深部调剖剂的调剖机理与矿场应用效果研究

2021-01-11何子昂

化学工程师 2021年6期

何子昂

（大庆油田采油三厂第二油矿，黑龙江大庆 163113）

近年来，我国为在石油资源的开采上保持可持续性的发展战略，以注水开发油藏为主，对油气资源进行开采。随着注入水在油藏地层的长期注入，使得采出原油的采收率降低，采出液的含水率升高，多数油田的含水率高达80%以上[1,2]。导致原油采收率降低的原因是，长期注水使注入剂在驱替原油过程中，在油藏的高渗透层中形成了水流优势通道，致使剩余油聚集在油藏低渗透层中。水流优势通道的形成直接导致了油层的层内非均质性加剧，层间非均质性突出。为解决这一系列影响原油开发的问题，调剖剂成了调节油层非均质性、封堵水流优势通道的有效措施，是国内外学者研究提高采收率方向的热门[3,4]。因此，本文通过国内外调剖技术的发展史，结合近年来研究热门的调剖剂，对不同类调剖剂调剖效果进行论述和研究。

1 国内外研究现状

1.1 国外调剖技术研究现状

国外的化学调剖堵水技术从上世纪50年代开始，主要用固态烃溶液、原油和油基水泥进行油水井的堵水调剖处理。60年代，国外学者研发了聚丙烯酰胺交联聚合物技术，这为后来的调剖堵水技术开拓了新的方向。70年代，Needham[5]等人对聚丙烯酰胺的官能团在高含水层中的吸附性和捕集性进行了室内实验。80年代，国外研制除了固相颗粒型调剖剂和水玻璃型调剖剂并在调剖技术的研究中得到了推广。90年代后，TIORCO公司研制了胶态分散凝胶体系，并从29个油藏的调剖中成功试验22个，但由于胶态分散凝胶的技术限制，该公司停止了对胶态分散凝胶技术的研究。后来随着深部调剖剂的研发，聚合物凝胶类的调剖剂成为国外学者研究的热门，并被广泛的用于室内实验中研究[6,7]。

近年来，国外学者在深部化学调剖剂的性能改良方面取得了突破性的进展。2016年，Ayman Almohsin[8]等人选用Supper-K调剖剂和含裂缝的碳酸盐岩岩心为材料，研究岩心对新型强亲水的三元共聚体的吸附效率。结果显示，实验研究的调剖剂很好的与碳酸盐岩结合，并且凝胶在194°F下有足够的稳定性，ESEM和EDS分析技术对滞留在岩心裂缝中的凝胶进行表征，后续驱油实验由于凝胶的注入使得岩心的产水量减少。2018年Zulhelmi Amir[9]等人使用响应面方法（RSM）对储层在高温条件一致的条件下对交联聚合物的最优配方进行研究。实验以聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙烯亚胺（PEI）为研究对象，通过中央复合设计（CCD）确定了有机交联聚合物方程。2020年，Charles[10]等人通过配制有机交联的接枝共聚物凝胶对注入井的剖面改善进行研究。结果显示，选用聚丙烯酰胺与黄原胶在K2S2O8作为引发剂的条件下形成接枝共聚物，与六亚甲基四胺（HMTA）和对苯二酚（HQ）交联形成的凝胶适合于调节高含水油田的剖面改善。

1.2 国内调剖技术研究现状

国内的调剖堵水技术是从50年代到60年代期间，以油井堵水为主作用于国内各大油田，这一时期的主要调剖堵水剂有水泥浆、树脂、油基水泥和活性稠油等。70年代，水溶性聚合物在国内得到广泛应用，此时的调剖处理半径有几米到几十米，属于近井地带调剖。80年代，国内的调剖技术得到了全面的发展。90年代，国内各大油田进入了高含水时期，为解决油井产水高的问题，调剖堵水剂从常规的调剖技术转向了深部调剖（调驱）技术。2000年至今，国内学者一直致力于改良各种类型调剖剂的性能并在调剖剂对油藏深部高含水层的调节效果上一直进行突破性的研究，并将研究成果广泛的应用到国内的各大油田中[11-14]。

