稠油熱采調堵體系研究進展綜述

趙修太，付敏杰，王增寶，董林燕，唐金玉

(中國石油大學，山東 青島 266580)

引 言

隨著常規油氣資源開發步入中后期，人們越來越多的將目光投向稠油、超稠油等非常規油藏。世界范圍內稠油資源極為豐富，且分布廣泛，幾乎各個產油國均有稠油油藏。據統計，目前全球稠油、超稠油及瀝青的可采儲量約為1000×108t，已大大超過了常規原油，發展潛力巨大［1］。針對稠油黏度的溫度敏感特性，目前逐漸形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驅、火燒油層、SAGD、電磁加熱等為主的熱力開采方式，而其中又以蒸汽吞吐和蒸汽驅應用最為廣泛。

中國的稠油油藏一般分布在由河流相或河流三角洲相沉積構成的疏松砂巖地層中，儲層膠結疏松，孔隙度大，滲透率高，非均質程度嚴重。遼河油田、勝利油田等多地的礦場實踐表明，在蒸汽吞吐(驅)幾個周期后，由于地層構造、儲層非均質性、不利的油汽流度比及蒸汽超覆等原因，致使產油層的吸汽剖面不均勻，汽竄、指進等現象嚴重，降低了波及系數，影響了稠油開采效果。因此，開展蒸汽熱采井調剖堵水技術的研究，對提高稠油油藏的采收率具有重要意義。

1 性能要求

根據中國稠油油藏的儲層物性參數和注蒸汽開采工藝，可用于稠油熱采井的調堵體系應具備以下特點:①較低的初始黏度，可注入性良好;②適宜的成膠時間且成膠時間可調，一般在8～50 h內為宜;③良好的耐溫性能，耐溫性大于200℃;④良好的配伍性能和耐鹽性能;⑤良好的封堵能力和長期穩定性，易解堵，對地層污染小;⑥原料來源廣，價格低廉，經濟可行。

2 常用耐高溫體系

目前，應用于稠油熱采井的堵劑體系種類繁多，分析其作用機理大體可分為:耐高溫聚合物凍膠類、固相顆粒類、泡沫類、乳化稠油及鹽沉析等。本文從各類堵劑的封堵機理入手，結合近年來的室內研究和現場應用情況，綜述了國內外稠油熱采井化學調堵體系的研究進展及發展趨勢。

2.1 聚合物凍膠調剖

目前國外在調剖堵水時應用最為廣泛的堵劑體系即為聚合物凍膠 。注入地層后，聚合物線性大分子鏈上的極性基團與有機基團(酚醛等)或多價金屬離子(Cr3+、Zr4+和Al3+等)反應生成空間網絡結構而喪失流動性。高強度凍膠在地層孔隙和喉道處依靠堵塞、捕集和吸附等作用機理，阻止蒸汽沿高滲透層的竄流，改善波及效果。

由于普通高分子聚合物在溫度高于90℃后降解嚴重，限制了其在熱采過程中的應用。目前，增強聚合物凍膠熱穩定性的方法主要包括:①對聚合物分子結構進行改性，引入磺化基團，增強聚合物本身的耐溫性能，常用功能單體［3］有AMPS(2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸)和AS(烯丙基磺酸鈉)等;②向體系中添加酚醛樹脂、密胺樹脂等熱穩定劑成分，通過交聯形成耐溫性能穩定的空間網狀結構，提高體系熱穩定性。

淀粉、木質素和栲膠都屬于生物型聚合物，經改性之后可應用于高溫油藏的調剖堵水;文獻［4］通過對落葉松栲膠進行降解磺化改性，并與醛類進行復配，得到的凝膠堵劑耐溫高達250℃，且耐鹽性能良好。文獻［5］制得的N－磺烷基丙烯酰胺共聚物，分子鏈上的羧基或單烯烴衍生物單體可與多價金屬離子交聯，形成的凍膠可用于200℃高溫和高礦化度條件。

趙芳［6］通過向HPAM/酚醛體系中加入耐溫性好的烷基聚氧乙烯醚和石油樹脂，使體系的耐溫性能提高至200℃，同時抗鹽性能達到2×104mg/L。張恩臣［7］研究的HPAM、甲醛、間苯二酚體系，在加入熱穩定劑后，耐溫達到200℃，在遼河油田蒸汽吞吐井的調剖封竄作業中表現良好。沈文敏［8］將聚合物凝膠與油溶性樹脂復配，2種體系之間發生相互交聯、溶融，最終形成類凝膠狀物，實驗表明體系在310℃條件下240 h封堵率大于85%，該體系在曙光油田取得良好現場效果。

