可動微凝膠油藏適應(yīng)性及調(diào)驅(qū)機(jī)制

牛麗偉, 李建冰, 盧祥國, 李 瑋, 吳行才, 孫 哲

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.大慶高新區(qū)博士后科研工作站,黑龍江大慶 163316;3.東北石油大學(xué)博士后科研流動站,黑龍江大慶 163318; 4.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

隨著油田開發(fā)逐漸進(jìn)入高含水或特高含水階段,剩余油主要分布在遠(yuǎn)離注入井的中低滲透層,原有的近井地帶調(diào)剖技術(shù)已經(jīng)難以滿足礦場深部液流轉(zhuǎn)向的實際需求。為了更好地挖潛低滲透層剩余油潛力,須開發(fā)可長時間注入、對環(huán)境變化(剪切速率、pH值、地層水的稀釋等)敏感性差、選擇注入能力強(qiáng)、與巖石孔隙配伍性好和價格低廉的新型調(diào)驅(qū)化學(xué)劑,以解決油藏的非均質(zhì)性、提高注入液的波及效率[1-8]。針對礦場實際需求,石油技術(shù)人員研制了可動微凝膠(SMG)深部調(diào)驅(qū)劑,它對于主力油層水淹嚴(yán)重、剩余油分布高度分散的油田具有良好的調(diào)驅(qū)作用,能有效地對儲層深部水驅(qū)不均狀況進(jìn)行直接調(diào)整,提高波及系數(shù)。目前SMG已進(jìn)行了一定的室內(nèi)研究和礦場應(yīng)用[9-14],取得了較好的增油降水效果。筆者利用儀器檢測、物理模擬和理論分析方法,開展?jié)B透率極限、巖心孔喉與SMG粒徑匹配關(guān)系、SMG注入、運移和封堵性能以及微觀驅(qū)油實驗研究,進(jìn)一步分析調(diào)驅(qū)機(jī)制。

1 實驗材料和設(shè)備

實驗材料:7種可動微凝膠SMG,分別稱為“樣品1”～“樣品6”和“FSMG”,中國石油勘探開發(fā)研究院采油所提供;模擬油由大慶油田脫水原油與煤油按一定比例配制,室溫黏度為20 mPa·s;大慶油田模擬注入水;石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造均質(zhì)柱狀巖心[15](Φ2.5 cm×10 cm,流動性實驗);石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心[15](由長×寬×高=30 cm×30 cm×4.5 cm均質(zhì)巖心經(jīng)割縫和環(huán)氧樹脂澆鑄而成,長度210 cm,注入、運移和封堵性能實驗),可視化夾砂模型(長×寬×高=12 cm×8 cm×1 cm,微觀實驗),見圖1。

圖1 巖心及測壓點分布Fig.1 Cores and distribution of pressure-measuring points

實驗設(shè)備:巖心驅(qū)替實驗裝置主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等;微觀實驗裝置由體視顯微鏡、圖像采集與處理系統(tǒng)、精密平流泵和可視化夾砂模型等組成。

除微觀實驗(室溫)外,實驗溫度均為45 ℃。

2 結(jié)果分析

2.1 SMG粒徑

SMG溶液黏度和粒徑測試結(jié)果見表1。從表1看出,樣品類型對SMG溶液黏度及顆粒粒徑存在影響,在相同實驗條件下,各種類型SMG溶液黏度數(shù)值相差不大,顆粒粒徑順序依次為:FSMG>樣品4>樣品5>樣品6>樣品2>樣品1>樣品3。

圖2為樣品1的SMG溶脹前后(磨口瓶中)掃描電鏡照片,根據(jù)比例尺可以計算照片中SMG粒徑。從圖2看出,SMG微觀形態(tài)為粒度較均勻的球形,輪廓清晰,多個顆粒聚集在一起時,顆粒間通過架橋會黏連在一起,形成簇狀。在溶脹前,SMG粒徑約為1～10 μm,分布較為均勻;隨著溶脹時間延長,SMG粒徑逐漸長大,其粒徑在3 d時溶脹到最大值,溶脹后的SMG顆粒仍為較規(guī)則的球形,粒徑為原來的8～10倍。經(jīng)過比例尺計算,粒徑為10～80 μm。以上數(shù)據(jù)說明,SMG顆粒經(jīng)過足夠水化后,能膨脹到一定尺寸,可以在地層高滲條帶孔喉處進(jìn)行有效封堵。

表1 SMG溶液測試數(shù)據(jù)

注:SMG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,采用美國LVDV-Ⅱ+PRO布氏黏度計和激光粒度儀測試。

圖2 SMG顆粒溶脹前后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM of SMG before and after swelling

2.2 滲透率極限

轉(zhuǎn)向劑通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率稱為滲透率極限[16],本文中用阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)方法測試。

