王力智，董長銀，何海峰，曹慶平，宋雅君

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營 257000；3.中國石油大港油田分公司石油工程技術研究院，天津 300450）

聚合物堵塞是非均相復合驅油田開發(fā)面臨的主要問題之一，非均相復合驅后地層出砂嚴重，且易與聚合物產(chǎn)生復合堵塞，造成油井產(chǎn)量降低，所以防砂解堵是保證油田高效開發(fā)的關鍵。聚合物注入過程中，會在復雜地層條件下與地層中的巖石、微生物和流體等發(fā)生物理化學反應，導致其老化并黏合油、砂和黏土，形成聚合物堵塞物[1]。目前，針對非均相復合驅的研究主要集中于聚合物原液在多孔介質中的運移及驅替規(guī)律[2-9]，聚合物老化堵塞方面研究很少。關于注聚井堵塞規(guī)律及原因方面，國內外學者采用礦場試驗評價、室內注聚實驗分析及數(shù)值模擬等方法進行了一些研究[10-18]。孟向麗等人[10]分析認為堵塞產(chǎn)生的原因包括微粒運移，聚合物混合不均勻、相對分子質量過大，無機物與細菌的影響等；I.W.Jolma 等人[11-12]指出，聚合物濃度、聚合物分子大小與孔喉尺寸的關系決定了聚合物在巖石基質中的堵塞程度；鄭俊德等人[13-14]基于堵塞物成分分析結果，得出了堵塞程度與滲透率的關系；劉繼瑩等人[15]揭示了殘余聚合物在地層中的分布特征；董長銀等人[16]針對聚合物驅防砂介質，提出了物理化學復合堵塞機制，指出了堵塞與固相顆粒、原油和聚合物的關系；劉東等人[17]通過研究聚合物在砂礫表面的吸附形態(tài)，初步揭示了注聚井堵塞的部分原因。以上研究均針對常規(guī)聚合物驅油藏的堵塞，缺乏堵塞物運移機理的研究，聚合物堵塞物對于近井擋砂介質的堵塞規(guī)律不明確。為此，本文基于礫石充填防砂原理[19-22]，進行了聚合物堵塞物在非均質地層中的運移模擬實驗，模擬了堵塞物對礫石層的堵塞過程，分析了堵塞物在多孔介質中運移規(guī)律，提出了堵塞物對擋砂介質的堵塞機制，為制定聚合物驅防砂井近井地帶聚合物堵塞的解堵措施提供了依據(jù)。

1 實驗裝置與實驗條件

1.1 實驗裝置

地層中殘余聚合物非均質性分布明顯，且與地層滲透率密切相關[14-15]。油井出聚后近井儲層及擋砂介質堵塞嚴重，主要原因是聚合物與固相顆粒的物理化學復合堵塞[16]。為了模擬堵塞物在非均質地層中的運移及在擋砂介質中的復合堵塞過程，研制了非均相復合驅介質堵塞模擬實驗裝置（見圖1）。該裝置由儲液罐、液泵、集砂罐、單向驅替裝置和加砂器等組成，其中，單向驅替裝置由不同直徑的圓柱形透明容器短節(jié)組合而成，短節(jié)中可以靈活充填不同類型的固相顆粒。

1.2 實驗材料與實驗條件

圖1 非均相復合驅介質堵塞模擬實驗裝置Fig.1 Experimental simulation device of medium plugging of heterogeneous composite flooding

研究目標工區(qū)為勝利孤東油田，非均相復合驅區(qū)塊的地層砂粒徑中值約0.15 mm，防砂時主要采用了粒徑0.60～1.20 mm 和0.40～0.80 mm 的2 種礫石。本文實驗選擇了用量較大、具有代表性的粒徑中值0.15 mm 的地層砂和粒徑0.60～1.20 mm 的礫石。實驗地層砂是根據(jù)目標工區(qū)典型地層砂篩析曲線選取不同粒徑石英砂配制而成，粒徑中值為0.15 mm，泥質含量為15%，泥質采用高嶺石、伊利石、蒙脫石按1:3:1 的比例配制而成；固相充填材料為普通礫石，粒徑為0.60～1.20 mm，粒徑中值為1.07 mm。堵塞物采用防砂油井中取出的樣品。

