锦州9-3油田聚合物驱受益油井堵塞物组成及成因分析

杨芯惠 唐洪明

摘      要：结合X-射线衍射法、扫描电镜+能谱法及红外光谱法等分析方法，以JZ9-3油田注聚合物驱受益井产出堵塞物为研究对象，开展了堵塞物成分分析及形成原因的研究。结果表明，研究区受益井产出堵塞物包括以铁盐、钙盐、氟硅酸盐、氟铝酸盐等无机成分为主的硬团颗粒堵塞物，和“有机+无机”的软硬结合颗粒物堵塞，有机组分为部分水解稀酰胺形成的胶团，无机组分为石英、碳酸钙等。推测堵塞物形成原因为：聚驱过程中聚合物分子吸附凝絮黏土矿物、固悬物等微粒，形成具一定变形能力的团状集合体;聚合物与高价金属阳离子发生交联形成有机胶团堵塞物;酸化二次沉淀等无机垢与原油重质组分、聚合物交织在一起，加剧储层堵塞程度。研究结果可为预防聚驱油田生产井产生堵塞，为油井解堵设计提供理论基础。

关  键  词：锦州9-3油田;聚合物驱;受益油井;堵塞物

中图分类号：TE 357      文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）04-0658-06

Abstract： With the analysis method of X-ray diffraction， SEM+EDS and infrared spectroscopy， taking the blockage of polymer injection flooding response well in JZ9-3 oilfield as the research object， the composition analysis was carried out， and the formation reasons of the plug were studied. The results showed that the blockages from the response wells included hard particle blockage mainly composed of inorganic components such as iron salt， calcium salt， fluorosilicate， fluoroaluminate， etc. And the other type was soft and hard combined particle blockage composed of organic matter and inorganic matter， the organic component was micelles formed by hydrolysis of dilute amides， and the inorganic component was quartz， calcium carbonate， etc. The causes of blockage formation included that polymer molecules adsorbed aggregated clay minerals， solid suspensions and other particles in the process of polymer flooding to form a cluster-like aggregate with certain deformation ability; the polymer combined with high-priced cations to form organic micelles; inorganic scale after acidified secondary precipitation intertwined with heavy components of crude oil and polymer to aggravate the degree of reservoir plugging. The research results can provide theoretical basis for preventing the blockage of the production wells in the polymer flooding and oil well unblocking design.

Key words： JZ9-3 oilfield; Polymer flooding; Polymer flooding response well; Blockage

聚合物驱作为高效开采主要的稳产、增产技术已在渤海JZ9-3油田得到了广泛应用，但随着聚合物注入量的增加，除注聚井堵塞现象普遍存在，部分聚合物驱受益井的近井地带、筛管处以及泵吸入口也发现了一定量的含聚堵塞物，堵塞造成油井产能下降明显、检泵作业频次增加，严重影响了聚驱提高油田采收率的效果[1]。目前针对含聚堵塞物成分分析及形成机理的研究大多在注聚井，而针对聚驱受益井堵塞现象的研究较少，为此本文以JZ9-3油田为研究对象，以聚合物驱受益油井产出堵塞物成分分析为基础，结合油田主力储层地质特征、油井生产动态特征等，通过室内实验研究堵塞物的成因，为油井有效解堵提供依据，从而达到释放油井产能，提高油藏聚合物驱油效率的目的。

1  油田概况

锦州9-3油田位于渤海辽东湾北部海域，其构造形态为一北东-南西向展布的狭长带状断裂背斜，属于典型的疏松砂岩稠油油藏。其油气资源丰富，主要含油层系为东营组东二下段及东三段地层，主力储层岩性为含砾中-粗砂岩和中-细砂岩，岩石矿物主要成分為石英（42%～80%）、长石（18%～43%）、岩屑含量10%～15%、胶结物含量10%～28%，胶结物包括泥质、白云石和方解石，其中泥质含量平均为15%。储层黏土矿物主要为蒙脱石，其次为高岭石和伊利石，含少量绿泥石。东下段储层地层水水型为碳酸氢钠型，地层水矿化度为平均为6 445 mg/L，pH值7.5。原油具有密度高、胶质含量高、凝固点低、含硫量低、含蜡量低和黏度中等的特点。研究区注聚所用聚合物为水解度22.9%的长链型部分水解聚丙烯酰胺，注入质量浓度为1 200 mg/L。

