非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中流動(dòng)行為影響因素

劉文正，何 宏，劉浩成，元福卿，陳曉彥，劉 歡，馬驍銳，陳麗君

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000； 3.中國(guó)石化勝利油田分公司 河口采油廠，山東 東營(yíng) 257000)

引 言

隨著聚合物驅(qū)后油藏進(jìn)入特高含水階段，儲(chǔ)層非均質(zhì)性進(jìn)一步加劇，剩余油變得更加分散，呈現(xiàn)“高度分散、局部富集”特點(diǎn)[1-4]。如何實(shí)現(xiàn)剩余油的高效挖潛和采收率的大幅度提高，是特高含水油藏持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大難題?；谥ЩA(yù)交聯(lián)凝膠顆粒(B-PPG)的非均相驅(qū)油技術(shù)是特高含水油藏提高采收率的重要技術(shù)措施[5-8]。支化預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9-10]，在壓力的作用下可發(fā)生彈性形變，可與聚合物復(fù)配構(gòu)筑形成非均相復(fù)合體系，由“液液均相”向“液固非均相”轉(zhuǎn)變，能夠解決常規(guī)聚合物擴(kuò)大波及體積能力有限，無法大幅度提高采收率的技術(shù)難題[11-15]。然而，在礦場(chǎng)應(yīng)用過程中部分單元存在注入或者封堵效果不理想現(xiàn)象，提高采收率效果達(dá)不到預(yù)期。如何科學(xué)準(zhǔn)確地描述非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特征，是非均相驅(qū)油體系提高采收率和礦場(chǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題[15-20]。因此，本文以勝坨油田坨28斷塊非均質(zhì)儲(chǔ)層段為研究對(duì)象，通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)開展了非均相驅(qū)油體系流動(dòng)行為研究，評(píng)價(jià)了巖心滲透率、注入速度、B-PPG與聚合物質(zhì)量比(干重)等因素對(duì)其在多孔介質(zhì)中流動(dòng)行為的影響規(guī)律，明確合理的非均相驅(qū)油體系注入?yún)?shù)，以期為進(jìn)一步改善非均相驅(qū)油體系礦場(chǎng)應(yīng)用效果提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

支化預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒(勝利油田提供)：SNF聚丙烯酰胺水溶性聚合物，分子量為2.0×107，水解度為24%；實(shí)驗(yàn)用水為勝坨油田坨28區(qū)塊模擬地層水，礦化度為21 190.35 mg/L，離子成分組成見表1。

表1 勝利油田坨28模擬地層水組成

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ISCO恒速恒壓泵；DQ-Ⅰ型恒溫箱，海安科研儀器有限公司；BAS223S電子天平，Sartorius公司；壓力自動(dòng)采集系統(tǒng)；Φ2.5 cm×20 cm多點(diǎn)測(cè)壓填砂管；中間容器(帶攪拌功能)；Winner2308激光粒度分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)B-PPG懸浮液粒徑測(cè)定。利用Winner2308激光粒度分析儀，測(cè)定不同濃度B-PPG懸浮液的粒徑大小，并進(jìn)行粒度統(tǒng)計(jì)分析，分析B-PPG粒徑隨濃度的變化特征。

(2)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在80 ℃常壓條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流程見圖1，包括以下步驟：①初始水驅(qū)階段，以設(shè)定流速水驅(qū)至填砂管巖心兩端壓差穩(wěn)定，可計(jì)算出巖心初始滲透率；②注入非均相驅(qū)油體系和后續(xù)水驅(qū)階段，以設(shè)定流速向巖心模型中注入6.0 PV非均相驅(qū)油體系，后以相同注入速度轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)；③監(jiān)測(cè)不同階段各測(cè)壓點(diǎn)壓力變化，根據(jù)初始水驅(qū)、注入非均相驅(qū)油體系和后續(xù)水驅(qū)結(jié)束階段驅(qū)替壓差，可以計(jì)算出不同條件下阻力系數(shù)Fr、殘余阻力系數(shù)Frr和封堵率η，用于評(píng)價(jià)非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的注入和封堵性能。計(jì)算式為：

