支化預交聯(lián)凝膠顆粒封堵性能與調(diào)剖能力評價

于　龍，李亞軍，宮厚健，桑　茜，王金杰，董明哲*，董小鈺

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580）

支化預交聯(lián)凝膠顆粒封堵性能與調(diào)剖能力評價

于龍1，李亞軍1，宮厚健1，桑茜1，王金杰1，董明哲1*，董小鈺2

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580）

為研究粘彈性支化預交聯(lián)凝膠顆粒（B-PPG）的封堵性能與調(diào)剖能力，進行了單管填砂巖心封堵實驗和非均質(zhì)平行雙管填砂巖心驅(qū)替實驗。實驗結(jié)果表明：B-PPG以不斷堆積堵塞與變形通過孔道的方式在巖心中運移，能夠?qū)r心竄流通道進行有效封堵，阻力系數(shù)增大，封堵效率在97%以上；巖心阻力系數(shù)和封堵效率隨巖心滲透率、B-PPG質(zhì)量濃度和模擬地層水礦化度的增大而增大，隨注入速度和溫度的增大而減小。B-PPG通過選擇性封堵高滲透巖心、液流轉(zhuǎn)向的作用改善非均質(zhì)巖心的吸水剖面。當巖心滲透率級差小于7.1，B-PPG段塞為0.25～1.0倍孔隙體積時，B-PPG都表現(xiàn)出良好的調(diào)剖效果。

支化預交聯(lián)凝膠顆粒阻力系數(shù)封堵效率非均質(zhì)調(diào)剖能力

目前中國多數(shù)油田經(jīng)多年注水開發(fā)和以聚合物驅(qū)為主的化學驅(qū)開發(fā)，已進入高含水開發(fā)階段，高溫、高鹽、大孔道、低剩余油和油層縱向及平面非均質(zhì)加劇等矛盾突出［1-7］，如何實現(xiàn)控水穩(wěn)油成為亟待解決的問題。由一定比例的主劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和添加劑在適當條件下交聯(lián)，然后經(jīng)干燥、粉碎所形成的預交聯(lián)凝膠顆粒（PPG）是針對目前油田現(xiàn)狀發(fā)展起來的一種新型深部液流轉(zhuǎn)向劑，具有地面交聯(lián)、施工方便和抗溫抗鹽性能好等優(yōu)點［8-10］，PPG能夠吸水膨脹，膨脹后的顆粒具有彈性，可變形通過多孔介質(zhì)［11-13］。油田先導性PPG驅(qū)試驗取得注水壓力上升、吸水層吸水狀況改善和降水增油明顯等效果［14-17］。近幾年，勝利油區(qū)研制了一種新型支化預交聯(lián)凝膠顆粒（B-PPG），在主鏈上引入部分支化鏈，使其懸浮液粘度得到較大程度地提高。B-PPG吸水膨脹后的顆粒尺寸遠小于傳統(tǒng)的PPG顆粒，可進入較低滲透率的地層，進行深部調(diào)驅(qū)。在B-PPG的可視化驅(qū)油實驗中，可以觀察到B-PPG驅(qū)替時具有均勻的波及前緣，并能通過極大地提高波及系數(shù)來提高采收率［18］。將B-PPG、聚合物和表面活性劑復配而成的非均相復合驅(qū)油體系應用于聚合物驅(qū)后的礦場時，流線發(fā)生轉(zhuǎn)向，滲流阻力增加，采收率明顯提高［19］。因此，研究B-PPG的封堵性能與調(diào)剖能力及其影響因素，可深化對B-PPG液流轉(zhuǎn)向劑的認識，并指導B-PPG體系驅(qū)礦場推廣應用。

1　實驗材料與方法

實驗用水為由NaCl，CaCl2，MgCl2·6H2O和蒸餾水配制而成的模擬地層水，當?shù)V化度為20 g/L時，NaCl，CaCl2和MgCl2·6H2O的質(zhì)量濃度分別為18.0，1.14和0.86 g/L，將該礦化度的模擬地層水稀釋可得到礦化度為5和10 g/L的模擬地層水。B-PPG的目數(shù)為100～150目。為了考察不同巖心滲透率、BPPG質(zhì)量濃度、注入速度、溫度和礦化度等因素對B-PPG封堵性能的影響，進行了單管填砂巖心封堵實驗，實驗步驟包括：①填砂巖心抽真空飽和模擬地層水，測量巖心滲透率K1；②以一定的注入速度進行0.5倍孔隙體積的水驅(qū)，記錄注入壓力；③以相同注入速度注2倍孔隙體積的B-PPG溶液，記錄注入壓力；④相同注入速度下進行2.5倍孔隙體積的后續(xù)水驅(qū)，記錄注入壓力，并計算巖心滲透率K2。

