新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系封堵及驅(qū)油效果

王浩頤，冀文雄，常 振，鐵磊磊，李 翔，喬奇琳，曾浩見

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

聚合物微球在油藏孔隙中可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)封堵并具有較強(qiáng)的耐溫抗鹽性,是一種極具前景的深部調(diào)剖劑[1-4]。但現(xiàn)有的聚合物微球體系僅是通過(guò)顆粒自身的尺寸效應(yīng)來(lái)改善地層微觀非均質(zhì)性，無(wú)法滿足“強(qiáng)注強(qiáng)采”油田的要求[5-7]。而雙層聚合物微球在油藏地層水溫度和礦化度作用下，內(nèi)層的陽(yáng)離子基團(tuán)逐漸暴露出來(lái)，通過(guò)陰陽(yáng)離子相互作用，實(shí)現(xiàn)微球間自膠結(jié)，封堵能力有所提升，但對(duì)于水竄速率超過(guò)5 m/d，滲透率超過(guò)5 000 mD的地層作用效果仍有限[8-10]。為此，本工作利用納米微球比表面積大、表面能高、處于能量不穩(wěn)定狀態(tài)、容易發(fā)生聚集的特點(diǎn)[11-12]，制備了雙層聚合物微球和納米微球，并復(fù)配形成了新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系，使其在地層深部自聚集形成一種粒徑較大的聚集體，以達(dá)到降低地層滲透率的目的。同時(shí)，研究了體系的自聚集、封堵運(yùn)移特性，并對(duì)最佳配制濃度下的體系進(jìn)行了驅(qū)油效果評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

7#白油、司班80、無(wú)水乙醇，工業(yè)級(jí)；丙烯酰胺，工業(yè)聚合級(jí)；丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，工業(yè)高純聚合級(jí)；N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺、過(guò)硫酸銨、亞硫酸氫鈉，分析純。

F20透射電鏡，美國(guó)FEI公司；Quanta 200F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，美國(guó) FEI 公司；HW-4A 型雙聯(lián)恒溫箱，江蘇海安石油科研儀器有限公司；馬爾文3000激光粒度儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；BX-41 光學(xué)顯微鏡，日本OLYMPUS公司；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，自制，采用4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm人造巖心，滲透率分別為1 000 mD和5 000 mD。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米微球的制備

采用低溫反相微乳液聚合技術(shù)獲得納米微球，通過(guò)調(diào)節(jié)丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的比例，合成出10%水解度的納米微球。

1.2.2 雙層聚合物微球的制備

采用低溫反相乳液聚合技術(shù)二次聚合法合成雙層聚合物微球，通過(guò)調(diào)節(jié)丙烯酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨比例，合成出內(nèi)層與外層電荷量比為1∶3的雙層聚合物微球。

1.2.3 新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系的制備

將納米微球和雙層聚合物微球按照一定比例復(fù)配形成新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系，其中納米微球占比為30%～45%，雙層聚合物微球占比為55%～70%。

1.2.4 體系耐溫性測(cè)定

采用金相顯微鏡測(cè)量質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的不同體系在溫度為90 ℃、礦化度為34 000 mg/L的溶液中老化不同時(shí)間后的形態(tài)。

1.2.5 體系粒徑測(cè)定

選用馬爾文激光粒度儀測(cè)定不同老化時(shí)間后的雙層聚合物微球和新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系的粒徑，測(cè)定溫度為90 ℃、模擬水礦化度為34 000 mg/L。

1.2.6 封堵運(yùn)移性能測(cè)定

選用接近目標(biāo)油藏滲透率5 000 mD的填砂管，體系質(zhì)量濃度5 000 mg/L，注入速率為1 mL/min，測(cè)定注入體系在90 ℃烘箱中保溫30 d后的后續(xù)水驅(qū)壓力。封堵運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。

圖1 封堵運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.7 提高采收率實(shí)驗(yàn)

選用滲透率為5 000 mD的人造巖心進(jìn)行單管均質(zhì)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，選用滲透率為1 000、5 000 mD的人造巖心進(jìn)行雙管非均質(zhì)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，注入速率為1 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 體系微觀形貌

圖2分別為室內(nèi)合成微球及復(fù)配體系電鏡照片。由圖2可見:納米微球乳液具有良好的單分散性；雙層聚合物微球表面平滑，具有良好的單分散性；而新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系則由兩種不同粒徑的微球組成。

圖2 室內(nèi)合成微球及復(fù)配體系掃描電鏡照片

2.2 體系耐溫性

雙層聚合物微球和新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系溶脹前后顯微照片如圖3、圖4所示?？梢?，溶脹初期，二者均為球形顆粒。雙層聚合物微球在溶脹30 d后形成外緣光滑、形態(tài)完整的球狀體，微球顆粒間結(jié)合力較弱，沒(méi)有形成較大的聚集體，在50 d后受到溶脹水解的影響，微球開始降解。而新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系在30 d后依靠不同類型微球間產(chǎn)生非共價(jià)鍵相互作用，已自聚集形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的較大聚集體。在120 d后仍能保持較好的聚集形態(tài)，表明復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于抑制微球體系的降解，體現(xiàn)出新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系具有很好的耐溫性。

