微球增效的聚合物凝膠復(fù)合體系研制與評價(jià)*

黎 慧，鞠 野，代磊陽，王 楠，劉豐鋼，劉光普，俞 爽

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津300457；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300457；3.河南省資源環(huán)境調(diào)查四院，河南 鄭州450000）

目前，各大油田已經(jīng)進(jìn)入注水開發(fā)的中后期，為了控水、堵水，提高水驅(qū)后的采收率，各種化學(xué)驅(qū)，如聚合物驅(qū)、堿-表面活性劑-聚合物驅(qū)、泡沫驅(qū)、凝膠調(diào)剖等方法已被廣泛使用[1-4]。其中微球作為預(yù)成型凝膠的一種，擁有耐溫耐鹽性好，易分散，顆粒直徑小，溶液黏度低等眾多優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，微球在井口注入壓力小，能夠向地層深部運(yùn)移，并且在地層深部吸水膨脹后，能夠形成堵塞而改變原有的水流方向，提高儲層的波及系數(shù)。已經(jīng)在中國的渤海、勝利、大港、長慶、新疆等油田應(yīng)用[6-8]。

有學(xué)者的研究表明，微球顆粒在地層深部可以通過架橋形成封堵[9,10]，但在高滲、強(qiáng)非均質(zhì)的地層微球的封堵性和耐沖刷性能較差。因此，提出了將微球和凝膠復(fù)合的調(diào)驅(qū)體系，來提高對強(qiáng)非均質(zhì)地層的調(diào)剖和驅(qū)油效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

疏水締合聚合物AP-P4，（相對分子質(zhì)量1300×104，固含量90%，水解度18%四川光亞科技有限公司）；乙酸鉻交聯(lián)劑（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；微球（愛森（中國）絮凝劑有限公司）。

將脫水原油混合煤油，制備60℃下黏度為96.5mPa·s的模擬油樣。采用去離子水和鹽配制礦化度為9047.65mg·L-1模擬地層水，離子組成見表1。

德國徠卡熒光顯微鏡；英國MS2000型激光粒度分析儀；美國Brookfield DV-III型黏度儀；德國美墨爾特HPP750型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱；JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器；LDY40-180高溫高壓多功能巖心驅(qū)替裝置。

1.2 復(fù)合體系的制備與優(yōu)化

（1）制備5000mg·L-1微球、5000mg·L-1聚合物和500mg·L-1乙酸鉻的母液若干；

（2）將裝瓶密封后的微球溶液放置于60℃的恒溫干燥箱內(nèi)加熱老化一段時(shí)間，使微球吸水膨脹；

（3）將經(jīng)過充分吸水膨脹的微球、聚合物AP-P4和乙酸鉻3種母液以一定比例混合，將所獲的一系列不同濃度的復(fù)合溶液在60℃環(huán)境下老化，每隔一段時(shí)間觀察其成膠情況。

1.3 體系性能評價(jià)

（1）顯微鏡觀察微球的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)；

（2）激光粒度分析儀測定60℃下老化不同時(shí)間后微球的粒度，以研究微球在水溶液中的膨脹性能；

（3）黏度儀測量復(fù)合溶液在初始時(shí)刻的黏度，采用目測代碼法[11]評價(jià)復(fù)合溶液的成膠強(qiáng)度，成膠時(shí)間定義為復(fù)合體系從代碼A到C的時(shí)間；

（4）研究單一微球以及微球與凝膠的復(fù)合體系在單巖心中的運(yùn)移和封堵特性；

（5）研究微球與凝膠復(fù)合體系在非均質(zhì)巖心中的調(diào)剖和驅(qū)油性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 微球的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)

微球呈淡黃色，透明澄清，密度約為1.0g·cm-3。微球黏度約為1.25mPa·s。圖1為微球在水溶液中的光學(xué)顯微照片，顯示了微球是球形顆粒。微球的粒徑分布見圖2，可以看出，微球的粒徑為0.3～0.9μm，平均粒徑為0.6μm。

表1 模擬地層水參數(shù)Tab.1 Simulated formation water parameters

圖1 微球在水溶液中的微觀形態(tài)圖像Fig.1 Microsphere morphology in aqueous solution

圖2 微球的粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of microspheres

2.2 微球在水溶液中的膨脹性能

微球可以通過吸水膨脹，圖3所示微球的膨脹倍數(shù)隨時(shí)間增加而增大，在10d左右達(dá)到最大值，約為12倍。膨脹倍數(shù)計(jì)算公式：n=（d1-d0）/d0，其中d0為微球初始直徑，d1為膨脹后直徑。

圖3 微球的膨脹倍數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Curve of expansion multiple of microspheres over time

事實(shí)上，微球是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)顆粒，微球內(nèi)部含有許多容易與極性水分子結(jié)合的自由親水基團(tuán)（-CONH2），因此，微球的尺寸因易吸水而膨脹[12]。

2.3 微球與凝膠復(fù)合體系優(yōu)化

采用單因素變量法，分別改變聚合物AP-P4、乙酸鉻、微球的濃度，優(yōu)選出最適宜的復(fù)合體系配方。

2.3.1 聚合物AP-P4濃度優(yōu)選 在交聯(lián)劑濃度為100mg·L-1、微球濃度為2000mg·L-1時(shí)，聚合物AP-P4濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響見表2。

表2 聚合物AP-P4濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響Tab.2 Effects of the concentration of polymer AP-P4 on the gelation time and strength of the composite system

由表2可見，隨著AP-P4濃度的增加，成膠時(shí)間縮短。AP-P4加量小于1000mg·L-1時(shí)不成膠，APP4加量為2000mg·L-1時(shí)，成膠時(shí)間較長且強(qiáng)度較低，AP-P4加量為4000mg·L-1時(shí)，復(fù)合溶液初始黏度較大，且成膠時(shí)間過快，不利于體系注入。綜合考慮，AP-P4溶液適宜的加量為3000mg·L-1。

