顆粒類調(diào)剖堵水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

趙修太　陳澤華　陳文雪　馬漢卿　翟東啟　任增雷（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島　266580）

顆粒類調(diào)剖堵水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

趙修太陳澤華陳文雪馬漢卿翟東啟任增雷
（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

綜述了無機(jī)顆粒、體膨顆粒和聚合物微球等顆粒類調(diào)堵劑的研究進(jìn)展，包括堵劑配方、顆粒與地層孔喉匹配性的研究進(jìn)展，剖析了研究與應(yīng)用中存在的問題：無機(jī)顆粒不耐沖刷，有效期短；水膨體膨脹倍數(shù)高、膨脹速度快、強(qiáng)度和穩(wěn)定性低，難與地層匹配；顆粒與地層孔喉匹配性的研究不能充分考慮諸多影響因素如顆粒類型和性質(zhì)、顆粒級(jí)配、顆粒濃度和注入速度、地層非均質(zhì)性等；且缺少充分考慮上述影響因素的理論模型。在此基礎(chǔ)上，給出了顆粒類堵劑的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)：無機(jī)顆粒應(yīng)復(fù)合其他材料使用；體膨顆粒的使用應(yīng)根據(jù)需要引入橡膠、塑料、陽離子材料及耐溫耐鹽單體，且其粒徑范圍需要拓寬；顆粒與地層孔喉的匹配關(guān)系需要充分考慮多種影響因素，同時(shí)需要建立考慮多種影響因素和實(shí)際情況的理論模型；物理模擬也需要更切合滲流和地質(zhì)條件。

顆粒類堵劑；無機(jī)顆粒；水膨體；聚合物微球；地層孔喉；匹配性

由于油藏自身的非均質(zhì)性以及開發(fā)因素的影響，我國(guó)各油田普遍存在注入流體波及系數(shù)較低的問題。例如大慶、勝利等注水開發(fā)油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期，大量的注入水沿著高滲透層竄流，而低滲透層很少被波及到，大大降低了注入水的利用率。大量產(chǎn)出水的處理費(fèi)用高昂，也加重了油田的負(fù)擔(dān)。針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了大量的調(diào)剖堵水作業(yè)，取得了一定效果，但也存在較多問題。調(diào)剖堵水劑可分為凍膠類調(diào)堵劑、顆粒類調(diào)堵劑、沉淀類調(diào)堵劑、泡沫類調(diào)堵劑、乳化稠油類調(diào)堵劑等。顆粒類堵劑作為一大類堵劑在油田調(diào)堵作業(yè)中占有重要地位，這類調(diào)堵劑在地面條件下已經(jīng)是成品，無需在地層條件下反應(yīng)或者交聯(lián)，這就避免了很多地層因素的不利影響，而且很多顆粒類堵劑穩(wěn)定性強(qiáng)、封堵強(qiáng)度高、耐溫耐鹽耐剪切、材料來源廣、價(jià)格低，因此在很多方面相比其他堵劑有很大優(yōu)勢(shì)。但顆粒類堵劑的應(yīng)用也受到一定限制，主要原因是顆粒與地層孔喉的配伍性難以控制、地層污染、難以到達(dá)地層深部等。因此需要加強(qiáng)研究解決以上問題，以擴(kuò)大顆粒類調(diào)堵劑的應(yīng)用。筆者在調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了顆粒類堵劑的研究進(jìn)展，對(duì)存在的問題進(jìn)行了分析，以期對(duì)顆粒類堵劑的應(yīng)用提供借鑒。

1　顆粒類調(diào)堵體系研究現(xiàn)狀

1.1無機(jī)顆粒類調(diào)堵劑

最早得到應(yīng)用的無機(jī)顆粒堵水劑是水泥類堵水劑。水泥類堵劑強(qiáng)度高，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是由于水泥的凝固較快，進(jìn)入油層深度很淺，且對(duì)非目的層污染嚴(yán)重，甚至?xí)颜麄€(gè)油層堵死，因此有很多針對(duì)水泥堵劑的改性研究。劉江華［1］等針對(duì)超細(xì)水泥水化、稠化速度快、經(jīng)時(shí)流變性差、成本高的問題，利用超細(xì)粉煤灰代替部分超細(xì)水泥，并輔以減阻分散劑、緩凝劑，大大改善了堵劑的流變性、注入性和穩(wěn)定性，而且耐壓強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)（>15 MPa）。

