異常高溫高鹽碳酸鹽巖油藏水驅(qū)波及控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究
——以阿布扎比X油田為例

劉 陽(yáng)，吳行才，管保山，葉銀珠，許寒冰，王小聰，李世超，肖沛文

（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

阿布扎比X 油田為異常高溫高鹽碳酸鹽巖油田，該油田是中國(guó)對(duì)外投資最大的油田之一，油藏溫度為115～139 ℃，地層水礦化度為15×104～20×104mg/L，其類型在中東地區(qū)具有典型的代表性。其開(kāi)發(fā)效果的好壞對(duì)本項(xiàng)目投資是否成功、中國(guó)石油企業(yè)能否進(jìn)一步開(kāi)拓海外市場(chǎng)有巨大的影響力。該油田為裂縫孔隙型碳酸鹽巖油藏，受儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層內(nèi)高滲透條帶和局部發(fā)育微裂縫的影響，水驅(qū)嚴(yán)重不均，油井見(jiàn)水快，含水率上升快，油田投入注水開(kāi)發(fā)區(qū)域含水率在短短5 a 內(nèi)即上升到60%～80%。如何控制水驅(qū)波及體積、擴(kuò)大有效波及是該油田水驅(qū)開(kāi)發(fā)是否成功的關(guān)鍵。

以聚合物（HPAM）為基礎(chǔ)的聚合物一、二、三元驅(qū)技術(shù)，以及交聯(lián)聚合物凝膠技術(shù)在世界范圍內(nèi)取得了顯著成功［1-9］。此類傳統(tǒng)成熟技術(shù)主要通過(guò)擴(kuò)大水驅(qū)波及體積實(shí)現(xiàn)提高采收率，但聚合物基礎(chǔ)材料耐溫耐鹽能力有限，且作為連續(xù)相高黏流體其驅(qū)油機(jī)理也存有不足［10-17］。鑒于聚合物類驅(qū)技術(shù)的現(xiàn)有理論缺陷和應(yīng)用問(wèn)題，吳行才等采用水分散體系靶向驅(qū)油的理論，建立了水驅(qū)波及控制技術(shù)方法，并研制出相應(yīng)的新型顆粒型聚合物（SMG）［10-12，16-17］。以SMG 為基礎(chǔ)的水驅(qū)波及控制技術(shù)不僅在中國(guó)多個(gè)砂巖、礫巖油田應(yīng)用取得了較好的效果，而且在中東地區(qū)某碳酸鹽巖油田的試驗(yàn)也取得了較好效果［17-24］。為此，以阿布扎比X 油田的油藏條件為基礎(chǔ)，利用該油田天然巖心、原油以及模擬地層水開(kāi)展SMG 水驅(qū)波及控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室可行性研究，重點(diǎn)考察SMG 在高溫高鹽條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能及其經(jīng)高溫高鹽長(zhǎng)期老化后的波及控制驅(qū)油性能。

1 SMG理化性能評(píng)價(jià)

1.1 SMG水分散液老化前后形貌對(duì)比

根據(jù)阿布扎比X 油田的油藏條件，配制礦化度為20×104mg/L的模擬地層水，其中鈣鎂離子質(zhì)量濃度約為2×104mg/L，為典型的CaCl2水型。用模擬地層水配制質(zhì)量濃度為5×104mg/L 的亞毫米級(jí)SMG和10×104mg/L 的微米級(jí)SMG 母液，超聲分散，充分溶脹后，裝入高溫高壓老化罐，放入130 ℃恒溫烘箱中，分別于1，3 和6 個(gè)月后取出觀察老化情況，并與老化前的SMG水分散液進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1）表明：老化前，亞毫米級(jí)和微米級(jí)的SMG 水分散液均為乳白色液體；老化后，兩者開(kāi)罐總液量均與老化前基本一致，無(wú)液量損失，上部漂浮有高溫高鹽下SMG 與水中礦物固結(jié)形成的大塊圓柱狀固體，下部為水溶液。該固形物質(zhì)地柔軟，經(jīng)處理后可重新分散于水中。由此表明，SMG具有較好的耐溫耐鹽性能，在高溫高鹽下可穩(wěn)定存在，并且無(wú)傳統(tǒng)聚合物高溫高鹽下的水解水化現(xiàn)象。

1.2 顆粒大小和形態(tài)特征

將亞毫米級(jí)和微米級(jí)的SMG 原液去油提取出可分離固形物，即干粉顆粒，兩者顆粒的顯微鏡微觀形貌如圖2 所示。兩者的平均粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，水化溶脹前SMG 顆粒為球形顆粒，平均粒徑為1～68 μm，其中亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG溶脹前平均粒徑分別為6～68 和1～23 μm，此外SMG 顆粒的粒徑還可以依據(jù)油藏孔喉尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

