深部調(diào)驅(qū)用凝膠顆粒與孔喉適應(yīng)性評價

王 飛

（中國石化中原油田分公司，河南濮陽 457001）

地層非均質(zhì)導(dǎo)致原油難以采出，而長期水驅(qū)導(dǎo)致地層的非均質(zhì)性更加嚴重［1-2］，在非均質(zhì)油藏未波及區(qū)域仍有65%～77%的剩余油。因此，擴大波及系數(shù)是提高非均質(zhì)油藏采收率的關(guān)鍵技術(shù)途徑。擴大水驅(qū)波及系數(shù)主要通過多種調(diào)剖措施的配合使用，在這些措施中聚合物驅(qū)、凍膠驅(qū)、凝膠驅(qū)和泡沫驅(qū)被廣泛應(yīng)用［3-4］；其中凍膠驅(qū)因其成本低、成膠時間和強度可控等優(yōu)勢應(yīng)用較多，但由于地下交聯(lián)過程受油藏物性和化學(xué)條件影響很大，比如油藏溫度、地層水礦化度、剪切作用和pH 值，這些敏感因素會加快凍膠的脫水效果，甚至措施失效。

為了克服凍膠地下交聯(lián)失效的問題，地面預(yù)交聯(lián)體系凝膠顆粒具有尺寸范圍廣、強度可調(diào)、低成本和易制備等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，取得較好的增油效果［5-7］，但是其進入油藏深部的能力有限，導(dǎo)致施工有效期短。目前針對凝膠顆粒與地層孔喉適應(yīng)性的研究較少，在油田現(xiàn)場實踐中缺少對凝膠顆粒與孔喉精確匹配規(guī)律及深部運移機制的認識，導(dǎo)致大尺度凝膠顆粒注入壓力過高、注入距離短，小尺度凝膠顆粒無法封堵高滲透條帶，從而降低了深部調(diào)驅(qū)措施的成功率。近年來，通過建立多孔模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ停A(yù)測顆粒通過孔喉的阻力系數(shù)及穩(wěn)態(tài)注入壓力等參數(shù)隨顆粒強度、剪切速率的變化規(guī)律［8-12］，但對于凝膠顆粒與孔喉適應(yīng)性及深部運移機制方面的研究還存在一定的不足，特別是在深部調(diào)驅(qū)性能和提高采收率能力方面，尚未有系統(tǒng)的研究。為此，筆者對孔喉半徑進行定量研究，分析深部調(diào)驅(qū)用凝膠顆粒與孔喉的匹配關(guān)系、深部運移封堵機制及提高采收率性能，以期為凝膠顆粒在油田的應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實驗器材及方法

1.1 實驗器材

實驗材料 實驗用凝膠顆粒的粒度中值為2.1～40 μm，彈性模量為3 600～4 000 Pa，密度為0.95～1.05 g/cm3。實驗用水為油井產(chǎn)出水，總礦化度為24×104mg/L；其中Ca2++Mg2+，SO42-，HCO3-，Cl-質(zhì)量濃度分別為5 000.5，652.6，5 950.19，124 668.51 mg/L，其他為Na+和K+；為消除氫的干擾，在水中加入質(zhì)量濃度為15 000 mg/L 的MnCl2水溶液。地層模擬原油的黏度為1.25 mPa·s。

實驗儀器 實驗儀器包括高溫高壓在線核磁共振儀（MacroMR700，紐邁科技有限公司）、恒溫箱（北京衛(wèi)星儀器廠）、無磁巖心夾持器（尤尼柯上海儀器有限公司）、ISCO 恒速恒壓泵（江蘇南通華興石油儀器）、壓力表及量筒等。

1.2 實驗方法

1.2.1 孔喉半徑測定

通過飽和原油后進行不同水驅(qū)體積實驗，采用高溫高壓在線核磁共振儀測定不同水驅(qū)階段的孔喉半徑，以分析其演化規(guī)律。核磁共振磁場強度為（530±20）mT，分為X，Y和Z共3 個方向，梯度值為0.025 T/m，承重為700 kg。射頻場射頻脈沖頻率為1～30 MHz，射頻頻率控制精度為0.01 Hz。實驗步驟為：①飽和巖心，抽真空，飽和地層水，水驅(qū)替巖心達到3 PV 以上。②以速度為0.1 mL/min 驅(qū)替巖心，驅(qū)替100 PV，繪制不同注入量條件下的核磁共振T2譜。

1.2.2 凝膠顆粒通過性能測定

利用激光粒度分析儀，在恒壓為200 kPa 條件下測定過濾前后凝膠顆粒的粒徑分布，明確粒徑與孔喉的匹配關(guān)系。實驗步驟為：①選用過濾水潤濕的孔徑為2.0 μm 的微孔濾膜，并在多孔介質(zhì)中平鋪放置。②將凝膠顆粒緩慢加入容器，并在實驗設(shè)定壓力下，過濾凝膠顆粒溶液。③分別取10 mL 過濾前后的凝膠顆粒溶液測定粒徑。

