油藏深部調剖-驅油技術*

孫天宇，邵明魯，趙紅雨，常愛蓮，浮歷沛，廖凱麗

（1.常州大學石油與天然氣工程學院、能源學院，江蘇常州 213164；2.常州大學機械與軌道交通學院、智能制造產業學院，江蘇常州 2131643；3.中國石化勝利油田分公司油氣開發管理中心，山東東營 257000）

0 前言

我國油田大多屬于陸相沉積，儲層非均質性嚴重，注水開發效果普遍不理想，尤其是對于孔喉細小、結構復雜、裂縫發育的低滲特低滲油藏，水竄現象更為嚴重和普遍［1-2］。與常規中高滲油藏相比，低滲特低滲油藏在水驅開發過程存在以下問題：注水壓力高、油井產量遞減快、含水率上升快、油井水淹后治理困難、剩余油驅動困難、采收率低等。因此，如何有效防治油田注入水的竄流，提高波及系數、增加驅油效率是高效開采剩余油、提高原油采收率的關鍵，也是緩解我國日趨嚴重的石油供求矛盾、保障國家石油安全的迫切需求［3］。油藏深部調剖技術作為一類治理水竄、改善開采效果、提高采收率的重要技術，已被廣泛應用于高含水、特高含水油藏［4-6］。該技術通過調控驅替剖面、封堵高滲透通道，從而達到明顯提高波及體積、有效驅替殘余油/剩余油的目的，已成為我國低滲特低滲油藏實現“控水穩油”的一項關鍵技術。

1 油藏調剖-驅油關鍵問題分析

1.1 水竄關鍵問題分析

水竄是低滲特低滲油藏開發中普遍存在的突出問題。由于油藏主導的水竄機理和類型的不同，其治理方法也不同，明確油藏水竄機理是進行有效深部調剖的首先任務［7］。目前，水竄類型分為以下4類［8］：（1）指進水竄：在驅油過程中，因驅油劑與原油驅替前緣不穩定，任一隨機的微小擾動隨時間發展成前緣的局部突進而形成的水竄，也可將其稱為前緣非穩定突進；（2）非均質水竄：因儲層非均質性導致的驅替前緣沿低滲流阻力方向、條帶、區域或層位快速運移而形成的水竄，稱為前緣非均質突進；（3）重力水竄：在油層的垂向方向上，由于驅替介質與被驅替介質之間密度差引起的重力分離會導致前緣重力突進，最終形成重力水竄；（4）水動力水竄：經長期水驅沖刷的主流區殘余油飽和度很低，作為滲流通道的孔喉尺寸增大，形成連通油水井的低流阻滲流區，注入的水在這一區域內快速、無效流動，稱為水動力水竄。

對于指進水竄，水竄形成、發生在油水交界的前緣，而不是在已形成的水流通道中，其治理的技術思路是增大驅油劑的黏度，降低油水流度比、實現流度控制。而對于非均質水竄，注入水沿油藏中高滲帶（裂縫）向油井無效、高速流動，增大驅油劑的黏度不能有效治理非均質水竄，治理非均質水竄的方案應為油藏深部調堵，其深部調剖技術的思路、原理、方法完全不同于抑制指進水竄的技術思路。低滲油藏中各種類型裂縫的存在以及復雜孔隙結構造成的微觀非均質性，使得低滲油藏水竄治理的研究重點應為深部調剖［9-10］。

普遍而言，調剖劑向油藏深部的順利注入及到達深部后的有效封堵能力是實現油藏深部調剖的必要條件。不論是室內模擬實驗還是油田生產實踐，均已證實在低滲油藏中調剖劑的注入性與調剖劑在油藏深部調剖性能要求之間存在著比在中高滲油藏中更為突出的矛盾，這一矛盾的解決已成為各類油藏尤其是低滲油藏水竄治理的技術瓶頸［11］。