近年来，为了满足现场的生产需求，国内学者通过室内实验和软件模拟优化深部调剖剂的封堵性能力。2015年，于龙[15]等人选用支化预交联凝胶颗粒（B-PPG）进行岩心封堵实验。结果表明，B-PPG可以有效封堵单管填砂岩和双管填砂岩的水窜问题，封堵率高达97%。2018年，刘爽[16]等人对强碱微生物进行室内驱油效果评价，在三元复合体系中加入0.3%～0.45%的脂肽，可以在水驱的基础上提高采收率22个百分点。2019年，徐爽[17]通过室内实验研究氮气泡沫凝胶调剖剂，研制了凝胶体系和泡沫体系最优的合理体积比1∶60，并在冷家油田冷42块进行8次现场试验，最终累计增油2320.2t。2020年，杨洋[18]等人通过CMG对曙光采油厂含油污泥调剖剂进行蒸汽吞吐后的调剖效果分析。研究表明，含油污泥调剖剂在曙D1油藏的调剖效果良好，封堵率达75.8%～95.2%，可以在中、低渗透层中解决水窜的影响。

2 调剖剂的分类及适配性研究

2.1 凝胶类调剖剂

凝胶类调剖剂主要是由聚合物与交联剂在一定的条件下进行交联反应，形成胶态聚合物并应用于高渗透层进行堵塞作用。根据凝胶的成胶机理不同，凝胶在室内实验和矿场应用的领域中分为弱凝胶型凝胶调剖剂、胶态分散型凝胶调剖剂、体膨颗粒型凝胶调剖剂、聚合物微球型凝胶调剖剂。弱凝胶的成胶过程是靠交联分子间为主、分子内为辅的作用形成的三维网状凝胶。胶态分散型凝胶（CDG）调剖剂是通过聚合物和交联剂以分子内的作用形成的非三维网状的结构。胶态分散凝胶可以在高温、高矿化度的条件下保持成胶性能，但由于其低粘的特性使得胶态分散凝胶的研究存在一定的局限性。预交联型凝胶调剖剂在凝胶的交联反应过程中，由于凝胶的吸水特性，填入膨化剂使凝胶吸水膨胀，形成颗粒状的胶体，经过吸水后的胶体可以使自身的体积扩大，注入地层后可以对高渗透层的水流优势通道起到长期的堵塞作用。聚合物微球型调剖剂是利用纳米技术，在凝胶颗粒与孔喉尺寸关系的基础上形成弹性微球体，在注入水的驱动压力作用下，沿着喉道运移到油藏深部实现调剖作用。

凝胶类调剖剂近些年来在油田调剖开发的领域一直被广泛的研究与应用，2004年，王鑫[19]通过体膨颗粒凝胶注入杏北油田X7-2-F35井组进行现场调剖效果评价，结果显示调剖后井组日产油增至60t，含水率降至91.9%。2007年，刘敏[20]等人对聚合物微球调剖剂注入东辛采油厂永8油藏的三口水井进行调剖效果研究，结果表明调剖后区块累计增油7127.4t，综合含水降至76.9%。2013年，马红星[21]等人对弱凝胶与预交联颗粒调剖剂的组合体系注入长庆油田罗1长8区块进行调剖效果评价，结果显示调剖后累计增油2733t，降水1894m3。2020年，钱玲[22]根据奈曼油田的低渗孔隙特征，通过室内实验优选了酚醛和有机铬的组合凝胶体系，矿场试验显示注入组合段塞凝胶后累增油635t，含水率从89.9%降至46.4%。

2.2 微生物类调剖剂

微生物驱油的概念起源于1965年，于90年代微生物被用于现场的调堵试验。微生物调剖高渗层的原理是将微生物与有利于微生物生存的营养液注入到目的层中，或者将微生物注入到适合微生物生存的目的层中，待注入后使微生物在油藏中进行发酵，前者的注入方法为地面微生物发酵法，后者为地下微生物发酵法。注入到油藏中的微生物会吸附于地层大孔道中并进行发酵繁殖，其产物会在地层孔道中增多和聚集，形成菌落群，增加高渗透层的阻力系数，并在后续水的冲刷过程中运移和重新堵塞大孔道，实现深部调驱的作用。在大量孔道聚集聚合物的油藏中注入微生物，会使微生物作用于聚合物后产生降解作用，并在微生物经过繁殖后对强非均质性、结构复杂的油藏进行调剖堵水。