1.2.3 凝膠顆粒在孔喉中的深部運移-封堵性能測定

通過多孔測壓裝置測定凝膠顆粒在不同進入深度的壓力，反映深部運移和封堵性能。實驗步驟為：①選用Φ2.5 cm×100 cm 的長巖心，飽和水，測量滲透率。②將長巖心的5 個測壓點與傳感器連接。③以速度為1.0 mL/min 注入水1 PV，再注入1 PV 質(zhì)量分數(shù)為0.5%的凝膠顆粒溶液。④后續(xù)以速度為1.0 mL/min 注入水4 PV。實驗過程中記錄每個時刻的產(chǎn)液量和各點壓力。

1.2.4 雙管非均質(zhì)巖心剖面改善性能表征

通過高、低滲透雙管巖心的產(chǎn)液量變化，表征凝膠顆粒對非均質(zhì)層間的剖面改善率。實驗步驟為：①選用Φ2.5 cm×30 cm 的巖心，飽和水，測量滲透率。②將巖心組并聯(lián)。③保持水驅(qū)至巖心的產(chǎn)液量穩(wěn)定。④注入0.5 PV 質(zhì)量分數(shù)為0.5%的凝膠顆粒溶液。⑤后續(xù)水驅(qū)至巖心的產(chǎn)液量穩(wěn)定。實驗過程中的注入速度均為1.0 mL/min，分別記錄每個時刻的單管巖心產(chǎn)液量，并計算分流量和剖面改善率［13］。

1.2.5 三層非均質(zhì)巖心提高采收率計算

通過采用物性相近的三層非均質(zhì)巖心，注入不同粒徑的凝膠顆粒以測定粒徑與提高采收程度的關(guān)系。選用3個尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm的巖心模型，分別記為1#，2#和3#巖心；每塊巖心的3 層滲透率分別為200，500 和1 500 mD；巖心的孔隙度為20%～24%，具有反韻律沉積。實驗步驟為：①抽真空、飽和模擬水，計算孔隙體積。②飽和原油，老化48 h。③以速度為1.0 mL/min 水驅(qū)，至產(chǎn)出液含水率達到95%，計算采出程度。④以速度為1.0 mL/min 注入0.3 PV 的凝膠顆粒溶液。⑤以速度為1.0 mL/min 水驅(qū)，至產(chǎn)出液含水率達到95%，計算采出程度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 凝膠顆粒粒徑與孔喉半徑的匹配關(guān)系

2.1.1 孔喉半徑定量分析

根據(jù)巖心壓汞曲線，將核磁共振T2譜換算為孔喉半徑（圖1），可看出注入量增至7 PV 時孔喉半徑分布范圍變寬，由開始的0.01～10 μm 增至0.01～19.22 μm；當注入量增至60 PV，孔喉半徑分布范圍增 至0.01～51.05 μm，此 時 孔 喉 半 徑 為19.22～51.05 μm 的孔喉占比明顯增大；當注入量增至70 PV，孔喉半徑呈明顯減小的趨勢。這是因為隨著注入量的增加，孔喉壁面的黏土礦物、膠結(jié)物在注入水沖刷下脫落，導(dǎo)致孔喉增大，大孔喉占比增加。同時，巖心中的黏土礦物組分遇水發(fā)生膨脹，后續(xù)水驅(qū)也會導(dǎo)致黏土礦物和碎屑堵塞大孔喉?；谀繕怂淖⑺浚缀戆霃皆?9.22 μm 以內(nèi)，核磁共振T2截止值為0.75 μm，因此目前水驅(qū)動用孔喉半徑為0.75～19.22 μm。

圖1 不同注入量條件下的孔喉半徑演化特征Fig.1 Distribution of pore-throat radius at different injection rates

2.1.2 凝膠顆粒通過性能評價

為更準確地測定凝膠顆粒在孔喉中的通過性能，采用已知的微孔濾膜尺寸作為孔喉半徑，測定凝膠顆粒通過微孔濾膜前后粒徑和含量的變化，從而定量得到粒徑與孔喉之間的匹配關(guān)系以及顆粒的運移方式（圖2）。

由實驗結(jié)果可知：通過微孔濾膜之前，凝膠顆粒隨水化時間的增加發(fā)生膨脹變大，導(dǎo)致其粒徑分布曲線發(fā)生右移且粒徑范圍逐漸擴大，顆粒充滿度逐步提高。通過微孔濾膜之后，粒徑的分布范圍更為集中，表現(xiàn)出小粒徑通過性好，大粒徑隨著水化時間的增加逐步通過；其中，凝膠顆粒的粒徑在水化時間為24 和48 h 時集中分布于約2.1 μm 處；72和100 h 時粒徑增大至約2.3 μm 處，說明凝膠顆粒的膨脹能力隨著水化時間的增加而增強。

