非均質(zhì)油藏中微球/聚合物非均相復(fù)合體系的調(diào)驅(qū)性能

賴南君，潘成巍，宋恒杰 ，李 平，陳明珠

（1.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2.中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610041；3.中國(guó)石油 新疆油田分公司開(kāi)發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

聚合物驅(qū)進(jìn)入中后期，油井采出液的高含水量和儲(chǔ)層嚴(yán)重的非均質(zhì)性會(huì)影響油藏儲(chǔ)能的開(kāi)發(fā)［1-3］。為實(shí)現(xiàn)高滲油藏穩(wěn)油控水，提高低滲油藏動(dòng)用程度，需要采用高強(qiáng)度調(diào)剖劑對(duì)高滲孔喉封堵，擴(kuò)大后續(xù)驅(qū)替流體在相對(duì)低滲油藏的波及體積以提高非均質(zhì)油藏采收率［4-6］。通常將調(diào)剖劑與聚合物復(fù)合使用來(lái)提高非均質(zhì)油藏的采收率［7-11］。微球作為一種非連續(xù)相的凝膠顆粒，當(dāng)它的膨脹尺寸與儲(chǔ)層孔喉尺寸相匹配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)有效封堵［12-14］，注入壓力升高推動(dòng)微球在儲(chǔ)層中運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)調(diào)剖，通過(guò)擴(kuò)大后續(xù)驅(qū)替流體在相對(duì)低滲油藏的吸液量來(lái)提高采收率［15-20］。同時(shí)，由于良好的耐溫、耐鹽性，微球在各大油田得到廣泛應(yīng)用［21］。微球與聚合物協(xié)同使用可提高儲(chǔ)層油藏采收率［9，22-23］。陳海玲等［24］研究發(fā)現(xiàn)，微球與締合聚合物能形成締合體，且聚合物濃度高于締合濃度時(shí)，復(fù)合體系表現(xiàn)出良好的增黏性能和剪切恢復(fù)能力。任豪等［25］將0.1%（w）微球與聚合物復(fù)合，聚合物提高了微球的分散性，微球增強(qiáng)了聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為復(fù)合體系黏度提高。高黏度復(fù)合體系具有強(qiáng)大的調(diào)剖能力［26］，具有提高非均質(zhì)油藏中低滲油藏采收率的潛力，但聚合物與微球配比直接影響復(fù)合體系的性能，使復(fù)合體系在非均質(zhì)油藏調(diào)剖驅(qū)油的效果有差異。目前，對(duì)復(fù)合體系在非均質(zhì)油藏協(xié)同作用的認(rèn)識(shí)尚不明確。

本工作選用聚丙烯酰胺微球（PCB）與疏水締合聚合物KYPAM-6S復(fù)配的非均相復(fù)合體系，通過(guò)抗剪切性和黏彈性測(cè)試進(jìn)行了復(fù)合體系配比的優(yōu)選，在非均質(zhì)油藏進(jìn)行調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)，研究了非均相復(fù)合體系調(diào)驅(qū)的協(xié)同作用，為PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系在非均質(zhì)油藏中提高采收率提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

PCB：實(shí)驗(yàn)室自制，采用反向乳液法合成；疏水締合聚合物KYPAM-6S：分子量1.2×107，水解度26.30%，固含量88.0%（w），粉狀，工業(yè)品，水不溶物含量為0.2%（w），北京恒聚化工有 限 公 司； NaCl，CaCl2，MgCl2·6H2O，KCl，Na2CO3，Na2SO4，NaHCO3：分析純，成都科龍?jiān)噭S；人造均質(zhì)方巖心由石英砂與環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)壓制，尺寸30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm；實(shí)驗(yàn)所取原油為渤海X油田，60 ℃下黏度為45 mPa·s，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均在60 ℃環(huán)境中進(jìn)行；配制的模擬地層鹽水總礦化度為7.15 g/L，組成為：0.08 g/L Na2CO3，5.59 g/L NaCl，0.03 g/L Na2SO4，0.54 g/L NaHCO3，0.53 g/L CaCl2，0.58 g/L MgCl2·6H2O，0.08 g/L KCl。

