聚合物凝膠溶液在巖心內(nèi)動(dòng)態(tài)運(yùn)移及成膠形態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究

錢志鴻，湯元春，袁玉峰，顧春元，朱偉民，鄧秀模

（1.中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州225009；2.上海大學(xué)，上海200040）

國(guó)內(nèi)大部分油田都存在明顯的縱向和平面非均質(zhì)性，在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，易形成了水驅(qū)優(yōu)勢(shì)通道，造成注入水快速竄進(jìn)，導(dǎo)致低效、無(wú)效水驅(qū)，造成注水系統(tǒng)能耗損失及后端大量污水處理負(fù)擔(dān)。 通過(guò)調(diào)剖封堵這些優(yōu)勢(shì)通道，改善油藏的非均質(zhì)性是改善水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果、提高原油采收率的關(guān)鍵［1］。在眾多的調(diào)剖體系中，聚合物類凝膠是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的一類調(diào)剖劑［2-4］。 從文獻(xiàn)報(bào)道分布來(lái)看，主要集中在聚合物凝膠配方研發(fā)、工藝優(yōu)化、效果評(píng)價(jià)等方面［5-6］，聚合物凝膠溶液在油藏孔道中的動(dòng)態(tài)運(yùn)移特征、成膠規(guī)律及后續(xù)注入水繞流等研究報(bào)道較少。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開(kāi)始在室內(nèi)對(duì)調(diào)剖物模進(jìn)行可視化研究， 從研究技術(shù)手段來(lái)分主要有3種：①微觀可視化模型是通過(guò)事先壓制或刻蝕一定的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)模擬真實(shí)巖心結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過(guò)程可透過(guò)玻璃直接觀察，是目前被應(yīng)用最多的一項(xiàng)技術(shù)，但是該模型的不足是無(wú)法真實(shí)模擬堵劑三維運(yùn)移［7-9］；②CT技術(shù)可以較真實(shí)地描述巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征，近年來(lái)也被應(yīng)用于調(diào)剖物模可視化研究，冷光耀、侯吉瑞等利用該技術(shù)研究了淀粉凝膠在裂縫性巖心中的運(yùn)移規(guī)律［10］，呂靜、劉玉章等成功采用該技術(shù)研究了水平井置壩封堵提高采收率的機(jī)理［11］，但是CT儀器比較昂貴，作為研究可視化的手段應(yīng)用頻率不高；③核磁共振成像通過(guò)外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波繪制成圖像，也能夠反映巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前利用核磁共振技術(shù)研究調(diào)剖機(jī)理多數(shù)采用原油為介質(zhì)，通過(guò)可視化描述調(diào)剖前后原油的形態(tài)變化來(lái)反映液流轉(zhuǎn)向作用，無(wú)法反饋凝膠的真實(shí)形態(tài)［12-14］。

本研究采用無(wú)信號(hào)的重水代替普通水配制凝膠溶液， 保證了凝膠溶液與驅(qū)替水的信號(hào)區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)了利用核磁成像技術(shù)直接對(duì)巖心中的凝膠進(jìn)行可視化成像，進(jìn)而研究聚合物凝膠溶液在非均質(zhì)巖心中的分流、運(yùn)移和封堵情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料主要包括人造非均質(zhì)巖心、重水（D2O）、聚合物、交聯(lián)劑、氟油等。 其中重水（D2O）是由氘和氧組成的化合物，相對(duì)分子質(zhì)量20.027 5，由于氘與氫的性質(zhì)差別極小， 因此重水和普通水也很相似。非均質(zhì)人造巖心直徑2.5 cm，長(zhǎng)度10 cm，級(jí)差為5，是由1 500×10-3μm2與300×10-3μm2兩種滲透率的半巖心柱體組成。 聚合物凝膠溶液采用重水配制而成，成膠后黏度分別為3 031 mPa·s、5 978 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)儀器：主要有ISCO柱塞泵，MINI MR低場(chǎng)核磁共振成像巖心驅(qū)替系統(tǒng)，HAKKE流變儀等。

