凝胶微球深部调剖体系研究综述

中国石油大学（北京）研究生考试答题纸姓名：赵胜绪学号： 2015212184考试课程：油气田开发工程系统导论课程编号： 1302053装订线第1页（共 8 页）凝胶微球深部调剖体系研究综述摘要随着常规堵水调剖的效果日渐式微，凝胶微球深部调剖体系作为一项有效的稳油控水技术，得到了国内外油田的广泛应用。

本文从发展现状、注入封堵性能评价、与储层孔喉尺度的匹配关系、深部调剖机理以及现场应用5个方面对国内外凝胶微球深部调剖体系研究的最新进展进行了总结和分析，系统梳理了凝胶微球注入封堵性能的基本要求、表征参数、影响因素、存在的问题及对策，并对凝胶微球的发展前景进行展望，以期为凝胶微球更进一步的研究和应用提供参考。

关键词：提高采收率；油藏深部调剖；凝胶微球；综述1 引言近些年，针对水驱低效或无效循环的问题，国内外在深部调剖体系的研究与应用方面取得了许多新进展。

凝胶微球深部调剖体系，以其良好的注入封堵性能和调剖效果，被国内外油田广泛地用于研究和现场应用，为高含水油田改善水驱开发效果，提高采收率发挥着至关重要的作用[1]。

“微球”指的是纳/微米级的聚合物凝胶颗粒，在溶剂中有一定的膨胀性，受力易变形，广泛用于涂料、制药、水净化等多个领域。

1949年Baker首先引入了凝胶微球的概念，1999年Saunders B R和Vincent B从凝胶微球的合成理论、性能和应用方面做了系统总结，此阶段的合成工艺通常采用的是无皂乳液聚合，可形成空间上稳定的无胶核凝胶颗粒，颗粒具有窄尺寸分选[2]。

此后，分散聚合、乳液聚合、悬浮聚合等多种聚合方式都成功合成出了单分散的聚合物微球[3]。

2凝胶微球的发展现状凝胶微球随水注入油层，通过孔喉向油层深部运移，有效封堵高渗层或大孔道，不断改变注入水流向，从而实现深部调剖。

基于这种思路，研究人员相继开展了很多该方面的研究工作。

1997年BP，Mobil，Chevron-Texaco和Ondeo Nalco能源服务公司进行技术合作，率先研发了一种具有延时性、膨胀性和热敏性的磺化聚丙烯酰胺凝胶微球用于深部调剖，该技术被命名为“Bright Water”，而且经十多年不断完善，被证明是一种成功的深部调剖技术。

Chauveteau等(1999)研究出了一项粒径可控的乳酸锆/磺化聚丙烯酰胺凝胶微球深部调剖技术。

大量研究表明，该凝胶微球体系与本体凝胶相比较为优越，微球是通过聚合物交联体系在剪切作用下形成的，具有粒径大小可控，稳定周期长，对油藏环境不敏感，在岩石表面具有良好的吸附性等诸多优点，已经初步形成商业化产品[4]。

近些年，国内也开展了不少有关凝胶微球的研发工作。

孙焕泉等（2006）和卜道露（2013）设计了初始粒径为几十纳米至几微米，粒径可调，而且分散性、凝胶强度及调剖特性均较好的聚合物微球[5,6]；针对文东试验区孔喉尺寸及油藏特征，娄兆彬等(2012)研制了系列调剖微球，并且在矿场试验中实现了改善波及效率和明显增油的效果[7]；除此之外，马涛等(2011)和贾虎等(2013) 对国内外有机凝胶深部调剖体系的研究及应用现状进行了综述，阐释了包括聚合物微球在内的5大类体系的作用机理、特点及应用，分析了各体系的优缺点，并指出了改进的方向，为凝胶微球的进一步发展提供了理论指导[4,8]。

基于本文的调研，结合目前国内油田的开发状况，主要得到以下2个方面的认识：一方面，自从引入凝胶微球的概念以后，国内外学者对于凝胶微球的合成、性能评价和实际应用方面做了大量的研究工作，设计合成了多种性能优良的凝胶微球调剖剂，其中以聚丙烯酰胺类凝胶微球的研究和应用最为广泛。

