聚合物驅(qū)油藏油井堵塞機(jī)制與防治*

劉 盈，陳安勝，王建海，王增寶，程顯光，苗雨欣

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司孤東采油廠(chǎng)，山東東營(yíng) 257237；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

聚合物驅(qū)在我國(guó)三次采油中被廣泛長(zhǎng)期應(yīng)用［1-2］。由于長(zhǎng)期注入聚合物，在大量地層水的不斷沖刷下，地層中的聚合物不斷從對(duì)應(yīng)油井產(chǎn)出，同時(shí)聚合物與地層水中的無(wú)機(jī)沉淀物、原油、地層黏土顆粒等不斷包裹沉積［3］，堵塞地層。油井端表現(xiàn)為提液困難，產(chǎn)液量下降，嚴(yán)重影響了聚合物驅(qū)后油藏的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在注聚合物（簡(jiǎn)稱(chēng)注聚）井近井端由于聚合物吸附滯留［4］、機(jī)械捕集［5］、聚合物溶解性［6］、微生物［7］等，會(huì)在近井周?chē)纬梢欢ǘ氯Ｓ捎诰嗌a(chǎn)井較遠(yuǎn)，其堵塞對(duì)生產(chǎn)井產(chǎn)能的影響小。聚合物驅(qū)油藏堵塞位置及對(duì)產(chǎn)能影響的模擬研究結(jié)果表明［8-10］，聚合物驅(qū)油藏地層堵塞主要發(fā)生在油井周?chē)? m 范圍內(nèi)，深部地層堵塞對(duì)生產(chǎn)井產(chǎn)能的影響小。因此，油井近井周?chē)氯窃斐勺⒕蹍^(qū)油井低液的主要原因。目前對(duì)油井近井周?chē)氯蚺c堵塞機(jī)理的研究較多［11-14］，但對(duì)注聚區(qū)油井堵塞的主控因素與影響權(quán)重的研究較少。

勝利油田孤東采油廠(chǎng)屬于典型的聚合物驅(qū)老油田，具有聚合物驅(qū)油藏代表性。目前油田注聚油藏對(duì)應(yīng)油井大約1/3 表現(xiàn)為產(chǎn)液量降低，防砂等工藝有效期縮短等問(wèn)題。通過(guò)油井堵塞產(chǎn)物分析，結(jié)合不同堵塞組分流體流動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)，明確了注聚區(qū)油井堵塞的主控因素與影響權(quán)重；基于油井近井儲(chǔ)層條件對(duì)堵塞的影響研究結(jié)果，提出了注聚區(qū)油藏油井堵塞防控方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

勝利油田孤東采油廠(chǎng)注聚現(xiàn)場(chǎng)用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對(duì)分子質(zhì)量2100 萬(wàn)，水解度20%～23%；苯、石油醚，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；礫石砂與酚醛樹(shù)脂涂覆砂，顆粒直徑0.6～1.2 mm，粒度中值1.07 mm，取自勝利油田孤東采油廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)；粉細(xì)砂為普通白色石英砂，顆粒直徑0.02～0.5 mm，粒度中值0.15 mm；輕質(zhì)油為0#柴油，中國(guó)石油化工股份有限公司；高效解聚劑為水溶鈷螯合物，中國(guó)石化勝利油田石油工程技術(shù)研究院研制；預(yù)交聯(lián)聚合物PPG 顆粒，中國(guó)石化勝利油田研制；氨基樹(shù)脂固砂劑，山東旺升新材料科技有限公司；勝利油田孤東采油廠(chǎng)2區(qū)油井脫水原油；黏土，主要成分為蒙脫土，益國(guó)膨潤(rùn)土廠(chǎng)；勝利油田孤東采油廠(chǎng)2 區(qū)注聚井對(duì)應(yīng)油井產(chǎn)出液；按地層產(chǎn)出液離子組成配制模擬地層水，礦化度為19 240 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Na+6422、Mg2+259、Cl-12 326、SO42-31、HCO3-202。

Fluko FA25 高速剪切攪拌機(jī)，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；D/max-IIIA X 射線(xiàn)衍射儀（XRD），日本Rigaku公司；SU8020掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，海安華城科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）油井堵塞物處理與分析

稱(chēng)取一定量的堵塞物，加入石油醚浸泡2～3次，分離出堵塞物中的飽和烴、芳香烴和膠質(zhì)；加入苯浸泡2～3 次，分離出堵塞物中的瀝青質(zhì)；加入蒸餾水，離心分離出黏土和砂粒，以及交聯(lián)聚合物。

