颗粒类调剖堵水剂的研究现状与发展趋势

赵修太　陈泽华　陈文雪　马汉卿　翟东启　任增雷（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛　266580）

颗粒类调剖堵水剂的研究现状与发展趋势

赵修太陈泽华陈文雪马汉卿翟东启任增雷
（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

综述了无机颗粒、体膨颗粒和聚合物微球等颗粒类调堵剂的研究进展，包括堵剂配方、颗粒与地层孔喉匹配性的研究进展，剖析了研究与应用中存在的问题：无机颗粒不耐冲刷，有效期短；水膨体膨胀倍数高、膨胀速度快、强度和稳定性低，难与地层匹配；颗粒与地层孔喉匹配性的研究不能充分考虑诸多影响因素如颗粒类型和性质、颗粒级配、颗粒浓度和注入速度、地层非均质性等；且缺少充分考虑上述影响因素的理论模型。在此基础上，给出了颗粒类堵剂的研究方向和发展趋势：无机颗粒应复合其他材料使用；体膨颗粒的使用应根据需要引入橡胶、塑料、阳离子材料及耐温耐盐单体，且其粒径范围需要拓宽；颗粒与地层孔喉的匹配关系需要充分考虑多种影响因素，同时需要建立考虑多种影响因素和实际情况的理论模型；物理模拟也需要更切合渗流和地质条件。

颗粒类堵剂；无机颗粒；水膨体；聚合物微球；地层孔喉；匹配性

由于油藏自身的非均质性以及开发因素的影响，我国各油田普遍存在注入流体波及系数较低的问题。例如大庆、胜利等注水开发油田已经进入高含水期，大量的注入水沿着高渗透层窜流，而低渗透层很少被波及到，大大降低了注入水的利用率。大量产出水的处理费用高昂，也加重了油田的负担。针对上述情况，国内已经开展了大量的调剖堵水作业，取得了一定效果，但也存在较多问题。调剖堵水剂可分为冻胶类调堵剂、颗粒类调堵剂、沉淀类调堵剂、泡沫类调堵剂、乳化稠油类调堵剂等。颗粒类堵剂作为一大类堵剂在油田调堵作业中占有重要地位，这类调堵剂在地面条件下已经是成品，无需在地层条件下反应或者交联，这就避免了很多地层因素的不利影响，而且很多颗粒类堵剂稳定性强、封堵强度高、耐温耐盐耐剪切、材料来源广、价格低，因此在很多方面相比其他堵剂有很大优势。但颗粒类堵剂的应用也受到一定限制，主要原因是颗粒与地层孔喉的配伍性难以控制、地层污染、难以到达地层深部等。因此需要加强研究解决以上问题，以扩大颗粒类调堵剂的应用。笔者在调研国内外文献的基础上，综述了颗粒类堵剂的研究进展，对存在的问题进行了分析，以期对颗粒类堵剂的应用提供借鉴。

1　颗粒类调堵体系研究现状

1.1无机颗粒类调堵剂

最早得到应用的无机颗粒堵水剂是水泥类堵水剂。水泥类堵剂强度高，价格便宜，缺点是由于水泥的凝固较快，进入油层深度很浅，且对非目的层污染严重，甚至会把整个油层堵死，因此有很多针对水泥堵剂的改性研究。刘江华［1］等针对超细水泥水化、稠化速度快、经时流变性差、成本高的问题，利用超细粉煤灰代替部分超细水泥，并辅以减阻分散剂、缓凝剂，大大改善了堵剂的流变性、注入性和稳定性，而且耐压强度达到了标准（>15 MPa）。

