調(diào)剖、調(diào)驅(qū)劑注入壓力對分流率的影響及作用機理*

高建崇，張 楠，王 琳，盧祥國，薛寶慶，李彥閱，何 欣

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海研究院，天津塘沽 300450；3.中國石油大港油田分公司，天津，大港 300280；4.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌 736200）

0 前言

渤海油田是中國最大的海上油田，在油田開發(fā)中占據(jù)重要地位［1-2］。受沉積條件的影響，LD5-2構造為一復合斷塊，結合鄰區(qū)沉積背景綜合分析認為，LD5-2 油田東二段主要為湖相三角洲沉積［3-4］。常規(guī)物性分析樣品統(tǒng)計表明，東二上段物性較好，孔隙度主要分布在32%～40%之間，滲透率在1000×10-3μm2以上。東二下段孔隙度主要分布在30%～36%之間，滲透率分布范圍10×10-3～1320×10-3μm2，主要集中在100×10-3～1000×10-3μm2。LD5-2 油田儲層分布相對較穩(wěn)定，但油水系統(tǒng)相對復雜，油氣分布主要受斷層和泥巖隔層控制，油藏屬于由多個斷塊組成、在縱向和橫向上存在多套油氣水系統(tǒng)的構造層狀油氣藏［5-7］。

LD5-2 油田經(jīng)過長期的高強度水驅(qū)，目前已經(jīng)進入中高含水開發(fā)期，亟待采取進一步提高采收率技術措施［8-10］。近年來，化學驅(qū)在海上油田試驗中取得了良好的采收效果［11-13］。而在現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)，高強度的藥劑注入，使得注入井后續(xù)注入壓力過高［14-16］。分析認為，藥劑注入過程中因注入壓力設置不當而對低滲透層造成的污染問題，是注入壓力過高和儲層間非均質(zhì)性進一步加劇的主要原因。部分學者針對不同地層條件下化學劑的注入壓力進行了研究，認為啟動壓力決定中低滲透層的污染情況。在礦場施工中多數(shù)根據(jù)經(jīng)驗設計注入速率，這大大增加了地層污染的風險［17-18］。本文通過三管并聯(lián)巖心模型，采用不同壓力“恒壓”注入調(diào)驅(qū)或調(diào)剖劑，測試不同注入壓力下各滲透層對體系的吸入情況，以及藥劑吸入后對液流轉(zhuǎn)向效果的影響，為實際施工中注入壓力設計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺SD201，相對分子質(zhì)量1900×104，水解度23%，固含量88%；交聯(lián)劑為有機鉻SD107，有效含量52%；HYHK 增強型聚合物微球；上述藥劑由中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海研究院提供。實驗用水為LD5-2 油田注入水，礦化度8259.5 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：K++Na+2169.8、Ca2+816.6、Mg2+94.2、、Cl-

實驗用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結人造巖心［19-20］，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，氣測滲透率為5600×10-3、3200×10-3、800×10-3μm2。

巖心驅(qū)替實驗設備主要包括氣瓶、手搖泵、平流泵、壓力傳感器（壓力表）、巖心夾持器和中間容器等，除氣瓶、平流泵和手搖泵外，其他部分置于恒溫箱內(nèi)。實驗設備流程見圖1。

圖1 設備及流程示意圖

1.2 實驗方法

1.2.1 驅(qū)替體系配制

調(diào)剖劑體系配制：采用LD5-2 油田注入水配制質(zhì)量濃度為2000 mg/L 的聚合物SD201 溶液，然后加入1000 mg/L 的有機鉻SD107，制得Cr3+聚合物凝膠體系。經(jīng)測試，該體系的初始黏度為20.5 mPa·s，成膠時間為20 h，成膠黏度高于10 Pa·s，40 h 后出現(xiàn)部分脫水，黏度小幅度下降。

調(diào)驅(qū)劑體系配制：采用LD5-2 油田注入水配制質(zhì)量濃度為3000 mg/L HYHK增強型聚合物微球體系，經(jīng)測試，該聚合物微球的初始粒徑約8.7 μm，完全水化時間約5 d，緩膨后粒徑為35.2 μm，膨脹倍數(shù)3.05。