筛选优良的聚合物菌落并对现场进行调剖试验是提高采收率领域研究的热门。2005年，杨朝光[23]等人通过微生物复合段塞对明一西区块区块进行试验，最终单井日产油增至7.5t，含水降至73.6%。2006年，王文军[24]等人在微生物对北二西西块的调剖试验研究中，3口井见效，日产增油10t，累计增油934t。2016年，谭婧[25]在朝阳沟油田朝50区块中利用微生物结合聚合物和蒸汽吞吐技术，最终在试验区块提高采收率4.95个百分点。

2.3 含油污泥类调剖剂

从地层中产出的含油污泥与其油藏环境有良好的配伍性，并且可以使污泥变废为宝，解决油田生产的环保问题。将含油污泥进行化学处理后会形成稠化的活性调剖剂，注入到原来的地层后不仅有较强的耐高温性、耐盐性、抗剪切性，还可以在高渗透层中进行封堵。向含油污泥中加入一定量的悬浮剂和分散剂，使得含油污泥中的固相颗粒（胶质、沥青质）悬浮在溶液中，后续注入剂的冲刷会将乳化悬浮体裂解成细小颗粒。所得细小颗粒由于地层的吸附作用会聚集到岩石的大孔道中形成新的集合体，封堵油层的高渗透层。由于配制的含油污泥调剖剂的固相颗粒分布零散，与添加剂形成的调剖剂作用机理单一，常采用含油污泥调剖剂与聚合物交联体系和聚合物溶液混合配制，形成凝胶型含油污泥调剖剂和聚合物溶液型调剖剂，从调剖和驱油的机理上使常规含油污泥调剖剂具有粘弹性和流动性，使含油污泥在岩石孔隙中可以作用于各大面积的高渗透通道，处理不同条件的油藏。

含油污泥类调剖剂在现场油田的应用中效果显著，1998年，巨登峰[26]等人研制了HB-II型含油污泥调剖剂，并应用于华北油田调剖现场试验，取得了单井增油432t、降水659m3的提采效果。2003年，李丹梅[27]等人在河南双河油田437块II4-6层进行含油污泥的调剖试验，最终取得了796.5t的增油效果，累计处理污泥5309m3。2008年，陈国福[28]等人在大庆萨北油田含油污泥调剖剂的应用中，对北4-8-丙水56井区进行调剖，最终累计增油1135.2t，4口连通井含水率下降1.4%。2017年，李辰[29]将含油污泥调剖剂优化，应用于子北采油厂，结果显示在8418-6井增油3.474t，含水率下降了10.1%。

2.4 泡沫类调剖剂

泡沫驱油技术起源于上世纪60年代，后随着调剖药剂的改良和革新，泡沫作为一种新型调剖技术应用于油田开发。泡沫由于自身的贾敏效应，会使自身注入地层后选择性的流动到大孔道中。生成泡沫的条件主要为气液两相流体充分接触，并向液相中加入起泡剂。研究泡沫调剖的关键在于形成泡沫的稳定性，所以起泡剂的耐高温性和耐盐性是这一技术主要研究的对象。泡沫调剖剂的大致分类可分为N2泡沫调剖剂、CO2泡沫调剖剂和空气泡沫调剖剂，近些年来，前两种泡沫多数用于高温气窜严重的油气藏，研制的耐高温性泡沫调剖剂解决热采过程中不同韵律地层条件的气窜问题；后者被多数学者将其与聚合物交联技术结合，形成凝胶类泡沫调剖剂增加形成泡沫的稳定性，在高pH值和高矿化度的条件下保持泡沫对水的封堵性，进而控制油层出水严重的现象。

泡沫调剖剂在现场应用的防水窜、气窜的封堵作用中均有显著的效果，2005年，王东[30]等人在研究复合泡沫调剖剂注入孤岛油田的试验中成功调剖4口井，累计增油1688.4t，平均单井增油422.1t。2010年，信艳永[31]对凝胶型泡沫调剖剂注入辽河小洼油田进行试验研究，调剖后原油产量增大，该油田最终累计增油300多万t。2011年，蹇波、胡罡[32]对乐安油田草13区块进行氮气泡沫调剖，调剖后平均单井增油933t。