（2）堵塞物組分影響權(quán)重分析

用酚醛樹(shù)脂涂覆砂制備直徑為2.5 cm、長(zhǎng)度為8 cm的膠結(jié)巖心。分別將不同模擬流體體系以1.0 mL/min的速度注入膠結(jié)巖心，記錄注入過(guò)程中的最大壓力值與穩(wěn)定壓力值，通過(guò)注入壓力分析油井堵塞物不同組分的影響權(quán)重。

（3）注入聚合物與產(chǎn)出聚合物流動(dòng)壓力對(duì)比

采用超濾濃縮薄膜干燥法［15］測(cè)定聚合物驅(qū)油井產(chǎn)出液中聚合物的含量，并用提取的產(chǎn)出聚合物配制1000 mg/L 的溶液。用現(xiàn)場(chǎng)HPAM 配制1000 mg/L 的聚合物溶液。為模擬在地層流動(dòng)運(yùn)移過(guò)程中多孔介質(zhì)對(duì)聚合物的剪切行為，用高速剪切攪拌機(jī)在20 000 r/min下高速剪切3 min。將相同濃度的剪切后HPAM溶液、產(chǎn)出聚合物溶液分別注入實(shí)驗(yàn)室膠結(jié)的同一塊巖板（滲透率為1.0 μm2）鉆取的兩塊膠結(jié)巖心，對(duì)比分析注入與產(chǎn)出聚合物的流動(dòng)壓力與后續(xù)水驅(qū)沖刷的壓力變化。

（4）油井近井儲(chǔ)層條件對(duì)堵塞的影響

填砂管中分別充填不同的礫石顆粒與粉細(xì)砂，模擬油井近井礫石充填防砂、礫石膠結(jié)防砂和油井遠(yuǎn)端疏松出砂的儲(chǔ)層條件，對(duì)比評(píng)價(jià)油井儲(chǔ)層條件對(duì)堵塞的影響。充填樹(shù)脂涂覆砂的填砂管置于70 ℃烘箱中24 h，使其充分膠結(jié)。填砂管充填礫石顆粒與粉細(xì)砂的示意圖見(jiàn)圖1，充填方式見(jiàn)表1。

圖1 填砂管充填礫石顆粒與粉細(xì)砂示意圖

表1 油井近井儲(chǔ)層條件模擬充填方式

2 結(jié)果與討論

2.1 油井堵塞產(chǎn)物分析

2.1.1 堵塞產(chǎn)物組分

對(duì)取得的油井堵塞物進(jìn)行萃取、清洗、分離。原油（不含瀝青質(zhì)）、瀝青質(zhì)、無(wú)機(jī)礦物、聚合物的含量分別為12.4%、4.2%、17.8%、65.6%。油井堵塞物中的主要組分為聚合物團(tuán)聚體，無(wú)機(jī)礦物與原油（含瀝青質(zhì)）的占比相近。

2.1.2 無(wú)機(jī)礦物

采用XRD分析分離的無(wú)機(jī)礦物組成，包括36%石英（α-SiO2）、17%鉀長(zhǎng)石（KAlSi3O8）、40%斜長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）以及7%黏土礦物，主要成分為硅酸鹽類(lèi)礦物與黏土礦物。通過(guò)對(duì)油井堵塞物中無(wú)機(jī)礦物成分的分析可見(jiàn)，油井堵塞物中的無(wú)機(jī)礦物顆粒來(lái)自于地層出砂顆粒與地層膠結(jié)物。

2.1.3 聚合物體

油井堵塞產(chǎn)物中的聚合物體呈現(xiàn)淡黃色，與注入聚合物的顏色、形態(tài)不同。為明確油井堵塞物中聚合物體的組成，將其進(jìn)行凍干處理，然后用SEM觀(guān)察其微觀(guān)結(jié)構(gòu)，結(jié)果見(jiàn)圖2。注入的聚合物HPAM具有線(xiàn)性絲狀并相互纏繞的空間結(jié)構(gòu)。油井產(chǎn)出聚合物體則表現(xiàn)為粗壯、致密并相互交叉貫穿的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌入不規(guī)則形狀的“雜質(zhì)”。

