化學調剖堵水劑研究現狀

唐佳斌，李悅欣，肖路業，趙春立，楊雙春

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

油層過早見水或出水過多將會給油田開發工作帶來嚴重影響，不僅會導致形成部分死油區，嚴重時會使油井停產，影響油田綜合開發效益[1-3]。采用化學堵水工藝能夠有效解決油井出水問題，該工藝利用堵劑在地層中變化生成的物質達到封堵地層出水孔道的目的，并且能夠提高油田的最終采收率[4-5]。我國油田化學堵劑由最初的水泥漿、樹脂堵水逐漸發展成為采用水溶性聚合物及其凝膠堵水[6-7]，經濟效果也明顯提高[8]。經過對各類化學堵劑文獻的調研、整理和分析，本文對各種化學堵劑進行了闡述，分析了堵劑在現場應用中的優勢，對其未來的發展提出建議，以期為相關研究提供參考。

1 水泥型堵劑

康紅兵[9]選用普通G級油井水泥、粉煤灰、硅粉、0﹟柴油、原油等材料進行油基水泥漿的配制，并根據穩定性和流動性優選出相應的堵劑配方：油灰比為1∶1，G級油井水泥與粉煤灰、硅粉之比為8∶1∶1，潤濕分散劑B1加量2.5%，高溫緩凝劑T1加量為3.5%。研究表明該堵劑在巖心堵水實驗中能夠有效封堵大裂縫，并且具有良好的耐高溫、耐沖刷性能。安娜[10]選用水與國產超細水泥(平均粒徑7 μm)質量比為1∶0.8～1∶1.2、懸浮分散劑XFJ-1濃度0.1%～0.3%、緩凝劑HNJ-2濃度0.5%～1.5%的堵劑配方對楚28斷塊油井進行堵水作業，該堵劑體系利用超細水泥微小粒徑可進入微滲孔隙的特點達到深部封堵的目的，對孔隙性巖芯堵塞率可達90%以上，可適用于60～110 ℃的油藏溫度條件且封堵強度高，耐沖刷性能好，但該堵劑油層的封堵可能是不可逆轉的，在使用時需要考慮油井的開發情況。現場應用結果表明該堵劑能夠有效降低產水量(降水率為48%～61%)，但超細水泥水化速度較快，初凝時間比普通水泥短，存在安全風險。

水泥堵劑在高滲油藏的應用較為廣泛，傳統水泥堵劑具有耐溫、耐鹽，價格低廉的特點[11-12]，但堵水有效期短并且作為非選擇性堵劑會對油層造成傷害。水泥類堵劑中只有油基水泥能夠進行選擇性堵水，但選擇能力相對較差，在今后的研究中可以結合凝膠、凍膠等類型堵劑同時對油井進行封堵作業，以增強堵水效果。

2 樹脂型堵劑

趙修太[13]以丙烯酸鈉和丙烯酸胺單體為原料制備了高吸水性樹脂(AAWR)，并將其配成0.1%～0.2%的水基懸浮液進行堵水性能實驗。研究表明，AAWR微粒進入巖心孔道中吸水溶脹，進而將孔道封堵，對于滲透率低(<10 μm2)，礦化度低(<5 000 mg/L)，突破壓力高的情況，AAWR堵劑堵水率高達99%以上，堵油率僅為10%左右，其具有堵水效果好、選擇性強的特點。但AAWR的吸水性能容易受到被吸介質、溫度、水溶液酸堿性及礦化度的影響，穩定性較差。張文玉[14]采用了一種新型的改性脲醛樹脂堵水技術，由脲醛樹脂預聚體上的活性基團[羥甲基(—CH2OH)、酰胺基(—CONH—)]與固化劑(酸性物質)進一步發生縮聚反應，生成不溶不熔的高強度的熱固型脲醛樹脂，產生堵水作用。研究表明，脲醛樹脂固化后具有很高的強度，固化劑在常溫下提供H+的濃度很小，不致于引發固化反應，而堵劑注入地層后溫度升高，固化劑所提供的H+濃度增大，固化反應加快，則需要加入延緩劑(堿性物質)中和掉一部分H+，延長固化時間，保證了堵劑在地面配液時不成膠，而注入地層后成膠良好，使現場施工安全、方便，但作者并未進行堵劑對酸的敏感性實驗，無法得出該堵劑適用的H+濃度范圍。該技術實際應用于28口井，累計增油13 688 t，降水60 835 m3，取得了較好的經濟效益和社會效益。

