無(wú)機(jī)凝膠在18 m長(zhǎng)巖心內(nèi)的傳輸運(yùn)移能力*

曹偉佳，盧祥國(guó)，田中原，劉文輝，于 萌，閆炳旭

（1.東北石油大學(xué)教育部提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318；2.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；3.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津塘沽 300450；4.中國(guó)石油塔里木油田公司迪那油氣開(kāi)發(fā)部，新疆庫(kù)爾勒 841000）

由于地層自身非均質(zhì)性和油水流度比差異，注入水往往會(huì)沿高滲透層不均勻推進(jìn)，一方面造成高滲透層含油飽和度減小、滲流阻力降低，另一方面注入水長(zhǎng)期沖刷作用還會(huì)破壞高滲透層的巖石結(jié)構(gòu)，使巖心滲透率增大，這又進(jìn)一步加劇了儲(chǔ)層非均質(zhì)性、增大了注入水突進(jìn)速度［1-2］，因此，注水開(kāi)發(fā)油田竄流問(wèn)題是制約油田開(kāi)發(fā)效果的主要問(wèn)題。礦場(chǎng)常用的擴(kuò)大波及體積技術(shù)包括聚合物驅(qū)、多元復(fù)合驅(qū)和弱凝膠調(diào)驅(qū)等［3-5］。實(shí)踐證明，調(diào)剖是改善水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的有效措施［6-8］。近年來(lái)，隨著油價(jià)走低和高溫高鹽油藏開(kāi)發(fā)規(guī)模擴(kuò)大，低成本耐溫耐鹽調(diào)剖劑的需求日益增大，無(wú)機(jī)凝膠調(diào)剖劑由于其良好的耐溫和抗鹽性在塔里木輪南、柴達(dá)木躍進(jìn)、大港和中原等油田進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得較好增油降水效果［9-11］。

無(wú)機(jī)凝膠調(diào)剖技術(shù)是通過(guò)向儲(chǔ)層注入引發(fā)劑（Na2SiO3溶液）及含Ca2+和Mg2+等成垢離子溶液，二者在巖石孔隙內(nèi)相遇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成無(wú)機(jī)凝膠，造成孔隙過(guò)流斷面減小，滲流阻力增加，最終促使后續(xù)液流轉(zhuǎn)向進(jìn)入中低滲透層，達(dá)到擴(kuò)大波及體積和提高采收率目的［12-13］。針對(duì)礦場(chǎng)深部調(diào)剖技術(shù)需求，本文在目標(biāo)油田注入水礦化度條件下，優(yōu)選無(wú)機(jī)凝膠調(diào)剖劑使用濃度，研究了無(wú)機(jī)凝膠在18 m長(zhǎng)巖心內(nèi)傳輸運(yùn)移能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

Na2SiO3，分析純，固含量80%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；CaCl2和MgCl2，分析純，固含量99.8%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為渤海SZ36-1 油田注入水，礦化度9.048 g/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位g/L）：Na++K+2.552、Mg2+0.229、Ca2+0.569、Cl-5.471、SO42-0.0366、HCO3-0.191，經(jīng)軟化處理后用作配液用水。

實(shí)驗(yàn)用巖心為石英砂環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)人造均質(zhì)18 m 長(zhǎng)巖心，首先加工外觀尺寸為長(zhǎng)×寬×高=60 cm×60 cm×4.5 cm巖心，然后對(duì)其進(jìn)行割縫、填縫和密封處理，最后得到一個(gè)由30 塊“長(zhǎng)×寬×高=60 cm×4.5 cm×4.5 cm”巖心首尾相連、無(wú)縫長(zhǎng)度超過(guò)18 m的條狀巖心［14-15］，除巖心注入端和采出端外，沿長(zhǎng)度方向還均勻布置了7個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，巖心外觀見(jiàn)圖1。

圖1 巖心實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括平流泵、壓力傳感器和中間容器等。除平流泵外，其它部分置于65℃恒溫箱內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

無(wú)機(jī)凝膠在多孔介質(zhì)（巖心）內(nèi)良好傳輸運(yùn)移能力是實(shí)現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向的重要保障，評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)是通過(guò)測(cè)定無(wú)機(jī)凝膠在多孔介質(zhì)內(nèi)沿運(yùn)動(dòng)方向各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)滯留量或壓差值，計(jì)算各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)域壓差比值β，據(jù)此評(píng)價(jià)無(wú)機(jī)凝膠在多孔介質(zhì)內(nèi)傳輸運(yùn)移能力和滲流阻力變化規(guī)律。巖心各區(qū)間壓差比β定義為：

其中，p入口為入口端壓力，p1為測(cè)壓點(diǎn)1 處壓力，…，p出口為出口端壓力，n為延巖心長(zhǎng)度方向上測(cè)壓點(diǎn)個(gè)數(shù)。