2.2 固相顆粒型調剖

固相顆粒型堵劑由于價格低廉、封堵強度高、耐溫性好且作用有效期長等優點，在高溫封堵大孔道方面應用較早。在堵劑注入過程中，顆粒依據阻力最低原理，選擇性優先進入優勢通道，在大孔道中沉積，并在孔喉處架橋形成堵塞。

目前，油田現場使用的顆粒類堵劑種類繁多，大體可分為非體膨性顆粒(果殼、青石灰、樹皮等)、體膨性聚合物顆粒(聚乙烯醇等)和礦物類(黏土、膨潤土等)3種。

文獻［9］針對曙光油田杜84塊興隆臺超稠油油藏汽竄現象嚴重的問題，以一定粒徑的橡膠顆粒、樹皮粉、稻米皮為主要原料，添加一定量的無機物粉末和助劑，制得堵劑體系;實驗在280℃恒溫72 h，測得突破壓力大于10.0 MPa，封堵率高于97%;2011年現場作業12口井，見效10口井，累計增油2220 t。

劉傳武［10］等以粉煤灰做主劑，與有機交聯體系和固化劑復配，在河南油田BQ蒸汽驅區塊4個井組進行作業，封堵后連續注汽65 d無汽竄，取得良好效果。

由于顆粒類堵劑價格低，故可大劑量使用，但其中部分物質(如膨潤土)對地層的損害較為嚴重，尤其是水泥類堵劑，作業風險高。為此，國內外專家開展大量研究對現有體系配方進行改良。有機/無機復合體系綜合了凍膠類堵劑和顆粒型堵劑的優勢，以剛性好、耐熱、耐介質的無機物為內核(黏土、樹脂顆粒等)，在表面包覆一層柔性好、可交聯有機凍膠［11－13］;凍膠在地下發生交聯，對固體顆粒形成膠結，增加了顆粒型堵劑的封堵性能且堵而不死，降低了作業風險。目前，有機/無機復合體系主要有物理方式和化學方式2種復合方式。物理復合顆粒的粒徑一般較大，復合結構穩定性差;化學方式通過化學鍵復合，穩定性好。

王正東［14］研究的熱固性樹脂與無機物復合的凝膠體系，60℃成膠時間在8～59 h可調，高溫(330℃)能形成很好的網狀結構，封堵率為98%，且作用有效期長。涂偉霞［15］等用溶膠凝膠法由TEOS(正硅酸乙酯)制得SiO2納米粒子，然后用KH－570(3－丙基三甲氧基硅烷)對SiO2表面進行接枝改性處理，最后，通過分散聚合法聚合制得PAM/AA@SiO2有機/無機聚合復合微球，穩定性能良好。

2.3 泡沫調剖

泡沫類調堵劑是目前稠油熱采過程中應用較多、研究較熱的一種調剖方式。在調堵過程中，水外相的泡沫流動阻力較小，優先進入高滲透孔道，并在巖石孔隙表面附著，對后續注入流體產生附加的阻力系數;當泡沫運移到孔隙喉道處時，變形產生疊加的賈敏效應，以此調整吸汽剖面。同時，泡沫體系中的表面活性劑還能有效降低油水界面張力，對原油形成乳化，提高了洗油效率。

黃翔［16］等研究的PMJ泡沫凝膠體系，在55～190℃內均保持良好的發泡性能和穩泡能力，且壓力升高，泡沫穩定性增強，在多孔介質中動態條件下能保持良好的穩定系，滿足礦場要求。

為了防止因蒸汽冷卻和凝析導致泡沫消失，通常引入一些非凝析氣，以提供更穩定的泡沫。目前，引入非凝析氣主要有2種途徑:一是直接注入外來氣體，二是在溶液中添加化學藥劑，就地(在地層中)產生氣體。

宮俊峰等［17］針對勝利油田稠油油藏的特點研究的FCY高溫復合泡沫體系主要由含磺酸基的陰離子表面活性劑(主劑)、少量醇醚類非離子表面活性劑和短鏈陰離子型表面活性劑復配組成。實驗表明，體系在310℃條件下封堵效果良好，且采用伴N2注入的方式提高采收率效果最好。

對于自生氣泡沫體系，注入過程中依靠加入引發劑，在地層條件下產生 N2、CO2、NH3等［18－21］氣體，起到調剖作用。張影［22］等人利用 NH4Cl與NaNO2反應生成 N2并放出大量熱的原理，以0.02%CH3COOH(質量濃度)作為催化劑，優選AOS作為起泡劑，所得到的井下自生氣泡沫體系應用于遼河油田超稠油區塊，轉注后單井增油約21% ～30%，應用前景良好。

