喇嘛甸油田低成本瀝青顆粒調剖技術

任成鋒

（大慶油田有限責任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶 163114）

0 引言

喇嘛甸油田屬于多段多韻律油藏，厚油層比較發育，并且非均質性嚴重，經過長期注水開發，層內水淹級差越來越大，剩余油分布更加零散，高滲透部位無效注采循環嚴重［1］.薩葡厚油層內韻律不同部位水洗狀況資料表明：韻律段上部低未水洗厚度比例為46.59%，平均采出程度為25.71%；韻律段下部低未水洗厚度比例為15.29%，平均采出程度為45.01%；剩余油主要分布在層內各韻律段上部［2］.為充分挖掘厚油層的生產潛力，目前主要采取長膠筒層內細分工藝［3］，部分井采取層內機械細分后，由于層內夾層不穩定或無隔層，封堵后封堵段存在吸水狀況，采用常規的機械方法已無法實現剖面調整的目的.

常規的化學調剖方法包括凝膠型［4-6］、普通凝膠顆粒型、體膨顆粒型［7-8］、聚合物微球型［9-10］和其他類型等，存在選擇性差，容易出現同時封堵油水通道，封堵強度不足，易于失效和施工費用較高等問題.

瀝青顆粒屬于非體膨顆粒型.瀝青顆粒調剖是利用注入液攜帶瀝青顆粒進入地層，在運移過程中，利用顆粒的機械堵塞作用和地層溫度條件下的粘結特性，封堵層內高滲透部位，從而擴大波及體積，提高采收率［11-13］.瀝青顆粒調剖具有優點：瀝青顆粒在地面合成，避免常規凝膠在地下交聯反應的不確定性；瀝青顆粒來源于地層，對地層的傷害小，有利于后續的儲層改造；瀝青顆粒具有良好的選擇性注入，一定粒徑的瀝青顆粒能選擇性進入高滲透層水流通道，而不進入或少量進入中低滲透層.針對喇嘛甸油田的特點，對瀝青進行調質改性、磺化及降溫研磨，并通過填砂管實驗和礦場試驗，評價瀝青顆粒的封堵性能、耐沖刷性能等［14-15］.

1 調剖劑研制

瀝青主要是由飽和酚、芳香酚、膠質和瀝青質按不同比例組成的膠體結構，密度為0.96～1.04g／cm3（見表1）.瀝青沒有固定的熔點，當溫度升高時，瀝青的塑性增大，黏性減小，由固體或半固體逐漸軟化，變成黏性液體；當溫度降低時，瀝青的黏性增大，塑性減小，由黏流態變為固態.在一定溫度范圍內，具有彈性變形能力和粘結特性，滿足調剖劑可變形運移和粘結封堵孔隙的基本條件.

受瀝青顆粒本身特性的影響，在加工過程中需要克服技術難題：一是運移能力低，瀝青顆粒屬于固體型，易于在近井孔喉處堆積；二是分散性差，普通瀝青顆粒具有親油憎水的特性，在水溶液中攪拌后靜止3 min懸浮率僅有30%；三是加工難度大，在粉碎研磨過程中瀝青溫度上升過快，瀝青顆粒易出現粘結現象，影響顆粒粒徑加工精度.因此，采用瀝青原材料優選、瀝青調質改性、磺化及降溫研磨三步加工法，使調剖劑性能指標大幅度提高，以滿足現場施工要求.

表1 石油瀝青各組分性狀Table 1 Component properties of petroleum bitumen

1.1 瀝青原材料優選

按瀝青的化學性質及各種組分的比例和流變特性，可以分為溶膠、溶—凝膠和凝膠三種結構.瀝青質是組成瀝青膠體體系的核心物質，以瀝青質為中心，膠質吸附于周圍形成膠束，分散在由芳香分和飽和分組成的分散介質中.含瀝青質和膠質越高，瀝青的黏度越大，彈性變形能力越強.因此，含瀝青質和膠質成分越多，瀝青顆粒的封堵能力和變形運移能力越好.

選取大慶油田、遼河油田、勝利油田的10＃、20＃、30＃、50＃瀝青，瀝青組分的質量分數見表2.由液固吸附色譜對比結果表明，不同油田相同型號瀝青的瀝青質與膠質質量分數基本相當，并且隨著瀝青型號減小，瀝青質與膠質質量分數逐漸增高.因此，優選瀝青質與膠質質量分數為77.5%的勝利油田10＃瀝青作為原材料.

表2 不同油田不同型號瀝青組分的質量分數Table 2 Mass fraction of bitumen component about different models in different oilfields%

1.2 瀝青調質改性

瀝青作為一種復雜的混合物，存在溶解平衡、膠體平衡和擴散平衡等，當加入某種改性劑后，可以使原有的平衡狀態發生變化，把改性劑的一些優良性質帶入瀝青，從而改善瀝青的某些性能.在油層溫度條件下，為了確保瀝青顆粒具有較好的彈性變形能力和分散性能，在加工過程中加入2種改性劑，同時進行氧化處理，調整彈性變形溫度.

