國內外堵水調剖技術最新進展及發展趨勢 油井出水是油田(特別是注水開發油田)開發過程中普遍存在的問題。由于地層原生及后生的非均質性、流體流度差異以及其他原因(如作業失敗、生產措施錯誤等) ,在地層中形成水流優勢通道,導致水錐、水竄、水指進,使一些油井過早見水或水淹,水驅低效或無效循環。堵水調剖技術一直是油田改善注水開發效果、實現油藏穩產的有效手段。我國堵水調剖技術已有幾十年的研究與應用歷史,在油田不同的開發階段發揮著重要作用。但油田進入高含水或特高含水開采期后,油田水驅問題越來越復雜,堵水調剖等控水穩油技術難度及要求越來越高,推動著該技術領域不斷創新和發展,尤其在深部調剖(調驅)液流轉向技術研究與應用方面取得了較多新的進展,在改善高含水油田注水開發效果方面獲得了顯著效果。 1技術現狀及最新進展 1.1發展歷程 我國堵水調剖技術的研究與應用可追溯到 20 世紀50年代末,60至 70 年代主要以油井堵水為主。80年代初隨著聚合物及其交聯凝膠的出現,注水井調剖技術迅速發展,不論是堵水還是調剖,均以高強度堵劑為主,作用機理多為物理屏障式堵塞。90年代,油田進入高含水期,調剖堵水技術也進入發展的鼎盛期,由單井處理發展到以調剖堵水措施為主的區塊綜合治理。進入21世紀后,油田普遍高含水,油藏原生非均質及長期水驅使非均質性進一步加劇,油層中逐漸形成高滲通道或大孔道,使地層壓力場、流線場形成定勢,油水井間形成水流優勢通道,造成水驅“短路”,嚴重影響油藏水驅開發效果。加之對高含水油藏現狀認識的局限性,常規調剖堵水技術無法滿足油藏開發需要,因而,作用及影響效果更大的深部調剖(調驅)技術獲得快速發展,改善水驅的理論認識及技術發展進入了一個新階段。分析我國堵水調剖技術的研究內容和應用規模,其發展大體經歷了4個階段。50至70年代:油井堵水為主,堵劑材料主要是水泥、樹脂、活性稠油、水玻璃/氯化鈣等。70至80年代:隨著聚合物及其交聯凝膠的出現,堵水調剖劑研制得以迅速發展,以強凝膠堵劑為主,作用機理多為物理屏障式堵塞,以調整近井地層吸水剖面及產液剖面為目的。90年代:油田進入高含水期,調剖技術進入鼎盛期,因處理目的不同,油田應用的堵劑體系有近100種,其中深部調剖(調驅)及相關技術得到快速發展,以區塊綜合治理為目標。2000年以后:基于油藏工程的深部調剖改善水驅配套技術的提出,使深部調剖技術上了一個新臺階,將油藏工程技術和分析方法應用到改變水驅的深部液流轉向技術中。處理目標是整個油藏,作業規模大、時間長。 1.2技術現狀與最新進展 堵水調剖及相關配套技術在高含水油田控水穩產(增產)措施中占有重要地位,但隨著高含水油藏水驅問題的日益復雜,對該領域技術要求越來越高,推動著堵水調剖及相關技術的不斷創新和發展,尤其近年來在深部調剖(調驅)液流轉向劑研究與應用方面取得了許多新進展,形成包括弱凝膠、膠態分散凝膠(CDG)、體膨顆粒、柔性顆粒等多套深部調剖(調驅)技術,為我國高含水油田改善水驅開發效果、提高采收率發揮著重要作用。僅中國石油天然氣股份有限公司(中國石油)所屬油田近年來的堵水調剖作業每年就達到了25003000 井次的規模,增產原油超過 50 萬 t/a。目前,我國油田堵水調剖的綜合技術水平處于國際領先地位。 1.2.1 交聯聚合物弱凝膠深部調驅技術 弱凝膠也被稱為“流動凝膠”(flowing gel)。這里所謂的“流動”是指弱凝膠在試管內呈現流動狀態,弱凝膠主要由聚合物和交聯劑兩部分組成,以整體形式存在,交聯狀態為分子間交聯。一般選擇高分子量聚丙烯酰胺作為交聯主劑,濃度一般為8003000mg/L。交聯劑主要有樹脂、二醛和多價金屬離子類等。美國使用最多的是乙酸鉻、檸檬酸鋁(EPT公司)和乙二醛(Pfizer公司)。我國應用較多的為酚醛復合體、樹脂預聚體、乙酸鉻、乳酸鉻、檸檬酸鋁等。