注水井深部調剖技術研究現狀及發(fā)展趨勢

賈曉飛　雷光倫　賈曉宇

摘要：注水井進行深部調剖(驅)是油田開發(fā)后期嚴重非均質性油藏高含水階段穩(wěn)油控水、提高注水波及系數的重要技術手段。從深部調剖的化學劑、物理模擬實驗、決策技術、配套工藝技術等方面-系統(tǒng)分析了國內外深部調剖(驅)技術的研究和應用現狀以及存在的問題。根據高含水油田開發(fā)現狀及需求，提出了深部液流轉向改善水驅開發(fā)效果的技術發(fā)展趨勢，即立足高含水油藏開發(fā)后期實際需要，在精細油藏描述及油藏數值模擬研究的基礎上，以開發(fā)廉價長效的深部調部(驅)劑為核心，深入開展機理理論研究，完善準確、快捷的決策技術及相關配套工藝技術，形成深部調剖(驅)技術的工業(yè)化規(guī)模，實現深部液流轉向改善高含水期非均質油藏水驅效率的目的。

關鍵詞：注水井；深部調剖；調剖劑；調剖物理模擬；液流轉向；研究現狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TE358

文獻標識碼：A

前言

注水井調剖技術是改善層內、層間及平面矛盾，實現老油田穩(wěn)產的重要措施。通過實施調剖措施，可有效改善注水井的吸水剖面，擴大注水波及體積，增加可采儲量，降低自然遞減速度，提高油田的開發(fā)水平。隨著油田進入高含水或特高含水開發(fā)期，油田水驅問題越來越復雜，調剖等控水穩(wěn)油技術難度及要求越來越高，傳統(tǒng)的小半徑調剖已經不能滿足要求。這也推動著該技術領域不斷創(chuàng)新和發(fā)展，尤其在深部調剖(驅)液流轉向技術研究與應用方面取得了較多成果，在改善高含水油田注水開發(fā)效果方面獲得了顯著效果。

1深部調剖劑研究現狀

在綜合調研國內外深部調剖劑研究和應用的基礎上，將其歸納為凝膠類深部調剖劑、微生物類深部調剖劑、沉淀型無機鹽類深部調剖劑、泡沫深部調剖劑、粘土膠聚合物絮凝深部調剖劑、含油污泥深部調剖劑和陰陽離子聚合物深部調剖劑。

1，1凝膠類深部調剖劑

主要包括延緩交聯(lián)型深部調剖劑、預交聯(lián)凝膠顆粒類深部調剖劑、無機凝膠涂層深部調剖劑和孔喉尺度聚合物凝膠微球深部調剖劑。

1，1，1延緩交聯(lián)型深部調剖劑

不管采用何種方法，只要使交聯(lián)劑和聚合物延緩交聯(lián)，都屬于延緩交聯(lián)調剖技術。

(1)弱凝膠。弱凝膠也稱“流動凝膠”。“流動”指弱凝膠在試管內呈流動狀態(tài)。弱凝膠是由低濃度的聚合物和低濃度的交聯(lián)劑形成的、以分子間交聯(lián)為主及分子內交聯(lián)為輔、粘度在100～10000 mPa·s之間、具有三維網絡結構的弱交聯(lián)體系。弱凝膠一般選擇高分子量聚丙烯酰胺作為交聯(lián)主劑，濃度一般為800～3000 mg／L；交聯(lián)劑主要有樹脂、二醛和多價金屬離子類等。美國使用最多的是乙酸鉻、檸檬酸鋁(EPT公司)和乙二醛(Pfizer公司)；我國應用較多的為酚醛復合體、樹脂預聚體、乙酸鉻、乳酸鉻、檸檬酸鋁等。凝膠強度通常在0，1～2，5 Pa，現場應用則根據地層及生產狀況選擇凝膠強度。

微觀驅替實驗表明，弱凝膠首先進入大孔道，且可通過變形被擠入窄小孔喉，從而迫使后續(xù)注水改向進入未被波及的小孔隙，其粘彈作用有利于進行深度調剖。

(2)本體凝膠(DDG)。Seright和Zaitoun等人對弱交聯(lián)本體凝膠進行了大量的研究，并針對本體凝膠對油水相滲曲線的影響研究了本體凝膠對油水的選擇性封堵作用。