將老化1個(gè)月的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG水分散液充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后吸取少量老化SMG 水分散液于燒杯中，加入酒精，反復(fù)抽濾洗滌，提取出可分離固形物，裝入干凈樣品瓶，在60 ℃下恒溫5 h，即可獲得老化后的2種粒徑級(jí)別的SMG干粉顆粒。

通過(guò)顯微鏡觀察2種粒徑級(jí)別SMG老化后的顆粒大小與形態(tài)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫高鹽老化后的SMG 雖存在團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑略微變小，但仍為球形顆粒（圖2，圖3）。

1.3 膨脹性能

圖1 老化前和不同老化時(shí)間后的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG水分散液形貌對(duì)比Fig.1 Morphology comparison of aqueous dispersion for submillimeter-scale SMG and micron-scale SMG before and after aging

圖2 亞毫米級(jí)和微米級(jí)的SMG老化前形貌顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Morphology images of submillimeter-scale SMG and micron-scale SMG before aging

SMG 具有遇水膨脹、在油中不發(fā)生變化的特點(diǎn)。用礦化度為20×104mg/L 的模擬地層水配制質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的SMG 水分散液，并置于超聲清洗儀進(jìn)行超聲處理，使其充分溶脹并分散于水中，溶脹15 d 后測(cè)定SMG 水分散液的粒徑分布。結(jié)果（圖4，圖5）表明：亞毫米級(jí)SMG 初始粒徑中值為11.39 μm，完全溶脹后粒徑為13.75～52.03 μm，粒徑中值為29.16 μm；微米級(jí)SMG 初始粒徑中值為3.21 μm，完全溶脹后粒徑為1.77～35.46 μm，粒徑中值為10.382 μm。說(shuō)明SMG 在高礦化度環(huán)境下仍具有較好的水化膨脹性，膨脹倍數(shù)能達(dá)到5～11倍。將老化后的高質(zhì)量濃度SMG 母液稀釋成質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的水分散液，抽濾去除老化生成的固體顆粒，然后測(cè)定老化SMG 水分散液的粒徑中值。結(jié)果（圖6）表明，在長(zhǎng)期高溫高鹽下，隨時(shí)間推移，SMG 發(fā)生聚并，使得所測(cè)粒徑中值比實(shí)際偏小。盡管所測(cè)粒徑中值偏小，但0.5 a后亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG 水分散液粒徑中值仍能分別維持為11.555 和2.963 μm。

圖3 亞毫米級(jí)和微米級(jí)的SMG老化1個(gè)月后形貌顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Morphology images of submillimeter-scale SMG and micron-scale SMG after aging for 1 month

圖4 亞毫米級(jí)SMG水化溶脹前后粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of submillimeter-scale SMG before and after hydration swelling

圖5 微米級(jí)SMG水化溶脹前后粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of micron-scale SMG before and after hydration swelling

1.4 流變性能

圖6 SMG高溫高鹽長(zhǎng)期老化后的粒徑中值Fig.6 Median particle size of SMG after long-term aging in high-temperature and high-salinity conditions

利用礦化度為20×104mg/L的模擬地層水配制質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG水分散液，測(cè)定不同溫度下SMG 水分散液黏度隨著剪切速率的變化。結(jié)果（圖7）表明：隨著剪切速率和溫度的增加，亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG 水分散液黏度逐漸降低，并趨于定值，分別僅為0.8～2.6 和0.8～3.3 mPa·s，并且高溫高剪切速率下二者黏度接近于水。同等條件下，其相比聚合物溶液具有更低的黏度，且更易于注入儲(chǔ)層。說(shuō)明SMG 水分散液具有低黏、抗剪切、易注入地層的特點(diǎn)。

圖7 亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG水分散液流變曲線Fig.7 Rheological curve for aqueous dispersion of submillimeter-scale SMG and micron-scale SMG

1.5 封堵性能

適合對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層的聚合物溶液能較好地改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性，改善儲(chǔ)層流體的流度比，進(jìn)而提高水驅(qū)波及體積和驅(qū)油效率。老化前SMG 水分散液封堵性能測(cè)試具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①將滲透率為2 000和20 mD的碳酸鹽巖巖心進(jìn)行干燥，抽真空，飽和水后測(cè)定水測(cè)滲透率。②用礦化度為20×104mg/L 的模擬地層水配制質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG 水分散液進(jìn)行封堵性能測(cè)試評(píng)價(jià)。以1 和0.5 mL/min 的速度水驅(qū)巖心至壓力穩(wěn)定（水驅(qū)），然后分別以相同的速度注入配制好的SMG 水分散液3 PV（SMG 驅(qū)），最后以相同速度水驅(qū)6 PV（后續(xù)水驅(qū)）。

