WQ100型聚合物微球理化性質(zhì)及注入?yún)?shù)優(yōu)化

朱家杰，施盟泉，曹榮榮，周廣卿，馬 波，劉宇鵬

(1.長慶油田分公司 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018；2.中國科學院 理化技術(shù)研究所，北京 100190)

引 言

隨著低滲透裂縫性油藏壓裂注水開采的不斷進行，油井含水逐漸增高，采用調(diào)整注采比和采油強度的方法進行增油控水效果十分有限[1]。而傳統(tǒng)的調(diào)剖堵水方法又存在封堵強度與可注入性之間的矛盾[2-3]，只能作用于低滲透油藏的近井地帶，難于進入到油藏深部，整體增產(chǎn)效果欠佳。聚合物微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)是近些年發(fā)展起來的有效提高采收率的新技術(shù)[4-8]，聚合物微球具有粒徑小，可沿地層水順利進入到地層深部，對地層水礦化度不敏感，耐剪切等特性，非常適合在地層物性相對較差的低滲透油藏應用[9-11]。

目前關(guān)于聚合物微球的室內(nèi)實驗及現(xiàn)場應用主要集中在中高滲油藏[12-13]，而針對低滲透油藏開展的相關(guān)研究鮮有報道。為了使聚合物微球產(chǎn)品更好地適用低滲透油田現(xiàn)場應用，充分發(fā)揮其自身的性質(zhì)特點，以期達到最佳的投入產(chǎn)出比，非常有必要在低滲透地質(zhì)條件下，開展對微球基本理化性能的系統(tǒng)性測試評價，并對微球的注入濃度和段塞大小等注入?yún)?shù)進行優(yōu)化，進而指導油田現(xiàn)場應用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料：WQ100型聚合物微球(長慶油田現(xiàn)場取樣)、無水乙醇、3號工業(yè)白油(辛集市景山石油化工廠)、模擬地層水礦化度54 037 mg/L、石英砂(20～40目和200～320目兩種)、亞甲基藍。

實驗儀器：Malvern Zetasizer 1000HS/300HS激光光散測粒度分析儀、HORIBA LA300激光光散射粒度分析儀、生物透射電子顯微鏡HT7700、BrookField DV-III型黏度計、液體密度計、電子天平(精度0.01g)、恒溫烘箱(精度0.1℃)、平面填砂可視化巖心模型(自制)等。

平面填砂可視化巖心模型為上下兩層透明有機玻璃板，四周采用夾持器固定，底層中間填砂區(qū)域長60 mm，寬60 mm，深3 mm，模型左下角(入口端)至右上角(出口端)沿對角線為貫穿模擬裂縫(寬2 mm，深3 mm)，采用20～40目石英砂裝填，模擬地層深部次級微裂縫；裂縫兩側(cè)采用200～320目石英砂人工裝填壓實，模擬低滲透地層，模型整體平均滲透率13×10-3μm2。

1.2 實驗方法

(1)通過液體密度計測量25℃下WQ100型聚合物微球產(chǎn)品密度；用BrookField DV-III型黏度計測量其黏度(1號轉(zhuǎn)子，25℃，6 r/min)；用模擬地層水配制5 000 mg/L微球水分散液評價其水分散性。

(2)用無水乙醇將WQ100型產(chǎn)品中的聚合物微球洗滌、析出沉淀、烘干、稱量，計算固體沉淀物與產(chǎn)品原液的質(zhì)量百分比作為其可分離固形物含量。

(3)用Malvern Zetasizer1000HS/300HS激光光散測粒度儀測量微球在3號工業(yè)白油中的初始粒徑分布。

(4)用模擬地層水配制2 000 mg/L的微球水分散液，通氮密閉放置于55 ℃的恒溫烘箱中老化，用HORIBA LA300激光光散射粒度儀測量微球水分液初始和老化10 d、20 d、30 d后的粒度分布。

(5)取微球水分散液初始和老化10 d、20 d、30 d后的樣品，在覆碳銅網(wǎng)上點樣、染色，放置于生物透射電子顯微鏡HT7700中觀察并拍攝微球微觀形貌照片。

(6)注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗采用平面填砂可視化驅(qū)油裝置，實驗流程見圖1。模擬原油黏度5 mPa·s，泵速0.03 mL/min，微球水分散液在55 ℃烘箱中密閉老化5 d以上。

圖1 平面填砂可視化驅(qū)油實驗流程Fig.1 Flow chart of planar sand-filling visual flooding experiment

填砂模型先注水測滲透率，后飽和模擬原油，放置平衡24 h，用亞甲基藍染色過的模擬地層水驅(qū)替至油水平衡，再分別注入1 000 mg/L，0.4 PV；2 000 mg/L，0.2 PV；5 000 mg/L，0.08 PV微球水分散液，后轉(zhuǎn)持續(xù)注水0.2 PV。上述過程中采用高像素相機拍攝可視化填砂模型，最后用圖像識別軟件Image J對3種不同注入?yún)?shù)條件下的注水波及面積進行統(tǒng)計對比分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 基本理化性能評價