黏土颗粒调堵剂在无机颗粒堵剂中占有重要地位。该类堵剂价格便宜、来源广、耐温耐盐性强，使用方便。宁廷伟［2］报道了胜利油田开发和应用的黏土颗粒类堵剂，包括硅土胶泥调堵剂（黏土起填料作用）、陶土水泥浆调堵剂、混油泥浆堵水剂、膨润土榆树皮粉调剖剂、潍坊钠土单液法调剖剂。这类堵剂成本低、配制容易、施工简单，适合对高含水期的大孔道或裂缝进行封堵。如利用潍坊钠土单液法堵剂在胜坨油田进行了三轮整体堵水，共使用膨润土420 t，使区块整体含水率由92.5%下降并稳定到90%，日产油量由24.4 t上升到40 t，采收率提高5%。但使用的陶土水泥浆和混油泥浆由于未充分考虑颗粒粒径与孔道直径之间的匹配关系，导致调剖有效期较短。赵福麟［3］等提出了黏土双液法对大孔道进行调剖的思路，用沉降分析法和X衍射法选取了密度低、颗粒小的潍坊钠土作为调剖用土。封堵性实验结果表明黏土-聚合物双液法和黏土-冻胶双液法的封堵效果好于单液法，分析双液法封堵机理包括：积累膜机理、絮凝机理、耦合机理和毛管力阻力机理。对埕东油田西区南块高含水井进行了潍坊钙土双液法封堵的现场试验，两个井组孔径与黏土粒径之比分别为5.2和8.4，黏土用量444 t，配成堵剂7 844 m3，对大孔道封堵后，试验区含水由91.7%下降到90.6%，日产油由262 t上升到340 t，累计增油23 443 t。李克华［4］等报道了钙土堵剂的二次利用及其应用，钙土粒径大、价格低，可以减少对中低渗透层的伤害，是大孔道的理想堵剂。同时，加入Na2CO3可以将钙土转化为钠土，增加颗粒膨胀性和封堵效果。其开发的钙土-聚丙烯酰胺-碳酸钠复合堵剂，在墣城油田5口高含水井进行的现场试验中，累计增油1 032 t，降水3 944 t，平均注水压力上升1.6 MPa。无机颗粒耐高温，可以应用到稠油热采井对大孔道的封堵。罗跃［5］等使用G级油井水泥、膨润土、降滤失剂、缓凝剂和无机凝胶复合成一种高温调剖剂，该调剖剂在受200 ℃高温8 h后黏度依然很低，有利于泵注，同时该剂在高温下滤失量小、凝固时间长，有利于到达地层深部。1996—1998年针对克拉玛依12口明显出现汽窜的热采井应用该调剖剂进行调剖封窜，稠油产量比调堵前增加80%，有效期大于半年，6个月累计增油7 174 t，少产水9 844 m3。中原油田油藏多为强非均质的断块油藏或低渗透油藏，地层水为CaCl2型，矿化度20万～ 30万mg/L。针对上述情况，罗跃［6］等开发了JDT-1和JDT-2系列颗粒类堵剂，该系列堵剂由有机复合树脂、超细水泥、超细碳酸钙、OP-20和PAM等组成。中原油田在1995—1998年间先后使用该堵剂施工120井次，施工成功率100%，有效率90%，累计增油28万t，降水56.8万m3，吨投入产出比1∶4.33。

工厂废料中，粉煤灰、含油污泥等可以制成调堵剂。这类调堵剂材料价格便宜，膨胀性弱，与油藏配伍性好，又解决了一定的环境问题，因此具有较好的应用前景。唐长久［7］等对粉煤灰调剖剂做了较为系统研究，通过与钠土的对比分析，认为钠土调剖有效期短，且油井产土是因为钠土发生水化破碎，与理论上的黏土水化膨胀增加封堵效果不一致，而粉煤灰水化后颗粒不会破碎，强度较高；钠土水化后颗粒形状不规则，不利于进入地层孔喉，而粉煤灰水化后形状多为球状，利于进入地层。齐海鹰［8］等针对辽河油田某区块大孔道发育的特点，研制了一种高强度堵剂，该剂由5%～10%粉煤灰、2%～3%橡胶粉、1%～1.5%聚丙烯酰胺、0.2%～0.4%三聚氰胺、3%～5%甲醛组成，粉煤灰具有刚性，和具有一定柔性的橡胶粉一起填充压实，可泵性好，承压强度高，封堵率大于99%。应用该堵剂在沈-84和安12块封堵注水井高渗透层9井次，措施成功率和有效率均为100%，封堵后封堵率达到95%，注水压力上升3 MPa。含油污泥是原油脱水处理过程中伴生的工业垃圾，主要成分是水、泥质、胶质、沥青质和蜡质。将含油污泥经过一定处理后可以用作调剖剂，无机颗粒的机械堵塞和稠油、沥青质的粘连作用结合在一起使封堵效果大大增加。赵金省［9］等针对含油污泥本身强度低的缺点，加入水泥作为固化剂，加入粉煤灰调节水灰比，制成了强度较好的蒸汽封窜剂。该堵剂黏度在26～105 mPa·s之间，稠化时间达18 h，经过200℃蒸汽100 PV冲刷后，岩心渗透率变化很小。尚朝辉［10］等研制了一种含油污泥调剖剂，该污泥主要含泥质（52.31%）和原油（39.62%），使用能降低油水界面张力的Na2CO3来分散油水污泥体系，并加入自制的SG、SD固化剂，使用浓度为20%～60%，在庄106块调剖5井次，共注入污泥约3 000 m3，调剖后，注水压力上升4 MPa以上，高渗层吸水量由71%下降到44%，对应油井见效率达92%，累计增油5 565 t，投入产出比1∶4.1。由于无机颗粒适合封堵强非均质地层的大孔道，且控制不好会造成低渗层或油层的伤害，因此在国外鲜有关于无机颗粒调堵的应用实例。

