新型凝胶颗粒调剖剂的现场应用

宋明 张勇 焦亚龙 李小奇 张 达 祝明华 张体田

摘 要：油田特高含水阶段，调剖是提高采收率的重要工艺措施。按照SY/T 5590-2004《调剖剂性能评价方法》研制了新型凝胶颗粒，介绍了新型凝胶颗粒的波动驱油调驱机理和主要技术指标，密度0.8～1.5g/cm3，膨胀倍数3～6倍，耐温90～120℃，不受矿化度影响，弹性和韧性好，具有较好的热稳定性。制定了选井原则。从注入设备、段塞的优化组合及压力和排量控制等6个方面总结了现场应用中的经验和认识。现场施工35口井，水井有效率100%，对应油井件效率65.8%，累计增油12，580t。

关键词：预交联，凝胶颗粒，调剖，耐高温，段塞

0 概 况

调剖、调驱作为稳油控水和三次采油的重要技术在油田开发后期发挥了越来越重要的作用，堵剂一次进入地层后同时发挥“堵”“调”“驱”三重作用是各大油田的迫切需求，由丙烯酰胺等在地面交联聚合形成的网状凝胶体，经干燥、粉碎、分筛等工艺过程制备形成遇水膨胀但不溶解的预交联凝胶颗粒，解决了常规地下交联调驱剂进入地层后，因稀释、降解、吸附、酸碱性条件变化等各种复杂原因造成的不成胶现象，广泛用于存在水驱通道的高含水油藏深部调剖。

调研油田在用的合成凝胶颗粒调驱剂，虽然在配制过程中具有良好的可控性，使用方便，但是在应用过程中发现，颗粒膨胀速度太快，不易进入地层深部，而且颗粒密度大，悬浮性能差，在水中以分散相存在，较难进入地层中的微小孔隙，这就很难起到彻底的调剖和驱油作用。文留油田位于东濮凹陷中央隆起带文留构造，油藏埋深2100～3800m，平均孔隙度11.0%～25.0%，平均空气渗透率4.3×10-3～210×10-3um，地层温度80～140℃，地层水矿化度21×10-3～34.5×103mg/L。目前已经进入高含水或特高含水开发阶段，主力层水淹严重，剩余油分布零散，挖潜难度大。由于交联聚合物冻胶不耐温、不耐盐，目前基本不用。普通凝胶颗粒由于不耐温，应用规模很小。为此通过主剂单体的筛选、添加相应的助剂、完善合成工艺等方法对预交联颗粒调驱剂进行了性能改进研究，研制出了适合中原油田高温、高盐油藏特性的新型耐高温凝胶颗粒，新型耐高温凝胶颗粒调驱技术成为目前油藏提高采收率的主要手段。

1 新型凝胶颗粒的研制

1.1 性能要求

根据文留油田地层条件，新型凝胶颗粒必须满足耐温耐盐和长期稳定性要求，注水管柱深、井底口袋小和低排量注入要求具有較好的悬浮性。为达到深部调剖，还必须有合适的粒径、膨胀倍数和膨胀速度。为取得较好的封堵效果，颗粒还必须有较好的韧性和弹性，强度高。新型凝胶颗粒的研制主要从凝胶强度、粒径、膨胀倍数、膨胀速度、密度、耐盐性、长期稳定性等技术指标为研制指标，主要提高新型凝胶颗粒的耐盐性能、热稳定性能、悬浮缓膨性。

1.2 合成方法

采用水溶液中自由基共聚方式，氧化还原体系引发反应的合成方法，在室温条件下，依次加入丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、耐温耐盐单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，再加入无机物或有机充填剂，搅拌分散均匀。升温至60-70℃，通入氮气20min后，加入氧化还原体系引发反应，搅拌0.5min后，密封静置5～6h，在氮气保护下使其在地面聚合与交联反应同时进行，生成网状结构的高粘半固态聚合物。经切割、干燥、粉碎、筛分即得新型凝胶颗粒。

1.3 性能评价

按照SY/T 5590-2004《调剖剂性能评价方法》和参照相关文献[1-6]提供的实验方法对新型凝胶颗粒的配方进行了室内筛选，研究了影响产品性能的影响因素，确定了最佳合成配方，对其性能进行了评价。预交联凝胶颗粒属于单一组分调剖剂，分干或湿和充填或非充填几个类型，检测指标主要为水分（固含量）、筛余（粒径符合率）、密度（缓沉性）、抗剪切性、形变因子（弹性模量）、抗压强度（突破压力）、膨胀倍数、膨胀速度和耐温耐盐性等。

