新型交聯(lián)聚合物微球調(diào)驅(qū)性能研究

周海燕，張運來，何逸凡，繆飛飛

中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津濱海新區(qū)300459

引言

渤海油田某油藏儲層巖石呈高孔高滲特征，孔隙度中值為32%，滲透率中值為2 200 mD。儲層巖石膠結(jié)疏松，非均質(zhì)性強(qiáng)，受注入水的長期沖刷，易形成優(yōu)勢滲流通道，水驅(qū)控制程度較低，開發(fā)效果較差[1-3]。目前，該油田綜合含水達(dá)94%，采出程度僅16.4%。傳統(tǒng)的聚合物調(diào)驅(qū)劑易對疏松砂巖地層造成破壞，不能滿足油藏長期有效的深部調(diào)驅(qū)需求。

聚合物微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)是近幾年發(fā)展的一種新型調(diào)驅(qū)技術(shù)，該技術(shù)主要利用聚合物納米微球尺寸小、在水中分散性好、易進(jìn)入地層深部及在油藏溫度下遇水膨脹的特征，讓其在孔喉中運移、封堵、變形通過、再運移封堵，直至地層深處，逐級封堵水竄優(yōu)勢通道，實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，擴(kuò)大注入水波及體積，改善水驅(qū)開發(fā)效果[4-9]。但目前常用的聚合物微球以分散的球形結(jié)構(gòu)為主，其封堵機(jī)理主要為微球的堆積架橋作用，這就要求微球粒徑和多孔介質(zhì)孔喉之間具有較好的匹配關(guān)系，增加了在海上高滲透地層進(jìn)行有效調(diào)驅(qū)的難度[10-17]。

新型交聯(lián)聚合物微球P–90 是一種在常規(guī)聚合物微球基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型調(diào)驅(qū)劑，在渤海油田經(jīng)過多個井組的應(yīng)用，取得了較好的調(diào)驅(qū)效果。為深入分析該調(diào)驅(qū)劑的作用機(jī)理，本文從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀封堵、運移及驅(qū)油等多個角度開展了調(diào)驅(qū)機(jī)理和性能評價實驗。P–90 在充分溶脹后，通過掃描電鏡可觀察到其本質(zhì)是一種綜合了傳統(tǒng)交聯(lián)聚合物空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和聚合物微球顆粒性質(zhì)的調(diào)驅(qū)劑，微球處于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點上。這種獨特的結(jié)構(gòu)使其同時具備了較高的封堵與運移能力，并具有長期穩(wěn)定性，對膠結(jié)疏松的高滲透砂巖儲層可以實現(xiàn)長期有效的深部調(diào)驅(qū)，對海上油田深部調(diào)驅(qū)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗材料

交聯(lián)聚合物微球P–90，相對分子量1 500 萬；實驗用水為去離子水；RS–6000 流變儀，德國HAAKE公司；BT–9300LD 干濕法激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；FEI Quanta 650 FEG 型場發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI Czech Republic S.r.o；微孔濾膜實驗裝置、油藏物理模擬驅(qū)替裝置，海安石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）交聯(lián)聚合物微球溶脹實驗

將聚合物微球置于水中配制成濃度5 000 mg/L的分散液進(jìn)行水化溶脹，采用場發(fā)射掃描電鏡、激光粒度分析儀分別于0、5、10、20、30 和60 d 對溶脹后的微球進(jìn)行觀察，以分析交聯(lián)聚合物微球溶脹后的微光容貌與粒徑分布。

（2）交聯(lián)聚合物微球黏度測試

將聚合物微球配制成不同濃度溶液，溶脹后測試不同溫度下聚合物微球黏度，以及不同溫度下0～72 h 聚合物微球體系黏度長期保留率，探究其黏度耐溫效果。

（3）交聯(lián)聚合物微球微孔濾膜實驗

采用微孔濾膜實驗裝置，恒壓0.5 MPa 進(jìn)行過濾實驗。對溶脹30 d 后的微球，根據(jù)Kozeny 方程[式（1）]可得多孔介質(zhì)滲透率1 000 和3 000 mD對應(yīng)的平均孔徑分別為5 和10μm[18-22]。

選用這兩種孔徑的微孔濾膜進(jìn)行實驗，利用高清攝像機(jī)記錄出液量隨時間的變化，得到交聯(lián)聚合物微球?qū)ξ⒖诪V膜的封堵能力，實驗裝置見圖1。

圖1 微孔濾膜實驗裝置Fig.1 Microporous membrane experimental device

（4）交聯(lián)聚合物微球封堵運移實驗

采用油藏物理模擬實驗裝置，將交聯(lián)聚合物微球恒流速注入一維填砂管模型中，分別在填砂管入口端、1/2 處設(shè)置測壓點，記錄兩記錄點壓力隨注入量變化，改變填砂管滲透率及聚合物微球濃度以判斷聚合物微球封堵運移能力，實驗裝置見圖2。

