聚合物與預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒復(fù)合調(diào)驅(qū)室內(nèi)評價

敖文君 ，康曉東 ，黃波 ，王姍姍 ，李先杰 ，梁丹

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海油海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

隨著油田注水開發(fā)的深入，儲層受到驅(qū)替水的沖刷導(dǎo)致底層非均質(zhì)性增強，后續(xù)注入水主要沿高滲透率儲層突進(jìn)，層間層內(nèi)干擾加劇，中低滲透率儲層中原油受水驅(qū)控制程度也隨之降低，水驅(qū)采收率也大大降低，因此，提高注入水的波及體積是提高非均質(zhì)儲層原油采收率的重要方法［1-4］。顆粒類調(diào)驅(qū)劑預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒（PPG）目前已在不少油田得到了應(yīng)用，當(dāng)前已成為改善吸水剖面的深部調(diào)剖技術(shù)之一。PPG因具有地面交聯(lián)、強度可控、耐溫耐鹽等特性［5-9］，對于非均質(zhì)儲層，水驅(qū)或聚合物驅(qū)后，注入的PPG進(jìn)入地層深部后，遇水并吸水膨脹［10-14］，可以實現(xiàn)對高滲透率儲層有效封堵，改善地層非均質(zhì)性，增大后續(xù)水驅(qū)或聚合物驅(qū)波及系數(shù)，提高驅(qū)油效率。由于PPG顆粒體系在水中懸浮性能差，為了實現(xiàn)PPG的深部運移與深部封堵，本文通過將PPG與聚合物溶液進(jìn)行復(fù)合，形成非均相復(fù)合驅(qū)油體系，就可以充分發(fā)揮分散相與連續(xù)相調(diào)和驅(qū)的協(xié)同作用［15-17］。采用本方法所形成的非均相復(fù)合調(diào)驅(qū)體系，具有良好的油藏適應(yīng)性；運移能力以及封堵性能，因其可實現(xiàn)在線注入，也解決了海上油田平臺空間小的問題。

通過室內(nèi)體系評價與物理模擬實驗，對比考察了單一預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒、聚合物溶液以及非均相復(fù)合調(diào)驅(qū)體系的黏彈性能、封堵性能及驅(qū)油效果，并對比分析了不同調(diào)驅(qū)體系在非均質(zhì)儲層中的調(diào)驅(qū)機理。

1 實驗

1.1 材料

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.8%，初始粒徑30～50 μm；聚合物相對分子質(zhì)量為 1 600×104，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%；實驗用油為渤海某油田脫水原油與煤油混配而成的模擬油，黏度為 70 mPa·s（65℃）；實驗用水為根據(jù)油田現(xiàn)場水質(zhì)配制模擬水，礦化度為9 653.08 mg/L，水質(zhì)離子質(zhì)量濃度見表1。

表1 水質(zhì)離子質(zhì)量濃度 mg·L-1

實驗用巖心：1）人造3層非均質(zhì)巖心，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率依次為 600×10-3，1500×10-3，3 000×10-3μm2，不同滲透率儲層之間無夾層，相互連通，用于驅(qū)油效果評價；2）短圓柱巖心，尺寸為φ2.5 cm×10 cm，滲透率為 2 000×10-3μm2，用于注入封堵性評價。

實驗儀器：1）體系黏彈性能評價儀器為RS6000型流變儀、磁力攪拌器；2）物理模擬注入及驅(qū)油實驗裝置主要由驅(qū)替系統(tǒng)（ISCO高壓高精度柱塞泵）、加熱保溫系統(tǒng)（DY-3型恒溫箱）、壓力采集系統(tǒng)（高精度壓力傳感器，精度0.000 1 MPa）和液量采集系統(tǒng)組成。

1.2 方法

1）黏彈性評價。將配制好的聚合物溶液，PPG溶液以及復(fù)合體系溶液，在固定頻率、應(yīng)力下，用RS6000型流變儀測定這3種體系溶液的黏彈性能，記錄測定過程中的損耗模量、彈性模量、黏度以及相位角，實驗溫度為65℃。

2）注入封堵性能評價。配制質(zhì)量濃度1 750 mg/L聚合物溶液，500 mg/L的PPG溶液，聚合物1 750 mg/L+PPG500 mg/L復(fù)合體系，進(jìn)行注入性實驗，先水驅(qū)，巖心水驅(qū)壓力穩(wěn)定后，注入2 PV驅(qū)油體系，再水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，記錄每個階段的壓力及流量，考察不同體系在目標(biāo)滲透率巖心中的注入封堵性能。

驅(qū)油體系在儲層中的注入封堵性能主要通過阻力系數(shù)與封堵效率進(jìn)行評價，封堵效率可以通過巖心經(jīng)驅(qū)油體系后滲透率的變化進(jìn)行計算得到［18］。不同體系對巖心阻力系數(shù)和封堵效率計算公式分別為