本體凝膠中應用較多的是聚丙烯酞胺類本體凝膠(BG)。主劑一般選擇分子質量為500×104～1200×10⁴的聚丙烯酞胺，用量為0.08％～0.25％；交聯(lián)劑主要有樹脂類、二醛類和多價金屬離子類，Seright等對美國在過去15a內的交聯(lián)劑使用情況進行的調研發(fā)現，使用最多的是Cr^3＋、檸檬酸鋁和乙二醛，韓明等對乙二醛的交聯(lián)特性進行了研究，發(fā)現乙二醛作為交聯(lián)劑，對pH值敏感且形成凝膠的熱穩(wěn)定性較差。

(3)膠態(tài)分散凝膠(CDG)。膠態(tài)分散凝膠(CDG)與本體凝膠(DDG)的一個顯著區(qū)別在于交聯(lián)作用點不同，本體凝膠的交聯(lián)反應主要發(fā)生在聚合物分子之間，以分子間交聯(lián)為主、分子內交聯(lián)為輔，形成具有三維網狀結構的凝膠整體；膠態(tài)分散凝膠的交聯(lián)反應主要發(fā)生在分子內的各交聯(lián)活性點之間，以分子內交聯(lián)為主、分子間交聯(lián)為輔，形成分散的凝膠線團。其特點為聚合物和交聯(lián)劑的濃度低，CDG體系中聚合物濃度可低至100 mg/L，交聯(lián)劑一般是多價金屬離子，如檸檬酸鋁、乙酸鉻等。

國外只有TIORCO公司應用CDG調驅體系。該公司曾在美國落磯山地區(qū)對29個油藏采用CDG進行深部處理，其中22個項目獲得了增產。盡管TIORCO聲稱是CDG處理，但從各段塞HPAM濃度看，這些礦場試驗仍然是弱凝膠處理。

“幾五”期間，中科院化學所、中國石油勘探開發(fā)研究院采收率所、大慶油田等對該技術進行了大量的研究，并在大慶、河南等油田進行了多項先導性現場試驗，但使用的聚合物濃度大多在800～1500 mg／L，顯然這不是真正意義上的CDG驅。此外，由于指導思想上的分歧，這些試驗大多沒有取得理想的效果。

1，1，2預交聯(lián)凝膠顆粒型深部調剖劑

預交聯(lián)凝膠顆粒主要是針對非均質性強、高含水、大孔道發(fā)育的油田改善水驅開發(fā)效果而研發(fā)的技術。

預交聯(lián)凝膠顆粒遇油體積不變，吸水變軟(但不溶解)，在外力作用下可發(fā)生變形運移到地層深部，在高滲層或大孔道中產生流動阻力，使后續(xù)注入水分流轉向，有效改變地層深部長期水驅形成定勢的壓力場和流線場，實現深部調剖、提高波及體積、改善水驅開發(fā)效果。其調剖機理有變形驅動、壓力波動和剪切破碎。

1，1，3無機凝膠涂層深部調剖劑

中國石油勘探開發(fā)研究院采油工程研究所針對塔里木油田高溫(120～140℃)、高地層水礦化度(150000～210000 mg／L)深層油藏(4500～6000 m)的調剖問題，研究了一種無機凝膠涂層調剖劑(WJSTP)，該調剖劑與油藏高礦化度地層水反應形成與地層水密度相當的無機凝膠，通過吸附涂層，在巖石骨架表面逐漸結垢形成無機凝膠涂層，使地層流動通道逐漸變窄形成流動阻力，達到使地層流體轉向、擴大波及體積的目的。

1，1.4孔喉尺度聚合物凝膠微球深部調剖劑

孔喉尺度聚合物凝膠微球是最近幾年研制的深部液流轉向劑，該調剖劑具有以下特點：微球合成條件可控，地面合成避免了地下交聯(lián)不成膠或成膠強度低等問題；微球直徑在微米級，與孔隙喉道匹配，微球數量龐大，為彈性有形球體，在儲層中運移、封堵、彈性變形、再運移、再封堵，可實現從水井到油井的全程調剖；微球耐溫、耐礦化度能力強、封堵強度高，阻力系數和殘余阻力系數大，具有調剖驅油雙重作用；微球尺度小，易分散在水中形成懸浮體系，且粘度不增加，注入時不增加管線的阻力。

