新型納米微球調(diào)驅(qū)技術(shù)在海上稠油油田的應用

廖新武，劉 超，張運來，牟春榮，劉維永

(中海油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

引 言

渤海灣SNW油田是海上大型復雜河流相沉積儲層的稠油油田，構(gòu)造平緩，多正韻律和復合韻律沉積，主要含油層段為新近系明化鎮(zhèn)組下段和館陶組上段，儲層膠結(jié)疏松，屬于高孔、高滲儲層，平均孔隙度為31%，平均滲透率為3 μm2，地層原油黏度為24～260 mPa·s。SNW油田具有水油流度比大、儲層非均質(zhì)性強、正韻律儲層以及膠結(jié)疏松等特點，84%的注水井組存在嚴重的注入水突進現(xiàn)象和平面產(chǎn)液結(jié)構(gòu)不均衡的情況，普遍存在竄流通道，導致注入水低效或無效循環(huán)，有的生產(chǎn)井水淹嚴重，而有的生產(chǎn)井卻見不到注水效果。調(diào)整井密閉取心資料表明，儲層底部水淹嚴重，而儲層頂部有大量剩余油富集，說明水驅(qū)波及體積系數(shù)較小，注入水主要沿著優(yōu)勢滲流通道突進到生產(chǎn)井中。

稠油油田的開發(fā)特點決定了50%以上的可采儲量是在含水率高于80%時采出的，對于海上油田，在高含水期采出大量原油意味著需要巨大的產(chǎn)出液處理能力相配套，而海上浮式生產(chǎn)儲油輪(FPSO)的造價和產(chǎn)出污水處理費用昂貴。為此，必須改善海上油田的水驅(qū)開發(fā)效果，實現(xiàn)控水穩(wěn)油。目前國內(nèi)外研究和利用較多的是弱凝膠調(diào)驅(qū)、氮氣泡沫驅(qū)和可動凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)，但是這些技術(shù)具有強度低、選擇性差、無法進入儲層深部等缺點。納米微球是近年來發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)驅(qū)劑[1－2]，對海上稠油油田的控水穩(wěn)油具有很好的適應性。從目前國內(nèi)外的報道和文獻來看，僅見文中、孤島和大慶等陸地油田偶有小范圍礦場實踐的報道，海上油田的應用報道極少[3－6]。

1 納米微球技術(shù)室內(nèi)研究

1.1 納米微球深部調(diào)驅(qū)原理

納米微球聚合物是利用原子、分子的相互作用原理，按需要在納米尺度上制得的材料，主要成分是丙烯酰胺和表面活性劑等，平均粒徑不超過100 nm，通過不同成分配比，溶于水后粒徑可以膨脹到微米級別。中國石油大學的雷光倫教授關(guān)于納米微球合成技術(shù)有專門論述[7]。納米級彈性微球的最外層是一層水化層，使微球可以在水中穩(wěn)定存在而不沉淀膠結(jié)在一起;中間為交聯(lián)聚合物層，使微球具有彈性和形變的能力;最里面是凝膠核，使微球具有一定的強度，滿足封堵需求(圖1)。

圖1 納米微球結(jié)構(gòu)機理

深部調(diào)驅(qū)堵水的原理是通過將納米微球隨著注入水進入儲層內(nèi)部后，慢慢吸水膨脹，數(shù)個微球通過“架橋”或“吸附”封堵大孔道，改變注入水方向，從而擴大水驅(qū)波及體積(圖2)。微球大小變化是動態(tài)過程，逐漸吸水長大，可以實現(xiàn)逐級封堵、改變巖石尤其是高滲條帶的滲透率，微球本身的彈性及固相特性(而不是增黏特性)，既可以停留，又可以運移，實現(xiàn)注入水連續(xù)動態(tài)改向。

圖2 注入水的微觀改向機理

1.2 納米微球的設計與性能評價

1.2.1 納米微球設計

納米微球的設計需要根據(jù)不同油藏的不同地質(zhì)特點來進行，滿足“進得去、堵得住、移得動”的特性。通過反相(微)乳液、沉淀聚合方法合成的粒徑為幾納米至幾十微米的微球顆粒，根據(jù)油藏溫度、地層水和注入水礦化度、水型、原油黏度、注水井和生產(chǎn)井狀況，調(diào)整合成納米微球的成分比例，實現(xiàn)對其注入性和封堵性技術(shù)指標的控制，以滿足油田改善開發(fā)效果的需求。本次實驗制備了3種納米微球:核殼自膠結(jié)納米微球、復合乳液微球和常規(guī)納米球。核殼自膠結(jié)納米微球是在常規(guī)納米微球的基礎上，向體系中加入疏水性單體，采用油溶性引發(fā)劑和油溶性交聯(lián)劑，利用丙烯酰胺與疏水性單體在分散介質(zhì)中溶解性的差異，制備以疏水結(jié)構(gòu)為殼的核殼結(jié)構(gòu)微球。核殼自膠結(jié)納米微球溶脹速度較快，微球之間可以相互粘連，形成較大的高分子線團聚集體，具有更好的封堵調(diào)剖作用。