1.2 調(diào)剖物模過(guò)程核磁成像基本原理

核磁共振檢測(cè)過(guò)程中需要將不同流體的信號(hào)的弛豫時(shí)間進(jìn)行區(qū)分。

凝膠的主體成分為水，所以凝膠和水的信號(hào)無(wú)法直接區(qū)分。 而重水無(wú)信號(hào)，但其它性能與普通水相似，因此使用重水替代普通水對(duì)凝膠性質(zhì)基本沒(méi)有影響。 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)重水配制的凝膠溶液進(jìn)行了T2譜和圖像檢測(cè)，均無(wú)信號(hào)顯示，驗(yàn)證了可以采用此方法區(qū)分水和凝膠溶液的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)巖心中水和凝膠溶液的形態(tài)區(qū)分，從而更直觀地觀察注入、運(yùn)移、成膠等過(guò)程凝膠的形態(tài)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

1.3.1 巖心預(yù)處理

切割、烘干巖心；磁性檢測(cè)，通過(guò)矢狀面和橫斷面成像效果判斷巖心的磁性強(qiáng)弱。 水驅(qū)，計(jì)算巖心的水測(cè)滲透率和孔隙度。

1.3.2 核磁共振參數(shù)調(diào)試

將巖心放入磁體后，通過(guò)核磁成像確定巖心位置，使其處于磁場(chǎng)中心。 對(duì)矢狀面和橫截面的切片厚度、切片間隔和切片位置進(jìn)行設(shè)置（見(jiàn)圖1）。 本實(shí)驗(yàn)中所有矢狀面和橫截面圖形均為上半部為高滲部分，下半部為低滲部分。

圖1 巖心矢狀面和橫斷面的切片位置選擇

1.3.3 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：水驅(qū)，注入速度0.5 mL/min，記錄水驅(qū)壓力，并對(duì)巖心掃描成像；改變某一工藝參數(shù)（注入速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、注入段塞量、頂替水量等）注入凝膠溶液，分別進(jìn)行掃描成像；凝膠溶液完成注入后候凝，掃描成像；繼續(xù)水驅(qū)，記錄壓力，并按階段掃描成像。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化設(shè)計(jì)：

（1）注入速度變化實(shí)驗(yàn)：分別按照0.5 mL/min、1 mL/min、2 mL/min速度注入凝膠溶液0.2 PV，每個(gè)速度注入凝膠溶液后進(jìn)行掃描成像；

（2）質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化實(shí)驗(yàn)：同等條件下，向2塊巖心中分別注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、0.4%的凝膠溶液0.6 PV，并進(jìn)行掃描成像；

（3）注入段塞量變化實(shí)驗(yàn)：按照0.5m L/min速度，向3塊巖心中分別注入0.2 PV、0.4 PV、0.6 PV的凝膠溶液，并進(jìn)行掃描成像；

（4）段塞組合實(shí)驗(yàn)：按照0.5 mL /min速度，向巖心中注入0.2 PV凝膠溶液+0.1 PV水+0.2 PV凝膠溶液的組合段塞，并進(jìn)行掃描成像；

（5）頂替量變化實(shí)驗(yàn)：同等條件下，對(duì)3塊均已注入0.4 PV凝膠溶液的巖心，分別再頂替0 PV、0.1 PV、0.2 PV的水，并進(jìn)行掃描成像；

（6）后續(xù)水驅(qū)實(shí)驗(yàn)：上述實(shí)驗(yàn)，候凝后進(jìn)行水驅(qū)，設(shè)計(jì)先按0.5 mL /min速度水驅(qū)，再提高至1 mL /min、2 mL /min速度水驅(qū)， 每個(gè)速度注入穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行一次掃描成像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凝膠溶液的選擇性

設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、0.4%的凝膠溶液注入巖心，作注凝膠溶液過(guò)程中的T2譜變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖2）。 由巖心中流體的核磁共振成像機(jī)制可知流體在巖心中的弛豫時(shí)間與巖心中的孔徑大小具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，信號(hào)幅度可表征對(duì)應(yīng)孔徑中流體的體積。

