本源無機凝膠油藏適應(yīng)性評價及作用機理分析

鄶婧文，曹偉佳，盧祥國，田中原，王 闖，李彥闖

（1. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；

2. 中國海油 湛江分公司，廣東 湛江 524057）

目前，堵水調(diào)剖技術(shù)已成為油田改善水驅(qū)效果的重要技術(shù)，但高溫高鹽油藏的堵水調(diào)剖技術(shù)仍然是亟待解決的技術(shù)難題［1-3］。南海潿洲11-1油田流三段油藏溫度超過90 ℃，注入水礦化度大于30 000 mg/L，二價金屬陽離子含量高達1 756 mg/L。目前，油田開發(fā)常用的聚合物凍膠類、顆粒類和泡沫類調(diào)剖調(diào)驅(qū)體系大多含聚丙烯酰胺，而理論分析和實驗數(shù)據(jù)都證明聚丙烯酰胺耐溫不超過90 ℃，在高溫條件下聚丙烯酰胺分子結(jié)構(gòu)會被破壞，穩(wěn)定性變差甚至失效，封堵強度極大降低，無法滿足油田生產(chǎn)實際需求。而無機凝膠在高溫高礦化度油藏條件下具有良好的穩(wěn)定性和油藏適應(yīng)性，它黏度低，具有很好的注入性，以涂層的方式作用于地層巖石骨架形成涂層堵塞物，使得常規(guī)礦場作業(yè)中的調(diào)剖劑耐溫性、成膠時間和配制濃度等不再是主要敏感因素［4-8］。近年來，無機凝膠涂層技術(shù)由于耐溫耐鹽能力強、注入性好、價格低廉、無毒環(huán)保、配制和注入工藝簡單等特點而被廣泛應(yīng)用于高溫高鹽油藏調(diào)剖調(diào)驅(qū)［9-15］。唐孝芬等［16-17］研究了利用油田高礦化度注入水等成垢離子作交聯(lián)劑就地交聯(lián)形成本源無機凝膠轉(zhuǎn)向劑體系的可行性，并論證了無機凝膠具有使水流優(yōu)勢通道變窄且“堵而不死”的特性。鐵磊磊等［18］提出采用“主劑+清水+注入水+增強劑”交替注入方式，可使得無機凝膠具有較高封堵率并表現(xiàn)出良好的液流轉(zhuǎn)向能力。

本工作根據(jù)南海潿洲11-1 油田流三段油藏封堵技術(shù)需求，開展了無機凝膠涂層性能評價、滲流特性和封堵性能實驗研究及作用機理分析，為目標(biāo)油藏?zé)o機凝膠涂層調(diào)剖堵水實驗的技術(shù)決策提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

Na2SiO3：分析純，沈陽市華東試劑廠；無水CaCl2：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。實驗用水為模擬海水和地層水。水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)分析Table 1 Water analysis

1.2 主要儀器

SMZ-DV320 型體視顯微鏡：重慶奧特光學(xué)顯微鏡有限公司；Hitachi S-3400 型掃描電子顯微鏡：日立高新技術(shù)公司；HAAKE RS6000 型旋轉(zhuǎn)流變儀：德國哈克公司；DV-Ⅱ+Pro 型布氏黏度計：美國博勒飛公司。

1.3 均質(zhì)方巖心

巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［19-20］，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率約為488×10-3μm2。在巖心入口端、距入口1/3 和2/3 處設(shè)置3 個測壓點。巖心結(jié)構(gòu)及測壓點分布見圖1。

圖1 巖心結(jié)構(gòu)及測壓點分布Fig.1 Core structure and pressure distribution map.

海水、地層水和Na2SiO3溶液通過交替注入方式從注入端注入巖心，從另一端采出。實驗過程中定期記錄注入端和各測壓點壓力，通過各測壓點間壓力梯度來評價無機凝膠在多孔介質(zhì)內(nèi)的傳輸運移能力。

1.4 無機凝膠傳輸運移能力及封堵性評價

將均質(zhì)方巖心抽真空飽和地層水并測試巖心水相滲透率。交替注入藥劑總段塞尺寸：0.05 PV Na2SiO3（0.03 mol/L，地層水配制）+0.01 PV 地層水+0.05 PV 海水+0.01 PV 地層水，共交替注入6個輪次（即將上述各個段塞分成6份進行交替注入）。靜置12 h，水驅(qū)到壓力穩(wěn)定，記錄各測壓點注入壓力，繪制各測壓點不同時間注入壓力與注入體積關(guān)系曲線，計算封堵后滲透率，并計算阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機凝膠宏觀形態(tài)