黏土顆粒調(diào)堵劑在無機(jī)顆粒堵劑中占有重要地位。該類堵劑價(jià)格便宜、來源廣、耐溫耐鹽性強(qiáng)，使用方便。寧廷偉［2］報(bào)道了勝利油田開發(fā)和應(yīng)用的黏土顆粒類堵劑，包括硅土膠泥調(diào)堵劑（黏土起填料作用）、陶土水泥漿調(diào)堵劑、混油泥漿堵水劑、膨潤(rùn)土榆樹皮粉調(diào)剖劑、濰坊鈉土單液法調(diào)剖劑。這類堵劑成本低、配制容易、施工簡(jiǎn)單，適合對(duì)高含水期的大孔道或裂縫進(jìn)行封堵。如利用濰坊鈉土單液法堵劑在勝坨油田進(jìn)行了三輪整體堵水，共使用膨潤(rùn)土420 t，使區(qū)塊整體含水率由92.5%下降并穩(wěn)定到90%，日產(chǎn)油量由24.4 t上升到40 t，采收率提高5%。但使用的陶土水泥漿和混油泥漿由于未充分考慮顆粒粒徑與孔道直徑之間的匹配關(guān)系，導(dǎo)致調(diào)剖有效期較短。趙福麟［3］等提出了黏土雙液法對(duì)大孔道進(jìn)行調(diào)剖的思路，用沉降分析法和X衍射法選取了密度低、顆粒小的濰坊鈉土作為調(diào)剖用土。封堵性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明黏土-聚合物雙液法和黏土-凍膠雙液法的封堵效果好于單液法，分析雙液法封堵機(jī)理包括：積累膜機(jī)理、絮凝機(jī)理、耦合機(jī)理和毛管力阻力機(jī)理。對(duì)埕東油田西區(qū)南塊高含水井進(jìn)行了濰坊鈣土雙液法封堵的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，兩個(gè)井組孔徑與黏土粒徑之比分別為5.2和8.4，黏土用量444 t，配成堵劑7 844 m3，對(duì)大孔道封堵后，試驗(yàn)區(qū)含水由91.7%下降到90.6%，日產(chǎn)油由262 t上升到340 t，累計(jì)增油23 443 t。李克華［4］等報(bào)道了鈣土堵劑的二次利用及其應(yīng)用，鈣土粒徑大、價(jià)格低，可以減少對(duì)中低滲透層的傷害，是大孔道的理想堵劑。同時(shí)，加入Na2CO3可以將鈣土轉(zhuǎn)化為鈉土，增加顆粒膨脹性和封堵效果。其開發(fā)的鈣土-聚丙烯酰胺-碳酸鈉復(fù)合堵劑，在墣城油田5口高含水井進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，累計(jì)增油1 032 t，降水3 944 t，平均注水壓力上升1.6 MPa。無機(jī)顆粒耐高溫，可以應(yīng)用到稠油熱采井對(duì)大孔道的封堵。羅躍［5］等使用G級(jí)油井水泥、膨潤(rùn)土、降濾失劑、緩凝劑和無機(jī)凝膠復(fù)合成一種高溫調(diào)剖劑，該調(diào)剖劑在受200 ℃高溫8 h后黏度依然很低，有利于泵注，同時(shí)該劑在高溫下濾失量小、凝固時(shí)間長(zhǎng)，有利于到達(dá)地層深部。1996—1998年針對(duì)克拉瑪依12口明顯出現(xiàn)汽竄的熱采井應(yīng)用該調(diào)剖劑進(jìn)行調(diào)剖封竄，稠油產(chǎn)量比調(diào)堵前增加80%，有效期大于半年，6個(gè)月累計(jì)增油7 174 t，少產(chǎn)水9 844 m3。中原油田油藏多為強(qiáng)非均質(zhì)的斷塊油藏或低滲透油藏，地層水為CaCl2型，礦化度20萬～ 30萬mg/L。針對(duì)上述情況，羅躍［6］等開發(fā)了JDT-1和JDT-2系列顆粒類堵劑，該系列堵劑由有機(jī)復(fù)合樹脂、超細(xì)水泥、超細(xì)碳酸鈣、OP-20和PAM等組成。中原油田在1995—1998年間先后使用該堵劑施工120井次，施工成功率100%，有效率90%，累計(jì)增油28萬t，降水56.8萬m3，噸投入產(chǎn)出比1∶4.33。

工廠廢料中，粉煤灰、含油污泥等可以制成調(diào)堵劑。這類調(diào)堵劑材料價(jià)格便宜，膨脹性弱，與油藏配伍性好，又解決了一定的環(huán)境問題，因此具有較好的應(yīng)用前景。唐長(zhǎng)久［7］等對(duì)粉煤灰調(diào)剖劑做了較為系統(tǒng)研究，通過與鈉土的對(duì)比分析，認(rèn)為鈉土調(diào)剖有效期短，且油井產(chǎn)土是因?yàn)殁c土發(fā)生水化破碎，與理論上的黏土水化膨脹增加封堵效果不一致，而粉煤灰水化后顆粒不會(huì)破碎，強(qiáng)度較高；鈉土水化后顆粒形狀不規(guī)則，不利于進(jìn)入地層孔喉，而粉煤灰水化后形狀多為球狀，利于進(jìn)入地層。齊海鷹［8］等針對(duì)遼河油田某區(qū)塊大孔道發(fā)育的特點(diǎn)，研制了一種高強(qiáng)度堵劑，該劑由5%～10%粉煤灰、2%～3%橡膠粉、1%～1.5%聚丙烯酰胺、0.2%～0.4%三聚氰胺、3%～5%甲醛組成，粉煤灰具有剛性，和具有一定柔性的橡膠粉一起填充壓實(shí)，可泵性好，承壓強(qiáng)度高，封堵率大于99%。應(yīng)用該堵劑在沈-84和安12塊封堵注水井高滲透層9井次，措施成功率和有效率均為100%，封堵后封堵率達(dá)到95%，注水壓力上升3 MPa。含油污泥是原油脫水處理過程中伴生的工業(yè)垃圾，主要成分是水、泥質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟質(zhì)。將含油污泥經(jīng)過一定處理后可以用作調(diào)剖劑，無機(jī)顆粒的機(jī)械堵塞和稠油、瀝青質(zhì)的粘連作用結(jié)合在一起使封堵效果大大增加。趙金?。?］等針對(duì)含油污泥本身強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，加入水泥作為固化劑，加入粉煤灰調(diào)節(jié)水灰比，制成了強(qiáng)度較好的蒸汽封竄劑。該堵劑黏度在26～105 mPa·s之間，稠化時(shí)間達(dá)18 h，經(jīng)過200℃蒸汽100 PV沖刷后，巖心滲透率變化很小。尚朝輝［10］等研制了一種含油污泥調(diào)剖劑，該污泥主要含泥質(zhì)（52.31%）和原油（39.62%），使用能降低油水界面張力的Na2CO3來分散油水污泥體系，并加入自制的SG、SD固化劑，使用濃度為20%～60%，在莊106塊調(diào)剖5井次，共注入污泥約3 000 m3，調(diào)剖后，注水壓力上升4 MPa以上，高滲層吸水量由71%下降到44%，對(duì)應(yīng)油井見效率達(dá)92%，累計(jì)增油5 565 t，投入產(chǎn)出比1∶4.1。由于無機(jī)顆粒適合封堵強(qiáng)非均質(zhì)地層的大孔道，且控制不好會(huì)造成低滲層或油層的傷害，因此在國(guó)外鮮有關(guān)于無機(jī)顆粒調(diào)堵的應(yīng)用實(shí)例。