一是加入SBS聚合物，增強彈性變形能力.SBS具有較大的黏彈性范圍，軟段與硬段相嵌，兼具塑料和橡膠特點，在低溫時呈彈性.SBS具有優良的充油性，可以吸收瀝青中的部分飽和分和芳香分而充油溶脹，提高瀝青的熱穩定性和彈性恢復性能.

二是加入輕質碳酸鈣，進行密度調節.當調剖劑密度接近1g／cm3時，在水中的懸浮性較好，并且基質瀝青及添加的SBS彈性體的密度均小于水的，因此選擇添加輕質碳酸鈣對瀝青的密度進行調節.在加入SBS彈性體和溫度調節樹脂改性反應后，加入一定劑量的輕質碳酸鈣，繼續攪拌0.5h，得到復合瀝青產品；再分別添加質量分數為1%、2%、3%、4%、5%、6%輕質碳酸鈣，測試復合瀝青的密度（見表3），確定勝利油田10＃瀝青加入輕質碳酸鈣質量分數為4%.

表3 不同輕質碳酸鈣質量分數對復合瀝青密度的影響Table 3 Effects of different light calcium carbonate content on composite bitumen density

三是進行氧化反應，調整彈性變形溫度.由于油分質量分數較高，因此石油瀝青溫度敏感性較高，軟化點低，針入度大；在油層溫度條件下，變形運移能力下降，易在近井油層中堆積和粘結.因此，在加工過程中通入氧氣，使氧分子在高溫下與瀝青發生脫氫、氧化和縮聚化學反應，使瀝青質質量分數不斷上升，針入度指數逐漸提高.通過溫度、風量和反應時間控制，使復合瀝青的黏彈域溫度在42～50℃可調，以適應喇嘛甸油層溫度的需要.

1.3 磺化及降溫研磨

磺化是利用瀝青中的烷烴與磺酰氯發生取代反應，生成瀝青磺酸鈉鹽.由于攜帶磺酸基，磺化瀝青水化性增強，其他有機部分仍然親油，從而增強瀝青顆粒在水中懸浮性.磺化瀝青水溶性可以達到72.2%，顆粒能夠較好地分散在水溶液中，但是顆粒的耐水沖刷性能減弱.因此，采取降低磺化比措施，磺化瀝青與復合瀝青質量比按1∶9進行熔化混合，處理后瀝青顆粒在水溶液中攪拌后靜止3min懸浮率大于90%（見表4）.

固體改性瀝青在加工成瀝青顆粒時易出現粘結現象，影響顆粒粒徑加工精度.利用瀝青具有冷脆性的特點，在研磨過程中，用溫度5～6℃的飽和鹽水對改性瀝青沖洗降溫，避免出現粘結現象，加工粒徑在0.02～1.00mm的瀝青顆粒，以滿足不同孔道調剖的需要.

通過三步加工法，瀝青顆粒的性能指標得到大幅度提高，瀝青顆粒在水溶液中攪拌后靜止3min懸浮率大于90%，黏彈域溫度在42～50℃可調，粒徑在0.02～1.00mm可控，各項指標滿足現場施工要求.

表4 瀝青磺化前后性能Table 4 Bitumen properties before and after sulfonated%

2 實驗評價

為驗證瀝青顆粒調剖劑的調剖效果，利用RUSKA恒流設備驅油實驗裝置，從封堵率、耐沖刷性能方面開展瀝青顆粒填砂管實驗評價.

實驗材料：實驗用水，模擬油田實際采出水質配制相同礦化度清水，以及油田實際采出液處理后回注污水；實驗溫度，模擬大慶油田地層溫度45℃；實驗用油，礦場采出原油；瀝青顆粒，粒徑為0.06～0.08 mm，用污水稀釋至質量濃度3 000mg／L；實驗巖心，填砂管.

實驗步驟：填砂管裝好后，測定氣測滲透率；填砂管抽空，飽和水，測定孔隙體積；以0.5mL／min的速度飽和油，計算孔隙度和水測滲透率；以0.3mL／min的速度注入瀝青顆粒調剖劑，同時監測壓力變化.

制備5根長度為60cm、直徑為3cm的填砂管，測量孔隙度和有效滲透率，在45℃溫度條件下，飽和礦場采集的采出油，再用地層水水驅至含水率98%（見表5）.

2.1 封堵率

將1～5＃填砂管分別注入地層水配置的不同孔隙體積倍數（PV）瀝青顆粒調剖劑（粒徑為0.09～0.12mm，質量濃度為3 000mg／L），測量調剖后滲透率（見表6）.由表6可以看出，調剖劑的封堵率達到86%以上，并且隨著調剖劑段塞量的增大，封堵率和殘余阻力因數相應增加.

