渤海油田納米級(jí)聚合物微球特性研究

薛新房，鞠 野，劉俊辰，馬永宇，楊子浩

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國(guó)石油大學(xué)提高采收率研究院，北京 102249）

深部調(diào)剖改善水驅(qū)提高采收率技術(shù)在陸地油田已取得良好的應(yīng)用效果，但針對(duì)海上油田的系統(tǒng)深入研究與應(yīng)用才剛剛起步[1-4]。海上油田的油藏環(huán)境和生產(chǎn)條件獨(dú)特，如海上平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)空間受限、繞絲篩管礫石充填防砂完井、大井距、長(zhǎng)井段、一套井網(wǎng)多層開(kāi)采等，同時(shí)強(qiáng)注強(qiáng)采措施既不利于水驅(qū)，又加劇了油藏非均質(zhì)及注水指進(jìn)程度[5-8]。鑒于海上油田特點(diǎn)，陸地油田成功的深部調(diào)剖技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)不能滿足海上油田作業(yè)要求，需深入開(kāi)展適合海上油田特點(diǎn)的改善水驅(qū)技術(shù)，提高海上油田采收率[9-11]。

渤海海上油田是中國(guó)最大的海上油田。由于其高油黏度（50 mPa·s～150 mPa·s，平均黏度 70 mPa·s），高油藏溫度（約65℃），油藏非均質(zhì)性突出、高礦化度（Ca2＋，334 mg/L～517 mg/L；Mg2＋，145 mg/L～228 mg/L，總礦化度為9 780 mg/L～10 890 mg/L）等特點(diǎn)，所以一次水驅(qū)的原油采收率只有18%～20%，而陸上油田的一次水驅(qū)的原油采收率是32%。有文獻(xiàn)報(bào)道了利用聚合物驅(qū)來(lái)提高渤海油田采收率的可行性研究[12]。然而，傳統(tǒng)的聚合物只能適用在均質(zhì)油藏的調(diào)驅(qū)。為了解決這個(gè)非常棘手的問(wèn)題，2003年，一個(gè)由聚合物和部分水解聚丙烯酰胺（HAPAM）構(gòu)成的復(fù)合調(diào)驅(qū)系統(tǒng)已經(jīng)在SZ36-1油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，結(jié)果顯示該復(fù)合調(diào)驅(qū)體系具有很顯著的增油減水效果[13]。從2014年9月24日至2015年1月18日，由凝膠和聚合物微球組成的復(fù)合體系已在S01油田的F8和F13井組實(shí)施了礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用結(jié)果表明，該復(fù)合系統(tǒng)可以有效地解決海上稠油開(kāi)采和挖掘其潛在的問(wèn)題，并證明了該復(fù)合體系在海上稠油油田控水穩(wěn)油是可行的，能夠提高生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)海上稠油油田的潛力，以提高石油產(chǎn)量，降低含水效果，輸入和輸出比是常規(guī)化學(xué)調(diào)剖劑的三倍，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值[14]。聚丙烯酰胺微球作為在三次采油階段深度調(diào)剖技術(shù)中重要的化學(xué)劑，是提高和穩(wěn)定原油產(chǎn)量重要的保障[15，16]。因?yàn)榫郾０肺⑶蚴穷w粒大小可控的，具有柔性的，膨脹性好，彈性強(qiáng)和注射性能優(yōu)良，而且可以遷移到儲(chǔ)層深部的球形體，因此可以滿足深部調(diào)驅(qū)[17-19]。Liu等[20]通過(guò)乳液聚合法制備了聚合物微球，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室?guī)r心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示原油采收率提高14%～16%。后來(lái)，他計(jì)劃在渤海灣稠油油藏Q塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料主要有納米聚合物球（有效固含量為25%）由中海油田服務(wù)股份有限公司提供、實(shí)驗(yàn)用水為室內(nèi)模擬配制水模擬地層水（礦化度5 863.27 mg/L）、正己烷、人造巖心（規(guī)格：4.5 cm×4.5 cm×30 cm；滲透率為 800 mD、2 000 mD、4 000 mD）、石英砂（60目）、河砂（60目）。