WQ100型聚合物微球產(chǎn)品為黃色透明流動液體，靜置不分層；25℃時的密度為1.013 g/cm3，與油藏地層水密度接近；在模擬地層水中可以快速分散，形成穩(wěn)定的白色不透明乳狀液，無沉淀絮體。低黏度的流動液體保證了WQ100型聚合物微球產(chǎn)品可以沿注水管線在線注入，注入水中良好的分散性和接近地層水密度保證了微球可以順利通過近井地帶進入到油藏深部，不會由于微球團聚或沉降而在近井地帶產(chǎn)生堆積，造成注入困難的問題。

WQ100型聚合物微球產(chǎn)品的可分離固形物質(zhì)量分數(shù)為22%，即單噸產(chǎn)品中所含有的高分子微球總質(zhì)量占到22%，其余都是制備過程中加入的油、表面活性劑和水，占到78%。相同初始粒徑的聚合物微球產(chǎn)品，注入濃度一致的條件下，可分離固形物質(zhì)量分數(shù)越高，注入到地層中的微球數(shù)量就越多，對地層高滲水通道的封堵作用就越強。因此，為了提高單噸聚合物微球產(chǎn)品所含有的微球數(shù)量，減少注入到地層中的無效組分，研發(fā)更高的可分離固形物質(zhì)量分數(shù)的聚合物微球產(chǎn)品將是今后的方向之一。

2.2 粒徑變化規(guī)律

用Malvern Zetasizer 1000HS/300HS激光光散測粒度分析儀測試了WQ100型聚合物微球產(chǎn)品的初始平均粒徑為129.2 nm。納米級的初始粒徑可以保證聚合物微球順利通過低滲油藏的近井地帶到達地層深部，起到深部調(diào)驅(qū)的作用。

用HORIBA LA300激光光散射粒度分析儀測試了聚合物微球水分散液經(jīng)過55 ℃密封老化不同時間后的微球粒徑分布情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 WQ100型聚合物微球水分散液微球粒徑分布隨老化時間變化情況Fig.2 Variation of aqueous dispersion microphere size distribution of WQ100 polymer microspheres with aging time

如圖2所示，聚合物微球在地層水溫度和礦化度的作用下，平均粒徑隨老化時間的延長而逐漸變大，發(fā)生了水化膨脹。實際注入到地層的聚合物微球，隨注入水運移到油藏深部后，可以有效地對后續(xù)注水產(chǎn)生水阻，使水繞流，從而擴大水波及體積，起到降水增油的作用。

2.3 微觀形貌表征

對不同老化時間后的聚合物微球微觀形貌進行觀測，結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，WQ100型聚合物微球初始形貌為類球形，邊緣清晰，存在一定的大小分布；從圖3(b)可以看出，55 ℃條件下，微球經(jīng)過老化后邊緣變得模糊，發(fā)生了一定程度的水化；從圖3(c)可以看出，老化20 d后，微球由于水化其體積發(fā)生了膨脹，粒徑變大；從圖3(d)可以看出，微球經(jīng)過30 d的老化，其邊緣水化嚴重，連接成片，但中間仍存在顏色較深的未水化核心。

圖3 WQ100型聚合物微球不同老化時間條件下的透射電鏡照片F(xiàn)ig.3 TEM photographs of aqueous dispersion of WQ100 polymer microspheres in different aging time

2.4 注入?yún)?shù)優(yōu)化

在模擬低滲透油藏貫穿型裂縫平面填砂可視化驅(qū)油實驗中，保持WQ100型聚合物微球的總注入量(注入濃度×PV數(shù))一致，采用3種不同的注入?yún)?shù)進行微球調(diào)驅(qū)，后轉(zhuǎn)持續(xù)注水0.2 PV。對比3組實驗中注水驅(qū)油平衡時和注微球調(diào)驅(qū)后注入水波及面積的變化情況，結(jié)果如圖4所示(圖中藍色部分為注入水波及的部分)。

圖4 不同注入?yún)?shù)條件下平面填砂可視化驅(qū)油模型注入水波及面積變化照片(圖中左下角為進液口，右上角為出液口)Fig.4 Oil displacement process photographs in planar sand-filling visual displacement model under different injection parameters

采用圖像處理軟件Image J對采集到的照片進行處理，統(tǒng)計藍色注入水波及面積的變化情況，結(jié)果見表1。

表1 同注入?yún)?shù)條件下注入水波及面積統(tǒng)計Tab.1 Statistics of sweep area of injected water under different injection parameters