另一方面，从化学堵水调剖技术发展趋势来看，合成与孔喉尺度相匹配的各种功能型凝胶微球将是未来油藏深部调剖的技术重点发展方向。

3 凝胶微球的注入封堵性能评价3.1 凝胶微球深部调剖体系的基本要求凝胶微球深部调剖体系作为控水增油技术的基本要求是（据岳湘安教授主题为“特低渗油藏提高采收率”的讲座）：①注得进：微球具有良好的注入性，尤其是用于特低渗油藏；②堵得住：微球对水窜通道具有足够的封堵强度；③堵得准：堵高渗，通低渗，具有良好的封堵选择性，特别是对特低渗油藏；④驱得动：对调剖施工后驱替技术的要求，保证顺利实现深部调剖的效果；⑤用得起：具有单价低，用量少的特点，微球才能够进行大范围推广应用。

3.2 凝胶微球注入封堵性能的表征参数基于凝胶微球注入封堵性能评价的研究现状，并结合本实验室的实际情况，可以看出，国内外有关微球注入封堵性能评价的研究中，通常采用阻力系数来评价凝胶微球的注入性能，阻力系数越小，所需的注入压力越小，微球的注入性能越好。

阻力系数是描述聚合物驱过程中提高波及效率能力的重要指标，它是用来衡量聚合物降低流度比的能力，等于水的流度与聚合物溶液的流度之比[9]。

凝胶微球的封堵能力通常采用残余阻力系数来表征，残余阻力系数越大，微球的封堵能力越强。

残余阻力系数R K也是描述聚合物提高波及效率能力的重要指标，它是用来表征聚合物降低渗透率的能力，等于聚合物驱前后油层水相渗透率之比，即渗透率下降系数[9]。

由于聚合物微球与聚合物溶液本质相似，所以采用（残余）阻力系数表征微球注入封堵性能。

另外，也有不少研究者使用岩心封堵率评价凝胶微球的封堵能力。

岩心封堵率是评价堵剂对岩心孔隙封堵效果的重要依据，它是岩心注入堵剂之后的渗透率下降百分数，也能用来表征堵剂降低岩心渗透率的能力大小。

由岩心封堵率和残余阻力系数的定义和计算方法可知，两者存在定量关系，且残余阻力系数越大，岩心封堵率越大，微球的封堵能力越强。

换而言之，岩心封堵率是残余阻力系数用来表征堵剂封堵效果更加直观的评价参数。

但是，通常凝胶微球的注入性越好，其封堵效果相对较差。

相反，凝胶微球的封堵能力越强，其注入压力往往较高，即注入性比较差。

微球的注入性和封堵能力二者存在矛盾，只有凝胶微球与储层孔隙尺度特征相匹配，才能同时保证微球的注入封堵性能。

3.3 凝胶微球注入封堵性能评价存在问题前人所做的微球注入封堵性能评价实验的主要存在以下3个问题：①仅以岩心注入端压力表征微球的注入性能，不能如实反映端面堵塞、微球运移等情况。

②采用短岩心进行实验，模拟的只是微球在近井地带的注入封堵性能，难以模拟微球在实际油藏中深部调剖的特性。

③使用填砂管进行实验，填砂管中存在砂粒运移的情况，不足以准确反映微球的注入封堵性能。

鉴于上述存在的问题，建议采用人工压制的长岩心（30cm或更长），使用多测压点岩心夹持器（以30cm岩心为例，可在距注入端0cm、5cm、15cm、25cm、30cm处分别安装压力传感器）。

这样可以避免实验岩心中出现砂粒运移现象；而且能够准确识别岩心端面堵塞等情况，因为一旦入口端堵塞，注入端压力会迅速上升，而其他测压点将不起压或者压力非常小。

若微球运移至岩心深部，则运移距离范围内的测压点，其压力会呈波动上升趋势；而运移距离范围之外的测压点，其压力则不会发生明显变化。

因此，可以通过多个测压点的压力变化情况，更加准确评价微球在岩心中的注入性能、封堵能力以及深部调剖的特性。

3.4 凝胶微球注入封堵性能的主要影响因素段雅杰（2008）有关纳米可控粒径体系注入封堵性能评价的结果显示，每种粒径的纳米可控粒径体系都有一定的渗透率适用范围[10]。

