堵水调剖工艺技术

堵水调剖工艺技术简介

一、概述

（一）油井出水的原因与危害

1．油井出水类型

由于油藏构造复杂、地层非均质性、油层物性、原油物性差异所致，油田注水后，层内、层间、平面三大矛盾突出，油井普遍见水。出水的原因很多，大致可分如下几类：

（1）同层水：原油和水同存于一个层位，在采油过程中水随原油一同采出，使油井含水不断升高。

（2）窜槽水：因固井质量差，套管外水泥密封不严，油层和水层连通在一起，使油井含水率升高。

（3）底水：如果油层的下面有水层，随着油井的抽吸，当流体的压力梯度克服油水重力梯度差时即形成水锥。底水锥进使得油井产出液中的含水迅速上升或水淹。

（4）水层水：在多层合采的油井中，水层被误射开或个别层完全水淹，在油井生产时，水层水也随同油层中的原油一同采出。

（5）边水：若油层边部存在水层，在采油过程中，边水向油层指进而流入油井中，同原油一同采出。

（6）注入水：在油田内部注水驱油或边部注水驱油的过程中，由于地层的非均质性，使得注入水沿高渗透条带突进，致使油井大量出水。这是注水开发油田油井出水的主要原因。

2．油井出水的危害性

（1）消耗地层能量：注水开发油田主要靠注入水补充地层能量，由于注入水从高渗透条带或裂缝流进油井被采出，使地层压力下降，水驱效果变差。为保持注采平衡，必须增加注入量，从而增加注水费用。

（2）油井大量出水，造成油井出砂更为严重：砂岩油层见水后，会引起粘土膨胀，降低油层的渗透率，降低产油量，而且也因胶结物被水溶解而使得油井大量出砂，严重时迫使油井停产。

（3）危害采油设备：油井大量出水不但加重深井泵的负荷，而且也使得地面管线和设备的结垢更为严重，并且使其受腐蚀的速度加快。

（4）加重脱水泵站负担：油井大量产水，产液量增加，加大了脱水泵站工作量。这样必须扩大泵站，增加脱水设备，增加动力、破乳剂及人力等消耗，也就增加了采油成本。

（5）增加污水处理量：从原油中分离出来的污水必须经过处理，才能符合污水排放标准或回注要求。要做到这一点，就必须增加水处理设备及水处理剂和动力的消耗。

（二）堵水调剖的发展历程

油井含水上升是造成油井乃至油田产量下降和递减速度加快的主要原因，油井出水越多，所造成的危害就越大。开展堵水调剖的目的就是控制产水层中水的流动和水驱油中水的流动方向，提高水驱油效率。其最终目的还在于增加可采储量和提高最终采收率。截止目前，堵水调剖大致经历了如下4个发展阶段：

1．探索研究阶段（50~60年代）：该阶段主要采用稠油、松香皂、油基水泥、水泥等进行单纯油井堵水试验。

2．发展阶段（70年代~80年代初）：这期间以机械堵水为主。同时也开展了单纯油井堵水与单纯注水井调剖。

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3．化学堵水调剖大发展阶段（80代中期~90年代初）：此段时间研制开发和推广应用了聚丙烯酰胺系列冻胶堵剂，水玻璃凝胶堵剂等。此一时期在继续开展单纯油井堵水与单纯注水井调剖的同时，还广泛开展了以井组为治理单元的堵调综合治理。

4．油田区块整体堵调阶段（90年代）：自90年代初开始，广泛开展了以堵水调剖为主导工艺的区块整体堵调治理。有的油田还开展了大面积堵水调剖的工业化试验。

（三）堵水调剖技术现状

1．国内现状

（1）堵剂已经形成系列。几十年来，先后开发研制出适用于中、低渗透油藏堵水调剖的冻胶、凝胶类堵水剂。适用于中、高渗透油藏堵水调剖的颗粒类堵水剂。适用于封堵高温地层的高温堵剂和调整注汽剖面、蒸汽吞吐井封窜的热采堵剂。还开发研制并推广应用了树脂类堵水剂、泡沫类堵水剂、稠油类堵水剂等。

（2）堵水调剖工艺已由单纯的油井堵水和注水井调剖，发展到以一个井组、区块或油田为治理对象的区块整体堵调上来。调剖也由单井、小剂量、近井地带调剖发展到大剂量深部调剖。

（3）研制并推广应用了三套现场施工流程，即：适用于单井、规模较小的水泥车、压裂车式活动注入流程；适合于注水井大剂量调剖的撬装流程；适合于大规模、多井点堵调驱结合的固定站式注入流程。

