深部調(diào)驅(qū)體系適應(yīng)性及現(xiàn)場應(yīng)用

劉家林，劉 濤

1. 中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院；2. 中國石油遼河油田分公司茨榆坨采油廠：遼寧盤錦 124010

遼河油田稀油、高凝油、普通稠油油藏注水開發(fā)區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入高含水期，含水普遍高達(dá)90%以上，同時(shí)由于在平面上、縱向上、層間、層內(nèi)等存在的地層矛盾，導(dǎo)致在地層中形成水流優(yōu)勢通道，使注水液流過早地指進(jìn)、水串，使一些油井早見水或者水淹，水驅(qū)效率低或者無法生產(chǎn)。深部調(diào)驅(qū)技術(shù)可改善注水通道的液流方向，提高波及效率和驅(qū)油效率，可進(jìn)一步提高采收率。通過“十二五”期間適應(yīng)深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊的篩選，遼河油田共有71個(gè)單元區(qū)塊，地質(zhì)儲量3 400×105t，可提高原油采收率5%，增加可采儲量1 700×104t。按照遼河油田“十二五”的規(guī)劃，已經(jīng)進(jìn)行了100多個(gè)井組規(guī)模的深部調(diào)驅(qū)的礦場試驗(yàn)，取得了很好的效果?，F(xiàn)就二十多年來遼河油田已經(jīng)開展的深部調(diào)驅(qū)現(xiàn)場實(shí)施效果進(jìn)行全面總結(jié)，為今后遼河油田深部調(diào)驅(qū)大規(guī)模的現(xiàn)場應(yīng)用提供借鑒。

1 遼河油田可實(shí)施深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊概況

遼河油田的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，是具有多斷塊、多斷裂、多套復(fù)合油層、多種儲層巖性、多種油品性質(zhì)的復(fù)式油氣區(qū)。符合深部調(diào)驅(qū)的區(qū)塊按油品分為稀油、普通稠油、高凝油區(qū)塊；按照油藏類型分為中高滲透沙礫油藏、低滲透沙礫油藏、裂縫性碳酸鹽油藏和復(fù)雜巖性油藏等[1]。

目前大部分油田已經(jīng)進(jìn)入中高含水期，含水高達(dá)90%以上，隨著采出程度的加大，綜合含水不斷升高，采出難度越來越大。通過借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，遼河油田制定了深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊篩選初選標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)見表1。按照該標(biāo)準(zhǔn)遼河油田有12個(gè)注水主力區(qū)塊適宜深深部調(diào)驅(qū)，各區(qū)塊的油藏地質(zhì)參數(shù)見表2。

表1 遼河油田深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊初選標(biāo)準(zhǔn)

遼河油田注水開發(fā)的主力區(qū)塊主要集中在中高滲透沙礫油藏，占深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊的70%以上，另外低滲裂縫性等復(fù)雜油藏占30%。按原油的油品分類如下：

1)稀油油藏。稀油油藏是油田注水開采的主力區(qū)塊，占遼河油田水驅(qū)總儲量的72%。地層溫度在55～70 ℃,原油黏度在80 mPa·s以下，平均滲透率一般在300×10-3～750×10-3μm2，滲透率最高可達(dá)1 800×10-3μm2，孔隙度一般在17%～29.8%，原油含水高，采出程度也高，是遼河油田深部調(diào)驅(qū)的主要區(qū)塊，主要集中分布在曙光、興隆臺、錦州、茨榆坨等采油廠，分別是龍11、清5、曙2-6-6、曙4-7-14、沈67等區(qū)塊。在這類區(qū)塊中還存在著低滲裂縫性油藏，主要集中在茨榆坨采油廠的包1塊、包14塊,地層滲透率只有30×10-3μm2左右。

2)高凝油油藏。高凝油油藏占遼河油田水驅(qū)總儲量的16%，主要集中在遼河油田沈陽采油廠的沈84-安12塊，該區(qū)塊是遼河油田主要的高凝油生產(chǎn)基地，高凝油產(chǎn)量占遼河油田高凝油產(chǎn)量的80%以上，原油含蠟量在31.73%～39.59%，凝固點(diǎn)在46～50 ℃，析蠟點(diǎn)在51.60～68.8 ℃,平均析蠟點(diǎn)在65.65 ℃[2],原油黏度在0.5～6 mPa·s。

3)普通稠油油藏。普通稠油油藏占水驅(qū)總儲量的12%，主要集中在金海油田的海1、海31塊，錦州采油廠的錦99塊，地層溫度在51～70 ℃,原油黏度在82.5～229 mPa·s，地層滲透率在536×10-3～3 226×10-3μm2，是典型的中高滲大孔細(xì)喉型油藏。