實驗流體包括清水、驅替基液、聚合物與PPG（預交聯(lián)凝膠顆粒）復配原液。其中，驅替基液采用黏度3.0 mPa·s 的胍膠溶液；將聚丙烯酰胺顆粒與PPG（配比為1:1）低速攪拌至完全溶解，得到聚合物與PPG 復配原液，其總質量濃度為2400 mg/L。

2 非均質儲層堵塞物運移堵塞規(guī)律

2.1 堵塞物成分分析

現(xiàn)場堵塞物取樣時發(fā)現(xiàn)，非均相復合驅后部分井的篩管、地層返吐物中含有大量的黏稠狀堵塞物。稱取一定量的堵塞物，進行成分分析：先用石油醚浸泡2 次，分離出其中的飽和烴、芳香烴和膠質；再用苯浸泡清洗，分離出其中的瀝青質；最后用蒸餾水清洗，分離出其中的砂粒及老化聚合物。結果表明：堵塞物中聚合物質量分數(shù)為70%～90%，油污、砂粒及垢的質量分數(shù)約為15%，其他物質的質量分數(shù)約為5%。

采用燃燒法和粉末衍射法，對成分分析后的堵塞物進行元素分析，結果如表1 所示。從表1 可以看出，堵塞物含有多種金屬離子，說明聚合物與高礦化度地層流體發(fā)生反應是導致其凝膠化的原因之一。結合堵塞物成分分析結果可以看出，聚丙烯酰胺及PPG 進入地層后在復雜地層條件下會發(fā)生老化，并與油污、砂礫等形成黏稠狀混合物。

表1 聚合物堵塞物樣品元素分析結果Table 1 Element analysis results of poly mer plug samples

2.2 堵塞物在高滲透帶中的運移

將礫石與地層砂分別以不同組合形式裝填于單向流透明容器短節(jié),其中充填地層砂模擬低孔隙度低滲透性地層，充填礫石模擬高孔隙度高滲透性地層。甲組實驗通過在容器短節(jié)中部充填圓柱狀礫石柱,模擬地層中高滲透帶延伸狀態(tài)(見圖2);乙組實驗通過在容器短節(jié)前端充填礫石并逐步形成圓錐形尖滅,模擬高滲透帶出現(xiàn)尖滅逐漸消失的狀態(tài)(見圖3)。在填砂面前端均勻填入3.0g堵塞物,使用清水進行驅替實驗。主體裝置使用圖1中的單向驅替裝置A,內徑50mm,充填段長度150mm;驅替排量0.6m3/h,驅替時間約40min。實驗過程中測量流量和短節(jié)兩端的驅替壓差，計算滲透率變化,結果如圖4所示。

圖2 甲組實驗中填充礫石模擬延伸狀態(tài)的高滲透帶Fig.2 Simulation of the high permeability zone in the extension state utilizing gravel filling in group A

圖3 乙組實驗中填充礫石模擬存在尖滅的高滲透帶Fig.3 Simulation of the high permeability zone with pinch out utilizing gravel flling in group B

圖4 不同孔道類型條件下礫石層總體滲透率變化曲線Fig.4 Overall permeability variation curve of gravel layer under different channel type conditions

由圖4可見,在相同驅替流體和流量的條件下,填入堵塞物后,礫石層總體滲透率顯著下降,乙組實驗中的礫石層(初始滲透率5.8D)總體滲透率下降36%,下降幅度略高于甲組實驗中的礫石層。從圖4還可以看出,礫石層滲透率變化分為3個階段:階段1,滲透率迅速降低;階段2,滲透率出現(xiàn)一定幅度波動;階段3,乙組實驗中的礫石層總體滲透率緩慢下降約0.1 D,甲組實驗中的礫石層總體滲透率上升約0.2 D。