圖1 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置及流程

(1)

(2)

(3)

式中：ΔpHPCF為注非均相驅(qū)油體系過程中的驅(qū)替壓差，MPa；Δpwa和Δpwb為注非均相驅(qū)油體系前后的水驅(qū)驅(qū)替壓差，MPa。上述公式成立條件：保證不同驅(qū)替過程中注入速度相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 B-PPG粒徑分布

采用Winner2308激光粒度分析儀，測(cè)定了不同濃度B-PPG懸浮液粒徑分布情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同質(zhì)量濃度B-PPG粒徑分布特征

由圖2可知，不同濃度的B-PPG懸浮液體系粒徑分布范圍大體一致，處于23.9～1474.0 μm，顆粒分布在228.7～942.7 μm較為集中，粒徑中值D50范圍在506.5～550.2 μm，整體呈現(xiàn)出B-PPG粒徑與其懸浮液濃度相關(guān)性不強(qiáng)的規(guī)律。

2.2 非均相驅(qū)油體系流動(dòng)行為影響因素

2.2.1 巖心滲透率

為了更好地明確基于彈性顆粒的非均相驅(qū)油體系在油藏中的適應(yīng)性，有必要研究巖心滲透率對(duì)非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為影響規(guī)律，因此，固定非均相驅(qū)油體系組成(1 600 mg/L聚合物+800 mg/L B-PPG)和注入速度(0.5 mL/min)，采用不同滲透率的填砂巖心模型(表2)，研究了非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為，根據(jù)不同階段的壓力變化特征，計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表2 填砂巖心參數(shù)

圖3 非均相驅(qū)油體系在不同滲透率巖心下注入壓力變化曲線

由圖3可知，滲透率在0.5～3.4 μm2，注入非均相驅(qū)油體系后，注入端測(cè)壓點(diǎn)P1和中間部位測(cè)壓點(diǎn)P2均可觀測(cè)到壓力明顯上升，表明非均相驅(qū)油體系能夠在巖心多孔介質(zhì)中發(fā)生運(yùn)移。隨著滲透率的增加，注非均相驅(qū)油體系階段最高注入壓力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最高注入壓力由0.459 MPa減小至0.109 MPa。后續(xù)水驅(qū)過程中，當(dāng)滲透率處于0.5 μm2和1.2 μm2時(shí)，注入端壓力呈現(xiàn)“鋸齒狀波動(dòng)”變化規(guī)律，當(dāng)滲透率為3.4 μm2時(shí)，未見到明顯“鋸齒狀波動(dòng)”變化規(guī)律。為進(jìn)一步明確巖心滲透率對(duì)非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為影響規(guī)律，引入匹配系數(shù)δ為B-PPG粒徑中值與巖心平均孔喉直徑比值來表征B-PPG與巖心匹配規(guī)律，巖心平均孔喉直徑可依據(jù)Carman-Kozeny公式[16]計(jì)算得到(表2)。隨著匹配系數(shù)δ減小，注非均相驅(qū)油體系階段，最高注入壓力降低，注入端壓力p1和中間部位測(cè)壓點(diǎn)p2均觀測(cè)到壓力上升且p1和p2之間壓差減小，表明隨著匹配系數(shù)的減小，非均相驅(qū)油體系注入性提高，同時(shí)非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中能夠發(fā)生運(yùn)移。

為進(jìn)一步分析非均相驅(qū)油體系在不同滲透率下的注入能力和封堵性能，統(tǒng)一選取非均相注入孔隙體積倍數(shù)為6.0 PV處和后續(xù)水驅(qū)至20.0 PV處壓力計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，結(jié)果見圖4。

圖4 非均相驅(qū)油體系在不同滲透率下阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)

