化学调剖堵水剂研究现状

2022-04-27唐佳斌李悦欣肖路业赵春立杨双春

应用化工 2022年2期

唐佳斌，李悦欣，肖路业，赵春立，杨双春

(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001)

油层过早见水或出水过多将会给油田开发工作带来严重影响，不仅会导致形成部分死油区，严重时会使油井停产，影响油田综合开发效益[1-3]。采用化学堵水工艺能够有效解决油井出水问题，该工艺利用堵剂在地层中变化生成的物质达到封堵地层出水孔道的目的，并且能够提高油田的最终采收率[4-5]。我国油田化学堵剂由最初的水泥浆、树脂堵水逐渐发展成为采用水溶性聚合物及其凝胶堵水[6-7]，经济效果也明显提高[8]。经过对各类化学堵剂文献的调研、整理和分析，本文对各种化学堵剂进行了阐述，分析了堵剂在现场应用中的优势，对其未来的发展提出建议，以期为相关研究提供参考。

1 水泥型堵剂

康红兵[9]选用普通G级油井水泥、粉煤灰、硅粉、0﹟柴油、原油等材料进行油基水泥浆的配制，并根据稳定性和流动性优选出相应的堵剂配方：油灰比为1∶1，G级油井水泥与粉煤灰、硅粉之比为8∶1∶1，润湿分散剂B1加量2.5%，高温缓凝剂T1加量为3.5%。研究表明该堵剂在岩心堵水实验中能够有效封堵大裂缝，并且具有良好的耐高温、耐冲刷性能。安娜[10]选用水与国产超细水泥(平均粒径7 μm)质量比为1∶0.8～1∶1.2、悬浮分散剂XFJ-1浓度0.1%～0.3%、缓凝剂HNJ-2浓度0.5%～1.5%的堵剂配方对楚28断块油井进行堵水作业，该堵剂体系利用超细水泥微小粒径可进入微渗孔隙的特点达到深部封堵的目的，对孔隙性岩芯堵塞率可达90%以上，可适用于60～110 ℃的油藏温度条件且封堵强度高，耐冲刷性能好，但该堵剂油层的封堵可能是不可逆转的，在使用时需要考虑油井的开发情况。现场应用结果表明该堵剂能够有效降低产水量(降水率为48%～61%)，但超细水泥水化速度较快，初凝时间比普通水泥短，存在安全风险。

水泥堵剂在高渗油藏的应用较为广泛，传统水泥堵剂具有耐温、耐盐，价格低廉的特点[11-12]，但堵水有效期短并且作为非选择性堵剂会对油层造成伤害。水泥类堵剂中只有油基水泥能够进行选择性堵水，但选择能力相对较差，在今后的研究中可以结合凝胶、冻胶等类型堵剂同时对油井进行封堵作业，以增强堵水效果。

2 树脂型堵剂

赵修太[13]以丙烯酸钠和丙烯酸胺单体为原料制备了高吸水性树脂(AAWR)，并将其配成0.1%～0.2%的水基悬浮液进行堵水性能实验。研究表明，AAWR微粒进入岩心孔道中吸水溶胀，进而将孔道封堵，对于渗透率低(<10 μm2)，矿化度低(<5 000 mg/L)，突破压力高的情况，AAWR堵剂堵水率高达99%以上，堵油率仅为10%左右，其具有堵水效果好、选择性强的特点。但AAWR的吸水性能容易受到被吸介质、温度、水溶液酸碱性及矿化度的影响，稳定性较差。张文玉[14]采用了一种新型的改性脲醛树脂堵水技术，由脲醛树脂预聚体上的活性基团[羟甲基(—CH2OH)、酰胺基(—CONH—)]与固化剂(酸性物质)进一步发生缩聚反应，生成不溶不熔的高强度的热固型脲醛树脂，产生堵水作用。研究表明，脲醛树脂固化后具有很高的强度，固化剂在常温下提供H+的浓度很小，不致于引发固化反应，而堵剂注入地层后温度升高，固化剂所提供的H+浓度增大，固化反应加快，则需要加入延缓剂(碱性物质)中和掉一部分H+，延长固化时间，保证了堵剂在地面配液时不成胶，而注入地层后成胶良好，使现场施工安全、方便，但作者并未进行堵剂对酸的敏感性实验，无法得出该堵剂适用的H+浓度范围。该技术实际应用于28口井，累计增油13 688 t，降水60 835 m3，取得了较好的经济效益和社会效益。