（4）研制开发出PI、RE和RS决策技术。 2．国外现状

（1）美国主要开发研制并推广应用了以聚丙烯酰胺（或其衍生物）为主剂的各种冻胶类堵水调剖剂（如WORCON等），前苏联主要开发研制了部分水解聚丙烯腈堵水调剖剂。另外还研制开发了各种超细水泥类和稠油类堵水调剖剂。

（2）开发研制并推广应用了各种决策方法，以指导现场堵调。其中包括哈里伯顿公司的KTROL程序、XERO决策系统和FPAMS软件等。

（3）在堵剂研制方面，目前国外仍以开发研制聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物类冻胶堵剂为主，最近几年还研制并广泛推广应用了可以用于大剂量深部调剖的胶体凝胶分散体（CDG）；另外还开展了用微观玻璃刻蚀二维物理模型进行的堵调机理研究，对冻胶堵水能力大于堵油能力的物模研究，和调剖后注水速度与封堵效果研究等。开展了深部调剖技术的研究与应用。

二、化学堵水调剖工艺技术

(一)化学堵水调剖工艺技术 1．堵水调剖原理

（1）选择性堵水

在多孔介质中能够有效地降低水相渗透率而对油相渗透率损害较小的堵水剂称为选择性堵水剂。如HPAM溶胶可以使水相渗透率降低70%~80%，而油相渗透率只降低10%~20%。又如哈里伯顿公司研制的WOR-CON，其堵水率为80%~90%，堵油率为10%左右。没有完全只堵水而不堵油的堵剂，只不过对水相和油相渗透率损害程度不同而已。

一般说来，选择性堵水剂多由高分子聚合物材料组成。用作选择性堵水剂的许多聚合物分子有线型主链，而侧链带有活性基团。当这种聚合物水溶液泵入地层后，一部分基团就吸附在岩石表面，当水流经吸附有聚合物的岩石孔道时，聚合物分子就舒张开来，另一部分基团对水分子产生吸附作用，因此就增加了水的流动阻力，使得水相渗透率下降，达到减少地层出水的目的。而

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当油流经过这些孔道时，聚合物分子产生收缩，紧贴于岩石表面，因此对油的流动阻力无明显的增大，所以油相渗透率损害较小。

但是这种选择性堵水剂只适用于低渗透油层，其渗透率一般要低于0.5um2以下。对于高渗透油层效果不好，更不适用有裂缝或大孔道的油层。因为聚合物分子对水的引力远远小于水流的压力差。

以上所述的这种选择性堵水剂是堵剂本身具有选择性，是由堵剂中聚合物分子的选择性所决定的，采用这种堵水剂进行油井堵水的方法可称为选择性堵水。在多年的实践中，人们又把选择性的含义引伸到地层对堵剂的选择性进入这个概念中来，从而解决了许多生产中的实际问题。

经过岩心模拟试验结果和取心井资料表明，渗透率差异较大的油层（如低渗透地层渗透率为1um2以下，高渗透地层渗透率为10um2以上），水洗段都在高渗透地层，而低渗透地层则保持着原始含油饱和度。当水溶性堵剂泵入地层时，则优先进入高渗透地层，低渗透地层则进入很小，从而引伸出地层对堵剂的选择性进入的理论。

选择性堵水包括两个方面，即堵剂本身对油与水的选择性封堵及地层本身对堵剂的选择性进入。一方面，把具有选择性的堵水剂泵入地层，可优先进入高渗透出水部位。在地层中，堵剂中原先混有的交联剂与聚合物发生交联作用，形成网状结构的冻胶，增加了堵剂的封堵强度，从而能有效地封堵高渗透出水地层，达到油井减水和增油的目的。另一方面，用低粘度的非选择性堵剂水溶液泵入地层渗透率差异大的油井，则优先进入高渗透地层，同样也可以达到选择性堵水的目的。选择性堵水是针对油井而采用的堵水方法，尤其是同层水，多采用这种方法。

（2）非选择性堵水

非选择性堵剂泵入地层后，堵剂所到之处皆被堵塞，即不论出油孔道或出水孔道都要被封堵。采用这种堵剂进行堵水的方法称为非选择性堵水。非选择性堵水剂可以在地面上配置成水溶液，泵入地层后生成冻胶，从而封堵地层。如把树脂配成溶液泵入地层，生成不溶性树脂固体物质，具有很高的封堵强度。地层被树脂封堵之后，就失去产水和产油的能力。也可采用双液法，把两种成分分别泵入地层，使之在预定的位置相碰，生成固体沉淀而达到封堵目的。也可把固体颗粒悬浮在油中或水中，如油基水泥、水基水泥、粘土、粉煤灰，泵入地层后凝固成沉淀而封堵地层。

