稠油蒸汽驅(qū)封竄劑研究進(jìn)展

盧大偉，毛國梁，李慶松，孟建勛

(1.東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田采油工程研究院 黑龍江 大慶 163453)

稠油油藏的熱采可分為2個階段，第一階段為蒸汽吞吐；第二階段為蒸汽驅(qū)。稠油在進(jìn)行多個周期的第一階段注蒸汽之后，稠油吸收熱量導(dǎo)致黏度稍微降低，稠油在地層中開始具有流動性；轉(zhuǎn)入第二階段，隨著單位時間內(nèi)注汽量的增加和注汽強(qiáng)度的提高，制約稠油資源采收率的汽竄現(xiàn)象變得越來越明顯，汽竄的發(fā)生就會使后期蒸汽在油藏各個方向上受熱不均勻，從而導(dǎo)致蒸汽波及面積變小、蒸汽的熱損失增加、生產(chǎn)成本提高等問題[1]。當(dāng)發(fā)生汽竄時，蒸汽沿著滲透率高的方向前進(jìn)，直到形成汽竄通道，造成油藏整體動用程度不均，影響稠油資源的開發(fā)；蒸汽一旦形成汽竄通道，就會突破直接從生產(chǎn)井溢出，損失大量的熱量，汽竄井排液量增加，注采井之間的溫度差異變大，油井出砂，嚴(yán)重還會導(dǎo)致邊底水突進(jìn)，影響正常的生產(chǎn)等[2]。因此從稠油蒸汽驅(qū)封竄劑的封竄機(jī)理出發(fā)，深入的研究稠油蒸汽驅(qū)封竄劑的配方，尋找有效的封堵汽竄的措施是當(dāng)下緊要的任務(wù)，同時這還對提高稠油油藏?zé)岵尚Ч哂惺种匾囊饬x。

1 汽竄的類型

汽竄按照產(chǎn)生的階段不同可以分為2種，一種為蒸汽竄；一種為熱水竄。在蒸汽驅(qū)階段，采油現(xiàn)場一般采用的是井組模式。一般是中間一口注入井，周邊是采出井。當(dāng)井組模式不同，注入井和采油井之間的距離不同，每一口采油井出油時間不同，油層中原油儲量和蒸汽壓力的差異，導(dǎo)致井間高滲透層在較大壓差作用下被水蒸汽突破形成竄流通道；在稠油熱釆的蒸汽吞吐階段，隨著注汽強(qiáng)度的增加蒸汽“舌形”指進(jìn)形成真正的汽竄，汽竄多發(fā)生在生產(chǎn)井間的高含水率通道，此時從注汽井注入的蒸汽冷凝而形成的熱水發(fā)生指進(jìn)，即熱水很快竄到生產(chǎn)井。當(dāng)熱水和原油在采油井被采出時從井口可以見到閃蒸出來的蒸汽這種現(xiàn)象稱為熱水竄[3]。

2 封竄劑的分類

稠油蒸汽驅(qū)封竄劑可以分為3大類：凝膠型封竄劑、顆粒型封竄劑、泡沫型封竄劑。其中凝膠型封竄劑又可分為有機(jī)凝膠型封竄劑和無機(jī)凝膠封竄劑，有機(jī)凝膠封竄劑按照主劑不同可以分為聚丙烯酰胺類凝膠封竄劑、聚乙烯胺類凝膠封竄劑、腐殖酸鈉/硝基腐殖酸鈉類凝膠封竄劑、改性落葉松栲膠類凝膠封竄劑。

2.1 凝膠型封竄劑

2.1.1 聚合物凝膠型封竄劑封堵汽竄的機(jī)理

聚合物凝膠型封竄劑注入地層后，其中的主要成分聚合物與有機(jī)基團(tuán)反應(yīng)生成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而形成凝膠。聚合物凝膠型封竄劑在高滲透率的地層中依靠堵塞、捕集和吸附等物理作用來封堵高滲透層，阻止蒸汽沿高滲透層的竄流，增加高滲層的流動阻力，使蒸汽進(jìn)入滲透率低的地層，改善波及效果[4]。

作為組成凝膠主要成分的聚合物，由于其耐溫性差阻礙了其在熱采過程中的推廣和應(yīng)用，因此要對其改性以適應(yīng)稠油蒸汽驅(qū)井下的高溫環(huán)境。下面從有機(jī)凝膠型和無機(jī)凝膠型封竄劑2個方面進(jìn)行綜述和分析。

