一種新型深部調驅用無機復合轉向劑的研制及性能評價

鐵磊磊 于萌 劉文輝 李翔 鄭玉飛

中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部

海上油田地層非均質性較強，部分油田直接注入海水，礦化度高達3.40×104mg/L，水中鈣鎂離子質量濃度約1 000 mg/L，現有聚合物凝膠的注入性或抗鹽性很難適應環(huán)境要求，而抗鹽改性聚合物成本較高，較難適應“低油價調驅”的需求[1-6]。

海上油田的高礦化度注入水中存在大量陽離子，向儲層注入一定濃度的液體硅酸鈉和低濃度的乳液聚合物，遇到地層水中陽離子后發(fā)生化學反應，生成的無機復合轉向劑IGS可在地層孔道表面形成涂層，減小過流端斷面，增加流動阻力，產生液流轉向，實現深部調驅的作用。

以靜態(tài)試驗、儀器表征和化學分析為技術手段，研究IGS體系的成膠性能、微觀形貌、影響因素及封堵性能，為加深IGS無機復合轉向劑調驅機理的認識和現場應用設計及效果分析提供依據和指導。

1 IGS凝膠研制

常用的化學堵水體系，如傳統(tǒng)的水玻璃-氯化鈣雙液法堵水技術多用于封堵高滲透地層[7-8]。考慮到該體系存在兩種材料一觸即凝、不易在預定部位作用的問題[9-10]，本實驗在傳統(tǒng)水玻璃類堵劑的基礎上開發(fā)了新型IGS系列調驅劑。

IGS凝膠由主劑和添加助劑組成。主劑是由Na2O·mSiO2、NaOH等為主要原料研制合成的硅酸鹽，添加助劑是無機化合物。主劑與較高礦化度地層水接觸形成半透明、密度與水接近、強度可控的凝膠體系。IGS轉向劑分散或懸浮于水中，在地層巖石孔隙結構中不斷推進形成凝膠涂層，對后續(xù)注入水流產生阻力，從而在保障海上“在線注入”的基礎上，實現了地層深部液流轉向，擴大波及系數。為進一步改善IGS凝膠強度且不阻礙在線注入的優(yōu)勢，添加低濃度的乳液聚合物。

2 實驗條件

2.1 材料與試劑

主要原料：注入水1 (渤海油田P區(qū)塊注入水)；注入水2 (渤海油田S區(qū)塊注入水)；海水；Na2O·mSiO2，模數1.5～3.5，工業(yè)品；干粉及乳液聚合物，工業(yè)品，大慶煉化公司聚合物廠；磷基羧酸共聚物、羥基亞乙基二磷酸，分析純，鄭州金悅化工。其中，硅酸鈉溶液用自來水配制。自來水、注入水和海水的離子組成見表1。

表1 離子組分Table 1 Analysis of ion content水型ρ/(mg·L-1)K++Na+Ca2++Mg2+Cl-CO2-3SO2-4礦化度/(mg·L-1)自來水230171011456802注入水110 35393013 60001 10032 150注入水22 9073174 89613478512海水11 593182620 42602 69736 690

2.2 實驗儀器

電子天平(精度0.01 g)、哈克RS6000流變儀、量筒(250 mL)、燒杯(500 mL)、Mastersizer 3000粒度分析儀、各種加熱及恒溫設備等。