非选择性堵水可用于特殊的作业施工。如封堵管外窜、单一水层、底水锥进及炮眼，也可用于封堵裂缝地层或大孔道。

（3）注水井调整吸水剖面

在注水开发的油田中，由于地层非均质性明显，渗透率差异大，致使注入水沿高渗透条带突进，造成油井含水率上升快，产油量下降快。为了保持油田稳产和提高采收率，国内外普遍开展了注水井调剖工作，为油田的稳产和提高采收率做出了很大的贡献。

注水井调剖的优点是：不影响油井的正常生产，一口注水井调剖，多口油井受效，施工方便，有效期长。

注水井调剖的作用机理是分流作用、改善流度比及物理堵塞为主并兼有吸附和残余阻力的作用。其分流作用是基于地层对堵剂的选择性进入机理，当堵剂泵入地层时，优先进入高渗透层段，并在预定时间内生成冻胶、凝胶物质或固体沉淀，从而封堵高渗透层段，迫使注入水改变流动规律而流向低渗透层段，因此增加了注入水的波及体积和提高了扫油效率，使低渗透层段的原油被驱替而流向生产井，周围油井见到增油降水效果。改善流度比是选择性堵水所注的聚合物溶胶，或者是聚合物和交联剂所形成的冻胶。在注水过程中，注入水沿着聚合物的边缘流动，聚合物与水相接触的部分逐渐溶胀、溶解，增加了水的粘度，改变了流度比，提高了面积扫油效率，同时

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扩大了调剖的影响半径。物理堵塞作用是由于聚合物链上有许多反应基团与聚合物发生交联作用，形成网状结构，这种结构把水包含在晶格结构中形成具有粘弹性的冻胶体，这种冻胶体在孔隙介质中形成物理堵塞阻止水流通过或改变水流方向；未被交联的分子及分子上的极性基团，可卷缩在孔道中也起到阻碍水流动的作用；同时分子链上的极性基团与岩石表面相吸附，增加了使这些高分子链及冻胶体对岩石表面的“粘糊”性，提高了调剖对岩石的残余阻力，增强了堵水效果。

（4）区块整体堵水调剖

区块整体堵水调剖是近年来油田堵水调剖工艺中发展起来的一种新技术，它既不同于面积的油井堵水，也不同于一般的以水井为中心的单一井组堵水。它是将堵水调剖区块的油层（目的层）看成一个整体，同时对区块上的重点注水井进行调剖，对周围对应油井进行相应封堵。它是将注水井调剖和油井堵水有机结合起来的一种综合性堵水技术。堵剂在地层中的作用与前面叙述的堵水调剖原理类似。只是在堵水调剖施工布局上有所不同，它不仅要考虑到油水井之间的对应关系，而且还要注意到井组与井组之间的相互联系。

这种整体堵水调剖方法有着更加明显的主体结构优势。在整个区块上，改变注入水在油井水平方向的流动和纵向上的分配，相应地改善注水井吸水剖面和油井出油剖面，从而能更有效地达到增加原油产量和提高采收率的目的。

（5）深部调剖与液流转向技术 ①粘土类深部调剖技术

粘土是一种资源广泛、价格低廉的矿物质。粘土可分为钠土和钙土（钙土可碱化为钠土），钠土在水中易解离，使晶格表面产生扩散双电层而带负电，所以易膨胀、分散，对水有很强的稠化能力。将粘土与水配成悬浮浆液注入地层，粘土颗粒将进入不同孔径的地层孔喉中，堵塞出水孔道。现已开发研制出多种粘土双液法、单液法调剖剂及其配套的注入工艺，在许多油田大面积推广应用，收到较好的增油降水效果。目前较常用的粘土类调剖剂为：粘土单液法堵剂；粘土悬浮体—聚合物溶液双液法封堵剂；粘土悬浮体—冻胶双液法封堵剂。

为了防止粘土悬浮体从油井产出，可在注入粘土悬浮体之前，对生产井采用较高强度的堵剂进行封堵。为了减少粘土堵剂在注水井入口受到冲刷，或在关井时反吐，可在注完粘土堵剂之后，注入少剂量高强度堵剂（封口剂）以牢牢堵住大孔道入口。