分別向海水中加入定量由清水配制的Na2SiO3溶液，并用玻璃棒不斷攪拌，配制濃度分別為0.005，0.01，0.03，0.06，0.1 mol/L 的等量試樣，觀測反應(yīng)過程中不同階段無機凝膠的宏觀形態(tài)，不同時間無機凝膠的宏觀形態(tài)見圖2。由圖2 可知，海水與Na2SiO3溶液混合后會立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成懸浮物。隨靜置時間延長，逐漸形成乳白色凝膠。凝膠密度與水的密度接近，反應(yīng)過程中生成物稍有下沉但仍處于懸浮狀態(tài)，表明無機凝膠具有一定的傳輸運移能力，有利于凝膠在巖心骨架表面涂層結(jié)垢［21］。Na2SiO3與海水在一定濃度范圍內(nèi)可生成整體凝膠，其他濃度時則根據(jù)Na2SiO3有效含量最大程度膠凝化，形成分散的凝膠微粒或者凝膠團懸浮在水中，既利于在巖石骨架表面涂層，易于實現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向，又能避免調(diào)剖劑的浪費［17］。

圖2 不同時間無機凝膠的宏觀形態(tài)Fig.2 Macroscopic morphology of inorganic gel at different time.

2.2 無機凝膠的微觀形態(tài)

2.2.1 光學(xué)顯微鏡照片

靜置6 h 后不同濃度無機凝膠微觀形態(tài)光學(xué)顯微鏡觀測結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，當(dāng)Na2SiO3濃度大于0.03 mol/L時，生成的無機凝膠呈大片分布狀態(tài)。隨Na2SiO3濃度降低，無機凝膠生成量減小，晶體間排列更加稀疏。

圖3 無機凝膠的光學(xué)顯微鏡照片（×35）Fig.3 Optical microscope photographs of inorganic gel(×35).

2.2.2 SEM 照片

無機凝膠的SEM 照片見圖4。由圖4 可知，生成物整體雜亂無章，呈多個小聚集體狀分布，大顆粒表面附著細(xì)小顆粒。

圖4 無機凝膠的SEM 照片F(xiàn)ig.4 SEM images of inorganic gel.

2.3 無機凝膠的耐溫性測試

2.3.1 溫度對體系膠凝化程度的影響

將試樣分別置于25，45，65，95 ℃的恒溫箱內(nèi)，記錄體系完全膠凝化后微凝膠體積，并計算體系膠凝化程度［17］。溫度與體系膠凝化程度關(guān)系曲線見圖5。由圖5 可知，當(dāng)溫度一定時，Na2SiO3濃度越高，體系膠凝化程度越大；當(dāng)Na2SiO3濃度一定時，溫度對體系膠凝化程度的影響不大，說明溫度對體系膠凝化程度和封堵效果不會造成明顯影響。這是因為當(dāng)溫度一定時，Na2SiO3濃度越大，體系中可與溶劑水中成垢離子發(fā)生反應(yīng)的離子濃度越大，能發(fā)生反應(yīng)生成的微凝膠體積越大，故整個體系的膠凝化程度越高；當(dāng)Na2SiO3濃度一定時，溶液中初始反應(yīng)離子濃度恒定，溫度只對體系反應(yīng)速率有影響，而對其膠凝化程度影響不大。

圖5 溫度與體系膠凝化程度關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between temperature and degree of gelation.Na2SiO3 concentration/(mol·L-1)：● 0.005；■ 0.01；▲ 0.03；▲ 0.06；◆ 0.1

2.3.2 溫度對體系沉降速度的影響

不同沉降距離百分?jǐn)?shù)對應(yīng)的沉降時間見表2。

表2 不同沉降距離百分?jǐn)?shù)的沉降時間測試結(jié)果Table 2 Test results of settlement time with different settlement distance percentages

由表2 可知，Na2SiO3與海水中成垢離子的反應(yīng)過程對溫度不敏感，不同溫度條件下，同一沉降距離百分?jǐn)?shù)對應(yīng)的沉降時間相差幅度不大，生成物在常溫和高溫條件下均可保持較好懸浮狀態(tài)。這說明環(huán)境溫度對反應(yīng)生成物的沉降速度影響不大。