圖2 HPAM與產(chǎn)出聚合物體凍干的掃描電鏡照片

注入聚合物HPAM 在地層運(yùn)移過(guò)程中會(huì)與地層礦物鹽、黏土和其他井作業(yè)施工的試劑等混合接觸，通過(guò)對(duì)比法分析油井產(chǎn)出聚合物體的組分與形成過(guò)程。對(duì)比圖2（b）與圖3 的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，油井產(chǎn)出聚合物體空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌入的不規(guī)則形狀“雜質(zhì)”的結(jié)構(gòu)形態(tài)與圖3（a）與圖3（b）有相似之處。結(jié)合HPAM 在地層的運(yùn)移過(guò)程，說(shuō)明油井產(chǎn)出聚合物體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中嵌入的“雜質(zhì)”為黏土與礦物鹽。圖2（b）并不具備圖3（c）預(yù)交聯(lián)聚合物的“方形孔”規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明HPAM 在地層運(yùn)移剪切后，并未發(fā)生HPAM 剪切斷鏈的自交聯(lián)。圖2（b）與圖3（d）雙基團(tuán)交聯(lián)凍膠（3 g/L HPAM+0.06%有機(jī)鉻+0.80%甲階酚醛樹(shù)脂+0.06%六亞甲基四胺）［16］的結(jié)構(gòu)相比，在空間網(wǎng)絡(luò)骨架、空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面具有很好的相似性，說(shuō)明HPAM在地層運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。這可能是由于其他井作業(yè)所用試劑（如化學(xué)防砂用樹(shù)脂、凍膠體系交聯(lián)劑等）在地層發(fā)生竄流，與聚合物驅(qū)地層中的聚合物混合，從而發(fā)生交聯(lián)。與圖3（d）的結(jié)構(gòu)相比，圖2（b）的骨架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定的老化形態(tài)，類(lèi)似骨骼結(jié)構(gòu)的“骨質(zhì)疏松”，因此直觀(guān)觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)取得油井產(chǎn)出聚合物體的強(qiáng)度低于雙基團(tuán)交聯(lián)凍膠。

圖3 HPAM與不同因素作用后的掃描電鏡照片

2.2 堵塞物組分影響程度

按照堵塞物中各組分比例分別配制不同的產(chǎn)出液體系（表2），對(duì)比分析不同產(chǎn)出液組分的影響。

表2 不同模擬流體的配方

將不同模擬流體體系注入填砂管，注入過(guò)程中最大壓力與穩(wěn)定壓力的對(duì)比見(jiàn)表3。模擬流體組分越多，流體流動(dòng)過(guò)程中的最大壓力與穩(wěn)定壓力越大。模擬流體組分中添加石英砂顆粒會(huì)大幅增加模擬流體流動(dòng)的壓力。對(duì)穩(wěn)定壓力進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)對(duì)比穩(wěn)定壓力變化分析不同因素的影響權(quán)重。由表3 可見(jiàn)，油井近井堵塞物中無(wú)機(jī)礦物對(duì)流動(dòng)能力的影響最大，權(quán)重占比83.29%，其中出砂顆粒量較大，影響程度也大，權(quán)重占比59.53%。無(wú)機(jī)礦物中黏土含量雖然較低，但具有絮凝聚合物成團(tuán)作用，影響程度也較大，權(quán)重占比23.76%。原油對(duì)流動(dòng)能力的影響次之，其影響程度大小與原油黏度正相關(guān)。聚合物在油井堵塞物中含量最高，由于在地層中的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)移剪切作用，聚合物本身對(duì)流動(dòng)堵塞的影響較小。

表3 不同模擬流體注入壓力對(duì)比

通過(guò)對(duì)油井產(chǎn)出聚合物體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的分析，產(chǎn)出的聚合物體并非單一的剪切HPAM，而是黏附黏土、無(wú)機(jī)礦物并形成一定交聯(lián)的聚合物團(tuán)聚體。注入剪切聚合物與產(chǎn)出聚合物的流動(dòng)壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。地層產(chǎn)出聚合物在地層中流動(dòng)運(yùn)移的壓力明顯大于剪切聚合物，且具有更強(qiáng)的耐沖刷性。與單一剪切的HPAM聚合物相比，注入的聚合物HPAM雖然在地層運(yùn)移過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)也被剪切斷裂，但同時(shí)會(huì)吸附嵌入其他黏土和礦物元素，甚至與地層其他竄流試劑混合，形成了具有一定交聯(lián)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)體。這種交聯(lián)團(tuán)聚體相互粘連包覆，形成聚合物團(tuán)聚體，表現(xiàn)為圖4 產(chǎn)出聚合物注入過(guò)程中壓力曲線(xiàn)大幅度波動(dòng)［17］，對(duì)地層孔喉更容易造成堵塞，形成近井端封堵。同時(shí)聚合物團(tuán)聚體易黏附在濾砂管管壁上，導(dǎo)致生產(chǎn)井提液困難，產(chǎn)液量降低。