巖心阻力系數(shù)和封堵效率計算公式分別為［20］

式中：FR為阻力系數(shù)；λw和λp分別為水和調(diào)驅(qū)劑的流度，μm2/（mPa·s）；Δp為注入B-PPG調(diào)驅(qū)劑后的壓力，kPa；Δpw為注入調(diào)驅(qū)劑前水驅(qū)壓力，kPa；η為B-PPG封堵效率，%；Kw和Kp分別為注入B-PPG調(diào)驅(qū)劑前、后巖心滲透率，μm2。

為研究B-PPG的調(diào)剖能力，設計了非均質(zhì)平行雙管填砂巖心驅(qū)替實驗，通過記錄驅(qū)替過程巖心分流量隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化，探討巖心非均質(zhì)性、注入段塞和質(zhì)量濃度等因素對B-PPG調(diào)整非均質(zhì)巖心分流效果的影響。實驗方式為合注分采，步驟為水驅(qū)—注B-PPG段塞—后續(xù)水驅(qū)，注入速度為0.3 mL/min，實驗溫度為70℃。實驗條件見表1。

表1　B-PPG調(diào)剖能力實驗條件Table1　Parameters of profile control experiments by B-PPG

2　實驗結(jié)果與分析

2.1B-PPG封堵性能與影響因素

考察了70℃下質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的BPPG的封堵性能，填砂巖心滲透率為4.5 μm2，注入速度為0.3 mL/min，實驗用水礦化度為20 g/L，由巖心注入壓力和阻力系數(shù)隨注入孔隙體積倍數(shù)變化（圖1）可見，注B-PPG階段，注入壓力和阻力系數(shù)都迅速上升，并有小幅度的上下波動，說明B-PPG具有很強的封堵能力；后續(xù)注水階段，注入壓力和阻力系數(shù)呈現(xiàn)鋸齒狀波動狀態(tài)的緩慢下降，但依然維持高值，說明B-PPG具有很強的耐沖刷能力［21］。

注B-PPG時，注入壓力和阻力系數(shù)波動升高的原因是：①凝膠顆粒進入并封堵巖心孔道，對驅(qū)替相造成附加的流動阻力；②顆粒具有粘彈性，驅(qū)動壓力大于其在孔喉處的流動阻力時，會變形通過孔道，壓力降低，造成壓力曲線的波動，但由于B-PPG不斷注入，粘彈性凝膠顆粒不斷在巖心中堆積堵塞。后續(xù)水驅(qū)階段，堵塞在孔道中的凝膠顆粒在驅(qū)替水相的推動下繼續(xù)向巖心深部運移，由于沒有BPPG的繼續(xù)注入，注入壓力和阻力系數(shù)波動幅度較大，并且呈緩慢下降趨勢。Bai等［17］研究注PPG對裂縫介質(zhì)中水流運移規(guī)律的影響時發(fā)現(xiàn)，注PPG后再進行水驅(qū)會在PPG顆粒之間形成穩(wěn)定的水流通路，造成注入壓力和阻力系數(shù)的大幅降低，下降幅度達80%。觀察B-PPG后續(xù)水驅(qū)階段的阻力系數(shù)曲線可以看出，阻力系數(shù)下降不大，注2.5倍孔隙體積B-PPG后阻力系數(shù)降低幅度小于20%，并有不斷波動的現(xiàn)象，說明相對傳統(tǒng)PPG，B-PPG封堵后注水時水流在凝膠顆粒和孔隙之間擠出的水流通道是暫時的，由于顆粒的彈性作用，水流通道會不斷閉合與開啟，也是造成注入壓力和阻力系數(shù)下降緩慢和波動的一個原因。

圖1　B-PPG驅(qū)替過程注入壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化Fig.1　Variation of the injection pressure along with the porosity volume during B-PPG flooding

不同因素對B-PPG封堵性能的影響（表2）不同。

表2　不同因素對B-PPG封堵性能的影響Table2　Effects of different factors on B-PPGplugging performance