式中：FR為阻力系數(shù)；λw和λp分別為水和調(diào)驅(qū)劑的流度，μm2/（mPa·s）；Δpw和 Δp 分別為調(diào)驅(qū)劑注入前后的穩(wěn)定壓力，MPa；η為調(diào)驅(qū)劑的封堵效率，%；Kw和Kp分別為調(diào)驅(qū)劑注入前后水驅(qū)滲透率，μm2。

3）評價對比3種驅(qū)油體系。為了研究不同調(diào)驅(qū)體系的驅(qū)油機理，設(shè)計3組實驗方案：方案1為水驅(qū)至含水率98%，注0.3 PV PPG，后續(xù)水驅(qū)至含水率98%；方案2為水驅(qū)至含水率98%，注0.3 PV聚合物，后續(xù)水驅(qū)至含水率98%；方案3為水驅(qū)至含水率98%，注0.3 PV復(fù)合體系，后續(xù)水驅(qū)至含水率98%。實驗如圖1所示。

圖1 物理模擬實驗示意

2 結(jié)果與分析

2.1 黏彈性能評價

驅(qū)油體系在儲層中的運移性能和波及效率直接與驅(qū)油體系在儲層條件下的表觀黏度與黏彈模量相關(guān)。聚合物溶液、PPG溶液以及復(fù)合體系溶液在油田水質(zhì)條件下的黏彈性能如表2所示：對于聚合物溶液，損耗模量（0.147 Pa）大于彈性模量（0.077 Pa），有較好的黏性；而PPG溶液，其彈性模量遠(yuǎn)大于損耗模量，同時相位角較小，主要為彈性；而對于聚合物溶液與PPG所組成的復(fù)合體系，一方面彈性模量大于損耗模量，相比于聚合物體系，相位角也降低到30.4°，不僅有較好的黏性性能，也具有很好的彈性性能。

表2 驅(qū)油體系的黏彈性能

2.2 注入封堵性能評價

對比研究了聚合物、PPG以及復(fù)合體系在滲透率為2 000×10-3μm2的巖心中的注入運移性能，實驗溫度設(shè)定為65℃，注入速度為0.5 mL/min。根據(jù)實驗結(jié)果，繪制3種驅(qū)油體系在注入過程中的注入壓力和阻力系數(shù)隨注入量的變化規(guī)律（見圖2—圖4）。

圖2 聚合物注入壓力及阻力系數(shù)隨注入量的變化

圖3 PPG注入壓力及阻力系數(shù)隨注入量的變化

圖4 復(fù)合體系注入壓力及阻力系數(shù)隨注入量的變化

3種方案下，水驅(qū)階段注入壓力及阻力系數(shù)均較小。注入聚合物體系時，注入壓力迅速上升，注聚合物結(jié)束時的壓力達(dá)到0.280 0 MPa，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)后，壓力開始快速下降，表明聚合物溶液的注入沒有形成長時間的有效封堵，對巖心的封堵效率一般，后續(xù)水驅(qū)壓力也很快達(dá)到平衡狀態(tài)。注聚合物過程中的阻力系數(shù)與注入壓力具有相似的規(guī)律，呈先迅速增加，再快速下降的趨勢，后續(xù)水驅(qū)后，最終的殘余阻力系數(shù)為34.33。

注入PPG溶液后，因PPG是一種預(yù)交聯(lián)的凝膠顆粒，其與水相溶后并不是連續(xù)相，而是顆粒性的形態(tài)溶解于水相中；因此，巖心在注入PPG溶液后，其壓力曲線并不是光滑的曲線，而是呈鋸齒狀逐漸上升，當(dāng)PPG溶液注入結(jié)束后，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)的過程，其注入壓力曲線也并不是快速下降的，而是緩慢下降的過程（見圖3）。表明，PPG在巖心中的運移過程是“運移—封堵—變形—突破—運移”的形式，這也使得PPG的注入壓力曲線呈現(xiàn)較大的“凸”形。同樣，PPG注入過程中的阻力系數(shù)的變化也呈現(xiàn)先緩慢上升，再緩慢下降的規(guī)律，因PPG黏度比聚合物低，其注入過程中的最高壓力及最大阻力系數(shù)均比注入聚合物時低，但封堵持續(xù)的時間更長。

注入聚合物與PPG復(fù)合體系時，注入壓力和阻力系數(shù)與單獨注入PPG時相似，呈波動式的升高。復(fù)合體系的注入、聚合物體系的存在，使驅(qū)替注入阻力增加，同時，凝膠顆粒也會對驅(qū)替相造成附加的流動阻力。另一方面，PPG為黏彈性的顆粒，隨著不斷注入，凝膠顆粒會在巖心中水化膨脹，并在巖心孔喉處形成橋架堵塞［19］。后續(xù)水驅(qū)階段，在注入水的推動下，堵塞在孔道中的凝膠顆粒繼續(xù)向巖心深部緩慢運移，雖然注入壓力和阻力系數(shù)下降，但凝膠顆粒在巖心中的運移過程是“運移—封堵—變形—突破—運移”的形式，因此注入壓力和阻力系數(shù)呈緩慢階梯狀的下降規(guī)律。

