Z1型聚合物微球的油藏適應(yīng)性及調(diào)驅(qū)效果

劉進(jìn)祥，代磊陽，李先杰，張曉冉，盧祥國，王斌杰

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；2. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3. 中海石油（中國）有限公司 天津分公司 渤海石油研究院，天津 300450；4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

渤海Q油田原油黏度高、油藏非均質(zhì)性較嚴(yán)重，導(dǎo)致水驅(qū)過程中開發(fā)效果較差、采收率較低，因此急需開展調(diào)剖、調(diào)驅(qū)措施?！邦w粒調(diào)驅(qū)”（即深部調(diào)驅(qū)顆粒技術(shù)）由BP石油公司提出，俄羅斯IFP研究所制備的粒徑可調(diào)聚合物微球取得了較好的調(diào)剖效果［1-4］。Omer等［5-6］研制的一種溫度觸發(fā)、低黏度的膨脹驅(qū)油劑，對低滲透油田調(diào)剖效果明顯。王濤等［7-8］研究了礦化度、溫度、時間等條件對微球膨脹的影響規(guī)律。姚傳進(jìn)等［9-14］根據(jù)孔喉尺度彈性微球調(diào)驅(qū)技術(shù)的封堵原理，分析了彈性微球封堵性能及滲透率級差對改善吸液剖面能力的影響。同時，微球現(xiàn)場應(yīng)用實驗同樣取得較好的效果。

本工作以渤海Q油藏地質(zhì)特征和流體性質(zhì)等為模擬對象，利用生物顯微鏡及巖心驅(qū)替實驗，研究了Z1型聚合物微球在磨口瓶和多孔介質(zhì)中的膨脹性能及注入性能，并對微球液流轉(zhuǎn)向效果進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

Z1型聚合物微球：中海石油（中國）有限公司天津分公司。實驗用水為渤海Q油田模擬注入水，礦化度2 893.7 mg/L，Ca2+，Mg2+，K++Na+，Cl-，，，離子組成分別為 7.5，75.1，921.7，737.5，12.6，1 077.7，61.6 mg/L。實驗用油為渤海Q油田原油與輕烴混合物，65 ℃下黏度為75 mPa·s。石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［15-16］：根據(jù)渤海Q油田的孔滲數(shù)據(jù)制作。配伍性實驗巖心尺寸：直徑2.5 cm，長度10 cm；雙管并聯(lián)巖心尺寸：寬4.5 cm，高4.5 cm，長30 cm。

1.2 微球粒徑及其分布與時間的關(guān)系

采用奧特光學(xué)儀器公司BDS400型倒置生物顯微鏡測試聚合物微球水化膨脹性能［17］。

1.3 微球油藏適應(yīng)性實驗

聚合物微球巖心匹配關(guān)系實驗設(shè)備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器和中間容器等，除平流泵和手搖泵外，其他部件置于恒溫箱內(nèi)，實驗設(shè)備、流程見文獻(xiàn)［18］。實驗溫度65 ℃。

注模擬水，記錄壓力Δp1，并計算水測滲透率；注微球溶液5 PV，記錄壓力Δp2；切掉巖心注入端長度0.5 cm左右，注微球溶液1 min，記錄壓力Δp3；水化緩膨192 h后，實施后續(xù)水驅(qū)4～5 PV，記錄后續(xù)水穩(wěn)定壓力Δp4。阻力系數(shù)表示為FR1和FR2，F(xiàn)R1= Δp2/Δp1，F(xiàn)R2= Δp3/Δp1；殘 余 阻力系數(shù)表示為FRR，F(xiàn)RR= Δp4/Δp1。封堵率表示為β，β=（Δp3-Δp1）/Δp1，通常認(rèn)為β不低于40%［19-20］時，具有較好的液流轉(zhuǎn)向效果，本工作確定有效β不低于50%。注入速度為0.9 mL/min。

