稠油蒸汽驱封窜剂研究进展

卢大伟，毛国梁，李庆松，孟建勋

(1.东北石油大学 化学化工学院 黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田采油工程研究院 黑龙江 大庆 163453)

稠油油藏的热采可分为2个阶段，第一阶段为蒸汽吞吐；第二阶段为蒸汽驱。稠油在进行多个周期的第一阶段注蒸汽之后，稠油吸收热量导致黏度稍微降低，稠油在地层中开始具有流动性；转入第二阶段，随着单位时间内注汽量的增加和注汽强度的提高，制约稠油资源采收率的汽窜现象变得越来越明显，汽窜的发生就会使后期蒸汽在油藏各个方向上受热不均匀，从而导致蒸汽波及面积变小、蒸汽的热损失增加、生产成本提高等问题[1]。当发生汽窜时，蒸汽沿着渗透率高的方向前进，直到形成汽窜通道，造成油藏整体动用程度不均，影响稠油资源的开发；蒸汽一旦形成汽窜通道，就会突破直接从生产井溢出，损失大量的热量，汽窜井排液量增加，注采井之间的温度差异变大，油井出砂，严重还会导致边底水突进，影响正常的生产等[2]。因此从稠油蒸汽驱封窜剂的封窜机理出发，深入的研究稠油蒸汽驱封窜剂的配方，寻找有效的封堵汽窜的措施是当下紧要的任务，同时这还对提高稠油油藏热采效果具有十分重要的意义。

1 汽窜的类型

汽窜按照产生的阶段不同可以分为2种，一种为蒸汽窜；一种为热水窜。在蒸汽驱阶段，采油现场一般采用的是井组模式。一般是中间一口注入井，周边是采出井。当井组模式不同，注入井和采油井之间的距离不同，每一口采油井出油时间不同，油层中原油储量和蒸汽压力的差异，导致井间高渗透层在较大压差作用下被水蒸汽突破形成窜流通道；在稠油热釆的蒸汽吞吐阶段，随着注汽强度的增加蒸汽“舌形”指进形成真正的汽窜，汽窜多发生在生产井间的高含水率通道，此时从注汽井注入的蒸汽冷凝而形成的热水发生指进，即热水很快窜到生产井。当热水和原油在采油井被采出时从井口可以见到闪蒸出来的蒸汽这种现象称为热水窜[3]。

2 封窜剂的分类

稠油蒸汽驱封窜剂可以分为3大类：凝胶型封窜剂、颗粒型封窜剂、泡沫型封窜剂。其中凝胶型封窜剂又可分为有机凝胶型封窜剂和无机凝胶封窜剂，有机凝胶封窜剂按照主剂不同可以分为聚丙烯酰胺类凝胶封窜剂、聚乙烯胺类凝胶封窜剂、腐殖酸钠/硝基腐殖酸钠类凝胶封窜剂、改性落叶松栲胶类凝胶封窜剂。

2.1 凝胶型封窜剂

2.1.1 聚合物凝胶型封窜剂封堵汽窜的机理

聚合物凝胶型封窜剂注入地层后，其中的主要成分聚合物与有机基团反应生成空间网络结构而形成凝胶。聚合物凝胶型封窜剂在高渗透率的地层中依靠堵塞、捕集和吸附等物理作用来封堵高渗透层，阻止蒸汽沿高渗透层的窜流，增加高渗层的流动阻力，使蒸汽进入渗透率低的地层，改善波及效果[4]。

作为组成凝胶主要成分的聚合物，由于其耐温性差阻碍了其在热采过程中的推广和应用，因此要对其改性以适应稠油蒸汽驱井下的高温环境。下面从有机凝胶型和无机凝胶型封窜剂2个方面进行综述和分析。

2.1.2 有机凝胶型封窜剂

(1) 聚丙烯酰胺/有机交联体系凝胶封窜剂

赵芳[5]研制的聚丙烯酰胺/有机交联体系凝胶封窜剂的配方为HPAM/酚醛+烷基聚氧乙烯醚+石油树脂，该体系能耐 200 ℃的高温，同时抗盐性能可以达到 2×104mg/L。

张恩臣[6]研制聚丙烯酰胺/有机交联体系凝胶封窜剂的配方为HPAM+甲醛、间苯二酚+热稳定剂，该体系能耐200 ℃的高温。该配方在辽河油田蒸汽吞吐井中推广应用，现场应用98井次成功了94井次，其中增油效果很显著，汽窜问题得到很好地抑制，有效地提高稠油采收率。

