溶液驱替时的渗透率变化，从而明确注水、注聚合物提高采收率开发、注酸酸化解堵过程中不同流体对岩芯的损害程度。长岩芯动态驱替实验结果如图4所示。

混合地层水驱替时岩芯渗透率逐渐下降，稳定后渗透率损害率达55.6%，中等偏强损害。当含聚污水驱替时，初期岩芯渗透率增加，随着注入量增加，聚合物不断聚集附着致岩芯渗透率不断下降，渗透率损害率达92.4%，损害程度达到强损害。当进一步注入残酸溶液时，岩芯渗透率急剧下降，损害率达到96.3%。

图4 岩芯渗透率变化实验曲线

在地层渗流过程中，疏水缔合聚合物的超分子聚集体随环境变化会形成多聚体, 它与岩石之间产生强烈作用能够有效降低大孔道的水相渗透率，伴随着形成较高的阻力系数和残余阻力系数[8]。同时，聚合物通过吸附滞留、机械捕集与水力滞留均会堵塞孔隙[9]。因岩石基团与羧基间的氢键和化学键结合，吸附滞留通常不可逆。随后注入残酸溶液，其中高价金属离子与聚合物分子形成交联网状不溶物，进一步加深堵塞，岩芯渗透率急剧下降，验证了上述推测。

3 结论及建议

(1)利用XRD法、SEM/能谱法、IR法、GPC法等，对J油田注聚受益井堵塞物组分进行了分析。堵塞物的无机成分主要为不配伍产生的垢、黏土矿物和铁盐沉淀(主要来源为酸化作业后残酸中的高浓度铁离子，遇聚合物驱替液pH增大后生成)，有机成分均为三价金属离子交联产出聚合物而形成的胶团。(2)受益油井采出液中聚合物在酸性条件下会与Al3+、Fe3+发生配位作用，生成聚合胶团水不溶物，且交联程度随着聚合物浓度的增加而增强，不溶物产生量逐渐增大，镜下呈交联网状结构。(3)J油田注聚受益井堵塞物成因为酸化后二次沉淀(铁盐沉淀)、钙质垢、产出聚合物与三价金属离子(Al3+或Fe3+)作用形成复杂垢，堵塞孔喉，造成储层渗透率下降。(4)目前制约注聚受益井解堵效果的瓶颈主要是复合堵塞问题未能很好解决及化学解堵方案有待优化，需有针对性地开发能同时解除有机和无机堵塞物的复合解堵剂；合理筛选药剂用量以能达到污染半径且能避免二次污染；选择解堵层位时应充分考虑注聚前后注入压力变化及连通油井注采关系。