表2 遼河油田深部調(diào)驅(qū)主力區(qū)塊油藏地質(zhì)參數(shù)

遼河油田油藏地質(zhì)條件復(fù)雜，稀油、高凝油、普通稠油、低滲裂縫性油藏并存，采用單一凝膠體系無法滿足油藏的地質(zhì)條件，必須針對油藏地質(zhì)條件個(gè)性化設(shè)計(jì)配方體系，以達(dá)到深部調(diào)驅(qū)的目的。

2 調(diào)驅(qū)體系的適應(yīng)性

目前遼河油田采用的調(diào)驅(qū)體系多為凝膠類，兼用可動微凝膠(SMG)和體膨顆粒等調(diào)驅(qū)體系。主要應(yīng)用有機(jī)鉻凝膠類和酚醛凝膠類體系，各調(diào)驅(qū)體系的調(diào)驅(qū)機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件見表3。

表3 不同深部調(diào)驅(qū)體系的適應(yīng)條件及實(shí)施區(qū)塊

由于受油藏環(huán)境條件如溫度、滲透率、礦化度、裂縫、pH等因素的影響，所采用的深部調(diào)驅(qū)配方體系有所差異。

1)油藏地層水礦化度高，要求深部調(diào)驅(qū)體系有較好的耐高鹽穩(wěn)定性能，并且配制水中不含影響成膠的Fe2+、S2-等，配制水中S2-的質(zhì)量濃度為3 mg/L時(shí)體系難以成膠[3]。適合采用體膨顆粒、柔性顆粒和SMG等不受礦化度影響的凝膠體系。

2)有機(jī)鉻凝膠體系適用溫度為30～80 ℃，比較適合中低溫度油藏，高于80 ℃時(shí)有機(jī)鉻凝膠體系容易破膠、脫水；酚醛體系在55 ℃以上才能夠成膠，低于55 ℃時(shí)不發(fā)生聚合反應(yīng)，適宜溫度在60～120 ℃。

3)油藏低滲、低孔隙度對凝膠調(diào)驅(qū)體系的要求比較高。由于低滲、低孔隙度，凝膠強(qiáng)度不宜過高，否則容易造成凝膠體系堵塞地層，同時(shí)調(diào)驅(qū)體系必須有很好的抗剪切能力。不適合采用體膨顆粒、柔性顆粒等大粒徑的顆粒型凝膠體系，而應(yīng)采用SMG、聚合物微球等類納米級顆粒型凝膠體系,同時(shí)要重點(diǎn)考慮粒徑與孔喉半徑的配比。

4)裂縫油藏是深部調(diào)驅(qū)中難度最大的，裂縫性油藏的開采通常都伴隨著低滲透油層，主要包括人工裂縫和天然裂縫，既要使凝膠體系封堵裂縫，做到裂縫“堵而不死”，又要能夠使凝膠波及到介質(zhì)中。要求凝膠強(qiáng)度適中，一般采用聚合物凝膠+體膨顆?；蛉嵝灶w粒等復(fù)合凝膠體系作為前置段塞,后續(xù)采用SMG、弱凝膠作為主段塞。

5)高滲透油藏是油田的主力區(qū)塊,約占50%以上，由于長期注水采出程度高，地層中已經(jīng)形成水流優(yōu)勢通道，低強(qiáng)度的凝膠體系難以封堵高滲透層，必須采用高強(qiáng)度的凝膠體系+體膨顆?；蛉嵝灶w粒作為前置段塞，以中等強(qiáng)度的凝膠體系作主段塞聯(lián)合使用。

3 深部調(diào)驅(qū)常用凝膠體系

深部調(diào)驅(qū)技術(shù)已經(jīng)在遼河現(xiàn)場應(yīng)用20年，各種凝膠體系都有所應(yīng)用，其中有機(jī)鉻凝膠、酚醛凝膠體系和體膨顆粒在遼河油田得到了廣泛應(yīng)用，改善波及效率的效果比較明顯，是遼河油田主要采用的凝膠深部調(diào)驅(qū)劑。