圖2 不同水化時間條件下凝膠顆粒通過微孔濾膜前后的粒徑分布Fig.2 Distribution of gel particle radius in different hydration period before and after filtration

定義匹配因子（δ）為凝膠顆粒粒徑與微孔濾膜孔喉半徑之比。按δ的不同分布區(qū)間統(tǒng)計凝膠顆粒通過微孔濾膜前后不同水化時間條件下的分布頻率（表1），可以看出當δ≤1.0 時，無論水化多長時間，凝膠顆粒通過微孔濾膜能力均提高。當1.0＜δ≤1.5時，水化時間對凝膠顆粒的通過性能影響較大；當水化時間小于48 h，凝膠顆粒未充分水化，通過微孔濾膜的能力較差；水化時間超過72 h 后，凝膠顆粒變形能力逐漸增強，通過性能增強。當1.5＜δ≤3.0時，水化時間對凝膠顆粒微孔濾膜的通過性能影響較小，顆粒通過性能降低；當δ＞3.0 時，凝膠顆粒難以通過微孔濾膜。

分析凝膠顆粒通過微孔濾膜性能實驗結(jié)果，可以得出凝膠顆粒與孔喉半徑匹配關(guān)系的如下認識：①凝膠顆粒水化后的彈性變形是其通過孔喉的關(guān)鍵機理，其中凝膠顆粒粒徑對通過性能的影響較大，水化時間對1＜δ≤1.5 的凝膠顆粒通過性能影響較大。②當δ＞3.0 時，凝膠顆粒的變形能力不足以克服阻力通過孔喉而發(fā)生直接封堵，適合于近井地帶調(diào)剖。③當1.0＜δ≤1.5 時，凝膠顆粒水化后變性能力增強，可調(diào)整該區(qū)間內(nèi)凝膠顆粒比例以實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)；當1.5＜δ≤3.0時，凝膠顆?？稍鰪娚畈空{(diào)驅(qū)的封堵性，可用于控制調(diào)驅(qū)的深度。

表1 不同水化時間條件下凝膠顆粒通過微孔濾膜前后的分布頻率Table1 Distribution of δ in different hydration period before and after filtration

2.2 凝膠顆粒在孔喉中的深部運移-封堵性能評價

在最佳匹配因子條件下，選擇適合的凝膠顆粒，通過多點測壓裝置測定凝膠顆粒的深部運移-封堵性能。實驗注入的凝膠顆粒進入孔喉，由于發(fā)生吸水膨脹和架橋等封堵作用，導(dǎo)致沿程測壓點的注入壓力上升。由圖3 可知，選擇與孔喉匹配的凝膠顆粒（粒度中值為36.8 μm），在各測壓點均有凝膠顆粒封堵引起注入壓力升高但升壓規(guī)律不同，表明凝膠顆粒的深部運移性能較好，既可以通過孔喉運移至深部，又能實現(xiàn)在不同區(qū)域的差異化封堵。后續(xù)水驅(qū)后，注入壓力仍可持續(xù)升高，封堵持續(xù)有效；隨著封堵壓力的升高，凝膠顆粒部分產(chǎn)生形變突破或剪切，注入壓力逐漸降低并保持在一個較高的穩(wěn)定值，凝膠顆粒在不同測壓點均可實現(xiàn)較好的調(diào)控效果。

圖3 不同測壓點注入壓力隨注入量的變化Fig.3 Effect of injected pore volume on injection pressure at different pressure measuring points

2.3 雙管非均質(zhì)巖心剖面改善性能評價

通過高、低滲透巖心并聯(lián)，注入凝膠顆粒，如果進入高滲透巖心，因封堵作用會迫使后續(xù)水驅(qū)發(fā)生液流轉(zhuǎn)向。實驗測定某時刻不同巖心產(chǎn)液量的變化以反映剖面改善性能。由圖4 可見，凝膠顆粒未注入巖心前，高滲透巖心分流量為93.5%，水驅(qū)壓力較低。在最佳匹配因子條件下，制備并選取與孔喉相匹配的凝膠顆粒（粒度中值為28.2 μm）；在注入凝膠顆粒過程中，出現(xiàn)低滲透巖心分流量超過高滲透巖心分流量的情況；高滲透巖心的分流量快速降低至23%，低滲透巖心的分流量上升至77%，且注入壓力從0.02 MPa 升至0.27 MPa。在后續(xù)水驅(qū)過程中，這種分流量改善效果持續(xù)有效，表明在最佳匹配因子條件下注入的凝膠顆粒可進入高滲透巖心并產(chǎn)生有效封堵，從而使后續(xù)水流轉(zhuǎn)向低滲透巖心，達到較好的剖面改善效果，剖面改善率可達97.2%。

