聚合物微球非均質(zhì)調(diào)控能力研究

趙 帥，蒲萬芬，李科星，楊 洋

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610500）

聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)是處于高含水后期尤其是特高含水期的老油田進行剩余油挖潛，繼續(xù)提高原油采收率的高效驅(qū)替方式之一。與聚合物驅(qū)相比，聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)具有更為廣泛的適應(yīng)性，尤其是非均質(zhì)性特別嚴重的儲層，在油田開發(fā)提高采收率過程中發(fā)揮著重要作用[1-3]。微球注入油層后會水化膨脹，能對喉道進行封堵，又能因其彈性變形而通過喉道，具有“運移、封堵、彈性變形、再運移、再封堵”的特征，在高滲透帶不斷地封堵和運移，直達油層深部，從而有效增大油層，尤其是深部和油井附近的波及體積，大幅提高原油的采收率[4-8]。研究首先對實驗室自制的微球PM1進行了基本性能評價，然后研究了微球體系滲流速度和濃度對其在多孔介質(zhì)中的運移和封堵性能的影響以及微球的非均質(zhì)調(diào)控能力。研究結(jié)果對于聚合物微球進行非均質(zhì)調(diào)控具有理論和實際意義。

1 實驗部分

1.1 實驗條件

主要實驗材料：①大港油田官104區(qū)塊注入水礦化度約為25 036 mg/L；②聚合物微球PM1；③實驗巖心為石英砂膠結(jié)而成的人造巖心（?3.8 cm×7.5 cm）。

主要實驗儀器：Leica DMLB2光學(xué)顯微鏡、MCR302流變儀，DGM-III型多功能巖心驅(qū)替裝置、ISCO型恒壓恒速泵、SHZ-DC（III）真空泵、精密電子天平、巖心夾持器、中間容器、游標卡尺、六通閥等。

1.2 聚合物微球性能評價

1.2.1 聚合物微球微觀形貌

采用Leica DMLB2光學(xué)顯微鏡分析聚合物微球分散在注入水中的微觀形貌（圖1）。由圖1可知，微球PM1具有很高的圓球度，能夠均勻地分散在注入水中，粒徑為微球級。

圖1 聚合物微球微觀形貌Fig.1 Micromorphology of polymer microspheres

1.2.2 聚合物微球體系表觀黏度

分別采用4種不同礦化度的水（蒸餾水、10000mg/L和20 000 mg/L的NaCl溶液、注入水）配制質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的微球體系，將分散均勻的顆粒體系倒入西寧瓶中，密封并置于25℃環(huán)境中，水化膨脹10 d（膨脹倍率均趨于平衡），采用MCR302流變儀對顆粒體系的表觀黏度進行評價，實驗結(jié)果見圖2。

在較低的剪切速率下，顆粒體系的表觀黏度隨著剪切速率的增加而大幅降低。因為在該剪切速率范圍內(nèi)，顆粒體系表現(xiàn)為層狀有序結(jié)構(gòu)，粒子之間相互作用很小，切應(yīng)力僅在各層中發(fā)生有限變形和定向作用，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑形流體特性[2]。在較高的剪切速率下，凝膠顆粒體系的表觀黏度隨剪切速率的增加而略微增加或降低，且與水的黏度接近，這遠小于傳統(tǒng)調(diào)驅(qū)顆粒體系的表觀黏度。因此，可以直接用原有的注水管線來注微球體系。

圖2 聚合物微球體系表觀黏度隨剪切速率變化曲線（25℃）Fig.2 Apparent viscosity of the polymer microspheres system versus the shear rate（25 ℃）