经评价，新型凝胶颗粒的主要技术指标如下。

（1）凝胶强度：弹性模量大于10Pa，适合封堵裂缝和大孔道。

（ 2 ） 粒径： 毫米级不规则形状颗粒， 分1～2mm，3～5mm，6～8mm和5～10mm4个等级，可根据实际需要进行适当调整。

（3）膨胀倍数：3～6倍，可根据实际需要选择合适的膨胀倍数。

（4）密度：高密度1.3～1.5g/cm3，中密度1.1～1.2g/cm3，低密度0.9～1.0g/cm3。

（5）膨胀速度：小于180min。

（6）耐盐性：不受矿化度影响，可满足油田污水配制需要。

（7）长期稳定性：分别放置在清水和污水中，在120℃下恒温180d，不脱水，不溶化，揉捏无破碎，弹性和韧性好，具有较好的热稳定性（如图1所示）。

2 新型凝胶颗粒的调驱机理

凝胶颗粒通过变形通过、失水收缩、破碎通过和堵塞孔喉4 种模式运移， 具有“堵”“调”“驱”的三重作用，以“堵”“调”为主，但“堵”而不死。凝胶颗粒在地层中的封堵主要以物理堵塞为主，主要聚集在大孔道中，难以进入小孔道，通过架桥作用封堵大孔道；当通过较小的孔道时，通过变形和破碎通过，同时把孔隙中的原油“拉拽”出来。颗粒在地层运移中不断形成封堵和破坏，迫使注入水在深部产生液流改向，从而起到波动性驱油作用。

3 实践和认识

3.1 新型凝胶颗粒应用条件

根据新型凝胶颗粒的性能，结合油藏地质特征，制定了应用条件和范围。

（1）剩余油相对富集区，采出程度低，水淹程度低。对应油井储层较厚，控制的剩余可采储量较高。

（2）连通、对应关系好，动态反应较明显，主方向油井见效，侧方向油井一定程度见效。或主向井水淹后，油水井形成优势渗流通道（裂缝贯通或高渗条带形成），导致侧向油井见效低或是液量下降。边、角井水驱效果差或无效，井组油井含水大幅上升。

（3）水井有明显优势渗流通道吸水特征（有试井、测井依据，注水井注水量增加、注水压力不升或下降；吸水剖面显示层间差异大，非均质严重，吸水状况变差或出现尖峰状吸水）或对应油井有明显优势渗流通道见水及水淹特征。周边对应油井至少有1口经历“断崖式”含水暴升或凸型（凸S型）含水上升阶段。

（4）控制程度高，周边至少对应2口或2口以上的油井。

（5）周边对应油井产液量相对较高，一般在日产液10方以上。

（6）注水井具有一定的吸水能力，能满足正常注水和调堵注入需要，一般在注水系统压力下，有2.0MPa以上的调堵提压空间。

（7）油层改造、增产措施引起的水驱突进等。

（8）井况和井下注水管柱符合要求。

3.2 经验和认识

2021年以来在文留油田采用新型凝胶颗粒调驱后水井注水压力明显提高，部分井吸水剖面得到较大地改善，现场施工35口井，水井有效率100%，对应油井见效率65.8%，累计增油12，580t。

3.2.1 粒径选择与吼道匹配

凝胶颗粒粒径和地层吼道半径不匹配时会使注入压力升高太快，甚至注不进，导致调剖工艺失败。地层渗透率和孔吼半径的关系为（r为孔吼半径，um；k为地层渗透率，um2;φ为孔隙度，%），人工裂缝缝宽一般小于5mm，充填支撑剂的天然大裂缝缝宽小于500um，天然微裂缝缝宽小于100um。根据“三分之一架桥”或“三分之二架桥”理论，一般要求颗粒型堵剂直径为地层的平均孔隙直径的1/3～2/3较为合适。有研究表明，对刚性颗粒，颗粒粒径为地层孔径的1/3～1/10时，均具有效封堵作用[7]。对具有软弹性的凝胶颗粒，当颗粒粒径为地层孔径的1/3～3/2时，凝胶颗粒在地层中有较好的运移性和封堵性，不会堆积在近井地带[8，9]。现场根据孔吼半径和注水压力，选用1～2mm，3～5mm，6～8mm和5～10mm4个等级的凝胶颗粒。

3.2.2 排量与压力控制要素

凝胶颗粒具有一定的选择性注入性能力，27/8油管的合理注入速度为2.0～3.0m3/h，一般小于注水井日配注水量，在此速度下，清水对颗粒具有较好的携带能力。低排量时，颗粒主要进入大孔道，不会因排量过高造成井底“脱粒”埋油层问题。

调剖剂在注入地层的过程中，遵循最小流动阻力原则，首先进入阻力小的大通道（大裂缝或高渗透层），然后再进入小裂缝或基质孔隙。提前关停注水井，可降低裂缝内流体压力，同时采用低压小排量注入，实现选择性注入，使调剖剂尽量在裂缝内流动，尽量进入高渗透高吸水层深部。

施工时的注入压力要平稳而缓慢地上升，要根据压力提升空间和调剖剂用量设计压力爬升速度，特别是初始爬升压力不能过快。主要通过调整颗粒的粒径、浓度和强度（软硬程度）来控制压力上升速度，必要时调整注入排量。