1，2微生物類深部調剖劑

微生物用于注水井調剖最早始于美國。其原理是：將能夠產生生物聚合物的細菌注入地層，在

地層中游離的細菌被吸附在巖石孔道表面后，開始形成附著的菌群；隨著營養(yǎng)液的輸入，細菌細胞在高滲透條帶大量繁殖，繁殖的菌體細胞及細菌產生的生物聚合物等粘附在孔隙巖石表面，形成較大體積的菌團或菌醭；后續(xù)有機和無機營養(yǎng)物的充足供給，使細菌及其代謝產出的生物聚合物急劇擴張，孔隙越大細菌和營養(yǎng)物積聚滯留量越多，形成的生物團塊越大。細菌的大量增殖及其代謝產出的生物聚合物在大孔道滯留部位的迅速聚集，對高滲透條帶起到較好的選擇性封堵作用，使水流轉向，增加中、低滲透部位吸水量，從而擴大波及區(qū)域、提高原油采收率。

1，3

沉淀型無機鹽類深部調剖劑

沉淀類深部調剖劑調剖方法可分為單液法和雙液法，應用較多的主要有水玻璃氯化鈣和表面活性劑——酒精類深部調剖劑等。

水玻璃氯化鈣在俄羅斯研究和應用較多，一般要求水玻璃硅酸鈉的模數Na₂O:si₂O為3.22左右。在單液法注入中，要求地層水為高礦化度鈣鎂型，同時考慮到地層水中形成沉淀的有效成分鈣鎂離子不夠，在配液中補充一定量的氫氧化鈣，進入地層后，緩慢與地層水發(fā)生作用，生成硅酸鈣沉淀。在雙液法注入中，采用清水或油作為隔離液，水玻璃和10％～15％的氯化鈣按1:1的比例依次注入，2種成分地下混合后生成硅酸鈣沉淀。

表面活性劑(乙醇)法利用乙醇能顯著降低鹽的溶解度的特性，在地層中形成鹽的沉淀，對高滲層產生堵塞。

1，4泡沫深部調剖劑

泡沫深部調剖的作用機理是，泡沫通過地層孔隙(相當于通過毛細管)時，液珠發(fā)生形變，通過賈敏效應，對液體流動產生阻力，這種阻力可以疊加，從而使目的層發(fā)生堵塞，改變主要水流方向的水線推進速度和吸水量，提高注入水的波及體積。用于水井調剖的一般有三相泡沫深部調剖劑、凝膠泡沫深部調剖劑和蒸汽泡沫深部調剖劑。

1，5粘土膠聚合物絮凝深部調剖劑

粘土膠聚合物絮凝體系調剖技術是20世紀90年代以來石油大學(華東)與勝利油田共同研究的一項技術。主要做法是將鈉膨潤土配制成懸浮液，膨潤土水化后顆粒能與聚合物形成絮凝體系，在地層孔喉處產生堵塞，起到調剖的作用。其主要調剖機理為：絮凝堵塞、積累膜機理和機械堵塞。

1，6含油污泥深部調剖劑

含油污泥調剖的基本原理是：在含油污泥中加入適量添加劑，調配成粘稠的微米級的油／水型乳化懸浮液，當乳化懸浮液在地層達到一定深度后，受地層水沖釋的作用，乳化懸浮體系分解，其中能泥質吸附膠質瀝青和蠟質，并通過它們的粘聯(lián)聚集形成較大粒徑的“團粒結構”沉降在大孔道中，使大孔道通徑變小，增加了注入水的滲流阻力，迫使注入水改變滲流方向，從而達到提高注入水波及體積、改善注水開發(fā)效果的目的。