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括微孔濾膜裝置、填充砂管模型（Φ2.5×100 cm）、MICROTRAC S3500型激光粒度儀、電磁攪拌器、巖心驅(qū)替裝置、分析天平、分液漏斗和恒溫箱等。

1.2 微球水化實(shí)驗(yàn)

1.2.1 聚合物微球分散液的配制 開(kāi)啟電磁攪拌器，轉(zhuǎn)速為500 r/min，將一定量的聚合物微球樣品緩慢滴入模擬地層水中，配制濃度為0.2%的微球水溶液300 mL，持續(xù)分散 30 min。

1.2.2 聚合物微球分散液的除油處理 由于聚合物微球制備工藝的限制，水分散液中會(huì)含有一定的油和表面活性劑，為了便于觀察和測(cè)量水化膨脹后的微球粒徑和形貌，進(jìn)行以下除油操作。

（1）根據(jù)所配微球分散液的體積，采用量筒量取600 mL的正己烷溶液，使正己烷與微球分散液體積比為2:1；

（2）將上述混合溶液放入錐形瓶，密閉，采用磁力攪拌器攪拌，攪拌速度700 r/min，持續(xù)攪拌2 h以上；

（3）將上述攪拌后的混合溶液移入分液漏斗中，靜置；

（4）待混合溶液出現(xiàn)上下兩層時(shí)，收集下層微球分散水溶液；

（5）重復(fù)上述步驟2次。

1.2.3 微球粒徑測(cè)量

（1）將除油處理后的聚合物微球分散液置于70℃的恒溫箱中，烘烤水化一定的時(shí)間后，取樣待測(cè)：0 d、3 d、7 d、14 d、21 d；

（2）將待測(cè)液置于磁力攪拌器上，持續(xù)分散5 min以上，待用；

（3）將分散好的聚合物微球分散液采用一次性滴管吸取少量，用粒度分析儀測(cè)其粒度分布。

1.3 微球循環(huán)注入實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在巖心驅(qū)替裝置中進(jìn)行，使用規(guī)格為4.5 cm×4.5 cm×30 cm、氣測(cè)4 000 mD的人造巖心，實(shí)驗(yàn)溫度為70℃。首先將巖心抽真空飽和水，水驅(qū)至壓力穩(wěn)定。采用循環(huán)注入方法，先配制2.5 PV微球溶液，待其水化到一定程度（0 d、3 d）后按照表1中實(shí)驗(yàn)參數(shù)注入巖心，當(dāng)出口端排出1.25 PV液體時(shí)開(kāi)始收集采出液，將這部分采出液重新注入巖心中，即第二次注入。第二次排出的全部微球溶液再用于第三次注入。如此循環(huán)，共5次。記錄連續(xù)時(shí)間內(nèi)的壓力變化，計(jì)算阻力系數(shù)，考察微球在循環(huán)注入條件下的阻力系數(shù)變化規(guī)律。

1.4 微球封堵運(yùn)移實(shí)驗(yàn)

采用單填砂管多測(cè)壓點(diǎn)模型（見(jiàn)圖1），利用Φ2.5×100 cm帶測(cè)壓點(diǎn)填充砂管模型，分別用石英砂和河砂填制，沿程采用四個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，壓力1為入口端，壓力2距入口端20 cm，壓力3距入口端45 cm，壓力4距入口端60 cm，監(jiān)測(cè)兩種微球在相同水化時(shí)間、注入濃度、注入速度的條件下各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力變化，考察不同填砂類型對(duì)微球的運(yùn)移封堵情況。