樹脂堵水劑通過低分子物質發生縮聚反應產生高分子物質，高分子物質之間相互聯結，達到封堵水層的目的，對孔隙、裂縫及孔眼等具有較好的封堵效果[15-16]。樹脂類堵劑在低滲油藏中能發揮較好的封堵作用，但不適用于高滲油藏，未來可以在樹脂堵劑中加入智能堵水材料，擴大其適用范圍。目前勝利油田、大慶油田等地有部分油井采用樹脂型堵劑進行堵水作業，但是該堵劑成本較高，需要考慮油田綜合開發效益進行選擇。

3 顆粒型堵劑

孫衛[17]對TP-920膨脹固體顆粒與甲叉基聚丙烯酰胺(PHMP)復合堵劑的封堵機理進行研究，TP-920固體顆粒進入地層大孔道和微裂縫后，便會吸水膨脹并依靠其自身分子鏈上接枝的酰胺基與遇阻處孔道表面的氫鍵結合產生吸附，牢固地滯留于大孔道與微裂縫中形成物理堵塞，同時PHMP攜帶液在吸附水膜機理作用下又可起到改變滲流空間和驅替小孔隙中殘余油的雙重效果。研究結果表明固體顆粒遇水體積迅速膨脹20～50倍，對大孔道和微裂縫的封堵效果十分突出，但堵劑注入地層后受地層溫度長期影響，若堵劑熱穩定性差則會發生部分交聯聚合物受熱分解。賀越[18]針對長慶油田安塞油田低滲區塊地質參數設計了以聚丙烯酰胺、丙烯酸、粘土、交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺等材料為主的交聯顆粒堵劑體系。研究表明交聯顆粒堵劑在地層中遇水膨脹3～6倍，能夠封堵裂縫和孔喉并驅替出一部分剩余油，具有良好的耐溫、耐鹽以及抗剪性能。選擇交聯顆粒堵劑應考慮油藏孔隙度與顆粒粒度的匹配情況，針對不同地質情況需要對顆粒堵劑進行進一步優選。應用該堵劑進行現場實驗，施工后井含水率由84.4%下降至70.3%，日產液增加4.91 m3，日產油增加2.01 t，具有顯著的堵水效果。

為了對深部油層進行控水調剖，需要選用堵水性強并且具有膨脹堵塞作用的堵劑，以改變深部液流方向，提高注水波及系數[19]。顆粒型堵劑中的體膨型顆粒遇水膨脹，對裂縫和孔道有較強的封堵作用，能夠改善油層剖面，同時具有封堵與驅替的雙重作用，在油田中應用較為廣泛。常見的顆粒堵劑材料有粘土、堅果殼、石灰乳、青石粉、交聯的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇粉等，目前對聚丙烯酰胺材料的應用較多，但該材料長時間在高溫條件下容易受熱分解，影響顆粒堵劑的封堵效果。隨著油田開發的深入，未來需要更多具有耐高溫耐鹽性能的堵劑，因此需要提高顆粒堵劑的穩定性。