圖4 非均質(zhì)巖心分流量和注入壓力隨注入量的變化關(guān)系Fig.4 Effect of injected pore volume on fractional flow and injection pressure of heterogeneous core

2.4 三層非均質(zhì)巖心提高采收率評價

選取3塊同時加壓制備且物性相近的三層反韻律非均質(zhì)巖心，采用合注合采的方式，模擬水驅(qū)后開展凝膠顆粒調(diào)驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)提高采收率實驗。其中1#，2#和3#巖心分別注入δ值為0.7，2.2 和3.8的凝膠顆粒。3 組非均質(zhì)巖心在各開發(fā)階段的注入壓力、含水率、采收率對比實驗結(jié)果如圖5 和表2 所示。

在水驅(qū)過程中，注入水多進入高滲透層，大部分原油被采出，但注入水無法波及中、低滲透層，與老油田的水驅(qū)采收率一致，約為40%。大量的原油殘留于中、低滲透層，因此需進行深部調(diào)驅(qū)增油。

圖5 3組非均質(zhì)巖心的含水率、注入壓力和采收率隨注入量的變化Fig.5 Effect of injected pore volume on water-cut，injection pressure and EOR of three heterogeneous cores

表2 不同匹配因子條件下非均質(zhì)巖心的驅(qū)油效果Table2 Oil displacement results of heterogeneous cores with different matching factors

在注入凝膠顆粒驅(qū)油過程中，壓力隨著凝膠顆粒的注入而升高，含水率下降，高滲透層的剩余油被凝膠顆粒驅(qū)替出一部分。從圖5 和表2 中可知：當δ值為0.7 和2.2 時，凝膠顆粒的粒徑較小，可以在高滲透層與孔喉發(fā)生橋接作用，形成封堵；但當δ值為3.8 時，3#巖心的壓力迅速升高，這是因為凝膠顆粒的粒徑偏大，難以進入高滲透層深部，導(dǎo)致采出程度較低。

在后續(xù)水驅(qū)過程中，3 個非均質(zhì)巖心的增油效果存在顯著差異。當δ值為0.7 時，由于凝膠顆粒過小，不能在孔喉中形成穩(wěn)定的架橋和聚集，已經(jīng)架橋的聚集體被后續(xù)注入水沖刷，幾乎沒有液流轉(zhuǎn)向作用，中、低滲透層的剩余油采出程度較低，壓力也沒有明顯的上升，說明凝膠顆粒不能對高滲透層形成長期有效的封堵，采出程度為4.6%。當δ值為3.8時，進行后續(xù)水驅(qū)，開始含水率發(fā)生明顯下降，但隨后急劇上升，實驗結(jié)果表明注入大尺寸凝膠顆粒有效封堵高滲透層，啟動前段的中、低滲透層；但由于封堵距離有限，隨后注入水從中低滲透層重新繞流至高滲透層導(dǎo)致水淹，含水率急劇上升，注入壓力快速下降，采出程度為11.5%。當δ值為2.2時，后續(xù)水驅(qū)過程中含水率明顯下降然后緩慢上升，壓力也緩慢下降，說明凝膠顆粒對高滲透層起到了深部封堵作用，后續(xù)注入水大量進入中低滲透層，具有液流轉(zhuǎn)向的作用，大量剩余油被驅(qū)替，后續(xù)水驅(qū)采出程度為20.1%，提高采收率達29.3%。綜上所述，凝膠顆粒粒徑與孔喉的匹配關(guān)系對深部調(diào)驅(qū)的作用深度影響較大，且凝膠顆粒具有液流轉(zhuǎn)向和提高采收率的作用。

3 結(jié)論

通過建立驅(qū)替實驗流程和核磁共振測試流程，定量確定調(diào)驅(qū)措施井目前水驅(qū)程度下孔喉半徑及分布。凝膠顆粒粒徑與孔喉的匹配關(guān)系對深部調(diào)驅(qū)的作用深度影響較大。當δ＞3.0 時，多發(fā)生直接封堵，適合近井地帶調(diào)剖；1.0＜δ≤3.0 時，多發(fā)生彈性變形，適合深部調(diào)驅(qū)。在注入壓力作用下，凝膠顆粒以滯留、吸附、架橋等形式對高滲透部位形成有效的封堵，對非均質(zhì)巖心的剖面改善率可達97.2%。凝膠顆粒具有良好的深部運移和封堵性能，能夠更好地改善非均質(zhì)性，達到提高采收率的目的，非均質(zhì)模擬驅(qū)油實驗結(jié)果表明凝膠顆粒可提高采收率29.3%。