3.1 酚醛凝膠體系

聚合物分子鏈段中的—CONH2與有機(jī)交聯(lián)劑發(fā)生脫水縮合反應(yīng)得到酚醛凝膠體系。交聯(lián)劑必須具有2個(gè)或者2個(gè)以上的反應(yīng)活化點(diǎn)，一般選擇多官能團(tuán)短鏈有機(jī)物作為交聯(lián)劑，交聯(lián)劑主要為乙二醛、間苯二酚、苯酚、甲醛、烏洛拖品等。酚醛凝膠體系的合成主要受聚合物和交聯(lián)劑的用量、溫度、pH等因素的影響，一般選擇聚丙烯酰胺作為主劑，質(zhì)量濃度為1 000～3 000 mg/L，酚醛交聯(lián)劑的質(zhì)量濃度為200～3 000 mg/L，形成的凝膠黏度在1 000～10 000 mPa·s，凝膠的彈性模量通常為0.1～10 Pa。溫度低于55 ℃時(shí)酚醛凝膠體系不發(fā)生反應(yīng)，因此在選擇該體系時(shí)，應(yīng)考慮油藏溫度，同時(shí)該凝膠體系成膠強(qiáng)度大，中低滲透率油藏應(yīng)慎用。

3.2 有機(jī)鉻凝膠體系

有機(jī)鉻交聯(lián)體系的制備主要是通過Cr3+與HPAM的交聯(lián)反應(yīng)，具有延遲交聯(lián)性，其延遲交聯(lián)作用的機(jī)理是HPAM分子中的—COOH官能團(tuán)與配位體(L)爭奪Cr3+，配位體濃度增加，增強(qiáng)了配位體與—COOH爭奪Cr3+的能力，減緩了交聯(lián)反應(yīng)速度，有利于形成絡(luò)合物，而不利于形成交聯(lián)凝膠體系。由于Cr3+與—COOH官能團(tuán)間的反應(yīng)是以配位鍵形式結(jié)合，反應(yīng)所需的活化能低，在較低的溫度下即可反應(yīng)，反應(yīng)速度快，成膠時(shí)間短，可通過調(diào)節(jié)配位體濃度控制成膠時(shí)間。鉻凝膠調(diào)驅(qū)體系主要有有機(jī)鉻和無機(jī)鉻體系，由聚合物和交聯(lián)劑通過分子間交聯(lián)形成凝膠，一般選擇聚丙烯酰胺作為主劑，質(zhì)量濃度為500～3 000 mg/L，交聯(lián)劑主要為醋酸鉻、乳酸鉻等，質(zhì)量濃度為300～2 000 mg/L，凝膠體系黏度在1 000～10 000 mPa·s，凝膠彈性模量通常在0.1～10 Pa。該體系要求的地層溫度高于30 ℃，現(xiàn)場施工方便，污染少，目前有機(jī)鉻凝膠體系已經(jīng)在油田得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.3 膠態(tài)分散凝膠(CDG)體系

膠態(tài)分散凝膠為聚合物和交聯(lián)劑形成的非網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)交聯(lián)凍膠體系， 交聯(lián)反應(yīng)主要發(fā)生在分子內(nèi)的各交聯(lián)活性點(diǎn)之間，以分子內(nèi)交聯(lián)為主，形成分散的凝膠。該體系聚合物的質(zhì)量濃度為200～500 mg/L，交聯(lián)劑為檸檬酸鋁，質(zhì)量濃度為200～500 mg/L，凝膠體系的黏度在500 mPa·s以下。2001年遼河油田在海外河油田的海1塊海23、海8-17井組開展了聚丙烯酰胺與檸檬酸鋁調(diào)驅(qū)體系的注入，采用的配方體系為225 mg/L HPAM+300 mg/L交聯(lián)劑，海23、海8-17井組的注入量分別為0.2 PV和0.15 PV，海23、海8-17井組分別增油3 182 t和1 302 t，取得了較好的效果[4]。但在遼河油田的龍11、茨34塊應(yīng)用效果較差，投入產(chǎn)出率低。主要原因是CDG 的耐鹽性能差，成膠條件苛刻，封堵程度低，目前油田已經(jīng)不采用該體系，國內(nèi)對該技術(shù)的研究與應(yīng)用幾乎處于停滯狀態(tài)[5-9]。