巖心滲透率由1—3號巖心實驗結(jié)果可以看出，巖心阻力系數(shù)和封堵效率隨巖心滲透率的增大而增大，說明B-PPG對高滲透巖心具有更強的封堵能力，這與凝膠顆粒在油田現(xiàn)場中大孔道、高滲透地層的良好應用效果相一致［11，14-16］。

B-PPG質(zhì)量濃度2，4，5號巖心實驗結(jié)果對比表明，巖心阻力系數(shù)和封堵效率隨B-PPG質(zhì)量濃度的增加而迅速升高，原因在于B-PPG質(zhì)量濃度越高，在巖心孔隙中滯留阻塞的顆粒數(shù)量越多，產(chǎn)生的附加阻力越大，阻力系數(shù)和封堵效率越高。但BPPG質(zhì)量濃度過高會對巖心造成嚴重堵塞，因此在油田現(xiàn)場應用中應合理選擇質(zhì)量濃度，提高作業(yè)效率的同時防止對地層造成傷害。

注入速度對比2，6，7號巖心實驗結(jié)果可以看出，注入速度越小，巖心阻力系數(shù)和封堵效率越大。這是由于注入速度較小時，單位時間進入巖心中的顆粒數(shù)量少，顆粒有足夠的時間在巖心孔道處接觸、滯留，發(fā)揮封堵作用，后續(xù)顆粒注入會使堵塞在孔道處的顆粒產(chǎn)生“壓實”效果，增加封堵強度。

溫度對比2，8，9號巖心實驗結(jié)果可以看出，巖心阻力系數(shù)和封堵效率隨溫度的升高而降低，但降低幅度不大，溫度每升高10℃，封堵效率才降低0.1%，說明B-PPG具有良好的耐溫性能，對高溫油藏具有良好的適應性。

模擬地層水礦化度2，10，11號巖心實驗結(jié)果對比表明，隨著模擬地層水礦化度的升高，巖心阻力系數(shù)和封堵效率都升高。盡管由于吸水溶脹性的原因，顆粒在低礦化度溶液中的尺寸比高礦化度溶液中的大，但在低礦化度溶液中B-PPG顆粒更加柔軟，也更容易變形，因此具有較低的注入壓力，這說明在控制封堵效果上，B-PPG顆粒的柔軟性與變形性比它們本身顆粒大小的作用更大［17］。由于BPPG在高礦化度溶液中封堵能力更強，因此B-PPG對高礦化度油藏有良好的適應性。

從表2還可以看出，不同因素下B-PPG封堵效率都大于97%，說明B-PPG在所研究的條件下具有良好的封堵能力。

2.2B-PPG調(diào)剖能力影響因素

2.2.1巖心非均質(zhì)性

由1—3組不同滲透率級差下B-PPG的調(diào)剖效果（圖2）可見，水驅(qū)過程中高滲透巖心和低滲透巖心的分流量差異巨大，分流比接近100∶0；水驅(qū)后注入B-PPG，高低滲透巖心分流量迅速發(fā)生變化，低滲透巖心分流量迅速上升，高滲透巖心分流量迅速下降，出現(xiàn)即時的液流轉(zhuǎn)向現(xiàn)象；隨著B-PPG繼續(xù)注入，高低滲透巖心分流量呈現(xiàn)波動式變化，低滲透巖心分流量波動下降，高滲透巖心分流量波動上升，高低滲透巖心分流量呈現(xiàn)逐漸接近的趨勢。這是因為在注B-PPG階段，粘彈性的凝膠顆粒優(yōu)先進入并封堵高滲透巖心，致使高滲透巖心滲流阻力增大，滲透率降低，后續(xù)驅(qū)替液得以進入低滲透巖心，說明B-PPG對非均質(zhì)巖心具有很強的選擇性封堵能力。隨著B-PPG不斷在低滲透巖心堆積堵塞，使低滲透巖心滲流阻力也不斷增大，驅(qū)替液重新進入高滲透巖心。由于B-PPG具有粘彈性，在一定壓力作用下可變形通過巖心孔道，在驅(qū)替過程中不斷對非均質(zhì)巖心進行交替封堵，造成分流曲線的波動。

圖2　不同滲透率級差下高、低滲透巖心分流量隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化Fig.2　Fractional flows in parallel sandpack models of different permeability ratios at different injection stages