由圖4可知，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)均隨滲透率的增加而減小。進(jìn)一步計(jì)算巖心封堵率，選擇封堵率不小于80%(殘余阻力系數(shù)高于5)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]，可以認(rèn)為非均相驅(qū)油體系在巖心滲透率0.5～3.4 μm2可順利注入并形成有效封堵。

2.2.2 注入速度

為了更好地優(yōu)化基于彈性顆粒的非均相驅(qū)油體系注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)，有必要研究注入速度對(duì)非均相復(fù)合體系在多孔介質(zhì)中流動(dòng)行為的影響規(guī)律。因此，固定非均相驅(qū)油體系組成(1 600 mg/L聚合物+800 mg/L B-PPG)和巖心滲透率(表3)，研究了不同注入速度條件下非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為，根據(jù)不同階段的壓力變化特征，計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表3 不同注入速度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)

由圖5可知，當(dāng)注入速度為0.25 mL/min，注非均相階段注入端壓力p1上升較慢，隨著注入速度增加，注非均相階段注入端壓力上升幅度先增加后減小；當(dāng)注入速度為0.5～0.75 mL/min，注非均相階段注入端壓力p1快速上升；而當(dāng)注入速度大于0.75 mL/min，注非均相階段p1上升速度再次減緩。后續(xù)水驅(qū)階段過程中，當(dāng)注入速度為0.25 mL/min時(shí)，注入端壓力呈“鋸齒狀”波動(dòng)且維持在較高值。當(dāng)注入速度高于0.25 mL/min，注入端壓力隨著注入孔隙體積倍數(shù)增加而降低至平穩(wěn)值。

圖5 非均相驅(qū)油體系在不同注入速度下注入壓力變化曲線

為進(jìn)一步分析非均相驅(qū)油體系在不同注入速度下的注入能力和封堵性能，選取注非均相驅(qū)油體系過程結(jié)束時(shí)注入壓力和后續(xù)水驅(qū)過程注入壓力近似穩(wěn)定時(shí)的注入壓力計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，隨著注入速度的增加，阻力系數(shù)先減小至出現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)后迅速減小，殘余阻力系數(shù)減小，非均相驅(qū)油體系注入能力提高，封堵能力減弱。這是由于在固定非均相驅(qū)油體系濃度前提下，注入速度越小，單位時(shí)間進(jìn)入巖心的B-PPG數(shù)量越少，顆粒有足夠的時(shí)間在大孔喉處接觸并堆積， 后續(xù)非均相驅(qū)油體系的注入會(huì)使堆積在孔喉處的B-PPG進(jìn)一步“壓實(shí)”，增加封堵強(qiáng)度；此外，由于大孔道被封堵滲流阻力增加，會(huì)迫使后續(xù)液流轉(zhuǎn)向進(jìn)入未被波及到的低滲區(qū)域，從而提高波及系數(shù)，形成一種良性循環(huán)。當(dāng)注入速度較大時(shí)，注入巖心中的B-PPG尚未在孔喉處堆積即在液流攜帶下繼續(xù)向前運(yùn)移，致使非均相驅(qū)油體系的封堵能力和液流轉(zhuǎn)向能力減弱，巖心阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)變小。基于非均相驅(qū)油體系“注得進(jìn)”、“可運(yùn)移”、“能堵住”的基本要求，結(jié)合注入性能和巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選注入速度，以封堵率不低于80%為優(yōu)化條件(Frr≥5)，認(rèn)為合理的注入速度為0.5～0.75 mL/min。

圖6 非均相驅(qū)油體系不同注入速度下阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)

2.2.3 B-PPG與聚合物質(zhì)量比

為了更好地優(yōu)化基于B-PPG的非均相驅(qū)油體系注入能力和封堵性能，有必要研究體系中B-PPG與聚合物質(zhì)量比(干重)對(duì)非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為影響規(guī)律。因此，固定巖心滲透率和注入速度(表4)，研究了不同B-PPG與聚合物質(zhì)量比條件下非均相驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為，根據(jù)不同階段的壓力變化特征，計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表4 不同B-PPG與聚合物質(zhì)量比驅(qū)替實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)