3.4 SMG體系

這是近年來發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)驅(qū)技術(shù)，由韓大匡院士提出[10]。該調(diào)驅(qū)劑依靠納米級、微米級、亞毫米級遇水可膨脹的微凝膠逐級封堵地層孔喉，實(shí)現(xiàn)在油藏深部液流轉(zhuǎn)向以擴(kuò)大水驅(qū)波及體積的目的。SMG是由丙烯酰胺、N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺等共聚形成的預(yù)交聯(lián)凝膠，礦場應(yīng)用可直接采用污水配液，具有耐溫抗鹽、耐剪切的優(yōu)點(diǎn)。新型調(diào)驅(qū)劑SMG的調(diào)驅(qū)機(jī)理與體膨顆粒調(diào)驅(qū)劑既相似又不同。相似之處是顆粒均在水中膨脹，油中不發(fā)生變化。SMG的封堵作用主要是在微觀上對孔喉形成暫堵-突破-再暫堵，增加微觀波及體積，SMG 在粒徑上與體膨顆粒調(diào)驅(qū)劑不同，前者粒徑一般在毫米至納米級，遇水膨脹后粒徑為幾毫米到幾百納米，能夠進(jìn)入油藏的深部，而體膨顆粒的粒徑較大，用于封堵近井地帶。該體系可以有效封堵中低滲透率層[11]，對于滲透率高于100×10-3μm2的油藏效果較差[12]。在遼河油田的沈84-安12塊實(shí)施10個(gè)井組的油田先導(dǎo)試驗(yàn)，增加原油產(chǎn)量近1.1×103t，取得了較好的效果。在遼河油田海南3塊開展與甜菜堿表面活性劑復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)，2井組試驗(yàn)區(qū)增產(chǎn)原油10 kt以上[13]。長慶姬塬油田儲層滲透率為1.63×10-3μm2，孔隙度為12%，現(xiàn)場實(shí)施5井組深部調(diào)驅(qū)試驗(yàn)，單井注入3 300 m3，質(zhì)量濃度為3 000 mg/L，增產(chǎn)原油906 t。目前SMG深部調(diào)驅(qū)技術(shù)已經(jīng)在長慶油田低滲透油藏得到廣泛的推廣應(yīng)用[14-15]，是低滲透油藏開展深部調(diào)驅(qū)提高原油采收率的主要技術(shù)之一。

3.5 體膨顆粒凝膠體系

預(yù)交聯(lián)體膨顆粒是聚合物單體、交聯(lián)劑及添加劑在一定的反應(yīng)條件下交聯(lián)成的高聚物，是一種強(qiáng)吸水性樹脂顆粒，遇水膨脹，主要是針對非均質(zhì)性強(qiáng)、高含水、大孔道發(fā)育的油田改善水驅(qū)開發(fā)效果而研發(fā)。體膨顆粒使后續(xù)注入水分流轉(zhuǎn)向，有效改變地層深部長期水驅(qū)而形成定勢的壓力場和流線場， 達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)剖、提高波及體積、改善水驅(qū)開發(fā)效果的目的。該凝膠具有以下特點(diǎn)：1)體膨顆粒由地面合成、烘干、粉碎、分篩制備形成，避免了凝膠體系不成膠、抗溫、抗鹽性能差等缺點(diǎn)；2)體膨顆粒粒徑變化大，膨脹倍數(shù)高，膨脹快； 3)體膨顆粒深部調(diào)剖施工工藝簡單、靈活、無風(fēng)險(xiǎn)；4)體膨顆粒可以單獨(dú)使用，也可以配合其他凝膠體系復(fù)合應(yīng)用。目前在遼河油田的深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊，前期封堵高含水層主要是采用體膨顆粒作為前置段塞，配合其他凝膠體系開展深部調(diào)驅(qū)應(yīng)用，可以有效封堵高滲透層。

3.6 柔性顆粒凝膠(柔性轉(zhuǎn)向劑)

柔性顆粒凝膠是中石油勘探開發(fā)研究院(北京)研發(fā)的一種新型的深部調(diào)堵劑，由特種共聚單體與增韌劑在過氧二甲酰的引發(fā)下聚合產(chǎn)生凝膠，通過造粒機(jī)形成粒徑在1～8 mm的柔性顆粒[16]，在0.1～10 000 Pa的拉伸應(yīng)力下，長度應(yīng)變達(dá)到100倍。該凝膠體系韌性好，可任意形變，不易破碎斷裂，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠在裂縫、大孔道高滲透區(qū)運(yùn)移，在45～140 ℃、礦化度為4 000～93 454 mg/L的油田污水中穩(wěn)定一年無變化[17]。由此可以看出，柔性顆粒凝膠體系具有抗溫、抗鹽能力，尤其適合高溫、大孔道、裂縫性、高礦化度的其他凝膠無法實(shí)施的區(qū)塊。柔性顆粒的主要轉(zhuǎn)向機(jī)理是進(jìn)入水驅(qū)主流線區(qū)域及高滲透層，能夠有效適應(yīng)地層孔喉的變化。當(dāng)粒徑小于孔喉尺寸時(shí)，顆?？梢酝ㄟ^吸附、黏連作用，在多孔介質(zhì)中發(fā)生滯留堆積，封堵孔喉；當(dāng)粒徑大于孔喉尺寸時(shí)，顆粒受壓力變形通過介質(zhì)，產(chǎn)生暫堵，促使注入水液流轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及效率。該體系已經(jīng)在大慶、新疆、勝利油田開展先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了很好的深部液流轉(zhuǎn)向的效果。由于受價(jià)格因素的影響，柔性顆粒凝膠體系在油田的使用受到限制，在條件苛刻的其他凝膠體系無法適應(yīng)的區(qū)塊有少量應(yīng)用，主要是配合其他的深部調(diào)驅(qū)體系，作為前置段塞封堵高滲透層，大規(guī)模的推廣應(yīng)用報(bào)道的很少，僅玉門油田在2013—2015年期間開展了大規(guī)模的推廣應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)施共91井次，累計(jì)增油8 000 t[18]。