無機(jī)顆粒堵劑材料來源廣，成本低，同時(shí)耐溫耐鹽耐剪切，從調(diào)堵性能方面來說是理想的材料。筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一些經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議。

（1）要準(zhǔn)確把握無機(jī)顆粒粒徑與地層孔喉直徑的匹配關(guān)系。

（2）單憑無機(jī)顆粒形成的封堵不牢固，容易被水沖走，有效期較短，而且無機(jī)顆粒形狀不規(guī)則，顆粒之間有較大間隙，這削弱了封堵效果，因此無機(jī)顆粒需要配合其他類型的堵劑一起使用；無機(jī)顆?？梢耘c凍膠復(fù)合，凍膠能夠?qū)㈩w粒連在一塊，使調(diào)堵劑更加耐沖刷，而且聚合物凍膠能夠填充顆粒之間的空隙，增強(qiáng)封堵效果；無機(jī)顆?？梢院蜆渲惸z結(jié)劑復(fù)合使用，顆粒被黏結(jié)到一塊后強(qiáng)度和耐沖刷性都大大提高；無機(jī)顆?？梢宰鳛槿嵝灶w粒的內(nèi)核，這樣能充發(fā)揮無機(jī)顆粒的剛性封堵作用和柔性物質(zhì)的擠壓填充作用。

1.2體膨顆粒堵劑

水膨體是近二十年發(fā)展起來的一項(xiàng)調(diào)堵技術(shù)。該系列調(diào)堵劑由單體、交聯(lián)劑以及其他添加劑在地面聚合交聯(lián)，然后經(jīng)過造粒、烘干、粉碎、篩分等工藝加工而成。由于是地面條件下交聯(lián)，因此避免了地層條件如溫度、礦化度、pH值和剪切對(duì)成膠的不利影響；同時(shí)，該類顆粒能夠選擇性進(jìn)入大孔道，且能通過變形或破碎作用進(jìn)入地層深部，因此有較好的深部調(diào)剖性能。為保證堵劑能夠順利交聯(lián)以及增強(qiáng)堵劑的選擇性，李宇鄉(xiāng)［11］等研制了一種地面交聯(lián)凝膠體系GP系列堵水調(diào)剖劑。通過選擇合適的粒徑，水膨體可以選擇性進(jìn)入高滲透層，而進(jìn)入低滲透層的顆粒極少。這可以看做國(guó)內(nèi)使用水膨體作調(diào)堵劑的開端。白寶君［12］等對(duì)影響水膨體性能的內(nèi)因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，交聯(lián)劑、添加劑和增強(qiáng)劑濃度對(duì)水膨體的吸水性和強(qiáng)度影響較大，而主劑和引發(fā)劑濃度的影響較小。吳應(yīng)川［13］等對(duì)影響水膨體性能的因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，水膨體膨脹倍數(shù)隨溫度升高而增加，隨鹽濃度升高而降低；堿性條件下，水膨體膨脹性隨pH值變化較小。針對(duì)常規(guī)水膨體耐溫耐鹽性較差的缺陷，可以從合成單體、交聯(lián)劑、增強(qiáng)劑等方面進(jìn)行改進(jìn)。王富華［14］等通過引入帶有苯環(huán)和磺酸基基團(tuán)的單體與丙烯酸鈉、丙烯酰胺等引發(fā)共聚合，研制了JAW水膨體，可以耐130℃的高溫。董雯［15］等以丙烯酰胺和具有耐溫耐鹽性的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）為原料，采用溶液聚合法合成了一種耐溫耐鹽水膨體，該水膨體在90 ℃下，巖心突破壓力梯度大于31 MPa/m，放置7 d后堵水率大于99.8%。針對(duì)常規(guī)水膨體耐鹽性差的特點(diǎn)，劉永兵［16］等使用丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈在溶液中共聚，并以鈉土、滑石粉、高嶺土為無機(jī)添加劑，合成了耐鹽的有機(jī)/無機(jī)吸水樹脂，該吸水樹脂在自來水中吸水倍率為138.67 g/g，在5%NaCl鹽水中為46.8 g/g，在0.3%CaCl2溶液中為14.17 g/g。無機(jī)材料對(duì)提高耐鹽性的貢獻(xiàn)大?。夯郏锯c土＞膨潤(rùn)土。常規(guī)水膨體有膨脹速度快、注入深度有限的問題，而且強(qiáng)度低、易破碎。針對(duì)上述問題，一些緩膨水膨體相繼問世。唐孝芬［17］等通過分子設(shè)計(jì)，在常規(guī)吸水網(wǎng)絡(luò)中引入控制吸水速度的高分子層，通過特殊工藝，制成吸水層與控制吸水層互相穿插的緩膨型水膨體，該系列水膨體緩膨時(shí)間3～30 d，吸水體膨倍率5～35倍，強(qiáng)度為20～60 kPa，80 ℃下長(zhǎng)期穩(wěn)定。為了減緩聚丙烯酰胺體膨顆粒的膨脹速率，張建生［18］在合成原料中引入了天然膠乳，制備的體膨顆粒浸水110 h后才開始膨脹，10 d后吸水倍率為50 g/g，耐溫達(dá)83 ℃。魏發(fā)林［19］等提出了一種膠囊化減緩水膨體膨脹速率的方法，以線性低密度聚乙烯為成膜材料，采用凝聚法制備了性能良好的緩膨顆粒。該顆粒開始出現(xiàn)膨脹的時(shí)間為30 h，緩膨作用是通過吸水面積的減少以及覆膜的阻擋作用實(shí)現(xiàn)的。而Tang［20］等通過在水膨體中引入控制吸水的單體，也實(shí)現(xiàn)了水膨體顆粒的緩膨。

