砂巖油藏聚合物堵塞機(jī)理及解堵方法研究

趙 林，高申領(lǐng)，陳 淵，梅東風(fēng)，侯寶峰，王 瑞，李新丹

(1.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124109；3.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100；4.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

0 引 言

河南雙河油田聚合物驅(qū)油藏注聚合物井堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致注入壓力升高，采油井液量下降，嚴(yán)重影響開(kāi)發(fā)效果。其中，核二段儲(chǔ)集層為典型的湖盆陡坡扇三角洲沉積砂巖油藏，平面層間非均質(zhì)性強(qiáng)，聚合物驅(qū)初期產(chǎn)液能力好，見(jiàn)效后即發(fā)現(xiàn)地層堵塞，產(chǎn)液量下降。近年來(lái)，主要采用過(guò)硫酸銨體系配套酸化措施開(kāi)展聚合物解堵，但存在措施有效期短、投入產(chǎn)出比高等問(wèn)題，急需開(kāi)展聚合物驅(qū)長(zhǎng)效解堵技術(shù)研究。堵塞半徑、堵塞位置和堵塞機(jī)理是解堵施工作業(yè)成功的關(guān)鍵[1-2]。目前相關(guān)研究手段都較為單一，主要通過(guò)油藏?cái)?shù)值模擬方法和注采動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)擬合方法來(lái)探究聚合物在多孔介質(zhì)中的堵塞位置等參數(shù)[3-5]。針對(duì)河南油田聚合物驅(qū)中存在的實(shí)際情況，采用長(zhǎng)填砂管多點(diǎn)測(cè)壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、油藏工程方法、電鏡掃描(SEM)、CT和核磁共振等手段，開(kāi)展堵塞半徑和堵塞機(jī)理的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，以期為聚合物驅(qū)開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究提供一定的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用巖心的基本參數(shù)如表1(巖心直徑均為2.5 cm)所示。

實(shí)驗(yàn)所用聚合物為陰離子聚丙烯酰胺，固含量為90.75%，水解度為28.60%，平均相對(duì)分子質(zhì)量為2 836×104。油樣來(lái)自于雙河油田北塊雙觀1井。模擬地層砂由石英砂、長(zhǎng)石、方解石按照質(zhì)量比為6∶3∶1配制而成。實(shí)驗(yàn)所用地層水礦化度為8 400 mg/L，具體組成見(jiàn)表2。

多點(diǎn)測(cè)壓填砂管模型長(zhǎng)度為1 000 mm，內(nèi)徑為36 mm。在填砂管模型入口端和出口端各設(shè)置2個(gè)測(cè)壓點(diǎn)(記為P1、P6)，在距入口端1/8、1/4、1/2、3/4處設(shè)置4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)(記為P2—P5)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚合物堵塞半徑測(cè)定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①在長(zhǎng)填砂管中填充模擬地層砂進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，飽和油后進(jìn)行一次水驅(qū)，水驅(qū)至含水率達(dá)98%之后，以0.5 mL/min的速度注入0.6倍孔隙體積的聚合物溶液。②后續(xù)水驅(qū)直至含水率達(dá)到98%，密切記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的注入壓力和采出液量等數(shù)據(jù)。③驅(qū)替結(jié)束后，根據(jù)不同位置的壓力梯度確定具體的堵塞位置。

表1 實(shí)驗(yàn)選用巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)用地層水礦物組成

1.2.2 聚合物堵塞機(jī)理研究

實(shí)驗(yàn)步驟如下：在巖心夾持器中放入巖心，實(shí)驗(yàn)前2個(gè)步驟同上，驅(qū)替結(jié)束后，將不同位置的巖心切片采用SU9000型日立掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM掃描分析；利用MicroMR02-050v核磁共振致密巖心分析儀和V|Tome|X S 180 & 240微納米雙射線管巖心CT掃描系統(tǒng)得到聚合物堵塞前后巖心的孔隙度、滲透率、可動(dòng)流體飽和度、束縛流體飽和度等參數(shù)，研究聚合物堵塞機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堵塞半徑研究

在聚合物驅(qū)過(guò)程中，聚合物在多孔介質(zhì)中還沒(méi)有達(dá)到吸附和捕集滯留平衡[6-9]，因此，通過(guò)分析后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中填砂管不同位置的注入壓力梯度來(lái)確定聚合物的堵塞半徑(圖1)。由圖1可知：在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，測(cè)壓點(diǎn)P2和測(cè)壓點(diǎn)P3間的壓力梯度最大，其次是測(cè)壓點(diǎn)P1與測(cè)壓點(diǎn)P2之間的壓力梯度，即在測(cè)壓點(diǎn)P1與測(cè)壓點(diǎn)P3之間聚合物堵塞比較嚴(yán)重。測(cè)壓點(diǎn)P1至測(cè)壓點(diǎn)P3的距離為整個(gè)填砂管長(zhǎng)度的1/4，位于填砂管的前端，因此，聚合物堵塞主要發(fā)生在靠近填砂管注入端的0～1/4處。