1.5 微球驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

將原油在0.3 mL/min的泵速下注入飽和水的巖心中，用不同規(guī)格的試管在出口端收集試樣，計(jì)量每支試管的含液量和含水量，計(jì)算含水率，飽和油直至試管中含水率達(dá)到2%以下為止，其中所有試管中的水的體積之和作為飽和原油的體積。飽和油結(jié)束后，在干燥箱中老化12 h以上。

圖1 多測(cè)點(diǎn)填砂模型實(shí)驗(yàn)流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 水化時(shí)間對(duì)微球性質(zhì)的影響

2.1.1 水化時(shí)間與納米球粒徑變化的關(guān)系 依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制納米球在各水化時(shí)間（0 d、3 d、7 d、14 d、21 d）下的粒徑分布圖（見(jiàn)圖2～圖6）。并根據(jù)各水化時(shí)間下的平均粒徑繪制水化時(shí)間與納米球粒徑變化關(guān)系圖（見(jiàn)圖7）。

圖2 納米球初始粒徑分布圖

圖3 納米球在水化3 d時(shí)的粒徑分布圖

圖4 納米球在水化7 d時(shí)的粒徑分布圖

通過(guò)粒度儀對(duì)納米球樣品的尺寸測(cè)量，從上圖可以看出納米球在恒定礦化度5 863.27 mg/L、實(shí)驗(yàn)溫度70℃的條件下粒徑變化規(guī)律。隨水化時(shí)間增加，微球粒徑逐漸增大。其初始平均粒徑為4.67 μm。經(jīng)過(guò)70℃的地層水長(zhǎng)時(shí)間浸泡，水化3 d后達(dá)到9.51 μm，膨脹2.04倍。隨著水化時(shí)間的增加，微球粒徑開(kāi)始明顯增大，達(dá)到7 d時(shí)平均粒徑增大到25.57 μm，膨脹5.41倍，繼續(xù)水化至21 d平均粒徑增大到40.33 μm，與初始粒徑相比膨脹了8.6倍。納米球的初始粒徑既可不進(jìn)入低滲油層或區(qū)域，又可以順利通過(guò)狹窄較小的孔喉，進(jìn)入到地層深部，注入性良好。同時(shí)，膨脹后的微球尺寸增大也達(dá)到了封堵地層孔喉的要求。

圖5 納米球在水化14 d時(shí)的粒徑分布圖

圖6 納米球在水化21 d時(shí)的粒徑分布圖

圖7 水化時(shí)間與納米球粒徑變化關(guān)系圖

2.1.2 水化時(shí)間與微球強(qiáng)度變化的關(guān)系 根據(jù)所記錄的納米微球溶液通過(guò)微孔濾膜的過(guò)濾體積與過(guò)濾時(shí)間關(guān)系繪制微球溶液通過(guò)不同孔徑和孔膜的過(guò)濾曲線（見(jiàn)圖8）。從圖8可以看出，5個(gè)不同水化時(shí)間的微球均能對(duì)600 nm濾孔膜進(jìn)行有效封堵。在有效封堵的前提下，其水化時(shí)間的增加，微球體積膨脹，粒徑增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，過(guò)濾體積逐步下降，即過(guò)濾體積隨過(guò)濾時(shí)間的變化率越小，溶液越不易通過(guò)微孔濾膜，曲線斜率越減小。

表1 聚合物微球循環(huán)注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖8 不同水化時(shí)間納米球過(guò)濾體積對(duì)比圖

圖9 水化時(shí)間為0 d納米球循環(huán)注入壓力曲線

2.2 納米球循環(huán)注入實(shí)驗(yàn)