4 凍膠型堵劑

周偉[20]研究了變強度凍膠體系的配方和機理，考慮成本、環保和性能要求等因素的影響，選擇酚醛樹脂凍膠作為凍膠型深部調驅劑的基本配方，交聯劑酚醛樹脂中的—CH2OH與聚丙烯酰胺(HPAM)的—CONH2發生交聯反應形成酚醛樹脂凍膠。研究表明該凍膠體系注入地層后，隨著聚合物濃度的增加或者交聯劑濃度的增加，酚醛樹脂凍膠的成凍時間縮短，凍膠強度增加；而叔丁基過氧化氫受熱分解使凍膠強度逐漸降低。凍膠體系強度先增強然后再逐漸降低，提高了注入水的波及系數，從而在地層深部起到既調又驅的雙重作用。李亞洲[21]選用以丙烯酸類樹脂(MMA)為主的聚合物凍膠堵劑進行研究，該堵劑進入地層后發生反應，生成具有一定強度的聚合物或樹脂，起到封堵裂縫、大流通孔道及明顯的出水層的作用，其封堵強度可達到6×104mPa·s，堵塞率高達99.79%，在控水調剖方面應用效果好。研究表明聚合物凍膠的成膠強度受到礦化度的影響，隨著礦化度增高，成膠強度降低，對于地層水礦化度較高的油田不適用。同時該堵劑具有良好的熱穩定性能以及耐沖刷性能，可用于出水層位清楚的單向見水油井堵水。

聚合物凍膠類堵劑是目前國內外應用較多的一類堵劑，該堵劑是由高分子聚合物溶液在交聯劑作用下失去流動性形成具有網狀結構的物質，能夠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，增大波及區域體積[22-24]。新型聚合物凍膠堵劑封堵有效期長、封堵強度高，但容易受到pH值、地層溫度等條件的影響，今后的研究中需要加入穩定性強的堵劑材料以滿足復雜條件下的堵水作業。

5 凝膠型堵劑

李海營[25]確定了主劑為陽離子聚合物聚丙烯酰胺(CPAM)，交聯劑為分子中含有雜環的有機胺的堵劑配方，以滿足高溫高鹽油藏的開發要求。通過熱穩定性和動態模擬實驗評價該堵劑的耐高溫性能和封堵能力，結果表明該堵劑在地層中熱穩定、配伍性好，封堵強度高，適用于非選擇性化學堵水。該堵劑兩年累計增油3 462 t，降水5 570 m3，單井含水率由95%下降到42%，取得了顯著的增油降水效果。柳繼仁[26]確定了適合低滲油田的以陽離子型聚丙烯酰胺聚合物為主的堵劑配方，基本配方為：陽離子度為25%的聚丙烯酰胺濃度0.5%+木鈣6.0%+交聯劑0.4%，該堵劑不受礦化度和堿液的影響，堵水穩定性好，并提出了針對不同含水飽和度及滲透率的油層優選不同堵劑配方的思路，此舉使得不同含水飽和度、不同滲透率地層條件下的堵水率升高同時堵油率大大降低，提高了堵劑的增產效果。該堵劑在實際應用中累計增油5 374 t，降水38 666 m3，共創經濟效益1 446.68萬元，取得了較好的經濟效益。作者認為井況的不同也會對堵劑的效果產生影響，建議結合單井開發歷史調整堵劑配方。曹廣勝[27]在堵水劑成膠特性測定時發現陽離子聚丙烯酰胺易發生脫水現象不成膠，而陰離子聚丙烯酰胺成膠效果好，因此針對朝陽溝油田研制的最佳選擇性堵水配方為：0.7%陰離子HPAM+2%木質素磺酸鈣(Ca-Ls)+0.3%有機鉻+0.15%碳酸氫鈉(NaHCO3)+0.005%硫脲。現場施工3口井，累計增油2 225.3 t，累計降水11 631.2 t，表明該堵劑具有較好的封堵性能。

凝膠型堵劑，目前在我國的河南油田、大慶油田應用較多[28]。該堵劑具有較高的封堵強度并適用于高礦化度地層，但在高溫油藏條件下成膠不易控制，需要根據油藏條件不斷進行配方的優選，未來可與物理模型技術結合，形成完整的堵劑配方優化理論。