1.2 殘余油高效驅替關鍵問題分析

油藏中的殘余油和水驅后油藏中的殘余油根據其形成和驅替機理可分為：孔喉殘余油、油膜、孔喉水動力滯留油和微觀非均質殘余油?？缀須堄嘤褪侵敢苑腔钊津層头绞綖橹鞯挠筒刂?，被驅替的油相大多占據在孔道中部，一旦遇到細孔道或喉道后，由于“卡斷”作用而在孔道中形成的殘余油，其驅替條件是降低驅油劑與殘余油之間的界面張力以及改善潤濕性。油膜是一類因黏附力而被吸附在儲層巖石礦物表面的殘余油，其驅替條件是以分散或剝離的方式克服原油與孔隙壁面黏附力；孔喉水動力滯留油是儲層中被毛管力圈閉滯留的油滴、油珠和油塊，由于儲油巖石孔隙介質是非常復雜的孔隙網絡，大小分布極不均勻，連通結構極為復雜，通道曲曲折折，粒間空隙常由孔和喉道組成，這些油滴、油珠和油塊等是水驅后殘余油在巖石孔隙中存在的重要形式，其驅替條件是降低油水間界面張力，使驅替水動力學壓力大于上述毛管力差；微觀非均質殘余油是一類因儲層中的微觀非均質性而在微觀低滲（或致密）區域形成的殘余油，其驅替條件是增強驅油劑進入微觀低滲區域的壓力條件、降低驅油劑進入微觀低滲區域的阻力［12］。不同類型殘余油的形成機制不同，對驅油劑性質要求也不同，因此，提高油藏微觀驅油效率的前提應首先明確殘余油的類型，然后針對不同類型殘余油進行驅油劑的研發、篩選。

由于水洗區殘余油高度分散以及殘余油類型多樣，因此，油藏水竄區提高驅油效率難度大。另外，由于水竄通道的形成，驅油劑難以波及剩余油，從而造成油藏尤其是低滲藏和稠油油藏的剩余油難以啟動。

2 油藏深部調剖技術的研究進展

深部調剖是改善油藏非均質性、實現油藏高效穩產的重要手段之一。如圖1 所示，其調剖機理是向非均質油藏中注入化學調剖劑，由于水竄通道滲流阻力較小，調剖劑優先進入高滲層或水竄裂縫中，并在水竄層產生封堵，使后續水發生繞流，擴大后續水波及體積，改善油藏非均質性，達到防治水竄、挖潛剩余油從而提高采收率的目的。

圖1 深部調剖機理示意圖

2.1 凝膠型深部調剖技術

聚合物凝膠調剖體系常以分子鏈中含有活性羧基、酰胺基等基團的水溶性聚合物為主劑，并輔以鋁合物、鉻合物、鈦合物、鋯合物等高價金屬離子或低分子醛類交聯劑配制而成，形成的三維網狀結構凝膠體系具有一定的黏彈性，該體系向油藏深部運移時能起到調剖和驅油協同作用［13］。

自20 世紀80 年代以來，凝膠型調剖劑在我國快速發展，如大慶油田、勝利油田、克拉瑪依油田、中原油田等油田相繼開展從淺調到深調的礦場試驗，并取得良好的控水效果；國外的科威特WFR 油田、美國Arbuckle 油田的凝膠型調剖劑在礦場應用中的降水增油效果顯著；哈薩克斯坦Kenkiyak油田在采用凝膠體系進行深部調剖后，投入產出比可達1∶2.2，獲得了良好的經濟回報。凝膠在孔喉介質運移過程中，由于孔喉的空間局限性，膠體會受到擠壓拉伸，且自身能通過形變穿過孔喉，所以流動能力較強，又因具有一定的強度，后續水會發生繞流，擴大波及體積，使得微觀波及效率得以較大提高［14］。弱凝膠體系具有“邊運移邊封堵”特性，在油藏深部調剖中具有巨大的應用潛力。Zhou 等［15］用HPAM、有機鉻化合物交聯液和凝膠添加劑制備了一種凝膠體系，該體系對高滲透層的封堵率達95%，而對低滲透層的封堵率低于7%，且該凝膠體系具有良好的耐鹽耐溫性能和抗剪切能力，在大慶油田H 區塊低滲透油藏的應用結果顯示復合含水率下降4.66%、井組平均產量增加21%。Zhou 等［16］還研究了超高相對分子質量HPAM/水溶性酚醛弱凝膠體系，篩選了適合低滲透油藏驅替的HPAM的最佳相對分子質量為1100×105。驅替實驗顯示，剩余油在小孔隙中形成大油滴，并以油流的形式被驅出。在大慶油田低滲透儲層Pu125區塊的試驗結果顯示，采用超高相對分子質量HPAM/水溶性酚醛弱凝膠調剖驅體系調剖后單井增產1400 t，全區綜合含水降低7.16 百分點，采收率提高3.58 百分點，有效提高了低滲透油田的采收率。Wu等［17］研制的配方為5%HPAM+0.3%糠醛交聯劑+0.1%穩定劑+0.3%凝膠促進劑+0.1%高溫穩定劑六水氯化鈷（CCH）的HPF-Co 凝膠體系，具有良好的耐高溫性能，經過90 d 老化后仍然具有良好的三維網狀結構。實驗結果表明，HPF-Co 凝膠體系對低滲透斷裂巖心的平均封堵率超過98%。有關弱凝膠體系在油田深部調剖成功的案例仍較少，尤其是在致密-低滲油藏中未有礦場試驗成功的報道。其主要原因有：體系組分的損失，成膠不理想；抗剪切能力差，在地層介質中推進較長距離后，凝膠被剪切破碎而喪失封堵能力，且剪切破碎的凝膠塊難以重新交聯［18］。