1.7陰陽離子聚合物深部調剖劑

這種方法可以在生產井和注入井分別同時注入陰、陽離子聚合物，或在注入井中交替注入陰、陽離子聚合物。在生產井和注入井同時進行時，一般稱之為防竄技術。

巖石表面呈負電性，從油井中注入的陽離子聚合物溶液優(yōu)先進入高滲透層和大孔道中，先期吸附于巖石表面，此時從注入井注入陰離子聚合物。陰陽離子型聚合物在地層中相遇后生成不溶性沉淀物，使高滲透層的滲透率降低，迫使后續(xù)注入的陰離子聚合物和驅替液進入中、低滲透層，提高波及系數，從而實現深部調剖的目的。

2調剖物理模擬研究現狀

在調剖物理模擬研究方面，國外許多學者對調剖機理及堵劑的封堵性和選擇性進行了研究。White利用巖心實驗研究了水解聚丙烯酰胺的堵水作用機理，可歸結為：吸附理論(即親水膜理論)；動力捕集理論；物理堵塞理論。交聯(lián)聚合物的封堵作用主要表現在物理堵塞上。Dawe，Li—ang等人分別利用微觀模型和Berea砂巖巖心實驗研究了聚合物凍膠堵水不堵油的原因，認為油水流動通道的分離可能是造成凍膠對油水相滲透率不均衡減少的根本原因。Seright利用Berea砂巖采用示蹤劑等技術研究了滲透率、堵后注水速度、巖性、凍膠性能等因素對堵劑封堵性能的影響，認為強凍膠可使不同滲透率的巖心封堵率減少到近似同一個值，對于弱凍膠，滲透率越高，封堵率越大；堵后的殘余阻力系數隨注水速度的增大而減少，并具有較好的雙對數關系。

在國內調剖物理模擬研究方面，中國石油勘探開發(fā)研究院、中科院滲流流體力學研究所、中國石油大學等單位在堵水調剖物理模擬方面做了一些研究工作，取得了一些成果。20世紀90年代后期，用可視性物模對顆粒在孔隙介質中的流動規(guī)律及弱凝膠對孔隙介質的“變形蟲”和“蚯蚓蟲”通過機理等進行了研究。中國石油勘探開發(fā)研究院和中科院滲流流體力學研究所合作，用微觀模擬技術和核磁共振成像技術研究了聚合物凍膠在多孔介質中的充填、運移和堵塞規(guī)律，探索了聚合物凍膠提高注入水的波及體積、調整吸水剖面、改善水驅采收率的微觀機理。中國石油大學等單位對顆粒類堵劑堵水調剖機理進行了初步研究，將堵劑的封堵機理歸結為絮凝堵塞、積累膜降低滲透率和耦合機理。

3調剖決策技術的研究現狀

調剖決策技術方面，國外進行了很多研究。數值模擬方法是預測、評價油田開發(fā)和措施調整效果的有效方法。法國石油研究院、美國能源部、澳斯丁大學、塔爾薩大學、哈里伯頓石油公司、英國AEA技術咨詢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應的軟件，并應用于現場，指導施工設計。如哈里伯頓公司的KTROL程序可以用來模擬單井堵水調剖的施工過程，預測措施后產液或吸水剖面、優(yōu)選注入量、注入壓力、注入速度等施工參數。英國AEA技術咨詢公司研制的三維三相多組分模擬器Scorpi053，考慮了溫度場的影響，具有較好的前后處理功能。這些軟件的應用為調剖方案的制定和操作達到科學化、定量化，提高調剖措施的成功率提供了有益的工具。哈里伯頓公司研制的堵水專家系統(tǒng)XERO，具有判斷油井出水原因、優(yōu)選堵劑種類、進行方案設計等功能。

目前，國內具有代表性的決策技術主要有：中國石油大學研究的PI決策技術、RE決策技術、示蹤劑決策技術，以及中國石油勘探開發(fā)研究院研制的Rs決策技術；具有代表性的調剖數值模擬軟件有：中國石油勘探開發(fā)研究院采油所研制的三維兩相六組分堵水調剖數值模擬軟件，中國石油大學利用黑油模型改造而形成的調剖優(yōu)化設計軟件，中科院滲流流體力學研究所研制的交聯(lián)聚合物防竄驅油的三維兩相六組分數值模擬器FPP。為了克服區(qū)塊整體調剖多因素模糊選井綜合評判模型常權評判中因評判井資料缺乏而帶來的評判偏差，中國石油大學提出了在模糊評判模型中使用變權向量的方法及變權所遵循的2條公理，使得調剖選井更合理、可靠。另外，中國石油大學還研制了不同含水期進行整體調剖效果