无机颗粒堵剂材料来源广，成本低，同时耐温耐盐耐剪切，从调堵性能方面来说是理想的材料。笔者根据现场应用的一些经验，提出以下建议。

（1）要准确把握无机颗粒粒径与地层孔喉直径的匹配关系。

（2）单凭无机颗粒形成的封堵不牢固，容易被水冲走，有效期较短，而且无机颗粒形状不规则，颗粒之间有较大间隙，这削弱了封堵效果，因此无机颗粒需要配合其他类型的堵剂一起使用；无机颗粒可以与冻胶复合，冻胶能够将颗粒连在一块，使调堵剂更加耐冲刷，而且聚合物冻胶能够填充颗粒之间的空隙，增强封堵效果；无机颗粒可以和树脂类胶结剂复合使用，颗粒被黏结到一块后强度和耐冲刷性都大大提高；无机颗粒可以作为柔性颗粒的内核，这样能充发挥无机颗粒的刚性封堵作用和柔性物质的挤压填充作用。

1.2体膨颗粒堵剂

水膨体是近二十年发展起来的一项调堵技术。该系列调堵剂由单体、交联剂以及其他添加剂在地面聚合交联，然后经过造粒、烘干、粉碎、筛分等工艺加工而成。由于是地面条件下交联，因此避免了地层条件如温度、矿化度、pH值和剪切对成胶的不利影响；同时，该类颗粒能够选择性进入大孔道，且能通过变形或破碎作用进入地层深部，因此有较好的深部调剖性能。为保证堵剂能够顺利交联以及增强堵剂的选择性，李宇乡［11］等研制了一种地面交联凝胶体系GP系列堵水调剖剂。通过选择合适的粒径，水膨体可以选择性进入高渗透层，而进入低渗透层的颗粒极少。这可以看做国内使用水膨体作调堵剂的开端。白宝君［12］等对影响水膨体性能的内因进行了分析，结果表明，交联剂、添加剂和增强剂浓度对水膨体的吸水性和强度影响较大，而主剂和引发剂浓度的影响较小。吴应川［13］等对影响水膨体性能的因素进行了分析，结果表明，在一定范围内，水膨体膨胀倍数随温度升高而增加，随盐浓度升高而降低；碱性条件下，水膨体膨胀性随pH值变化较小。针对常规水膨体耐温耐盐性较差的缺陷，可以从合成单体、交联剂、增强剂等方面进行改进。王富华［14］等通过引入带有苯环和磺酸基基团的单体与丙烯酸钠、丙烯酰胺等引发共聚合，研制了JAW水膨体，可以耐130℃的高温。董雯［15］等以丙烯酰胺和具有耐温耐盐性的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）为原料，采用溶液聚合法合成了一种耐温耐盐水膨体，该水膨体在90 ℃下，岩心突破压力梯度大于31 MPa/m，放置7 d后堵水率大于99.8%。针对常规水膨体耐盐性差的特点，刘永兵［16］等使用丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈在溶液中共聚，并以钠土、滑石粉、高岭土为无机添加剂，合成了耐盐的有机/无机吸水树脂，该吸水树脂在自来水中吸水倍率为138.67 g/g，在5%NaCl盐水中为46.8 g/g，在0.3%CaCl2溶液中为14.17 g/g。无机材料对提高耐盐性的贡献大小：滑石粉＞钠土＞膨润土。常规水膨体有膨胀速度快、注入深度有限的问题，而且强度低、易破碎。针对上述问题，一些缓膨水膨体相继问世。唐孝芬［17］等通过分子设计，在常规吸水网络中引入控制吸水速度的高分子层，通过特殊工艺，制成吸水层与控制吸水层互相穿插的缓膨型水膨体，该系列水膨体缓膨时间3～30 d，吸水体膨倍率5～35倍，强度为20～60 kPa，80 ℃下长期稳定。为了减缓聚丙烯酰胺体膨颗粒的膨胀速率，张建生［18］在合成原料中引入了天然胶乳，制备的体膨颗粒浸水110 h后才开始膨胀，10 d后吸水倍率为50 g/g，耐温达83 ℃。魏发林［19］等提出了一种胶囊化减缓水膨体膨胀速率的方法，以线性低密度聚乙烯为成膜材料，采用凝聚法制备了性能良好的缓膨颗粒。该颗粒开始出现膨胀的时间为30 h，缓膨作用是通过吸水面积的减少以及覆膜的阻挡作用实现的。而Tang［20］等通过在水膨体中引入控制吸水的单体，也实现了水膨体颗粒的缓膨。