形成的凝膠強度通常在0.12.5Pa,現場應用則根據地層及生產狀況選擇凝膠強度。弱凝膠在地層中的封堵是動態的,凝膠在一定條件下可運移,使其具有深部調驅雙重作用。 交聯聚合物弱凝膠是目前國內外應用最廣泛的深部調剖改善水驅技術,但影響其性能的因素多,針對性強,且多不抗鹽,一般不適宜礦化度 100 000mg/L 以上、溫度90以上的低滲地層的深部調剖作業。應用時應重點考慮交聯聚合物體系與地層流體、配液用水、油藏溫度和油藏地層特征的配伍性。 最早應用弱凝膠深部調驅技術的是勝利油田,1992年采用 HPAM/乙酸鉻體系在孤東油田西區進行了3 個井組處理,共注入調剖劑 15. 5 萬 m3,采用3000mg/L HPAM和500mg/L 乙酸鉻體系,調剖后注水井的注水壓力平均上升了 3MPa 左右,累計增油9800t。遼河茨榆坨龍11區塊是弱凝膠整體深部調剖效果最好的區塊,油藏埋深15501700m,溫度5060,礦化度 2200mg/L ,平均孔隙度 20%,滲透率為1.13D。1999年采用10001500mg/L 的 HPAM、400500mg/L 的酚醛復合交聯體系進行了6個井組的整體調剖作業,共注入調剖劑12 000m3,處理后注水壓力上升0.62MPa左右,累計增油30 000t ,水驅開發效果顯著改善 ,有效期長達3年多。 1.2.2膠態分散凝膠調驅技術 90年代初由美國 TIORCO 公司提出的膠態分散凝膠(亦稱CDG)為聚合物和交聯劑形成的非網絡結構的分子內交聯凝膠體系,交聯反應主要發生在分子內的各交聯活性點之間,以分子內交聯為主,幾個至十幾個分子發生交聯,形成分散的凝膠線團。CDG體系中聚合物濃度可低至 100mg/L ,交聯劑一般是多價金屬離子,如檸檬酸鋁、乙酸鉻等。 國外只有 TIORCO 公司主張 CDG調驅體系,該公司曾在美國落磯山地區對29個油藏采用 CDG進行了深部處理,其中 22 個項目獲得了增產。盡管TIORCO聲稱是 CDG處理,但從各段塞 HPAM濃度看,TIORCO公司做的這些試驗仍然是弱凝膠處理。 國內對 CDG也曾有過廣泛重視,尤其“九五”期間,許多從事聚合物驅的研究人員開始轉向該技術領域,人們希望用極低濃度的聚合物和交聯劑交聯形成較大分子的凝膠顆粒,在高滲透層形成比較大的流動阻力和殘余阻力,改善水驅開發效果。中國科學院化學研究所、中國石油勘探開發研究院采收率所、大慶油田等對該技術進行了大量的研究,并在大慶、河南等油田進行了多項先導性現場試驗,但使用的聚合物濃度大多在 8001500mg/L ,顯然這不是真正意義上的CDG驅。此外,由于指導思想上的分歧,這些試驗大多沒有取得理想的效果。加之 CDG耐溫耐鹽性能差,成膠條件苛刻,封堵程度低,目前國內外對該技術的研究與應用都幾乎處于停止狀態。 1.2.3 體膨顆粒深部調剖(調驅)技術 體膨顆粒調剖是近幾年發展起來的一種新型深部調剖技術,主要是針對非均質性強、高含水、大孔道發育的油田深部調剖、改善水驅開發效果而研發的創新技術。體膨顆粒遇油體積不變而吸水體膨變軟(但不溶解) ,在外力作用下可發生變形運移到地層深部,在高滲層或大孔道中產生流動阻力,使后續注入水分流轉向,有效改變地層深部長期水驅形成定勢的壓力場和流線場,達到實現深部調剖、提高波及體積、改善水驅開發效果的目的。該技術具有以下特點: 體膨顆粒由地面合成、烘干、粉碎、分篩制備形成,避免了地下交聯體系不成膠、抗溫、抗鹽性能差等弊端,具有廣泛的適應性,耐溫(120)、耐鹽(不受限制)性能好; 體膨顆粒粒徑變化大(微米厘米級)、膨脹倍數高(30200倍)、膨脹時間快(10180min) ;顆粒吸水體膨變軟,外力作用下在多孔介質中運移時表現出“變形蟲”特性,顆粒的形變運移可擴大調剖作用范圍,達到深部調剖液流轉向目的; 體膨顆粒深部調剖施工工藝簡單、靈活、無風險;體膨顆粒可單獨應用,也可與聚合物弱凝膠體系復合應用于注水開發油藏深部調剖改善水驅作業,又可用于聚合物驅前及聚合物驅過程中的深部調剖;體膨顆粒適宜存在大孔道、高滲帶的高含水油藏深部調剖(調驅)改善水驅效果。