不同粒徑組合納米聚合物微球調(diào)驅(qū)性能研究

楊歡，黃志學(xué) (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張滿 (中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 榆林 718615)

鄭力軍，馬波 (中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710018)

于小榮 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉銳 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 637001)

油田進(jìn)入特高含水期后，傳統(tǒng)的注水開發(fā)多存在低效和無效循環(huán)，因此，油田多采用調(diào)剖堵水技術(shù)來對高滲透層進(jìn)行封堵[1,2]。傳統(tǒng)的調(diào)剖堵水劑主要有聚合物、交聯(lián)聚合物以及顆粒型調(diào)剖堵水劑[3～5]等，但常規(guī)調(diào)剖堵水劑存在注入性能與封堵強(qiáng)度之間的矛盾，變形能力差，作用半徑較小，易堵塞地層，只能用于近井地帶，難以進(jìn)入油藏深部，對改善油藏非均質(zhì)性、提高采收率效果較差[6～9]。聚合物微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)一方面利用聚合物微球在巖石表面的單層吸附來降低水相滲透率[10]；另一方面通過顆粒的水化膨脹對孔隙喉道進(jìn)行封堵，同時在高壓狀態(tài)下通過變形運(yùn)移到深部，從而實現(xiàn)逐級封堵[11]。He等[12]制備了平均粒徑為1.65～2.86nm的聚丙烯酰胺-co-DVB聚合物微球，該聚合物微球在孔隙喉道中水化膨脹后與鈣、鎂離子作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵，這種封堵結(jié)構(gòu)可以較好地降低水相滲透率。賈玉琴等[13]采用分散聚合方法制備大粒徑核殼結(jié)構(gòu)聚丙烯酰胺共聚物微球，該微球尺寸在10～30μm，膨脹倍數(shù)達(dá)20～50倍，巖心封堵率達(dá)到99.16%，具有良好的封堵效果。趙懷珍[14]等使用丙烯酰胺為主劑，采用反相微乳液聚合制備了水溶性交聯(lián)聚合物微球，該聚合物微球進(jìn)入巖心后首先堵塞大孔徑通道，使注入壓力提高，隨后進(jìn)入巖心深部進(jìn)行封堵，具有改善高滲透率巖心(3.058D)非均質(zhì)性的效果。但是上述研究大多是針對單一粒徑的聚合物微球注入性能的研究，而不同粒徑組合的聚合物微球在油藏中的應(yīng)用研究較少。為了提高聚合物微球在油藏環(huán)境中的適應(yīng)性，實現(xiàn)油藏深部調(diào)驅(qū)，筆者對不同粒徑組合的聚合物微球在油藏條件下的水化膨脹性能、流變性能、封堵性能和驅(qū)油性能進(jìn)行了研究，這對豐富聚合物微球在油藏中的適應(yīng)性具有理論和實際意義。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

1)試劑。納米聚合物微球，工業(yè)品，粒徑數(shù)據(jù)見圖1；NaCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；試驗用水為長慶油田模擬水，礦化度95069mg/L，具體離子組成見表1；試驗用油為長慶油田模擬油(酸值0.1mg/g，密度0.8679g/cm3(60℃)，黏度17.6mPa·s(60℃))。

表1 地層水離子組成及質(zhì)量濃度

2)儀器。S-360電子顯微鏡，Leica公司；KQS-150超聲分散儀，上海向帆儀器有限公司；Microtrac S3500激光粒度分析儀，美國。Nano ZS激光粒度儀，馬爾文公司；DV3T流變儀，美國Brookfield；JHCF 常規(guī)巖心流動試驗儀，荊州現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能評價方法

1.2.1 SEM分析

將少量納米聚合物微球粉末置于干凈的玻片上，表面噴金處理，采用電子顯微鏡測試樣品的微觀形貌，試驗溫度20℃。

1.2.2 粒徑測試及水化膨脹率

用地層水配制2000mg/L的納米聚合物微球分散體系，在60℃下老化，用激光粒度儀測定其粒徑分布變化情況并計算其水化膨脹率[15]。入射光波長為633nm(173°背散射)，每個樣品測定3次，測量間隔15min，測量溫度20℃。水化膨脹率計算公式如下：

式中：e為水化膨脹率，%；d2為水化膨脹后納米聚合物微球的平均粒徑，nm；d1為水化膨脹前納米聚合物微球的平均粒徑，nm。

1.2.3 填砂管模型測試

首先用長慶油田模擬水對填砂管(?3.8cm×30cm)進(jìn)行飽和(注入速度0.5mL/min)，測定填砂管的滲透率k1，直到驅(qū)替壓力p1達(dá)到穩(wěn)定；其次，向填砂管中注入0.5PV的聚合物微球進(jìn)行微球驅(qū)，記錄注入壓力p1、填砂管中間段壓力p2、p3以及填砂管后段壓力p4，模型裝置見圖2；最后，水驅(qū)至驅(qū)替壓力p1達(dá)到穩(wěn)定，記錄p2、p3、p4的壓力，得到注入聚合物微球后填砂管的滲透率k2，計算殘余阻力系數(shù)Rff及封堵率η[16]:

式中：Rff為殘余阻力系數(shù)，1；p1、p2、p3、p4分別為填砂管入口、中間段2處、后段的壓力，MPa；η為封堵率，%；k1為填砂管的飽和滲透率，mD；k2為填砂管的微球驅(qū)后滲透率，mD。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物微球微觀形貌

聚合物微球的微觀形貌見圖3，聚合物微球呈現(xiàn)規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)，且表面光滑。