国外关于水膨体的研究多集中在颗粒在多孔介质中的运移行为和对封堵性能的定量描述（理论推导）。Al-ibadi［21］等对颗粒组成、注入浓度和注入速度等因素对填砂管封堵性的影响进行了实验考察和理论分析，对不同情况下颗粒注入前和产出后的粒径、形态进行了对比，用特殊形式的诊断方程对封堵机理进行研究，最终采用无因次方法对实验参数和封堵效果进行拟合分析，所得结论对模拟体膨颗粒的封堵行为和设计、优化封堵体系都具有重要意义。Imqam［22］等考察了颗粒强度、孔喉直径和盐浓度对体膨颗粒封堵行为的影响，得到2个关系式用来定量表征阻力系数和稳定注入压力与颗粒强度、粒径孔径比和剪切强度之间的函数关系，此研究对调堵作业中体膨颗粒的筛选和设计具有指导意义。

水膨体由于膨胀后颗粒较大，适合封堵有大孔道发育或者强裂缝性的非均质地层。由于水膨体耐温耐盐性比聚合物冻胶好，因此在高温高盐油藏也有较多应用。Bai［23］等通过实验认为，即使是直径为60 μm的体膨颗粒，也不能注入渗透率高达16 D的填砂管，且根据体膨颗粒在填砂管端面的堵塞情况，一般地层情况下体膨颗粒很难注入。然而实际矿场实验中体膨颗粒注入性很好，由此推断，体膨颗粒进入了裂缝或者超级大孔道，而这些特征一般都是在老油田出现。Bai［24］对大庆油田利用水膨体进行调堵的实例进行了报道，杏-724井在调剖前已处于高含水阶段，所处油层薄，纵向非均质强，高渗层只有总厚度的1/5，而其吸水量占总量的85%。措施后注入压力上升约6 MPa，累计增油2 400 t，降低含水率8个百分点，有效期长达6个月。Zhang［25］等通过可视化裂缝模型考察了水膨体（PPG颗粒）在裂缝中的运移和对水相渗流的影响。结果表明，PPG颗粒可以像活塞一样在裂缝中推进，且形成一个颗粒凝胶带；PPG颗粒的注入性随注入速度和裂缝宽度的增加而增加，随矿化度的增加而减弱；PPG颗粒可将不同裂缝宽度的地层渗透率降至相同。裂缝宽度、注入速度和矿化度对裂缝性地层中水膨体的封堵性有较大影响，同时后续水驱可以形成二次窜流。预交联体膨颗粒耐温、抗盐，在温度矿化度及地层非均质性普遍较高的中原油田得到广泛应用［26］，中原油田2000年以来在文10块、文25东块等5个区块开展了预交联体膨颗粒深部调驱先导试验，施工59井次，使用调剖剂21万m3，平均处理半径19 m。蒲万芬［27］等利用插层原位聚合物法制备了聚合物/硅酸盐新型预交联颗粒，该复合材料膨胀倍数可达13～62，耐温达90 ℃，抗盐达250 g/L，通过大港2个井组的现场试验（裂缝性油藏），增油2 400 t。于国栋［28］等报道了裂缝性低渗透油藏中预交联颗粒的应用，室内实验预交联颗粒封堵率为91.32%，在吉林油田渗透率高达33 153 D的裂缝大孔道存在下，采用预交联颗粒和两型聚合物凝胶相结合的方法，使2口井增油1 878 t，含水率下降9.73个百分点。