國(guó)外關(guān)于水膨體的研究多集中在顆粒在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移行為和對(duì)封堵性能的定量描述（理論推導(dǎo)）。Al-ibadi［21］等對(duì)顆粒組成、注入濃度和注入速度等因素對(duì)填砂管封堵性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考察和理論分析，對(duì)不同情況下顆粒注入前和產(chǎn)出后的粒徑、形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，用特殊形式的診斷方程對(duì)封堵機(jī)理進(jìn)行研究，最終采用無因次方法對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和封堵效果進(jìn)行擬合分析，所得結(jié)論對(duì)模擬體膨顆粒的封堵行為和設(shè)計(jì)、優(yōu)化封堵體系都具有重要意義。Imqam［22］等考察了顆粒強(qiáng)度、孔喉直徑和鹽濃度對(duì)體膨顆粒封堵行為的影響，得到2個(gè)關(guān)系式用來定量表征阻力系數(shù)和穩(wěn)定注入壓力與顆粒強(qiáng)度、粒徑孔徑比和剪切強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，此研究對(duì)調(diào)堵作業(yè)中體膨顆粒的篩選和設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

水膨體由于膨脹后顆粒較大，適合封堵有大孔道發(fā)育或者強(qiáng)裂縫性的非均質(zhì)地層。由于水膨體耐溫耐鹽性比聚合物凍膠好，因此在高溫高鹽油藏也有較多應(yīng)用。Bai［23］等通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，即使是直徑為60 μm的體膨顆粒，也不能注入滲透率高達(dá)16 D的填砂管，且根據(jù)體膨顆粒在填砂管端面的堵塞情況，一般地層情況下體膨顆粒很難注入。然而實(shí)際礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中體膨顆粒注入性很好，由此推斷，體膨顆粒進(jìn)入了裂縫或者超級(jí)大孔道，而這些特征一般都是在老油田出現(xiàn)。Bai［24］對(duì)大慶油田利用水膨體進(jìn)行調(diào)堵的實(shí)例進(jìn)行了報(bào)道，杏-724井在調(diào)剖前已處于高含水階段，所處油層薄，縱向非均質(zhì)強(qiáng)，高滲層只有總厚度的1/5，而其吸水量占總量的85%。措施后注入壓力上升約6 MPa，累計(jì)增油2 400 t，降低含水率8個(gè)百分點(diǎn)，有效期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月。Zhang［25］等通過可視化裂縫模型考察了水膨體（PPG顆粒）在裂縫中的運(yùn)移和對(duì)水相滲流的影響。結(jié)果表明，PPG顆粒可以像活塞一樣在裂縫中推進(jìn)，且形成一個(gè)顆粒凝膠帶；PPG顆粒的注入性隨注入速度和裂縫寬度的增加而增加，隨礦化度的增加而減弱；PPG顆粒可將不同裂縫寬度的地層滲透率降至相同。裂縫寬度、注入速度和礦化度對(duì)裂縫性地層中水膨體的封堵性有較大影響，同時(shí)后續(xù)水驅(qū)可以形成二次竄流。預(yù)交聯(lián)體膨顆粒耐溫、抗鹽，在溫度礦化度及地層非均質(zhì)性普遍較高的中原油田得到廣泛應(yīng)用［26］，中原油田2000年以來在文10塊、文25東塊等5個(gè)區(qū)塊開展了預(yù)交聯(lián)體膨顆粒深部調(diào)驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，施工59井次，使用調(diào)剖劑21萬m3，平均處理半徑19 m。蒲萬芬［27］等利用插層原位聚合物法制備了聚合物/硅酸鹽新型預(yù)交聯(lián)顆粒，該復(fù)合材料膨脹倍數(shù)可達(dá)13～62，耐溫達(dá)90 ℃，抗鹽達(dá)250 g/L，通過大港2個(gè)井組的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（裂縫性油藏），增油2 400 t。于國(guó)棟［28］等報(bào)道了裂縫性低滲透油藏中預(yù)交聯(lián)顆粒的應(yīng)用，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)預(yù)交聯(lián)顆粒封堵率為91.32%，在吉林油田滲透率高達(dá)33 153 D的裂縫大孔道存在下，采用預(yù)交聯(lián)顆粒和兩型聚合物凝膠相結(jié)合的方法，使2口井增油1 878 t，含水率下降9.73個(gè)百分點(diǎn)。