由圖2還可以看出，隨著巖心非均質(zhì)性的增強，B-PPG調(diào)剖后高滲透和低滲透巖心的分流比逐漸升高。當滲透率級差為3.4時，注B-PPG后低滲透巖心分流量一直高于高滲透巖心，后續(xù)水驅(qū)階段高滲透和低滲透巖心分流比在20∶80附近波動。當滲透率級差增大到約7.1時，高滲透和低滲透巖心分流量大致相當，后續(xù)水驅(qū)階段分流比在50∶50附近波動，說明對于非均質(zhì)性較強的巖心，B-PPG仍能有效地改善其吸水剖面，并有顯著調(diào)整分流的效果。當滲透率級差增大到15.6時，注B-PPG階段仍能發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，隨后低滲透巖心分流量逐漸降低，高滲透巖心分流量逐漸升高并超過低滲透巖心，后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時高滲透和低滲透巖心分流比約為90∶10。說明B-PPG對強非均質(zhì)性巖心仍有一定的調(diào)剖效果，但在驅(qū)替過程中調(diào)剖效果逐漸減弱。

圖3　不同B-PPG段塞調(diào)剖時高、低滲透巖心分流量隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化Fig.3　Fractional flows in parallel sandpack models of different B-PPG slugs at different injection stages

2.2.2注入段塞

由2，4和5組相同滲透率級差非均質(zhì)巖心注入不同段塞B-PPG的調(diào)剖結(jié)果（圖2b，圖3）可見，水驅(qū)后轉(zhuǎn)注不同孔隙體積倍數(shù)的B-PPG，低滲透巖心分流量都會迅速超過高滲透巖心分流量，出現(xiàn)即時的液流轉(zhuǎn)向。當注入0.25倍孔隙體積的B-PPG段塞時，高滲透巖心分流量一直小于低滲透巖心，后續(xù)水驅(qū)階段高滲透與低滲透巖心的分流比在15∶85附近波動；當注入0.5和1.0倍孔隙體積的B-PPG段塞時，高、低滲透巖心分流比都在50∶50附近波動。這是因為水驅(qū)后進行B-PPG調(diào)剖，B-PPG會首先選擇性進入高滲透巖心，增大高滲透巖心的滲流阻力，當注入的B-PPG段塞較小時，由于后續(xù)沒有足夠的B-PPG進入來封堵低滲透巖心，致使調(diào)驅(qū)后低滲透巖心的滲流阻力一直小于高滲透巖心。當注入BPPG段塞較大時，B-PPG進入高滲透巖心進行有效封堵后，后續(xù)有足夠的B-PPG再進入低滲透巖心進行封堵，因此高低滲透巖心分流量又趨于接近。

從圖2b和圖3還可以看出，當注入0.25倍孔隙體積B-PPG段塞時，高、低滲透巖心分流量都出現(xiàn)1次液流轉(zhuǎn)向，低滲透巖心分流量超過高滲透巖心；當注入0.5倍孔隙體積B-PPG段塞時，高、低滲透巖心分流量在注B-PPG階段出現(xiàn)2次較為明顯的液流轉(zhuǎn)向（0.1～0.25倍孔隙體積和0.25～0.6倍孔隙體積）；當注入1.0倍孔隙體積B-PPG段塞時，高、低滲透巖心分流量在注B-PPG階段也出現(xiàn)2次較為明顯的液流轉(zhuǎn)向（0.1～0.5倍孔隙體積和0.5～1.1倍孔隙體積），后續(xù)水驅(qū)階段出現(xiàn)1次較為明顯的液流轉(zhuǎn)向。同樣體現(xiàn)出B-PPG在巖心孔道中滲流時不斷地對高滲透巖心和低滲透巖心進行交替封堵，可動態(tài)調(diào)整非均質(zhì)巖心的分流能力。

2.2.3注入質(zhì)量濃度

由2，6和7組不同質(zhì)量濃度的B-PPG對非均質(zhì)巖心的調(diào)剖效果（圖2b，圖4）可見，非均質(zhì)巖心水驅(qū)后注不同質(zhì)量濃度的B-PPG進行調(diào)剖，都能出現(xiàn)低滲透巖心分流量迅速超過高滲透巖心的液流轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。注入質(zhì)量濃度為1 000和2 000 mg/L的BPPG進行調(diào)剖后，高、低滲透巖心分流量接近一致，并在后續(xù)水驅(qū)階段維持較好的分流能力。注入質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的B-PPG進行調(diào)剖后，在出現(xiàn)第1次液流轉(zhuǎn)向后，高滲透巖心分流量又持續(xù)上升，低滲透巖心分流量持續(xù)下降，B-PPG調(diào)剖效果逐漸變差，后續(xù)水驅(qū)階段高滲透巖心和低滲透巖心分流比升高到90∶10?？梢夿-PPG質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)都具有良好的改善非均質(zhì)巖心吸水能力的效果，質(zhì)量濃度過高容易堵死巖心，造成調(diào)剖效果變差。因此油田現(xiàn)場應選擇合適質(zhì)量濃度的B-PPG進行調(diào)剖。