常规水膨体膨胀倍数高、膨胀速度快、易破碎，存在注入性和封堵强度的矛盾。针对以上问题，科技人员开始研制开发聚合物微球堵剂。聚合物微球一般采用反相乳液法聚合而成，即微球是在以油为分散介质、以水为分散剂的“油包水”乳状液的小水滴中聚合而成。通过控制单体、交联剂、搅拌速度、油水比和分散稳定剂的用量等可以控制合成微球的粒径、膨胀速度、颗粒强度等参数。和水膨体相比，聚合物微球粒径更加可控、膨胀速度更慢、粒径更小（一般1～10 μm），和地层孔喉更匹配，因此有很好的注入性和较好的深部调驱性能［29］。王涛［30］等对聚合物微球粒径的影响因素进行了研究，结果表明，适量的NaCl有助于微球的膨胀，Ca2+和Mg2+的存在会抑制微球的膨胀；矿化度越高，膨胀速度越慢；温度越高，膨胀速度越快。污水配制的聚合物微球15 d达到最大粒径，约为4 μm，具有较好的深部调驱性能。韩秀贞［31］等对交联聚合物微球体系的水化性能进行了分析，随着时间的延长，微球的水动力学直径先变大后变小，15 d时达到最大；随NaCl浓度的升高，微球的水动力学直径先变小后变大；随着水化时间的增加，微球的刚性变弱，变形性增强，封堵性下降。Jia［32］等对双交联基团（可分解的交联基团和不分解的交联基团）的聚合物微球在特高矿化度（20～100 g/L）水中的膨胀特征和增黏性能进行了研究，结果表明，该微球对盐不敏感，在20～100 g/L的高矿化度水中膨胀性差异不大，但增黏性差异较大，在20～50 g/L矿化度水中，黏度随时间上升较快，且最大能达到18 mPa·s，但在100 g/L矿化度水中，黏度上升很慢，只能达到2 mPa·s。因此建议在特高矿化度水中加入交联剂，使松散的微球连接成高强度的整体凝胶。阳离子聚合物微球可以避免矿化度对体系的影响，同时阴阳离子的相互结合使微球及微球与地层之间形成有一定强度的整体，有利于增加封堵强度。李光辉［33］等对阳离子聚合物微球的黏度特征进行了研究，结果表明，稳定交联剂浓度大于0.01%能使微球形成空间结构，选择合适的交联剂浓度有利于发挥颗粒间的缠联增黏作用，10%的阳离子度即可达到较好的增黏效果。同时李光辉［34］对阳离子微球与HPAM的絮凝作用进行了研究，结果表明，阳离子微球与HPAM复合体系在一定盐浓度下，存在聚沉到相对稳定过程，这一临界浓度与阳离子度密切相关；在低于临界盐浓度下，复合体系的沉淀速度及沉淀量取决于阳离子微球和HPAM质量比及盐浓度；高于临界盐浓度时，复合体系发生拟交联，有一定的增黏作用。

王代流［35］等报道了交联聚合物微球深部调驱技术及其应用。室内实验表明，微球在60 ℃下用孤岛回注污水溶胀10 d，粒径中值增大34倍，单管实验封堵率大于92%。在GD-24斜516井组实施现场试验，注水压力上升2.9 MPa，一线油井含水率下降5.6%，单井平均日增油5 t。雷光伦［36］等报道了聚合物微球在强非均质中低渗油藏中的应用，2004年以来先后在胜利孤岛、浅海和青海油田进行了10个井组的矿场试验（原始渗透率为0.3～1.5 D）。采用配水间用比例泵直接打入单井注水管线的在线注入方式，取得了明显的降水增油效果，其中青海油田的1个井组注水3个月就增油3 500 t，一口高含水井含水率从91%降低到3个月后的65%。聚合物微球因为化学稳定性高、能够进入地层深部和耐温耐盐等优势，适合海上稠油油藏的深部调驱。Liu［37］等报道了聚合物微球在海上强非均质（高盐）稠油油藏某井组中的应用，措施后累计增油3.8万 t，减少采油平台处理水11.3万m3。

上述关于体膨颗粒的研究主要包括对体膨颗粒性能及影响因素的研究，体膨颗粒耐温耐盐性、颗粒强度的加强、稳定性的提高以及缓膨等方面，虽然取得了一定的进展，但仍存在很多的不足。首先，目前所用的体膨颗粒普遍偏大，膨胀速度和膨胀倍数普遍偏高，严重降低了封堵半径，甚至出现现场注入困难的问题；同时，高膨胀倍数的体膨颗粒膨胀后强度大大降低，而且容易破碎，特别是在大孔道或大裂缝中封堵的体膨颗粒，因长期受强水流的冲刷，一般有效期不超过半年；此外，膨胀后的体膨颗粒稳定性还不够，因此在体膨颗粒性能的改进上还需要进一步研究。笔者根据研究进展和自身经验，提出以下建议。

（1）采用橡胶粉、塑料等材料作为体膨颗粒的内核。这类材料密度低，容易悬浮，耐温性很强，同时无限耐盐，因此特别适合用在稠油热采和高温高盐油藏中；这类材料强度明显高于无机颗粒和体膨材料，即使体膨材料的外壳分解掉或被冲刷掉以后，内核还可以形成二次封堵，因此特别适合用在大孔道或大裂缝油藏。需要注意的是，内核的粒度需根据地层孔道大小来调节，如对大孔道可采用毫米级内核，对低渗透油藏可采用微纳米级内核。

（2）对于合成体膨颗粒的原料，引入阳离子基团作为体膨颗粒的成分，颗粒上的阳离子可以和其他颗粒或地层中的阴离子结合起来，使封堵更加牢固；同时，阳离子不受矿化度影响，使应用范围扩大；此外，还需要引进更加耐温耐盐和稳定性高的的合成单体、交联剂。