表5 填砂管物性參數Table 5 Material parameters of sand filling tube

表6 瀝青顆粒調剖劑填砂管封堵率實驗數據Table 6 Experimental data of plugging rate with sand filling tube by bitumen particle profile control agent

2.2 耐沖刷性能

取調剖后的填砂管，用污水驅替30PV，測量滲透率變化，并且計算沖刷后的最終封堵率（見表7）.由表7可以看出，最終封堵率維持在70%以上，表明調剖劑有較好耐沖刷性.

表7 瀝青顆粒調剖劑填砂管耐沖刷實驗數據Table 7 Experimental data of resistance to erosion with sand filling tube by bitumen particle profile control

3 現場試驗

試驗區位于喇嘛甸油田北部某水驅區塊，試驗區面積為0.95km2，開采葡Ⅰ4～高Ⅰ4＋5油層，砂巖平均厚度為24.9m，有效厚度為15.5m，油層孔隙體積為300.3×104m3，原始地質儲量為161.4×104t.試驗區注采井距為300m，共有試驗井22口、采油井18口.區塊產液量為1 980t／d，產油量為80t／d，綜合含水率為96.0%.

3.1 方案設計

采取三段塞注入方式，分別為前置段塞、主段塞和封口段塞，調剖段塞設計方案見表8.

表8 調剖井調剖段塞設計方案Table 8 Design program of profile control slug with profile control wells

第一段塞為前置段塞，采用粒徑為0.04～0.06mm，質量濃度為4 500mg／L的瀝青調剖液，主要是封堵高滲透條帶，防止調剖劑竄流.

第二段塞為主段塞，采用粒徑為0.02～0.06mm，質量濃度為3 000mg／L的瀝青調剖液，主要是調整平面和層內的非均質性，提高注入液波及體積.

第三段塞為封口段塞，采用粒徑為0.04～0.08mm，質量濃度為4 500mg／L的瀝青調剖液，主要是防止突破，延長調剖有效期.

3.2 試驗效果

試驗區于2011年10月開始施工，平均單井施工周期為152d，累計注入顆粒固體量為68.50t，調剖液為21 393m3；比設計多注入顆粒固體量0.75t、調剖液1 168m3.調剖后，在注入量不變條件下，平均注入壓力由調剖前的8.4MPa上升到調剖后的12.0 MPa.由調剖前后吸水指示曲線看出，調剖后油層平均啟動壓力上升2.8MPa，吸水指示曲線平行上移，說明瀝青顆粒有效封堵高滲透部位，改善低滲透部位的吸水狀況（見表9）.

表9 油層啟動壓力變化數據Table 9 Data of reservoir starting pressure MPa

在注入瀝青顆粒調剖液50d后，采出端開始見效.調剖后，試驗區16口無措施（措施不包括調參、檢泵）采出井中有13口受效.其中，含水率下降、產油量上升的一類見效井有8口，主要分布在五點法布井的注入井周圍，與之連通的主要注水井進行調剖，含水率下降，產油量上升，增油效果明顯.調剖結束初期，產液量為896.0t／d，產油量為53.9t／d，綜合含水率為94.0%，與措施前相比產液量下降76.0t／d，產油量上升11.8t／d，含水率下降1.7%.

產液量下降、含水率下降的二類受效井有5口，主要分布在已實施瀝青顆粒調剖的行列式注水井排兩側的邊井，與之連通的主要注水井實施瀝青顆粒調剖的井數占主要連通注入井總數的50%以上.由于采油井單側調剖封堵，受未調剖注入井影響，地下流場發生改變，導致采出井產液量下降、含水率下降.調剖結束初期，產液量為536.0t／d，產油量為28.0t／d，綜合含水率為94.8%，與措施前相比產液量下降229.0 t／d，產油量下降1.9t／d，含水率下降1.3%.

未見效井有3口，主要是調剖井周圍的邊角井，與之連通的主要注水井未實施瀝青顆粒調剖，所以未見到調剖效果.

試驗區16口無措施采出井見效13口，階段有效期為612d，累計增油量為4 132t，降水量為15.4×104m3.

4 結論

（1）采用瀝青原材料優選、瀝青調質改性、磺化及降溫研磨三步加工法，使瀝青顆粒的性能指標得到大幅度提高.磺化和密度調節使瀝青顆粒在水溶液中攪拌后靜止3min懸浮率大于90%；黏彈域溫度在42～50℃可調，提高瀝青顆粒在地層溫度條件下運移能力；粒徑在0.02～1.00mm可控，可以滿足不同孔道調剖的需要.

（2）研發的低成本水驅瀝青顆粒調剖劑，封堵率達到86%以上，沖刷30PV后的最終封堵率仍保持在70%以上，耐沖刷性能良好，并且調剖后吸液剖面得到明顯改善，可以滿足水驅調剖的需要.

（3）調剖后，喇嘛甸油田試驗區16口無措施采出井見效13口，階段有效期為612d，區塊累計增油量為4 132t，降水量為15.4×104m3，并且配置質量濃度3 000mg／L的瀝青顆粒調剖劑，每立方米成本在20元以下.并且瀝青顆粒調剖劑具有封堵強度高、增油有效期長等特點，為厚油層挖潛提供經濟和有效的技術支持.

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