無(wú)機(jī)凝膠封堵效果可采用巖心各個(gè)部分封堵率η大小來(lái)評(píng)價(jià)，其定義為：

其中，K為水驅(qū)階段巖心滲透率，K'為封堵后水驅(qū)階段巖心滲透率，η1為入口端到測(cè)壓點(diǎn)1處封堵率，η2為測(cè)壓點(diǎn)1到測(cè)壓點(diǎn)2處封堵率，…ηn為測(cè)壓點(diǎn)n到出口端處封堵率。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟具體如下：①巖心抽空、飽和注入水（礦化度9.048 g/L），水驅(qū)，記錄各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)壓力；②藥劑多輪次交替注入，每輪為0.02 PV 軟化水+0.1 PV 主劑（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 軟化水+0.1 PV 助劑（CaCl2溶液），共5 輪次，主劑和助劑溶液注入總體積為1.0 PV，注入速度為2 mL/min；③靜置24 h，水驅(qū)到壓力穩(wěn)定，記錄各測(cè)壓點(diǎn)注入壓力，繪制各測(cè)壓點(diǎn)不同時(shí)間注入壓力與注入體積關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 濃度優(yōu)選

采用軟化水配制主劑Na2SiO3和助劑CaCl2或MgCl2溶液共50 mL，不同主劑、助劑濃度條件下所形成無(wú)機(jī)凝膠的體積見(jiàn)表1。從表1可以看出，隨著主劑Na2SiO3溶液濃度的增加，主劑Na2SiO3與助劑CaCl2或MgCl2生成的無(wú)機(jī)凝膠體積均呈增加趨勢(shì)。主劑Na2SiO3是一種強(qiáng)堿弱酸性鹽，水解后顯堿性，在一定活化劑Ca2+和Mg2+作用下可以發(fā)生縮聚，線型無(wú)機(jī)分子縮聚到一定程度后各分子間相互作用纏結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成無(wú)機(jī)凝膠［16-17］。當(dāng)主劑Na2SiO3溶液和助劑CaCl2和MgCl2溶液濃度增加至一定濃度后，［SiO4］4-四面體陰離子含量增加，發(fā)生聚合的陰離子中所含Si的數(shù)目或Si—O—Si鍵數(shù)目增多，與Ca2+、Mg2+作用生成無(wú)機(jī)凝膠量增加。當(dāng)主劑Na2SiO3質(zhì)量濃度達(dá)到5 g/L后，［SiO4］4-四面體陰離子與活化劑Ca2+、Mg2+反應(yīng)生成大量無(wú)機(jī)凝膠。因此，建議主劑Na2SiO3溶液質(zhì)量濃度在2數(shù)5 g/L 之間，而助劑CaCl2和MgCl2濃度應(yīng)超過(guò)2 g/L，即活化劑Ca2+含量超過(guò)0.7 g/L，Mg2+含量超過(guò)0.5 g/L。目標(biāo)儲(chǔ)層注入水中Ca2+和Mg2+含量分別為0.569 g/L和0.229 g/L，不足以與主劑Na2SiO3溶液反應(yīng)生成大量無(wú)機(jī)凝膠，同時(shí)與助劑MgCl2相比，主劑Na2SiO3與助劑CaCl2生成的無(wú)機(jī)凝膠體積較大。因此，選用外加CaCl2溶液作為助劑。

表1 不同主劑（Na2SiO3）、助劑（CaCl2或MgCl2）濃度下形成無(wú)機(jī)凝膠的體積（mL）

采用軟化水配制主劑Na2SiO3和助劑CaCl2溶液共50 mL，二者濃度分別為0.61、1.22、2.44、3.7、6.1、12、15和20 g/L。不同主劑、助劑濃度條件下所形成無(wú)機(jī)凝膠的體積見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨主劑或助劑濃度增加，無(wú)機(jī)凝膠體積生成量增幅呈現(xiàn)“先升后降”，當(dāng)二者濃度在2.44數(shù)6.1 g/L時(shí)，無(wú)機(jī)凝膠生成體積快速上升，而當(dāng)濃度繼續(xù)增加后，無(wú)機(jī)凝膠生成體積上升幅度降低。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度建議主劑和助劑濃度為2.44數(shù)6.1 g/L。

圖2 無(wú)機(jī)凝膠體積與主劑（Na2SiO3）和助劑（CaCl2）濃度關(guān)系

2.2 壓力梯度及壓差比

采用軟化水分別配制質(zhì)量濃度為3.7 g/L 的主劑Na2SiO3溶液和助劑CaCl2溶液，采用“0.02 PV 軟化水+0.1 PV 主劑（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 軟化水+0.1 PV助劑（CaCl2溶液）”5輪次交替注入方式，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄不同時(shí)刻（PV數(shù)）各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)壓力，各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)間壓力梯度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，交替注入結(jié)束時(shí)各相鄰區(qū)間壓差比見(jiàn)表3。