（3）体膨颗粒应该与其他封堵技术结合起来使用，包括不同堵剂的结合或者段塞的组合，充分发挥各剂优势，弥补其劣势。如体膨颗粒和交联剂（聚合物）配成溶液，注入地层后形成高强度整体冻胶；封口段塞要使用高强度的大颗粒，以保护地层深部的其他颗粒；对不同的地层深度和不同的孔道类型采用不同的颗粒或不同的封堵剂。

（4）进一步优化原料和合成工艺，研发能缓膨和膨胀后强度高的体膨颗粒。此外建议加大对纳米微球系列的开发。

2　颗粒类堵剂与地层孔喉配伍性的研究

2.1无机颗粒堵剂与地层孔喉的配伍性

对颗粒与地层孔喉匹配性研究最早应追溯到1972年Barkman J H［38］等对注入水中的颗粒对地层的伤害性的研究。文中提出了1/3～1/7“岩心伤害理论”，即当固相颗粒粒径大于1/3喉道直径时，颗粒只会形成外滤饼堵塞岩心端面，不能进入油层；如果颗粒粒径小于1/7喉道直径则不会堵塞孔喉；而位于1/7～1/3之间的颗粒将会严重伤害油层。赵福麟［3］等通过对黏土双液法封堵大孔道时颗粒的进留粒径的研究，指出最佳进留粒径为孔径/粒径等于6，可用粒径范围是孔径/粒径大于3。李克华［39］等用多点测压渗流装置研究了无机颗粒粒径与地层孔径的匹配关系，记录了封堵前后岩心渗透率的变化。结果表明，不同形状的颗粒，其颗粒粒径与地层孔径的匹配关系不同，表面光滑的球形玻璃珠，由于颗粒间及颗粒与地层之间相互作用力小，因此地层孔径与颗粒粒径的比值较小，为2.5～5.5；木屑为纤维颗粒，由于表面粗糙，颗粒之间及颗粒与地层之间作用力较大，因此地层孔径与颗粒粒径的比值较大，为5～11；黏土、云母等为片状颗粒，介于两者之间。总之，对于各类无机颗粒堵剂，国内得出的结论是当堵剂颗粒为地层孔径的1/3～1/10时，都可以产生较为有效的封堵。国外对于无机颗粒粒径的匹配关系研究集中在钻井液或其他工作液在孔喉中的堵塞及对地层的伤害方面，且实验数据和理论研究结合得较紧密。Muecke［40］等对颗粒在孔喉处架桥的影响因素进行了分析，并指出颗粒的堵塞取决于颗粒大小、颗粒浓度和注入速度，且临界堵塞速度与体系黏度成反比。Chang和Civan［41］提出了一个描述流体和地层相互的物理化学作用导致的孔喉堵塞的新模型，模型考虑了化学沉淀和离子交换，采用双峰函数来确定沉淀和注入颗粒的分布与组成，用最优化方法来确定模型参数，结果表明理论预测与实验数据拟合地较好。Tran［42］对无机颗粒对地层孔喉的堵塞条件进行了研究，得出了描述颗粒粒径和孔喉直径比与流动状态和堵塞时间的关系式，结果表明，临界孔喉粒径比与颗粒含量雷诺数之间满足指数函数关系。这些经验关系可以用来确定堵塞条件和预测颗粒对地层的堵塞情况。无因次雷诺数可以有效地为确定堵塞条件提供标准，注入速度和颗粒浓度增加，雷诺数增加，越有利于堵塞发生。实验再次证实了孔径与粒径之比小于1时会发生堵塞现象。文章同时指出，1/3架桥规则只适应于很有限的颗粒浓度和注入速度的范围。这与Bouhroum［43］等的研究结果是一致的。

以上对无机颗粒粒径与地层孔径匹配关系的认识不统一，即和地层孔喉匹配的颗粒粒径不一定是地层孔径的1/9～1/3，还有其他的一些影响因素如颗粒类型、颗粒浓度、颗粒分布、注入速度等影响颗粒与孔喉的匹配性。因此，笔者给出以下建议。

（1）颗粒粒径的分布对颗粒粒径与地层孔径的匹配关系的影响不能忽略，“1/9～1/3”架桥结论只是颗粒的平均粒径与地层孔径的关系，这是个笼统概念，没有考虑到不同粒径颗粒所占比例对颗粒与地层匹配关系的影响。