1.3 單巖心驅(qū)替實驗

通過單巖心驅(qū)替實驗來研究滲流速度和微球質(zhì)量濃度對微球運移與封堵性能的影響。實驗步驟包括：

1）將巖心置于80℃恒溫烘箱內(nèi)充分干燥，測量其尺寸和干重；抽真空充分飽和實驗用水，測量濕重。

2）按圖3所示連接實驗裝置，測定巖心滲透率。

圖3 單巖心實驗流程Fig.3 Flow of single core displacement apparatus

3）0.5 PV水驅(qū)。

4）注入微球體系。

5）當微球驅(qū)過程中壓力穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)。

6）在后續(xù)水驅(qū)過程中壓力穩(wěn)定之后，停止實驗。記錄各階段的壓力變化，實驗溫度為常溫。

1.4 并聯(lián)巖心驅(qū)替實驗

選擇滲透率級差分別為2、5.4、10.1、16.1、20.7和25.1的并聯(lián)巖心，進行并聯(lián)巖心驅(qū)替實驗。步驟如下：

1）將巖心置于80℃恒溫烘箱內(nèi)充分干燥，測量其尺寸和干重；抽真空充分飽和實驗用水，測量濕重。

2）按圖3連接實驗設(shè)備，測定巖心滲透率。

3）按圖4連接實驗設(shè)備，水驅(qū)0.5PV。

4）注入0.5PV微球體系。

5）后續(xù)水驅(qū)1PV。

6）測定高、低滲透巖心的滲透率。記錄各階段高、低滲透巖心的分流量。實驗驅(qū)替流量為0.5 mL/min，實驗溫度為常溫。

圖4 雙并聯(lián)巖心實驗流程Fig.4 Flow of parallel cores displacement apparatus

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物微球運移與封堵性能

2.1.1 滲流速度的影響

將實驗流量換算為滲流速度：

式中：v為滲流速度，m/d；Q為流量，mL/min；A為巖心橫截面積，cm2。

實驗方案與結(jié)果分析見表1。由圖5和表1可得，注入壓力隨著微球的注入而明顯增加，這表明顆粒能夠?qū)缀硇纬煞舛?；壓力上升到某一峰值后，出現(xiàn)波動式下降的趨勢，說明在一定壓力下微球能夠突破喉道，之后凝膠顆粒繼續(xù)向巖心深部運移，直至下一次封堵、突破[9-11]。轉(zhuǎn)注水驅(qū)后，注入壓力有所下降并最終趨于穩(wěn)定。原因在于，凝膠顆粒傾向于進入低阻力高速滲流通道，因此，會增加該通道的流動阻力，使得流動阻力分布場發(fā)生變化，并最終達到一個平衡狀態(tài)[12]。阻力系數(shù)和封堵率均隨滲流速度的增加而減小。原因在于，一方面，滲流速度越快，流體拉拽力也越大，部分沉積在孔喉壁面的顆粒能夠釋放和彈性封堵的顆?？梢酝黄?，滲流阻力和封堵強度降低[13]；另一方面，由前述可知，該微球體系總體表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征，即微球體系的表觀黏度隨著剪切速率的增加有所下降，其表觀黏度的下降顯然降低了其滲流的阻力。此外，可以發(fā)現(xiàn)，當滲流速度從0.64 m/d增加到1.27 m/d時，阻力系數(shù)和封堵率下降明顯；當滲流速度從0.13 m/d增加到0.64 m/d時，阻力系數(shù)和封堵率下降趨勢變緩。這是因為在低流速下，凝膠顆粒在孔喉壁面的沉積以及對孔喉的封堵隨著速度的增大而減弱；在高流速下，顆粒能夠輕易地通過孔喉，對喉道的沉積和封堵作用明顯降低。實際油藏條件下，近井地帶壓降大，流體滲流速度高，這有利于顆粒向油藏深部運移；遠井地帶壓降小，流體滲流速度低，這有利于顆粒在油藏深部對高滲通道進行高效封堵，實現(xiàn)液流轉(zhuǎn)向，擴大波及體積。

圖5 不同滲流速度條件下注入壓力特征曲線Fig.5 Curves of injection pressure under different seepage velocity

表1 不同滲流速度條件下調(diào)驅(qū)特征參數(shù)Table1 Profile control and flooding characteristicparameters under different seepage velocity

2.1.2 質(zhì)量濃度的影響

實驗方案與結(jié)果分析見圖6和表2，微球注入壓力曲線上下波動幅度隨著體系質(zhì)量濃度的增加而加劇，阻力系數(shù)和封堵率均隨著體系質(zhì)量濃度的上升而增加。原因在于，同一驅(qū)替流量下，單位時間內(nèi)注入巖心的顆粒數(shù)量隨顆粒質(zhì)量濃度的增加而增大。顆粒質(zhì)量濃度的增加，進入巖心中的顆粒就越多，導(dǎo)致沉積在孔壁表面的顆粒數(shù)量增加，以及封堵孔喉的顆粒數(shù)量增加且壓實程度增強，所產(chǎn)生的附加流動阻力上升。同時，顆粒質(zhì)量濃度越大，滯留在巖心中的顆粒數(shù)量也越多，后續(xù)水驅(qū)時封堵強度也越高。

圖6 不同微球質(zhì)量濃度條件下注入壓力特征曲線Fig.6 Curves of injection pressure under polymer microspheres system with different mass concentration

表2 不同微球質(zhì)量濃度條件下調(diào)驅(qū)特征參數(shù)Table2 Profile control and flooding characteristic parameters under polymer microspheres system with different mass concentration

該實驗結(jié)果表明，微球體系質(zhì)量濃度過低無法對目標層進行有效封堵，質(zhì)量濃度過高又會對儲層造成傷害，且經(jīng)濟效益不佳。若計劃對目標層位實現(xiàn)高效封堵并綜合經(jīng)濟效益分析，微球體系質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.2%～0.3%。