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%凝膠溶液注入過(guò)程T2譜

由圖可知，而隨著注入凝膠溶液PV數(shù)的增加以及注入速度（流量）的增大，水峰面積下降較明顯，這表明無(wú)信號(hào)的重水凝膠溶液逐漸進(jìn)入巖心中，驅(qū)替有信號(hào)的水從巖心出口端流出，使巖心中水的含量減少。 同時(shí)，峰的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)位置沒(méi)有發(fā)生明顯的偏移，即弛豫時(shí)間沒(méi)發(fā)生明顯變化，說(shuō)明在注入過(guò)程中，凝膠溶液在高低滲巖心中運(yùn)移驅(qū)趕水的速度相對(duì)均衡， 未發(fā)生孔徑分布比例的變化，說(shuō)明凝膠溶液進(jìn)入級(jí)差5:1的非均質(zhì)巖心的時(shí)間幾乎是同時(shí)的。

比較凝膠溶液進(jìn)入巖心前后的橫斷面信號(hào)強(qiáng)弱分布圖（見(jiàn)圖3）可知，盡管2種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的凝膠溶液進(jìn)入此級(jí)差的非均質(zhì)巖心的時(shí)間幾乎是同時(shí)的，但從高低滲巖心凝膠溶液信號(hào)的強(qiáng)弱差別來(lái)看，變化比較明顯，高滲部分信號(hào)明顯減弱，而低滲減弱的程度相對(duì)較小，說(shuō)明凝膠溶液在單位時(shí)間內(nèi)主要進(jìn)入的是高滲部分。 從兩種凝膠溶液進(jìn)入巖心前后橫斷面信號(hào)減弱的差值比較來(lái)看， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的凝膠溶液注入過(guò)程高低滲信號(hào)減弱的幅度差異更大，說(shuō)明質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí)，高滲分配進(jìn)入量越大，即選擇性越好。

圖3 凝膠溶液注入巖心時(shí)橫斷面信號(hào)強(qiáng)弱分布

2.2 凝膠溶液在巖心中運(yùn)移推進(jìn)形態(tài)

2.2.1 巖心運(yùn)移時(shí)凝膠溶液前端的形態(tài)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、0.4%凝膠溶液分別以1 mL/min、2 mL/min的注入速度注入巖心 （見(jiàn)圖4），比較不同情況下的矢狀面變化情況。 在相同注入速度下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%凝膠溶液在高滲區(qū)運(yùn)移的距離更遠(yuǎn)，說(shuō)明黏度越低，凝膠溶液在巖心中推進(jìn)速度越快；從凝膠溶液前端的形態(tài)來(lái)看，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%凝膠溶液前端形態(tài)整體呈三角狀突進(jìn)，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%凝膠溶液前端相對(duì)比較均勻，說(shuō)明隨著注入深度的加深，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)凝膠溶液前端已開(kāi)始出現(xiàn)指進(jìn)，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)凝膠溶液前端仍能保持較好地整體性推進(jìn)。

圖4 不同注入速度下凝膠溶液前端運(yùn)移特征

實(shí)驗(yàn)中， 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%凝膠溶液以0.5 mL/min速度注膠0.4 PV， 上層高滲部分明顯觀察到進(jìn)入較多凝膠溶液， 但凝膠溶液前端推進(jìn)相對(duì)比較均勻；以1.0 mL/min注膠到0.6 PV時(shí)，上層凝膠溶液的前端形態(tài)表現(xiàn)為下三角， 下層開(kāi)始略顯三角特征；以2.0 mL/min繼續(xù)注膠0.2 PV，即到0.8 PV時(shí)，上層凝膠溶液的下三角形態(tài)更加明顯， 下層開(kāi)始略顯三角特征。 說(shuō)明凝膠溶液注入速度越快，越容易造成凝膠溶液前端推進(jìn)不均，從實(shí)驗(yàn)來(lái)看在高滲部位凝膠溶液更容易出現(xiàn)指進(jìn)（見(jiàn)圖5）。

圖5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的凝膠溶液在不同注入速度時(shí)的前端形態(tài)