老化后SMG 水分散液封堵性能測(cè)試具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①選取SMG 有效成分聚并較少的老化樣品（老化1 個(gè)月）配制成質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的水溶液，過(guò)濾除去其中的固體，獲得可用于驅(qū)替的老化SMG 水分散液。②進(jìn)行老化后的SMG 水分散液的封堵性能測(cè)試并與未老化的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程和注入量完全與未老化SMG 水分散液的封堵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)一致。

封堵性能測(cè)試結(jié)果（圖8，圖9）顯示：SMG驅(qū)時(shí)，老化前后SMG 水分散液的注入壓力均隨著SMG 注入量的增加而升高，但由于SMG 老化后，SMG 水分散液中有效成分發(fā)生聚并同時(shí)顆粒粒徑略微變小，使得SMG 驅(qū)結(jié)束時(shí)壓力均低于老化前，從側(cè)面表現(xiàn)為其封堵能力低于老化前的SMG 水分散液；后續(xù)水驅(qū)壓力均呈現(xiàn)穩(wěn)中略升的特征，壓力反復(fù)波動(dòng)體現(xiàn)了SMG 顆粒在巖心中反復(fù)暫堵和被突破的運(yùn)移過(guò)程。相比傳統(tǒng)聚合物，SMG 在巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)中具有更好的滯留和運(yùn)移性能，并且老化后的SMG 不僅能穩(wěn)定存在，而且仍然具有較好的封堵性能。

圖8 亞毫米級(jí)SMG封堵性能測(cè)試曲線Fig.8 Shutoff performance test curve of submillimeter-scale SMG

圖9 微米級(jí)SMG封堵性能測(cè)試曲線Fig.9 Shutoff performance test curve of micron-scale SMG

2 SMG波及控制驅(qū)油機(jī)理

傳統(tǒng)水驅(qū)時(shí)，注入水快速沿高滲透通道突破，而中低滲透孔隙中還存在大量剩余油未被動(dòng)用，持續(xù)水驅(qū)和傳統(tǒng)常規(guī)手段很難充分動(dòng)用這一部分剩余油（圖10a）。傳統(tǒng)聚合物類驅(qū)技術(shù)是通過(guò)聚合物的黏度來(lái)改善油藏油水流度比，從而擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，進(jìn)而提高油藏水驅(qū)效率和綜合采收率，但該體系耐溫耐鹽性能有限（礦化度≤10×104mg/L，溫度≤90 ℃）且驅(qū)油機(jī)理上也存在一定缺陷（圖10b），即它作為連續(xù)相流體無(wú)法區(qū)別儲(chǔ)層的高低滲透層或大小孔隙，類似于“盲驅(qū)”。此外，當(dāng)聚合物黏度較大時(shí)，可能會(huì)堵塞中低滲透層進(jìn)而造成儲(chǔ)層傷害，使得中低滲透層孔隙中的大量剩余油更難采出。

新型顆粒型聚合物——SMG 為一種非連續(xù)型分散液體系，該體系的水分散液表觀黏度低，易于進(jìn)入儲(chǔ)層深部且具有較高的耐溫耐鹽性能（礦化度≤20×104mg/L，溫度≤130 ℃），其結(jié)構(gòu)和驅(qū)油機(jī)理均不同于傳統(tǒng)的聚合物類（連續(xù)相黏性聚合物溶液或交聯(lián)聚合物凝膠）。其驅(qū)油機(jī)理為：驅(qū)替相為黏度接近于水的SMG 水分散液，水分散液中的聚合物顆粒在微觀上通過(guò)對(duì)水流通道（孔喉）暫堵—突破—再暫堵—再突破等一系列過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)高中滲透層或大中孔隙的逐級(jí)暫堵（圖10c），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)油水流度比的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)水驅(qū)調(diào)剖轉(zhuǎn)向，提高對(duì)中低滲透層或中小孔隙中剩余油的動(dòng)用，提高油藏綜合采收率。

