稠油蒸汽驅封竄劑研究進展

盧大偉，毛國梁，李慶松，孟建勛

(1.東北石油大學 化學化工學院 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。稠油在進行多個周期的第一階段注蒸汽之后，稠油吸收熱量導致黏度稍微降低，稠油在地層中開始具有流動性；轉入第二階段，隨著單位時間內注汽量的增加和注汽強度的提高，制約稠油資源采收率的汽竄現象變得越來越明顯，汽竄的發生就會使后期蒸汽在油藏各個方向上受熱不均勻，從而導致蒸汽波及面積變小、蒸汽的熱損失增加、生產成本提高等問題[1]。當發生汽竄時，蒸汽沿著滲透率高的方向前進，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；蒸汽一旦形成汽竄通道，就會突破直接從生產井溢出，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，嚴重還會導致邊底水突進，影響正常的生產等[2]。因此從稠油蒸汽驅封竄劑的封竄機理出發，深入的研究稠油蒸汽驅封竄劑的配方，尋找有效的封堵汽竄的措施是當下緊要的任務，同時這還對提高稠油油藏熱采效果具有十分重要的意義。

1 汽竄的類型

汽竄按照產生的階段不同可以分為2種，一種為蒸汽竄；一種為熱水竄。在蒸汽驅階段，采油現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，隨著注汽強度的增加蒸汽“舌形”指進形成真正的汽竄，汽竄多發生在生產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生指進，即熱水很快竄到生產井。當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象稱為熱水竄[3]。

2 封竄劑的分類

稠油蒸汽驅封竄劑可以分為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凝膠型封竄劑和無機凝膠封竄劑，有機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基團反應生成空間網絡結構而形成凝膠。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用，因此要對其改性以適應稠油蒸汽驅井下的高溫環境。下面從有機凝膠型和無機凝膠型封竄劑2個方面進行綜述和分析。

2.1.2 有機凝膠型封竄劑

(1) 聚丙烯酰胺/有機交聯體系凝膠封竄劑

趙芳[5]研制的聚丙烯酰胺/有機交聯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到 2×104mg/L。

張恩臣[6]研制聚丙烯酰胺/有機交聯體系凝膠封竄劑的配方為HPAM+甲醛、間苯二酚+熱穩定劑，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用，現場應用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]根據河間東營油田高溫油藏的特點，對聚丙烯酰胺-酚醛樹脂凝膠體系進行研究并開展相應的實驗。實驗結果表明，各因素對聚丙烯酰胺-酚醛樹脂凝膠體系成膠強度、穩定性的影響程度，由強到弱依次為聚合物、交聯劑、助劑。在此基礎上開展體系配方優化實驗，確定了最佳配方為聚合物1 200 mg/L+交聯劑主劑2 250 mg/L+交聯劑助劑1750 mg/L。截至2014年12月中旬，已在10個井組進行了現場實驗，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結構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量從300～10 000不等。選取適當相對分子質量的聚乙烯胺，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，在稠油蒸汽驅油藏的提高采收率方面具有很廣的應用前景，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剖體系不但能在在地層復雜的高溫環境中穩定存在，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、價格便宜等優點，在高溫低滲透油藏的蒸汽驅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+交聯劑苯酚、交聯劑甲醛+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+交聯劑配制出具有耐高溫性能的硝基腐殖酸鈉凝膠調堵體系，并通過實驗對其性能進行評價。得到控制汽竄高溫凝膠調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(均為質量分數)。該調堵體系最高可耐溫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，有效調整吸汽剖面，能滿足稠油蒸汽驅防汽竄的需求。

(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生縮合反應而樹脂化形成具有一定彈性的凝膠。該凝膠還遠不能滿足稠油蒸汽驅封竄劑的要求，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合耐高溫選擇性調堵體系。得到改性落葉松栲膠最優配方為6.0%磺化落葉松栲膠、2.0%醛類交聯劑 WR-1、1.0%～1.5%酚類促進劑P-1，其余為水(均為質量分數)。凝膠在350 ℃條件下經過280h放置，凝膠的質量損失率穩定在10%以內，形態完好，強度也趨于穩定。

