利用CT技術(shù)研究交聯(lián)聚合物與儲(chǔ)層滲透率匹配關(guān)系

鄭 波，侯吉瑞，張 蔓，王 楠

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)提高采收率研究院，北京102249)

在油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于注入水的長(zhǎng)期沖刷，使儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)發(fā)生了變化，加劇了層間與層內(nèi)的非均質(zhì)性，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的竄流，影響后期開(kāi)發(fā)效果。為解決該問(wèn)題很多油田采用交聯(lián)聚合物在平面和縱向上對(duì)地層的非均質(zhì)性進(jìn)行調(diào)整［1-6］。為了不讓交聯(lián)聚合物在進(jìn)入高滲透竄流層位的同時(shí)對(duì)非目的低滲層產(chǎn)生傷害，降低整體作業(yè)效果［7-13］，很有必要進(jìn)行交聯(lián)聚合物溶液與儲(chǔ)層滲透率之間匹配關(guān)系的研究。

目前開(kāi)展的有關(guān)交聯(lián)聚合物的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常是用常規(guī)巖心進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。CT技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，已作為巖心分析的常規(guī)測(cè)試技術(shù)［14-16］。它可以在不改變巖心外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)對(duì)巖心驅(qū)替過(guò)程掃描得到巖心的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)驅(qū)油過(guò)程中巖心含油飽和度分布及其非均質(zhì)程度進(jìn)行定量表征［17-19］。本文選取3類(lèi)不同滲透率的天然巖心分別注入不同交聯(lián)劑濃度的交聯(lián)聚合物溶液，利用CT掃描技術(shù)研究驅(qū)油過(guò)程，為礦場(chǎng)作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

應(yīng)用CT掃描技術(shù)確定巖心的孔、滲、飽參數(shù)是建立在射線(xiàn)線(xiàn)性衰減的基礎(chǔ)上，符合Beer定律［20］。假設(shè)實(shí)驗(yàn)巖心的骨架和孔隙都是剛性體，抽真空飽和油后孔隙完全被原油飽和;驅(qū)油過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)與骨架顆粒形狀不發(fā)生變化，只有含油飽和度發(fā)生變化［20］。利用CT掃描技術(shù)，對(duì)干巖心和飽和原油之后的濕巖心進(jìn)行掃描，分別得到

綜合式(1)和式(2)可以得到巖心孔隙度計(jì)算公式

式中:Cdry為飽和原油前干巖心CT值;Cgrain為巖心骨架的CT值;Cair為空氣的CT值;Cwet為飽和原油后濕巖心CT值;Coil為原油的CT值;Φ為巖心孔隙度。

對(duì)不同驅(qū)替時(shí)間的巖心進(jìn)行掃描，得到巖心CT值

式中:Cflooding為交聯(lián)聚合物驅(qū)油某時(shí)刻巖心CT值;Ccp為交聯(lián)聚合物的CT值;Scp為巖心內(nèi)含交聯(lián)聚合物飽和度。

綜合式(2)和式(4)得到巖心內(nèi)交聯(lián)聚合物飽和度計(jì)算公式

為了反映巖心的非均質(zhì)程度，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的離散系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散程度的評(píng)價(jià)，其值越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)越集中于平均值，非均質(zhì)程度越小。離散系數(shù)

式中:A為數(shù)據(jù)的離散系數(shù);Cdry1為各干巖心斷面的CT值為各干巖心斷面CT值平均值;n為干巖心的斷面?zhèn)€數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用國(guó)產(chǎn)的ProSpeeD CT/e型CT掃描系統(tǒng)，由巖心掃描臺(tái)架、探測(cè)器、X射線(xiàn)源、數(shù)據(jù)采集與圖像處理等部分組成。其主要技術(shù)指標(biāo):2M球管，掃描電壓為120 kV，電流為20～200 mA，HiLight寬體稀土陶瓷探測(cè)器，檢測(cè)通道685個(gè)，空間分辨率不大于0.42 mm，圖像重建時(shí)間不大于6 s，最小掃描層厚度2 mm，掃描架傾斜角度20 °，掃描時(shí)間1.5 s，掃描視野12 cm，掃描矩陣512×512。驅(qū)替系統(tǒng)可以對(duì)巖心驅(qū)替過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)CT掃描，同時(shí)采集驅(qū)替過(guò)程中的進(jìn)出口流量、壓力。最后利用CT掃描巖石圖像分析軟件(Xtream)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料及方案

實(shí)驗(yàn)巖心為油田的天然巖心;交聯(lián)聚合物溶液為部分水解聚丙烯酰胺與酚醛的交聯(lián)體系，其中聚合物質(zhì)量濃度確定為1 500 mg/L，交聯(lián)劑酚醛的質(zhì)量濃度分別選擇 200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L(溶液濃度的確定是依據(jù)其與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)而得);實(shí)驗(yàn)用油為油田的地層原油;實(shí)驗(yàn)用水為油田地層水;CT值增強(qiáng)劑為溴代癸烷，可以用來(lái)提高CT掃描過(guò)程中分辨交聯(lián)聚合物和油的效果(實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1)。