常規(guī)水膨體膨脹倍數(shù)高、膨脹速度快、易破碎，存在注入性和封堵強(qiáng)度的矛盾。針對(duì)以上問題，科技人員開始研制開發(fā)聚合物微球堵劑。聚合物微球一般采用反相乳液法聚合而成，即微球是在以油為分散介質(zhì)、以水為分散劑的“油包水”乳狀液的小水滴中聚合而成。通過控制單體、交聯(lián)劑、攪拌速度、油水比和分散穩(wěn)定劑的用量等可以控制合成微球的粒徑、膨脹速度、顆粒強(qiáng)度等參數(shù)。和水膨體相比，聚合物微球粒徑更加可控、膨脹速度更慢、粒徑更?。ㄒ话?～10 μm），和地層孔喉更匹配，因此有很好的注入性和較好的深部調(diào)驅(qū)性能［29］。王濤［30］等對(duì)聚合物微球粒徑的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，適量的NaCl有助于微球的膨脹，Ca2+和Mg2+的存在會(huì)抑制微球的膨脹；礦化度越高，膨脹速度越慢；溫度越高，膨脹速度越快。污水配制的聚合物微球15 d達(dá)到最大粒徑，約為4 μm，具有較好的深部調(diào)驅(qū)性能。韓秀貞［31］等對(duì)交聯(lián)聚合物微球體系的水化性能進(jìn)行了分析，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，微球的水動(dòng)力學(xué)直徑先變大后變小，15 d時(shí)達(dá)到最大；隨NaCl濃度的升高，微球的水動(dòng)力學(xué)直徑先變小后變大；隨著水化時(shí)間的增加，微球的剛性變?nèi)酰冃涡栽鰪?qiáng)，封堵性下降。Jia［32］等對(duì)雙交聯(lián)基團(tuán)（可分解的交聯(lián)基團(tuán)和不分解的交聯(lián)基團(tuán)）的聚合物微球在特高礦化度（20～100 g/L）水中的膨脹特征和增黏性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該微球?qū)}不敏感，在20～100 g/L的高礦化度水中膨脹性差異不大，但增黏性差異較大，在20～50 g/L礦化度水中，黏度隨時(shí)間上升較快，且最大能達(dá)到18 mPa·s，但在100 g/L礦化度水中，黏度上升很慢，只能達(dá)到2 mPa·s。因此建議在特高礦化度水中加入交聯(lián)劑，使松散的微球連接成高強(qiáng)度的整體凝膠。陽離子聚合物微球可以避免礦化度對(duì)體系的影響，同時(shí)陰陽離子的相互結(jié)合使微球及微球與地層之間形成有一定強(qiáng)度的整體，有利于增加封堵強(qiáng)度。李光輝［33］等對(duì)陽離子聚合物微球的黏度特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，穩(wěn)定交聯(lián)劑濃度大于0.01%能使微球形成空間結(jié)構(gòu)，選擇合適的交聯(lián)劑濃度有利于發(fā)揮顆粒間的纏聯(lián)增黏作用，10%的陽離子度即可達(dá)到較好的增黏效果。同時(shí)李光輝［34］對(duì)陽離子微球與HPAM的絮凝作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，陽離子微球與HPAM復(fù)合體系在一定鹽濃度下，存在聚沉到相對(duì)穩(wěn)定過程，這一臨界濃度與陽離子度密切相關(guān)；在低于臨界鹽濃度下，復(fù)合體系的沉淀速度及沉淀量取決于陽離子微球和HPAM質(zhì)量比及鹽濃度；高于臨界鹽濃度時(shí)，復(fù)合體系發(fā)生擬交聯(lián)，有一定的增黏作用。

王代流［35］等報(bào)道了交聯(lián)聚合物微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)及其應(yīng)用。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，微球在60 ℃下用孤島回注污水溶脹10 d，粒徑中值增大34倍，單管實(shí)驗(yàn)封堵率大于92%。在GD-24斜516井組實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，注水壓力上升2.9 MPa，一線油井含水率下降5.6%，單井平均日增油5 t。雷光倫［36］等報(bào)道了聚合物微球在強(qiáng)非均質(zhì)中低滲油藏中的應(yīng)用，2004年以來先后在勝利孤島、淺海和青海油田進(jìn)行了10個(gè)井組的礦場(chǎng)試驗(yàn)（原始滲透率為0.3～1.5 D）。采用配水間用比例泵直接打入單井注水管線的在線注入方式，取得了明顯的降水增油效果，其中青海油田的1個(gè)井組注水3個(gè)月就增油3 500 t，一口高含水井含水率從91%降低到3個(gè)月后的65%。聚合物微球因?yàn)榛瘜W(xué)穩(wěn)定性高、能夠進(jìn)入地層深部和耐溫耐鹽等優(yōu)勢(shì)，適合海上稠油油藏的深部調(diào)驅(qū)。Liu［37］等報(bào)道了聚合物微球在海上強(qiáng)非均質(zhì)（高鹽）稠油油藏某井組中的應(yīng)用，措施后累計(jì)增油3.8萬 t，減少采油平臺(tái)處理水11.3萬m3。

上述關(guān)于體膨顆粒的研究主要包括對(duì)體膨顆粒性能及影響因素的研究，體膨顆粒耐溫耐鹽性、顆粒強(qiáng)度的加強(qiáng)、穩(wěn)定性的提高以及緩膨等方面，雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍存在很多的不足。首先，目前所用的體膨顆粒普遍偏大，膨脹速度和膨脹倍數(shù)普遍偏高，嚴(yán)重降低了封堵半徑，甚至出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)注入困難的問題；同時(shí)，高膨脹倍數(shù)的體膨顆粒膨脹后強(qiáng)度大大降低，而且容易破碎，特別是在大孔道或大裂縫中封堵的體膨顆粒，因長(zhǎng)期受強(qiáng)水流的沖刷，一般有效期不超過半年；此外，膨脹后的體膨顆粒穩(wěn)定性還不夠，因此在體膨顆粒性能的改進(jìn)上還需要進(jìn)一步研究。筆者根據(jù)研究進(jìn)展和自身經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議。

（1）采用橡膠粉、塑料等材料作為體膨顆粒的內(nèi)核。這類材料密度低，容易懸浮，耐溫性很強(qiáng)，同時(shí)無限耐鹽，因此特別適合用在稠油熱采和高溫高鹽油藏中；這類材料強(qiáng)度明顯高于無機(jī)顆粒和體膨材料，即使體膨材料的外殼分解掉或被沖刷掉以后，內(nèi)核還可以形成二次封堵，因此特別適合用在大孔道或大裂縫油藏。需要注意的是，內(nèi)核的粒度需根據(jù)地層孔道大小來調(diào)節(jié)，如對(duì)大孔道可采用毫米級(jí)內(nèi)核，對(duì)低滲透油藏可采用微納米級(jí)內(nèi)核。