文獻 ［23］利用氨基甲酸銨在注蒸汽的高溫條件下可氣化產生NH3和CO2的特點，將其與QP－2復配應用于單家寺油田，共作業11井次，平均產油量由49.2 t/d升高至60.7 t/d，累計增油量達10632.5 t，作業效果明顯。

2.4 乳化稠油調剖

乳化稠油調堵體系也是目前應用較多的一種有效的選擇性堵水體系［24］，依靠在地層中形成高黏度的W/O型乳狀液，對大孔道形成封堵。其主要作用機理［25］包括:①高黏度的W/O乳狀液被切割成球狀，在孔隙喉道處架橋形成物理堵塞;②在大孔道巖石表面吸附，縮小水流通道，增大流動阻力;③在孔隙喉道處變形產生疊加的賈敏效應，降低后續注入流體的滲透率。

目前，W/O型稠油乳狀液的注入方式可分為3種:①在地面條件下將油包水乳化劑加入稠油中，在注入地層后，遇水形成高黏度的W/O型乳狀液;②使用轉向劑［26］，注入黏度較低的O/W型乳狀液，注入地層后轉向成為黏度較高的W/O型;③直接注入抗高溫W/O型乳化劑，在地層中遇稠油形成高黏乳狀液。

閆長生等［27］發明的抗高溫油包水乳化劑，主要包括HLB＜6的陰離子型、陽離子型、非離子型或復合型表面活性劑。在現場應用時，可隨蒸汽同時注入或注汽前注入，就地形成高黏度的W/O型乳狀液，抗溫性能在200℃以上，而且對油層無污染。

2.5 鹽沉析調剖

鹽析是指向飽和電解質(如氯化鈉等)水溶液中加入非電解質(如乙醇等)，降低溶液中電解質的溶解度，使部分電解質從溶液中析出并形成固體沉淀的現象［28］。國外于20世紀90年代就對醇誘導鹽沉析體系進行了大量研究［29－31］，匈牙利及美國等幾個國家也進行了礦場實驗［32］，取得了一定成果。

在鹽沉析調剖過程中，誘導劑是作業成功的關鍵。目前常用的誘導劑有醇類、胺類和酸類等。一般認為相同條件下，醇的誘導能力最高，胺次之，酸最差。同時，溫度、壓力等因素也會影響鹽的沉析率。

文獻［33］對NaCl和Na2SiO3在不同溫度、時間和段塞長度下的沉析率進行了考察，發現2種鹽在某一溫度時(NaCl為300～400℃，Na2SiO3約為120℃)封堵率分別達到最高峰，2種調堵劑的封堵效果較好，可用于稠油熱采方案。

3 發展趨勢

(1)隨著稠油油藏蒸汽吞吐(蒸汽驅)輪次的增加，地層非均質性越來越嚴重，環境越來越復雜，開發成本低、耐溫性更好的化學劑(耐高溫聚合物、耐高溫表面活性劑等)成為稠油開發的關鍵。

(2)針對單一調堵體系作用時間短、作用效果有限的缺點，應加強機理探究，發展復合調堵體系，充分發揮各體系間的協同作用。其中，有機/無機復合體系、自生氣泡沫凝膠體系等將成為未來研究的熱點。

(3)隨著環保意識的增強，地層傷害小的調堵體系將越來越受到人們的重視，主要包括環保型乳狀液體系、新型鹽沉析調剖技術以及微生物調驅技術等。

總而言之，稠油資源是未來油氣資源開發的重點，針對稠油熱采井的調剖堵水技術開始迅速發展并得以迅速推廣，新型調堵體系正朝著成本低、耐溫好、作業簡單、綠色環保等方向發展。

［1］宋向華，蒲春生，肖曾利，等.稠油熱/化學采油技術概述［J］. 特種油氣藏，2004，11(1):1.

［2］周林然，魯淵，伊向藝.聚合物凍膠堵劑在油田堵水中的應用［J］. 內蒙古石油化工，2005，15(10):82.

［3］苑光宇，侯吉瑞，羅煥，等.耐溫抗鹽調堵劑研究與應用進展［J］. 油田化學，2012，29(2):252.

［4］李曉軍，齊寧，張琪，等.改性栲膠高溫堵劑的性能評價［J］.油田化學，2007，24(2):132－134.