表2 壓力梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（MPa/m）

表3 交替注入結(jié)束時(shí)各相鄰區(qū)間壓差比

從表2和表3可以看出，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過(guò)程中，巖心各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)間壓力梯度受交替注入輪次和區(qū)間位置的影響。在測(cè)壓點(diǎn)區(qū)間位置相同條件下，隨交替注入輪次增加，壓力梯度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)，并且增幅呈現(xiàn)略微增大趨勢(shì)；在交替注入輪次相同條件下，沿巖心長(zhǎng)度方向各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)長(zhǎng)度區(qū)間壓力梯度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，5 輪次交替注入結(jié)束后調(diào)剖劑波及長(zhǎng)度為86.7%，巖心前后相鄰兩個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間壓力梯度比值差不大，表明“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入生成的無(wú)機(jī)凝膠具有良好傳輸運(yùn)移和深部液流轉(zhuǎn)向能力。

2.3 封堵效果

多輪次交替注入結(jié)束后各測(cè)壓點(diǎn)區(qū)間巖心的水測(cè)滲透率見(jiàn)表4。從表4可以看出，對(duì)于巖心上同一長(zhǎng)度區(qū)間，隨交替注入輪次增加，巖心的水測(cè)滲透率降低；在交替注入輪次相同條件下，沿液流流動(dòng)方向各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間巖心水測(cè)滲透率呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，且前部長(zhǎng)度區(qū)間巖心滲透率減小幅度要大于后部區(qū)間的。

多輪次交替注入結(jié)束后各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間巖心封堵情況見(jiàn)表5。從表5可以看出，沿巖心長(zhǎng)度方向各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間封堵率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，其中鄰近入口各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間封堵率較高，表明無(wú)機(jī)凝膠在入口附近區(qū)域滯留量較大。后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時(shí)，巖心各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間封堵率在19.97%數(shù)72.26%，表現(xiàn)出良好的深部液流轉(zhuǎn)向能力。

表4 各測(cè)壓點(diǎn)區(qū)間巖心的水測(cè)滲透率（/10-3 μm2）

表5 封堵率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 動(dòng)態(tài)特征

“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過(guò)程中巖心各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)注入壓力與注入體積關(guān)系見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過(guò)程中，在交替注入輪次相同條件下，沿巖心長(zhǎng)度方向各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)注入壓力逐漸減小。在測(cè)壓點(diǎn)位置相同條件下，隨交替注入輪次增加，各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)注入壓力逐漸增加。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在每一種藥劑注入過(guò)程中，注入壓力呈現(xiàn)“先升后降”變化趨勢(shì)，展示了主劑與助劑接觸生成無(wú)機(jī)凝膠和水段塞推動(dòng)生成物向前運(yùn)移和凝膠流動(dòng)特征。當(dāng)交替注入結(jié)束時(shí)，“入口端”與“測(cè)壓點(diǎn)1”間壓差值要明顯大于“測(cè)壓點(diǎn)1”與“測(cè)壓點(diǎn)2”的壓差值，而“測(cè)壓點(diǎn)1”與“測(cè)壓點(diǎn)2”間壓差值與后續(xù)其它各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)間壓差值差異不大。由此可見(jiàn)，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過(guò)程中，主劑與助劑反應(yīng)生成物在“入口端”與“測(cè)壓點(diǎn)1”間滯留量較大，它吸附于巖石骨架表面形成厚度較大的涂層，導(dǎo)致孔隙過(guò)流斷面減小幅度較大，流動(dòng)阻力增幅較大，注入壓力升高幅度較大，因而可以起到良好的調(diào)剖以及深部液流轉(zhuǎn)向效果。

圖3 注入壓力與注入體積關(guān)系

在后續(xù)水驅(qū)階段，前部3 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的注入壓力呈現(xiàn)小幅降低，后部幾個(gè)測(cè)壓點(diǎn)注入壓力呈現(xiàn)“穩(wěn)中略升”趨勢(shì)，表明化學(xué)反應(yīng)生成物在孔隙內(nèi)具有較強(qiáng)的耐沖刷能力和持久的封堵能力。

3 結(jié)論

當(dāng)主劑Na2SiO3與助劑濃度一定的條件下，與助劑MgCl2相比，主劑與助劑CaCl2生成的無(wú)機(jī)凝膠體積較大。隨溶液濃度增加，主劑Na2SiO3與助劑Ca-Cl2生成的無(wú)機(jī)凝膠體積增幅呈現(xiàn)“先升后降”趨勢(shì)，當(dāng)二者濃度為2.44 數(shù)6.1 g/L時(shí)，無(wú)機(jī)凝膠生成體積快速上升。

“軟化水+Na2SiO3溶液+軟化水+CaCl2溶液”交替注入5 輪次后，巖心前后相鄰兩個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間壓力梯度比值分別為3.85、2.03、1.16、1.19 和1.24，各個(gè)壓力梯度比值差不大，表明無(wú)機(jī)凝膠有良好傳輸運(yùn)移能力。后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時(shí)，巖心各個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間封堵率在19.97%數(shù)72.26%，表明無(wú)機(jī)凝膠在孔隙內(nèi)具有較強(qiáng)的耐沖刷能力和持久的封堵能力。