（2）對(duì)于合成體膨顆粒的原料，引入陽離子基團(tuán)作為體膨顆粒的成分，顆粒上的陽離子可以和其他顆粒或地層中的陰離子結(jié)合起來，使封堵更加牢固；同時(shí)，陽離子不受礦化度影響，使應(yīng)用范圍擴(kuò)大；此外，還需要引進(jìn)更加耐溫耐鹽和穩(wěn)定性高的的合成單體、交聯(lián)劑。

（3）體膨顆粒應(yīng)該與其他封堵技術(shù)結(jié)合起來使用，包括不同堵劑的結(jié)合或者段塞的組合，充分發(fā)揮各劑優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其劣勢(shì)。如體膨顆粒和交聯(lián)劑（聚合物）配成溶液，注入地層后形成高強(qiáng)度整體凍膠；封口段塞要使用高強(qiáng)度的大顆粒，以保護(hù)地層深部的其他顆粒；對(duì)不同的地層深度和不同的孔道類型采用不同的顆粒或不同的封堵劑。

（4）進(jìn)一步優(yōu)化原料和合成工藝，研發(fā)能緩膨和膨脹后強(qiáng)度高的體膨顆粒。此外建議加大對(duì)納米微球系列的開發(fā)。

2　顆粒類堵劑與地層孔喉配伍性的研究

2.1無機(jī)顆粒堵劑與地層孔喉的配伍性

對(duì)顆粒與地層孔喉匹配性研究最早應(yīng)追溯到1972年Barkman J H［38］等對(duì)注入水中的顆粒對(duì)地層的傷害性的研究。文中提出了1/3～1/7“巖心傷害理論”，即當(dāng)固相顆粒粒徑大于1/3喉道直徑時(shí)，顆粒只會(huì)形成外濾餅堵塞巖心端面，不能進(jìn)入油層；如果顆粒粒徑小于1/7喉道直徑則不會(huì)堵塞孔喉；而位于1/7～1/3之間的顆粒將會(huì)嚴(yán)重傷害油層。趙福麟［3］等通過對(duì)黏土雙液法封堵大孔道時(shí)顆粒的進(jìn)留粒徑的研究，指出最佳進(jìn)留粒徑為孔徑/粒徑等于6，可用粒徑范圍是孔徑/粒徑大于3。李克華［39］等用多點(diǎn)測(cè)壓滲流裝置研究了無機(jī)顆粒粒徑與地層孔徑的匹配關(guān)系，記錄了封堵前后巖心滲透率的變化。結(jié)果表明，不同形狀的顆粒，其顆粒粒徑與地層孔徑的匹配關(guān)系不同，表面光滑的球形玻璃珠，由于顆粒間及顆粒與地層之間相互作用力小，因此地層孔徑與顆粒粒徑的比值較小，為2.5～5.5；木屑為纖維顆粒，由于表面粗糙，顆粒之間及顆粒與地層之間作用力較大，因此地層孔徑與顆粒粒徑的比值較大，為5～11；黏土、云母等為片狀顆粒，介于兩者之間?？傊?，對(duì)于各類無機(jī)顆粒堵劑，國(guó)內(nèi)得出的結(jié)論是當(dāng)堵劑顆粒為地層孔徑的1/3～1/10時(shí)，都可以產(chǎn)生較為有效的封堵。國(guó)外對(duì)于無機(jī)顆粒粒徑的匹配關(guān)系研究集中在鉆井液或其他工作液在孔喉中的堵塞及對(duì)地層的傷害方面，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究結(jié)合得較緊密。Muecke［40］等對(duì)顆粒在孔喉處架橋的影響因素進(jìn)行了分析，并指出顆粒的堵塞取決于顆粒大小、顆粒濃度和注入速度，且臨界堵塞速度與體系黏度成反比。Chang和Civan［41］提出了一個(gè)描述流體和地層相互的物理化學(xué)作用導(dǎo)致的孔喉堵塞的新模型，模型考慮了化學(xué)沉淀和離子交換，采用雙峰函數(shù)來確定沉淀和注入顆粒的分布與組成，用最優(yōu)化方法來確定模型參數(shù)，結(jié)果表明理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合地較好。Tran［42］對(duì)無機(jī)顆粒對(duì)地層孔喉的堵塞條件進(jìn)行了研究，得出了描述顆粒粒徑和孔喉直徑比與流動(dòng)狀態(tài)和堵塞時(shí)間的關(guān)系式，結(jié)果表明，臨界孔喉粒徑比與顆粒含量雷諾數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以用來確定堵塞條件和預(yù)測(cè)顆粒對(duì)地層的堵塞情況。無因次雷諾數(shù)可以有效地為確定堵塞條件提供標(biāo)準(zhǔn)，注入速度和顆粒濃度增加，雷諾數(shù)增加，越有利于堵塞發(fā)生。實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了孔徑與粒徑之比小于1時(shí)會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。文章同時(shí)指出，1/3架橋規(guī)則只適應(yīng)于很有限的顆粒濃度和注入速度的范圍。這與Bouhroum［43］等的研究結(jié)果是一致的。

以上對(duì)無機(jī)顆粒粒徑與地層孔徑匹配關(guān)系的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，即和地層孔喉匹配的顆粒粒徑不一定是地層孔徑的1/9～1/3，還有其他的一些影響因素如顆粒類型、顆粒濃度、顆粒分布、注入速度等影響顆粒與孔喉的匹配性。因此，筆者給出以下建議。

