油田深部調剖技術及其應用研究進展*

王 翔，郭繼香，陳金梅

（中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京 102249）

調剖堵水技術在我國已發展了近70年，油田現場應用的化學劑由油井近井堵水發展為注水井深部調剖，油田的目標導向也逐漸由近井物理屏蔽發展為深部區塊綜合治理。21世紀以來，經過多年的水驅，油藏儲層的非均質性逐漸加劇，流體流度的差異性也逐漸增大，導致地層中形成高滲層、大孔道，水流優勢通道明顯，注水井注水后竄流、繞流問題突出，無法有效啟動中低滲層的剩余油，導致油田產量降低，采出液含水率大大升高。目前，不論從施工工藝還是經濟有效性來說，常規調堵技術的缺點都尤為突出，油田現場越來越多的技術難題推動著深部調剖技術不斷發展。

1 深部調剖技術研究現狀

深部調剖技術的理念來源于困擾現場多年的近井堵塞難題，將“調”和“剖”融為一體，在地層深處作用，因此也叫深部液流轉向技術。一般來講，深部調剖技術的作用半徑是普通調剖技術的2倍以上，其調剖有效率也更高，針對不同的儲層情況處理的范圍也不盡相同，對于高含水的區塊可達井距的1/3 左右，而在注水井裂縫較大區塊一般在井距的1/2 以上［1］，但并非越深越好，由慶等發現在單位體積用劑進入深度為井距的3/10 時會出現采收率峰值［2］。深部調剖技術主要通過運用化學調剖劑來調節儲層深部縱向和橫向的矛盾，不僅能使水由高吸水量的高滲層向低吸水量的中低滲層間流動，以此來擴大波及系數，驅替因物理性質差異而形成的未波及未動用剩余油；而且也可在封堵兩端壓差的情況下向深部運移，使注入水在油層深處不斷延伸，通過一整套動態過程有效提高油田采收率。與深部調剖技術相比，深部調驅技術的化學用劑更為復雜，雖兼具注入水增黏、原油減阻、油水混相和高滲透層堵塞等綜合作用，但施工成本也會大大增加，更易受地層多重因素影響。

1.1 凝膠型深部調剖技術

從80年代伊始，以HPAM為主劑的交聯水凝膠在近些年的油田調剖堵水中發揮了重要的作用。油田現場常用的凝膠型深部調剖體系主要包括:弱凝膠調剖體系、膠態分散體系和預交聯凝膠顆粒調剖體系。

1.1.1 弱凝膠調剖體系

弱凝膠是一種由聚合物分子間相互交聯形成三維網狀結構的凝膠體系，聚合物主要包括陰離子型聚丙烯酰胺、黃原膠和甲基纖維素等，而交聯劑主要有Cr3+、復合有機檸檬酸鋁交聯劑和有機酚醛等。由于弱凝膠體系成膠時間長且成膠強度小，調驅液在注入目的地前具有良好的可泵性，通過后續注入水的壓力在孔道中可通過“暫堵-突破-再暫堵-再突破”的動態過程緩慢運移，發揮既“調”又“驅”的作用，實現油藏深部調剖［3］。現場配制弱凝膠注入液所用主劑和交聯劑濃度低，在油田大規模實際應用時經濟可行，但該體系存在交聯時間快、地層成膠效果差和溫度適應性不強等問題。

弱凝膠調剖技術最早在勝利油田得到了現場應用，隨后在遼河油田、長慶油田和渤海油田等地的礦場試驗也都取得了顯著的效果。2010年，針對遼河油田油藏層間與層內的矛盾，在油田現場實施了弱凝膠調驅與注采井網綜合調整等配套工藝組合技術，油藏水驅開發效果良好，油井含水下降了5%，措施期間累計增油8.6×104t［4］。2011年，高春寧等［5］在HC油田H2區的6個井組開展了弱凝膠調驅先導試驗，儲層的吸水厚度和動用程度都略有提升，見效井達20 口，累積增油為3447 t，有效改善了儲層高含水環境。Pan 等［6］從2013 年開始，在渤海油田的勃南油田開展先導試驗，2013 年至2016 年間，周邊9口生產井累增油達15.8×104m3。