Quanta 450FEG型環(huán)境掃描電子顯微鏡：美國(guó)FEI公司；BS200-SS型顯微鏡：臺(tái)灣博盛科研儀器公司；Brookfield DV-Ⅲ型黏度計(jì)：美國(guó)Brookfield公司；2PB-1040Ⅱ型平流泵：北京衛(wèi)星制造廠；Haake MARS Ⅲ型高溫高壓流變儀：德國(guó)賽默飛世爾公司。

1.2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)渤海X油田儲(chǔ)層特征，選擇滲透率為0~1 000×10-3μm2的均質(zhì)方巖心進(jìn)行物理模擬調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)，在60 ℃條件下，設(shè)置三管并聯(lián)模擬非均質(zhì)環(huán)境，通過(guò)一次水驅(qū)、注入調(diào)剖體系和后續(xù)水驅(qū)，對(duì)調(diào)剖體系的調(diào)驅(qū)性能進(jìn)行研究。圖1為三管并聯(lián)非均質(zhì)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程。

圖1 三管并聯(lián)非均質(zhì)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of parallel heterogeneous core flooding experiment.

1.3 PCB形貌表征

取少量PCB原液固定在試樣板上，在紫外光下干燥，表面噴金處理后，在真空環(huán)境下采用Quanta 450FEG型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察PCB的微觀形貌。

取少量PCB原液加入到煤油中進(jìn)行稀釋，攪拌均勻后取少量溶液在BS200-SS型顯微鏡下觀察PCB的微觀形貌，對(duì)PCB的直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.4 PCB在復(fù)合體系中的膨脹性能測(cè)試

以模擬地層鹽水為溶劑，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，將母液稀釋成不同濃度的KYPAM-6S溶液，待溶液體系均一后，加入等質(zhì)量的PCB，配制PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系（配比見(jiàn)表1），采用BS200-SS型顯微鏡觀察PCB的膨脹現(xiàn)象。

表1 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的配比Table 1 Proportion of PCB/KYPAM-6S composite system

1.5 KYPAM-6S與PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系黏度測(cè)試

以模擬地層鹽水為溶劑，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，稀釋后加入定量PCB，攪拌均勻，制備成PCB質(zhì)量濃度為500 mg/L的PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系，測(cè)量不同質(zhì)量濃度的KYPAM-6S溶液及PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏度。

以模擬地層鹽水為溶劑，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，稀釋后加入不同質(zhì)量PCB，攪拌均勻，配制成總質(zhì)量濃度為3 000 mg/L、不同復(fù)配比例的PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系，測(cè)量不同質(zhì)量濃度的KYPAM-6S溶液和PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏度。

1.6 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的抗剪切測(cè)試

將試樣靜置2 h以上以確保其中沒(méi)有氣泡。在穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)中選擇CR模式，剪切速率為10~1 000 s-1，在60 ℃條件下測(cè)試非均相復(fù)合體系的剪 切稀釋性。

1.7 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏彈性測(cè)試

選擇0.1 Pa的特定應(yīng)力，以確保試樣在線性黏彈性區(qū)域內(nèi)。在OCS振蕩模式，頻率為0.001~10.00 Hz下進(jìn)行振蕩頻率掃描，在60 ℃條件下測(cè)試非均相復(fù)合體系的黏彈性。

1.8 不同調(diào)剖體系的調(diào)驅(qū)性能

1）模擬地層鹽水測(cè)巖心滲透率；2）以0.5 mL/min的恒定流速注入原油飽和巖心，再并聯(lián)飽和原油的不同滲透率巖心，在60 ℃環(huán)境中老化巖心1 d；3）以1.0 mL/min的恒定流量進(jìn)行一次水驅(qū)至采出液含水率達(dá)80%，分別記錄水驅(qū)過(guò)程中的壓力變化，每隔一定時(shí)間接液，記錄不同滲透率巖心采出液的產(chǎn)油量及產(chǎn)水量；4）以1.0 mL/min的恒定流量注入調(diào)剖體系（PCB溶液、KYPAM-6S溶液、PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系），記錄注入過(guò)程中的壓力變化，在不同時(shí)間段內(nèi)記錄不同滲透率巖心的產(chǎn)油量及產(chǎn)水量，將并聯(lián)巖心在60 ℃環(huán)境中放置4 d；5）以1.0 mL/min的恒定流量進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至出口端總含水率大于98%，記錄后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中的壓力變化，在不同時(shí)間段內(nèi)記錄不同滲透率巖心的產(chǎn)油量及產(chǎn)水量。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCB的微觀面貌