1.2.2 注入性評價

納米聚合物微球的初始粒徑和膨脹后尺寸大小必須與油藏的孔隙半徑中值相匹配。某型聚合物微球粒徑初始尺寸約為100 nm，而SNW油田多孔介質(zhì)的孔隙半徑中值在5 μm以上，因此，聚合物微球易注入到地層深部。吸水膨脹20 d后，微球粒徑達數(shù)微米至幾十微米，大于儲層孔隙半徑中值，可實現(xiàn)對高滲透條帶的封堵，說明聚合物微球分子與油田的孔隙半徑中值間具有很好的匹配關(guān)系。

1.2.3 封堵性評價

王濤和劉承杰針對納米微球的封堵性有一定的研究，但與渤海灣疏松砂巖有所區(qū)別[8－9]。

實驗條件:用油田采出砂制作長度為1 m，直徑為2.5 cm，滲透率為3 μm2的填砂管;聚合物微球采用“Ⅲ”型，濃度為1500 mg/L，水化1 d;注入0.3倍孔隙體積;室溫;從注入口到排出口，沿填砂管軸向等間距設置4個測壓點(1～4號測壓點)。

實驗原理:在人造均質(zhì)物理模型中間部位設置測壓孔，從模型一端注入調(diào)驅(qū)劑溶液，測量模型入口壓力和中間壓力，利用模型各測壓點壓力及其變化來評價調(diào)驅(qū)體系在多孔介質(zhì)內(nèi)的封堵、運移能力。

圖3 測壓點壓力值隨時間變化趨勢

實驗開始后先注水，在195 min時注入納米微球，340 min時注水。聚合物微球溶液在模型中流動時各個測壓點壓力隨時間變化關(guān)系曲線見圖3。從圖3可以看出，隨著聚合物微球調(diào)驅(qū)劑的注入，各測壓點的壓力逐漸升高，模型前端1、2、3號測壓點壓力升幅較大，模型后端4號測壓點的壓力升幅較小;后續(xù)水驅(qū)階段，1、2號測壓點壓力持續(xù)升高并最終達到穩(wěn)定，3號測壓點的壓力也有較大升幅，而4號測壓點的壓力也有小幅波動。水驅(qū)后期4條壓力曲線都出現(xiàn)了水平段，表明聚合物微球可以與滲透率為3 μm2的巖心相匹配，在巖心內(nèi)流動時不會產(chǎn)生堵塞，且具有較高的殘余阻力系數(shù)，持續(xù)時間長。后續(xù)水驅(qū)階段各測壓點的壓力處于波動狀態(tài)，也反映出聚合物微球在多孔介質(zhì)中的“堵塞—運移—再堵塞”過程。

綜合以上填砂模型流動實驗數(shù)據(jù)和SNW油田滲透率資料，反映出聚合物微球具有良好的運移能力，能夠進入到地層深部，同時在多孔介質(zhì)中運移過程中，產(chǎn)生較強的封堵能力。

2 礦場試驗

2.1 實驗井組的篩選

在選取實驗井組時，主要考慮納米微球調(diào)驅(qū)在復雜河流相稠油油田的適應性，從靜態(tài)和動態(tài)兩方面考慮。靜態(tài)特征包括:主力砂體的儲層分布、連通性、油層厚度、孔隙度、滲透率、非均質(zhì)程度、流體性質(zhì)以及井網(wǎng)完善程度。動態(tài)特征包括:注采井組的注采比、采油速度、注入水突破情況、受邊底水影響大小、儲量采出程度和井組含水率等。利用式(1)可以計算出注水井的壓力指數(shù)PI，其值越低表明越需要調(diào)驅(qū)。采用“壓力指數(shù)PI”深部調(diào)驅(qū)決策技術(shù)，在SNW油田選定4個井組實施了聚合物微球調(diào)驅(qū)的礦場先導試驗[10－13]。壓力指數(shù)計算公式為:

式中:q為注水井日注水量，m3·d－1;μ為流體動力黏度，mPa·s;K為地層滲透率，μm2;h為地層厚度，m;t為關(guān)井測試時間，s;re為注水井控制半徑，m;φ 為孔隙度，%;c為綜合壓縮系數(shù)，Pa－1。