3.2.3 段塞尺寸设计方法

调剖剂用量按照1/3～1/2井距设计，等压力梯度法组合段塞，低渗高压井低强度段塞要大些。

（1）动态分析法：根据示踪剂监测资料以及水淹时的注水量，结合主水淹方向上油井的劈分系数，估算出大通道的体积，一般为0.15～0.3倍体积。

（2）径向流推进法（方向系数法）：依据油藏中竄流通道特征，考虑为扇形面积运移的形式（如图2所示），调剖剂用量按式（1）设计：

Q=0.0087β · θ· R ·h ·φ

式中：

β—— 窜流方向系数，值为注水井与对应油井发生窜流的方向系数，根据生产动态和示踪剂资料综合分析结果，可取β=2～3。

θ —— 窜流突破角，?。在注水井严重窜流的方向上，窜流通道的水平面积一般很小，即其窜流突破角很小，一般可取5～15?（根据实际窜流情况进行调整），见水早，油井气量急剧增加的对应油水井间窜流突破角θ 取值可以小些。

R —— 封堵半径，m；按井距的1/5～1/2 设计。

h —— 强吸水层厚度，m；根据水井吸水剖面确定。

φ—— 窜流通道的孔隙度，%；油层中窜流通道的局部孔隙度一般较高（ 计算中可取0.2～0.4）。

Q—— 调剖剂用量，m3。

3.2.4 段塞组合设计及优化

调剖剂复合和段塞组合可以提高调剖效果。

（1）低渗高压井采用小粒径、低浓度和低强度颗粒，尽可能往地层中注入更多的颗粒。可采用颗粒和活性剂（驱油剂）复合。用活性水携带颗粒，可以降低颗粒在地层中的阻力[10]。一般采用单一段塞。

（2）低渗低压井采用大粒径、高浓度和高强度颗粒，采用不同粒径复合，颗粒和钠基膨润土复合。一般采用多级复合段塞。

（3）在段塞组合上，凝胶颗粒可以采用小粒径/大粒径交替注入组合，低浓度/高浓度交替注入组合，凝胶颗粒和膨润土交替注入组合，凝胶颗粒和活性水（注入水）交替注入组合。在段塞强度上采用由低到高组合，高低多轮次组合。

3.2.5 施工注意事项

（1）注入设备

凝胶颗粒可以用清水、注入水、活性水或稠化水携带，由于凝胶颗粒为固体，在水中不易均匀分散，必须通过不断搅拌，使之较为均匀地分散在水中，保证注入浓度相对均一。

注入泵：柱塞泵或注聚泵，通过变频控制柜和柱塞大小控制泵排量。泵凡尔座通道能通过粒径10mm的颗粒。

配液罐：2个带搅拌电机可搅拌的12m3铁池，有扶梯可到罐顶。

上料设备：为降低劳动强度和安全性，地面上料可将散颗粒通过蜗杆上料机加入罐中，也可用传送带将整袋颗粒传到罐顶，再倒入罐中。

带电设备接地电阻合格。

（2）注入管柱

一般采用原注水管柱，分注管柱分调时捞空堵塞器，施工时控制注入压力和颗粒浓度，防止颗粒在油管内沉积，导致压力突升。笼统管柱的管脚，不出砂井放置在油层下界附近，出砂井放置在油层上界附近。

（3）突发事件处理

1）事件风险与危害

调剖井在施工过程中，出现停电、停水造成施工暂停事件，定性为一般突发事件（Ⅱ级），此时易出现凝胶颗粒沉积在管内或沉积在井筒掩埋油层，可能出现注入管线压力异常升高或管线堵塞，无法继续施工，形成井下事故。

2）事件预防和控制

施工现场，预留水泥车、水罐车场地，注入流程安裝备用注入接头，连接管线齐全完好。凝胶颗粒注入施工过程中，确保信息通畅，掌握停水（电）信息，保证在出现停水（电）时，能够及时通知采油厂安排水泥车、罐车在4h内赶到现场。

3.3 结论和建议

（1）凝胶颗粒耐温耐盐，可用于高温、高盐油藏。

（2）配制工艺简单，劳动强度较小。

（3）建议实施一井一策的个性化方案，提高调剖工艺针对性。推广低成本凝胶颗粒“调+堵+驱”集成技术。

4 标准改进建议

SY/T 5590-2004《调剖剂性能评价方法》合并和代替了SY/T 5590-93《冻胶调剖剂性能评价方法》、SY/T 5799-93《双液法调剖剂性能评价方法》和SY/T 6379-1998《颗粒调剖剂性能评价方法》，标准规定了油田常用的7类调剖剂性能的评价方法，只适用于调剖剂性能的室内评价。对预交联凝胶颗粒来说，SY/T 5590-2004标准只提供了部分评价方法，且其针对性不强，没有量化凝胶强度、粒径、膨胀倍数、膨胀速度、密度、耐盐性等技术指标。目前，预交联凝胶颗粒在油田调剖调驱中得到了广泛应用，全国各生产厂家都制定了自己的产品评价标准，但评价指标不同，有多有少，同一指标的评价方法也有差别。因此，建议编制专门权威的预交联凝胶颗粒标准，统一调剖剂性能评价量化指标，规范评价方法。

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