體膨顆粒深部調剖技術,其優良的性能、廣泛的油藏適應性及全新的“變形蟲”作用機理,使其在高含水、大孔道油田深部調剖中的作用被廣泛認可,成為我國高含水、高采出程度油田進行深部挖潛、實現穩產的重要技術手段。據對大慶、大港、中原等油田的不完全統計,在355個井組現場試驗中,累計增油46.73萬t ,經濟效益達6.57億元,平均投入產出比14.8,取得了良好的社會和經濟效益。 1.2.4含油污泥深部調剖技術 含油污泥是原油脫水處理過程中伴生的工業垃圾,主要成分是水、泥質、膠質瀝青和蠟質。作為調剖劑,與其他化學調剖劑相比,含油污泥具有良好的抗鹽、抗高溫、抗剪切性能,便于大劑量調剖擠注,是一種價格低、調剖效果好的堵劑。同時也解決了含油污泥外排問題,減少了環境污染和含油污泥固化費用。該技術具有較好的應用前景。 含油污泥調剖的基本原理是:在含油污泥中加入適量添加劑,調配成黏稠的微米級的油/水型乳化懸浮液,當乳化懸浮液在地層達到一定的深度后,受地層水沖釋的作用,乳化懸浮體系分解,其中的泥質吸附膠質瀝青和蠟質,并通過它們的黏聯聚集形成較大粒徑的“團粒結構”沉降在大孔道中,使大孔道通徑變小,增加了注入水的滲流阻力,迫使注入水改變滲流方向,從而達到提高注入水波及體積、改善注水開發效果的目的。該技術適用于縱向上滲透率差異大、有高吸水層段、啟動壓力低的注水井。在江漢、勝利老河口、遼河、河南、長慶等油田現場應用均取得了良好的效果,但受原料產地、產量限制,不易在其他油田推廣。 1.2.5微生物深部調剖技術 微生物用于注水井調剖最早始于美國,把能夠產生生物聚合物的細菌注入地層,在地層中游離的細菌被吸附在巖石孔道表面后,開始形成附著的菌群;隨著營養液的輸入,細菌細胞在高滲透條帶大量繁殖,繁殖的菌體細胞及細菌產生的生物聚合物等黏附在孔隙巖石表面,形成較大體積的菌團或菌醭;后續有機和無機營養物的充足供給,使細菌及其代謝產出的生物聚合物急劇擴張,孔隙越大細菌和營養物積聚滯留量越多,形成的生物團塊越大。細菌的大量增殖及其代謝產出的生物聚合物在大孔道滯留部位的迅速聚集,對高滲透條帶起到較好的選擇性封堵、降低吸水量的作用,使水流轉向增加中、低滲透部位吸水量,從而擴大波及區域、提高原油采收率。 天津工業微生物研究所和南開大學成功地篩選出了適應油田地層條件并具有良好調剖作用的多株微生物。其中南開大學在大港油田先后進行了5口井的試驗,取得了很好的效果。并在勝利油田、遼河油田分別進行了室內評價及井下試驗,均取得預期效果。最近大慶油田勘探研究院應用現代分子生物學方法研究油層本源微生物技術取得重大進展,在第三采油廠開展微生物調剖礦場試驗獲得成功,微生物處理后改善了吸水剖面,取得了壓力上升、含水下降、增油多于1300t 的效果,投入產出比達19。 1.2.6 無機凝膠涂層深部調剖技術 塔里木油田井深(45006000m)、地層溫度高(120140)、地層水礦化度高(150 000210 000 mg/L) ,對于類似油藏條件下的調剖堵水作業,交聯聚合物類堵劑由于其鹽敏、熱敏及多價離子的絮凝等而使其應用范圍受到限制,水泥及無機顆粒或沉淀類堵劑具有較好的耐溫耐鹽性能,但因其在多孔介質中的進入深度有限而不適宜深部處理。為此,最近中國石油勘探開發研究院采油工程研究所提出了一種無機凝膠涂層調剖劑(WJSTP) ,該調剖劑與油藏高礦化度地層水反應形成與地層水密度相當的無機凝膠,通過吸附涂層,在巖石骨架表面逐漸結垢形成無機凝膠涂層,使地層流動通道逐漸變窄形成流動阻力,從而使地層流體轉向,擴大波及體積。 