實(shí)驗(yàn)中凝膠溶液的前端突進(jìn)形態(tài)均表現(xiàn)為下三角形狀，分析認(rèn)為主要是凝膠溶液運(yùn)移過(guò)程中受重力作用的影響， 即凝膠溶液在同一滲透率部分，也會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔贸霈F(xiàn)下部聚集較多的情況，導(dǎo)致下部的凝膠溶液推進(jìn)更快。 實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%凝膠溶液前端形態(tài)雖然基本呈整體前進(jìn)，但在高低滲結(jié)合位置也出現(xiàn)少量凝膠溶液指進(jìn)現(xiàn)象，分析認(rèn)為由于巖心制作的原因此處的滲透率相對(duì)較高，所以易在此處發(fā)生指進(jìn)現(xiàn)象，說(shuō)明巖心的非均質(zhì)性是凝膠溶液突進(jìn)重要影響因素，即非均質(zhì)性越強(qiáng)，凝膠溶液越易往該高滲部位突進(jìn)。

2.2.2 凝膠溶液整體運(yùn)移穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)以同樣速度（0.5 mL/min）、同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.4%）注入不同劑量（0.2、0.4 PV）的凝膠溶液，之后均頂替0.2 PV的清水，比較不同劑量下凝膠溶液的運(yùn)移形態(tài)（見(jiàn)圖6）。

圖6 不同劑量凝膠溶液注入過(guò)程矢狀面變化

從實(shí)驗(yàn)中矢狀面變化來(lái)看，注0.4 PV凝膠溶液后，巖心高滲端信號(hào)比注0.2 PV的凝膠溶液下降更為明顯，主要是因?yàn)?.2 PV的量凝膠溶液前端在注入過(guò)程中被巖心中的水稀釋，信號(hào)改變較0.4 PV要小，說(shuō)明注入劑量越大凝膠溶液聚集性越好，越容易整體運(yùn)移，抗稀釋能力越強(qiáng)，有利于成膠封堵；在頂替0.2 PV清水后， 均可以觀察到凝膠溶液段塞向巖心中部推進(jìn)了一定距離，證明了后置頂替可以起到推動(dòng)凝膠溶液運(yùn)移的作用，但是凝膠溶液的運(yùn)移形態(tài)不是理想狀態(tài)的段塞式推進(jìn)，在高滲下部有明顯變亮的水信號(hào)，說(shuō)明注入水也會(huì)受非均質(zhì)性的影響而突進(jìn)，形成一定的水道，這啟示我們?cè)谠O(shè)計(jì)調(diào)剖后置頂替段塞時(shí)，必須兼顧頂替作用和被稀釋的風(fēng)險(xiǎn)，合理設(shè)計(jì)后置頂替的量。

實(shí)驗(yàn)考察了多段塞間隔注入的工藝中凝膠溶液運(yùn)移特征（見(jiàn)圖7），從實(shí)驗(yàn)來(lái)看，采用0.2 PV凝膠溶液+0.1 PV水+0.2 PV凝膠溶液的方式， 完成0.4 PV的凝膠溶液注入時(shí)，第一段凝膠溶液的運(yùn)移位置能達(dá)到接近巖心1/2位置處，說(shuō)明這種中間隔離的段塞注入方式也能實(shí)現(xiàn)段塞式推進(jìn)。 但是從陰影面積分布來(lái)看，中間隔離水信號(hào)明顯大于0.1 PV的量，說(shuō)明凝膠溶液段塞與中間隔離水的段塞的邊緣存在一定互溶現(xiàn)象，因此，方案設(shè)計(jì)時(shí)，中間隔離的劑量須控制好，保證不會(huì)對(duì)主段塞起到太大稀釋作用。