［5］王小泉，馬寶岐.調整蒸汽注入剖面用的高溫堵劑［J］.油田化學，1991，8(1):76 －77.

［6］趙芳.稠油油井熱采專用調剖劑:中國，CN101423753A［P］.2009－05－06.

［7］張恩臣.高溫凝膠調剖劑的研制及應用［J］.鉆采工藝，2011，34(5):108.

［8］沈文敏.超稠油水平井高溫調剖技術［J］.斷塊油氣田，2009，16(5):107 －108.

［9］郝建玉.超稠油高溫調剖封竄技術［J］.當代化工，2012，41(7):713.

［10］劉傳武，王曉東，程紅曉，等.選擇性調剖封竄技術在稠油熱采井上的應用［J］.長江大學學報:自然科學版，2007，4(2):226 －227.

［11］Li M，Daniels E S，Dimonie V，et al.Preparation of polyurethane/acrylic hybrid nanoparticles via a miniemulsion polymerization process［J］.Macromolecules，2005，38(10):4183－4192.

［12］Tiarks T，Landfester K，Antonietti M.Silica nanoparticles as surfactants and fillers for latexes made by miniemulsion polymerization［J］.Langmuir，2001，17(19):5775－5780.

［13］Caruso F，Spasova M，Maceira V S.Nanoengineering of particle surfaces［J］.Adv.Mater.，2001，13(1):11 －12.

［14］王正東.超稠油油藏深部封竄調剖技術的研究［J］.石油化工高等學校學報，2006，19(4):66.

［15］涂偉霞，王崇剛.新型孔喉尺寸無機－有機聚合物復合微球調剖驅油劑研制［J］.中國海上油氣，2011，23(4):243－244.

［16］黃翔，張鳳麗.稠油油藏高溫泡沫調剖體系室內研究實驗［J］. 西南石油大學學報，2007，29(5):117.

［17］龔俊峰，曹嫣鑌，唐培忠，等.高溫復合泡沫體系提高勝利油田稠油熱采開發效果［J］.石油勘探與開發，2006，3(2):213 －214.

［18］韓樹柏，汪小平，趙修太，等.自生氣耐溫凍膠泡沫調驅體系研制與性能評價［J］.油氣地質與采收率，2011，18(1):35.

［19］宋海燕.自生氣輔助蒸汽吞吐技術［J］.內蒙古石油化工，2009，19(17):106.

［20］姚凱，王史文，孫明磊，等.井下自生氣復合泡沫技術在稠油熱采中的研究與應用［J］.特種油氣藏，2002，9(1):61.

［21］蒲春生，石道涵，秦國偉，等.高溫自生氣泡沫室內實驗研究［J］. 特種油氣藏，2010，17(3):91.

［22］張影，馬海禹，聞守斌，等.井下自生泡沫輔助蒸汽吞吐開采稠油研究［J］.科學技術與工程，2012，12(14):3456－3458.

［23］牛淑芳.注蒸汽氣化氮碳泡沫封堵汽竄技術及應用［J］. 油氣地質與采收率，2005，12(1):78.

［24］紀朝鳳，葛紅江.調剖堵水材料研究現狀與發展趨勢［J］. 石油鉆采工藝，2002，24(1):56.

［25］高玉軍，馬春寶，傅奎仕，等.高選擇性乳化稠油堵水技術［J］. 油田化學，1997，14(3):224.

［26］范維玉，陳樹坤，南國枝，等.稠油乳狀液轉向調剖堵水:中國，CN1395024A［P］.2003－02－05.

［27］閆長生，高玉軍.稠油蒸汽吞吐井乳化法調剖堵水方法:中國，CN101924979A［P］.2010－09－08.

［28］龔蔚，曹建.鹽沉析深部調剖體系研究［J］.油田化學，2009，26(2):148 －150.

［29］Zhu T，Raible C.Improves sweep efficiency by alcoholinduced salt precipitation［C］.SPE27777，1994:1 －2.

［30］Zhu T，Tiab D.Improved sweep efficiency by selective plugging of highly watered out zones by alcohol induced precipitation［J］.J Canad Pet Technol，1993，32(9):37－43.

［31］Shu Zhengying，Roegiers J C.Modeling of profile modification by induced precipitation［C］.SPE50754，1999:1.

［32］Barkman J H，Davidson D H.A new method of indepth profile modification for high－temperature and high－ salinity reservoir［C］.SPE88468，2004:1.

［33］曲占慶，吳婷，王麗，等.稠油火驅調剖暫堵機理實驗研究［J］.內蒙古石油化工，2011，21(22):155－156.