聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系研究

梁守成*，呂鑫，梁丹，溫鴻濱

聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系研究

梁守成1，2*，呂鑫1，2，梁丹1，2，溫鴻濱3

1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京東城100027 2.中海油研究總院，北京朝陽100028
3.中國石油大學(xué)（華東）石大油服公司，山東青島266580

根據(jù)巖芯孔喉基本計算公式，計算巖芯的平均孔喉直徑，通過吸水膨脹后不同大小聚合物微球在巖芯中的封堵效果，研究了聚合物微球大小與巖芯孔喉的匹配關(guān)系，確定了聚合物微球在巖芯中具有穩(wěn)定封堵性能時微球粒徑與巖芯孔喉直徑的比值范圍。從聚合物微球吸水膨脹性能、剪切前后微球粒徑變化、不同大小聚合物微球在巖芯中的封堵效果、與巖芯匹配后的聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的影響幾個方面，研究了聚合物微球大小與巖芯孔喉的匹配關(guān)系，從而為聚合物微球調(diào)剖體系大小選擇提供實驗依據(jù)。研究表明，當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值在0.33～1.50時，聚合物微球可以在巖芯中形成穩(wěn)定的封堵能力，當聚合物微球粒徑與孔喉直徑比值在1.20～1.50時，聚合物微球兼具良好的運移能力和封堵效果。

聚合物微球；巖芯孔喉；匹配關(guān)系；封堵效果；調(diào)剖

引言

在水驅(qū)油田開發(fā)過程中，由于地層非均質(zhì)性的存在，注入水沿高滲層突進，油井含水率逐年上升，注水井調(diào)剖、油井堵水已成為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施。目前常用的調(diào)剖體系主要為水溶性聚合物凝膠調(diào)剖劑、交聯(lián)聚合物調(diào)剖劑、顆粒類調(diào)剖劑、沉淀型調(diào)剖劑、泡沫類堵劑、樹脂型調(diào)剖劑、微生物類堵水調(diào)剖劑、水泥類調(diào)剖劑、聚合物二次交聯(lián)調(diào)剖體系等幾大類［1-6］。聚合物微球調(diào)剖技術(shù)是一種新型深部調(diào)剖技術(shù)［7-9］，通過聚合物交聯(lián)形成具有吸水膨脹性能的彈性微球，利用其在儲層多孔介質(zhì)中的“運移、封堵、彈性變形、再運移、再封堵”機制，在高滲透帶不斷地封堵和運移，從而實現(xiàn)逐級封堵深部調(diào)剖效果。但是聚合物微球粒徑與巖芯孔喉存在一定的匹配關(guān)系［10-11］，微球粒徑過小使其容易通過地層孔喉難以形成穩(wěn)定封堵，而粒徑過大會導(dǎo)致注入困難，無法實現(xiàn)深部調(diào)剖。目前常用的聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系是借用Abrans暫堵理論［12-16］，但此理論是針對剛性球體的封堵，聚合物微球為彈性球體，具有受壓變形的特性，因此，Abrans暫堵理論是否適用并不明確，需要對聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系進行研究。

本文通過室內(nèi)實驗研究了聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系，獲得具有穩(wěn)定封堵能力下的微球粒徑與巖芯孔喉直徑的比值范圍，確定兼具運移能力和封堵能力條件下微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系，并通過與巖芯匹配后的聚合物微球調(diào)剖實驗加以驗證，從而為油田現(xiàn)場調(diào)剖作業(yè)選擇微球粒徑提供依據(jù)。

1 實驗條件與方法

不同粒徑聚合物微球，工業(yè)品；實驗用水為渤海某油田模擬注入水，總礦化度為9 374.13 mg/L（表1）；實驗用油為渤海某油田模擬油，65?C下原油黏度70mPa·s。主要儀器：Zetasizer Nano ZS型激光粒度儀（英國馬爾文公司）和巖芯驅(qū)替實驗裝置。