1.2.2 驅(qū)替實驗

驅(qū)替實驗具體步驟如下：①在室溫下，物理模型抽真空，飽和地層水，測量孔隙體積，計算孔隙度；②在油藏溫度55 ℃條件下，單塊巖心水測滲透率；③在油藏溫度55 ℃條件下，將高、中、低3 塊巖心組成并聯(lián)巖心，以1 mL/min 的注入速率進行水驅(qū)，記錄該注入速率下各個小層產(chǎn)液量，計算分流率；記錄該注入速率下的穩(wěn)定注入壓力P，將其作為后續(xù)實驗基準注入壓力；④以不同注入壓力（P的倍數(shù)）和“恒壓”方式注入0.2 PV 的調(diào)驅(qū)劑（3000 mg/L HYHK 增強型聚合物微球）或調(diào)剖劑（2000 mg/L聚合物SD201+1000 mg/L Cr3+交聯(lián)劑）；⑤調(diào)驅(qū)劑緩膨3 d或調(diào)剖劑候凝24 h后（調(diào)驅(qū)劑實驗需在注入段切除5 mm 端面，以消除調(diào)驅(qū)劑因“端面堆積”而造成壓力偏高），以1 mL/min 的注入速率后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定；⑥建立注入壓力、分流率與注入體積間關系。

2 結果與討論

2.1 中滲透層的吸水“臨界壓力”

分別以1、2、3 和4 mL/min 的注入速率進行水驅(qū)，穩(wěn)定后記錄注入壓力和各小層采液量，計算各小層分流率，確定中滲透層吸水“臨界壓力”（指當注入壓力高于此壓力值，中滲透層分流率快速上升，開始大量吸液）。實驗過程中不同注入速率下的注入壓力和各小層分流率見圖2。從圖2可知，隨注入速率的增大，注入壓力升高，高滲透層的分流率逐漸降低，中滲透層的分流率逐漸上升，而低滲透層分流率基本不變。當注入速率為1 mL/min時，注入壓力為0.001 MPa，中滲透層和低滲透層的吸液量較低，取該壓力值為后續(xù)實驗注入壓力基準值P。當注入速率為2 mL/min 時，注入壓力升高到0.0022 MPa，中滲層吸液量即分流率增幅較大，因此，取0.0022 MPa為中滲層吸液“臨界壓力”。

圖2 水驅(qū)過程中不同注入速率下的注入壓力和不同滲透層的分流率

2.2 調(diào)驅(qū)劑注入壓力與分流率關系

采用不同注入壓力（P的倍數(shù)）以“恒壓”方式注入0.2 PV 調(diào)驅(qū)劑（3000 mg/L HYHK 增強型聚合物微球），3 d 后以“恒速”（1 mL/min）方式進行后續(xù)水驅(qū)，直至壓力穩(wěn)定為止。實驗過程中不同注入階段各滲透層的總吸液量和總分流率見表1。從表1 可以看出，在調(diào)驅(qū)劑注入階段，隨注入壓力升高，高滲透層的總分流率小幅降低，中、低滲透層則小幅升高。在后續(xù)水驅(qū)階段，注入壓力為2P（方案1-1）時高滲透層總分流率明顯降低，而其他注入壓力（方案1-2，1-3和1-4）下的總分流率均出現(xiàn)升高態(tài)勢。

表1 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調(diào)驅(qū)劑+后續(xù)水驅(qū)的各小層總吸液量和總分流率

實驗過程中各小層總分流率和注入壓力與注入體積變化見圖3和圖4。由圖3可看出，在調(diào)驅(qū)劑注入階段，由于“方案1-1”的注入壓力低于“臨界壓力”，中滲透層的分流率較低，其余方案因注入壓力高于“臨界壓力”，導致中滲透層的調(diào)驅(qū)劑吸入量較大，且隨注入壓力升高，中滲透層吸入量增多。在后續(xù)水驅(qū)階段，除“方案1-1”的中滲透層分流率呈現(xiàn)增加態(tài)勢外，其余方案的中滲透層分流率均下降，且降幅呈現(xiàn)增大趨勢。

圖3 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調(diào)驅(qū)劑+后續(xù)水驅(qū)的各小層的分流率隨注入體積變化

圖4 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調(diào)驅(qū)劑+后續(xù)水驅(qū)的注入壓力隨注入體積變化