1.1.2 膠態分散凝膠調剖體系

20世紀90年代，美國的TIORCO公司將膠態分散凝膠（Colloidal Dispersion Gel，CDG）技術應用于油田調剖，隨后CDG 技術進入快速發展時期。CDG 體系是由聚合物分子內部交聯形成直徑一般在0.2數0.6 μm 之間的柔性膠體粒子的體系，在施工時用水作為分散介質注入地層，在地層環境下發生形變堵塞深部巖石縫道孔喉，從而使深部水在橫、縱向延伸，提高原油采收率［7］。該體系用量少、成本低、自身粒徑小，可進入地層深部，但對于該體系的深部調剖能力，因地層情況多變、注入時損失嚴重，在高溫高鹽油藏下耐受能力不夠，制約其進一步的發展。

在20世紀90年代中后期，國內如中國科學院、中國石油勘探院等多家科研院所對其展開了深入的研究，大慶、勝利孤東、華北和中原馬寨等各大油田也陸續開展了先導試驗。Chang 等［8］在1995數2003 年在大慶油田進行了首次大規模CDG 技術中試，中試結果表明:CDG 技術可以有效調節滲透率變化，提高體積波及系數，在中心采區的應用使得原油采收率達到10.5%。魏翠華等［9］針對勝坨油田高溫高鹽的油藏條件，采用聚合物KYPAM+交聯劑Cr3+膠態分散凝膠驅油體系，以CDG 數值模擬軟件FAPMS 優化注入方案，采用三段塞注入，提高原油采收率7.1%，增產油量11.4×104t。張還恩［10］在2005年采用低濃度三元共聚物和復合有機交聯劑制備了耐溫90℃、耐鹽2×105mg/L（其中Ca2+、Mg2+含量5000 mg/L）的CDG 體系，在中原油田W 井組先導試驗區采用三段塞注入開展CDG試驗，調驅后井組平均日增油7 t，采出液含水率平均下降了3%，評價期內持續增油800 t 以上，采收率可提高8.2%。國外如美國、加拿大和南美的諸多國家也廣泛應用CDG技術，Diaz報道了在阿根廷的Loma Alta Sur［11］油田LAS-58 區塊開展CDG 化學劑與配套工藝技術，從2005 年11 月到2007 年10 月間，原油累計生產21194 t，增油效果明顯。

1.1.3 預交聯凝膠顆粒調剖體系

預交聯體膨顆粒（PPG）是一類由聚合物先交聯后顆粒化形成的吸水樹脂顆粒，具有良好的吸水膨脹性能，因此也叫水膨體。PPG通常用于對強非均質地層進行調剖堵水［11］，對油水具有選擇性，在孔道移動時顆粒吸水膨脹，膨脹體積可達自身幾倍到幾十倍，且吸水后的彈性體具有良好的保水效果，但遇油則基本無變化；PPG在地層環境及地層水的剪切作用下可彈性變形，進入深部儲層，從而實現深部動態調剖的目的。PPG 調剖體系存在顆粒吸水膨脹速率過快而導致的注入壓力高、深部運移能力差以及不耐沖刷等問題，不宜在高溫油藏中使用。

PPG 調剖體系自1997 年由中石油勘探院提出后，先后在國內的大慶興北［12］、中原文南［13］、勝利及長慶［14］等油田得到廣泛的應用，但因后期單獨使用PPG的礦場作用效果下降，因此又逐漸結合礦場條件綜合采用“PPG+弱凝膠”等復合調驅技術［15-16］和支化改性技術［17］段塞注入，用以增強PPG的處理效果，穩定增油控水。

1.2 凍膠型深部調剖技術

凍膠對于油田注水井調剖及油井堵水的發展意義重大，凍膠體系為凝膠體系的一種，其含液量高（通常為體積分數的90%以上），強度也更大，受準靜態應力作用時顯示彈塑性體性質，在彈性極限內受交變應力作用時顯示黏彈性體性質。其轉變方式可由化學鍵或物理鍵交聯成膠，且多為地下交聯，在國內外現場都有較多應用。