依據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)參數(shù)采用循環(huán)注入方法，考察濃度為0.2%的納米球在不同水化時(shí)間（0 d、3 d），注入速度為0.5 mL/min條件下的壓力變化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制注入壓力與注入微球累計(jì)量關(guān)系圖（見(jiàn)圖9、圖10）。實(shí)驗(yàn)表明，隨著納米球溶液的注入，注入壓力隨注入量的增大而增大。由圖9可以看出，0 d納米球溶液第一次循環(huán)注入結(jié)束時(shí)壓力為3.6 kPa，第二次循環(huán)注入開(kāi)始時(shí)起始?jí)毫?.14 kPa，明顯大于3.6 kPa，表明第二次循環(huán)注入時(shí)壓力保持效果較好；同樣比較第三次、第四次、第五次循環(huán)注入可以看出，第四次壓力保持效果很好，但是第三次和第五次循環(huán)注入時(shí)，壓力保持效果略差。由圖10可以看出，3 d納米球溶液循環(huán)注入時(shí)第二次和第三次均有較好的壓力保持效果，第四次和第五次起始?jí)毫H有小幅度下降。

圖10 水化時(shí)間為3 d的納米球循環(huán)注入壓力曲線

2.3 微球運(yùn)移封堵性質(zhì)評(píng)價(jià)

依據(jù)表2中實(shí)驗(yàn)參數(shù)采用多測(cè)壓點(diǎn)模型填砂模型，考察納米球在不同水化時(shí)間（0 d、7 d），注入速度為0.25 mL/min條件下，在兩種填砂模型中各測(cè)壓點(diǎn)的壓力變化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制注入壓力與注入微球體積關(guān)系圖（見(jiàn)圖11～圖14）。由圖11和圖12可知，隨著0 d納米球的注入，四個(gè)測(cè)壓點(diǎn)同時(shí)起壓，各測(cè)壓點(diǎn)處壓力隨微球注入量的增加而增大，且各點(diǎn)處壓力值相近，其中石英砂中壓力曲線平緩上升，河砂中壓力曲線有小幅度波動(dòng)。注入4 PV后，各測(cè)壓點(diǎn)處壓力差仍然很小，沒(méi)有出現(xiàn)急劇上升現(xiàn)象，說(shuō)明0 d納米球在巖心管道中壓力傳播快，具有良好的運(yùn)移能力。

表2 聚合物微球多測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖11 0 d納米球在石英砂填砂模型中多測(cè)點(diǎn)壓力曲線

圖12 0 d納米球在河砂填砂模型中多測(cè)點(diǎn)壓力曲線

圖13 7 d納米球在石英砂填砂模型中多測(cè)點(diǎn)壓力曲線

圖14 7 d納米球在河砂填砂模型中多測(cè)點(diǎn)壓力曲線

由圖13可知，在石英砂填砂管中注入水化7 d的納米球后，各測(cè)點(diǎn)壓力平緩上升；由圖14可知，在河砂填砂管中注入水化7 d的納米球后，入口處壓力最先開(kāi)始上升，隨后各測(cè)壓點(diǎn)處壓力逐漸上升，曲線有小幅度波動(dòng)。隨著微球溶液的注入相鄰測(cè)壓點(diǎn)的壓差逐漸增大，說(shuō)明微球在砂管運(yùn)移過(guò)程中首先在入口處封堵，隨后通過(guò)吼道向前運(yùn)移，在20 cm和45 cm處逐級(jí)滯留封堵，壓力上升；而測(cè)壓點(diǎn)60 cm處起壓不明顯，說(shuō)明只有少量的納米球運(yùn)移到了該點(diǎn)。

3 結(jié)論

該納米級(jí)聚合物微球干粉平均粒徑為4.67 μm，隨著水化時(shí)間的增長(zhǎng)，微球的粒徑是逐漸增大的，最大溶脹倍數(shù)為8.6，隨著水化時(shí)間的增長(zhǎng)，微球的強(qiáng)度也是在逐漸增強(qiáng)。隨著納米球溶液的注入，注入壓力隨注入量的增大而增大，水化后的微球具有很好的連續(xù)注入性。填砂管實(shí)驗(yàn)說(shuō)明水化后的微球不僅具有很好的封堵性能，同時(shí)還具有突出的運(yùn)移能力。

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