为了保证大剂量粘土类颗粒调剖剂的现场注入，开发研制了比较适用的注入设备和流程。一为撬装式注入流程，一为固定站式堵水流程。这两套流程均装备有能够长时间连续工作的柱塞式高压泵，配备有专用的配料装置，满足了大剂量注入要求。

②弱冻胶深部调剖技术

弱冻胶深部调剖技术是一项比较有效的深部调剖技术。该技术主要是采用聚合物，加入少量缓交联型交联剂，使聚合物溶液注入地层后，在地层温度条件下产生缓慢、轻度交联，从而使聚合物溶液粘度大为增加。该方法可大剂量注入，在油藏的高渗透区域形成粘度较大的交联聚合物段塞，使高渗透部位流动度明显下降，使注入水分流或转向，达到深部调剖的目的，同时也驱替出油藏中相对低渗透部位的原油，提高驱油效率。

A．弱冻胶的组成

弱冻胶主要由聚合物（聚丙烯酰胺）和交联剂组成，交联剂多为铬盐或铝盐的络合体系。其中聚合物：0.2%~0.5%（质量），交联剂：0.02%~0.15%（质量）。成胶时间随聚合物浓度、交联剂浓度的增加和温度的升高而缩短。

B．弱冻胶的作用机理

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弱冻胶从注水井注入后，在近井地带形成冻胶体，在继续注水的过程中，由于弱冻胶本身具有可运移性，可在注水压差的作用下，进入油层深部，形成堵塞，迫使液流转向，改善波及效率，同时在其运移过程中发生驱替作用，提高驱油效率。

C．弱冻胶的特性

弱冻胶有很好的选择性进入地层的能力，在并联双管岩心驱替试验中，90%以上的弱冻胶进入高渗透岩心管，而进入低渗透岩心管的弱冻胶不足10%。在注调驱剂的过程中，含水和产液下降，而产油上升，并延续一段时间，这说明了弱冻胶有调剖和驱替两种作用。

D．弱冻胶调驱机理

弱冻胶的主要作用是由于弱冻胶颗粒在多孔介质中吸附、滞留、残余阻力系数增大等造成大孔道的阻塞而迫使注入水和液流改向，从而扩大波及体积。除此之外，由于弱冻胶在多孔介质中能发生移动，或可称为在压力差推动下的移动，因而可对剩余油产生驱替作用。

除此两大类外，还有多项其他类型的深部调剖工艺技术。例如最近所提出的多种类型的多段塞调剖工艺技术，就是其中的一种。该项工艺技术是在进行了充分的油藏研究，确定了油藏的地层条件后，选用不同类型的、性能有所差异的多种调剖剂，分成几个不同段塞注入地层，起到深部堵塞的效果。多段塞多轮次堵调也是一种深部调剖工艺。该项工艺是指在第一次调剖进行一段时间后，又对该井的该层段进行第二次调剖（有的井也许还要进行第三次、第四次施工，这要视具体情况而定），后面所注入的调剖剂将第一次所注入的调剖剂推向地层深部，造成深部堵塞。

2．堵水调剖施工工艺

堵水调剖的现场施工工艺是该项工艺技术的重要组成部分。具体内容包括堵水调剖施工设计和现场实施。

（1）堵水调剖施工设计 1）选井、选块依据

A．油层较厚，一般应在5m以上；

B．油水井连通情况较好，水井注水情况对对应油井生产影响明显。 C．层内非均质严重，高渗透、大孔道层段清楚，开采层纵向渗透率差异大。 D．采出程度低，有较多的剩余可采储量，有一定的增产潜力。 E．区块水驱效果差，存水率低，水淹速度快，产量下降快。 F．油井有过高产历史，含水上升快，油量下降快，液量足。 G．调整水井的注水量，生产井的产油量和产水量变化明显。 2）应收集、准备的相关资料 A．措施井的油藏资料。 B．措施井的开发资料。 C．措施井的测试资料。 D．以往措施情况。 3）施工设计

A．施工设计应包括如下内容：施工井的基本数据、目前生产情况、封堵层位及井段、堵水调剖的依据、所用堵剂、堵水调剖原理、堵剂用量、施工管柱、施工压力和排量、施工程序、施工要求和注意事项。

B．根据油井的找水资料或注水井的吸水剖面曲线，决定所要封堵的层位和井段。

C．根据施工层位和井段，施工目的和要求，所用堵剂性能，设计施工管柱结构和下入深度。

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