2006年 3 月,利用該技術在塔里木輪南油田LN203井進行的現場試驗中獲得了成功,共注 5%的調剖液3800m3,處理后注水壓力升高、吸水剖面明顯改善,并初步獲得了增油降水效果。 1.2.7 精細化學調剖技術 精細化學調剖技術是以精細地質研究成果為依據,根據注水井內縱向上高吸水層的具體分布特點進行有針對性的化學調剖,從而實現吸水剖面的精細調整,達到挖掘各類油層剩余油目的的化學調剖技術方法。它作為機械細分注水工藝和機械堵水工藝的補充手段,在深化穩油控水技術、提高儲量動用程度、改善油田開發效果、提高經濟效益等方面可起到積極作用,為高含水后期挖掘剩余油潛力提供了新的技術手段。 根據大慶油田的相關試驗,通過精細化學調剖,提高了機械分層注水井中縱向上高吸水層附近的薄、差層的吸水動用程度;對層內各部位吸水狀況存在較大差異的地層,調剖后,層內吸水剖面得到了明顯調整;油層儲量動用程度得到較大提高。 1.2.8 組合調剖(調驅)技術 隨著油田水驅問題日趨復雜化,單一技術的應用越來越受到限制或效果不理想,各種技術組合越來越廣泛地應用于深部調驅改善水驅或聚驅開發效果上。通過技術組合可以克服單一技術的不足、發揮組合技術的協同效應,如對存在大孔道或裂縫的水驅油藏采取弱凝膠與體膨凝膠顆粒的技術組合,既可實現對高滲通道的封堵,也可實現深部液流轉向。大港油田應用該技術組合進行了100 多井組的現場試驗,取得了較好的效果;存在高滲、大孔道的聚合物驅厚油藏,聚合物驅過程中聚竄嚴重,采取聚合物 +體膨顆粒調驅技術組合,可有效改善聚竄問題。據大慶油田部分聚驅井采出水分析,注入聚合物濃度為20003000mg/L的井組產出污水中聚合物濃度高達 1000mg/L 以上,大量聚合物隨著高滲透層帶或大孔道竄流,造成大量聚合物浪費和聚驅效率低下。在聚合物驅體系中加入適量的體膨顆粒,有效地改善了上述情況,體膨顆粒在大孔道中形成堵塞,使流動阻力增加,通道滲流能力降低,限制聚合物溶液流動,從而轉向進入相對低滲透層帶,既減少了聚合物溶液竄流,又提高了聚驅效果。此外,還有其他技術的組合,如含油污泥與弱凝膠的組合等。 2研究與應用中面臨的挑戰及對策 據統計,我國水驅油田可采儲量的 60%及年產量的80%以上來自含水率大于 80%的高含水油藏。高含水油田水驅面臨的低效或無效循環,使堵水調剖或深部調剖技術面臨眾多難題和挑戰。 我國堵水調剖及深部調驅改善水驅技術經過幾十年的發展完善,在化學劑、施工工藝等技術方面都已比較成熟。但隨著油田的開發,油藏特征及環境不斷變化,尤其是油藏進入高含水開采期后,長期水驅使油藏開發矛盾更為復雜,現有堵水調剖(深部調剖)技術,特別是能有效應用的技術總是落后于油田開發的需要;一些特殊條件油田,堵水調剖及深部調驅技術還沒有有效解決,需要針對性地研發相關新技術以適應特殊油田改善水驅(聚驅)的需要。 2.1高溫深井油藏的堵水調剖及深部調剖技術 隨著塔里木、輪南等西部油田的開發及部分油井相繼進入高含水期,高溫深井的控水穩油及改善水驅問題已提上日程。而現有成熟應用的調剖堵水技術及相關配套技術大多不適宜溫度在120以上、礦化度在100 000mg/L以上的高溫高鹽深井(4500m 以上)油藏。盡管近年來針對塔里木油田特點開展了一些相關技術研究,如基于油藏巖石骨架重建或修復的無機凝膠涂層技術,但都處于起步階段,還有許多根本性問題沒有解決。類似塔里木油田特點的深井高溫高鹽油藏的堵水調剖、深部液流轉向等改善水驅技術,仍然是個世界性的技術難題。因此,研究適用于深井高溫高鹽油藏的堵水調剖、深部調剖(調驅)技術,對該類水驅油田改善水驅效果、提高注入水利用率及水驅波及體積,實現油田的控水穩油、提高采收率具有重要意義。 