1.4 微球液流轉(zhuǎn)向效果實驗

模型飽和水，然后在65 ℃下飽和模擬油，計算含油飽和度，老化24 h；在65 ℃下并聯(lián)巖心，水驅(qū)到含水率98%，獲得水驅(qū)采收率；注入聚合物微球0.2 PV，水化緩膨192 h，后續(xù)水驅(qū)到含水率98%，計算最終采收率。注入速度1.2 mL/min，時間間隔30 min，記錄注入壓力，分別收集采出液，計算分流率、含水率和采收率，繪制相關(guān)特征曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 微球粒徑及其分布與水化緩膨時間的關(guān)系

圖1為微球粒徑與水化緩膨時間的關(guān)系。由圖1可知，微球外觀呈球形，隨時間延長粒徑逐漸增大。圖2為微球粒徑分布及粒徑中值與水化緩膨時間的關(guān)系。由圖2可知，微球粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布，粒徑分布較窄。初始粒徑主要集中在1.80～5.80 μm范圍內(nèi)，粒徑中值為3.80 μm；水化緩膨192 h后，微球粒徑在9.80～20.80 μm范圍內(nèi)分布較集中，粒徑中值為28.02 μm。粒徑膨脹倍數(shù)為6.37。結(jié)合圖1和圖2可知，微球水化膨脹呈先快后慢趨勢，這主要是因為聚合物微球水化膨脹效果主要取決于微球分子溶脹性能，而微球溶脹性能又取決于聚合物性質(zhì)和交聯(lián)程度等因素［21］，微球的主鏈或側(cè)鏈上含有酰胺基、磺酸基和羧基，這些官能團(tuán)都具有強烈的親水性，這些基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，從而產(chǎn)生較強的溶劑化作用，微球內(nèi)部聚合物分子不斷伸展，分子間作用力減弱，更多的親水基團(tuán)發(fā)生溶劑化作用，微球的膨脹不斷進(jìn)行，當(dāng)親水基團(tuán)溶劑化作用趨于飽和則吸水膨脹速率變慢，并最終達(dá)到平衡［22］，此時微球停止膨脹。

2.2 微球油藏適應(yīng)性

表1為巖心滲透率（K）、FR1和FR2、FRR及β數(shù)據(jù)。由表1可知，在K相同或相近情況下，隨微球注入濃度（cp）增加，F(xiàn)R1和FR2、FRR及β均增大。隨cp增加，微球在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量增加，附加滲流阻力增大；在cp不變情況下，隨K降低，F(xiàn)R1和FR2增加。隨K增加，孔喉尺寸增大，微球與巖心孔喉間配伍性變好，滯留量減小，滲流阻力降低，F(xiàn)R1和FR2降低。對比FR1和FR2發(fā)現(xiàn)，微球在巖心注入端面滯留現(xiàn)象較嚴(yán)重，這導(dǎo)致FR1和FR2出現(xiàn)虛高現(xiàn)象，且K越低二者差值（FR1-FR2）越大。這主要是因為隨著K的增加，注入巖心內(nèi)部的微球數(shù)量越多，在端面的滯留量越小，端面效應(yīng)越弱。在相同K條件下，隨cp增加，F(xiàn)R1-FR2越大，端面效應(yīng)越嚴(yán)重。這主要是因為，聚合物微球呈現(xiàn)正態(tài)分布（見圖2），其中粒徑較小的微球可順利進(jìn)入巖心內(nèi)部，而粒徑較大者易滯留在巖心端面，且cp越高，大粒徑微球數(shù)量越多，端面效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖1 微球粒徑與水化緩膨時間的關(guān)系Fig.1 The relationship between microsphere size and hydration time.

圖2 微球粒徑分布（a）及粒徑中值（b）與水化緩膨時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between particle size distribution(a) and median particle size(b) of microspheres and hydration time.