不同類型SMG溶液阻力系數(shù)FR和殘余阻力系數(shù)FRR測試結(jié)果見表2。

表2 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)Table 2 Resistance factor and residualresistance factor

注:SMG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,溶液配制后馬上注入巖心。

從表2看出,在滲透率相同條件下,樣品FR和FRR順序依次為:FSMG>樣品4>樣品5>樣品6>樣品2>樣品1>樣品3,大部分樣品FRR大于FR。對于同一類型SMG溶液,巖心滲透率愈大,其FR和FRR愈小。

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SMG溶液阻力系數(shù)FR和殘余阻力系數(shù)FRR測試結(jié)果見表3。

表3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SMG的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測試結(jié)果Table 3 Results of drag coefficient and residual resistance coefficient of SMG solution at different concentrations

續(xù)表3

樣品61.0500堵塞堵塞520302.7310.8800236.4250.0120096.6106.22.0560堵塞堵塞580382.3391.4800281.8307.31200193.1228.33.0640堵塞堵塞660501.9516.7800350.0362.71200275.9291.0FSMG1.0680堵塞堵塞700403.8411.51000342.9361.11200317.2352.42.0780堵塞堵塞800500.0508.91000428.6449.71200406.9427.63.0900堵塞堵塞920638.7654.51000514.3560.01200496.6524.1

注:溶液配制后馬上注入巖心。

從表3看出,SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和巖心滲透率對FR

和FRR存在影響。在巖心滲透率相同條件下,隨SMG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,FR和FRR系數(shù)增大;在SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同條件下,隨巖心滲透率降低,FR和FRR增大。

從滲透率極限定義可知,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時,樣品1、樣品2、樣品3、樣品4、樣品5、樣品6和FSMG通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率為kg=380×10-3、420×10-3、320×10-3、640×10-3、560×10-3、520×10-3和700×10-3μm2。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時,樣品1、樣品4、樣品6和FSMG通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率為kg=440×10-3、720×10-3、580×10-3和800×10-3μm2。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時,樣品1、樣品4、樣品6和FSMG通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率為kg=540×10-3、820×10-3、660×10-3和920×10-3μm2。

2.3 巖心孔喉與SMG粒徑匹配關(guān)系

巖心滲透率極限與SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見圖3。從圖3看出,曲線將坐標(biāo)圖劃分為上下兩個區(qū)域,曲線上部區(qū)域為適應(yīng)區(qū),下部為堵塞區(qū)。將曲線進(jìn)行擬合,可以得到相關(guān)方程,利用該方程就可以進(jìn)行其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)SMG溶液的最低巖心滲透率預(yù)測。

圖3 滲透率極限與SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between ultimate core permeability and mass concentration of SMG solution

大慶油田油藏巖石滲透率與孔隙半徑中值統(tǒng)計關(guān)系方程為:y=15.532x2+28.296x-18.58,其中,y為巖石滲透率,10-3μm2;x為孔隙半徑中值,μm。根據(jù)求得的滲透率極限數(shù)值,再結(jié)合表1,整理后得到SMG顆粒半徑與巖心孔隙(道)半徑中值關(guān)系,見表4和圖4(SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%)。

表4 SMG顆粒半徑與巖心孔隙(道)半徑中值關(guān)系Table 4 Relationship between SMG particle radiusand core pore radius

從表4看出,SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%前提下,當(dāng)孔隙半徑中值/顆粒半徑大于2.65時,可滿足SMG顆粒在油藏運移初步條件。

圖4 SMG顆粒半徑與孔隙半徑中值關(guān)系Fig.4 Relationship between SMG particle radius and core pore radius

從圖4看出,在1～10 μm內(nèi),SMG顆粒半徑與巖心孔隙半徑中值為非線性關(guān)系,擬合曲線下部區(qū)域為適應(yīng)區(qū),上部為堵塞區(qū)。

2.4 SMG注入、運移和封堵性能

巖心各個區(qū)間壓力梯度測試結(jié)果見表5。從表5看出,在調(diào)驅(qū)劑SMG注入結(jié)束時,巖心各區(qū)間壓力梯度順序:入口-2>點2-3>點3-4=4-出口;在后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時,巖心各區(qū)間壓力梯度順序為:入口-2>點2-3>點3-4>4-出口。對于區(qū)間4-出口,在后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時巖心壓力梯度大于調(diào)驅(qū)劑注入結(jié)束時的值,表明SMG顆粒在巖心孔隙中具有較好運移和滯留能力。

實驗過程中SMG溶液注入壓力與注入孔隙體積(VP)倍數(shù)關(guān)系見圖5。

表5 壓力梯度測試結(jié)果Table 5 Test result of pressure gradient MPa/m

注:樣品1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,水驅(qū)至壓力穩(wěn)定,注0.2VP(VP為孔隙體積)SMG溶液,后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定。

圖5 注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between injection pressure and injection pore volume multiple