圖3 90 ℃雙層聚合物微球顯微照片

圖4 90 ℃新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系顯微照片

2.3 體系粒徑

圖5是雙層聚合物微球和復(fù)配體系粒徑。由圖5可見，雙層聚合物微球體系粒徑在30 d左右時(shí)溶脹到最大，之后迅速降低，說(shuō)明顆粒已經(jīng)吸水脹破，耐溫性較差。而新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系粒徑在30～50 d天內(nèi)溶脹到最大(約130 μm)，之后隨著溶脹時(shí)間延長(zhǎng)，粒徑呈緩慢減小趨勢(shì)，表明通過(guò)將雙層聚合物微球和納米微球進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了不同微球間自聚集，形成了尺寸更大的聚集體，使其耐溫性良好。

圖5 90 ℃不同溶脹時(shí)間的兩種微球體系粒徑

2.4 注入性和封堵性

新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系的注入性和封堵性如圖6所示。由圖6可見，注入未溶脹的自聚集體系微球時(shí)注入壓力僅為0.02～0.03 MPa，顯示出較好的注入性;水驅(qū)時(shí)，注入壓力呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，最高壓力可達(dá)0.53 MPa，說(shuō)明該新型自聚集體系具有優(yōu)異的注入性能和封堵性能。

圖6 90 ℃溶脹30 d的新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系注入性和封堵性

2.5 提高采收率效果

2.5.1 單管均質(zhì)巖心

圖7為累計(jì)采收率、含水率和壓力隨著驅(qū)替液注入體積的變化曲線(微球質(zhì)量濃度：5 000 mg/L；溶脹時(shí)間：30 d；溶脹溫度：90 ℃。下同)。由圖7可見，在注入0.6 PV新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系期間，注入壓力明顯升高，含水率由96.1%降至90.9%，采收率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，由43.2%增加到47.3%。在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，注入壓力先增長(zhǎng)后趨于平穩(wěn)，最大壓力達(dá)到0.46 MPa，表明自聚集調(diào)驅(qū)體系具有較好的封堵效果，采收率最終增加至50.9%，體現(xiàn)出較好的提高采收率效果。

圖7 累計(jì)采收率、含水率和壓力與注入體積的關(guān)系

2.5.2 雙管非均質(zhì)巖心

新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、圖8和圖9所示。由表2可見，在水驅(qū)初期，高滲層采收率約為25.7%，低滲層僅為15.8%。但在注入自聚集調(diào)驅(qū)體系后，低滲層采收率10.1%高于高滲層的5.2%，表明體系對(duì)高滲層形成封堵作用，注入流體發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，更多進(jìn)入低滲層，表現(xiàn)為低滲層采收率的提高。

表2 巖心參數(shù)及自聚集調(diào)驅(qū)體系驅(qū)替結(jié)果 %

圖8 雙管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采收率、含水量、注入壓力與注入量的關(guān)系

由圖8可見，在注入新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系期間，含水率由96.6%降至80.9%，降幅達(dá)15.7%，采收率從41.5%升至52.1%，增幅達(dá)10.6%，表現(xiàn)出較好的控水穩(wěn)油效果。注入壓力迅速上升，最大值達(dá)到0.72 MPa，后續(xù)水驅(qū)壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，表明自聚集調(diào)驅(qū)體系對(duì)高滲層產(chǎn)生了較好的封堵效果，并在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中依然能保持封堵作用。

圖9 雙管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中液體分流率與注入體積的關(guān)系

由圖9可見，新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系注入初期，高滲層分流率有明顯的提升，說(shuō)明自聚集調(diào)驅(qū)體系優(yōu)先進(jìn)入高滲層。之后隨著段塞注入量的增加，表現(xiàn)為低滲層液體分流率增加，高滲層液體分流率減小，說(shuō)明注入的自聚集調(diào)驅(qū)體系在高滲層逐漸吸附、滯留形成封堵作用，使后續(xù)的驅(qū)替液更多進(jìn)入低滲透巖心，啟動(dòng)低滲層剩余油并達(dá)到提高采收率的目的。

3 原理分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系在油藏溫度和礦化度作用下，雙層聚合物微球內(nèi)層的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨陽(yáng)離子基團(tuán)逐漸暴露出來(lái)，與納米微球表面的羧酸根陰離子基團(tuán)產(chǎn)生相互作用，形成一種粒徑較大的二次聚集體，具有較好的封堵效果，達(dá)到協(xié)同增效的目的，作用原理如圖10所示。

圖10 新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系作用原理

4 結(jié) 論

a.與單一的雙層聚合物微球相比，新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系通過(guò)自聚集形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的較大聚集體使其具有良好的耐溫性。

b.新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體系具有良好的注入性，通過(guò)自聚集對(duì)高滲層形成封堵使注入流體發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，提高低滲層采收率，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)。

c.新型在線自聚集調(diào)驅(qū)體是利用雙層聚合物微球內(nèi)層暴露出的陽(yáng)離子基團(tuán)，與納米微球表面的陰離子基團(tuán)產(chǎn)生非共價(jià)鍵的相互作用，自聚集形成較大的聚集體，產(chǎn)生封堵作用。