2.3 實驗方法

2.3.1成膠性能

將等體積的液體硅酸鈉溶液和注入水1混合均勻，靜置于65 ℃恒溫箱內24 h，觀察其成膠程度，并測量體系粒徑及黏度。

2.3.2影響因素評價

(1) 對比硅酸鈉模數成膠性能的影響，共測試兩種無機凝膠體系：IGS-1，模數1.5～2；IGS-2，模數2.5～3.5。

(2) 測試溫度、液體硅酸鈉濃度、剪切時間和速率等因素對成膠性能的影響。

2.3.3體系優(yōu)化

(1) IGS+聚合物體系的成膠性能(低濃度聚合物的作用)。

(2) 屏蔽劑對IGS+聚合物成膠性能的影響。

(3) “IGS+乳液聚合物”與“IGS+干粉聚合物”的效果對比。

(4) 鈣鎂離子對成膠性能的影響。

實驗用水選擇現場典型的3種水型：高硬度的海水、較高硬度的注入水1及低硬度的注入水2。

IGS+聚合物體系凝膠化實驗方案見表2。

2.4 運移機理模型

實驗條件：人工裝填單砂管，長100 cm，直徑2.5 cm，砂子為地層采出砂，420～840 μm篩分，按砂管平均滲透率3 000×10-3μm2左右裝填。砂管每隔20 cm安裝一個測壓點，入口端安裝一個測壓點，一共5個測壓點。

表2 IGS+聚合物體系凝膠化實驗方案w/%Table 2 Experimental scheme of IGS & polymer system方案編號實驗用水類型IGS溶液穩(wěn)定劑乳液聚合物屏蔽劑1-1注入水110001-2注入水11000.11-3注入水110.05001-4注入水110.0500.11-5注入水1100.050.12-1海水10002-2海水1000.12-3海水10.05002-4海水10.0500.12-5海水100.050.13-1注入水210003-2注入水21000.13-3注入水210.05003-4注入水210.0500.13-5注入水2100.050.1

根據渤海油田P儲層的地質狀況，使用多孔測壓裝置，實驗溫度65 ℃。抽空飽和儲層注入水，交替注入IGS+乳液聚合物體系： 0.1 PV主劑(w(Na2SiO3)，1%) +0.02 PV清水+0.1 PV注入水+0.1 PV增強劑(500 mg/L的液體聚合物)，共交替注入5輪次,靜置24 h，后續(xù)水驅。

3 實驗結果與討論

3.1 成膠性能試驗結果

IGS母液和注入水1混合后可形成整體或分散凝膠。0.4 %～20 %(w，下同)的IGS主劑+注入水1體系，凝膠為白色絮狀形態(tài)或白色半透明液體，密度與水接近，以整體或微粒形式分散懸浮于水中(見圖1)。體系黏度對溫度變化不敏感，耐溫性較好，可用于高鹽高溫油藏。

3.2 成膠時間實驗結果

主劑與助劑溶液混合后生成物微觀結構見圖2。從圖2可看出，主劑與助劑混合后，初期即可產生絮狀物，之后生成物開始擴散，10 min后擴散基本停止。該絮狀物可吸附于巖石骨架表面形成涂層，導致孔隙過流斷面減小幅度較大，從而提高流動阻力。

為了經濟效益最佳化，評價了0.6 %的IGS+注入水1體系的成膠時間，結果見圖3和圖4。

通過測量低濃度IGS體系的黏度和粒度隨時間的變化可知，IGS+注入水1體系在65 ℃條件下，5 min內可成膠。

3.3 影響因素評價

3.3.1溫度的影響

以0.6%的IGS主劑為例，分別在20 ℃、60 ℃和90 ℃條件下測試混合瞬間體系的粒度，結果見表3。

表3 溫度對IGS體系初始粒徑的影響Table 3 Effect of temperature on initial particle diameter of IGS system溫度/℃206090粒徑/μm133159155

溫度對IGS的成膠時間有一定的影響，但影響不大。在較高溫(90 ℃)油藏條件下，體系的粒徑變化不大，說明該體系可在高溫油藏中應用推廣。

3.3.2剪切的影響

(1) 剪切時間對黏度的影響。由圖5可知，IGS主劑+注入水1體系的黏度隨剪切時間的延長呈下降趨勢。3%、6%、10%和20% 的IGS體系，黏度隨剪切時間的下降率分別為64.4%、73.7%、90.2%、85.4%。這表明，該凝膠體系抗剪切性能有待改善。

(2) 剪切時間對粒度的影響。在轉速固定為2 680 r/min、0.6% IGS+注入水1條件下，剪切(攪拌)時間對粒度的影響結果如表4所列。隨攪拌時間的延長體系粒度呈下降趨勢。攪拌時間從1 min增加至3 min，Dv 50的下降率為36.2%。