树脂堵水剂通过低分子物质发生缩聚反应产生高分子物质，高分子物质之间相互联结，达到封堵水层的目的，对孔隙、裂缝及孔眼等具有较好的封堵效果[15-16]。树脂类堵剂在低渗油藏中能发挥较好的封堵作用，但不适用于高渗油藏，未来可以在树脂堵剂中加入智能堵水材料，扩大其适用范围。目前胜利油田、大庆油田等地有部分油井采用树脂型堵剂进行堵水作业，但是该堵剂成本较高，需要考虑油田综合开发效益进行选择。

3 颗粒型堵剂

孙卫[17]对TP-920膨胀固体颗粒与甲叉基聚丙烯酰胺(PHMP)复合堵剂的封堵机理进行研究，TP-920固体颗粒进入地层大孔道和微裂缝后，便会吸水膨胀并依靠其自身分子链上接枝的酰胺基与遇阻处孔道表面的氢键结合产生吸附，牢固地滞留于大孔道与微裂缝中形成物理堵塞，同时PHMP携带液在吸附水膜机理作用下又可起到改变渗流空间和驱替小孔隙中残余油的双重效果。研究结果表明固体颗粒遇水体积迅速膨胀20～50倍，对大孔道和微裂缝的封堵效果十分突出，但堵剂注入地层后受地层温度长期影响，若堵剂热稳定性差则会发生部分交联聚合物受热分解。贺越[18]针对长庆油田安塞油田低渗区块地质参数设计了以聚丙烯酰胺、丙烯酸、粘土、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺等材料为主的交联颗粒堵剂体系。研究表明交联颗粒堵剂在地层中遇水膨胀3～6倍，能够封堵裂缝和孔喉并驱替出一部分剩余油，具有良好的耐温、耐盐以及抗剪性能。选择交联颗粒堵剂应考虑油藏孔隙度与颗粒粒度的匹配情况，针对不同地质情况需要对颗粒堵剂进行进一步优选。应用该堵剂进行现场实验，施工后井含水率由84.4%下降至70.3%，日产液增加4.91 m3，日产油增加2.01 t，具有显著的堵水效果。

为了对深部油层进行控水调剖，需要选用堵水性强并且具有膨胀堵塞作用的堵剂，以改变深部液流方向，提高注水波及系数[19]。颗粒型堵剂中的体膨型颗粒遇水膨胀，对裂缝和孔道有较强的封堵作用，能够改善油层剖面，同时具有封堵与驱替的双重作用，在油田中应用较为广泛。常见的颗粒堵剂材料有粘土、坚果壳、石灰乳、青石粉、交联的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇粉等，目前对聚丙烯酰胺材料的应用较多，但该材料长时间在高温条件下容易受热分解，影响颗粒堵剂的封堵效果。随着油田开发的深入，未来需要更多具有耐高温耐盐性能的堵剂，因此需要提高颗粒堵剂的稳定性。

4 冻胶型堵剂

周伟[20]研究了变强度冻胶体系的配方和机理，考虑成本、环保和性能要求等因素的影响，选择酚醛树脂冻胶作为冻胶型深部调驱剂的基本配方，交联剂酚醛树脂中的—CH2OH与聚丙烯酰胺(HPAM)的—CONH2发生交联反应形成酚醛树脂冻胶。研究表明该冻胶体系注入地层后，随着聚合物浓度的增加或者交联剂浓度的增加，酚醛树脂冻胶的成冻时间缩短，冻胶强度增加；而叔丁基过氧化氢受热分解使冻胶强度逐渐降低。冻胶体系强度先增强然后再逐渐降低，提高了注入水的波及系数，从而在地层深部起到既调又驱的双重作用。李亚洲[21]选用以丙烯酸类树脂(MMA)为主的聚合物冻胶堵剂进行研究，该堵剂进入地层后发生反应，生成具有一定强度的聚合物或树脂，起到封堵裂缝、大流通孔道及明显的出水层的作用，其封堵强度可达到6×104mPa·s，堵塞率高达99.79%，在控水调剖方面应用效果好。研究表明聚合物冻胶的成胶强度受到矿化度的影响，随着矿化度增高，成胶强度降低，对于地层水矿化度较高的油田不适用。同时该堵剂具有良好的热稳定性能以及耐冲刷性能，可用于出水层位清楚的单向见水油井堵水。