圖3為注入壓力與PV數(shù)關(guān)系。由圖3可知，cp和K對注入壓力升高趨勢存在影響。微球注入階段，K較小時，隨著PV數(shù)的增加，注入壓力一直升高；K較大時，注入壓力先升高后趨于平穩(wěn)，即當(dāng)巖心孔喉尺寸與微球粒徑匹配關(guān)系較好時，注入壓力呈現(xiàn)“升高、平穩(wěn)”趨勢，否則壓力一直上升。通過觀測注入壓力升高趨勢就可確定巖心孔喉尺寸與微球粒徑和濃度匹配關(guān)系，確定微球溶液可進(jìn)入巖心的最低滲透率（極限滲透率）［23］。因此，確定微球溶液可進(jìn)入巖心的極限滲透率約為200×10-3μm2。

表1 K、FR1和FR2、FRR及βTable 1 Permeability(K)，resistance coefficient(FR1，F(xiàn)R2)，residual resistance coefficient(FRR) and plugging rate(β)

圖3 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系Fig.3 The relationship between injection pressure and pore volume(PV).

人造巖心壓汞測試確定了平均喉道半徑與K的關(guān)系。通過回歸可得到平均喉道半徑（x）與水測滲透率（y）的關(guān)系，見式（1）。

依據(jù)三球架橋理論可知，固體顆粒能否堵塞孔喉的規(guī)律［24-26］為：1）粒徑不小于1/3倍孔徑，顆粒將堵塞在巖心端面；2）粒徑在1/3～1/7倍孔徑之間，顆粒能夠進(jìn)入巖心內(nèi)部，但會在孔喉處發(fā)生捕集，產(chǎn)生橋堵，從而在巖心內(nèi)部發(fā)生封堵作用；3）粒徑小于1/7倍孔徑，顆?？勺杂赏ㄟ^巖心，不發(fā)生堵塞。

上述確定的微球能夠進(jìn)入巖心的極限滲透率約為200×10-3μm2，最終確定微球能通過的平均喉道直 徑（DA）為10.70 μm，DM/DA= 3.80/10.70 = 0.36（DM為微球平均粒徑）。當(dāng)K= 200×10-3μm2時，微球DM/DA基本接近1/3倍，因此能夠進(jìn)入到巖心深部，而不會在巖心端面形成“濾餅”，即不產(chǎn)生端面效應(yīng)或端面效應(yīng)較弱。當(dāng)微球緩膨7 d后，微球粒徑中值接近28 μm。當(dāng)K= 200×10-3μm2時，微球的DM/DA= 28/10.70 = 2.62，大于2/3，β大于79%；當(dāng)K= 1 800×10-3μm2時，微球的DM/DA=28/34.22 = 0.82，0.82略大于2/3，但膨脹后的微球為柔性顆粒，變形能力更強，因此對于K不低于1 800×10-3μm2的巖心β明顯變差，難以具有良好的封堵效果。