表1 模擬注入水離子組成Tab.1 Ionic composition of the injected water

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物微球吸水膨脹性能研究

將一定量的聚合物微球分散在渤海某油田地層模擬水中（微球濃度為200 mg/L），立即用激光粒度儀分析，得出微球的初始粒徑分布；然后考察時間和剪切對聚合物微球膨脹性能的影響，放置時間分別為1，3，5，10，15，30，60 d。聚合物微球的水溶液經(jīng)過上述不同條件的處理后，用激光粒度儀表征其粒徑分布。

1.2.2 不同粒徑聚合物微球在巖芯中的封堵率研究

均質(zhì)柱狀人造巖芯（2.5 cm×10.0 cm）水測滲透率后，恒速注入0.3 PV，濃度5 000 mg/L的不同粒徑吸水膨脹后聚合物微球溶液，后續(xù)水驅(qū)，測定不同粒徑吸水膨脹后的聚合物微球在巖芯中的封堵率，研究聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系。

1.2.3 匹配后的聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率

出院指導(dǎo)：①避免長時間坐臥，尤其是交叉腿坐位，應(yīng)定時活動肢體，患者下肢自我按摩或囑咐家屬多進行下肢肌肉的按摩，以促進血液循環(huán)；②注意清淡飲食，避免寒冷刺激，戒煙；③下肢靜脈曲張或存在深靜脈血栓危險因素的患者建議穿彈力襪。

影響研究

選取3層非均質(zhì)巖芯（4.5cm×4.5cm×30.0cm），滲透率分別為500，2000，5000mD，孔隙度為31%。巖芯飽和水測孔隙體積，水驅(qū)至含水80%后，注入0.3 PV，濃度5 000 mg/L匹配后的聚合物微球溶液，關(guān)閉巖芯兩端閥門，在65?C下水化膨脹10 d；后續(xù)水驅(qū)，測定聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的貢獻程度。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 聚合物微球吸水膨脹性能研究

65?C下，隨著吸水時間的延長，聚合物微球粒徑逐漸增加，10 d左右粒徑達到最大（圖1）。納米級聚合物微球初始粒徑僅有0.48μm，10 d后最大粒徑為6.15μm，膨脹為12.8倍；微米級聚合物微球初始粒徑為1.30μm，10 d后最大粒徑為21.96μm，膨脹為16.9倍。實驗表明，不同粒徑聚合物微球均具有良好的吸水膨脹性能，根據(jù)地層孔喉尺寸可選擇不同粒徑的聚合物微球與之匹配，在注入過程中，聚合物微球逐漸吸水膨脹，從而對不同孔喉實現(xiàn)逐級封堵的目的。

圖1 聚合物微球粒徑與水化時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between diameter and hydration time of polymer microspheres

2.2 剪切作用對聚合物微球粒徑影響研究

實驗將200 mg/L的聚合物微球稀溶液用Waring攪拌器在1檔條件下剪切20 s，吸水膨脹10 d后，觀察剪切前后聚合物微球粒徑及分布的變化。聚合物微球吸水膨脹后的最大粒徑并沒有因為剪切而發(fā)生明顯變化，吸水膨脹10 d后聚合物微球平均粒徑均在22.00μm左右。剪切作用也不會破壞聚合物微球的粒徑分布，剪切前后聚合物微球粒徑分布范圍基本沒有變化（圖2、圖3），說明剪切作用對聚合物微球膨脹后的粒徑基本沒有影響，聚合物微球具有良好的抗剪切性能。

圖2 剪切前吸水膨脹10 d后聚合物微球粒徑Fig.2 Polymer microsphere diameter without shearing after swelling 10 days

同時，剪切作用會加快聚合物微球的吸水膨脹速度（圖4），這是因為聚合物微球表面被油膜包裹，剪切作用可以剝離聚合物微球表面油膜，從而使得其更容易吸水膨脹。海上油田多采用繞絲篩管加礫石充填的防砂方式，對注入藥劑具有較強的剪切作用，聚合物微球具有良好的抗剪切性能保證了現(xiàn)場注入匹配后的聚合物微球經(jīng)剪切后與地層孔喉依然具有良好的匹配關(guān)系。