圖4 注入聚合物與產(chǎn)出聚合物的流動(dòng)壓力對(duì)比

2.3 油井近井儲(chǔ)層條件對(duì)堵塞的影響

將模擬地層水、剪切聚合物溶液、離心除砂油藏產(chǎn)出液分別注入不同模擬儲(chǔ)層條件的填砂管，結(jié)果見(jiàn)圖5。在不同油井近井儲(chǔ)層條件下，油藏產(chǎn)出液的流動(dòng)阻力高于剪切聚合物溶液，且均明顯高于模擬地層水。以流動(dòng)壓力代表流動(dòng)阻力，油藏產(chǎn)出液的流動(dòng)阻力大約是模擬地層水的80 倍。這是由于地層產(chǎn)出液中聚合物經(jīng)過(guò)地層運(yùn)移，在地層發(fā)生老化衍生交聯(lián)，部分變成交聯(lián)體，同時(shí)吸附地層黏土，混合儲(chǔ)層無(wú)機(jī)鹽等，形成聚合物團(tuán)聚體，在近井端大量聚集，堵塞多孔介質(zhì)孔喉，流體流動(dòng)壓力增加。同時(shí)，具有一定黏度的流體，如剪切聚合物、原油等在流動(dòng)過(guò)程中更容易將粉細(xì)砂攜帶運(yùn)移，這與疏松砂巖油藏稠油井易出砂原理相似［18-20］。由于運(yùn)移的粉細(xì)砂等顆粒在近井端匯集，當(dāng)與儲(chǔ)層孔喉之間滿(mǎn)足顆粒封堵匹配關(guān)系時(shí)［21］，將對(duì)儲(chǔ)層造成堵塞。

進(jìn)一步對(duì)比圖5 可以看出，未膠結(jié)的礫石充填與粉細(xì)砂層，流體注入壓力波動(dòng)幅度變化大。這是由于相對(duì)于涂覆膠結(jié)砂，礫石充填的結(jié)構(gòu)較疏松，部分顆粒在流體沖刷時(shí)容易發(fā)生原位運(yùn)移，影響滲流通道。由圖5（a）可見(jiàn)，低黏度流體經(jīng)過(guò)一定時(shí)間沖刷后，顆粒多次運(yùn)移形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，最終穩(wěn)定注入壓力與膠結(jié)層注入壓力相當(dāng)，整體對(duì)堵塞的影響較小。

圖5 流體注入不同模擬儲(chǔ)層的壓力變化曲線(xiàn)

綜上所述，地層中流體流動(dòng)造成的儲(chǔ)層堵塞主要有兩個(gè)方面：原位顆粒運(yùn)移堵塞與地層顆粒運(yùn)移封堵。地層出砂和顆粒運(yùn)移封堵是造成流體流動(dòng)壓力增加的主要原因；防砂帶膠結(jié)疏松，流體黏度大，發(fā)生顆粒原位運(yùn)移是形成地層出砂充填封堵的重要因素。通過(guò)圖5 壓力曲線(xiàn)的變化可以看出，地層出砂將會(huì)大大提高生產(chǎn)過(guò)程后期的流體流動(dòng)壓力。與非出砂模擬壓力曲線(xiàn)相比，出砂將加劇近井地層堵塞。因此，分析認(rèn)為地層出砂是造成聚合物驅(qū)油藏油井堵塞的主控因素，聚合物衍生交聯(lián)與吸附團(tuán)聚也是造成油井堵塞的重要因素。聚合物與原油等高黏流體是形成出砂的重要前提條件，同時(shí)易與出砂、膠結(jié)物等共同作用，形成油井堵塞物，降低油井液量。一般來(lái)說(shuō)，控制流體流動(dòng)能力不利于油田生產(chǎn)效益，整體降低儲(chǔ)層原油黏度也難以實(shí)現(xiàn)。而控制儲(chǔ)層砂粒運(yùn)移相對(duì)更好實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)近井膠結(jié)充填防砂，遠(yuǎn)井抑制/防止出砂來(lái)降低油井堵塞行為的發(fā)生。

2.4 聚合物驅(qū)油藏油井堵塞防治

2.4.1 實(shí)施方案

根據(jù)聚合物驅(qū)油藏油井堵塞產(chǎn)物組分分析、堵塞物組分影響程度研究以及油井近井儲(chǔ)層條件對(duì)油井堵塞模擬研究的結(jié)果，針對(duì)聚合物驅(qū)油藏堵塞油井提出油井解堵防砂一體化防治方案。通過(guò)中遠(yuǎn)井高效固砂防治，降低地層出砂堵塞主控因素的影響；通過(guò)近井原油清洗+聚合物膠團(tuán)氧化降解，消除油井堵塞的重要因素，降低協(xié)同堵塞影響。