3 SMG波及控制物理模擬實(shí)驗(yàn)

將天然碳酸鹽巖巖心進(jìn)行干燥、稱重和飽和礦化水等一系列處理后，用阿布扎比X 油田原油進(jìn)行飽和并老化48 h 后進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：首先水驅(qū)巖心至含水率為98%；然后分別轉(zhuǎn)注質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的老化1 個(gè)月的SMG 水分散液以及同質(zhì)量濃度現(xiàn)配制并充分溶脹7 d 的SMG 水分散液，高低滲透巖心分別以1 和0.5 mL/min 的速度驅(qū)替，SMG水分散液的注入量均為0.7 PV；最后后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%。

3.1 亞毫米級(jí)SMG老化前后驅(qū)油效果對(duì)比

對(duì)于亞毫米級(jí)SMG，注入未老化的SMG 水分散液的巖心綜合采收率為56.62%，采收率增幅為10.06%；注入老化1 個(gè)月的SMG 水分散液的巖心綜合采收率為55.08%，采收率增幅仍達(dá)6.70%（表1，圖11）。注入SMG 后，SMG 不斷進(jìn)入巖心內(nèi)部并發(fā)生運(yùn)移，隨著SMG 注入量不斷增加，進(jìn)入巖心的SMG 逐漸增多，使得對(duì)巖心微裂縫及大孔道的封堵能力逐漸增強(qiáng)，兩巖心的注入壓力增大，但老化后封堵能力降低，使得SMG 驅(qū)后整體壓力增幅小于老化前；同時(shí)注入未老化SMG的巖心后續(xù)水驅(qū)SMG能長(zhǎng)期滯留于巖心，不斷運(yùn)移到巖心深部，進(jìn)而維持壓力穩(wěn)定，但對(duì)于老化后的SMG，由于SMG 高溫高鹽下聚并生成固體造成有效濃度降低、SMG 粒徑變小以及天然巖心內(nèi)部存在微觀高滲透條帶和微裂縫使其不能長(zhǎng)期滯留，難以實(shí)現(xiàn)深部運(yùn)移，進(jìn)而造成后續(xù)水驅(qū)壓力降低。

3.2 微米級(jí)SMG老化前后驅(qū)油效果對(duì)比

對(duì)于微米級(jí)SMG，注入未老化的SMG 水分散液的巖心綜合采收率為69.67%，采收率增幅為8.04%；注入老化1個(gè)月的SMG水分散液的巖心綜合采收率為66.96%，采收率增幅仍達(dá)5.67%（圖12）。后續(xù)水驅(qū)兩巖心的注入壓力均維持穩(wěn)定，SMG 呈現(xiàn)出較好的封堵能力，同時(shí)后續(xù)水驅(qū)注入壓力呈現(xiàn)起伏波動(dòng)，進(jìn)一步體現(xiàn)了SMG 在巖心內(nèi)部暫堵運(yùn)移的過(guò)程。

老化的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG 水分散液天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管SMG 在長(zhǎng)期高溫高鹽老化后存在水溶液中有效成分發(fā)生聚并、SMG 粒徑變小的現(xiàn)象，但其仍具較好的暫堵能力和深部調(diào)驅(qū)能力，進(jìn)而擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，提高綜合采收率。同時(shí)SMG 也表現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)定性，通過(guò)老化后SMG 干粉的顯微鏡下觀察，其形態(tài)與未老化樣相比，顆粒仍呈球狀，整體保持得非常好。

表1 亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG水分散液驅(qū)油效果Table1 Oil displacement effect of aqueous dispersion of submillimeter-scale SMG and micron-scale SMG

圖11 高滲透巖心采收率、含水率和注入壓力與注入量的關(guān)系Fig.11 Relation curves of recovery，water cut，and injection pressure with injection volume of high-permeability cores

圖12 低滲透巖心采收率、含水率和注入壓力曲線與注入量的關(guān)系Fig.12 Relation curves of recovery，water cut，and injection pressure with injection volume of low-permeability cores

4 結(jié)論

SMG 水分散液在阿布扎比X 油田的異常高溫高鹽條件下，具有優(yōu)異的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能。經(jīng)長(zhǎng)期高溫高鹽靜置老化后，其粒徑有一定程度縮小，但未發(fā)生水解水化，仍然具有波及控制所需的基本理化性能。

采用阿布扎比X油田原油和天然巖心所做的物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)均取得較好效果。長(zhǎng)期高溫高鹽老化后的亞毫米級(jí)和微米級(jí)SMG 水分散液驅(qū)油提高采收率幅度分別達(dá)到6.70%和5.67%。說(shuō)明這一技術(shù)可望解決阿布扎比地區(qū)異常高溫高鹽碳酸鹽巖油田水驅(qū)不均的開(kāi)發(fā)問(wèn)題，應(yīng)積極開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。