祖莉华等[7]根据河间东营油田高温油藏的特点，对聚丙烯酰胺-酚醛树脂凝胶体系进行研究并开展相应的实验。实验结果表明，各因素对聚丙烯酰胺-酚醛树脂凝胶体系成胶强度、稳定性的影响程度，由强到弱依次为聚合物、交联剂、助剂。在此基础上开展体系配方优化实验，确定了最佳配方为聚合物1 200 mg/L+交联剂主剂2 250 mg/L+交联剂助剂1750 mg/L。截至2014年12月中旬，已在10个井组进行了现场实验，其中6口井初步见效，7口井明显见效，井口压力平均上升5.32 MPa，累计增油1 262 t，效果较好。

(2) 聚乙烯胺/树脂型凝胶封窜剂

聚乙烯胺是由三元环结构的单体乙烯胺在催化剂的作用下均聚合成的高分子共聚物，该聚合物的相对分子质量从300～10 000不等。选取适当相对分子质量的聚乙烯胺，通过胺基链阳离子性与甲醛、苯酚混溶于水，在地层中形成交联体系[8]。聚乙烯胺在室温下黏度约为100 mPa·s，黏度比较低[9-10]，该聚乙烯胺/树脂型凝胶封窜剂在约205 ℃形成凝胶，在稠油蒸汽驱油藏的提高采收率方面具有很广的应用前景，但因单体的成本高、合成利用率低等原因从而限制了其在油田化学剂中的普及。

(3) 腐殖酸钠/硝基腐殖酸钠类凝胶封窜剂

腐殖酸钠/硝基腐殖酸钠凝胶调剖体系不但能在在地层复杂的高温环境中稳定存在，而且能长时间保持好的封堵效果。该体系还由于原料来源广、价格便宜等优点，在高温低渗透油藏的蒸汽驱中占有重要的一席之地。

李素敏[11]研制的腐殖酸钠/硝基腐殖酸钠类凝胶封窜剂的配方为腐殖酸钠+交联剂苯酚、交联剂甲醛+HPAM助剂，同时还探究耐温性、矿化度、温度和pH值这4种因素分别对凝胶成胶性能的影响。结果表明，该配方的腐殖酸钠凝胶封窜剂耐温范围在20～220 ℃；矿化度的范围在0～14 000 mg/L；pH适用范围为7～10。

张弦，王海波等[12]将硝基腐殖酸钠+交联剂配制出具有耐高温性能的硝基腐殖酸钠凝胶调堵体系，并通过实验对其性能进行评价。得到控制汽窜高温凝胶调堵体系的最佳配方为1.5%～2.5%甲醛+1.0%～2.0%间苯二酚+8.0%～10.0%硝基腐殖酸钠(均为质量分数)。该调堵体系最高可耐温290 ℃，对不同渗透率的岩心都具有良好的封堵效果，封堵率约在95%，对高渗透层具有很好的选择性，有效调整吸汽剖面，能满足稠油蒸汽驱防汽窜的需求。

(4) 改性落叶松栲胶类凝胶封窜剂

栲胶是植物体内所含的能将生皮鞣成革的多元酚衍生物，又称植物鞣剂。栲胶是一类复杂的天然化合物的总称，主要成分为多元酚类化合物和单宁，次要成分有非单宁和不溶物。其中的单宁成分与醛类发生缩合反应而树脂化形成具有一定弹性的凝胶。该凝胶还远不能满足稠油蒸汽驱封窜剂的要求，所以要对其改性。

曲占庆，张杰等[13]研究了新型改性落叶松栲胶复合耐高温选择性调堵体系。得到改性落叶松栲胶最优配方为6.0%磺化落叶松栲胶、2.0%醛类交联剂 WR-1、1.0%～1.5%酚类促进剂P-1，其余为水(均为质量分数)。凝胶在350 ℃条件下经过280h放置，凝胶的质量损失率稳定在10%以内，形态完好，强度也趋于稳定。

王建伟[14]制备的改性栲胶调堵剂的配方为改性栲胶+交联剂水溶性酚醛树脂。在密闭条件下，同时探究矿化度、温度和pH值这3种因素分别对凝胶成胶性能的影响。实验结果表明凝胶热稳定性、耐温性能优异，凝胶对酸、碱、盐均有一定的抵抗能力，凝胶能用于较高矿化度地层。

2.1.3 无机凝胶型封窜剂

无机凝胶高温调剖剂的组成主要有无机胶凝剂、激活剂、缓凝剂、分散剂等。无机凝胶型封窜剂主要通过控制温度，无机、有机复合活化剂的用量，来调节成胶速度和成胶后的强度。这种高温调剖剂在成胶前黏度低，利于泵注；在地层中成胶后，强度高、耐温性好，能够满足蒸汽驱条件下的耐热、耐蒸汽冲刷的要求，有效期较长。