圖4　不同質(zhì)量濃度B-PPG調(diào)剖時高、低滲透巖心分流量隨孔隙體積倍數(shù)的變化Fig.4　Fractional flows in parallel sandpack models of different concentrations at different injection stages

3　結(jié)論

B-PPG溶液具有粘彈性，溶解后的B-PPG顆粒能夠有效封堵巖心孔喉，增大巖心阻力系數(shù)，并能在巖心孔隙中以重復堵塞與變形通過的方式運移，具有較強的耐沖刷能力。

不同因素對B-PPG封堵性能的影響不同。巖心阻力系數(shù)和封堵效率隨巖心滲透率的增大而增大，隨B-PPG質(zhì)量濃度的升高而迅速升高，隨注入速度的增大而減小，隨模擬地層水礦化度的增大而增大，隨溫度的升高而減小。其中B-PPG質(zhì)量濃度和注入速度對巖心阻力系數(shù)和封堵效率影響較大。

B-PPG對非均質(zhì)巖心的選擇性封堵能力和動態(tài)液流轉(zhuǎn)向作用，能夠改善非均質(zhì)巖心的吸水剖面。巖心非均質(zhì)性和注入B-PPG質(zhì)量濃度對BPPG調(diào)剖效果有非常大的影響。滲透率級差小于7.1時B-PPG具有良好的調(diào)整分流能力，對強非均質(zhì)巖心仍有一定的調(diào)剖效果；質(zhì)量濃度過高會影響B(tài)-PPG的調(diào)剖效果，選擇合適的質(zhì)量濃度對現(xiàn)場調(diào)剖有重要意義；注入B-PPG段塞為0.25～1.0倍孔隙體積時對非均質(zhì)巖心都有顯著的調(diào)剖效果。

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編輯劉北羿

Evaluation on the plugging performance and profile control ability of the branched-preformed particle gel

Yu Long1，Li Yajun1，Gong Houjian1，Sang Qian1，Wang Jinjie1，Dong Mingzhe1，Dong Xiaoyu2

（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao City，Shandong
Province，266580，China；2.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao City，Shandong Province，266580，China）

Single-core plugging and heterogeneous parallel-dual-core flooding tests were carried out to investigate the plugging performance and profile control ability of viscoelastic branched-preformed particle gel（B-PPG）.The results show that B-PPG migrates in the core in a manner of plugging-alternating-pass by deforming and restoring its particles shape alternately.The high permeability channels in the core can be blocked effectively by B-PPG and a high resistance factor and plugging efficiency（higher than 97%）can be achieved.Both the resistance factor and plugging efficiency increase with the increase of the core permeability，B-PPG concentration，and brine salinity；however，both factors decrease with the increase of injection rate and temperature.The water injection profile in the heterogeneous parallel cores can be significantly improved because B-PPG can selectively block high permeability core and divert the displacement to the low permeability core.B-PPG exhibits a good performance in profile control when the high to low permeability ratio of the two parallel cores is smaller than 7.1 and the injected B-PPG slug is between 0.25 to 1.0 PV.

branched-preformed particle gel；resistance factor；plugging efficiency；heterogeneity；profile control ability

TE357.43文獻標識碼：A

1009-9603（2015）05-0107-06

2015-07-23。

于龍（1988—），男，山東青島人，在讀碩士研究生，從事提高采收率與采油化學方面的研究。聯(lián)系電話：15253249008，E-mail：1997jiefang@163.com。

董明哲（1956—），男，陜西西安人，教授，博導。聯(lián)系電話：13465424006，E-mail：dongmz@upc.edu.cn。

國家自然科學基金項目“油氣水三相微觀-連續(xù)介質(zhì)三維流動模擬研究”（51274225）和“縫洞型介質(zhì)等效連續(xù)模型油水兩相流動模擬理論研究”（51204198），博士點基金項目“注溶劑提高稠油采收率的微觀-連續(xù)介質(zhì)模擬研究”（20110133110007），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助“頁巖氣滲流機理及有效動用條件研究”（14CX05021A）。