PCB的ESEM照片、顯微鏡照片及初始粒徑分布見(jiàn)圖2。由圖2可知，PCB為球形顆粒，初始粒徑主要分布在0.5~30.0 μm，粒徑中值在15.0 μm左右，粒徑分布集中。

圖2 PCB的ESEM照片（a）、顯微鏡照片（b）及初始粒徑分布（c）Fig.2 ESEM image(a) ，microscope image(b) and initial particle size distribution(c) of PCB.

2.2 PCB在復(fù)合體系的膨脹性能

PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系中PCB的膨脹性能見(jiàn)圖3。由圖3可知，在60 ℃環(huán)境下，對(duì)于不同配比的復(fù)合體系，PCB具有快速膨脹的能力，在水相中具有良好的分散性。PCB和KYPAM-6S均存在自由基親水基團(tuán)［27］，兩者對(duì)水分子存在競(jìng)爭(zhēng)作用，KYPAM-6S含量越高，PCB前期膨脹受到的抑制作用越強(qiáng)，隨著水化膨脹時(shí)間的延長(zhǎng)，水分子進(jìn)入到PCB顆?？椎琅c孔道中親水基團(tuán)結(jié)合而被滯留，PCB顆粒不可逆地膨脹增大。不同復(fù)合體系水化膨脹96 h后，PCB膨脹尺寸差異較小，在144 h后，不同復(fù)合體系中的PCB膨脹尺寸基本相等，說(shuō)明KYPAM-6S對(duì)PCB的膨脹速率有影響，但不影響PCB的最終膨脹尺寸，在不同配比的復(fù)合體系中，水化膨脹96 h后，PCB膨脹尺寸達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的增黏性

KYPAM-6S溶液、PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系（PCB質(zhì)量濃度為500 mg/L）的黏度及不同復(fù)配比例復(fù)合體系的黏度見(jiàn)圖4。由圖4（a）可知，PCB質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)，隨KYPAM-6S用量的增加，PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系黏度增加。這是因?yàn)?KYPAM-6S為疏水聚合物，隨著KYPAM-6S用量的增加，KYPAM-6S分子間的碰撞程度增大，分子鏈纏繞程度增大，使得KYPAM-6S黏度增大。在較寬質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏度高于相應(yīng)質(zhì)量濃度的KYPAM-6S溶液。由圖4（b）可知，當(dāng)總質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時(shí)，復(fù)合體系的黏度隨PCB質(zhì)量濃度的增加而降低，原因是PCB在水溶液中呈現(xiàn)低黏性質(zhì)，所以隨著PCB含量增大，復(fù)合體系的黏度逐漸降低。2 000 mg/L PCB +1 000 mg/L KYPAM-6S 復(fù)合體系黏度為42.35 mPa·s，而500 mg/L PCB+1 000 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系黏度為47.28 mPa·s，相比于2 000 mg/L PCB，500 mg/L PCB的增黏能力更大。這說(shuō)明PCB占比大，增效KYPAM-6S的黏度不一定高，PCB增效KYPAM-6S的黏度需要合適的配比。

圖4 KYPAM-6S溶液與 PCB/ KYPAM-6S復(fù)合體系（PCB質(zhì)量濃度為500 mg/L）黏度（a）及不同復(fù)配比例復(fù)合體系的黏度（b）Fig.4 Viscosity of KYPAM-6S solution and PCB/KYPAM-6S composite solution(PCB concentration is 500 mg/L)(a) and viscosity of the composite system with different compounding ratios(b).