1.2.1 聚合物凍膠調剖體系

聚合物凍膠調剖體系一般是由分子鏈中含有活性羧基、酰胺基等基團的水溶性聚合物高分子與交聯劑鋁合物、鉻合物、鈦合物、鋯合物等高價金屬離子或低分子醛類組成。在地層孔縫流動過程中隨著溫度的升高，交聯劑緩慢釋放，主劑聚合物交聯聚合，將大量水包裹在網格結構中形成具有復雜立體網絡結構的彈性凍膠。在形成物理堵塞的過程中，會降低高滲透區域的滲透率，使儲層的非均質性得以改善，同時注入的體系也會保留一定的巖石吸附與雜質捕集作用，從而增大殘余阻力，有效增強調剖效果。凍膠體系的黏彈性好、成本也較低、操作便捷，但在耐溫抗鹽方面還需有所提升。出于深部調剖的需要，配方上要有效控制成膠時間與成膠強度之間的關系及儲層條件的耐受能力，以段塞工藝提升遠井調剖能力。

自20世紀七八十年代以來，凍膠調剖劑在國內蓬勃發展，東部以大慶、勝利［18-19］為代表的大型油田及中西部的中原、克拉瑪依油田等基本都進行了從淺調到深調的礦場試驗，作用效果顯著。國外如科威特的WFR 油田［20］、美國堪薩斯州中部的Arbuckle 油田［21］的現場應用減水增油效果明顯；哈薩克斯坦Kenkiyak 油田鹽上油藏［22］在現場試驗結束后對比發現調剖前后的投入產出比可達1∶2.2，經濟回報良好。

1.2.2 熱致可逆凍膠調剖體系

1967 年Scarpa 首次發現了聚N-異丙基丙烯酰胺（PINPAM）的溫度刺激響應特性，隨后在1978 年Tanaka合成了溫敏性水凝膠，自此推進了環境刺激響應凝膠的發展。在石油提高采收率方面，熱致可逆凍膠調剖劑一般是由疏水締合聚合物（改性聚丙烯酰胺或纖維素醚等）溶液和顆粒型、聚合物微球型調剖劑組成的復合凍膠體系，因疏水締合聚合物的熱致可逆性，在一定溫度下（低臨界溫度）分子鏈收縮締合，纏繞成立體空間結構，可用于深層調剖，阻止水竄流作用明顯，但其耐受性不好，因此體系的復合使用可提高調剖劑對孔道封堵的作用，增強其耐沖刷等性能。國外較先研究出熱可逆調堵體系［23］，并于20 世紀90 年代在West Siberia 等油田使用，有效提高了原油采收率；國內如長慶油田的南北杰等［24］在2008 年基于室內實驗研究將復合深部調剖體系應用于靖安油田現場12口注水井，日產油增加14.36 t，而含水率降低7.7%，有效解決了水驅效果差、產能損失嚴重等問題；2010年，李伶東等［25］采用多復合體系在安塞油田長6油藏多個區塊實施“大劑量-小排量-低壓力-多段塞”的工藝措施，增油減水效果顯著，對油藏穩產起到積極作用。

1.3 顆粒型深部調剖技術

顆粒類堵劑已在油田調堵作業中應用多年，從最開始的剛性體水泥、沉淀顆粒到近些年的柔性體聚合物微球，它的存在為油田調堵作業的順利實施提供了保障。顆粒類堵劑成本低、封堵的強度及穩定性高，同時耐溫耐鹽耐剪切，在調剖堵水技術中占有重要一席［26］。施工過程中的注入壓力問題及地層孔喉和顆粒粒徑之間的配伍性問題，對于顆粒類堵劑在油田中的應用極為關鍵。

1.3.1 沉淀顆粒調剖體系

沉淀顆粒調剖體系在國內的應用較早，其主要是通過注入流體在孔道中反應形成顆粒狀沉淀封堵地層，按施工方式可分為單液法和雙液法兩類［27］。單液法存在反應物一接觸就沉淀的問題，為防止沉淀過早產生使得注入壓力過大，需采用緩沉劑來抑制反應的過早發生［28］；而雙液法通常是以化學劑A-隔離液-化學劑B 的方式分段塞注入后在地層條件下反應形成沉淀顆粒，從而對高滲層產生機械堵塞，通常用隔離液來防止反應的過早發生。常用的體系主要是水玻璃與FeSO4/CaCl2/MgCl2/HCl的硅酸鹽沉淀體系和在飽和電解質溶液（NaCl、MgCl2等）中加入非電解質（乙醇等）從而致使溶液中電解質的溶解度降低，部分電解質以鹽沉析的形式析出，形成固體沉淀。但是沉淀顆粒調剖體系存在定位封堵性差、成膠韌性不足而只能進行籠統封堵的缺點［29］。