從表1中可以看出，模型采用3組不同注入?yún)?shù)進行微球調(diào)驅(qū)實驗，雖然所用的聚合物微球總量(注入濃度×PV數(shù))一致，但其注入水波及面積的變化情況卻存在較大差異。采用低濃度長段塞(1 000 mg/L，0.4 PV)注入?yún)?shù)進行微球調(diào)驅(qū)，注入水波及面積變化最為明顯，因為注入濃度相對較低的微球可以使其分布范圍更廣，隨著微球的不斷注入，新形成的注水波及通道內(nèi)可以得到后續(xù)注入微球的有效補充，從而使得微球的有效利用率提高，但微球的整體注入時間較長，現(xiàn)場施工成本較高。而采用高濃度短段塞(5 000 mg/L，0.08PV)注入微球，短時間內(nèi)注入到模型中的聚合物微球相對集中，雖然對裂縫等注水優(yōu)勢通道可以產(chǎn)生一定程度的堵塞，但微球分布范圍相對較窄，注水轉(zhuǎn)向驅(qū)替所形成的新滲水通道內(nèi)沒有后續(xù)微球的及時補充，從而使得微球的整體有效利用率降低，注入水波及面積提高十分有限，但微球的整體注入時間相對較短，現(xiàn)場施工成本相對較低。考慮到微球現(xiàn)場實施的具體情況，采用中等濃度2 000 mg/L、中等段塞0.2 PV的注入?yún)?shù)，可以在保證一定調(diào)驅(qū)效果的前提下有效控制施工周期，以期達到最佳的投入產(chǎn)出比。

3 現(xiàn)場應用

長慶油田侯市油藏1992年投入開發(fā),主力油層長6，孔隙度13.3%，平均滲透率2.36×10-3μm2，平均單井產(chǎn)能1.5 t/d，綜合含水56.1%，采出程度12.47%，月注采比1.46。隨著開發(fā)年限延長，采出程度的增加，主力油層見水，含水持續(xù)上升。2016年對該油藏14口水井進行了注入聚合物微球的先導性試驗，注入濃度5 000 mg/L，微球類型為微米球，單井用量2 000 m3，對應油井累積增油3 439 t，單油井日增油0.12 t，產(chǎn)量階段遞減從5.0%下降到3.0%，含水上升率從1.9下降到0.6，投入產(chǎn)出比為1∶2.0；2017年先后在該油藏不同區(qū)塊進行了兩批次聚合物微球調(diào)驅(qū)試驗，第一批次2017年3月實施井16口，微球類型為WQ300和WQ100型，綜合考慮現(xiàn)場施工情況，不延長施工周期，仍保持單井用量2 000 m3，而微球注入濃度從5 000 mg/L下降到2 000 mg/L，相對于1 000 mg/L的注入濃度，聚合物微球采用2 000 mg/L注入，在不增加施工成本的同時，保證了單位時間內(nèi)注入到地層中的微球數(shù)量。相比2016年先導性試驗聚合物微球的整體用量減少，投入更少；對應井累計增油7 194 t，單油井日增油0.34 t，產(chǎn)量階段遞減從4.6%降到-7.2%，階段含水上升率從3.9下降到-0.71；第二批次2017年9月實施井11口，微球類型為WQ100型，仍采用2 000 mg/L注入，對應井累計增油2 714 t，單油井日增油0.2 t，產(chǎn)量階段遞減從8.4%下降到-2.4%，階段含水上升率從2.2降到-0.1，2017年兩批次微球調(diào)驅(qū)試驗均實現(xiàn)了凈增油，投入產(chǎn)出比可以達到1∶3.0；2018年微球調(diào)驅(qū)試驗井擴大到104口，采用2 000 mg/L注入WQ100型聚合物微球，凈增油效果非常穩(wěn)定，仍保持較高的投入產(chǎn)出比。

4 結(jié) 論

(1)WQ100型聚合物微球具有良好的穩(wěn)定性和流動性，密度接近于地層水，可以在地層水中快速分散并穩(wěn)定存在，20%左右的可分離固形物質(zhì)量分數(shù)相對較低，提高單噸聚合物微球產(chǎn)品所含有的微球數(shù)量，開發(fā)更高可分離固形物質(zhì)量分數(shù)的聚合物微球產(chǎn)品是未來的發(fā)展方向之一。

(2)WQ100型聚合物微球初始粒徑為納米級，微觀結(jié)構(gòu)為類球形，可以順利地通過近井地帶進入到地層深部。在地層水溫度和礦化度的作用下，逐漸發(fā)生水化膨脹，30 d后的平均粒徑可以達到數(shù)微米，對后續(xù)注水可以產(chǎn)生有效阻力，非常適合在低滲透油藏應用。

(3)在低滲透裂縫性油藏地質(zhì)條件下，聚合物微球注入總量(注入濃度×PV數(shù))一致，低濃度長段塞相比高濃度短段塞注水波及效果更顯著。考慮油田現(xiàn)場施工成本，采用中等濃度2 000 mg/L、中等段塞大小0.2 PV的注入?yún)?shù)，可以在保證一定調(diào)驅(qū)效果的前提下，合理控制綜合增產(chǎn)措施成本。

(4)現(xiàn)場應用結(jié)果表明，保持單井2 000 m3注入量不變，不增加施工成本的前提下，在2 000 mg/L濃度下注入聚合物微球WQ100，取得了顯著的降水增油效果，投入產(chǎn)出比可以達到1∶3。