對比3種體系的注入封堵性能可以看出：復(fù)合體系驅(qū)的注入封堵性能最佳；聚合物為一種均相體系，阻力系數(shù)的上升及下降都是較快的趨勢；PPG為凝膠顆粒，一方面黏度較低，另一方面在水相中一定時間后，會逐漸沉降，不利于實現(xiàn)深部運移與封堵。而復(fù)合體系則具備了聚合物和PPG兩者的優(yōu)勢，可以充分發(fā)揮分散相與連續(xù)相調(diào)和驅(qū)的協(xié)同作用［9-10］。

2.3 驅(qū)油效果評價

對比研究了PPG、聚合物以及復(fù)合體系在滲透率為 600×10-3，1 500×10-3，3 000×10-3μm2的非均質(zhì)巖心中的注采特征及驅(qū)油效果，實驗溫度65℃，注入速度為0.5 mL/min。結(jié)果如圖5、圖6及表3所示。

圖5 不同調(diào)驅(qū)過程中注入壓力隨注入量的變化

圖6 不同調(diào)驅(qū)過程中含水率、采收率隨注入量的變化

表3 不同體系驅(qū)階段采收率

方案1為注PPG體系注入PPG體系后，壓力呈快速上升再平緩的趨勢，在PPG體系結(jié)束后，壓力并沒有快速下降，而是緩慢逐漸下降。同樣，對于含水率曲線，與方案2聚合物驅(qū)過程中的含水率相比，當(dāng)含水率達(dá)到最低值后，含水率上升也更平緩，對于注PPG體系，其最終的采收率為45.8%，與水驅(qū)相比，采收率提高11.6百分點。

從方案2聚合物驅(qū)過程中的注采特征可以看出：注入聚合物后，壓力快速上升；注聚合物結(jié)束后，壓力達(dá)到峰值，開始后續(xù)水驅(qū)后，壓力呈快速下降，后逐漸趨于平緩的趨勢。同樣，含水率曲線也呈“V”字形，雖然最低含水率達(dá)到了50.5%，但維持低含水率的時間周期較短，聚合物驅(qū)最終采收率為51.5%，較水驅(qū)提高采收率15.7百分點。

方案3為聚合物與PPG復(fù)合驅(qū)。從圖5可以看出：巖心在注入復(fù)合體系后，壓力快速上升，當(dāng)復(fù)合體系注入結(jié)束，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)后，壓力并沒有立刻降低，而是有一個平緩期。這表明，在注入復(fù)合體系后，復(fù)合體系中的PPG在巖心內(nèi)部是逐步運移，逐步封堵的過程，從含水率曲線同樣可看出，含水率是波動式的上升，復(fù)合驅(qū)過程中，最低含水率為54.4%，其最低含水率并沒有比單獨聚驅(qū)過程中的最低含水率低，但相比于聚合物驅(qū)，含水率在達(dá)到最低后，并沒有快速上升，而是緩慢上升的過程，且含水率下降漏斗面積更大，其最終采收率為54.8%。復(fù)合體系與單獨的聚合物驅(qū)相比，提高采收率3.6百分點，與單獨注PPG溶液相比，提高采收率7.7百分點，在驅(qū)油效率上，體現(xiàn)了調(diào)和驅(qū)的協(xié)同作用。主要原因是，復(fù)合體系具備了聚合物與PPG的雙重特性，既具有PPG體系的黏彈性能，擴大了波及面積，同時，可以利用聚合物的黏性，攜帶PPG進(jìn)入巖心經(jīng)水驅(qū)后的優(yōu)勢通道，對水驅(qū)后的滲流通道進(jìn)行有效封堵，迫使后續(xù)體系進(jìn)入巖心未被波及的區(qū)域，擴大非均質(zhì)儲層的波及面積，進(jìn)一步提高驅(qū)油效率。

3 結(jié)論

1）聚合物與PPG復(fù)合體系同時具備了聚合物的黏性與PPG的彈性，在巖心注入過程中，壓力和阻力系數(shù)呈波動式的上升與下降。PPG在巖心內(nèi)部是“運移—封堵—突破—運移”的過程，形成的復(fù)合體系對巖心高滲層可以實現(xiàn)深部運移與封堵。

2）與單獨的聚合物驅(qū)和注PPG體系相比，復(fù)合體系調(diào)驅(qū)提高采收率分別為3.6，7.7百分點，復(fù)合體系在調(diào)驅(qū)過程中可以充分發(fā)揮分散相與連續(xù)相調(diào)和驅(qū)的協(xié)同作用，更大程度地提高原油采收率。

3）針對海上不同非均質(zhì)油藏的特點，可以根據(jù)目標(biāo)油藏特征，優(yōu)選合適的聚合物體系及PPG類型，進(jìn)行聚合物與PPG復(fù)合體系性能評價，及調(diào)驅(qū)調(diào)剖效果分析與應(yīng)用。