2  实验部分

2.1  实验仪器

X pert PRO粉末-射线衍射仪，荷兰PANalytical公司;美国Quanta 450环境扫描电子显微镜及能谱仪（EDS）;WQF520红外光谱仪，北京瑞利分析仪器有限公司;MultiEA5000硫氮氯元素分析仪，德国耶拿公司;Waters 1515型凝胶渗透色谱，美国Waters公司。

2.2  样品预处理

（1）产出聚合物的分离：抽取受益油井采出液下层污水于烧杯中，加入足量的（石油醚+二甲苯）的混合溶剂作为萃取剂，磁力搅拌12 h，萃取除去水中的原油;取下层水相置于70 ℃的水浴中旋蒸，将2L的污水浓缩至大约150～200 mL左右;将浓缩液装入截留分子量为5 000的透析袋中， 透析48 h，每隔2 h更换一次蒸馏水;透析除盐后的浓缩液使用中速滤纸抽滤，将抽滤液在65 ℃下旋蒸除水，直至聚合物在圆底烧瓶内壁形成聚合物膜，取出聚合物膜，剪碎，装瓶。

（2）产出堵塞物样品不同组分的分离：现场取受益油井产出堵塞物样品，堵塞物样品中不同组分的分离流程如图1所示，堵塞物样品首先冷冻干燥24 h后再次称重，得到样品②;将样品②经索氏提取后得到油相及无油物质，无油物质在600 ℃下灼烧4 h后得到无机物;无油物质加入100 g去离子水，室温下搅拌12 h，得到样品⑥、⑦，样品⑥经透析处理除去其中的无机盐离子后得到样品⑧。

堵塞物不同组分分析方法及目的见表1。

3  结果与讨论

3.1  受益井产出聚合物性质研究

参照石油行业标准SY/T 5862-2008《驱油用聚合物技术要求》测定注入聚合物的黏均分子量和水解度，相关结果见表2。由表2可知，JZ9-3油田聚合物聚驱产出后的水解度都在50%左右，相对注入前水解度增加了1～1.2倍;聚驱产出后的分子量在60～80万左右，相对注入时下降了90%～92%。

以蒸馏水为溶剂，配制注入聚合物溶液（聚合物浓度为200 mg/L），对溶液进行扫描电镜分析，以观察样品的微观形貌，结果见图2（a），注入聚合物在溶液中呈现明显的交联网状结构;不同污水中产出聚合物的SEM图见图2 （b， c， d），由图可知，即使产出聚合物分子量比较小，但是它们在溶液中仍呈现交联网状结构，形成大的分子聚集体从而为堵塞提供可能。

3.2  受益井产出堵塞物成分分析

不同聚驱受益油井不同位置的堵塞物成分有一定差异，观察堵塞物样品的外观形貌，其大体分为两类，A类为质地较硬，含砂，附着油污状黏液，褐-黑色的硬块状，以1-2号样品为代表;B类为软硬结合颗粒物堵塞物，呈黑色胶团状，黏弹性较高，具有一定的形变性，同时有一定强度，表面附着黏稠状聚合物，以3-5号样品为代表。

组分含量分析结果表明，堵塞物由水、油、固相有机物、固相无机物、水溶性聚合物等组成，A类堵塞物固相无机物含量较高>58%，含油率较低小于10%;B类堵塞物有机物含量较高>20%，含油率>16%，而无机物含量较低，且含有一定量的水溶性聚合物（表3）。

3.2.1  水不溶物成分分析

对上述样品处理过后的水不溶物进行扫描电镜、能谱分析，测试结果见表4。

结果显示，A类堵塞物在扫描电镜下呈现出块状、不规则块状见图3（a，b），主要元素包括：Si、O、F、C 、Fe、Ca、Al，其中F元素含量异常，可能来自于油井酸化;B类堵塞物的分散水不溶物在扫描电镜下呈现出絮团状、交联网状见图3（c，d），其主要元素包括：C、O、Fe、Ca、Si，其中C、O元素含量较高，推断来自聚合物等有机物，同时还有部分Ca、Fe、Na元素，推断堵塞物中含钠盐、铁盐、钙盐等无机垢组分。样品XRD测试结果也显示A类堵塞物样品具有很强矿物衍射峰，而B类堵塞物样品无强衍射峰，仅具有零星点峰，以有机物为主，分析结论与上述堵塞物组分结论一致。