2.1.2 有機(jī)凝膠型封竄劑

(1) 聚丙烯酰胺/有機(jī)交聯(lián)體系凝膠封竄劑

趙芳[5]研制的聚丙烯酰胺/有機(jī)交聯(lián)體系凝膠封竄劑的配方為HPAM/酚醛+烷基聚氧乙烯醚+石油樹脂，該體系能耐 200 ℃的高溫，同時抗鹽性能可以達(dá)到 2×104mg/L。

張恩臣[6]研制聚丙烯酰胺/有機(jī)交聯(lián)體系凝膠封竄劑的配方為HPAM+甲醛、間苯二酚+熱穩(wěn)定劑，該體系能耐200 ℃的高溫。該配方在遼河油田蒸汽吞吐井中推廣應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用98井次成功了94井次，其中增油效果很顯著，汽竄問題得到很好地抑制，有效地提高稠油采收率。

祖莉華等[7]根據(jù)河間東營油田高溫油藏的特點(diǎn)，對聚丙烯酰胺-酚醛樹脂凝膠體系進(jìn)行研究并開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對聚丙烯酰胺-酚醛樹脂凝膠體系成膠強(qiáng)度、穩(wěn)定性的影響程度，由強(qiáng)到弱依次為聚合物、交聯(lián)劑、助劑。在此基礎(chǔ)上開展體系配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了最佳配方為聚合物1 200 mg/L+交聯(lián)劑主劑2 250 mg/L+交聯(lián)劑助劑1750 mg/L。截至2014年12月中旬，已在10個井組進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，其中6口井初步見效，7口井明顯見效，井口壓力平均上升5.32 MPa，累計(jì)增油1 262 t，效果較好。

(2) 聚乙烯胺/樹脂型凝膠封竄劑

聚乙烯胺是由三元環(huán)結(jié)構(gòu)的單體乙烯胺在催化劑的作用下均聚合成的高分子共聚物，該聚合物的相對分子質(zhì)量從300～10 000不等。選取適當(dāng)相對分子質(zhì)量的聚乙烯胺，通過胺基鏈陽離子性與甲醛、苯酚混溶于水，在地層中形成交聯(lián)體系[8]。聚乙烯胺在室溫下黏度約為100 mPa·s，黏度比較低[9-10]，該聚乙烯胺/樹脂型凝膠封竄劑在約205 ℃形成凝膠，在稠油蒸汽驅(qū)油藏的提高采收率方面具有很廣的應(yīng)用前景，但因單體的成本高、合成利用率低等原因從而限制了其在油田化學(xué)劑中的普及。

(3) 腐殖酸鈉/硝基腐殖酸鈉類凝膠封竄劑

腐殖酸鈉/硝基腐殖酸鈉凝膠調(diào)剖體系不但能在在地層復(fù)雜的高溫環(huán)境中穩(wěn)定存在，而且能長時間保持好的封堵效果。該體系還由于原料來源廣、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在高溫低滲透油藏的蒸汽驅(qū)中占有重要的一席之地。

李素敏[11]研制的腐殖酸鈉/硝基腐殖酸鈉類凝膠封竄劑的配方為腐殖酸鈉+交聯(lián)劑苯酚、交聯(lián)劑甲醛+HPAM助劑，同時還探究耐溫性、礦化度、溫度和pH值這4種因素分別對凝膠成膠性能的影響。結(jié)果表明，該配方的腐殖酸鈉凝膠封竄劑耐溫范圍在20～220 ℃；礦化度的范圍在0～14 000 mg/L；pH適用范圍為7～10。

張弦，王海波等[12]將硝基腐殖酸鈉+交聯(lián)劑配制出具有耐高溫性能的硝基腐殖酸鈉凝膠調(diào)堵體系，并通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行評價。得到控制汽竄高溫凝膠調(diào)堵體系的最佳配方為1.5%～2.5%甲醛+1.0%～2.0%間苯二酚+8.0%～10.0%硝基腐殖酸鈉(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。該調(diào)堵體系最高可耐溫290 ℃，對不同滲透率的巖心都具有良好的封堵效果，封堵率約在95%，對高滲透層具有很好的選擇性，有效調(diào)整吸汽剖面，能滿足稠油蒸汽驅(qū)防汽竄的需求。