（2）无机颗粒在孔喉处架桥封堵后的运移性需要进一步研究，因为这涉及到颗粒的运移深度，即调堵半径；室内实验是在岩心上进行的，由于岩心很短，不能充分说明无机颗粒在地层中的运移性，因此需要进行长距离物理模拟实验，从而更加切合实际。

（3）颗粒类型、颗粒形状、颗粒浓度、注入速度、pH值及离子浓度等都会对颗粒与孔喉的匹配性造成影响，实际应用应充分考虑到这些因素。

（4）国内应该建立考虑多因素如注入速度、注入浓度、地层非均质性等的无机颗粒在地层中封堵和运移过程的模型，特别是建立在大孔道（流态特殊、孔隙尺度大）中颗粒运移模型，使运移过程量化，从而在理论上指导无机颗粒调堵的应用。

2.2体膨颗粒与地层孔喉的配伍性

Bai［23-24］等对水膨体类堵剂在多孔介质中的各种行为进行了较为系统的研究。研究结果表明，当颗粒直径大于孔径时，颗粒主要有4种运移模式：（1）变形通过；（2）失水通过再膨胀；（3）破碎通过；（4）产生封堵，不再运移。在特殊设计的玻璃孔道模型上，通过孔喉的颗粒的粒径与孔径的比值主要分布在2～4之间，这与黏土等无机颗粒粒径与地层孔径的匹配值在1/9～1/3之间不同。同时尽管水膨体颗粒具有一定的弹性，但比喉道大5倍以上的颗粒通过喉道时均会发生破坏，这表明颗粒的变形和弹性是有一定限度的。填砂模型实验结果表明，弱强度体膨颗粒能够通过直径为其粒径1/5.7的孔道，而强体膨颗粒只能通过直径为其粒径1/1.3的孔道。李东旭［44］等利用具有4个测压点的填砂管对预交联颗粒的调堵性能及粒径与孔隙的匹配关系进行了研究，结果表明，150目的水膨体颗粒注入60目露头岩心0.3 PV时压力达到0.7 MPa，注入1.0 PV时压力达到3.5 MPa，残余阻力系数较高；100目的水膨体颗粒在60目露头岩心中注入性差，注入0.3 PV压力就达到3.3 MPa。常规的水膨体颗粒很难注入填砂管内，一般堆积在填砂管的前端形成滤饼，难以起到深部调剖的作用。理论计算表明，目前所用的水膨体颗粒相对孔喉直径偏大，用1/3架桥规则和2/3架桥规则算得的可用的水膨体膨胀后的粒径应为“微米级”，此文献再次证明了水膨体只适合封堵大孔道或裂缝性地层。

针对水膨体颗粒与地层孔喉匹配性差、注入困难、有效期短等问题，不少学者开始对聚合物微球的性能进行研究。在此基础上，也展开了对聚合物微球与地层孔喉匹配性的研究。Pritcheet James［45］等人认为为了确保聚合物微球较好地注入和运移，起初的微球直径必须小于地层孔隙直径的1/10，且注入浓度不能太大，要限制在水能够充分携带的范围内。王涛［30］等对聚合物微球的封堵特性进行了研究，结果表明，对于0.4 D的岩心，平均粒径为4 μm的微球封堵效果最好（颗粒粒径与孔喉直径比值约为1）；当微球粒径r与孔喉直径R的比值从0.167增加到0.592时，封堵效率从25%增加到50%。推测认为：当0.46 R < r < R时，为2个微球架桥封堵，当 r为0.46 R时，为3个微球架桥封堵，当 r为0.292R时，为4个微球架桥封堵。雷光伦［46］等对孔喉尺度弹性微球调驱影响因素进行了研究，结果表明，微球封堵率随微球粒径与孔喉直径之比的增加先增大后减小，当微球粒径与孔喉直径比值在1.29～1.78范围内变化时，封堵率在50%～90%范围内变化；封堵率随驱替速度的增加而减小，当驱替速度大于5 m/ d时，封堵率变化不大；封堵率随微球浓度的增加而增加。当微球直径与孔喉直径之比为1.4～1.5时，调驱效果较好；当微球直径与孔喉直径之比为1.42时，微球封堵率达到最大。Almohsin［47］等利用填砂管实验对纳米级弹性颗粒在小于1 D的多孔介质中的注入和封堵性进行了研究，结果表明，粒度在100～285 nm之间的纳米颗粒在高于311 mD的填砂管中的阻力系数为5～14，表明颗粒可以容易地在其中运移；然而，颗粒在41 mD的填砂管中的阻力系数高达383，表明其很难在低渗管中运移；适合该颗粒封堵的填砂管渗透率分布在143～555 mD之间。