預測的理論標準圖版。以上各種決策技術、調剖數值模擬技術以及效果預測方法都在指導礦場施工中起到了重要作用。

4相關配套工藝技術的研究現狀

地面設備方面，已普遍使用專門的堵水調剖劑注入設備，主要組成部分有帶電動攪拌器的配液池，堵水調剖泵，壓力及注入量自動計量儀等。有車載式和橇裝式，勝利油田還建立了固定式注入站及注入網絡。另外，我國最近還研制開發(fā)了地面智能泵注系統(tǒng)，實現了注入自動控制、自動記錄以及長時間、全天候注入。這些設備和系統(tǒng)可以連續(xù)施工，實現大劑量注入，滿足油藏整體深部調剖的需要。

注入管柱方面，在能夠分注或已進行分注的注水井中應進行分層注入，但礦場上多數井是光油管籠統(tǒng)注入。之所以如此，一是因為下封隔器施工密封不嚴或管柱漏失，堵水調剖劑沉積在封隔器卡瓦或膠筒上，或沉積在環(huán)空，封隔器不解封，管柱拔不出，造成事故；二是井況差或隔層薄，無法分注。

5深部調剖技術存在的不足

5，1深部調剖劑存在的不足

雖然各種深部調驅劑都取得了一定的礦場效果，但是也存在著各自的缺點。以聚丙烯酰胺為主的各種地下交聯(lián)凝膠類調驅體系，其成膠條件苛刻，堵塞程度低，不適合大孔道和裂縫油藏，耐溫在90℃以下，注入水礦化度不得超過50000 mg／L，交聯(lián)時間較慢，交聯(lián)體系在地層孔隙內長時間的運移造成擴散、稀釋、剪切、降解等，從而造成本來在地面成膠條件就苛刻的交聯(lián)體系在地下成膠情況變差，甚至造成部分交聯(lián)體系無法交聯(lián)；同時，目前油田需進行調驅作業(yè)的井組或區(qū)塊基本上是經過長期注水開發(fā)形成水驅大孔道的注水井，此類凝膠強度低，形成凝膠條件苛刻，很難起到較好的深部液流轉向作用。預交聯(lián)凝膠顆粒在一定程度上容易形成表面堵塞，且對施工工藝有一定的要求，另外，顆粒對滲透率大小也有一定限制。微生物類深部調剖劑則會由于微生物過度生長而引起井堵塞。沉淀型無機鹽類深部調剖劑不適合嚴重非均質地層。泡沫深部調剖劑有效期短，施工工藝復雜。粘土膠聚合物絮凝深部調剖劑自然選擇性較差；現場施工需要專用設備；注入性較差，使大劑量注入受到限制。含油污泥深部調剖劑受原料產地及產量限制，不易在其他油田推廣；陰、陽離子聚合物深部調剖劑的調剖效果受交替注入順序、注入濃度和注入比例影響較大，這也限制了其大規(guī)模推廣。

5，2決策技術存在的不足

PI決策技術操作簡單，主要從注水井出發(fā)，但未考慮油井生產動態(tài)以及剩余油的可挖潛潛力等油藏因素；RE決策和Rs決策需要大量的靜態(tài)和動態(tài)生產數據，而油田受條件的限制，提供完整的數據進行決策分析較為困難；數值模擬決策技術通常需要地質建模、區(qū)塊歷史擬合和方案優(yōu)化等過程，若達到優(yōu)化目的需耗時較多，難以滿足現場調削的急需。另外各種決策技術在進行調剖劑用量設計時大多使用吸水指示法、面積法、天然裂縫法、人工裂縫法、壓力突破法、滲流法等方法，這些方法很少能夠考慮深部調剖劑移動封堵的機理，尤其是對于與孔喉匹配的孔喉尺度聚合物凝膠微球深部調剖劑，以上的調剖劑用量計算方法顯然不夠準確。

