📝 摘要
非均质和天然裂缝性油藏中高渗透条带和天然裂缝网络的存在通常会阻碍石油生产。如果高渗透层与低渗透层之间存在窜流且流度比不利，石油产量可能进一步降低。这些问题被称为层间干扰问题，其处理方法称为层间干扰改善技术。层间干扰改善技术的目的是校正油藏的非均质性并降低不利的流度比，从而将处理后水转向低渗透层并提高驱替液粘度，最终改善整体波及效率并提高原油产量。准确模拟聚合物驱和凝胶处理的效果需要精确模拟可能影响这些过程的不同参数。选择最佳聚合物凝胶体系需要了解其在油藏内的性能。本研究的主要目的和贡献是利用不同油藏模拟器建立不同模型，模拟不同情景和不同凝胶体系下深部凝胶处理的性能。为每种被研究的聚合物凝胶体系建立了独立的模型，详细研究了不同参数并得出了最佳参数。了解这些最佳参数后，每种聚合物凝胶体系的成功应用可带来最大效益和最高原油产量。
关键词：聚合物凝胶体系；层间干扰改善技术；深部凝胶处理；数值模拟；CMG-STARS；UTGEL
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG STARS（热采/化学驱模拟器）；UTGEL（德克萨斯大学奥斯汀分校开发的专用化学驱模拟器） |
| 模拟对象 | 非均质砂岩油藏（高渗透条带/天然裂缝）中的深部凝胶处理 |
| 凝胶体系 | 胶态分散凝胶、聚合物/铬-氯化物凝胶、聚合物/铬-丙二酸凝胶、硅酸钠凝胶、预交联颗粒凝胶、热激活聚合物 |
| 主要模拟器 | CMG STARS（CDG、硅酸钠凝胶）；UTGEL（聚合物/铬凝胶、PPG、TAP） |
| 网格系统 | 三维笛卡尔网格，1/4五点井网 |
| 油藏参数 | 渗透率100-10,000 mD（高渗层），孔隙度20-32%，油粘度5-78 cP |
| 主要输出 | 采收率、累计产油量、阻力系数、残余阻力系数、含水率、渗透率降低 |
论文中明确指出：使用CMG STARS模拟胶态分散凝胶和硅酸钠凝胶，使用UTGEL模拟聚合物/铬凝胶体系（铬-氯化物和铬-丙二酸）、预交联颗粒凝胶和热激活聚合物。UTGEL由德克萨斯大学奥斯汀分校开发，CMG STARS为商用模拟器。
📊 研究内容与主要结论
第一部分：原位凝胶体系（聚合物/铬-氯化物凝胶） — UTGEL模拟器
| 参数 | 主要结论 |
|---|---|
| 聚合物流变性 | UVM模型（剪切变稀+剪切增稠）总是优于纯剪切变稀模型 |
| 矿化度 | 矿化度越高，采收率越低；低矿化度后续水驱可改善效果 |
| 硬度（二价阳离子） | 硬度降低采收率，但低矿化度后续水驱可改善 |
| 注入方案 | 后处理水PV较低时，聚合物前置注入最佳；PV较高时，仅凝胶处理最佳 |
| 阳离子交换容量 | 高CEC时交联剂被黏土消耗，无法形成凝胶；需提高反应速率 |
| 润湿性 | 水湿条件效果优于油湿条件 |
| 倾角 | 从注入井向生产井下倾时采收率更高 |
| 流度比 | 流度比越高，凝胶处理效果越差；凝胶后注入聚合物可改善 |
| 表皮因子 | 高注入速率下，负表皮（增产）可提高采收率 |
第二部分：胶态分散凝胶 — CMG STARS模拟器
| 参数 | 主要结论 |
|---|---|
| 聚合物vs CDG | CDG的残余阻力系数比聚合物高4-5倍 |
| 剪切变稀 | 辅助CDG选择性进入高渗层，避免低渗层损害 |
| CDG吸附 | 可逆吸附假设会低估处理效果 |
| 降解 | 降解程度越高，采收率越低（化学降解和机械降解） |
| 矿化度 | 矿化度越高，CDG强度越低，采收率越低 |
| 深部vs近井 | 有窜流的厚非均质油藏必须采用深部凝胶处理 |
| 组合注入 | 凝胶+聚合物组合注入效果优于单独凝胶处理 |
| 聚合物/交联剂比 | P/X比越高，采收率越低 |
| 水解度 | 水解度越高，采收率越高 |
第三部分：硅酸钠凝胶体系 — CMG STARS模拟器
| 参数 | 主要结论 |
|---|---|
| 注入井vs生产井 | 注入井处理效果优于生产井；同时处理效果最佳 |
| 放置技术 | 分层隔离/双注入优于笼统注入 |
| HCl浓度 | 低HCl浓度（长成胶时间）有利于深部放置 |
| 前置冲洗 | 必须进行前置冲洗以软化地层水、去除二价阳离子 |
| 前置冲洗体积 | 2个月冲洗时间最佳（仅冲洗高渗层） |
| 吸附 | 不可逆吸附假设给出最高采收率；可逆吸附会损害低渗层 |