吕哲勇[15]研制的无机凝胶的成胶温度在40～100 ℃，成胶时间8～240 h可调，耐温350 ℃，突破压力梯度>6 MPa/m，封堵率≥98%。在齐40-6-K121区块进行了现场实验无机凝胶高温调剖剂，措施实施后注汽压力保持在5.5 MPa，比施工前注汽压力提高了2.5 MPa，截止到2011年2月28日累计增油1 288 t。

马春宝[16]所报道的热沉积无机凝胶堵剂由A、B两液混合而成耐温性达400 ℃。2008年在辽河锦45、锦25块蒸汽吞吐井用该堵剂实施堵水作业16井次,调剖作业18井次,增油降水效果显著。

2.2 颗粒型封窜剂

颗粒型堵剂的堵塞机理为固体颗粒型调剖剂注入地层的过程遵循最小流动阻力原则，因此绝大部分调剖剂会进入阻力小的特高渗透层或高渗透层，并在其中沉降，随着颗粒沉降所形成的堆积体大幅度降低所波及范围内地层的绝对渗透率，导致其吸汽能力降低，达到封堵高渗透强吸汽层的目的，使后续注入的蒸汽改变注入方向，进入未波及的中、低渗透层，使整体吸汽剖面向合理方向改变，提高注入蒸汽波及体积，改善了油井出油剖面。

颗粒型堵剂由于其原料来源广，成本低廉、封堵强度高、耐高温且作用时间长等优点，在稠油蒸汽驱封堵高渗透层方面应用比较多。

王建[17]以粉煤灰作为主剂，加入悬浮剂、固化剂和助剂，制得一种高温封窜剂。堵剂配方为粉煤灰40%+MAC悬浮剂0.25%，固化剂GH3.0%～5.0%，助剂0.08%(均为质量分数)。封堵性能实验结果表明:该堵剂在高温高盐条件下稳定性好，在350 ℃下老化180 d后固化强度仍保持在高强度状态。岩心封堵率在99%以上，最高突破压力梯度为35.31 MPa/m。该堵剂能长期有效封堵高温油藏的高渗层窜流通道。

马道田[18]报道了一种KD型水泥复合堵剂。该堵剂能够耐160 ℃的高温、80 MPa高压,终凝后堵剂的w(固)>98%，析水质量分数<5%，封堵性能好,能够适应稠油蒸汽驱的高温环境生产需要。该工艺在作业现场获得了应用,共实施8口井,成功率100%。

李志华等[19]研制了以小于0.8 mm硅酸盐颗粒为前置段塞、0.8～1.2 mm为后置段塞组合的封堵方式解决孤岛油田开发过程中遇到的水窜、气窜问题。粒径小的硅酸盐颗粒所形成的固结体的抗压强度高、渗透率低；所形成的固结体耐温性能良好，现场使用过程中颗粒粒径可以根据地层孔喉大小进行匹配。

2.3 泡沫型封堵剂

高温泡沫调剖堵剂主要基于2个机理：(1)封堵机理。当泡沫通过地层中狭窄的孔喉时，泡沫由圆形变形为椭球形，前后端液面为曲率不等的椭圆，阻碍后续蒸汽的前进，阻力增加，并且这种阻力可以叠加。利用泡沫在地层中的“贾敏效应”封堵蒸汽窜流通道，提高蒸汽波及体积；(2)降低界面张力机理。泡沫剂是表面活性剂其中1种，它在油水界面吸附。根据表面功的公式W=γdA，泡沫剂降低油水界面自由能，使油水界面张力降低，提高洗油效率。因此，泡沫调剖剂既能提高蒸汽波及体积又可提高洗油效率，进而提高原油采收率。

刘瑾[20]研制的以石油磺酸钠作为发泡剂的氮气泡沫凝胶体系，该体系的耐温范围为 220～300 ℃。该泡沫凝胶提高了油气比，并在辽河油田进行现场应用。现场应用效果很好累计增油2 047 t，排水期缩短，显著改善了汽窜的危害。

吴军财，刘志强[21]对氮气泡沫剂注入工艺参数进行了优选。结果表明，发泡剂最佳使用质量浓度为5 g/L，V(注氮气体积)∶V(蒸汽)=1～ 1.5∶1，在地面条件下注氮气量与蒸汽量之比为25～40∶1。氮气泡沫调剖剂在井楼油田七区进行现场应用，油汽比比以前提高0.04，累计增油610 t，达到了封堵汽窜的效果，提高了蒸汽的波及系数和提高了原油的采油率。