在20 世紀80 年代，趙福麟［30］對沉淀顆粒堵劑作出了系統性分析，并在隨后的20 年內，將雙液法在勝坨、埕東油田［31］和大港油田［32］進行了多次礦場試驗，油井增油成效顯著。除此之外，大慶油田、冀東油田和塔河油田對硅酸鹽化學堵水技術進行了礦場試驗，結果表明硅酸鹽沉淀顆粒耐溫、耐沖刷且封堵率高，現場作用良好［29］。

1.3.2 柔性覆膜顆粒調剖體系

考慮到無機剛性顆粒對整個儲層的傷害，李子豪［33］提出了一種功能型橋堵顆粒體系，該體系將一級剛性封堵材料和次一級軟化材料相結合，使得剛性顆粒表面覆上一層致密的熱溶脹樹脂膜，該覆膜顆粒在地層竄流通道內通過“架橋-軟化黏結-溶脹”形成穩定的橋堵［34］，并在外界的壓實作用下形成致密的堆積塊，從而有效地阻止地層水的侵入。由于覆膜顆粒的樹脂膜在注入地層的過程中易脫落，致使顆粒無法發揮黏結和溶脹的作用，孟祥海等［35］又提出了雙層覆膜顆粒，內層為熱溶脹交聯樹脂膜，外層為剛性樹脂保護膜，有效避免了因內膜脫落而導致的封堵率下降的問題，對于滲透率介于9000×10-3數15000×10-3μm2巖心的封堵率大于90%，實現了深源調堵作用。該體系在現場應用不多，2017年李雪嬌等［36］在塔河油田4區西部A42井采取段塞工藝調剖措施，相應油井有效見油減水，預期的應用效果明顯。

1.3.3 聚合物微球調剖體系

聚合物微球是由聚合物單體交聯、并在一系列添加劑作用下合成的微納米級彈性聚合物凝膠球體［37］。其作用機理在于:柔性聚合物微球由流體介質首先注入大孔道地層，并在地層孔隙間以填充或架橋的形式封堵，使地層水轉向低滲層；在地層環境的條件下，聚合物凝膠球體發生彈性形變并在壓力差的推動下向深油層移動，發生邊移動邊變形又邊封堵的動態過程，在運移過程中不斷改變油層中流體的方向，從而有效增大油藏深部油層的波及體積，提高采收率；在改變深水流向的同時微球表面的活性親油基團會與周邊巖石發生物理吸附作用，運移時攜帶剩余原油。該體系非常符合深部調剖的注入要求，且耐鹽也較耐剪切，但高溫下易破碎。

近些年，聚合物微球調驅技術在國內的長慶、新疆、吉林和中原等油田開展了礦場先導試驗，實施效果良好。其中安塞油田在2016數2018 年陸續試驗井404 口，評價期間增產4.43×104t，累降水9.81×104m3，起到了良好的調驅效果。

1.4 泡沫型深部調剖技術

泡沫型深部調剖體系根據組成的不同可分為多相泡沫和凍膠泡沫調剖體系。多相泡沫調剖體系是由氣、液、固三相及少量添加劑構成，主要通過三相泡沫在地層巖石孔喉運移時產生的賈敏效應封堵高滲透層，從而提高中低滲層的水驅效率。凍膠泡沫調剖體系是由液相、氣相與輔助藥劑組成，液相是指聚合物交聯溶液（通常會加入一些表面活性劑），氣相指N2、CO2等，輔助藥劑包括起泡劑、穩泡劑等，注入時溶液優先進入高滲層并通過外輸氣體發泡形成凍膠泡沫，從而達到調剖的目的。