圖3 剪切后吸水膨脹10 d后聚合物微球粒徑Fig.3 Polymer microsphere diameter with shearing after swelling 10 days

圖4 剪切前后聚合物微球粒徑與吸水膨脹時間關(guān)系Fig.4 Relationship between diameter and swelling time before and after shearing

2.3 不同粒徑聚合物微球在巖芯中封堵率研究

實驗首先利用Kozeny公式（1）計算巖芯的平均孔喉直徑，通過測試吸水膨脹后不同粒徑的聚合物微球在巖芯中的封堵情況，研究了聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系。

式中：d-巖芯孔喉直徑，μm；K-巖芯滲透率，mD；?巖芯孔隙度，%。

隨聚合物微球粒徑的增加，聚合物微球在巖芯中的封堵率逐漸增加（表2）。當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑的比值在0.33～1.50時，聚合物微球具有穩(wěn)定的封堵能力，并不會在巖芯端面產(chǎn)生滯留。當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值小于1時，聚合物微球在巖芯中的封堵效果一般（封堵率一般不超過35%），隨壓力的升高，聚合物微球很容易通過巖芯孔喉而起不到封堵作用。當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值為1：3時，微球通過架橋作用對巖芯孔喉的封堵率最高，但仍不到40%，并且聚合物微球粒徑變大或變小均會導(dǎo)致封堵率明顯下降，難以在現(xiàn)場條件下匹配應(yīng)用。當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值在1.20～1.50時，聚合物微球在巖芯中的封堵率隨聚合物微球粒徑的增加而明顯升高，聚合物微球具有良好的封堵性能（封堵率超過40%），同時隨注入壓力升高可以變形運移，從而進入油藏深部，兼具了注入性能與封堵性能。當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值超過1.50時，雖然其封堵性能進一步增加，但巖芯端面開始出現(xiàn)聚合物微球堆積現(xiàn)象，在端面形成膠團，此時聚合物微球出現(xiàn)注入困難現(xiàn)象。因此，研究認為，當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值在0.33～1.50時，聚合物微球在保證注入性的同時，可以在巖芯中形成穩(wěn)定的封堵；當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值為1.20～1.50時，微球兼具良好的運移能力和封堵效果；當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值超過1.50時，聚合物微球存在注入困難的現(xiàn)象。

表2 不同粒徑聚合物微球在巖芯中的封堵情況Tab.2 Polymer microsphere plugging effect in cores

2.4 與巖芯匹配后的聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率影響研究

實驗選取3層非均質(zhì)巖芯，根據(jù)式（1）計算巖芯各層的平均孔喉直徑分別為7.18，14.37，22.72μm。根據(jù)研究結(jié)果，吸水膨脹后的微球粒徑與巖芯孔喉直徑的最佳比值范圍為1.20～1.50，因此，選取吸水膨脹后平均粒徑為30.23μm的聚合物微球進行實驗，驗證在3層非均質(zhì)巖芯中聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的貢獻程度（圖5）。

圖5 匹配后的微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的貢獻Fig.5 Effect of profile control by the matching microsphere on water flooding recovery

水驅(qū)后，注入0.3 PV聚合物微球溶液，水化膨脹10 d，后續(xù)水驅(qū)，測定聚合物微球調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的貢獻。0.3 PV聚合物微球注入過程中，注入壓力上漲幅度不大，說明未吸水膨脹的聚合物微球溶液具有良好的注入性能。吸水膨脹10 d后，后續(xù)水驅(qū)壓力明顯上漲，采出端含水率有一定下降，說明膨脹后的聚合物微球?qū)Ω邼B層產(chǎn)生了封堵，改變了注入水的液流方向，擴大了注入水的波及體積。與未注入聚合物微球相比，注入0.3 PV聚合物微球后，水驅(qū)采收率提高19.79%，表明篩選匹配后的聚合物微球與巖芯孔喉具有良好的匹配關(guān)系，其調(diào)剖作用對水驅(qū)采收率的貢獻顯著。