圖2 封堵運移實驗裝置Fig.2 Plugging migration experimental device

（5）交聯(lián)聚合物微球調(diào)驅(qū)性能評價

將3 根不同滲透率的填砂管飽和原油，并聯(lián)后恒流速注水，每3 min 記錄出液量及采出液油水比，待采出液總含水率為95%時，注入0.3 PV 交聯(lián)聚合物微球轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)、記錄出液量、采收率、采出液含水率及壓力隨注入體積的變化，實驗裝置見圖3。

圖3 3 管并聯(lián)驅(qū)油實驗裝置Fig.3 Displacement experimental device of three pipe parallel

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)聚合物微球基本性能及微觀結(jié)構(gòu)

（1）交聯(lián)聚合物微球粒徑分布變化

交聯(lián)聚合物微球溶脹不同時間的平均水化中值直徑變化如圖4 所示。

圖4 交聯(lián)聚合物微球溶脹中值直徑變化曲線Fig.4 Swelling size change of cross-linked polymer microspheres

由圖4 可見，微球初始平均粒徑為4.40 μm，溶脹20 d 時達(dá)到15.50 μm，20 d 后中值直徑保持15.00～16.00μm 左右，60 d 后微球粒徑依然保持不變，說明微球粒徑具有長期穩(wěn)定性。

（2）交聯(lián)聚合物微球黏度變化

不同濃度聚合物微球黏度隨溫度的變化情況如圖5 所示。

由圖5 可見，交聯(lián)聚合物微球黏度隨其濃度上升而上升，隨溫度升高而下降，黏度保留率整體上表現(xiàn)出隨濃度的增加而增加的趨勢：濃度為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 和4 000 mg/L 的交聯(lián)聚合物微球溶液在80?C時黏度保留率分別為80.34%、81.11%、82.13%、82.69%、86.78%、91.20%、88.60%和89.71%。

圖5 不同濃度交聯(lián)聚合物微球黏度隨溫度變化曲線Fig.5 The viscosity of cross-linked polymer microspheres with different concentrations changes with temperature

交聯(lián)聚合物微球不同溫度下黏度長期穩(wěn)定性見圖6，在溫度為30、60 和90?C條件下老化72 h 后，黏度保留率分別為99.12%、97.60%和90.81%，可見交聯(lián)聚合物微球具有良好的耐溫性能。

圖6 交聯(lián)聚合物微球不同溫度下黏度長期穩(wěn)定性Fig.6 Long-term viscosity stability of cross-linked polymer microspheres at different temperatures

（3）交聯(lián)聚合物微球微觀結(jié)構(gòu)

不同溶脹時間交聯(lián)聚合物微球電鏡掃描結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同溶脹時間交聯(lián)聚合物微球電鏡掃描結(jié)果Fig.7 SEM scanning results of cross-linked polymer microspheres with different swelling time

由圖7 可見，聚合物微球母液溶脹前無明顯球狀結(jié)構(gòu)，溶脹20 d 時有明顯球狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，但依然存在塊狀結(jié)構(gòu)，未完全溶脹，溶脹35 d 后呈現(xiàn)出明顯的球狀結(jié)構(gòu)，粒徑分布均勻，微球之間構(gòu)成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 微孔濾膜實驗結(jié)果

微孔濾膜實驗前后濾膜見圖8。

圖8 微孔濾膜過濾前后變化Fig.8 Changes before and after microfiltration

由圖8 可見，濾膜中部產(chǎn)生濾餅，說明交聯(lián)聚合物微球在濾膜上產(chǎn)生了有效的封堵。溶脹30 d 的交聯(lián)聚合物微球在5 和10μm 孔徑的微孔濾膜下過濾實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 交聯(lián)聚合物微球微孔濾膜實驗結(jié)果Fig.9 Experimental results of cross-linked polymer microsphere microporous membrane

恒壓過濾下微球濾液體積隨時間變化為一條開口向右的曲線，曲線切線的斜率逐漸變小，表明過濾速度逐漸減小，交聯(lián)聚合物微球?qū)ξ⒖诪V膜上的孔喉進(jìn)行了有效的封堵。

恒壓過濾經(jīng)驗公式數(shù)值上的表達(dá)式為

采用式（2）對過濾曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表1。

表1 微孔濾膜過濾曲線擬合結(jié)果Tab.1 Fitting formula of microporous membrane filtration curve

由表1 可見，微孔濾膜對聚合物微球的恒壓過濾符合恒壓過濾經(jīng)驗公式。隨著濃度增大，濾液體積擬合公式的二次方項系數(shù)逐漸增大，說明過濾速度逐漸減小，其封堵能力隨濃度增大而增強(qiáng)。