實驗結束后,取出局部樣品,觀察堵塞物的運移及聚集狀態(tài)。圖5(a)為甲組實驗填砂管中部高滲透帶（即礫石層)的堵塞物侵入形態(tài)照片，可以看出,堵塞物在高滲透帶端面附著聚集較多,中部與砂礫呈混合狀,底部可見少量細碎堵塞物。這說明堵塞物明顯沿高滲透帶侵入運移,但侵入程度越來越弱。圖5(b)為高低滲透帶交界面處堵塞物侵入形態(tài)，可以看出，驅替方向前端與末端有清晰的侵人分界面，低滲透帶(即地層砂)中未觀察到堵塞物侵入。這是由于高低滲透帶的流動性差異,堵塞物會沿有較大孔喉的高滲透帶運移,侵入低滲透儲層的概率極低。

圖5 甲組實驗中不同位置處的堵塞物侵入形態(tài)Fig.5 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group A

乙組實驗結束后，取出局部樣品觀察堵塞物的運移及聚集狀態(tài)﹐結果見圖6。由圖6可以看出，端面堵塞物較多,呈黏稠狀附著于表面;部分堵塞物侵人高滲透帶﹐高低滲透帶交界面有明顯的堵塞物;低滲透帶中未觀察到堵塞物侵入。

圖6 乙組實驗中不同位置堵塞物侵入形態(tài)Fig,6 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group B

由圖6還可以看出,侵人高滲透帶的堵塞物要少于高低滲透帶交界面處的堵塞物。分析認為，乙組實驗中高滲透帶內堵塞物在不同階段(見圖4)表現(xiàn)為:階段1,大尺寸堵塞物在驅替作用下快速堵塞礫石層孔喉,并且堵塞物中黏彈性聚合物包裹黏附于礫石層表面，造成礫石層總體滲透率快速降低;階段2,堵塞物中部分小尺寸黏團在流體攜帶作用下剝落并侵人高滲透帶,大尺寸堵塞物在拉伸剪切作用下也會逐漸沿高滲透帶運移,壓力出現(xiàn)一定程度波動;階段3,聚合物堵塞物向高滲透帶末端運移過程中遇到低滲透帶時,逐漸產(chǎn)生聚集堵塞并出現(xiàn)清晰界面，高滲透帶總體滲透率緩慢下降。與乙組實驗相比,甲組實驗中堵塞物在高滲透帶內前兩階段的運移規(guī)律致,但由于其不存在孔道變化,小尺寸黏團逐漸剝落并通過礫石層,因而總體滲透率出現(xiàn)小幅度上升。

2.3 多孔介質中堵塞物運移堵塞機理

通過分析實驗結果，得到堵塞物在多孔介質的運移堵塞機理為:1)聚合物堵塞物中的主要成分聚合物老化物為交聯(lián)凝膠狀物質,不易流動且具有黏附性,趨于以小尺寸黏團形態(tài)沿大孔道或高滲透帶運移,不易侵人低滲透帶;2)聚合物堵塞物在孔喉尺度較小的儲層中流動性差，運移過程中遇到空間狹窄或低滲透區(qū)時，會重新聚集形成堵塞(見圖7(a))。

圖7 儲層多孔介質及近井儲層聚合物堵塞物運移堵塞原理示意Fig.7 Schematic diagram of migration and plugging of polymer plug in porous media and near well formation

從宏觀角度看,部分油田注水開發(fā)后期轉注聚開發(fā)，會存在局部高滲透區(qū)或地層大孔道,注入的聚合物與PPG顆粒會沿高滲透區(qū)突進。根據(jù)實驗結果分析，聚合物與PPG顆粒向井眼流動過程中，在復雜條件下與地層水生成小尺度老化堵塞物,沿局部大孔道或高滲透帶運移,在井眼周圍非均質高滲透帶狹窄處或低滲透帶形成聚團,最終造成近井堵塞(見圖7(b))。形成地層均勻堵塞所需要的堵塞物量巨大,且聚合物老化形成凝膠狀堵塞物需要一定時間，很難達到相應堵塞條件,因此流道局部堵塞是主要的堵塞模式。