王建偉[14]制備的改性栲膠調堵劑的配方為改性栲膠+交聯劑水溶性酚醛樹脂。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。實驗結果表明凝膠熱穩定性、耐溫性能優異，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 無機凝膠型封竄劑

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

呂哲勇[15]研制的無機凝膠的成膠溫度在40～100 ℃，成膠時間8～240 h可調，耐溫350 ℃，突破壓力梯度>6 MPa/m，封堵率≥98%。在齊40-6-K121區塊進行了現場實驗無機凝膠高溫調剖劑，措施實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日累計增油1 288 t。

馬春寶[16]所報道的熱沉積無機凝膠堵劑由A、B兩液混合而成耐溫性達400 ℃。2008年在遼河錦45、錦25塊蒸汽吞吐井用該堵劑實施堵水作業16井次,調剖作業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理為固體顆粒型調剖劑注入地層的過程遵循最小流動阻力原則，因此絕大部分調剖劑會進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地層的絕對滲透率，導致其吸汽能力降低，達到封堵高滲透強吸汽層的目的，使后續注入的蒸汽改變注入方向，進入未波及的中、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、封堵強度高、耐高溫且作用時間長等優點，在稠油蒸汽驅封堵高滲透層方面應用比較多。

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%(均為質量分數)。封堵性能實驗結果表明:該堵劑在高溫高鹽條件下穩定性好，在350 ℃下老化180 d后固化強度仍保持在高強度狀態。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]報道了一種KD型水泥復合堵劑。該堵劑能夠耐160 ℃的高溫、80 MPa高壓,終凝后堵劑的w(固)>98%，析水質量分數<5%，封堵性能好,能夠適應稠油蒸汽驅的高溫環境生產需要。該工藝在作業現場獲得了應用,共實施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體的抗壓強度高、滲透率低；所形成的固結體耐溫性能良好，現場使用過程中顆粒粒徑可以根據地層孔喉大小進行匹配。

2.3 泡沫型封堵劑

高溫泡沫調剖堵劑主要基于2個機理：(1)封堵機理。當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，阻礙后續蒸汽的前進，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”封堵蒸汽竄流通道，提高蒸汽波及體積；(2)降低界面張力機理。泡沫劑是表面活性劑其中1種，它在油水界面吸附。根據表面功的公式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，泡沫調剖劑既能提高蒸汽波及體積又可提高洗油效率，進而提高原油采收率。

劉瑾[20]研制的以石油磺酸鈉作為發泡劑的氮氣泡沫凝膠體系，該體系的耐溫范圍為 220～300 ℃。該泡沫凝膠提高了油氣比，并在遼河油田進行現場應用。現場應用效果很好累計增油2 047 t，排水期縮短，顯著改善了汽竄的危害。

吳軍財，劉志強[21]對氮氣泡沫劑注入工藝參數進行了優選。結果表明，發泡劑最佳使用質量濃度為5 g/L，V(注氮氣體積)∶V(蒸汽)=1～ 1.5∶1，在地面條件下注氮氣量與蒸汽量之比為25～40∶1。氮氣泡沫調剖劑在井樓油田七區進行現場應用，油汽比比以前提高0.04，累計增油610 t，達到了封堵汽竄的效果，提高了蒸汽的波及系數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行了室內實驗研究。研究表明該自生氣泡沫具有選擇性調驅性能，調驅劑A具有很好的耐溫性，在200 ℃時阻力因子高達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，為稠油高效開發提供了強有力的技術支持。

3 結束語

(1) 凝膠類高溫調剖劑封堵能力較強、成本低、對油層傷害小；但是長時間高溫下易破膠，封堵率差，成膠溫度低，在蒸汽驅中后期高溫環境下成膠困難；

(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度高溫蒸汽的沖刷，缺點是在溫度大于120 ℃后不易成膠，調剖規模較小；

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

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

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