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

聚合物驅(qū)油藏油井堵塞防治措施在中國(guó)石化勝利油田孤東采油廠(chǎng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。勝利油田注聚及后續(xù)水驅(qū)單元超過(guò)40個(gè)，單井超過(guò)3000口，其中約1/3 的油井提液困難，產(chǎn)液量低，防砂有效期短。常規(guī)解堵措施有效率不足60%，生產(chǎn)矛盾突出。

（1）試驗(yàn)井地質(zhì)開(kāi)發(fā)概況

解堵防砂一體化防治試驗(yàn)區(qū)位于勝利油田孤東披覆構(gòu)造西翼北端館上段孤東二區(qū)Ng5 注聚區(qū)中部。注聚區(qū)面積4.2 km2，主要為辮狀河沉積與曲流河沉積。儲(chǔ)層埋藏淺，壓實(shí)差，膠結(jié)疏松，巖石表面親水，平均孔隙度33.5%，有效滲透率937×10-3μm2。注聚開(kāi)發(fā)后期出砂嚴(yán)重，且近井堵塞嚴(yán)重，單井液量低。其中，單元采液強(qiáng)度小于6 t/（d·m）的井16口，占43.2%，單井日產(chǎn)液量?jī)H27.9 t。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

首先利用輕質(zhì)油（如汽油）清洗近井堵塞物中的原油，然后采用高效解聚劑（水溶鈷螯合物）催化降解聚合物膠團(tuán)，經(jīng)清水清洗近井后，在油井中深部實(shí)施氨基樹(shù)脂化學(xué)固砂（樹(shù)脂注入后氮?dú)鈹U(kuò)孔確保儲(chǔ)層滲透性）。根據(jù)聚合物驅(qū)油藏堵塞位置主要發(fā)生在油井周?chē)? m范圍內(nèi)［8-10］，高效解聚劑設(shè)計(jì)解堵半徑為3 m，高效解聚劑注入量按照籠統(tǒng)注入量計(jì)算，見(jiàn)式1。

式中，V—高效解聚劑注入量，m3；R—高效解聚劑設(shè)計(jì)注入半徑，一般設(shè)計(jì)為3 m；H—生產(chǎn)井層厚，m；Φ—生產(chǎn)層孔隙度，%。

（3）效果分析

2019—2020 年，實(shí)施油井解堵防砂提液15 井次，措施后平均單井日產(chǎn)液51.2 m3，日產(chǎn)油1.9 t，動(dòng)液面598 m，較措施前單井提液86.8%，日增油1.1 t，動(dòng)液面回升88 m，效果良好。以GO2-18-254 井為例。該井2013年12月涂防投產(chǎn)，日產(chǎn)液35.2 m3，日產(chǎn)油2.2 t。2020年3月見(jiàn)聚出砂停產(chǎn)。2020年5月實(shí)施解堵防砂一體化工藝，措施后日產(chǎn)液97.2 m3，日產(chǎn)油6.6 t，較措施前增油4.4 t，階段累增油606.8 t，階段有效期258 d。

3 結(jié)論

聚合物驅(qū)油藏油井堵塞物主要為發(fā)生一定交聯(lián)并嵌入吸附地層礦物鹽、黏土的聚合物團(tuán)聚體，占比65.6%；地層出砂等無(wú)機(jī)礦物與原油（含瀝青質(zhì)）占比相近，分別為17.8%、16.6%。地層出砂顆粒堵塞是形成油井近井堵塞的主控因素。聚合物衍生交聯(lián)與吸附團(tuán)聚也是造成油井堵塞的重要因素。聚合物團(tuán)聚體與出砂顆粒的相互作用加劇了油井近井堵塞。

膠結(jié)固砂是預(yù)防聚合物驅(qū)油藏油井堵塞的首選方法。出砂虧空井選擇樹(shù)脂涂覆膠結(jié)防砂，其他出砂井在近井與遠(yuǎn)井同時(shí)采取合理有效的膠結(jié)防砂，固定地層骨架結(jié)構(gòu)，防止顆粒運(yùn)移堵塞?；诰酆衔矧?qū)油藏油井堵塞機(jī)制實(shí)施的堵塞油井近井原油清洗+聚合物膠團(tuán)氧化降解、中遠(yuǎn)井高效固砂防治的油井解堵防砂一體化防治方案具有良好的應(yīng)用效果，平均單井提液86.8%。