納米微球運(yùn)移封堵性能影響因素研究

劉豐鋼，李曉偉，劉光普，李建曄，楊會(huì)峰，韓文彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

國(guó)內(nèi)對(duì)納米微球在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移和封堵機(jī)理研究較少，文獻(xiàn)中指出顆粒的尺寸和封堵效果雖有一定關(guān)系，但尺寸小于喉道尺寸仍可以產(chǎn)生良好的封堵效果，但僅提及喉道的捕集作用，未指出產(chǎn)生捕集效果的機(jī)理和原因[1-3]。其次，微球體系調(diào)剖產(chǎn)生效果的機(jī)理是表層吸附和架橋作用雙重影響的結(jié)果，但是并未對(duì)此進(jìn)行深入探討。實(shí)際上，膠體顆粒在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生封堵效果是由于4 個(gè)原因：粒徑尺寸、表面沉積、橋架和水動(dòng)力學(xué)滯留，四個(gè)原因綜合使顆粒體系在多孔介質(zhì)中具有封堵效果[4-5]。因此，本文針對(duì)納米微球運(yùn)移封堵性能的影響因素展開(kāi)了重點(diǎn)研究。

1 納米微球運(yùn)移封堵性能機(jī)理

1.1 納米微球組成結(jié)構(gòu)

聚丙烯酰胺水溶性高分子是油田目前應(yīng)用范圍最廣，開(kāi)展相關(guān)研究最多的三次采油化學(xué)助劑。它屬于線性高分子的范疇，依靠黏度作用于整個(gè)滲水通道。由于它聚合較為容易、聚合物分子量高，因此目前開(kāi)發(fā)應(yīng)用的納米微球均是以聚丙烯酰胺為高分子主體，輔以一定的水解離子單體、耐溫抗鹽組分以及交聯(lián)劑，通過(guò)現(xiàn)代化學(xué)合成方法聚合而成，從而使得線性的高分子成為網(wǎng)狀體型納米微球[6]，如圖1 所示。

1.2 納米微球作用機(jī)理

如圖2 所示，納米微球在地層水礦化度和溫度的作用下，會(huì)發(fā)生水化膨脹，在透射電鏡的觀察下，納米微球會(huì)形成明顯的兩層結(jié)構(gòu)，外層為水化膨脹層，內(nèi)層密度較大為未水化膨脹層。隨著納米微球在地層水礦化度和溫度的長(zhǎng)時(shí)間作用下，外面的水化膨脹層逐漸擴(kuò)大，而中間的未水化層則逐漸減少，體積發(fā)生膨脹。

圖1 納米微球組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 納米微球水化膨脹示意圖

膠體顆粒在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生封堵效果是由于四個(gè)原因：粒徑尺寸、表面沉積、橋架和水動(dòng)力學(xué)滯留，四個(gè)原因綜合使顆粒體系在多孔介質(zhì)中具有封堵效果。多孔介質(zhì)中運(yùn)移顆粒通過(guò)孔喉時(shí)，主要表現(xiàn)為3 方面作用：（1）在高滲透區(qū)，大的納米微球能對(duì)大通道實(shí)行封堵，逼迫水流轉(zhuǎn)向，波及中低滲透區(qū)，擴(kuò)大驅(qū)油面積；（2）在中、低滲透層具有吸附堵塞喉道的作用；（3）被剪切破碎的納米微球可阻塞更小的喉道。

2 納米微球運(yùn)移封堵性能影響因素研究

2.1 研究目的

考察在不同滲透率條件下，納米微球分散體系在70 ℃油藏條件下的傳播及運(yùn)移性能，篩選出最佳的復(fù)合乳液球使用參數(shù)。同時(shí)研究該納米微球體系不同注入速度、段塞大小的運(yùn)移封堵性質(zhì)，分析不同影響因素對(duì)其運(yùn)移封堵性質(zhì)的影響。

2.2 研究方法

借助室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同影響因素對(duì)納米微球封堵性能的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）選取滿足滲透率要求的一定粒徑的砂粒，以保證每次填制的砂管滲透率相對(duì)穩(wěn)定。采用150目（106 μm）沙粒填制的砂管（滲透率穩(wěn)定在1 500～2 500 mD）。

2）將砂管填制好后，抽真空。

3）飽和地層水，精確計(jì)量飽和水的體積，即巖心的孔隙體積。

4）按圖3 圖示連接好設(shè)備，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度70 ℃，升溫之后，水測(cè)滲透率，得到滲透率值K。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

5）以設(shè)定的不用注入速度的流量注入設(shè)計(jì)段塞大小的已水化一定天數(shù)的調(diào)驅(qū)劑。

6）后續(xù)進(jìn)行水驅(qū)測(cè)突破壓力梯度和堵后滲透率，計(jì)算封堵率，殘余阻力系數(shù)等。

7）更換設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2.3 不同影響因素分析

1）不同濃度對(duì)納米微球分散體系運(yùn)移封堵性的影響

從封堵率來(lái)看，0.2%和0.4%的納米微球分散體高，從殘余阻力系數(shù)來(lái)看，0.2%和0.4%的納米微球分散體系的殘余阻力系數(shù)相近，說(shuō)明堵劑的濃度的提高并未大幅影響封堵效果，考慮經(jīng)濟(jì)因素，0.2%的納米微球分散體系為最優(yōu)堵劑。