体膨颗粒粒径与孔喉直径的匹配值大于无机颗粒粒径与孔喉直径的匹配值（1/9～1/3），这是因为体膨颗粒具有一定的柔性和弹性，能在孔喉处发生挤压变形，因此相同粒径和相同孔喉直径时，体膨颗粒比无机颗粒更容易通过孔喉，所以体膨颗粒粒径与孔喉直径的匹配值更大。根据目前存在的问题，笔者提出以下建议以供参考。

（1）对颗粒性能（包括强度、弹性、柔性等）、注入浓度、注入速度、注入压力、颗粒分布、地层条件等因素对颗粒粒径与孔喉直径的匹配关系的影响进行全面的实验研究。

（2）体膨颗粒的实际应用应该充分考虑地层非均质性和颗粒级配对封堵效果和调整分流量的影响。

（3）常规物理模拟一般在线性填砂管上进行，而地层流动情况（特别是近井地带为径向流动），且地层如果存在大孔道，常有管流存在，因此需要更切合实际情况的物理模拟实验；此外，还需要进一步考察体膨颗粒对油水相渗流的影响。

（4）补充微纳米级聚合物微球对孔隙介质封堵的模型和量化分析；建立适合中国地层情况如大孔道、强非均质地层、低渗透裂缝地层、高温高盐地层情况下的体膨颗粒运移和封堵模型，并将理论研究和室内实验、矿场试验结合起来。

3　结论及建议

（1）无机颗粒应与其他类型堵剂复合使用；针对大孔道油藏，为提高封堵强度和有效期，建议体膨颗粒引入橡胶粉、塑料等材料作为内核或阳离子基团；针对高温高盐油藏需要引入耐温耐盐性和稳定性更好的单体和交联剂；纳米级弹性颗粒需要进一步研发；颗粒类堵剂使用过程中应该充分与其他类型堵剂结合，同时段塞的优化组合很重要。

（2）对颗粒类堵剂与地层孔喉的配伍性的研究需要充分考虑颗粒类型、强度、柔性、粒径分布、注入浓度、注入速度、注入压力、矿化度、温度等影响因素；建议在国内外研究基础上，建立考虑上述因素的颗粒运移和堵塞模型，同时建立的模型应适应国内油藏情况，如大孔道、高含水、强非均质性、高温高盐、低渗透等；理论模型应该与室内实验和矿场试验充分结合起来，以指导现场生产。

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（修改稿收到日期2015-06-20）

〔编辑朱伟〕

The current research situation and development trend of particle profile-control plugging agents

ZHAO Xiutai, CHEN Zehua, CHEN Wenxue, MA Hanqing, ZHAI Dongqi, REN Zenglei
（Petroleum Engineering College, China University of Petroleum （East China）, Qingdao 266580, China）

A summary of research progress of inorganic particle, volume expansion grain, polymer microsphere and other particle profile-control plugging agents is provided, including formula of plugging agents and research progress in compatibility between particles and stratum pore throats. Problems existing in research and application are analyzed, including inorganic particles feature poor washout resistance and short effective period. Water-swelling polymer features high swelling multiple, fast swelling speed, low strength and stability, and is hard to match with stratum. The research on compatibility of particles and stratum pore throats fails to be in full consideration of many affecting factors, such as particle type and properties, grain composition, particle concentration, injection speed, heterogeneity of stratum. And lack of a theoretical model in full consideration of the above affecting factors. Research direction and development trend of particle plugging agents are pointed out on this basis: inorganic particles shall be used in combination with other materials. The use of volume expansion grains requires introduction of rubber, plastic, cation materials as well as temperature-resistant and salt-tolerant monomer as needed, and range of particle size needs to be widened. Multiple affecting factors shall be taken into full consideration for the compatibility between particles and stratum pore throats, and a theoretical model in consideration of multiple affecting factors and actual conditions shall be established. Physical simulation is also required to suit seepage and geological conditions.

particle plugging agents; inorganic particles; water-swelling polymer; polymer microsphere; stratum pore throat; compatibility

TE358+.3

B

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0105 – 08

10.13639/j.odpt.2015.04.027

国家科技重大专项“中西部地区碎屑岩储层预测、保护与改造技术”（编号：2011ZX05002-005）。

赵修太，1958年生。1982年毕业于华东石油学院有机化工专业，现从事油田化学教学和研究工作，教授， 硕士生导师。E-mail：zxt1667@126.com。通讯作者：陈泽华，1988年生。油气田开发工程专业在读硕士研究生。电话：15275211632。E-mail: chenzehua1210@163.com。

引用格式：赵修太，陈泽华，陈文雪，等.颗粒类调剖堵水剂的研究现状与发展趋势［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：105-112.