圖5表明:在調(diào)驅(qū)劑注入階段,測壓點1和測壓點2注入壓力依次升高,測壓點3和測壓點4注入壓力變化不大;在后續(xù)水驅(qū)階段,測壓點1和測壓點2注入壓力下降后緩慢上升最后趨于平穩(wěn),測壓點3和測壓點4注入壓力則延遲一段時間才上升達(dá)到穩(wěn)定。由此可見,在流動條件下,SMG顆粒在多孔介質(zhì)中發(fā)生運移和膨脹,巖心孔隙中SMG粒徑增大,使孔隙半徑中值/顆粒半徑比值變小,滲流阻力增加。在磨口瓶空間環(huán)境下,SMG顆粒可以充分水化,所以其膨脹粒徑較大。但在巖心孔隙中尤其是流動條件下,要比磨口瓶的空間環(huán)境復(fù)雜的多,其膨脹倍數(shù)有限。由此可知,在流動條件下,孔隙半徑中值/顆粒半徑比值降低到一定程度時便會保持穩(wěn)定。圖5中曲線反映了SMG顆粒在巖心孔隙中發(fā)生運移、膨脹直至穩(wěn)定的流動規(guī)律,而曲線的壓力波動則反映了SMG顆粒在孔喉中暫堵和突破的過程。

2.5 微觀實驗

SMG顆粒在可視化夾砂模型中靜態(tài)膨脹實驗結(jié)果見圖6。

從圖6看出,巖心孔道中SMG顆粒分布比較均勻,外觀呈球形,具有良好吸水膨脹性能。在SMG顆粒與水接觸初期,膨脹速度較快,之后膨脹速度減緩,最終趨于平衡。從化學(xué)結(jié)構(gòu)[17-18]看,SMG顆粒主鏈或側(cè)鏈上含有羧基等強(qiáng)親水性官能團(tuán),這些親水基團(tuán)與水親合作用是其具有吸水膨脹性能的最主要內(nèi)因。從物理結(jié)構(gòu)[19-20]看,SMG顆粒是一個低交聯(lián)度三維網(wǎng)絡(luò),由化學(xué)交聯(lián)和高分子鏈間相互纏繞等物理交聯(lián)構(gòu)成。因此,SMG不溶于未交聯(lián)前能溶解它的溶劑中,但溶劑可以滲透進(jìn)入其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這是其具有吸水膨脹性能的另一個原因。

在微觀模型上水驅(qū)后進(jìn)行SMG調(diào)驅(qū)實驗,驅(qū)替過程的動態(tài)圖像見組圖7。從圖7看出,SMG溶液調(diào)驅(qū)后,波及范圍明顯增加,剩余油分布范圍比水驅(qū)減小。從SMG粒徑數(shù)據(jù)和實時動態(tài)監(jiān)測錄像可知,SMG易于進(jìn)入儲層深部,在微觀上通過對孔喉堵塞—突破—再堵塞—再突破的過程,在增加大孔隙喉道的阻力同時,注入水進(jìn)入小孔隙喉道,直接作用于其中的剩余油,實現(xiàn)高效的波及控制,提高注入水利用效率。宏觀上體現(xiàn)為原有的水驅(qū)優(yōu)勢高滲條帶沿程阻力增加,儲層深部水驅(qū)方向改變。分散體系中的SMG優(yōu)先進(jìn)入高滲層區(qū)、大孔喉,產(chǎn)生堵塞作用,同時分散體系中水進(jìn)入低滲層區(qū)、小孔喉,直接作用于其中的剩余油。因此,SMG調(diào)驅(qū)基本原理為:SMG微凝膠膠團(tuán)和水分工合作,對高、低滲層(區(qū))或大、小孔隙區(qū)別對待,調(diào)(堵或暫堵)、驅(qū)協(xié)調(diào)同步。這種機(jī)制不同于傳統(tǒng)的近井地帶調(diào)剖,也不同于傳統(tǒng)的先調(diào)后驅(qū)的調(diào)驅(qū)模式。

圖6 多孔介質(zhì)中的SMG顆粒Fig.6 SMG swelling particles in porous medium

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)巖心滲透率極限與質(zhì)量分?jǐn)?shù)擬合的曲線方程可以進(jìn)行其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)SMG溶液的滲透率極限預(yù)測。

(2)SMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%前提下,當(dāng)孔隙半徑中值/顆粒半徑大于2.65時,可滿足SMG顆粒在油藏運移初步條件。

(3)SMG顆粒在微觀上通過對孔喉進(jìn)行堵塞—突破—再堵塞—再突破的過程,增加大尺寸孔隙喉道滲流阻力,促使注入水轉(zhuǎn)向進(jìn)入中小尺寸孔隙喉道,驅(qū)替其中剩余油,達(dá)到擴(kuò)大波及體積效果。

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