聚合物冻胶类堵剂是目前国内外应用较多的一类堵剂，该堵剂是由高分子聚合物溶液在交联剂作用下失去流动性形成具有网状结构的物质，能够堵塞注水形成的水流大通道，迫使注入水重新形成新的旁通孔道，增大波及区域体积[22-24]。新型聚合物冻胶堵剂封堵有效期长、封堵强度高，但容易受到pH值、地层温度等条件的影响，今后的研究中需要加入稳定性强的堵剂材料以满足复杂条件下的堵水作业。

5 凝胶型堵剂

李海营[25]确定了主剂为阳离子聚合物聚丙烯酰胺(CPAM)，交联剂为分子中含有杂环的有机胺的堵剂配方，以满足高温高盐油藏的开发要求。通过热稳定性和动态模拟实验评价该堵剂的耐高温性能和封堵能力，结果表明该堵剂在地层中热稳定、配伍性好，封堵强度高，适用于非选择性化学堵水。该堵剂两年累计增油3 462 t，降水5 570 m3，单井含水率由95%下降到42%，取得了显著的增油降水效果。柳继仁[26]确定了适合低渗油田的以阳离子型聚丙烯酰胺聚合物为主的堵剂配方，基本配方为：阳离子度为25%的聚丙烯酰胺浓度0.5%+木钙6.0%+交联剂0.4%，该堵剂不受矿化度和碱液的影响，堵水稳定性好，并提出了针对不同含水饱和度及渗透率的油层优选不同堵剂配方的思路，此举使得不同含水饱和度、不同渗透率地层条件下的堵水率升高同时堵油率大大降低，提高了堵剂的增产效果。该堵剂在实际应用中累计增油5 374 t，降水38 666 m3，共创经济效益1 446.68万元，取得了较好的经济效益。作者认为井况的不同也会对堵剂的效果产生影响，建议结合单井开发历史调整堵剂配方。曹广胜[27]在堵水剂成胶特性测定时发现阳离子聚丙烯酰胺易发生脱水现象不成胶，而阴离子聚丙烯酰胺成胶效果好，因此针对朝阳沟油田研制的最佳选择性堵水配方为：0.7%阴离子HPAM+2%木质素磺酸钙(Ca-Ls)+0.3%有机铬+0.15%碳酸氢钠(NaHCO3)+0.005%硫脲。现场施工3口井，累计增油2 225.3 t，累计降水11 631.2 t，表明该堵剂具有较好的封堵性能。

凝胶型堵剂，目前在我国的河南油田、大庆油田应用较多[28]。该堵剂具有较高的封堵强度并适用于高矿化度地层，但在高温油藏条件下成胶不易控制，需要根据油藏条件不断进行配方的优选，未来可与物理模型技术结合，形成完整的堵剂配方优化理论。

6 油基堵剂

盛亚平[29]采用改性甲硅烷高沸釜残作为堵剂材料进行油井堵水，该有机硅化合物能很好的溶于油而不凝聚，遇水则易水解缩聚生成有机硅聚合物，牢固地附着于硅质岩石表面，形成一层疏水亲油膜，因而具有降水增油的效果，同时其良好的附着粘结性可以用来固结疏松砂岩。现场实验表明，油井采用该堵剂后单井平均日增油9～10 t，含水率下降平均20%以上，经处理后的油井含砂均小于0.01%，降水固砂效果明显。但堵水有效期较短(平均有效期仅为半年)，成功率低，因此需要对堵剂质量、剂量以及施工质量等因素进行改进。任辉[30]为解决高升油田油井水淹、水窜的问题，研制了稠化油选择性堵水技术。该技术通过低粘稠油与乳化剂组合进入水层遇水乳化，堵塞出水通道，进入油层与地层原油相融合，在油井生产时返排出来，达到选择性堵水的目的。稠化油堵水技术施工后日产液下降9.5 t，日产油增加0.2 t，含水下降14.7%，取得了较好的增油降水效果。作者在选择稠化油堵水剂配方时只考察了地层水矿化度对乳化剂的影响，没有考察地层温度对乳化剂稳定性的影响。

油基类堵剂主要包含有机硅类和稠油类堵剂[31-32]，是一种以油作溶剂或作分散介质的选择性堵水剂，可在复杂的油藏条件下进行堵水作业，具有较高封堵强度。但堵水有效期相对较短，未来人类将面对极端复杂的油藏开发条件，需要封堵有效期更长的堵剂，延长堵剂的封堵有效期将会是油基类堵剂研究的重点。

综上所述，6种化学堵剂间的对比见表1。