6 油基堵劑

盛亞平[29]采用改性甲硅烷高沸釜殘作為堵劑材料進行油井堵水，該有機硅化合物能很好的溶于油而不凝聚，遇水則易水解縮聚生成有機硅聚合物，牢固地附著于硅質巖石表面，形成一層疏水親油膜，因而具有降水增油的效果，同時其良好的附著粘結性可以用來固結疏松砂巖。現場實驗表明，油井采用該堵劑后單井平均日增油9～10 t，含水率下降平均20%以上，經處理后的油井含砂均小于0.01%，降水固砂效果明顯。但堵水有效期較短(平均有效期僅為半年)，成功率低，因此需要對堵劑質量、劑量以及施工質量等因素進行改進。任輝[30]為解決高升油田油井水淹、水竄的問題，研制了稠化油選擇性堵水技術。該技術通過低粘稠油與乳化劑組合進入水層遇水乳化，堵塞出水通道，進入油層與地層原油相融合，在油井生產時返排出來，達到選擇性堵水的目的。稠化油堵水技術施工后日產液下降9.5 t，日產油增加0.2 t，含水下降14.7%，取得了較好的增油降水效果。作者在選擇稠化油堵水劑配方時只考察了地層水礦化度對乳化劑的影響，沒有考察地層溫度對乳化劑穩定性的影響。

油基類堵劑主要包含有機硅類和稠油類堵劑[31-32]，是一種以油作溶劑或作分散介質的選擇性堵水劑，可在復雜的油藏條件下進行堵水作業，具有較高封堵強度。但堵水有效期相對較短，未來人類將面對極端復雜的油藏開發條件，需要封堵有效期更長的堵劑，延長堵劑的封堵有效期將會是油基類堵劑研究的重點。

綜上所述，6種化學堵劑間的對比見表1。

表1 化學堵劑對比情況Table 1 Comparison of chemical plugging agents

7 化學調剖堵水發展趨勢

7.1 高溫井調剖

化學調剖中化學劑的穩定性受到溫度影響較大[33-34]，很多調剖劑在高溫下成膠強度較低或不成膠，篩選耐高溫化學堵水材料，增強凝膠穩定性和強度，越來越成為化學調剖堵水最緊迫的問題。

7.2 選擇性堵水劑

目前大部分油田已經進入高含水期，再加上非均質性的影響，油層中的剩余油難以開采，使用常規堵水方法難以有效提高采收率，通過選擇性堵水劑堵水[35-37]，有效封堵高滲透層或者高滲透部位，將成為未來調剖堵水行之有效的方法。

7.3 深度調剖

常規調剖只能封堵近井地帶10 m左右的地層，對于更深地層基本沒有作用效果[38]。注入水繞過近井地帶后，依然沿著高滲透帶滲流，提高采收率效果較差。使用深度調剖劑能夠很好的解決上述問題[39]。但是，如何使調剖劑準確進入目標層的目標位置，仍需要深入和重點研究。

8 結論

當前化學調剖堵劑的研究中，著重體現于對堵劑配方的選擇與優化。為了使化學堵劑更好的應用于油田堵水工藝中，筆者建議如下：

(1)化學堵水劑針對性較強，可根據不同類型油藏來確定堵劑的組成成分及用量，以達到最佳效果。

(2)化學堵劑大多受地層溫度、礦化度和pH值的影響，成本相對于其他堵水工藝較高并且容易造成環境污染。

(3)隨著非常規油田開發的不斷深入，需要在化學堵劑中加入性能更好的新型堵水材料，滿足不同條件下的油藏堵水需求。

(4)我國大部分油田已處于高含水開采期，堵劑用量非常大，為了提高油田的經濟效益，在以后的油田開發過程中，勢必會采用容易獲得且廉價的堵水劑。同時追求綠色環保是當今世界的主流觀念，無毒無污染的堵水劑將會是未來研究的熱點。