2.2 多相泡沫調剖技術

兩相泡沫調剖技術和三相泡沫調剖技術是兩種重要的泡沫深部調剖技術［19］，其作用機制主要是賈敏效應，當泡沫體系通過油藏孔喉介質的孔道時，泡沫在孔道中發生形變，形變后的泡沫對后續流體的流動產生阻礙作用，且阻力隨泡沫量的增加而逐步變大，從而實現封堵大孔道的目的［20］。Wang等［21］針對低溫高鹽度的低滲透裂縫性儲層研制了由耐鹽的氟碳發泡劑、耐油性強的QL甜菜堿、聚合物以及產生低界面張力的BS甜菜堿組成的兩相復合泡沫調剖體系，驅替實驗結果顯示，該體系對滲透率為300×10-3和500×10-3μm2的巖心的封堵率超過50%。Bu 等［22］以甲基苯乙烯（MSt）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）為單體、二乙烯基苯（DVB）為交聯劑、OP-10 為乳化劑，過硫酸銨（APS）為引發劑，采用乳液聚合法制備了平均顆粒為80 nm的交聯聚合物納米微球泡沫穩定劑，并通過正交實驗篩選了三相泡沫的最佳配方。該三相泡沫具有良好的耐溫、耐鹽性能，驅油實驗表明，三相泡沫體系的平均驅油效率，在單巖心實驗中為16.1%，在雙巖心實驗中為21.7%。在低滲透巖心中的阻力系數大于在高滲透巖心的，但兩者的剩余阻力系數較小，且相差不大，說明該三相泡沫體系對特低滲透率儲層具有良好的調剖能力，對低滲透層傷害較小。但是，泡沫體系的強度較弱，且在地層條件下的穩定很差，極易發生破裂，導致封堵有效期較短。

2.3 體膨顆粒調剖技術

體膨顆粒是一種吸水膨脹型的顆粒類調剖劑，對于非均質性矛盾突出、水竄嚴重的地層，其控水、穩油成效尤為顯著［23］。體膨顆粒通常是由有機單體與黏土顆粒復合而成，或通過機械方法對凝膠塊進行造粒制備得到。顆粒通過地層孔喉時附著在巖石表面，吸水后體積膨脹封堵孔喉，進而增大后續水的滲流阻力。當驅動力較大時，膨脹的顆?？烧w突破并繼續向前運移，作用于更前端的大孔道，從而起到逐級調剖作用［24］。另外，體膨顆粒工業量化生產操作方便，油田施工也相對便捷，其顆粒的耐溫、耐鹽性能也可根據實際情況作出相應調整，故體膨顆粒適用于復雜油藏的高滲油層深部調剖。Wang 等［25］采用溶液聚合法，用丙烯酰胺單體、交聯劑與過硫酸鉀制備了預制顆粒凝膠PPGs。預制顆粒凝膠PPGs 具有良好的耐溫耐鹽性能和膨脹性能，在低滲透油藏的現場應用中，表現出良好的堵漏作用。但是針對低滲透油藏的深部調剖，需使用不同粒徑的PPGs 進行調剖才能獲得較好的效果。You等［26］制備了一種新型酚醛樹脂分散顆粒凝膠PDPG。PDPG顆粒穩定性較好，能在油藏深部高溫高鹽的環境下容易團聚，對高滲透通道進行封堵，且PDPG 顆粒生產效率較高，有利于工業應用，礦場試驗結果顯示，組日均產油量由29.7 t 逐漸提高到35.4 t，平均含水率由56.2%降為54.4%。但是，體膨顆粒調剖的有效期較短，后續注水壓力不能長久維持；且對于低滲透油藏，存在難以注入的問題，所以該深部調剖技術并未獲得普遍使用［27］。