3 結(jié)論

（1）聚合物微球具有良好的抗剪切性能，剪切前后微球粒徑分布基本沒有變化，并且剪切作用會加快聚合物微球吸水膨脹速度；吸水膨脹10 d左右聚合物微球尺寸達到最大，膨脹倍數(shù)均在12倍以上。

（2）Abrans暫堵理論依然適用于聚合物微球彈性球體，但架橋的封堵率不高，且受聚合物微球粒徑變化影響較大，聚合物微球變大或變小均會導(dǎo)致封堵率明顯下降，難以匹配應(yīng)用。

（3）聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值在0.33～1.50時，聚合物微球在保證良好注入性前提下，可以在巖芯中形成穩(wěn)定的封堵能力，隨聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值的增加，封堵效果逐漸增強；聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值為1.20～1.50時，其同時兼具良好的運移能力和封堵效果，封堵率超過40%；當聚合物微球粒徑與巖芯孔喉直徑比值超過1.50時，聚合物微球出現(xiàn)注入困難現(xiàn)象。

（4）匹配后的聚合物微球具有良好的調(diào)剖效果，與未注聚合物微球相比，采收率提高19.79%。未水化膨脹的聚合物微球具有良好的注入性能，吸水膨脹后的聚合物微球可以對高滲層形成封堵，改變水流通道，擴大注入水的波及體積，提高采收率。

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編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

A Study on Matching Relationship of Polymer Microsphere Size

LIANG Shoucheng1，2*，Lü Xin1，2，LIANG Dan1，2，WEN Hongbin3
1.State Key Lab of Offshore Oil Exploitation，Dongcheng，Beijing 100027，China
2.CNOOC Research Institute，Chaoyang，Beijing 100028，China
3.Shida Oilfield Technical Services Co.Ltd.，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China

According to the calculation formula of pore throat size of cores，average pore throat diameter of cores was calculated.The matching relationship between the pore throat and the polymer microsphere size was researched，through analysis of plugging effect of polymer microspheres of different sizes injected in cores.The range of ratio of polymer microsphere size to pore throat diameter of cores was determined when stable plugging performance was obtained.Experiments were conducted to investigate swelling properties of polymer microspheres，microsphere size change before and after shearing，plugging effect of different size microspheres，and effect on recovery of profile control of selected polymer microspheres.The experimental results elucidated the matching relationship between the pore throat and the polymer microsphere size，and provided experimental evidence for size selection of polymer microsphere under different reservoir conditions.Results show that rational ratio of polymer microspheresize to pore throat diameteris in the range 0.33～1.50，and then the polymer microsphere has stable plug effect.When the ratio is in the range of 1.20～1.50，the polymer microsphere has both good plugging effect and good migration ability.

polymer microsphere；pore throat of cores；matching relationship；plugging effect；profile control

梁守成，1983年生，男，漢族，遼寧丹東人，工程師，碩士，主要從事油氣田開發(fā)方面的工作。E-mail：liangshch@cnooc.com.cn

呂鑫，1978年生，男，漢族，遼寧鐵嶺人，高級工程師，博士，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作。E-mail：lvxin@cnooc.com.cn

梁丹，1980年生，女，漢族，四川廣源人，工程師，碩士，主要從事油氣田開發(fā)方面的工作。E-mail：liangdan@cnooc.com.cn

溫鴻濱，1972年生，男，漢族，山東濟陽人，高級工程師，主要從事油田調(diào)剖堵水方面的工作。E-mail：wenhongbin1972@sina.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.11.12.03

1674-5086（2016）01-0140-06

TE357

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160107.1504.002.html

梁守成，呂鑫，梁丹，等．聚合物微球粒徑與巖芯孔喉的匹配關(guān)系研究［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，38（1）：140-145．

LIANG Shoucheng，Lü Xin，LIANG Dan，et al．A Study on Matching Relationship of Polymer Microsphere Size［J］．Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（1）：140-145．*

2013-11-12網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-07

梁守成，E-mail：liangshch@cnooc.com.cn

“十二五”國家科技重大專項（2011ZX05024-004）。