表4 攪拌時間對0.6% IGS-1+注入水體系粒徑的影響Table 4 Effect of shearing time on particle diameter of 0.6% IGS system剪切時間/min123Dv 50/μm11.510.37.34

3.4 優(yōu)化配方的性能

上述實驗中，低濃度的IGS凝膠(w<1.5%)在體系強度方面存在改進空間。提出了一種思路：向低濃度的0.6%IGS凝膠中加入質量濃度為500 mg/L低濃度的聚合物，以增強體系強度[8-10]。

實驗中分別使用過濾后的注入水1、注入水2和海水配制質量濃度為500 mg/L的聚合物溶液。將IGS溶液與聚合物溶液混合均勻。在65 ℃恒溫箱內加熱成膠，測量聚合物的加入對IGS體系強度的增強效果?？瞻讓嶒灋閷?.6%的IGS溶液分別與過濾后的注入水1、注入水2和海水混合。

由圖6可知，低濃度聚合物的加入對IGS體系的成膠強度提高顯著，“IGS+聚合物體系”的成膠黏度高于同等濃度的IGS無機凝膠體系的黏度，亦顯著高于單獨聚合物溶液的濃度，具備復合應用的可能性。分析原因為：水玻璃在沉積過程中可吸附在聚合物分子鏈上，將分子鏈包埋，使整個網絡得以加強；網絡內的IGS無機凝膠吸附、包裹水分子，從而在一定程度上減少了游離水的含量[11-13]。聚合物網絡和硅酸鈉凝膠相輔相成，提高了網絡結構的強度，限制了沉積物的大尺寸移動，沉積物賦予網絡以較大的局部變形阻力，使“IGS+聚合物復合凝膠”黏度、強度和穩(wěn)定性更大。

考慮到加入一定量的屏蔽劑，可反應生成鰲合體，使體系中生成物顆粒粒徑略為增大，會進一步地改善體系強度，因此配合加入一定量的屏蔽劑。向過濾后的注入水1、注入水2和海水中加入0.1%(w，下同)的屏蔽劑，攪拌均勻。用加入屏蔽劑的溶液配制聚合物溶液。其余步驟均相同。考察屏蔽劑對IGS+聚合物體系成膠性能的影響。對比圖6中的1-3和1-4可知，屏蔽劑的加入可能對體系強度有進一步的改善作用。

對比圖6中的1-1和1-5可知，乳液聚合物能夠大幅度提高IGS體系的成膠強度。與干粉聚合物相比，乳液聚合物亦具有顯著增強體系強度的效果，且具有“可在線注入”、簡單有效以及風險較低的特點，不僅解決了平臺空間不足的難題，而且很大程度地簡化了施工工藝，具有很大的應用潛力和推廣空間。

綜合對比3組實驗可知，注入水1的成膠效果與海水相當，但注入水2起不到成膠的效果。因此，IGS體系或IGS+聚合物體系或存在最低的鈣鎂離子下限，且在測試范圍內，該體系具有最佳的成膠濃度范圍。

3.5 封堵性實驗

采用多孔測壓裝置研究IGS體系和乳液聚合物在地層中運移規(guī)律，向模型中注入該體系，65 ℃下恒溫，測定后續(xù)水驅過程中各測壓點壓力變化，實驗過程中注入壓力與PV數關系對比見圖7。從圖7可看出，IGS無機復合轉向劑注入巖心過程中隨著注入PV數增加，壓力不斷上升，在每一種藥劑注入過程中，注入壓力呈現“先升后降”變化趨勢，說明了主劑與注入水接觸生成轉向劑和水段塞推動轉向劑向前運移和流動特征。后續(xù)水過程中壓力不斷增加后趨于平穩(wěn)，且4個測壓點均有壓力響應，說明“IGS+乳液聚合物體系”吸附于巖石骨架表面，形成有一定黏附性的涂層，導致孔隙過流斷面減小幅度較大，流動阻力增幅較大。