2.4 含油污泥調剖技術

含油污泥具有可回收利用率高、應用廣等特性，一直是人們關注的焦點，其主要組分有膠質、石蠟和固相顆粒等［28］。當含油污泥乳狀液運移到油藏深部后，由于剪切、稀釋作用，含油污泥乳狀液中的各相分離，分離出的各組分依靠橋接作用聚沉成較大尺寸的團簇，并黏附在地層孔喉表面，并使其尺寸縮小。增大后續水流阻力系數的同時改變液流流向。另外，污泥乳液中的液滴在孔喉中也具有較強賈敏效應［29］。近幾年，對于含油污泥調剖的研究較多。青海油田部分區塊采用添加懸浮劑的含油污泥進行調剖，井組的產液量上升，含水率下降，累計增油達87.7t［30］。朱英月等［31］研究了一種由含油污泥、懸浮劑和交聯劑組成的調剖體系。該體系具有良好的抗老化性能，且室內實驗結果顯示，其封堵率達到94%。謝建勇等在準東油田采取了3種污泥調剖體系對油藏裂縫進行封堵，結果顯示，懸浮體系、凍膠體系和固化體系的組合使用具有良好的穩定和封堵性能。含油污泥調剖技術實現了對含油污泥的資源再利用，成本較低［32］。但是含油污泥的組分較為復雜性，其乳化后的乳滴尺寸也存在較大差異性，因此，將含油污泥應用于油藏調剖存在一定風險［33］。且受到油藏條件的限制較大，對低滲透油藏進行深部調剖容易堵塞地層。

2.5 就地聚合凝膠調剖技術

就地聚合凝膠調剖體系的研發思路為：以聚丙烯酰胺或丙烯酰胺單體為配液基礎，再加入具有特定性能的單體、交聯劑以及其他輔助試劑，然后將凝膠溶液泵入油藏中，使凝膠溶液在地下交聯生成具備一定黏彈性和強度的凝膠塊［34］。由于配制的凝膠溶液初始黏度較低，與水的黏度相近，因此，凝膠溶液的注入性良好［35］。目前，關于就地聚合凝膠封堵材料的報道也較多，例如，唐孝芬團隊研發的TP 調堵體系，蒲萬芬團隊研發的XN-PP 封堵體系等。針對就地聚合凝膠體系成膠時間過快的問題，岳湘安團隊分別研究了SR&NI ATRP 引發體系、ARGET ATRP 引發體系和含微囊引發劑的就地聚合凝膠體系，均有效延長了就地聚合凝膠體系的成膠時間，且含微囊引發劑的就地聚合凝膠體系能夠順利進入平均滲透率為50×10-3μm2的巖心，對低滲透油藏具有良好的調剖作用［36］。雖然，就地聚合凝膠體系的注入性良好，但其對成膠環境的要求較高，受到多種因素影響，如：色譜分離、吸附、稀釋、礦化度、pH 值等，尤其是高溫條件下成膠時間的調控極為困難，這也導致凝膠溶液的成膠強度難以控制，進而對水竄通道的封堵能力有限，這也限制了就地聚合凝膠體系的應用［37］。