2.2 厚油層的深部液流轉向提高水驅效率技術 大慶喇薩杏油田目前均已進入高含水、特高含水開采期,但大慶油區無論是剩余儲量規模、還是當前產量構成都集中在喇薩杏油田。因此,改善喇薩杏厚油層的水驅開發效果仍然是“十一五”期間大慶油田的工作重點之一。喇薩杏厚油層原始非均質性嚴重,加之長期水流沖刷逐漸形成的大孔道,導致注入水沿大孔道或高滲條帶低效或無效循環,嚴重影響水驅開發效果和油田開發整體效益。據近年 17 口檢查井取心資料分析,目前喇薩杏厚油層還有29.2%的厚度未水洗,12.3%的厚度弱水洗,強水洗厚度只占14.5%,這給進一步改善水驅開發效果留下了空間,但常規的堵水調剖或大劑量深部調剖都不能解決厚油層的深部繞流問題。因此,針對大慶喇薩杏厚油層水驅開發面臨的水驅低效或無效循環難題,研發出深部液流轉向劑及相關配套技術,將為有效治理喇薩杏厚油層注水低效或無效循環、改善水驅開發效果、提高水驅采收率提供技術保障。 2.3 海上油田的堵水調剖、深部調驅技術 利用堵水調剖、深部調剖(調驅)技術改善水驅開發效果,在陸上油田已有廣泛的研究和應用,技術成熟、經驗豐富,但在此方面針對海上油田的系統研究與應用才剛起步。 海上油田的油藏環境和生產條件獨特,如平臺生產作業空間受限,缺乏淡水,環保要求高,繞絲篩管礫石充填防砂完井,大井距,長井段,一套井網多層合采,在平臺壽命期限內(1520a)為收回投資而采取的強注強采等措施既不利于水驅(海上水驅采收率僅18%25%) ,又加劇油藏非均質及水指進程度。鑒于海上油田的上述特點,陸上油田現有成功應用的堵水調剖、深部調剖(調驅)技術及經驗不能滿足海上油田作業要求,需深入開展適合海上油田特點的改善水驅技術研究,提高海上油田的采收率。 2.4 水平井的堵水技術 水平井作為油氣田開發的一項先進技術,已應用于大多數類型的油氣藏。通過“八五”對水平井鉆井技術的攻關,我國水平井鉆井技術基本趨于成熟,并在油田開采中取得了良好的效果。但隨著油田生產時間的延長,邊底水等沿著高滲透層段或裂縫侵入導致水平井出水、甚至關井,已是目前水平井開采中的難題之一。 至2005年10月,中國石油塔里木油田分公司190口水平井中,因高含水而關井17口,含水率大于90%的達20口;輪南、塔中等油田水平井平均綜合含水率超過70%;冀東油田的113口水平井平均含水率也達80%以上,迫切需要與之相適應的堵水技術。但目前國內外尚沒有具有工業應用層次的水平井堵水技術。此外,水平井的出水方式和機理復雜、完井方式特殊,使水平井的堵水技術較直井面臨更多、更復雜的問題和挑戰。因此,開展水平井出水方式、出水機理以及對應的堵水技術及配套工藝技術研究,對解決我國水平井生產面臨的現實問題具有重要的現實意義。 2.5特高滲大孔道油田深部調剖改善水驅技術 大港、遼河、吉林等一些東部老油田,由于長期水驅使油藏非均質矛盾進一步惡化,加之天然或人工裂縫等,油藏內部形成特高滲水流優勢通道,注入水沿水流優勢通道低效或無效循環,導致大量影響生產的問題,如油層水淹、大量的污水處理、設備及管線腐蝕等,使油田生產受到嚴重影響,甚至關井。盡管像交聯聚合物弱凝膠、體膨顆粒等深部調剖劑在上述油田應用中見到一些效果,但仍需進一步完善及開發新的更有效的技術,如高強度長膨脹時間吸水劑油藏深部液流轉向技術,地層內生成高強度泡沫的深部液流轉向技術,觸變性高強度深部液流轉向技術等。 3技術發展趨勢 目前,我國水驅油田普遍進入高含水或特高含水開采期,針對單井或幾個井組水驅問題開展的近井調剖堵水或大劑量處理技術,已不能滿足解決油藏深部水驅問題的需要。為改善高含水油藏的水驅效果、實現油田的高效開發,開展適合不同油田條件的深部液流轉向技術及相關配套技術研究,是高含水或特高含水油田改善水驅技術的發展趨勢。 堵水調剖、深部液流轉向等技術均是建立