2.2 聚合物微球非均質(zhì)調(diào)控能力

選擇滲透率級差分別為2、5.4、10.1、16.1、20.7和25.1的并聯(lián)巖心來進行物理驅(qū)替實驗，以此來評價微球的非均質(zhì)調(diào)控能力。根據(jù)微球粒徑與孔喉匹配關(guān)系研究[14-15]，所選高滲巖心滲透率約為1.1 μm2且與所用微球粒徑匹配程度高。

低滲透層傷害率用下式評價：

式中：t為低滲透層傷害率，%；Kl1、Kl2分別為注入微球體系前、后低滲透巖心水測滲透率，μm2。

并聯(lián)巖心驅(qū)替過程中高、低滲巖心分流率變化曲線見圖7。

1）初始水驅(qū)階段。高滲巖心的分流量遠高于低滲巖心的分流量，這反映了非均質(zhì)油藏注水過程中的吸水剖面。

2）注入顆粒階段。當滲透率級差≤10.1時，高滲（低滲）巖心的分流率總體呈波動式下降（上升）趨勢，能夠達到50%左右，這表明凝膠顆粒能夠有效地改善巖心的非均質(zhì)性；當滲透率級差＞10.1時，隨著滲透率級差的不斷增大，高滲巖心的分流率下降幅度逐漸變小，說明顆粒對高滲巖心的封堵是有一定限度的。

3）后續(xù)水驅(qū)階段。當滲透率級差為2和5.4時，高、低滲巖心的分流率相近；之后隨著滲透率級差的逐漸增加，高滲（低滲）巖心分流量逐漸增大（減?。?。表明滲透率級差對顆粒剖面改善能力有一定的影響，即隨著滲透率級差的增加，顆粒剖面改善能力逐漸降低。

圖7 驅(qū)替過程中高、低滲巖心分流率變化曲線Fig.7 Curves of flow rate of high and low permeable cores

表3 微球?qū)Σ⒙?lián)巖心的剖面改善性能Table3 Profile improvement ability of polymer microspheres to parallel cores

由表3可以得出，后續(xù)水驅(qū)后，低滲巖心傷害率≤10%，這說明顆?？蛇x擇性地進入高滲巖心，而很少部分粒徑較小的顆粒能夠進入低滲巖心。該結(jié)果表明顆粒粒徑與高滲巖心孔喉尺寸匹配程度高時，顆粒對低滲區(qū)域有一定的保護作用。當滲透率級差從2上升到25.1時，調(diào)驅(qū)后的低滲巖心相對吸水量從49.7%下降到26.2%。這是由于隨著滲透率級差的增大，即低滲巖心滲透率逐漸降低，流體在低滲巖心中的滲流阻力不斷增大，因此，導(dǎo)致后續(xù)流體更多地進入高滲巖心。而凝膠顆粒對高滲巖心的封堵強度有一定的限度，在一定的驅(qū)替動力下，顆粒會從孔壁表面釋放和在孔喉中再次運移，致使高滲巖心的分流率仍然較高，低滲巖心的分流變化不明顯。該結(jié)果表明，滲透率級差對微球深部調(diào)驅(qū)有著重要的影響。若將調(diào)驅(qū)后的低滲巖心相對吸水量≥35%的調(diào)驅(qū)措施規(guī)定為合格的調(diào)驅(qū)，則微球能夠有效改善儲層非均質(zhì)性的滲透率級差上限約為20。在實施凝膠顆粒進行深部調(diào)驅(qū)時，需根據(jù)實際油藏的非均質(zhì)情況，制定合理的方案。對于存在裂縫或大孔道等非均質(zhì)較強的油藏，可考慮采用大尺度和微尺度微球交替段塞復(fù)合調(diào)驅(qū)技術(shù)。

3 結(jié)論

1）微球PM1粒徑為微米級，具有很高的圓球度。在較高的剪切速率下，其表觀黏度與水接近。

2）微球?qū)缀淼姆舛履芰﹄S著滲流速度的降低或質(zhì)量濃度的增加而增強。實際油藏條件下，近井地帶流體滲流速度高，遠井地帶流體滲流速度低，這些均有利于凝膠顆粒實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)。若計劃對目標層位實現(xiàn)高效封堵并綜合經(jīng)濟效益分析，微球體系質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.2%～0.3%。

3）微球具有較強的非均質(zhì)調(diào)控能力，隨著滲透率級差的增加，顆粒剖面改善能力逐漸降低。顆粒粒徑與高滲巖心孔喉尺寸匹配程度高時，顆粒對低滲區(qū)域的傷害率隨著滲透率級差的增加而降低。

4）若將調(diào)驅(qū)后低滲巖心相對吸水量≥35%的調(diào)驅(qū)措施規(guī)定為合格的調(diào)驅(qū)，則微球能夠有效改善儲層非均質(zhì)性的滲透率級差上限約為20。對于存在裂縫或大孔道等非均質(zhì)強的油藏，可考慮采用大尺度和微尺度微球交替段塞復(fù)合調(diào)驅(qū)技術(shù)。