早在20 世紀60 年代，我國就已經開始泡沫調剖技術的研究，并先后在東西部的多個主力油田進行了多次礦場試驗，現場經驗得到了一定的積累。近些年來泡沫深部調剖技術在國內外稠油油藏均有應用，在秦皇島32-6 油田［38］5 個注采井組實施氮氣泡沫調驅措施，調驅后注水井井口壓力明顯上升，含水率下降幅度2%數8%，含水上升勢頭得到了有效控制，5 個井組累計增油4.5×104m3；哈薩克斯坦KMK 油田［39］現場應用82 井次，增產原油3.88萬噸，取得顯著效果；勝利油田的單56 超稠油藏［40］在措施后，氮氣的注入壓力由5.3 MPa 增加到6.3 MPa，含水率由91.5%下降到81.3%，日產油由32.7 t上升到60.7 t，有效期198 d，措施增油2562 t。

1.5 微生物深部調剖技術

1926年，美國科學家Beckman首先研究了微生物在采油中的應用，隨后經過90 多年的發展，微生物深部調剖技術已成為國內外油田經濟適用的提高采收率技術。微生物深部調驅一方面依靠生物菌種及其營養液在油藏地層大孔道中聚集黏結，代謝產物［41］發揮生物化學作用，使巖石油膜剝離、潤濕性改變；另一方面，微生物擴張的生長代謝物質也兼具驅油效果，可以有效降低原油黏度，提高原油采收率。該體系適合于高含水率、低礦化度和低溫油藏，但菌種的選擇性和適應性一直是微生物驅油技術的難題。

早在70年代國外如北美、中東和北亞等國家陸續將微生物應用于礦場；而國內則在90年代后才開始加快了微生物驅油技術的發展步伐。近些年，我國的東部大慶、勝利、遼河和華北的大港、冀東以及西北新疆、塔里木等各大油田均開展了微生物在油田中的應用試驗［42］，共試井約2000 次；其中大慶油田截至2012年底［43］，利用微生物驅油技術累計增油1.2×105t，單井微生物吞吐518 口，取得了良好的效果。國外如美國俄克拉荷馬州佩恩縣油田、秘魯西北部塔拉拉海上油田及北海油田也均有區域性試驗實施，效果顯著［44］。

1.6 其他深部調剖技術

在如今環境友好的社會中，如何正確處理油田開發過程中的廢棄物料是世界各國均亟待解決的問題。近年來國內現場人員考慮到廢棄物料的處理費用及油田開發的現狀，相繼開發出含油污泥調剖體系、廢舊鉆井液調剖體系和植物油脂/油腳調剖體系，為低成本廢棄物的再利用打下了根基。

1.6.1 含油污泥調剖體系

含油污泥是指在油藏開發過程中產生的大量油泥固體廢棄物，其是以油泥泥漿為主的混合物，含有許多的有害化學物質。將含油污泥與調剖相結合是廢物的再創造過程，其具有的優勢是:（1）耐溫抗鹽耐剪切，本身來源于地層，不傷害儲層；（2）節省處理費用，保護環境，響應國家要求。含油污泥調剖體系是使用各種添加劑在地面上先配制乳化懸浮液，隨后將懸浮液注入目標地層，在地層的剪切作用下乳化體系逐漸不穩定，釋放出的油泥經相互吸附后聚結成團而對孔道造成封堵。該體系的抗溫抗鹽抗剪切能力良好且費用低，對于注水井的啟動壓力要求不高［45］。從2015 年至今，該技術在遼河、青海、玉門油田的油藏現場試驗96 井次，累計利用油泥25.25×104t，階段增油24479 t，節約油泥處理費用1.5×108元，取得了較高的社會經濟效益，且其配套施工工藝也在逐漸地完善，今后還需大力發展。

1.6.2 廢舊鉆井液調剖體系

廢舊鉆井液含有大量的油類、黏土、化學試劑和重金屬類有毒有害物質，若將其物質直接排放，對整個生態系統會造成巨大的傷害。因此，國內各大油田從自身需求出發，以降低調剖成本和減少環境污染為目的，開發出廢舊鉆井液調剖體系。廢舊鉆井液調剖體系是通過在廢棄泥漿中加入添加劑，使顆粒均勻分散。廢舊鉆井液調剖體系注入地層后先與巖石發生吸附作用，而后在添加劑的作用下形成固化聚集體，聚集體沉降于大孔道中對其進行封堵，以此來提高后續注入水的波及體積［46］。2009年，曹亞明等［47］對冀東油田高淺北的2 口注水井進行了廢棄鉆井液調剖體系的現場試驗，其中4 口對應油井明顯見效，共增油362 t。卓龍成等［48］于2016數2017年，在蘇北盆地ZC油田采用廢棄鉆井液調剖體系對4口井進行了試驗，累計注入液達10487 m3，共增產原油358.23 t，節約處理費419萬，效益顯著。