按區(qū)塊平均PI值和注水井的PI值選定。通常是低于區(qū)塊平均PI值的注水井為調(diào)剖井，高于區(qū)塊平均PI值的注水井為增注井，在區(qū)塊平均PI值附近，略高或略低于平均PI值的注水井為不處理井。

2.2 調(diào)驅(qū)劑用量設計和海上平臺設備

根據(jù)調(diào)驅(qū)井組的油藏地質(zhì)實際情況，進行了微球類型、濃度、段塞大小及段塞組合方式配方優(yōu)化工作。納米微球用量計算公式為:

式中:ΔPI為調(diào)驅(qū)后注水井PI值的預定提高值，MPa;β 為用量系數(shù)，m3·MPa－1·m－1。

用量系數(shù)由礦場試注得到:

式中:W為試注的調(diào)驅(qū)劑用量，m3;ΔPI'為試注調(diào)驅(qū)劑前后PI值變化，MPa。

由于海上平臺操作空間狹小，注調(diào)驅(qū)劑設備要求體積小、工作效率高，從而滿足海上油田高速開發(fā)的需要。

2.3 實施效果

2.3.1 控水增油效果分析

SNW油田4個井組實施納米微球調(diào)驅(qū)后，注水井壓力升高，井組日產(chǎn)油增加，含水率降低，說明調(diào)驅(qū)在該井組取得了良好效果(表1)。

表1 4個實驗井組實施納米微球調(diào)驅(qū)的效果

壓降曲線是判斷調(diào)驅(qū)效果的重要手段之一。以C5井組為例，圖4為C5井調(diào)驅(qū)前后的關(guān)井壓降曲線。從圖4中可以看出，調(diào)驅(qū)前后(調(diào)驅(qū)施工時間為2010年10月至2011年1月)的壓降曲線有了明顯變化:調(diào)驅(qū)前壓降曲線很陡，說明井筒附近存在大孔道及高滲條帶，調(diào)驅(qū)后的壓降曲線明顯變緩，調(diào)驅(qū)施工歷時近4個月，壓降曲線一直在變緩，表明高滲條帶得到有效封堵。2011年3月測試的壓降曲線表明，在完成微球注入后，調(diào)驅(qū)效果仍保持較好。

圖4 注水井C5井調(diào)驅(qū)前后的關(guān)井壓降曲線

由壓降曲線計算出C5井的壓力指數(shù)PI和充滿度FD值(表2)。從表2可以看出，調(diào)驅(qū)后壓力指數(shù)和充滿度大幅升高，說明調(diào)驅(qū)有效改善了油層縱向和平面上的水驅(qū)狀況，提高了注入水的利用率。

表2 C5井的壓力指數(shù)PI和充滿度FD值的變化情況

2.3.2 投入產(chǎn)出分析

實施調(diào)驅(qū)的井組均見到了控水增油效果，4個井組累計增油為3.8×104m3，減少FPSO水處理量11.3 ×104m3，噸微球增油量約為 80 ～120 m3/t，投入產(chǎn)出比為1∶4～1∶6，獲得了很好的經(jīng)濟效益。從油田自然遞減方面來看，調(diào)驅(qū)措施使得區(qū)塊自然遞減率從7.0%下降到4.9%，在油田穩(wěn)產(chǎn)方面起到重要作用。同時，調(diào)驅(qū)井組在降水方面成效顯著，含水上升勢頭得到了有效控制，井組含水率平均下降了2.8個百分點。調(diào)驅(qū)效果持續(xù)時間普遍在6個月以上。目前該油田正準備采取大規(guī)模的整體調(diào)驅(qū)，以增強效果。

3 結(jié)論

(1)納米微球調(diào)驅(qū)是一種新興的實用性深部調(diào)驅(qū)技術(shù)，目前礦場應用實例不多，具有廣闊的發(fā)展前景。

(2)室內(nèi)評價表明，納米微球具備“注得進、堵得住、移得動”的特性，具有良好的運移能力，能夠進入到地層深部，產(chǎn)生較強的封堵能力。

(3)應用納米微球?qū)NW油田4個井組進行礦場調(diào)驅(qū)試驗效果表明，納米微球調(diào)驅(qū)技術(shù)能夠適應SNW油田的油藏地質(zhì)特點，在控水穩(wěn)油方面發(fā)揮了重要作用。

(4)礦場試驗的成功說明，微球制備、PI決策選井、調(diào)驅(qū)劑用量設計、海上平臺注入設備等配套技術(shù)的研究成果是科學有效的，值得推廣。

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