蒲春生，石道涵[22]等对高温自生气泡沫凝胶体系进行了室内实验研究。研究表明该自生气泡沫具有选择性调驱性能，调驱剂A具有很好的耐温性，在200 ℃时阻力因子高达60。自生气泡沫能有效改善汽窜，降低蒸汽流度，提高蒸汽波及体积，为稠油高效开发提供了强有力的技术支持。

3 结束语

(1) 凝胶类高温调剖剂封堵能力较强、成本低、对油层伤害小；但是长时间高温下易破胶，封堵率差，成胶温度低，在蒸汽驱中后期高温环境下成胶困难；

(2) 颗粒型封堵剂适合封堵大孔道和裂缝，封堵后能承受的高强度高温蒸汽的冲刷，缺点是在温度大于120 ℃后不易成胶，调剖规模较小；

(3) 泡沫类调剖剂的优点是发泡剂耐温高，在较高的油层温度下形成泡沫稳定性相对较好，而且起到表面活性剂的作用能够提高洗油效率；缺点是有效期短(仅为约30 d)，封堵强度低，持续性注汽比较困难。

针对单一封窜体系的封窜剂在地层环境中封堵时间短、效果欠佳，科学工作者从封堵机理出发，研制复合调堵体系并探究各体系间的相互协同作用，使复合体系达到最佳的封堵效果。其中，无机/有机复合体系的封堵机理、自生气泡沫凝胶体系的配方等将成为未来研究的热点。总而言之，稠油蒸汽驱封窜剂正在朝着低成本、耐温性好、绿色环保等方向发展。

参 考 文 献：

[1] 张豆娟.稠油油藏蒸汽驱阶段汽窜的研究[J].中国测试技术,2004,5(3):45-50.

[2] 刘清山.对蒸汽驱的几个问题的探讨[J].特种油气藏,1997,4(2):10-13.

[3] 凌建军,宋振宇.蒸汽吞吐阶段“汽窜”现象实质研究[J].江汉石油学院学报,1996,18(1):58-61.

[4] 王永兴.现代油田高效开采实用关键技术[M].北京:石油工业出版社,2006：611-613.

[5] 赵芳.稠油油井热采专用调剖剂:101423753A[P].2009-05-06．

[6] 张恩臣.高温凝胶调剖剂的研制及应用[J].钻采工艺,2011,34(5)：108-110.

[7] 祖莉华,任红梅，等.河间东营油田高温油藏聚合物凝胶调驱体系室内优化[J].新疆石油地质,2015,36(2):204-207.

[8] 李良雄,王平美,韩明，等.应用于高温高盐油田的凝胶类堵水剂[J].油气采收率技术,1998,5(2):75-79.

[9] GHAITHAN A A,HISHAM A N,IBNELWALEED A H.A rheological investigation of a high temperature organic gel used for water shutoff teeatments [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007,59:73-83．

[10] JIA H,PU W F,ZHAO J Z,et al.Research on the gelation performance of low toxic PEI cross-linking HPAM gel systems as water shutoff agents in low temperature reservoirs[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2010,49(20):9618-9624．

[11] 刘素敏.耐高温调剖体系的研制及性能考察[D].大庆:东北石油大学,2012：20-40．

[12] 张弦,王海波,等.蒸汽驱稠油井防汽窜高温凝胶调堵体系试验研究[J].石油钻探技术,2012,40(5):82-87.

[13] 曲占庆,张杰,等.改性落叶松栲胶防汽窜封堵体系及注入工艺[J].大庆石油地质与开发,2012,32(6):124-129.

[14] 王建伟.改性栲胶化学堵水技术研究与应用[D].大庆:东北石油大学,2013：13-25.

[15] 吕哲勇.关于无机凝胶高温调剖剂的研究[J].中国化工贸易,2013,(10)：190-192.

[16] 马春宝.用于蒸汽吞吐井的热沉积无机凝胶堵水技术[J].油田化学,2010,27(1):51-54.

[17] 王建.粉煤灰高温堵剂的制备与性能评价[J].精细与专用化学品,2014,22(9):33-35.

[18] 马道田.KD型水泥复合堵剂在油水井化学封堵技术中的应用[J].内蒙古石油化工,2011,12:84-86.

[19] 李志华,唐永安,屈人伟,等.硅酸盐颗粒材料封堵大孔道的研究[J].油田化学，2013,30(2)：198-201.

[20] 刘锦.氮气泡沫凝胶调剖提高油汽比技术在辽河油田的应用[J].产业与科技论坛,2011,10(5):102-103．

[21] 吴军财,刘志强.氮气泡沫调剖机理研究及现场应用[J].内江科技,2012(3):127-128.

[22] 蒲春生,石道涵,等.高温自生气泡沫室内实验研究[J].特种油气藏,2010,17(3):90-93.