6深部調剖技術發(fā)展趨勢

目前，我國水驅油田普遍進入高含水或特高含水開采期，針對單井或井組水驅問題開展的近井調剖堵水或大劑量處理技術，已不能滿足解決油藏深部水驅問題的需要。為改善高含水油藏的水驅效果、實現油田的高效開發(fā)，開展適合不同油田條件的深部液流轉向技術及相關配套技術研究，是高含水或特高含水油田改善水驅技術的發(fā)展趨勢。

(1)油藏深部液流轉向技術與油藏工程研究相結合。油藏工程研究包括精細油藏描述和精細數值模擬。只有清楚認識了油藏構造、油層結構、油層物性和剩余油分布，才能合理選擇調剖劑類型、確定調剖劑用量、優(yōu)化調剖劑放置位置等。

(2)新型廉價、長效深部調剖(驅)劑研究。研究廉價、長效、適應不同油藏條件(高溫、高鹽、深井、厚油層、水平井等)的新型深部轉向材料。高含水油藏深部液流轉向需要轉向劑用量大，因此，轉向材料的廉價長效是關鍵。隨著納米技術的發(fā)展，納米材料可能會更多地應用于調剖領域，其中納米級孔喉尺度聚合物凝膠微球可能會在深部調剖中發(fā)揮重要作用。

(3)深部液流轉向改善水驅作用機理研究。建立與油藏開發(fā)后期條件相適應的物理模型，依托先進的測試評價手段，研究油藏真實條件下轉向劑與油藏的匹配關系、轉向作用機理、轉向劑深部運移行為特征、微觀力學性能變化等，并在此基礎上研究充分考慮深部調剖機理的調剖劑用量計算方法。從而為滿足不同油藏條件的新型轉向劑的開發(fā)、改進及應用提供指導。

(4)準確、快捷的決策技術研究。根據深部液流轉向劑自身的特點及深部調剖機理，結合長期水驅油藏儲集層實際條件，研發(fā)與之相適應的準確、快捷的數值模擬及決策軟件，以使轉向劑獲得深部液流轉向的最佳效果。

(5)調剖相關配套工藝技術研究。針對厚油層、深井、超深井、高溫井、水平井、底水油藏、裂縫大孔道油藏、海上油藏等特殊條件下的調剖問題，在研究與之相適應的深部調剖劑的基礎上，加強調剖配套工藝技術研究，準確完整地將深部調剖劑送到預定區(qū)域。

(6)深部調剖技術將發(fā)展為一項常規(guī)的提高采收率的技術措施。一項工藝技術必須從油藏整體出發(fā)，與開發(fā)方式配套，以提高采收率為目標，才能獲得廣泛的、有工業(yè)性規(guī)模的應用。對調剖技術來說，必須進行對整體區(qū)塊、油藏的處理，與注水開發(fā)配套，形成調、驅、采一條龍的配套工藝技術和措施程序，形成工業(yè)化規(guī)模，這樣才能降低成本，最大限度提高原油采收率，實現經濟效益最大化。

7結束語

深部調剖等技術經過幾十年的發(fā)展，已形成了一系列適應不同油藏條件的控水穩(wěn)油、改善水驅開發(fā)效果的有效技術。但隨著油田進入高含水(特高含水)期，優(yōu)勢滲流通道不斷形成，油藏深部的非均質性不斷加劇，水驅效率低下，一些特殊油田(高溫、高鹽、深井油藏，海上油藏、厚油層、水平井開采油藏、裂縫大孔道油藏等)的高含水及水驅低效問題日益嚴重，使控水穩(wěn)油、改善水驅等技術面臨極大的挑戰(zhàn)。為適應這些高含水油藏改善水驅開發(fā)效果的要求，需進一步進行油藏工程研究，加強廉價、長效深部調剖(驅)劑及其機理研究，完善與之相適應的決策技術及相關配套工藝技術，為提高高含水油田后期開發(fā)效果提供可靠、有效的技術保障。