2.3 微球調(diào)驅(qū)效果及其影響因素

在雙管并聯(lián)巖心模型上開展微球驅(qū)替實驗，采收率實驗結(jié)果見表2。圖4為注入壓力、含水率、采收率和分流率與PV數(shù)關(guān)系。由表2和圖4可知，在水驅(qū)階段，隨注入PV數(shù)增加，采收率增加，含油飽和度、油相滲透率和滲流阻力減小，注入壓力降低。與低滲透層相比，由于高滲層啟動壓力較低，吸液壓差和吸液量較大，含油飽和度和滲流阻力降幅較大，因而分流率逐漸增加。在微球溶液注入階段，隨注入PV數(shù)增加，由于微球優(yōu)先進(jìn)入啟動壓力較低的高滲透層并發(fā)生滯留，致使?jié)B流阻力即吸液啟動壓力增加，吸液壓差和吸液量減少，同時引起注入壓力升高（保持注入速度恒定）。隨注入壓力升高，低滲透層吸液壓差和吸液量增加，分流率增加。隨低滲透層吸入微球量增加，啟動壓力大幅度升高，吸液壓差和吸液量呈現(xiàn)減小趨勢。在后續(xù)水驅(qū)階段，由于前期進(jìn)入巖心孔隙內(nèi)的部分微球被驅(qū)替采出以及油相飽和度進(jìn)一步降低，總體滲流阻力減小，因而注入壓力呈現(xiàn)下降態(tài)勢。與低滲透層相比較，由于高滲透巖心滲流阻力減小幅度較大，因而吸液壓差和吸液量增加幅度較大，因而分流率呈現(xiàn)升高趨勢。對比分析可知，cp越高，微球注入階段壓力增幅越大，含水率降幅越大，采收率增幅越大。結(jié)合表1可知，5 000 mg/L微球緩膨后β最高，3 000 mg/L次之，1 000 mg/L最小，即cp=5 000 mg/L時微球在高滲透層滯留量較大，封堵效果較好，因此該方案采收率增幅較大。由表2還可知，微球調(diào)驅(qū)過程中，不僅低滲層采收率有所增加，高滲層采收率增幅同樣較大，這主要是因為注入聚合物微球過程中，微球首先會進(jìn)入水流優(yōu)勢通道（即高滲層），沿著滲流阻力小的方向不斷向前運移，當(dāng)微球進(jìn)入孔隙喉道后，會通過堆積封堵或架橋封堵的方式封堵這些孔隙喉道，使得注入壓力升高，迫使后續(xù)注入水轉(zhuǎn)向未被波及的含油區(qū)域（低滲層或高滲層中含油飽和度較高區(qū)域），注入水流入小孔道和滲流阻力大的區(qū)域［27］，將其中原油不斷驅(qū)替出來，這些剩余油會在大孔道匯聚成較大的油流，有效地提高了注入水波及系數(shù)。微球具有一定彈性形變能力，當(dāng)被封堵的孔隙喉道前的壓力增至一定值時，微球由于受到擠壓作用，便會像“變形蟲”一樣突破孔隙喉道，此時會在孔隙喉道和周圍巖石之間形成一定的負(fù)壓，注入水會攜帶剩余油快速通過細(xì)小孔隙喉道，微球在通過孔隙喉道后會恢復(fù)形態(tài)，繼續(xù)向前運移，表現(xiàn)出“封堵—運移—再封堵—再運移……”的特性［28］，因此能夠有效動用高滲層內(nèi)剩余油，進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)大波及體積和提高采收率的目的。

表2 采收率實驗數(shù)據(jù)Table 2 Recovery rate experimental data

圖4 注入壓力、含水率、采收率和分流率與PV數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between injection pressure，water content，recovery rate，diversion rate and PV.

3 結(jié)論

1）在渤海Q油田油藏條件下，Z1型聚合物微球初始粒徑為3.80 μm，水化緩膨192 h后增長到28.02 μm，粒徑膨脹了6.37倍，具有良好的水化膨脹效果。

2）隨cp的增加，F(xiàn)RR和β逐漸增大，但增幅較?。浑SK的增加，F(xiàn)RR和β先增大后減小。微球注入過程中存在端面效應(yīng)，且K越低，端面效應(yīng)越嚴(yán)重。

3）Z1型聚合物微球的極限滲透率為200×10-3μm2，在K= 200×10-3μm2條件下，緩膨7 d后β最大，可達(dá)79%以上；K在（200～1 400）×10-3μm2時具有較好封堵效果；K增大到1 800×10-3μm2時封堵效果變差。針對于K更高的高滲層，必須輔以凝膠等具有更大強度的封堵劑進(jìn)行封堵才能取得更好的調(diào)剖調(diào)驅(qū)效果。

4）在非均質(zhì)油藏中，聚合物微球主要進(jìn)入高滲層，緩膨后滯留能力進(jìn)一步增強，液流轉(zhuǎn)向作用進(jìn)一步增強，且濃度越高，封堵作用越強，液流轉(zhuǎn)向效果越好，低滲透層采收率增幅越大。而且驅(qū)替過程中，微球會不斷向前移動，從而產(chǎn)生微觀調(diào)驅(qū)，從而降低高滲層的含油飽和度，提高高滲層的采收率，且濃度越高，效果越好。