取脱水后堵塞物采用H2O2溶液（3%）降解，检测降解液中的金属离子，检测结果见表4，固体堵塞物经过双氧水降解后的降解液均呈现黄色或者土黄色，降解液中均含有Fe3+，验证了能谱的元素检测结果，且B类堵塞物降解液中Fe3+浓度较高，推测为铁盐沉淀或铁离子交联HPAM。

由于A类堵塞物基本不含有机成分，因此针对B类堵塞物样品水不溶物质进行IR表征，结果见图4。

经过特征峰的归属分析：波数3 432 cm-1归属于伯酰胺中-NH2和羟基中-OH伸缩振动峰， 波数2 932、2 861、1 468 cm-1归属于-CH2的伸缩振动峰，波数1 648 cm-1归属于伯酰胺中C=O的对称伸缩振动峰，波数1 053 cm-1归属于仲醇中-OH伸缩振动峰。B类堵塞样品IR图谱与产出水中产出聚合物的IR图谱对比可知（图4），堵塞物样品的有机物主体结构与产出聚合物结构一致，均为部分水解聚丙烯酰胺。

3.2.2  水可溶物分析

向装有堵塞物样品的容器中加入蒸馏水，摇晃后静置，待溶剂颜色不再发生改变时，过滤并抽取滤液，利用电子显微镜观察水溶液中的聚合物形態（图5）。由图可知，A类堵塞物水溶物主要为无机盐和少量聚合物，B类堵塞物水溶物主要为絮状聚合物。

利用硫氮氯元素分析仪测定滤液中氮含量，间接反算水中聚合物的浓度，测定的滤液中含N量、聚合物浓度和样品中含聚量结果见表5，B类水溶聚合物含量相对较高，故在其水溶液SEM结果可以看到明显的聚合物，A类样品中水溶聚合物含量则较低，所以其水溶液SEM结果中看到的更多是无机盐颗粒。

随后，提取滤液中的水溶性聚合物进行GPC分析以获得它们的分子量分析结果见表6，结果表明堵塞物中能够水溶的聚合物分子量都小于1万，远远小于产出聚合物分子量，推测分子量大于1万的聚合物可能全部已发生交联反应形成堵塞物。

4  受益油井堵塞物成因分析

4.1  无机垢的形成

由前述堵塞物成分分析结果可以看出，A类堵塞物主要由Fe（OH）3、氟硅酸钙、硅氟酸铝等无机组分组成，这些无机物与酸化施工过程中产生的二次沉淀物类型相匹配[2]。酸化作为油井重要的增产措施，能在一定程度上解除堵塞物，恢复油井产能，在中、高渗透性油田，酸化作业目的主要是溶解井筒中污物，溶解地层矿物或堵塞物以扩大孔隙空间。然而，酸化措施也潜藏着对油层造成新的损害的危险，如酸液作用的同时会产生Fe3+、Al3+、SiF62-、Ca2+等易形成沉淀的离子，这些离子在一定条件下会产生的不同形式的沉淀[3]，即酸化后的二次沉淀，重新堵塞孔道，引起较严重的地层损害。

受益井井史统计发现，存在堵塞问题的油井多具有多次低效酸化作业井史，酸化措施后油井产能反而降低，证明研究区堵塞物与酸化增产措施有极大的相关性。对堵塞物样品的滤液检测发现，结果如表7所示。

样品滤液pH较高，但溶液还是存在Fe3+和Al3+，而且滤液中明显的氢氧化铁小沉淀物;洗井返出液呈强酸性且含有很高浓度的Fe3+、Al3+等易形成沉淀的金属离子，说明酸化作业返排不及时，残酸未及时排出，为堵塞物中无机成分提供了物源。