圖1 填砂管不同測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力梯度曲線

利用油藏工程方法計(jì)算聚合物驅(qū)堵塞半徑[10-13]。在擬穩(wěn)定流條件下，聚合物堵塞半徑計(jì)算公式為：

(1)

基于研究區(qū)油藏參數(shù)(表3)，計(jì)算得到最終的堵塞半徑為7.4 m。該區(qū)塊注采井距通常在150.0 m左右，故計(jì)算得到的堵塞位置區(qū)域?yàn)?.4/150.0=0.04(0～1/4)，即油藏工程方法計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了多點(diǎn)測(cè)壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 堵塞半徑計(jì)算所需油藏參數(shù)

2.2 聚合物驅(qū)堵塞機(jī)理研究

2.2.1 SEM掃描

將聚合物驅(qū)前后巖心不同堵塞位置進(jìn)行切片，自然干燥后噴金鍍膜，用掃描電鏡觀察聚合物微觀附著形貌，分析堵塞位置、堵塞類型和堵塞特征(圖2、3)。一般來(lái)講，當(dāng)巖心孔喉比較大且聚合物的線團(tuán)直徑小于巖心孔喉直徑時(shí)，聚合物分子易吸附在高滲巖心的大孔隙內(nèi)壁處和巖心表面[14-16]。圖2為高滲巖心(16號(hào)巖心，415.21 mD)不同位置處聚合物附著微觀形貌。由圖2可知：在0～1/8處和1/8～1/4處，高滲巖心的孔喉內(nèi)壁處和巖心外表面吸附了大量的聚合物，且1/8～1/4處聚合物在高滲巖心表面的吸附量比0～1/8處的吸附量還大(圖2b，c)，而1/4～1/2處、1/2～3/4處(深部地層)及尾端(生產(chǎn)井)巖心表面吸附的聚合物都比較少，聚合物滯留量很小(圖2d、e、f)。由于高滲條帶儲(chǔ)層的孔喉半徑比聚合物分子線團(tuán)尺寸大很多，聚合物的機(jī)械捕集量小，聚合物的吸附量大，聚合物堵塞主要是由吸附引起的，水動(dòng)力學(xué)滯留作用處于次要地位。

圖3為低滲巖心(6號(hào)巖心，7.46 mD)不同位置處聚合物微觀附著形貌。由圖3可知：在0～1/8處和1/8～1/4處，低滲巖心孔喉處滯留堆積了大量的聚合物(黃色圈處)，部分孔喉被聚合物堵塞，即聚合物在低滲巖心小孔喉處的機(jī)械捕集量大(圖3a、b)；在1/2～3/4處及尾端，巖心孔喉處的機(jī)械捕集量比較小(圖3c、d)。低滲巖心的孔喉直徑一般比聚合物線團(tuán)尺寸小，聚合物分子在孔喉處被機(jī)械捕集；另外，低滲巖心微觀上比表面積要比高滲巖心大，縫隙部位、狹口部位、夾角部位等也比高滲透巖心多，聚合物分子更易被機(jī)械捕集[17-18]。

圖2 高滲巖心不同位置聚合物的微觀附著形貌

圖3 低滲巖心不同位置聚合物的微觀滯留形貌

2.2.2 核磁共振實(shí)驗(yàn)

采用核磁共振分析儀對(duì)多孔介質(zhì)聚合物驅(qū)前后的端面分別進(jìn)行掃描得到相應(yīng)的T2譜，并獲得巖樣的孔隙度曲線和累計(jì)孔隙度曲線。在T2譜圖中，流體在大孔喉中的弛豫速率比較小，弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，流體在小孔喉中的弛豫速率比較快，弛豫時(shí)間短，即在橫坐標(biāo)軸上大弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)大孔隙，小弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)小孔隙。因此，可從T2譜中曲線峰值的強(qiáng)弱變化及曲線的左右移動(dòng)情況來(lái)判別巖心孔喉孔徑及孔隙度的變化。圖4為聚合物驅(qū)前后高滲巖心的T2譜圖。由圖4可知：相比于一次水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)T2譜曲線整體左移，并出現(xiàn)與中、小孔隙度相對(duì)應(yīng)的曲線峰值。其原因?yàn)椋壕酆衔矧?qū)后，聚合物吸附在高滲巖心的大孔隙內(nèi)壁處，孔隙孔徑縮小，小孔隙數(shù)量相對(duì)增加。核磁共振實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和SEM掃描結(jié)果也相互得到驗(yàn)證。