“主劑+清水+注入水+增強劑”交替注入過程中，各個測壓點注入壓力受注入體積和測壓點位置的影響。在交替注入輪次相同條件下，沿測壓裝置長度方向，各個測壓點注入壓力逐漸減小。在測壓點位置相同條件下，隨注入體積增加，各個測壓點注入壓力逐漸增加。進一步分析發(fā)現，在每一種藥劑注入過程中，注入壓力呈現“先升后降”變化趨勢，說明了主劑與注入水接觸生成轉向劑和水段塞推動轉向劑向前運移和轉向劑流動特征。交替注入結束時，“測壓點1”與“測壓點2”間壓差值和“測壓點2”與“測壓點3”之間的壓差值均較大。由此可見，在“主劑+水+注入水+增強劑”交替注入過程中，主劑與注入水和增強劑反應生成物在中部滯留量較大，它吸附于巖石骨架表面形成的涂層厚度較大，導致孔隙過流斷面減小幅度較大，流動阻力增幅較大，因而注入壓力升高幅度較大。

在后續(xù)水驅階段，前部兩個測壓點注入壓力呈現小幅降低，后部幾個測壓點注入壓力呈現“穩(wěn)中略升”趨勢，表明轉向劑在孔隙內解滯留能力較差，具有較強的耐沖刷和持久液流轉向能力。后續(xù)水驅結束時，巖心各個長度區(qū)間封堵率為24.73%～70.38%，表現出良好的深部液流轉向能力。

4 油田應用實踐

4.1 油田應用總體情況

針對地層水離子特點及成垢離子濃度，設計了不同濃度的IGS無機復合轉向劑。自2016年2月起，先后在渤海油田開展了多個井組的深部調驅現場試驗。先導試驗井組效果統(tǒng)計顯示，調驅后井組壓降曲線明顯變緩，FD值調剖后超過65%，達到充分調剖的要求。高滲層吸水量從調驅前的32%左右降至18.2%，低滲層吸水量明顯增加。井組降水或增油有效率達100%，對應油井在調驅作業(yè)后3個月內見效率達70%左右，取得了較好的增油、降水、降本增效的效果。

4.2 典型井組調驅效果分析

渤海油田P區(qū)塊，油藏埋深1 350～1 550 m，溫度60～70 ℃，滲透率為(64～1 056)×10-3μm2，孔隙度主要為22%～31%。地層水礦化度32 150 mg/L，CaCl2水型，其中鈣鎂離子質量濃度900～1 000 mg/L。井組對應的5口油井水驅見效極不均勻，其中2口井含水在94%以上?；谟吞锏貙铀谐晒鸽x子的特點，對A井組進行了IGS復合轉向劑深部調驅試驗，設計IGS無機復合轉向劑的主劑質量分數1.0%～1.5%(自來水配制)，增強劑質量分數0.05%(自來水配制)，調驅施工共設計4個段塞，利用原注水管柱籠統(tǒng)擠注作業(yè)，處理量2 010 m3。2016年2月開始施工，施工周期一個月。主要受效井油量從69 m3/d上升至89 m3/d(見圖8)，含水率從95%下降至92.8%(見圖9)。截至2016年5月，受效單井累計增油1 420 m3，有效期達6個月以上，且持續(xù)有效。

5 結論與建議

(1) IGS主劑(液體硅酸鈉溶液)和含有高鈣鎂離子的注入水混合后可形成整體或分散凝膠。凝膠為白色絮狀形態(tài)或白色半透明液體，密度與水接近，以整體或微粒形式分散或懸浮于水中。該無機體系成膠迅速，成膠時間小于30 min。

(2) IGS主劑質量分數在0.4%～10%時，體系黏度最大，從技術經濟角度考慮，藥劑合理質量濃度范圍應為0.5%～1.5%；溫度對體系的成膠性能影響不大，降低溫度，可適當延緩體系的成膠時間；體系的黏度和粒度隨剪切時間的延長和剪切速率的增大呈下降趨勢。

(3) 通過向低濃度的IGS凝膠中加入低濃度的乳液聚合物，改善了IGS無機凝膠的黏度和韌性，起到了增強體系強度的作用。

(4) 采用“主劑+清水+注入水+增強劑”交替注入方式，后續(xù)水驅結束時，巖心各個長度區(qū)間封堵率為24.73%～70.38%，表現出良好深部液流轉向能力。