因此，可以断定锦州9-3油田注聚受效井储层产出堵塞物的无机垢形成主因为：受效油井酸化作业过程中造成了储层损害，导致无机垢产生。氢氧化物沉淀，如Fe（OH）3，为酸化处理后未及时反排的酸液与聚驱液反应，pH值回升到一定值时，残酸中的Fe3+与氢氧根反应生成;硅氟酸盐则是长石、黏土等地层矿物与土酸反应生成的氟硅酸和氟铝酸，它们又与地层水中或储层中的Na+、K+、Ca2+反应生成的难溶性沉淀，反应方程式见式（1）和（2）。

NaAlSi3O8+HF=NaF+Na2AlF6（s）+H2SiF6+H2O  （1）

CaAlSi2O8+HF=CaSiF6（s）+AlF3（s）+H2SiF6+H2O  （2）

此外，酸液与储层矿物发生反应的过程中，酸液溶解、冲刷胶结物和堵塞物时，会使油气层岩石的颗粒或微粒松散、脱落，这些微粒随着流体运移可造成孔喉堵塞，这也可以解释其他无机堵塞物的形成。

4.2  有机垢的形成

研究区聚驱所用部分水解聚丙稀酰胺是聚丙烯酰胺水解后形成的含有羧基的产物。在酸性、加热的条件下，Al3+等多价金属离子水解生成多核羟桥络离子，该离子会与部分水解聚丙烯酰胺侧基中的羧酸根发生交联反应，导致生成凝胶[4，5]，这种交联网状凝胶的形成增大了聚合物分子的回旋半径，使流动阻力增大，当它在储层内部移动的同时，会将部分水、原油和无机盐等物质包裹在弹性体中，形成堵塞物堵塞地层（图6）[6-8]。

对于聚合物驱开发的储层来说，产生高价金属阳离子的因素较多，既涉及储层内因，如储层黏土矿物、流体，也涉及外部工程作业因素如：①油井的酸化作业，酸液与油气层黏土矿物反应，在酸溶解过程中不断释放出Fe3+、Al3+;②油气层的水本身富含Na+、K+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等离子;③细菌对金属管道腐蚀产生铁离子[9]。在这几种因素中，酸化作业能满足上述交联反应发生条件，酸化作业过程中酸液与地层矿物反应释放出高浓度的高价金属离子，若返排不及时或返排不完全，地层处于酸性环境下，加之地层温度较高，则极易发生聚合物与金属离子的交联反应，形成不溶的体型聚合物胶团。

室内静态模拟有机胶团的生成，在地层温度下进行试验。将JZ9-3油田模拟聚合物溶液（1 200 ppm，剪切老化后）与100ppm的Fe3+、Al3+、Al3++Fe3+溶液利用蠕動泵和三通阀混合，实验结果显示聚合物与Al3+ 溶液结合后生成了明显的白色胶团不溶物，触感较黏，重量为0.354 8 g;聚合物与Fe3+溶液反应生成了黄色胶团不溶物，质量为0.244 4 g;聚合物与Al3++Fe3+溶液反应生成了黄色胶团不溶物，颜色较淡于Fe3+，质量为0.189 6 g。

收集的水不溶物于环境扫描电镜下观察其微观结构，三种不溶物镜下微观结构相似，都呈明显的交联网状结构，其中“聚合物+Fe3+”形成的不溶物（如图7）与堵塞物水不溶物样品中有机物的微观形貌基本一致。

5  结论

（1）JZ9-3油田聚合物驱受益油井产出堵塞物由水、油、固相无机物、固相有机物、可溶性聚合物组成，堵塞物样品大体分为两类，一类为含沙含油无机垢占主体的堵塞物，无机成分包括不规则片状硅氟酸盐颗粒、Fe（OH）3沉淀、CaCO3 颗粒、石英颗粒等;另一类堵塞物为聚合物与高价阳离子交联形成的有机胶团，包被各类杂质、无机、有机垢形成的复杂堵塞物。

（2）研究区受益油井堵塞物无机组分的成因为：酸化增产作业中产生的二次沉淀，酸液冲刷溶蚀、作业制度不合理导致的微粒运移;有机组分的成因为：高价金属阳离子与产出聚合物发生配位作用，形成交联网状的弹性体，同时部分水、原油和无机盐等物质被包裹在弹性体中形成质地较软的堵塞物。

参考文献：

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