(4) 改性落葉松栲膠類凝膠封竄劑

栲膠是植物體內(nèi)所含的能將生皮鞣成革的多元酚衍生物，又稱植物鞣劑。栲膠是一類復(fù)雜的天然化合物的總稱，主要成分為多元酚類化合物和單寧，次要成分有非單寧和不溶物。其中的單寧成分與醛類發(fā)生縮合反應(yīng)而樹脂化形成具有一定彈性的凝膠。該凝膠還遠(yuǎn)不能滿足稠油蒸汽驅(qū)封竄劑的要求，所以要對其改性。

曲占慶，張杰等[13]研究了新型改性落葉松栲膠復(fù)合耐高溫選擇性調(diào)堵體系。得到改性落葉松栲膠最優(yōu)配方為6.0%磺化落葉松栲膠、2.0%醛類交聯(lián)劑 WR-1、1.0%～1.5%酚類促進(jìn)劑P-1，其余為水(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。凝膠在350 ℃條件下經(jīng)過280h放置，凝膠的質(zhì)量損失率穩(wěn)定在10%以內(nèi)，形態(tài)完好，強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定。

王建偉[14]制備的改性栲膠調(diào)堵劑的配方為改性栲膠+交聯(lián)劑水溶性酚醛樹脂。在密閉條件下，同時探究礦化度、溫度和pH值這3種因素分別對凝膠成膠性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明凝膠熱穩(wěn)定性、耐溫性能優(yōu)異，凝膠對酸、堿、鹽均有一定的抵抗能力，凝膠能用于較高礦化度地層。

2.1.3 無機(jī)凝膠型封竄劑

無機(jī)凝膠高溫調(diào)剖劑的組成主要有無機(jī)膠凝劑、激活劑、緩凝劑、分散劑等。無機(jī)凝膠型封竄劑主要通過控制溫度，無機(jī)、有機(jī)復(fù)合活化劑的用量，來調(diào)節(jié)成膠速度和成膠后的強(qiáng)度。這種高溫調(diào)剖劑在成膠前黏度低，利于泵注；在地層中成膠后，強(qiáng)度高、耐溫性好，能夠滿足蒸汽驅(qū)條件下的耐熱、耐蒸汽沖刷的要求，有效期較長。

呂哲勇[15]研制的無機(jī)凝膠的成膠溫度在40～100 ℃，成膠時間8～240 h可調(diào)，耐溫350 ℃，突破壓力梯度>6 MPa/m，封堵率≥98%。在齊40-6-K121區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)無機(jī)凝膠高溫調(diào)剖劑，措施實(shí)施后注汽壓力保持在5.5 MPa，比施工前注汽壓力提高了2.5 MPa，截止到2011年2月28日累計(jì)增油1 288 t。

馬春寶[16]所報(bào)道的熱沉積無機(jī)凝膠堵劑由A、B兩液混合而成耐溫性達(dá)400 ℃。2008年在遼河錦45、錦25塊蒸汽吞吐井用該堵劑實(shí)施堵水作業(yè)16井次,調(diào)剖作業(yè)18井次,增油降水效果顯著。

2.2 顆粒型封竄劑

顆粒型堵劑的堵塞機(jī)理為固體顆粒型調(diào)剖劑注入地層的過程遵循最小流動阻力原則，因此絕大部分調(diào)剖劑會進(jìn)入阻力小的特高滲透層或高滲透層，并在其中沉降，隨著顆粒沉降所形成的堆積體大幅度降低所波及范圍內(nèi)地層的絕對滲透率，導(dǎo)致其吸汽能力降低，達(dá)到封堵高滲透強(qiáng)吸汽層的目的，使后續(xù)注入的蒸汽改變注入方向，進(jìn)入未波及的中、低滲透層，使整體吸汽剖面向合理方向改變，提高注入蒸汽波及體積，改善了油井出油剖面。

顆粒型堵劑由于其原料來源廣，成本低廉、封堵強(qiáng)度高、耐高溫且作用時間長等優(yōu)點(diǎn)，在稠油蒸汽驅(qū)封堵高滲透層方面應(yīng)用比較多。