（1）顆粒粒徑的分布對(duì)顆粒粒徑與地層孔徑的匹配關(guān)系的影響不能忽略，“1/9～1/3”架橋結(jié)論只是顆粒的平均粒徑與地層孔徑的關(guān)系，這是個(gè)籠統(tǒng)概念，沒有考慮到不同粒徑顆粒所占比例對(duì)顆粒與地層匹配關(guān)系的影響。

（2）無機(jī)顆粒在孔喉處架橋封堵后的運(yùn)移性需要進(jìn)一步研究，因?yàn)檫@涉及到顆粒的運(yùn)移深度，即調(diào)堵半徑；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是在巖心上進(jìn)行的，由于巖心很短，不能充分說明無機(jī)顆粒在地層中的運(yùn)移性，因此需要進(jìn)行長(zhǎng)距離物理模擬實(shí)驗(yàn)，從而更加切合實(shí)際。

（3）顆粒類型、顆粒形狀、顆粒濃度、注入速度、pH值及離子濃度等都會(huì)對(duì)顆粒與孔喉的匹配性造成影響，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)充分考慮到這些因素。

（4）國(guó)內(nèi)應(yīng)該建立考慮多因素如注入速度、注入濃度、地層非均質(zhì)性等的無機(jī)顆粒在地層中封堵和運(yùn)移過程的模型，特別是建立在大孔道（流態(tài)特殊、孔隙尺度大）中顆粒運(yùn)移模型，使運(yùn)移過程量化，從而在理論上指導(dǎo)無機(jī)顆粒調(diào)堵的應(yīng)用。

2.2體膨顆粒與地層孔喉的配伍性

Bai［23-24］等對(duì)水膨體類堵劑在多孔介質(zhì)中的各種行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)顆粒直徑大于孔徑時(shí)，顆粒主要有4種運(yùn)移模式：（1）變形通過；（2）失水通過再膨脹；（3）破碎通過；（4）產(chǎn)生封堵，不再運(yùn)移。在特殊設(shè)計(jì)的玻璃孔道模型上，通過孔喉的顆粒的粒徑與孔徑的比值主要分布在2～4之間，這與黏土等無機(jī)顆粒粒徑與地層孔徑的匹配值在1/9～1/3之間不同。同時(shí)盡管水膨體顆粒具有一定的彈性，但比喉道大5倍以上的顆粒通過喉道時(shí)均會(huì)發(fā)生破壞，這表明顆粒的變形和彈性是有一定限度的。填砂模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弱強(qiáng)度體膨顆粒能夠通過直徑為其粒徑1/5.7的孔道，而強(qiáng)體膨顆粒只能通過直徑為其粒徑1/1.3的孔道。李東旭［44］等利用具有4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的填砂管對(duì)預(yù)交聯(lián)顆粒的調(diào)堵性能及粒徑與孔隙的匹配關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，150目的水膨體顆粒注入60目露頭巖心0.3 PV時(shí)壓力達(dá)到0.7 MPa，注入1.0 PV時(shí)壓力達(dá)到3.5 MPa，殘余阻力系數(shù)較高；100目的水膨體顆粒在60目露頭巖心中注入性差，注入0.3 PV壓力就達(dá)到3.3 MPa。常規(guī)的水膨體顆粒很難注入填砂管內(nèi)，一般堆積在填砂管的前端形成濾餅，難以起到深部調(diào)剖的作用。理論計(jì)算表明，目前所用的水膨體顆粒相對(duì)孔喉直徑偏大，用1/3架橋規(guī)則和2/3架橋規(guī)則算得的可用的水膨體膨脹后的粒徑應(yīng)為“微米級(jí)”，此文獻(xiàn)再次證明了水膨體只適合封堵大孔道或裂縫性地層。

針對(duì)水膨體顆粒與地層孔喉匹配性差、注入困難、有效期短等問題，不少學(xué)者開始對(duì)聚合物微球的性能進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，也展開了對(duì)聚合物微球與地層孔喉匹配性的研究。Pritcheet James［45］等人認(rèn)為為了確保聚合物微球較好地注入和運(yùn)移，起初的微球直徑必須小于地層孔隙直徑的1/10，且注入濃度不能太大，要限制在水能夠充分?jǐn)y帶的范圍內(nèi)。王濤［30］等對(duì)聚合物微球的封堵特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對(duì)于0.4 D的巖心，平均粒徑為4 μm的微球封堵效果最好（顆粒粒徑與孔喉直徑比值約為1）；當(dāng)微球粒徑r與孔喉直徑R的比值從0.167增加到0.592時(shí)，封堵效率從25%增加到50%。推測(cè)認(rèn)為：當(dāng)0.46 R < r < R時(shí)，為2個(gè)微球架橋封堵，當(dāng) r為0.46 R時(shí)，為3個(gè)微球架橋封堵，當(dāng) r為0.292R時(shí)，為4個(gè)微球架橋封堵。雷光倫［46］等對(duì)孔喉尺度彈性微球調(diào)驅(qū)影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，微球封堵率隨微球粒徑與孔喉直徑之比的增加先增大后減小，當(dāng)微球粒徑與孔喉直徑比值在1.29～1.78范圍內(nèi)變化時(shí)，封堵率在50%～90%范圍內(nèi)變化；封堵率隨驅(qū)替速度的增加而減小，當(dāng)驅(qū)替速度大于5 m/ d時(shí)，封堵率變化不大；封堵率隨微球濃度的增加而增加。當(dāng)微球直徑與孔喉直徑之比為1.4～1.5時(shí)，調(diào)驅(qū)效果較好；當(dāng)微球直徑與孔喉直徑之比為1.42時(shí)，微球封堵率達(dá)到最大。Almohsin［47］等利用填砂管實(shí)驗(yàn)對(duì)納米級(jí)彈性顆粒在小于1 D的多孔介質(zhì)中的注入和封堵性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，粒度在100～285 nm之間的納米顆粒在高于311 mD的填砂管中的阻力系數(shù)為5～14，表明顆?？梢匀菀椎卦谄渲羞\(yùn)移；然而，顆粒在41 mD的填砂管中的阻力系數(shù)高達(dá)383，表明其很難在低滲管中運(yùn)移；適合該顆粒封堵的填砂管滲透率分布在143～555 mD之間。