隨著調(diào)驅(qū)劑注入階段注入壓力的增大（即超過中滲透層吸液的“臨界壓力”0.0022 MPa 時），中滲透層調(diào)驅(qū)劑吸入量增加，滯留作用引起滲流阻力大幅增加，因此，在后續(xù)水階段，與“方案1-1”相比，“方案1-2～方案1-4”的中滲透層吸液量明顯減小。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當調(diào)驅(qū)劑注入壓力達到低滲透層的“臨界壓力”（0.007～0.01 MPa）時，該層調(diào)驅(qū)劑吸液量明顯升高，也會造成低滲透層污染，致使后續(xù)水驅(qū)階段幾乎不吸液。在后續(xù)水驅(qū)階段，除“方案1-1”注入壓力小幅度升高（見圖4）和中滲透層的總分流率較大幅度增加外，其余方案的注入壓力均大幅度降低，吸液壓差和吸液量（分流率）明顯減?。ㄒ妶D3）。因此，當僅采用調(diào)驅(qū)劑進行施工作業(yè)時，注入壓力不能超過中、低滲透層的吸液“臨界壓力”，否則，調(diào)驅(qū)劑進入中、低滲透層，引起吸液啟動壓力升高，必然減小后續(xù)水驅(qū)階段吸液壓差和吸液量，削弱擴大波及體積效果。同時可以看出，4組方案中后續(xù)水階段注入壓力增幅偏低，說明聚合物微球?qū)Ω邼B透層封堵效果較差，需要配合強凝膠等優(yōu)勢通道治理措施，才可達到更好的液流轉(zhuǎn)向效果。

2.3 調(diào)剖劑注入壓力與分流率關系

采用不同注入壓力（P的倍數(shù)）以“恒壓”方式注入0.2 PV 的調(diào)剖劑（2000 mg/L 聚合物SD201+1000 mg/L Cr3+交聯(lián)劑），候凝24 h 后進行“恒速”（1 mL/min）后續(xù)水驅(qū)，直至注入壓力穩(wěn)定為止。實驗過程中不同注入階段各滲透層總吸液量和總分流率見表2。實驗過程中注入壓力和各小層的分流率隨注入體積變化見圖5和圖6。從表2可以看出，在調(diào)剖劑注入階段，隨注入壓力升高，高滲透層的總吸液量減小，中、低滲透層總吸液量增加。在后續(xù)水驅(qū)階段，前期調(diào)剖劑注入壓力越低，高滲透層總分流率降幅越大，低滲透層增幅越大。例如，“方案2-1”的注入壓力為5 P，后續(xù)水階段中，高滲透層總分流率低至5.54%，而低滲透層總分流率高達82.70%，液流轉(zhuǎn)向效果十分明顯。調(diào)剖劑進入高、中、低滲透層后均會發(fā)生滯留和增加滲流阻力，導致后續(xù)水驅(qū)階段注入壓力升高（見圖5）。通常情況下，等量的調(diào)剖劑注入不同滲透率巖心，對低滲透層封堵效果更明顯，低滲透層吸液啟動壓力增幅遠大于高滲透層，但若高滲透層調(diào)剖劑注入量遠大于低滲透層，則高滲透層封堵效果更好，即高滲透層吸液啟動壓力高于低滲透層，此時后續(xù)水階段高滲透層分流率就會減小，例如“方案2-1”和“方案2-2”。反之，當中低滲透層因調(diào)剖劑而產(chǎn)生的封堵效果高于高滲透層，后續(xù)水階段高滲透層吸液量即分流率就會增加，液流轉(zhuǎn)向效果變差（見圖6）。由此可見，各個滲透層吸液量和分流率變化趨勢取決于吸液壓差的變化趨勢，而吸液壓差變化趨勢又與注入壓力和滲流阻力變化趨勢密切相關。

圖6 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調(diào)剖劑+后續(xù)水驅(qū)的各小層分流率隨注入體積的變化

表2 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入0.2 PV的調(diào)剖劑+后續(xù)水驅(qū)的各小層總吸液量和總分流率

圖5 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調(diào)剖劑+后續(xù)水驅(qū)的注入壓力隨注入體積變化