不同濃度的納米微球分散體系的室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 不同濃度的納米微球分散體系的室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)表

2）不同注入速度對(duì)納米微球分散體系運(yùn)移封堵性的影響

納米微球按照不同流速注入后封堵結(jié)果見(jiàn)表2。

①封堵強(qiáng)度與注入速度有很大關(guān)系，并且隨著注入速度的增加，納米微球形成封堵的能力變?nèi)酢?/p>

②由沿程壓力變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)流速很小時(shí)，納米微球在管內(nèi)運(yùn)移形成封堵距離比大流速形成封堵的距離遠(yuǎn)。和小流速注入相比，高速率注入雖然可以快速地將納米微球向砂管內(nèi)運(yùn)移，但是由于流速過(guò)快，在砂管內(nèi)部仍很難形成有效封堵，故總壓力梯度顯示較小值。

③由沿程壓力可以看出，小流速注入時(shí)，形成的封堵時(shí)的整體效果，是一種“段塞”式封堵。由固相侵入理論可以知道，由于流速小，增加了微球顆粒和砂礫之間的作用時(shí)間，降低孔隙導(dǎo)流能力。當(dāng)微粒因聚團(tuán)、表面沉積等原因形成大粒徑介質(zhì)，流入孔喉中形成一個(gè)橋塞時(shí)就形成了孔喉橋堵。當(dāng)微粒大于孔喉時(shí)也會(huì)形成橋堵。橋堵一旦形成，將會(huì)大大降孔喉滲透率。在大孔喉處微球體系“團(tuán)簇”依附在孔喉邊緣時(shí)，會(huì)捕集其他微球“團(tuán)簇”，當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)形成對(duì)高滲透層的整體封堵效果。此外，微球還可以形成表面沉積，此時(shí)微球主要沉積附著在顆粒/孔隙的表面。這一過(guò)程取決于包括孔隙水動(dòng)力學(xué)、顆粒與孔隙表面的靜電壓差、孔隙表面結(jié)構(gòu)等這些物理參數(shù)和化學(xué)參數(shù)。僅在這一階段造成的封堵非常小，但結(jié)合橋架封堵，形成一定程度的封堵貢獻(xiàn)。

3）不同段塞大小對(duì)納米微球分散體系運(yùn)移封堵性的影響

突破壓力是評(píng)價(jià)凝膠體系性質(zhì)的重要參數(shù)，它反映凝膠強(qiáng)度的大小，代表凝膠的封堵強(qiáng)度，且與凝膠的黏度、附著力有關(guān)。

突破壓力梯度=突破壓力/巖心長(zhǎng)度(kPa/cm)。

殘余阻力系數(shù)RRF 定義為膠體系注入前的水測(cè)滲透率與注入后的水測(cè)滲透率的比值，該值反映了膠體系降低多孔介質(zhì)滲透率的能力。通常，RRF越大，采收率越高。通過(guò)殘余阻力系數(shù)的測(cè)定說(shuō)明調(diào)剖體系對(duì)巖心具有封堵性，其封堵性能的強(qiáng)弱由封堵率來(lái)評(píng)價(jià)。本文采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：K1和K2—分別為堵前和堵后的水測(cè)滲透率。

如表5 所示，隨著納米微球體系注入量的增加，封堵后水測(cè)滲透率逐漸降低，表明納米微球體系有很好的封堵性能。

表5 注入?yún)?shù)與納米微球體系的運(yùn)移、封堵規(guī)律效果表

由于突破壓力逐漸增大，致使殘余阻力系數(shù)增加，封堵率增加，體系具有降低孔喉滲透率的能力。當(dāng)注入量從0.2 PV 增加到0.4 PV 時(shí)，封堵率由84%增加到93%，封堵效果明顯上升，說(shuō)明注入量對(duì)體系的封堵能力有很大影響。

3 結(jié)論

1）綜合考慮微球運(yùn)移能力和核殼球存運(yùn)移能力兩方面因素，優(yōu)選出了納米微球分散體系最佳濃度和核殼微球分散體系為最優(yōu)堵劑濃度。

2）在一定低注入速度范圍內(nèi)，微球的封堵能力基本穩(wěn)定。隨著注入速度的增加，超過(guò)某一臨界注入速度，兩種微球的封堵能力均變?nèi)酢?/p>

3）過(guò)低的注入量對(duì)油藏的封堵效果有限，要保障微球注入量的合適和足夠。在經(jīng)濟(jì)可靠的前提下，保障注入量的穩(wěn)定和充足，才能使得封堵效果好。