體膨顆粒粒徑與孔喉直徑的匹配值大于無機(jī)顆粒粒徑與孔喉直徑的匹配值（1/9～1/3），這是因?yàn)轶w膨顆粒具有一定的柔性和彈性，能在孔喉處發(fā)生擠壓變形，因此相同粒徑和相同孔喉直徑時(shí)，體膨顆粒比無機(jī)顆粒更容易通過孔喉，所以體膨顆粒粒徑與孔喉直徑的匹配值更大。根據(jù)目前存在的問題，筆者提出以下建議以供參考。

（1）對(duì)顆粒性能（包括強(qiáng)度、彈性、柔性等）、注入濃度、注入速度、注入壓力、顆粒分布、地層條件等因素對(duì)顆粒粒徑與孔喉直徑的匹配關(guān)系的影響進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)研究。

（2）體膨顆粒的實(shí)際應(yīng)用應(yīng)該充分考慮地層非均質(zhì)性和顆粒級(jí)配對(duì)封堵效果和調(diào)整分流量的影響。

（3）常規(guī)物理模擬一般在線性填砂管上進(jìn)行，而地層流動(dòng)情況（特別是近井地帶為徑向流動(dòng)），且地層如果存在大孔道，常有管流存在，因此需要更切合實(shí)際情況的物理模擬實(shí)驗(yàn)；此外，還需要進(jìn)一步考察體膨顆粒對(duì)油水相滲流的影響。

（4）補(bǔ)充微納米級(jí)聚合物微球?qū)紫督橘|(zhì)封堵的模型和量化分析；建立適合中國(guó)地層情況如大孔道、強(qiáng)非均質(zhì)地層、低滲透裂縫地層、高溫高鹽地層情況下的體膨顆粒運(yùn)移和封堵模型，并將理論研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合起來。

3　結(jié)論及建議

（1）無機(jī)顆粒應(yīng)與其他類型堵劑復(fù)合使用；針對(duì)大孔道油藏，為提高封堵強(qiáng)度和有效期，建議體膨顆粒引入橡膠粉、塑料等材料作為內(nèi)核或陽離子基團(tuán)；針對(duì)高溫高鹽油藏需要引入耐溫耐鹽性和穩(wěn)定性更好的單體和交聯(lián)劑；納米級(jí)彈性顆粒需要進(jìn)一步研發(fā)；顆粒類堵劑使用過程中應(yīng)該充分與其他類型堵劑結(jié)合，同時(shí)段塞的優(yōu)化組合很重要。

（2）對(duì)顆粒類堵劑與地層孔喉的配伍性的研究需要充分考慮顆粒類型、強(qiáng)度、柔性、粒徑分布、注入濃度、注入速度、注入壓力、礦化度、溫度等影響因素；建議在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，建立考慮上述因素的顆粒運(yùn)移和堵塞模型，同時(shí)建立的模型應(yīng)適應(yīng)國(guó)內(nèi)油藏情況，如大孔道、高含水、強(qiáng)非均質(zhì)性、高溫高鹽、低滲透等；理論模型應(yīng)該與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)充分結(jié)合起來，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

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（修改稿收到日期2015-06-20）

〔編輯朱偉〕

The current research situation and development trend of particle profile-control plugging agents

ZHAO Xiutai, CHEN Zehua, CHEN Wenxue, MA Hanqing, ZHAI Dongqi, REN Zenglei
（Petroleum Engineering College, China University of Petroleum （East China）, Qingdao 266580, China）

A summary of research progress of inorganic particle, volume expansion grain, polymer microsphere and other particle profile-control plugging agents is provided, including formula of plugging agents and research progress in compatibility between particles and stratum pore throats. Problems existing in research and application are analyzed, including inorganic particles feature poor washout resistance and short effective period. Water-swelling polymer features high swelling multiple, fast swelling speed, low strength and stability, and is hard to match with stratum. The research on compatibility of particles and stratum pore throats fails to be in full consideration of many affecting factors, such as particle type and properties, grain composition, particle concentration, injection speed, heterogeneity of stratum. And lack of a theoretical model in full consideration of the above affecting factors. Research direction and development trend of particle plugging agents are pointed out on this basis: inorganic particles shall be used in combination with other materials. The use of volume expansion grains requires introduction of rubber, plastic, cation materials as well as temperature-resistant and salt-tolerant monomer as needed, and range of particle size needs to be widened. Multiple affecting factors shall be taken into full consideration for the compatibility between particles and stratum pore throats, and a theoretical model in consideration of multiple affecting factors and actual conditions shall be established. Physical simulation is also required to suit seepage and geological conditions.

particle plugging agents; inorganic particles; water-swelling polymer; polymer microsphere; stratum pore throat; compatibility

TE358+.3

B

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0105 – 08

10.13639/j.odpt.2015.04.027

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“中西部地區(qū)碎屑巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、保護(hù)與改造技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05002-005）。

趙修太，1958年生。1982年畢業(yè)于華東石油學(xué)院有機(jī)化工專業(yè)，現(xiàn)從事油田化學(xué)教學(xué)和研究工作，教授， 碩士生導(dǎo)師。E-mail：zxt1667@126.com。通訊作者：陳澤華，1988年生。油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀碩士研究生。電話：15275211632。E-mail: chenzehua1210@163.com。

引用格式：趙修太，陳澤華，陳文雪，等.顆粒類調(diào)剖堵水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：105-112.