2.6 聚合物微球調剖技術

聚合物微球是在無機顆粒調剖劑基礎之上逐步形成的具備良好應用前景的深部調剖劑。通過對聚合物微球分子結構的優化，可顯著提高其耐溫耐鹽性能，并且在微球配制施工中可用污水配制，不僅減少污水處理量，還節約清水；另外，聚合物微球施工過程中受外界影響也較?。?8］。聚合物微球的調剖機理為：未溶脹的彈性聚合物微球被注入地層后，在滲透壓的作用下吸水膨脹，膨脹后的微球尺寸大大增加，這些溶脹的微球通過吸附、架橋作用封堵地層孔喉。當驅替壓力較大時，形成的封堵會被突破，致使聚合物微球在更前端重新形成新的封堵，進而實現逐級深部調剖堵水的目的［39］。但是，在施工應用時存在以下難點：油藏孔喉半徑分布較散，難以匹配合適粒徑的微球，尤其是對于致密-低滲裂縫性油藏，裂縫發育程度較高，依據尺寸匹配關系優選的聚合物微球調剖劑在裂縫中運移阻力小，不能起到封堵作用。此外，大多采用反相乳液聚合法制備聚合物微球，因此，聚合物微球在水中的分散性較差［40］。Zhang 等［41］采用蒸餾-沉淀聚合法，利用丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯制備了納米級聚合物微球。該聚合物微球表現出良好的耐鹽性和抗剪切性，并具有良好的滲吸后選擇性進入能力，適用于低滲透油藏底部的深部流體分流。巖心驅替實驗表明，對于滲透率為10 μm2的非均質巖心有良好的調剖作用。Zou等［42］將一種原位聚合物微球（ISPM）乳液注入地層中通過聚合形成可用于調剖控制的微球，多點壓力測量實驗和電鏡結果表明，ISPM 乳液在低滲透磁導芯中具有良好的注入性，ISPM 乳液可以在微小孔隙中聚合形成微球，有利于進入低滲透油藏的深部位置進行封堵。

2.7 微生物調剖技術

微生物在地下能夠以糖類物質為營養源，代謝產生不溶于水的聚合物。這些代謝產物在水竄通道中聚集黏結，從而有效堵塞油藏中的高滲通道。另外，由于微生物代謝產物可以降低原油黏度，因而，微生物代謝物具有調剖-驅油的雙重功能［43］。20世紀70年代，國外已將微生物調剖技術應用于油田礦場，如美國佩恩縣油田、秘魯北海油田，并已取得顯著經濟效果。近年來，我國大慶、勝利、塔里木等油田也已開展微生物調剖-驅油先導試驗，均取得良好經濟效益。大慶油田通過選用與地層孔喉半徑、滲透率大小相匹配的蠟狀芽孢桿菌和短短芽孢桿菌在外圍低滲透油藏進行了微生物調剖試驗，試驗期間，日產油由33.6 t增至44.8 t，含水率由65.7%降至62.7%［44］。應用短短芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌等菌種在大慶朝陽溝低滲透油田開展的微生物調剖試驗也取得理想效果，生產井日產液量增加36 t，日產油量增加16.1 t，含水率下降6.6%，一年內累計增油5800 t［45］。長慶油田在塞169 油藏采用微生物調剖，使得該低滲透油藏的含水下降，驅油效率提升5.46%～11.93%［46］。在馮66-72、西25-15和王16-5等低滲透油藏區塊也開展了微生物調剖試驗，均取得良好的增油效果［47］。但是，在高溫高礦化度條件下，微生物調剖技術存在菌種選擇難、適應性差的難題，限制了微生物調剖技術的進一步應用［48-49］。