2.4 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的抗剪切性能

不同復(fù)配比例PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的剪切稀釋性見(jiàn)圖5。

由圖5可知，復(fù)合體系在低剪切速率下表現(xiàn)出剪切稀釋，在高剪切速率下表現(xiàn)出剪切增稠。這是因?yàn)閺?fù)合體系在低剪切速率下，PCB顆粒在KYPAM-6S中的剪切帶中呈現(xiàn)“滾珠效應(yīng)”，起到了“潤(rùn)滑作用”，降低了復(fù)合體系的黏度。隨著剪切速率的增大，PCB顆粒在剪切帶中定向流動(dòng)，在KYPAM-6S中有序排列，產(chǎn)生類似層狀結(jié)構(gòu)，使復(fù)合體系表現(xiàn)為剪切變稀行為。隨著剪切速率進(jìn)一步增大，PCB顆粒間碰撞概率增大，PCB顆粒間易發(fā)生團(tuán)聚形成不穩(wěn)定的“粒子簇”［28］。“粒子簇”的存在影響層流條件下KYPAM-6S的速度分布，在高速旋轉(zhuǎn)下液體流線在顆粒周圍發(fā)生繞流變形，導(dǎo)致總體流動(dòng)阻力增加，使復(fù)合體系在高剪切速率區(qū)域表現(xiàn)為剪切增稠。對(duì)比不同復(fù)配比例的復(fù)合體系，在高剪切速率下，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系和1 750 mg/L PCB+1 250 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系的剪切增稠曲線平滑，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，而其他復(fù)合體系受高剪切速率的影響，黏度變化波動(dòng)大，在高剪切速率下穩(wěn)定性差。

圖5 不同復(fù)配比例PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的剪切稀釋性Fig.5 Shear thinning properties of PCB/KYPAM-6S composite systems with different compounding ratios.

2.5 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏彈性

不同復(fù)配比例PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏彈性及復(fù)配前后黏彈性的對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6（a）可知，在復(fù)合體系總質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的條件下，復(fù)合體系的彈性模量均高于黏性模量；在相同的振蕩頻率下，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系的動(dòng)態(tài)模量最高，當(dāng)PCB質(zhì)量濃度高于1 500 mg/L時(shí)，PCB質(zhì)量濃度越大，復(fù)合體系動(dòng)態(tài)模量越小，說(shuō)明PCB增效KYPAM-6S需要合適的配比。由圖6（b）可知，相對(duì)于單獨(dú)使用PCB或KYPAM-6S，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系的動(dòng)態(tài)模量更高，說(shuō)明復(fù)合體系比單一組分具有更強(qiáng)的黏彈性。綜合復(fù)合體系的抗剪切能力和黏彈性，最終確定1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系為最優(yōu)配比的復(fù)合體系。

圖6 不同復(fù)配比例PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的黏彈性（a）及復(fù)配前后黏彈性對(duì)比（b）Fig.6 Viscoelasticity of PCB/KYPAM-6S composite systems with different compounding ratios(a) and comparison of viscoelasticity before and after compounding(b).

2.6 PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系的調(diào)驅(qū)性能

采用三管并聯(lián)的方式，通過(guò)采收率、注入壓力變化、分流率來(lái)研究不同體系在非均質(zhì)巖心中的調(diào)驅(qū)能力。注入體系分別為：KYPAM-6S溶液、PCB溶液和PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系，注入量均為0.3 PV，不同調(diào)剖體系調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 不同調(diào)剖體系調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme of different profile control systems

不同調(diào)剖體系注入壓力、采收率及總含水率與注入量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7，不同調(diào)剖體系分流率隨注入量的變化見(jiàn)圖8，不同調(diào)剖體系提高采收率的能力見(jiàn)圖9。由圖7和圖9可知，不同調(diào)剖體系的總采收率和提高采收率的能力一致，由大到小依次為：PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系＞PCB＞KYPAM-6S。PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系在低滲巖心中提高采收率能力最高，為19.25%。

圖7 不同調(diào)剖體系注入壓力、采收率及總含水率與注入量的關(guān)系曲線Fig.7 Changes of injection pressure，recovery factor and total moisture content with injection volume of different profile control systems.

圖8 不同調(diào)剖體系分流率隨注入量的變化Fig.8 Variation of shunt rate with injection volume in different profile control systems.

圖9 不同調(diào)剖體系提高采收率的能力Fig.9 Enhanced oil recovery with different profile control systems.