4 遼河油田深部調(diào)驅(qū)凝膠體系礦場應(yīng)用

遼河油田經(jīng)過40年注水開發(fā)，目前大多數(shù)油井已經(jīng)進(jìn)入高含水、高采出程度的“雙高期”，部分區(qū)塊的含水在90%以上，繼續(xù)采用原來的注水技術(shù)已經(jīng)滿足不了開發(fā)的需要，注入水沿高滲透層串流，低滲透層因未受到波及而仍具有開發(fā)的潛力，因此提高注水的波及效率是提高采收率和降低采油成本的關(guān)鍵，而深部調(diào)驅(qū)技術(shù)可改善上述問題。

遼河油田開展深部調(diào)驅(qū)分為3個(gè)階段：1)2001年開始的規(guī)模小、投入少階段，主要是在金馬油田的海1、茨榆坨油田的茨34塊應(yīng)用膠態(tài)分散凝膠體系，提高原油產(chǎn)量規(guī)模在10 kt以下；2)2006年開始的先導(dǎo)試驗(yàn)階段,投入較大，先導(dǎo)試驗(yàn)規(guī)模較大,集中在金馬油田、曙光油田、沈陽油田、茨榆坨油田，增加產(chǎn)量在60 kt左右，在此階段除海1、海31、曙2-6-6外，其他區(qū)塊投入產(chǎn)出比較差，沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，詳見表4；3)2010年開始調(diào)整稀油、高凝油的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)量與稠油產(chǎn)量相當(dāng)，深部調(diào)驅(qū)項(xiàng)目投入資金、規(guī)模加大，已經(jīng)在海1、清5、曙2-6-6、歡2-7-13、沈84-安12等100多個(gè)井組開展了深部調(diào)驅(qū)礦場推廣應(yīng)用，遼河油田深部調(diào)驅(qū)部分主力區(qū)塊階段增產(chǎn)情況見表5，截至2018年底遼河油田的深部調(diào)驅(qū)區(qū)塊已累計(jì)增油約200 kt以上。

表4 遼河油田深部調(diào)驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)主力區(qū)塊增產(chǎn)效果

表5 遼河油田深部調(diào)驅(qū)規(guī)模推廣部分主力區(qū)塊增產(chǎn)效果

5 結(jié)語

隨著遼河油田稀油、高凝油及普通稠油注水區(qū)塊全面進(jìn)入高含水開發(fā)期，深部調(diào)驅(qū)將是提高原油采收率的接替技術(shù)，同時(shí)也要認(rèn)識到油藏深部非均質(zhì)矛盾加劇，一些高溫高鹽、裂縫大孔道、厚油層、深井油藏、低滲透率油藏、水平井開采油藏等特殊油田的高含水問題日益嚴(yán)重，使控水穩(wěn)油、改善水驅(qū)等技術(shù)面臨極大的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)這些高含水油藏改善水驅(qū)的要求，應(yīng)根據(jù)油藏地質(zhì)特點(diǎn)采取各區(qū)塊深部調(diào)驅(qū)個(gè)性化設(shè)計(jì)，采用多種凝膠組合方式，取長補(bǔ)短，發(fā)揮各種凝膠體系的特點(diǎn)，同時(shí)也應(yīng)考慮凝膠體系與表面活性劑、微生物等的組合方式，在提高波及效率的同時(shí)進(jìn)一步提高驅(qū)油效率。另外還需進(jìn)一步研發(fā)和完善與之相適應(yīng)的深部調(diào)驅(qū)技術(shù)，為進(jìn)一步提高原油采收率提供后續(xù)接替技術(shù)。