圖7 非均相驅(qū)油體系在不同B-PPG與聚合物質(zhì)量比下注入壓力變化曲線

由圖7可知，注入壓力隨B-PPG與聚合物質(zhì)量比升高而增大。由于注入速度固定的前提下，B-PPG與聚合物質(zhì)量比越大，單位時(shí)間進(jìn)入巖心的B-PPG增多，在孔喉處形成的封堵越強(qiáng)，致使注入壓力增大。后續(xù)水驅(qū)階段壓力呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)變化，說明B-PPG在持續(xù)向前運(yùn)移。壓力的波動(dòng)有兩個(gè)原因：①B-PPG顆粒在孔喉處堆積形成封堵，水驅(qū)時(shí)水在 B-PPG和孔喉之間擠出的通道是暫時(shí)的，由于B-PPG具有變形能力，該通道會(huì)不斷地開啟與閉合，導(dǎo)致壓力的波動(dòng)；②水驅(qū)時(shí)B-PPG在液流的推動(dòng)下向前運(yùn)移，至孔喉處時(shí)由于孔喉入口和出口壓差增大，B-PPG發(fā)生形變，當(dāng)其粒徑接近孔喉直徑時(shí)通過孔喉繼續(xù)向前運(yùn)移，這一過程使得注入端壓力呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，波峰為B-PPG發(fā)生形變即將通過孔喉時(shí)的壓力，波谷為B-PPG通過孔喉開始繼續(xù)向前運(yùn)移時(shí)的壓力。

為進(jìn)一步分析非均相驅(qū)油體系在B-PPG與聚合物不同質(zhì)量比下注入能力和封堵性能，選取注非均相驅(qū)油體系過程結(jié)束時(shí)注入壓力和后續(xù)水驅(qū)過程注入壓力近似穩(wěn)定時(shí)的注入壓力計(jì)算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，在較寬的B-PPG與聚合物質(zhì)量比下(0.5∶1～1∶1)，非均相驅(qū)油體系均可對(duì)巖心形成有效封堵(殘余阻力系數(shù)高于5)，巖心阻力系數(shù)以及殘余阻力系數(shù)隨質(zhì)量比增加而增加，其中殘余阻力系數(shù)在質(zhì)量比為0.375∶1～0.75∶1增加幅度變大，質(zhì)量比超過0.75∶1后增加幅度變小。因此，基于非均相驅(qū)油體系的基本要求，考慮注入性能以及B-PPG成本高于聚合物的實(shí)際情況，以封堵率不低于80%(Frr≥5)為條件，得到合理的B-PPG與聚合物質(zhì)量比值合理范圍為0.5∶1～0.75∶1。

圖8 不同B-PPG與聚合物質(zhì)量比下阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)隨著巖心滲透率的增加，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)減小，非均相驅(qū)油體系在滲透率0.5～3.4 μm2時(shí)能順利注入并形成有效封堵，封堵率達(dá)82.5%以上。

(2)注入速度對(duì)非均相驅(qū)油體系注入能力有明顯影響。隨著注入速度的增加，阻力系數(shù)先減小至平穩(wěn)后迅速減小，殘余阻力系數(shù)減小，非均相驅(qū)油體系封堵能力減弱。合理注入速度為0.5～0.75 mL/min，該范圍內(nèi)非均相驅(qū)油體系可順利注入且封堵率超過80%，可實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)。

(3)非均相驅(qū)油體系中B-PPG與聚合物質(zhì)量比對(duì)注入性和封堵能力影響較大。隨著非均相驅(qū)油體系中B-PPG與聚合物質(zhì)量比增加，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增加，體系的注入能力下降和封堵性能增強(qiáng)，以封堵率不低于80%(Frr≥5)為條件，得到合理的B-PPG與聚合物質(zhì)量比為0.5∶1～0.75∶1。