3 近井擋砂介質的堵塞規(guī)律研究

3.1 堵塞物與地層砂復合堵塞模擬實驗

為了明確聚合物堵塞物與地層砂對近井擋砂介質(即礫石層)的堵塞程度,進行了堵塞物與地層砂對礫石層的復合堵塞模擬實驗:基液攜帶地層砂分別驅替干凈礫石層和前端均勻填充3.0g聚合物堵塞物的礫石層,礫石層長度150mm,初始滲透率約82D,驅替排量1.2m3/h。根據(jù)實驗結果,計算得到2次實驗的礫石層滲透率(見圖8)。

圖8 聚合物堵塞物對礫石層總體滲透率的影響Fig.8Effect of polymer plug on the overall permea bility of gravel layer

由圖8可見,基液攜帶地層砂驅替過程中，礫石層總體滲透率均會逐漸下降并達到平穩(wěn)狀態(tài)。其中,無聚合物堵塞物的干凈礫石層堵塞速度較慢，且堵塞程度較輕;有聚合物堵塞物的礫石層總體滲透率出現(xiàn)一定程度的波動,穩(wěn)定后滲透率下降約12D,驅替結束后其最終滲透率與無堵塞物的干凈礫石層相比降低約47.4%。這表明,聚合物堵塞物運移至礫石層不但會導致礫石層滲透率大幅降低及波動，而且會加劇地層砂對礫石層的堵塞。

復合堵塞實驗結束后,取出局部樣品觀察堵塞物的運移及聚集狀態(tài),結果如圖9所示。由圖9可見，礫石層端部堵塞物侵人較明顯，黏稠堵塞物擠入礫石孔隙中并包娶礫石與地層砂;礫石層中部可見少量小尺寸堵塞物，表面黏附地層砂;礫石層底部仍可見少量小尺寸堵塞鈞黏團。這說明堵塞物與礫石層接觸后,會擠人礫石層孔隙并包裹附著礫石造成初步堵塞，而曾切剎落的小尺寸黏團會繼續(xù)侵入礫石層,從耐加劇堵塞程度。研究表明人[1]，親水物質對聚合物的吸附性較好,而普通礫石在地層水中表現(xiàn)為強親水性。本文采用的非均相聚合物驅近井地帶堵塞物為老化聚合物與油砂的混合物,對于強親水充填礫石，聚合物首先會吸附在礫石表面，進而增加了原油瀝青質的吸附量,使礫石表面潤濕性從親水向親油方向改變,進一步增大了堵塞物對原油的吸附量

圖9 不同位置的聚合物堵塞物侵入形態(tài)Fig.9 Polymer plug intrusion pattern at different positions

實驗結果表明，聚合物堵塞物侵入深度約為礫石層厚度的1/3,另有少量堵塞物通過礫石層，其大小有所差異,但多數(shù)粒徑小于0.1 cm,有少量較大團塊。這說明通過礫石層的堵塞物多為剝落小尺寸堵塞物,僅有少量大尺寸堵塞物受液體攜帶而緩慢運移通過礫石層。

3.2 堵塞物成分及含量對堵塞程度的影響

分析認為,聚合物堵塞物成分及含量是影響堵塞程度的主要因素，為此,采用室內實驗研究了堵塞物成分及含量對礫石層堵塞程度的影響。首先，用石油醚和苯浸泡清洗堵塞物，分離出其中的飽和烴、芳香烴和膠質瀝青質;然后在單向驅替裝置中充填礫石層(初始滲透率約為82D),礫石層前端分別均勻充填3.0g處理后堵塞物、3.0g原始堵塞物及5.0g原始堵塞物;最后基液攜帶地層砂進行驅替實驗，排量1.2 m3/h。根據(jù)實驗結果,計算得到的礫石層總體滲透率如圖10所示。

圖10 堵塞物成分和含量對礫石層總體滲透率的影響 Fig.10 Effect of different plug composition and content on the overall permeability of gravel layer