陈治中（2010）选择三种不同尺寸及胶结类型的聚合物微球进行实验评价的结果表明：不同类型的微球可以有效的降低不同级别高渗层的渗透率，而且不同类型微球之间的协同效应，可以实现更好的调剖效果[11]。

马敬昆等（2010），刘承杰等（2010），蔡永富等（2013）从纳米聚合物微球的注入、封堵及调剖性能三个方面出发，系统研究了微球在目标油藏中的适应性，结果表明，聚合物纳米球具有良好的注入性，能有选择地降低高渗管的水相渗透率，可有效动用残余油，提高采收率效果显著[12-14]。

总而言之，凝胶微球的注入封堵性能主要受到2个方面因素的影响：一方面是微球的自身条件：如粒径、浓度、类型等；另一方面是储层条件：如孔隙度、渗透率以及非均质性等。

当前的技术已经可以合成粒径可控的纳/微米级微球，类型主要是刚性和弹性微球两类，浓度可以根据油藏实际情况配制，所以微球的自身条件已基本满足。

而储层条件则不容易改变，或者说储层改造的成本较高。

根据凝胶微球注入封堵性能评价的研究现状来看，既满足粒径、浓度等自身条件的要求，又能适应储层条件，产生较好深部调剖效果的凝胶微球并不多见，目前大多都还处在室内实验研究阶段或现场先导性试验阶段，难以满足油田的实际应用需求。

因此，应当深入开展与储层的孔喉尺度特征相匹配的功能凝胶微球的研究工作，满足未来恶劣油藏对提高采收率技术的要求。

4 凝胶微球与储层孔喉尺度特征的匹配关系关于堵剂颗粒与储层孔喉尺度特征的匹配关系，研究的起始阶段主要是为了解决钻完井过程中发生的泥侵问题，而且主要采用无机刚性颗粒。

随着油藏逐渐向“低品质”演变，凝胶微球深部调剖技术应运而生。

而凝胶微球与储层孔隙尺度特征的匹配关系严重影响其在储层中注入封堵性能及有效运移距离。

因此，凝胶微球与储层孔喉尺度特征的匹配关系是影响深部调剖效果的关键。

为了优化钻井泥浆，降低泥浆颗粒对地层损伤，Abarms于1977年首次提出“1/3架桥”理论，即颗粒粒径大于或等于地层孔径的1/3时可以实现较好的封堵效果[15]。

此后，该理论一直成为选择钻井液、聚合物桥堵粒径的基本指导原则。

赵福麟等(1994)在粘土双液法调剖剂封堵地层大孔道的研究中指出，若采用粘土单液法，则颗粒粒径与地层孔径之比为1/3～1/9时，才可以产生有效的封堵，而采用粘土双液法，则颗粒粒径与地层孔径之比只需小于1/3即可产生有效封堵[16]。

在此基础上，李克华等(2000)对不同形状的颗粒堵剂粒径与地层孔径的匹配关系做了进一步的研究，研究结果表明：不同形状的颗粒，其粒径与地层孔径的匹配关系不尽相同。

一般，当堵剂粒径为地层孔径的1/3～1/10时，可产生较有效的封堵作用，因而实际应用时应根据地层的渗透率等选择合适粒径的堵剂[17]。

姚传进等(2012)引入粒径匹配系数（微球粒径与地层孔径之比），研究了弹性微球的封堵性能以及渗透率级差对剖面改善能力的影响。

室内实验结果表明，粒径匹配系数为1.4~1.5时，封堵率大于80%，封堵效果最好；在非均质模型中，大量弹性微球优先进入并封堵高渗透层，显著降低高渗透层的渗透率，对渗透率具有明显的选择性。

在粒径匹配关系较好的条件下，渗透率级差对弹性微球深部调剖性能具有重要的影响[18]。

由上述研究结果表明，当堵剂粒径与地层孔径之比为0.1～0.3，1.4~1.5，3.4~4.1[19]时，均可产生较有效的封堵作用，可以看出不同形状、类型、粒径的颗粒与储层孔喉尺度特征的匹配关系不一，但是每种颗粒都有一定的渗透率适用范围，而且调剖效果受到地层非均质性的严重影响。