表1 不同質(zhì)量濃度交聯(lián)聚合物溶液驅(qū)替不同滲透率巖心的方案Tab.1 Experiment program design of crosslinked polymer flooding

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)天然巖心洗油、烘干，測(cè)量巖心的孔隙度、滲透率及相關(guān)物理參數(shù);

(2)測(cè)量干巖心、實(shí)驗(yàn)用油及交聯(lián)聚合物溶液的CT值;

(3)將巖心抽真空并飽和原油(原油中加入CT值增強(qiáng)劑溴代癸烷)，對(duì)飽和原油后的巖心進(jìn)行CT掃描，根據(jù)公式(3)計(jì)算巖心孔隙度;

(4)以0.3 mL/min的流速注入交聯(lián)聚合物溶液進(jìn)行驅(qū)油，分別注入不同孔隙體積倍數(shù)(0.3 PV、0.6 PV、0.9 PV、1.2 PV、1.5 PV、2.1 PV、2.7 PV、3.4 PV、3.9 PV、7.0 PV)時(shí)對(duì)巖心進(jìn)行 CT 掃描，根據(jù)公式(5)計(jì)算不同斷面位置處巖心含交聯(lián)聚合物飽和度值，同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)壓力。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental process diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 巖心孔隙度確定及非均質(zhì)性分析

利用CT掃描技術(shù)來(lái)確定巖心孔隙度，共掃描27個(gè)斷面，兩斷面之間的平均距離為3.2 mm。將掃描所得到的CT值代入公式(3)得出各巖心的孔隙度(表2，其中巖心孔隙度為各斷面平均值)。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得巖心的孔隙度相比，兩者相對(duì)誤差很小，為1.0% ～3.3%，說(shuō)明應(yīng)用CT技術(shù)測(cè)量巖心孔隙度的方法是精確有效的，同樣CT技術(shù)也可用于測(cè)量巖心流體飽和度。

表2 巖心孔隙度Tab.2 Core porosity values obtained by different testing methods

由公式(6)計(jì)算各巖心CT值的離散系數(shù)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)K7—2、17—3、K11—3巖心各斷面的CT值離散系數(shù)較高且波動(dòng)很大，說(shuō)明這3塊巖心無(wú)論是縱向上還是橫向上的非均質(zhì)程度都很高;其余3塊巖心的離散系數(shù)波動(dòng)較小，基本維持水平狀態(tài)，說(shuō)明它們?cè)跈M向上CT值分布較均勻，但其離散值的水平不盡相同，說(shuō)明3塊巖心在縱向上的非均質(zhì)程度存在差別，其中008—3縱向非均質(zhì)程度最大，K27—1縱向非均質(zhì)程度最小。

圖2 各干巖心斷面CT值離散系數(shù)Fig.2 Discrete coefficients of CT values in different dry core sections

3.2 驅(qū)替過(guò)程中巖心內(nèi)交聯(lián)聚合物飽和度變化

按照表1的驅(qū)替方案，以0.3 mL/min流速注入交聯(lián)聚合物溶液，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，分別在注入不同孔隙體積倍數(shù)(0.3 PV、0.6 PV、0.9 PV、1.2 PV、1.5 PV、2.1 PV、2.7 PV、3.4 PV、3.9 PV、7.0 PV)下對(duì)巖心進(jìn)行CT掃描，利用公式(5)計(jì)算巖心內(nèi)不同位置處交聯(lián)聚合物飽和度(圖3)。

其中K7—2和13—4為高滲巖心，由圖3可見(jiàn)，K7—2巖心在注入0.3 PV時(shí)，交聯(lián)聚合物飽和度在巖心長(zhǎng)度67 mm處迅速下降發(fā)生突變，說(shuō)明交聯(lián)聚合物驅(qū)替前緣在此位置;注入0.6 PV至1.5 PV時(shí)，巖心中交聯(lián)聚合物飽和度逐漸增大，但幅度不大;注入2.1 PV時(shí)，由于巖心強(qiáng)非均質(zhì)性的特點(diǎn)，交聯(lián)聚合物在巖心中不均勻運(yùn)移，導(dǎo)致巖心中交聯(lián)聚合物飽和度開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，飽和度差異明顯;注入7 PV結(jié)束，相對(duì)注入2.1 PV時(shí)，巖心中交聯(lián)聚合物飽和度增幅不大。13—4巖心分別在注入 0.3 PV、0.6 PV、0.9 PV時(shí)，交聯(lián)聚合物近活塞式驅(qū)油至巖心18 mm、42 mm、76 mm的位置;之后驅(qū)替至7 PV時(shí)，巖心不同位置的交聯(lián)聚合物飽和度變化不大。將13—4巖心驅(qū)替前后的含油飽和度分布進(jìn)行三維重構(gòu)，如圖4(圖中黃色代表原油)，驅(qū)替前原油均勻地飽和于巖心內(nèi)，經(jīng)過(guò)交聯(lián)聚合物的驅(qū)替之后巖心內(nèi)的原油大幅度減少且未見(jiàn)聚集成塊的原油，說(shuō)明交聯(lián)聚合物不僅可以提高波及系數(shù)，也可以增加微觀驅(qū)油效率。從K7—2和13—4的驅(qū)替現(xiàn)象可以看出，在高滲巖心中注HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度為400～800 mg/L的交聯(lián)聚合物溶液不會(huì)造成孔隙堵塞。