圖4 巖心注聚前后的核磁共振T2譜

2.2.3 CT掃描

通過(guò)CT掃描獲得高滲巖心的孔喉半徑和配位數(shù)分布曲線(圖5、6)，其中，配位數(shù)反映了每個(gè)孔道所連通的喉道數(shù)。由圖5、6可知：聚合物驅(qū)后的巖心孔喉半徑和配位數(shù)均減少，巖心平均孔喉半徑由42.2 μm降至39.9 μm，平均喉道配位數(shù)由3.36降至3.19。聚合物吸附層一般較薄，孔喉平均半徑和平均喉道配位數(shù)均下降幅度較小，而聚合物機(jī)械捕集一般會(huì)造成上述參數(shù)的大幅度下降。因此，由圖5、6的曲線變化趨勢(shì)可推斷高滲巖心中聚合物堵塞以吸附為主。

由以上實(shí)驗(yàn)分析可知：聚合物堵塞主要是由于聚合物在巖心表面和孔喉處的吸附和機(jī)械捕集滯留作用導(dǎo)致的?；谠撜J(rèn)識(shí)，優(yōu)化采用氧化劑+聚合物防吸附劑相結(jié)合的解堵+預(yù)防一體化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解堵試驗(yàn)。其中，氧化劑可氧化降解孔喉和巖石表面處的滯留聚合物，防吸附劑可預(yù)防解堵之后聚合物在巖石表面的再次吸附滯留。

圖5 孔喉半徑分布曲線

圖6 配位數(shù)分布曲線

3 應(yīng)用實(shí)例

雙河油田為典型的湖盆陡坡扇三角洲沉積。開(kāi)發(fā)目的層核二段油層埋深為880～1 055 m，油層平均有效厚度為18.7 m；孔隙度為19.0%～30.0%，平均為23.4%；滲透率為0.2～1.2 D，平均為0.5 D。儲(chǔ)層壓實(shí)程度低，成巖作用差，膠結(jié)疏松，物性較好。在雙河油田K0206井組進(jìn)行了聚合物驅(qū)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，初期取得了較好的開(kāi)發(fā)效果，后期由于出現(xiàn)聚合物堵塞現(xiàn)象，聚合物驅(qū)效果下降。該井組中的HB井在解堵前，聚合物注入壓力高，由初始的10.5 MPa增至堵塞后的14.6 MPa左右，日注入量?jī)H為1～2 m3/d。對(duì)HB井的聚合物驅(qū)固態(tài)返排物質(zhì)的含量進(jìn)行了分析(表4)。由表4可知：固態(tài)返排物質(zhì)中聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)90.62%，說(shuō)明該井發(fā)生了嚴(yán)重的聚合物堵塞，對(duì)聚合物驅(qū)生產(chǎn)效果產(chǎn)生了不利影響。

表4 聚合物驅(qū)固態(tài)返排物質(zhì)含量分析

基于上述對(duì)聚合物驅(qū)堵塞位置和堵塞半徑的研究，決定采用JD-2000解堵劑對(duì)儲(chǔ)層解堵。JD-2000解堵劑的主要成分包括過(guò)氧化物類氧化劑、硅氧烷類聚合物防吸附劑及其他添加劑，JD-2000解堵劑對(duì)聚合物具有很好的氧化降解能力，最終降解產(chǎn)物為液態(tài)，無(wú)固相存在，不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生二次堵塞，同時(shí)還能有效防止聚合物在巖石表面的二次吸附滯留。設(shè)計(jì)施工參數(shù)為：解堵半徑為7 m，解堵劑用量為183 m3，施工排量為設(shè)備限壓條件下的最大排量。

解堵施工后，HB井的視吸水指數(shù)為0.488～0.917 m3/(d·MPa)，平均為0.691 m3/(d·MPa)；解堵前的視吸水指數(shù)為0.040～0.121 m3/(d·MPa)，平均為0.066 m3/(d·MPa)，解堵后的視吸水指數(shù)為解堵前的10.5倍。聚合物日注入量為1 210 m3/d，達(dá)到了配注要求。HB井對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)井受效明顯，相比聚合物驅(qū)前，日產(chǎn)液由17.5 t/d升至47.6 t/d，日產(chǎn)油由1.9 t/d升至8.5 t/d，每噸聚合物的換油率由5.2 t/t升至10.3 t/t。

4 結(jié) 論

(1) 利用長(zhǎng)填砂管多點(diǎn)測(cè)壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和油藏工程方法確定了聚合物堵塞半徑，聚合物堵塞位置主要在靠近填砂管注入端的0～1/4處。

(2) 高滲巖心聚合物堵塞主要是由吸附引起的，低滲透巖心聚合物堵塞主要是由機(jī)械捕集引起的。聚合物堵塞導(dǎo)致部分大孔隙孔徑縮小，小孔隙數(shù)量相對(duì)增加?？缀砥骄霃接?2.2 μm降至39.9 μm，平均喉道配位數(shù)由3.36降到3.19。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例證明，基于對(duì)聚合物堵塞機(jī)理和堵塞半徑的認(rèn)識(shí)，利用氧化劑+聚合物防吸附劑一體化技術(shù)可以取得很好的解堵效果。