王建[17]以粉煤灰作為主劑，加入懸浮劑、固化劑和助劑，制得一種高溫封竄劑。堵劑配方為粉煤灰40%+MAC懸浮劑0.25%，固化劑GH3.0%～5.0%，助劑0.08%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。封堵性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該堵劑在高溫高鹽條件下穩(wěn)定性好，在350 ℃下老化180 d后固化強(qiáng)度仍保持在高強(qiáng)度狀態(tài)。巖心封堵率在99%以上，最高突破壓力梯度為35.31 MPa/m。該堵劑能長期有效封堵高溫油藏的高滲層竄流通道。

馬道田[18]報(bào)道了一種KD型水泥復(fù)合堵劑。該堵劑能夠耐160 ℃的高溫、80 MPa高壓,終凝后堵劑的w(固)>98%，析水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%，封堵性能好,能夠適應(yīng)稠油蒸汽驅(qū)的高溫環(huán)境生產(chǎn)需要。該工藝在作業(yè)現(xiàn)場獲得了應(yīng)用,共實(shí)施8口井,成功率100%。

李志華等[19]研制了以小于0.8 mm硅酸鹽顆粒為前置段塞、0.8～1.2 mm為后置段塞組合的封堵方式解決孤島油田開發(fā)過程中遇到的水竄、氣竄問題。粒徑小的硅酸鹽顆粒所形成的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度高、滲透率低；所形成的固結(jié)體耐溫性能良好，現(xiàn)場使用過程中顆粒粒徑可以根據(jù)地層孔喉大小進(jìn)行匹配。

2.3 泡沫型封堵劑

高溫泡沫調(diào)剖堵劑主要基于2個機(jī)理：(1)封堵機(jī)理。當(dāng)泡沫通過地層中狹窄的孔喉時，泡沫由圓形變形為橢球形，前后端液面為曲率不等的橢圓，阻礙后續(xù)蒸汽的前進(jìn)，阻力增加，并且這種阻力可以疊加。利用泡沫在地層中的“賈敏效應(yīng)”封堵蒸汽竄流通道，提高蒸汽波及體積；(2)降低界面張力機(jī)理。泡沫劑是表面活性劑其中1種，它在油水界面吸附。根據(jù)表面功的公式W=γdA，泡沫劑降低油水界面自由能，使油水界面張力降低，提高洗油效率。因此，泡沫調(diào)剖劑既能提高蒸汽波及體積又可提高洗油效率，進(jìn)而提高原油采收率。

劉瑾[20]研制的以石油磺酸鈉作為發(fā)泡劑的氮?dú)馀菽z體系，該體系的耐溫范圍為 220～300 ℃。該泡沫凝膠提高了油氣比，并在遼河油田進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用效果很好累計(jì)增油2 047 t，排水期縮短，顯著改善了汽竄的危害。

吳軍財(cái)，劉志強(qiáng)[21]對氮?dú)馀菽瓌┳⑷牍に噮?shù)進(jìn)行了優(yōu)選。結(jié)果表明，發(fā)泡劑最佳使用質(zhì)量濃度為5 g/L，V(注氮?dú)怏w積)∶V(蒸汽)=1～ 1.5∶1，在地面條件下注氮?dú)饬颗c蒸汽量之比為25～40∶1。氮?dú)馀菽{(diào)剖劑在井樓油田七區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，油汽比比以前提高0.04，累計(jì)增油610 t，達(dá)到了封堵汽竄的效果，提高了蒸汽的波及系數(shù)和提高了原油的采油率。

蒲春生，石道涵[22]等對高溫自生氣泡沫凝膠體系進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。研究表明該自生氣泡沫具有選擇性調(diào)驅(qū)性能，調(diào)驅(qū)劑A具有很好的耐溫性，在200 ℃時阻力因子高達(dá)60。自生氣泡沫能有效改善汽竄，降低蒸汽流度，提高蒸汽波及體積，為稠油高效開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)束語

(1) 凝膠類高溫調(diào)剖劑封堵能力較強(qiáng)、成本低、對油層傷害?。坏情L時間高溫下易破膠，封堵率差，成膠溫度低，在蒸汽驅(qū)中后期高溫環(huán)境下成膠困難；

(2) 顆粒型封堵劑適合封堵大孔道和裂縫，封堵后能承受的高強(qiáng)度高溫蒸汽的沖刷，缺點(diǎn)是在溫度大于120 ℃后不易成膠，調(diào)剖規(guī)模較??；