其中K27—1和17—3為中滲巖心，K27—1巖心分別在注入0.3 PV、0.6 PV時(shí)，驅(qū)替液以近活塞的方式運(yùn)移至巖心38 mm、80 mm的位置，之后驅(qū)替到7 PV時(shí)，巖心內(nèi)的交聯(lián)聚合物飽和度變化很小。17—3巖心由于前半部分存在一塊較大的礫石顆粒，導(dǎo)致飽和度曲線(xiàn)在巖心入口端的位置出現(xiàn)彎曲，另外可以觀察到巖心后半部分注入不同的 PV下，巖心各位置的交聯(lián)聚合物飽和度變化幅度較大，開(kāi)始出現(xiàn)吸附滯留的情況，說(shuō)明在中滲巖心中注HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度200～400 mg/L的交聯(lián)聚合物體系會(huì)發(fā)生不同程度的吸附滯留，但是不會(huì)堵塞滲流通道。

其中8—3和K11—3巖心為低滲巖心，8—3巖心在入口端的位置交聯(lián)聚合物飽和度不斷增加，但是在后面部分飽和度基本保持不變且飽和程度很低，說(shuō)明交聯(lián)聚合物在注入過(guò)程中發(fā)生了堵塞，主要波及到了巖心的前半段，巖心后半段的波及程度大大降低;K11—3巖心的情況與8—3巖心類(lèi)似，只是還有少量的交聯(lián)聚合物溶液驅(qū)替至巖心出口端，說(shuō)明在低滲透率巖心中注交聯(lián)聚合物會(huì)在孔隙中造成堵塞。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各巖心未被交聯(lián)聚合物溶液填充的孔隙體積變化曲線(xiàn)如圖5所示，圖中最上方的紅色曲線(xiàn)代表干巖心的原始有效孔隙度，可以看到高滲、中滲巖心在注入交聯(lián)聚合物時(shí)，沒(méi)有發(fā)生堵塞，巖心各部位的有效孔隙度下降趨勢(shì)一致，但是觀察8—3巖心可以發(fā)現(xiàn)，后半段的有效孔隙度與干巖心的有效孔隙度相近，說(shuō)明交聯(lián)聚合物溶液基本沒(méi)有波及到巖心的后半部分，在注入過(guò)程中堵塞了前半部分的孔道。巖心K11—3堵塞情況比8—3稍微減輕，這是因?yàn)榈蜐舛冉宦?lián)劑的交聯(lián)聚合物與高濃度交聯(lián)劑的交聯(lián)聚合物相比，分子線(xiàn)團(tuán)較小的緣故。

圖3 不同巖心不同位置交聯(lián)聚合物飽和度分布Fig.3 Crosslinking polymer saturation distribution in different core sections

圖4 13—4巖心驅(qū)替前后含油飽和度重構(gòu)示意圖Fig.4 Reconstruction graph of oil saturation of 13-4 core before and after flooding

圖5 不同巖心未波及孔隙體積曲線(xiàn)Fig.5 Unswept pore volume of different cores in different sections

3.3 巖心注入壓力變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同巖心的注入壓力曲線(xiàn)如圖6所示，可以看到 K7—2、13—4、K27—1、17—3這4塊巖心的注入壓力曲線(xiàn)趨勢(shì)相近，都是在前期迅速上升，而后壓力穩(wěn)定在一定的數(shù)值，說(shuō)明注入順利，不存在交聯(lián)聚合物堵塞孔隙。8—3和K11—3兩塊巖心的注入壓力持續(xù)增加，說(shuō)明在注入過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的交聯(lián)聚合物堵塞。

圖6 各巖心注入壓力曲線(xiàn)Fig.6 Injection pressure curves of different cores

4 結(jié)論

(1)高滲巖心與HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度400～800 mg/L的交聯(lián)聚合物體系適應(yīng)性好，在注入過(guò)程中不發(fā)生堵塞;中滲巖心與HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度200～400 mg/L的交聯(lián)聚合物體系適應(yīng)性良好，注入過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的吸附滯留，但是不會(huì)堵塞滲流通道;低滲巖心注入交聯(lián)聚合物溶液，注入壓力持續(xù)上升，溶液吸附滯留量大，注入過(guò)程中發(fā)生了明顯的堵塞。

(2)滲透率高于1μm2的目的層，HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度800 mg/L的交聯(lián)聚合物體系可以使驅(qū)替前緣均勻推進(jìn)，并且不會(huì)堵塞地層;0.3～1μm2的作業(yè)層，可以酌情選用HPAM質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、酚醛質(zhì)量濃度200～400 mg/L的交聯(lián)聚合物體系;0.3μm2以下的目的層不能注入交聯(lián)聚合物，建議直接采用聚合物驅(qū)。

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