2.3.2 乙酸鉻濃度優(yōu)選 在聚合物質(zhì)量濃度為3000mg·L-1、微球濃度為2000mg·L-1時(shí)，交聯(lián)劑乙酸鉻濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響見表3。

乙酸鉻濃度越高，成膠越快，強(qiáng)度越大。但乙酸鉻加量在150mg·L-1以上時(shí)的體系在60d后容易脫水失效?？紤]到過高的交聯(lián)劑濃度會降低復(fù)合體系的穩(wěn)定性，且需要控制復(fù)合體系的成膠時(shí)間，因此，優(yōu)選的乙酸鉻濃度為100mg·L-1。

表3 交聯(lián)劑乙酸鉻濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響Tab.3 Effects of chromium acetate concentration of crosslinking agent on time and strength of the composite system

2.3.3 微球濃度優(yōu)選 在聚合物質(zhì)量濃度為3000mg·L-1、乙酸鉻濃度為100mg·L-1時(shí)，微球的濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響見表4。

由表4可見，微球加量在1000mg·L-1以下時(shí)，體系成膠強(qiáng)度較低，高于3000mg·L-1時(shí)，復(fù)合體系成膠后會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象。因此，優(yōu)選的微球濃度為2000mg·L-1。

表4 微球濃度對復(fù)合體系成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響Tab.4 Effects of microsphere concentration on gelation time and strength of composite system

綜合可得，復(fù)合體系的優(yōu)化配方為：3000mg·L-1聚合物AP-P4＋100mg·L-1乙酸鉻＋2000mg·L-1微球。

2.4 單巖心模型注入與封堵實(shí)驗(yàn)

兩組對比實(shí)驗(yàn)的巖心參數(shù)見表5。實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，注入速度為0.5mL·min-1，實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）注入1PV礦化度為9047.65mg·L-1的模擬地層水；

（2）注入1PV上述經(jīng)過充分膨脹的微球溶液（5000mg·L-1）。

（3）注入5PV模擬地層水。

（4）對比實(shí)驗(yàn)在第（2）步注入1PV優(yōu)選的微球與凝膠的復(fù)合體系，經(jīng)過12h以上的老化成膠后，再進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)5PV。驅(qū)替過程中壓力變化情況見圖4、5。

表5 單巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Tab.5 Parameters of single core displacement experiment

注微球時(shí)，壓力先小幅波動(dòng)變化，后續(xù)水驅(qū)時(shí)降低，突破壓力為0.01MPa，持續(xù)注水發(fā)現(xiàn)，封堵率從50%下降為20%，說明微球在巖心當(dāng)中的封堵效果并不理想。而在注入復(fù)合體系的巖心中，壓力迅速上升，后續(xù)水驅(qū)發(fā)現(xiàn)突破壓力達(dá)到3.70MPa，封堵率始終維持在99%以上，說明復(fù)合體系比微球具有更佳封堵能力和耐沖刷能力。

圖4 單巖心模型中注入微球的壓力變化曲線Fig.4 Pressure variation curve of injected microspheres in single core

圖5 單巖心模型中注入復(fù)合體系的壓力變化曲線Fig.5 Pressure change curve of injected composite system in single core

2.5 非均質(zhì)巖心模型調(diào)剖與驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

調(diào)剖與驅(qū)油實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表6。實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，注入速度為0.5mL·min-1，實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）水驅(qū)雙并聯(lián)巖心模型，直至含水率達(dá)到98%以上；

（2）注入1PV微球與凝膠復(fù)合體系；

（3）注入模擬地層水，直到產(chǎn)出液含水達(dá)到98%以上；

（4）實(shí)驗(yàn)期間用量筒分別測量油、水的產(chǎn)出體積。

由表6可知，注水采收率可達(dá)20.42%，低滲巖心未產(chǎn)出。

由圖6、7可知，注入復(fù)合體系進(jìn)行調(diào)剖過程中，壓力急劇上升，調(diào)剖劑分別進(jìn)入高低滲巖心，改變了二者流度比，使得采收率提高31.19%。經(jīng)過12h的老化，后續(xù)水驅(qū)突破壓力達(dá)到3.97MPa，持續(xù)注水發(fā)現(xiàn)壓力小幅下降，且高低滲巖心分流率維持在13∶1～20∶1之間，說明復(fù)合體系具有持久有效的剖面控制能力。

圖6 非均質(zhì)巖心模型中注入復(fù)合體系的壓力、含水率和采收率變化曲線Fig.6 Curves of pressure,water content and recovery of injected composite system in heterogeneous cores

表6 雙并聯(lián)非均質(zhì)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Tab.6 Parameters of double-parallel heterogeneous cores displacement experiment

圖7 非均質(zhì)巖心模型中注入復(fù)合體系的分流率變化曲線Fig.7 Fractional rate curves of composite system injected into heterogeneous cores

3 結(jié)論

（1）微球初始粒徑分布在0.3～0.9μm，在60℃下10d后可水化膨脹12倍，單巖心實(shí)驗(yàn)表明微球溶液的注入壓力低，但封堵能力有限，耐沖刷性差。

（2）優(yōu)選出配方為3000mg·L-1聚合物AP-P4+100mg·L-1乙酸鉻+2000mg·L-1微球的復(fù)合體系，8h成膠，強(qiáng)度可達(dá)D級；

（3）復(fù)合體系封堵性良好，突破壓力可達(dá)3.7MPa；在級差為10.6的雙并聯(lián)巖心中，注入的復(fù)合體系可封堵高滲透層，改善非均質(zhì)巖心的吸水剖面，提高原油采收率31.19%。