由圖7（a）可知，在非均質(zhì)巖心中，PCB具有良好的注入性，待PCB水化膨脹后可在高滲巖心中建立滲流阻力，采出液含水率在PCB的調(diào)剖作用下出現(xiàn)“波谷”現(xiàn)象。由圖8（a）可知，膨脹后的PCB提高了后續(xù)水驅(qū)在中滲巖心的吸液量，但低滲巖心吸液量未得到改善，說(shuō)明PCB對(duì)高滲巖心進(jìn)行了一定程度的封堵，但對(duì)低滲巖心調(diào)剖效果差，PCB調(diào)剖提高采收率體現(xiàn)在高滲和中滲巖心。

由圖7（b）可知，在非均質(zhì)巖心中，注入KYPAM-6S前后的一次水驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)的注入壓力一致，且采出液含水率在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中出現(xiàn)“波谷”。由圖8（b）可知，注入KYPAM-6S前后的一次水驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)的高、中、低滲分流率未發(fā)生變化，說(shuō)明KYPAM-6S優(yōu)先進(jìn)入非均質(zhì)巖心的高滲巖心，但不能在高滲巖心中建立穩(wěn)定的滲流阻力，導(dǎo)致KYPAM-6S隨后續(xù)水驅(qū)在高滲巖心中建立的滲流阻力逐漸減小，同時(shí)，后續(xù)水驅(qū)驅(qū)動(dòng)KYPAM-6S在高滲巖心對(duì)原油進(jìn)行“拖” “拽”，所以KYPAM-6S對(duì)非均質(zhì)油藏提高采收率體現(xiàn)在高滲巖心。

由圖7（c）可知，非均質(zhì)巖心中，在PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系注入前后，總含水率先下降后上升；一次水驅(qū)后，注入壓力先上升后下降至平穩(wěn)。由圖8（c）可知，中滲和低滲后續(xù)水驅(qū)的分流率得到了提升，說(shuō)明PCB增效后的KYPAM-6S具有更高的黏彈性，膨脹后的PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系建立了高強(qiáng)度的調(diào)剖能力，提高了低滲和中滲巖心的吸液量，進(jìn)而提高了低滲巖心和中滲巖心的采收率。

綜合圖7與圖9分析，KYPAM-6S無(wú)選擇性地進(jìn)入非均質(zhì)巖心［29］，在高滲巖心分配占比高，但建立的滲流阻力小，從而使高滲巖心采收率較高而整體采收率低。PCB在膨脹后對(duì)高滲巖心孔喉進(jìn)行堵塞，后續(xù)水驅(qū)增大了中滲巖心的吸液量從而使中滲巖心采收率高，但整體采收率低。PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系在高滲巖心中，PCB對(duì)孔喉進(jìn)行堵塞，分散在KYPAM-6S的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，它的流動(dòng)需要更大的外力，直接體現(xiàn)為后續(xù)水驅(qū)需要更高的注入壓力才能推動(dòng)PCB在多孔介質(zhì)中運(yùn)移，PCB增效KYPAM-6S的黏度，KYPAM-6S流動(dòng)阻力增大，KYPAM-6S與PCB相互協(xié)同增大了在多孔介質(zhì)的流動(dòng)阻力，所以相比于單獨(dú)的KYPAM-6S或PCB，復(fù)合體系在高滲巖心流動(dòng)需要更高的外力，體現(xiàn)了高強(qiáng)度的調(diào)剖能力，低滲巖心得以被動(dòng)用，所以復(fù)合體系對(duì)非均質(zhì)性嚴(yán)重的油藏具有更強(qiáng)的調(diào)驅(qū)性能。

3 結(jié)論

1）KYPAM-6S可抑制PCB的膨脹，不同復(fù)配比例的復(fù)合體系水化膨脹96 h后，PCB尺寸達(dá)到最大且膨脹穩(wěn)定，PCB在KYPAM-6S中具有良好的分散性和熱穩(wěn)定性。

2）PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系總質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的條件下，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S復(fù)合體系在高剪切速率下具有良好的穩(wěn)定性，相對(duì)其他復(fù)配比例的復(fù)合體系，該復(fù)合體系黏彈性最高，為最佳配比。

3）相對(duì)于單一的調(diào)剖體系，PCB/KYPAM-6S復(fù)合體系具有更強(qiáng)的調(diào)驅(qū)能力，對(duì)低滲巖心原油動(dòng)用程度高，低滲巖心提高采收率達(dá)到19.25%。復(fù)合體系在非均質(zhì)油藏中的適用性強(qiáng)。