| 聚合物混合 | 硅酸钠+HPAM混合物效果最佳（HPAM的剪切增稠行为） |
| 温度/活化能 | 温度升高→活化能升高→成胶加快→采收率降低 |
| 关井时间 | 关井时间越长，凝胶强度越高，采收率越高 |
| 润湿性 | 水湿条件下效果优于油湿条件 |
两种模拟器的建模能力对比：
| 特性 | UTGEL | CMG STARS |
|---|---|---|
| 原位凝胶系统 | √（KGOPT=1,2,3） | √（需定义反应动力学） |
| 预交联凝胶（单组分） | √（KGOPT=4,5,6） | ×（需模拟为组分间反应） |
| 低矿化度水驱效应 | × | √（通过矿化度对粘度/吸附的影响间接模拟） |
| 阳离子交换 | √ | √ |
| 聚合物流变性（UVM） | √ | ×（仅剪切变稀） |
| 温度依赖性（活化能） | √ | √ |
凝胶体系组成与模拟器设置：
| 凝胶体系 | 模拟器 | 组分/关键字 |
|---|---|---|
| 聚合物/铬-氯化物 | UTGEL | KGOPT=1；重铬酸钠+硫脲→Cr(III)+HPAM→凝胶 |
| 聚合物/铬-丙二酸 | UTGEL | KGOPT=2；HPAM+铬(III)+丙二酸根离子 |
| 胶态分散凝胶 | CMG STARS | 聚合物+交联剂反应动力学（一级或二级反应） |
| 硅酸钠 | CMG STARS | 简化化学反应：硅酸盐+HCl+Al³⁺→凝胶 |
| 预交联颗粒凝胶 | UTGEL | KGOPT=4，单组分 |
| 热激活聚合物 | UTGEL | KGOPT=6，单组分 |
✅ 主要结论
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对于存在窜流的厚非均质油藏，深部凝胶处理是封堵高渗层并将后续水转向低渗层的唯一有效方法。
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分层隔离注入（仅注入高渗层）效果优于笼统注入（注入所有层）。
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无论矿化度如何，同时考虑剪切变稀和剪切增稠行为的UVM模型总是更优。
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低矿化度后续水驱可显著改善波及效率，尤其是初始矿化度高时。
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黏土的存在会消耗交联剂，阻碍凝胶形成；必须提高反应速率以克服这一问题。
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硅酸钠凝胶注入前必须进行前置冲洗，以去除二价阳离子，避免过早成胶和沉淀。
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水湿条件下凝胶处理效果优于油湿条件，且油湿条件下低渗层易受损害。
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凝胶处理结合聚合物注入（聚合物后置）可获得更高采收率。
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在考虑裂缝闭合的页岩气研究中，较短关井期对产气和水回收均有利，与传统认识相反。
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碳酸盐岩中，低矿化度水驱的效果与油藏类型（A型、B型、C型）密切相关，Type B（基质与裂缝储集能力相当）效果最佳。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Tariq K. Khamees | 密苏里科技大学（Missouri University of Science and Technology），地球科学、地质与石油工程系 |
导师：Dr. Ralph E. Flori（主席）
委员会成员：Dr. Shari Dunn-Norman, Dr. Mingzhen Wei, Dr. J. David Rogers, Dr. Parthasakha Neogi
学位：哲学博士（石油工程）
时间：2020年