2.3.3 溫度對無機凝膠黏度的影響

待體系凝膠化后，用布氏黏度計測量無機凝膠體系黏度，取多次測量平均值作為最終數(shù)據(jù)，溫度與無機凝膠黏度關(guān)系曲線見圖6。由圖6 可知，無機凝膠黏度對溫度變化不敏感，隨溫度變化不大，說明無機凝膠耐溫性較好，適用于高溫油藏［17］；另外，無機凝膠體系黏度較低，表明具有良好注入性，可以避免對中低滲透層造成傷害和實現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向。

圖6 溫度與無機凝膠黏度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between temperature and viscosityof inorganic gel.Na2SiO3 concentration/(mol·L-1)：● 0.005；■ 0.01；▲ 0.03；▲ 0.06；◆ 0.1

2.4 無機凝膠黏彈性測試

無機凝膠儲能模量和損耗模量與振蕩頻率的關(guān)系曲線見圖7。由圖7 可知，在Na2SiO3濃度一定條件下，無機凝膠儲能模量大于損耗模量，說明其彈性優(yōu)于黏性。在振蕩頻率一定條件下，隨Na2SiO3濃度升高，無機凝膠儲能模量和損耗模量均增大。在礦場應(yīng)用中，一般需要封堵劑具有一定黏彈性，可以抵御注入過程中多孔介質(zhì)剪切破壞作用［13］。

2.5 傳輸運移能力及封堵性試驗

采用地層水配制濃度為0.03 mol/L 的Na2SiO3溶液，在多測壓孔均質(zhì)方巖心上開展無機凝膠傳輸運移能力和封堵效果試驗。后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時各測壓點區(qū)間壓力梯度見表3，實驗過程中各測壓點注入壓力與注入體積關(guān)系曲線見圖8。由表3 和圖8 可知，藥劑與地層水交替注入過程中，沿巖心長度方向各個測壓點壓力和各段區(qū)間壓力梯度受交替注入輪次與注入端距離的影響。當(dāng)藥劑濃度一定時，壓力或壓力梯度增幅與距注入端距離呈反比。由壓力梯度比可以看出，無機凝膠在地層中逐漸形成，且具有較好傳輸運移能力。在后續(xù)水驅(qū)的過程中，壓力或壓力梯度基本保持恒定，表明巖心內(nèi)形成的無機凝膠具有較強耐沖刷能力。

圖7 無機凝膠儲能模量和損耗模量與振蕩頻率的關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between energy storage modulus and loss modulus and oscillation frequency.G ′：energy storage modulus；G＂：loss modulus；f：oscillation frequency.G ′，Na2SiO3 concentration/(mol·L-1)：◆ 0.005；▲ 0.01；▲ 0.03；■ 0.06；● 0.1；G＂，Na2SiO3 concentration/(mol·L-1)：◇ 0.005；△ 0.01；△ 0.03；□ 0.06；○ 0.1

表3 后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時各測壓點區(qū)間壓力梯度Table 3 Pressure gradient at each pressure point interval of subsequent water flooding

在巖心滲透率為488×10-3μm2的條件下，無機凝膠阻力系數(shù)為3.93，殘余阻力系數(shù)為4.65，平均封堵率為78.52%，巖心前部封堵率為89.89%，中部封堵率為64.96%，后部封堵率為17.91%。由此可知，當(dāng)巖心滲透率較低時，巖心前部與中部封堵率相對較高，達到64.00%以上，這是由于無機凝膠黏度較低，易注入且具有一定黏彈性，因此在孔喉體積及孔喉半徑較小的條件下，無機凝膠也不易被剪切破壞，故在巖心前部與中部區(qū)域均有較高封堵率。

圖8 注入壓力與注入體積關(guān)系曲線Fig.8 The relationship between injection pressure andinjection volume.PV：injection volume.■ Injection pressure；▲ Pressure point 1；● Pressure point 2

3 結(jié)論

1）高礦化度海水中成垢離子可以與Na2SiO3反應(yīng)生成無機凝膠。無機凝膠密度與水接近，耐溫性、懸浮性和注入性良好。同時，它具有一定黏彈性，在儲層多孔介質(zhì)內(nèi)不易發(fā)生剪切破壞，易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離放置及深部液流轉(zhuǎn)向。

2）溫度對無機凝膠的膠凝化程度、沉降速度和黏度影響不大，說明無機凝膠熱穩(wěn)定性良好，可以在高溫環(huán)境中保持性能長期穩(wěn)定，尤其適用于高溫高鹽油藏。

3）在滲透率為488×10-3μm2條件下，無機凝膠在巖心前部區(qū)域封堵率為89.89%，中部為64.96%，后部為17.91%。

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