2.2 水化膨脹性能

用地層水配制2000mg/L的納米聚合物微球分散體系，在60℃下老化，納米聚合物微球水化膨脹倍數(shù)與水化時間的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，50nm聚合物微球膨脹倍數(shù)為8.6，80nm聚合物微球膨脹倍數(shù)為9.1，100nm聚合物微球膨脹倍數(shù)為10.5，300nm聚合物微球膨脹倍數(shù)為11.2，均可以有效地對后續(xù)的注入劑產(chǎn)生阻力，適合在中低滲的油田使用。

對比單一粒徑的納米聚合物微球和不同粒徑組合(質(zhì)量比1∶1)的納米聚合物微球，水化時間小于3d時，單一粒徑(300nm除外)的納米聚合物微球的水化膨脹速率均較快。第3天，80nm+100nm不同粒徑組合聚合物微球膨脹速率突然加快；超過3d后，80nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球膨脹速率突然加快；超過5d后，100nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球膨脹速率突然加快。這是由于微球粒徑越小，比表面積越大，越容易吸水，較小粒徑的聚合物微球(如50nm)在前2～3天即可達(dá)到最大膨脹速率；而粒徑較大的聚合物微球(如300nm)約需要6～7d可達(dá)到最大的膨脹速率。在實際驅(qū)油過程中，聚合物微球注入到地層后，隨著注入水運(yùn)移到油藏深部，水化膨脹效果好的聚合物微球可有效地對后續(xù)注入水產(chǎn)生水阻，使后續(xù)注入流體繞流，從而擴(kuò)大波及系數(shù)，起到封堵高滲透層、啟動低滲透層、降水增油的作用。從水化效果及膨脹倍數(shù)方面考慮，100nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球和300nm聚合物微球性能較好，50nm聚合物微球性能較差。

2.3 封堵性能

納米聚合物微球在相近滲透率填砂管中的封堵試驗結(jié)果如表2所示，納米聚合物微球會在巖心的孔隙中形成卡堵作用，從而在巖心中具有一定的封堵性能。殘余阻力系數(shù)反映了乳狀液降低孔隙介質(zhì)滲透率的能力。由表2可以看出，單一粒徑納米聚合物微球的粒徑越大，封堵效果越好；在近似的條件下，不同粒徑組合納米聚合物微球的封堵效果更加顯著，其中100nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球封堵效果最好，可達(dá)90.38%。

表2 聚合物微球的封堵能力

2.4 驅(qū)油性能

2.4.1 單一粒徑納米聚合物微球

不同單一粒徑納米聚合物微球分別在高、低滲透率巖心中的驅(qū)油結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，當(dāng)填砂管滲透率較低時，粒徑較小的聚合物微球采收率增值較高；當(dāng)填砂管滲透率較高時，粒徑為300nm的聚合物微球采收率增值可達(dá)10.7%。這是因為當(dāng)填砂管滲透率較高時，納米聚合物微球顆粒太小，不能對孔隙喉道產(chǎn)生封堵；而當(dāng)填砂管滲透率較低時，納米聚合物微球太大則容易堵塞地層，達(dá)不到啟動低滲透層的效果。從圖5中可以看出，不同粒徑的納米聚合物微球?qū)Φ蜐B透率巖心的壓力增加幅度均要高于高滲透率巖心，小粒徑的納米聚合物微球(50nm和80nm)對巖心壓力的影響要大于大粒徑的納米聚合物微球(100nm和300nm)，隨著納米聚合物微球粒徑的增大，巖心壓力的增加幅度變化減小，這體現(xiàn)了納米聚合物微球的選擇性封堵能力以及改善非均質(zhì)性能。

表3 單一粒徑納米聚合物微球驅(qū)油結(jié)果

2.4.2 不同粒徑組合納米聚合物微球

鑒于粒徑為300nm的聚合物微球在高、低滲透層均具有較好的驅(qū)油性能，因此測試50nm+300nm、100nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球在模擬油藏條件下的驅(qū)油性能。注入速度0.5mL/min，注入體積0.5PV，從不同粒徑組合納米聚合物微球驅(qū)替壓力變化(見圖6)來看，聚合物微球驅(qū)后填砂管內(nèi)的壓力迅速上升，特別是100nm+300nm不同粒徑組合聚合物微球在高、低滲透率填砂管內(nèi)壓力的影響較為一致。驅(qū)油試驗結(jié)果如表4所示，不同粒徑組合后的納米聚合物微球不管是對高滲透率巖心還是低滲透率巖心均比其單一粒徑納米聚合物微球具有更好的驅(qū)油效果。這體現(xiàn)了不同粒徑組合后的納米聚合物微球具有較好的選擇性封堵能力。

表4 不同粒徑組合納米聚合物微球驅(qū)油結(jié)果

3 結(jié)論

1)該系列聚合物微球具有較好的圓球度及穩(wěn)定性，可以在地層水中分散并且穩(wěn)定的存在。

2)納米聚合物微球的水化膨脹速率與水化時間成正比。300nm聚合物微球水化膨脹性能較好，第8天可達(dá)膨脹倍數(shù)最大值(約11.2倍)；100nm+300nm聚合物微球在第5天后水化膨脹速率加快，第7天膨脹倍數(shù)約10.8倍，第8天膨脹倍數(shù)約11倍。

3)小粒徑的納米聚合物微球(50nm和80nm)對巖心壓力的影響要大于大粒徑的聚合物微球(100nm和300nm)；不同粒徑組合納米聚合物微球在高、低滲透率巖心中的驅(qū)油效果均優(yōu)于單一粒徑納米聚合物微球的效果，體現(xiàn)了組合后的聚合物微球具有較好的選擇性封堵能力。