綜上所述，與調(diào)驅(qū)劑相似，隨調(diào)剖劑注入壓力的升高，中、低滲透層的吸入量增多，滯留作用引起附加滲流阻力即吸液啟動壓力增大，后續(xù)水驅(qū)階段中、低滲透層吸液壓差減小（中、低滲透層注入壓力升高幅度小于啟動壓力升高幅度），液流轉(zhuǎn)向效果變差。因此，在調(diào)剖劑注入過程中，注入壓力也不能超過中、低滲透層的吸液“臨界壓力”。否則，中、低滲透層調(diào)剖劑吸入量增大，會對中、低滲透層吸液能力造成傷害，并且吸入量越大，傷害程度越嚴重，液流轉(zhuǎn)向效果越差。

2.4 調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑注入壓力與分流率關系對比

以相同壓力“恒壓”（0.005 MPa 和0.01 MPa）注入調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑后，調(diào)驅(qū)劑緩膨3 d、調(diào)剖劑候凝24 h 后再以“恒速”進行后續(xù)水驅(qū)，注入壓力與注入體積關系和后續(xù)水階段各小層總分流率圖見圖7、圖8。

圖7 調(diào)剖劑與調(diào)驅(qū)劑注入壓力和總分流率對比（p=0.005 MPa）

圖8 調(diào)剖劑與調(diào)驅(qū)劑注入壓力和總分流率對比（p=0.01 MPa）

從圖7 和圖8 可以看出，調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑注入巖心后滯留和分流率變化特征存在明顯差異。與調(diào)驅(qū)劑相比較，調(diào)剖劑的注入能力較強，滯留效果較好，附加滲流阻力增幅較大，后續(xù)水驅(qū)階段注入壓力較高，中、低滲透層的吸液壓差和吸液量較大，液流轉(zhuǎn)向效果較好。分析認為，調(diào)驅(qū)劑為微球與水混合而成的非連續(xù)相體系，微球顆粒易在巖心注入端端面滯留，造成注入壓力“虛高”，致使后續(xù)水驅(qū)階段的注入壓力大幅度降低，中、低滲透層吸液壓差和吸液量減少。

綜上所述，調(diào)剖、調(diào)驅(qū)措施的目的是為了實現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向，為此必須增加中、低滲透層的吸液壓差和吸液量，而提高注入壓力是增加吸液壓差最有效途徑。提高注入壓力又存在兩種技術途徑，一是提高注入速率；二是增加高滲透層吸液啟動壓力（注入速率維持不變）。調(diào)剖、調(diào)驅(qū)措施將調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑傳輸運移到高滲透層，利用其滯留作用來增加滲流阻力和吸液啟動壓力。因此，在礦場調(diào)剖、調(diào)驅(qū)施工中必須控制注入壓力以減小或避免調(diào)剖、調(diào)驅(qū)劑進入中、低滲透層尤其是低滲透層。低滲透層一旦吸入藥劑就會產(chǎn)生較大的附加滲流阻力，進而引起吸液啟動壓力升高，吸液壓差和吸液量減小，最終削弱液流轉(zhuǎn)向效果。

3 結論

微球類調(diào)驅(qū)劑為微球與水或表面活性劑溶液混合而成的非連續(xù)相體系，易于在巖心注入端的端面滯留，引起注入壓力“虛高”，進而造成后續(xù)水驅(qū)階段注入壓力和吸液壓差減小，最終削弱液流轉(zhuǎn)向效果。與微球類調(diào)驅(qū)劑相比較，聚合物凝膠類調(diào)剖劑注入能力較強，易于進入巖心深部和發(fā)生滯留，附加滲流阻力和注入壓力增幅較大。

隨注入壓力升高，中、低滲透層調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑吸液壓差和吸液量增加，滯留作用引起中、低滲透層附加滲流阻力增加，液流轉(zhuǎn)向效果變差。因此，采用合理注入壓力有助于改善調(diào)剖調(diào)驅(qū)液流轉(zhuǎn)向效果。在本實驗條件下，水驅(qū)穩(wěn)定壓力P=0.001 MPa，微球類調(diào)驅(qū)劑合理注入壓力為2 P，聚合物凝膠類調(diào)剖劑合理注入壓力為5 P。

建議礦場實施調(diào)剖調(diào)驅(qū)措施前開展注入井吸液剖面測試，據(jù)此確定調(diào)驅(qū)劑和調(diào)剖劑最高注入壓力或注入速率。