1.6.3 植物油脂/油腳調剖體系

油腳是指油脂精煉過程中水化脫膠的副產品，主要包括脂肪酸以及脂肪酸甘油酯等天然化合物，天然油脂及其副產物具有生物可降解、污染小、可再生和來源廣等諸多優點，在油田調剖堵水中使用可避免對儲層造成永久性的傷害，為油田調剖堵水劑的研究提供了新的想法。植物油腳調剖體系的調堵方法［49］為:（1）利用油腳與酸混合制備油腳交內酯化聚合物，以稠化的聚交內酯對地層孔隙進行封堵，該體系因使用強酸，只適合在低溫下使用；（2）利用油腳中脂肪酸的羧基與高濃度高價Ca2+、Mg2+金屬離子配位絡合聚集析出或絮凝，以析出或絮凝的顆粒來封堵地層，該體系適合于溫度低于150℃的油藏環境；（3）利用油腳與硫磺在地上或者地下反應制得硫磺交聯的油腳橡膠對地層大孔道進行封堵，該體系適合在高溫油藏環境使用。對于植物油腳磺化橡膠體系，目前還處于室內模擬試驗階段，缺乏現場試驗，但提出的低成本物質再利用思路具有繼續研究的價值。

2 深部調剖配套工藝技術

目前，通過對國內各大油田油藏特點的研究，總結出以下深部調剖配套工藝技術［50］:（1）高含水油藏地震描述技術，是通過對密集井網間地震資料的分析與研究推斷出井間儲集層的具體分布；（2）油田調堵劑封堵大孔道數值模擬技術，是利用多學科交叉協作如測井參數法、井口壓降曲線檢測技術、井間示蹤技術和模糊綜合評判法等開展大孔道識別研究；（3）示蹤數值模擬解釋技術，是通過示蹤劑的跟蹤判斷注入流體情況，解釋儲層參數；（4）施工工藝設計技術，是通過對深部調剖劑注入方案的優選達到預期的施工目的；（5）油井、注水井施工工藝配套技術，如今一般是通過控制地面智能泵注系統實現，其自動化程度高，全天候連續注入，可實現大劑量深部調剖需求，有效降低施工成本。

3 深部調剖技術發展趨勢

近幾十年來油田的不斷開發，導致現有油藏特征發生了巨大的轉變，隨著邊、底水的侵擾，油藏高含水的問題逐漸加劇，深部調剖技術吸引了越來越多研究人員的目光。今后的發展趨勢包括:

（1）低成本、多功能與長效油田用劑的研發。油田化學的宗旨在于立足于現場，服務于現場，成本、作用效果和適應的油藏環境都是油田現場用劑的直接要求；因此材料科學的發展，勢必也會帶動油田化學的發展。

（2）相關配套技術及數值模擬優化軟件的研發。目前應針對不同地區油藏特征，有目的性地研究相關技術及其配套工藝；同時結合現場試驗數據及經驗，研發對應模擬軟件，以達到對油藏儲層更為深刻的認識，使深部調剖技術在現場的應用達到最佳效果。

（3）基于現有技術的精細化與協同化運用。油藏環境復雜，針對不同地質條件的油藏不能一概而論，應著手于不同儲集層的特點“對癥下藥”，有效解決油藏深層問題，達到化學調剖的精準應用；單一類型技術的作用效果受多重因素的影響，無法同時解決儲層橫、縱向的問題，而復合深部調剖技術則從現有技術特點、施工工藝和配套設施出發，經過多角度考慮、多方面思考的協同化運作，最終達到“注得進，堵得住，堵得準”的效果。

4 結語

目前我國油藏的實際情況趨于復雜化，儲集層的變化加大了施工的難度，也提高了對油田化學劑的要求。從東部主力油田到西部油田，從高溫高礦化度到低滲透、深井等特殊油藏，地層深部的非均質矛盾逐漸加劇，給現場水驅開發的效果帶來了巨大的挑戰，深部調剖勢在必行。對于深部調剖技術的總結與討論則是為我國油田后期開發奠定了基礎，具有長遠的戰略意義。