2.3 交聯(lián)聚合物封堵運移能力

根據(jù)微孔濾膜實驗，交聯(lián)聚合物微球在高于濃度3 000 mg/L 后過濾曲線變化差異不大，考慮經(jīng)濟(jì)效益封，堵實驗選取濃度為3 000 mg/L。

在滲透率1 000（實際987）、3 000（實際3 014）和5 000（實際5 120）mD 的填砂管中注入0.5 PV 濃度為3 000 mg/L 交聯(lián)聚合物微球，然后測量填砂管入口處和1/2 處壓力隨注入體積變化結(jié)果見圖10～圖12。由圖10～圖12 可見，注入交聯(lián)聚合物微球后入口處壓力與1/2 處壓力均上漲，表現(xiàn)出良好的封堵效果。

圖10 987 mD 時交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.10 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 987 mD

圖11 3 014 mD 時交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.11 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 3 104 mD

圖12 5 120 mD 時交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.12 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 5 120 mD

測量封堵前后的滲透率，計算封堵率，結(jié)果見表2。由表2 可見，交聯(lián)聚合物微球在滲透率987 mD 時，封堵率高達(dá)93.13%；在滲透率3 014 mD時封堵率為87.75%，在滲透率5 120 mD 時封堵率依然保持在82.92%，說明在高孔高滲條件下，交聯(lián)聚合物微球依然能保持較好的封堵能力。

表2 交聯(lián)聚合物微球封堵率Tab.2 Plugging rate of cross-linked polymer microspheres

2.4 交聯(lián)聚合物微球驅(qū)油效果

將3 根滲透率分別為500、1 000 和3 000 mD填砂管飽和油后并聯(lián)，水驅(qū)至含水率90% 時注入0.5 PV、濃度3 000 mg/L 交聯(lián)聚合物微球。注入交聯(lián)聚合物微球后，總體壓力明顯上升，含水率下降，總采收率提高了15.48%，見圖13。這說明微球在注入過程中優(yōu)先進(jìn)入高滲大孔道，并進(jìn)行了有效的選擇性封堵，孔喉匹配性高，有效改善了并聯(lián)填砂管的非均質(zhì)性，起到了調(diào)驅(qū)的作用。

圖13 3 填砂管并聯(lián)驅(qū)油試驗結(jié)果Fig.13 Oil displacement test results of three parallel sand packed pipes

結(jié)合交聯(lián)聚合物微球的微觀形貌可見，該交聯(lián)聚合物微球具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的聚合物微球相比具有更好的調(diào)驅(qū)性能。傳統(tǒng)聚合物微球為分散顆粒，微球之間相互獨立，主要依靠微球之間架橋來實現(xiàn)封堵。在高滲條件下，多孔介質(zhì)孔喉尺寸較大，這要求微球粒徑與孔喉直徑間必須有較好的匹配關(guān)系，若微球粒徑過小，則無法實現(xiàn)架橋；另外，如果微球粒徑過大，則運移能力下降，同時微球體積過大其結(jié)構(gòu)也非常脆弱，更容易因為剪切作用導(dǎo)致聚合物微球破碎，難以實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)的目的，所以傳統(tǒng)聚合物微球?qū)τ诟邼B的封堵效果較弱。相比于傳統(tǒng)分散聚合物微球，交聯(lián)聚合物微球的封堵除依靠微球架橋作用外，微球之間的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了體系強(qiáng)度，封堵強(qiáng)度高，并且這種交聯(lián)體系使得微球分散均勻，更利于微球的運移[23-24]。

3 結(jié)論

（1）交聯(lián)聚合物微球具有較好的耐溫性能，30～90?C下黏度保留率大于90%，微球溶脹能力較強(qiáng)，長時間下微球粒徑穩(wěn)定分布在15～16μm。

（2）交聯(lián)聚合物微球?qū)讖? 和10μm 的微孔濾膜產(chǎn)生了有效封堵，其過濾方程符合恒壓過濾的規(guī)律。

（3）微觀上交聯(lián)聚合物微球具有球與球之間相連的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是其微球分散均勻、增黏的主要原因。

（4）交聯(lián)聚合物微球?qū)τ诟呖赘邼B地層有較好的封堵效果，滲透率5 000 mD 左右時封堵率高于80%，并且具有較好的運移效果，可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的深部調(diào)驅(qū)。

（5）交聯(lián)聚合物微球具有較好的非均質(zhì)改善能力，3 管并聯(lián)驅(qū)油實驗提高總采收率15.48%，注入微球后注入壓力上升，采出液含水率下降，聚合物微球可優(yōu)先流入大孔道實現(xiàn)選擇性封堵，達(dá)到減少無效注水、提高波及系數(shù)的目的。