2.8 復合調剖技術

隨著油田開發不斷深入，單一型深部調剖體系面臨的問題愈加嚴峻。在油藏高溫高鹽的惡劣環境下，單一調剖體系自身的不足以及特殊材料調剖的高昂價格，使得單一調剖體系難以滿足生產需求。將兩種或兩種以上的調驅體系通過復配得到復配體系，利用單一體系間的協同作用克服單一調剖體系的不足，具有廣闊的應用前景。張文喜等［50］研究了一種雙相復合凝膠調剖體系，該體系的各組分在大孔道中通過耦合形成低分子初聚體，然后通過水化反應形成具有高強度的膠體進行封堵，能優先對滲透率較大的孔道進行封堵。畢臺飛等［51］在安塞油田采用PEG-1凝膠+聚合物微球復合調剖技術，使平均單井組累計增油83.6 t，累計降水142.6 m3，井組含水率快速上升的趨勢得到有效遏制，有效擴大水驅波及體積。Cai 等［52］以復合材料HDSX-1、N1-2 和聚合物AP-P4 為主劑研發了一種凝膠泡沫復合調剖驅油體系，該體系具有黏度低、配制容易、注入性好、交聯反應慢、強度高、長效等特點。室內雙管驅油實驗最終采收率達35.01%，提高了23.69百分點。油田試驗結果顯示，原油增產899 t，平均含水下降5%。Yang 等［53］研究了納米微球、單相凝膠顆粒（PEG）和交聯本體凝膠膨脹顆粒（CBG-SP）對低滲透油藏的調剖作用。實驗結果顯示，在滲透率為50×10-3～100×10-3μm2的低滲透通道中，平均粒徑為100 nm納米微球的深部調剖效果較好，采用含聚乙二醇（PEG）、CBG-SP 和納米微球的多段塞有利于提高低滲透油藏的采油效果。Wang 等［54］也考察了納米微球、PEG、CBG-SP 對低滲透裂縫性儲層的深度調剖能力，結果顯示，小顆粒（平均粒徑為100 nm）納米微球表現出相對優異的調剖控制效果，PEG適合在低滲透裂縫性儲層中發揮“堵控”作用，而CBG-SP 能夠實現井區附近“堵驅”的效果。雖然復合調剖體系的調剖效果優于單一體系，但是單一調剖體系間的協同機理尚未完全明確，而復配體系的良好的協同作用離不開單一體系間良好的配伍性。

綜上可知，油藏調剖技術種類較多，每一種調剖技術具有各自優勢的同時也存在一定的缺點。不論是大量油田生產實例還是模擬實驗結果均證實，在實際油藏中，現有常規調剖劑技術水竄治理效果普遍不理想，調剖劑注入性與其深部封堵能力之間的尖銳矛盾已成為油藏深部調剖技術亟待突破的關鍵問題，亟需有針對性的新技術［55］。

3 結束語

油藏深部調剖-驅油技術面臨兩大矛盾：調剖劑注入性與油藏深部水竄通道封堵的矛盾以及深部調剖與剩余油驅替的矛盾。深調的突出矛盾要求調剖劑要具有盡可能低的注入阻力和盡可能高的水流通道封堵強度；而不同類型油藏殘余油對于驅油劑的乳化能力、界面張力、增溶能力要求不同。目前，常規深部調剖-驅油技術已無法滿足日益復雜的開發條件，今后的油藏調剖-驅油技術發展趨勢包括以下幾個方面：

（1）研發以解決注入性與油藏深部水竄通道封堵矛盾為目的新型調剖劑。傳統的調剖技術對于歷經長期開采和多輪次調剖的常規油藏，尤其是對于低滲等復雜油藏的適應性普遍較差，調剖劑的注入性與其對油藏深部水竄通道封堵能力之間的突出矛盾是制約各類油藏水竄治理效果的技術瓶頸。因此，研發兼具優良注入性和強封堵能力的深部調剖劑已成為高含水油藏高效開發的迫切需求。

（2）由于低滲透油藏的滲透率較小，調剖劑的顆粒直徑必須足夠小才能進入低滲透油藏的深部進行調剖，且調剖劑必須具有較好的選擇封堵性。低滲透油藏與中高滲油藏相比，其有效通道明顯小于常規油藏，因此，在優先封堵高滲透通道的同時要避免阻塞低滲透通道。

（3）先注入粒徑較小的調剖劑使其進入低滲油藏深部，再逐步注入較大粒徑的調剖劑，更容易對油藏深部的高滲透通道進行封堵。除了將合成好的調剖劑注入地層，還可以將合成調剖劑的乳液注入地層，利用地層的高溫、高壓和高鹽的環境進行反應，在高滲透通道中生成封堵物質。該方法能較好地使調剖劑進入油藏深部，但是由于油藏的環境較為復雜，實際使用過程中需要精準控制反應的發生，這是一大難點。

我國油田已進入高含水、高采出程度的“雙高”階段，開發效果逐年變差，受沉積、儲層物性及非均質性等因素的影響，剩余油分布狀況復雜、殘余油類型多樣，尤其是低滲特低滲油藏的大規模開發，對油藏調剖-驅油技術提出了更高的要求。因此，面對日益復雜苛刻的油藏條件，明確油藏深部調剖-驅油技術面臨的技術瓶頸，探究驅油體系對不同類型殘余油作用機制，探索提高驅油效率的微觀機理，是目前高含水油田穩產增產所面臨的極大挑戰。