由圖10可以看出，加入聚合物堵塞物后,礫石層總體滲透率均出現(xiàn)一定波動,初步平穩(wěn)后,填充3.0g原始堵塞物的礫石層總體滲透率約為填充3.0g處理后堵塞物礫石層的88%;攜砂驅替結束后,填充3.0g原始堵塞物的礫石層總體滲透率約為填充3.0g處理后堵塞物礫石層的55.4%;堵塞物含量越高，其對礫石層的堵塞越嚴重，同時地層砂對礫石層的堵塞程度明顯加劇，短節(jié)兩端壓差急劇上升、超過裝置量程,不得不停止實驗。這表明，聚合物堵塞物處理后結構更加松散,更容易通過礫石層，與地層砂的協(xié)同堵塞作用降低;高含量堵塞物會迅速黏附于礫石層表面,包裹礫石層堵塞孔喉，與地 層砂協(xié)同堵塞作用增強。

驅替結束后，取出填充處理后堵塞物礫石層局部樣品，觀察堵塞物的運移及聚集狀態(tài)，結果如圖11所示。與圖9中堵塞物的形態(tài)相比，圖11中堵塞物的透明程度增加，對礫石層包裹黏附程度下降,礫石孔隙中小尺寸堵塞物黏團數(shù)量明顯減少。這說明清洗掉堵塞物中的瀝青質后，包裹礫石的堵塞物親油性減弱，吸附程度明顯降低。

圖11 處理后堵塞物侵入礫石層顯微照片F(xiàn)ig.11 Photomicrograph of the plug intruding into the gravel layer after treatment

3.3 近井擋砂介質堵塞機理及解堵策略

實驗結果表明，聚合物堵塞物侵入會降低擋砂介質滲透率，同時與地層砂復合堵塞會進一步降低擋砂介質滲透率，分析認為其堵塞機理主要為:1)堵塞物中的聚合物老化物具有聚團黏附作用，黏附包裹在擋砂介質表面，加劇了地層砂對礫石層和繞絲篩管的堵塞程度﹐同時提高了擋砂效果（見圖12);2)堵塞物受液體剪切攜帶會剝落小尺寸黏團，擠人深部礫石層孔喉中，阻礙了地層砂運移，從而加劇了堵塞程度;3)堵塞物大團塊黏附于擋砂介質表面，局部區(qū)域形成完全封堵。

圖12 聚合物堵塞物加劇堵塞原理示意Fig.12 Schematic diagram of plugging aggravation brought by polymer plug

近井區(qū)域產(chǎn)生堵塞后,應盡早采取解堵措施，防止堵塞程度加劇。根據(jù)近井擋砂介質堵塞機理,可行的非均相聚合物驅地層解堵策略為:1)適當增大篩管擋砂精度(即增大通過篩管的地層砂的最大粒徑或篩管能阻擋的地層砂的最小粒徑),選用更粗的充填礫石，以增強流通性;2)改變固相充填顆粒和篩管表而的物理化學性質，降低對聚合物的吸附程度;3)采用高飽和充填防砂工藝,緩解近井堵塞;4)可嘗試改進解堵液工藝,或使用有機溶劑處理近井區(qū)域;5)應充分攪拌溶解聚合物與PPG,減少不溶物(俗稱“魚眼”)的產(chǎn)生。

4 結論與認識

1)非均質地層中,堵塞物趨向于沿大孔道或高滲透區(qū)運移,侵人低滲透儲層的概率較低;堵塞物沿大孔道運移過程中遇到低滲透區(qū)時,將產(chǎn)生聚集堵塞。

2)非均相復合驅礫石充填防砂井近井地帶堵塞是聚合物原液、堵塞物及固相顆粒的物理化學復合堵塞的結果，堵塞程度與堵塞物含量呈明顯正相關,堵塞物經(jīng)有機溶劑處理后,對礫石層滲透率的傷害程度顯著降低。

3)聚合物堵塞物加劇擋砂介質堵塞的主要機理為:堵塞物存在自身聚團現(xiàn)象,并黏附包裹在擋砂介質表面，加劇地層砂對礫石層和繞絲篩管的堵塞程度;堵塞物受液體剪切攜帶會剝落小尺寸黏團，擠人深部礫石層孔喉中，阻礙了地層砂運移加劇堵塞產(chǎn)生;大團塊堵塞物黏附于擋砂介質表面,對局部區(qū)域完全封堵。

4)非均相復合驅地層解堵策略主要包括適當增大篩管擋砂精度、涂覆表面改性材料、細化注人體系配制過程和改進解堵液工藝等。