圖7 凝膠溶液籠統(tǒng)、分段注入過(guò)程矢狀面變化

2.3 液流轉(zhuǎn)向作用

在凝膠溶液完全成膠后，設(shè)計(jì)不同注入速度的后續(xù)注水， 分析凝膠耐沖刷性和后續(xù)水繞流情況（見(jiàn)圖8）。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，凝膠溶液成膠后，用注入速度（流量）0.5 mL/min驅(qū)替0.8 PV水時(shí)，水峰發(fā)生左移，說(shuō)明凝膠在高滲孔道起到了封堵作用，后續(xù)注入水開(kāi)始大量進(jìn)入了小孔道， 即啟動(dòng)了低滲層；注水從0.8 PV到1.5 PV，水峰位置沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明這期間由于注水速度不變，注入水在高低滲分配沒(méi)有明顯變化，注入水處于均衡推進(jìn)，沒(méi)有進(jìn)一步啟動(dòng)低滲；當(dāng)以1 mL/min注入速度注水至2.5 PV時(shí)，水峰頂點(diǎn)峰又略向左移動(dòng)，說(shuō)明提高注入速度后高低滲進(jìn)液比例發(fā)生變化，低滲進(jìn)入量增多，發(fā)生了轉(zhuǎn)向作用；提高水驅(qū)速度到2.0 mL/min時(shí)，峰仍有小幅左移變化，說(shuō)明后續(xù)注入水穩(wěn)定后，通過(guò)提高注水速度，就會(huì)打破這種平衡狀態(tài)，液流轉(zhuǎn)向作用會(huì)再次發(fā)生。

圖8 凝膠成膠后后續(xù)水驅(qū)T2譜（0.4 PV）

比較注水不同階段的凝膠信號(hào)（見(jiàn)圖9），可以發(fā)現(xiàn)，隨著注水PV數(shù)的增加，凝膠整體在不斷向前推進(jìn)，逐漸有部分凝膠被驅(qū)替出巖心。 到達(dá)一定PV數(shù)后，高滲部分陰影基本消失，這主要是因?yàn)樽⑷胨M(jìn)入了凝膠內(nèi)部所致。 對(duì)比可見(jiàn)，后續(xù)水驅(qū)注入后，低滲進(jìn)口端信號(hào)逐漸加強(qiáng)，甚至超過(guò)調(diào)剖前的強(qiáng)度，說(shuō)明調(diào)剖起到較好的液流轉(zhuǎn)向作用。 從整個(gè)過(guò)程看，低滲信號(hào)有一個(gè)快速加強(qiáng)到緩慢變化轉(zhuǎn)變過(guò)程，當(dāng)注水達(dá)到3 PV后，低滲不再變化，表明此時(shí)高滲部分的凝膠已被突破，從而失去調(diào)剖封堵轉(zhuǎn)向的作用，這也說(shuō)明了高滲部分的封堵強(qiáng)度和深度是整個(gè)調(diào)剖封堵穩(wěn)定性的關(guān)鍵，決定了低滲啟動(dòng)的程度。

圖9 后續(xù)注水時(shí)矢狀面變化

3 結(jié)論與建議

（1）在5∶1級(jí)差條件下，凝膠溶液注入非均質(zhì)巖心時(shí)未出現(xiàn)預(yù)期的選擇性進(jìn)入現(xiàn)象，而是表現(xiàn)為高低滲進(jìn)入量比例差別，因此在高低滲級(jí)差較小時(shí)調(diào)剖，需提前做好低滲層的保護(hù)措施，防止調(diào)剖過(guò)程對(duì)其誤傷害，影響調(diào)剖效果。

（2）凝膠溶液在巖心推進(jìn)時(shí)段塞前端會(huì)出現(xiàn)局部突進(jìn)的情況， 突進(jìn)發(fā)生位置受巖心非均質(zhì)性和重力雙重影響； 在調(diào)剖工藝上，提高前端凝膠溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和降低注入速度有利段塞整體推進(jìn)，保證最終的封堵效果。

（3）凝膠溶液注入量越多，聚集性越好，抗稀釋能力越好。 因此在考慮經(jīng)濟(jì)性前提下，可以適當(dāng)加大調(diào)剖劑量；同時(shí)，工藝設(shè)計(jì)中作為隔離和后端頂替的清水段塞，必須嚴(yán)格控制用量，防止出現(xiàn)稀釋作用而影響成膠強(qiáng)度。

（4）恢復(fù)水驅(qū)后，高滲處凝膠承受著大部分注水的沖擊，因此這部分凝膠的強(qiáng)度和放置深度也決定了低滲啟動(dòng)程度；在調(diào)剖后，提高注入速度可以在一定程度上強(qiáng)化液流轉(zhuǎn)向效果，因此建議調(diào)剖恢復(fù)注水后一段時(shí)間提高注水井日配注量，擴(kuò)大調(diào)剖液流轉(zhuǎn)向效果。