(3) 泡沫類調(diào)剖劑的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)泡劑耐溫高，在較高的油層溫度下形成泡沫穩(wěn)定性相對較好，而且起到表面活性劑的作用能夠提高洗油效率；缺點(diǎn)是有效期短(僅為約30 d)，封堵強(qiáng)度低，持續(xù)性注汽比較困難。

針對單一封竄體系的封竄劑在地層環(huán)境中封堵時間短、效果欠佳，科學(xué)工作者從封堵機(jī)理出發(fā)，研制復(fù)合調(diào)堵體系并探究各體系間的相互協(xié)同作用，使復(fù)合體系達(dá)到最佳的封堵效果。其中，無機(jī)/有機(jī)復(fù)合體系的封堵機(jī)理、自生氣泡沫凝膠體系的配方等將成為未來研究的熱點(diǎn)。總而言之，稠油蒸汽驅(qū)封竄劑正在朝著低成本、耐溫性好、綠色環(huán)保等方向發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 張豆娟.稠油油藏蒸汽驅(qū)階段汽竄的研究[J].中國測試技術(shù),2004,5(3):45-50.

[2] 劉清山.對蒸汽驅(qū)的幾個問題的探討[J].特種油氣藏,1997,4(2):10-13.

[3] 凌建軍,宋振宇.蒸汽吞吐階段“汽竄”現(xiàn)象實(shí)質(zhì)研究[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),1996,18(1):58-61.

[4] 王永興.現(xiàn)代油田高效開采實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006：611-613.

[5] 趙芳.稠油油井熱采專用調(diào)剖劑:101423753A[P].2009-05-06．

[6] 張恩臣.高溫凝膠調(diào)剖劑的研制及應(yīng)用[J].鉆采工藝,2011,34(5)：108-110.

[7] 祖莉華,任紅梅，等.河間東營油田高溫油藏聚合物凝膠調(diào)驅(qū)體系室內(nèi)優(yōu)化[J].新疆石油地質(zhì),2015,36(2):204-207.

[8] 李良雄,王平美,韓明，等.應(yīng)用于高溫高鹽油田的凝膠類堵水劑[J].油氣采收率技術(shù),1998,5(2):75-79.

[9] GHAITHAN A A,HISHAM A N,IBNELWALEED A H.A rheological investigation of a high temperature organic gel used for water shutoff teeatments [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007,59:73-83．

[10] JIA H,PU W F,ZHAO J Z,et al.Research on the gelation performance of low toxic PEI cross-linking HPAM gel systems as water shutoff agents in low temperature reservoirs[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2010,49(20):9618-9624．

[11] 劉素敏.耐高溫調(diào)剖體系的研制及性能考察[D].大慶:東北石油大學(xué),2012：20-40．

[12] 張弦,王海波,等.蒸汽驅(qū)稠油井防汽竄高溫凝膠調(diào)堵體系試驗(yàn)研究[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(5):82-87.

[13] 曲占慶,張杰,等.改性落葉松栲膠防汽竄封堵體系及注入工藝[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2012,32(6):124-129.

[14] 王建偉.改性栲膠化學(xué)堵水技術(shù)研究與應(yīng)用[D].大慶:東北石油大學(xué),2013：13-25.

[15] 呂哲勇.關(guān)于無機(jī)凝膠高溫調(diào)剖劑的研究[J].中國化工貿(mào)易,2013,(10)：190-192.

[16] 馬春寶.用于蒸汽吞吐井的熱沉積無機(jī)凝膠堵水技術(shù)[J].油田化學(xué),2010,27(1):51-54.

[17] 王建.粉煤灰高溫堵劑的制備與性能評價[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2014,22(9):33-35.

[18] 馬道田.KD型水泥復(fù)合堵劑在油水井化學(xué)封堵技術(shù)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011,12:84-86.

[19] 李志華,唐永安,屈人偉,等.硅酸鹽顆粒材料封堵大孔道的研究[J].油田化學(xué)，2013,30(2)：198-201.

[20] 劉錦.氮?dú)馀菽z調(diào)剖提高油汽比技術(shù)在遼河油田的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011,10(5):102-103．

[21] 吳軍財(cái),劉志強(qiáng).氮?dú)馀菽{(diào)剖機(jī)理研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].內(nèi)江科技,2012(3):127-128.

[22] 蒲春生,石道涵,等.高溫自生氣泡沫室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].特種油氣藏,2010,17(3):90-93.