鐵磊磊 于萌 劉文輝 李翔 鄭玉飛

中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部

海上油田地層非均質(zhì)性較強(qiáng)，部分油田直接注入海水，礦化度高達(dá)3.40×104mg/L，水中鈣鎂離子質(zhì)量濃度約1 000 mg/L，現(xiàn)有聚合物凝膠的注入性或抗鹽性很難適應(yīng)環(huán)境要求，而抗鹽改性聚合物成本較高，較難適應(yīng)“低油價調(diào)驅(qū)”的需求[1-6]。

海上油田的高礦化度注入水中存在大量陽離子，向儲層注入一定濃度的液體硅酸鈉和低濃度的乳液聚合物，遇到地層水中陽離子后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的無機(jī)復(fù)合轉(zhuǎn)向劑IGS可在地層孔道表面形成涂層，減小過流端斷面，增加流動阻力，產(chǎn)生液流轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)的作用。

以靜態(tài)試驗(yàn)、儀器表征和化學(xué)分析為技術(shù)手段，研究IGS體系的成膠性能、微觀形貌、影響因素及封堵性能，為加深I(lǐng)GS無機(jī)復(fù)合轉(zhuǎn)向劑調(diào)驅(qū)機(jī)理的認(rèn)識和現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計及效果分析提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 IGS凝膠研制

常用的化學(xué)堵水體系，如傳統(tǒng)的水玻璃-氯化鈣雙液法堵水技術(shù)多用于封堵高滲透地層[7-8]?？紤]到該體系存在兩種材料一觸即凝、不易在預(yù)定部位作用的問題[9-10]，本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)水玻璃類堵劑的基礎(chǔ)上開發(fā)了新型IGS系列調(diào)驅(qū)劑。

IGS凝膠由主劑和添加助劑組成。主劑是由Na2O·mSiO2、NaOH等為主要原料研制合成的硅酸鹽，添加助劑是無機(jī)化合物。主劑與較高礦化度地層水接觸形成半透明、密度與水接近、強(qiáng)度可控的凝膠體系。IGS轉(zhuǎn)向劑分散或懸浮于水中，在地層巖石孔隙結(jié)構(gòu)中不斷推進(jìn)形成凝膠涂層，對后續(xù)注入水流產(chǎn)生阻力，從而在保障海上“在線注入”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了地層深部液流轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及系數(shù)。為進(jìn)一步改善IGS凝膠強(qiáng)度且不阻礙在線注入的優(yōu)勢，添加低濃度的乳液聚合物。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 材料與試劑

主要原料：注入水1 (渤海油田P區(qū)塊注入水)；注入水2 (渤海油田S區(qū)塊注入水)；海水；Na2O·mSiO2，模數(shù)1.5～3.5，工業(yè)品；干粉及乳液聚合物，工業(yè)品，大慶煉化公司聚合物廠；磷基羧酸共聚物、羥基亞乙基二磷酸，分析純，鄭州金悅化工。其中，硅酸鈉溶液用自來水配制。自來水、注入水和海水的離子組成見表1。

表1 離子組分Table 1 Analysis of ion content水型ρ/(mg·L-1)K++Na+Ca2++Mg2+Cl-CO2-3SO2-4礦化度/(mg·L-1)自來水230171011456802注入水110 35393013 60001 10032 150注入水22 9073174 89613478512海水11 593182620 42602 69736 690

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平(精度0.01 g)、哈克RS6000流變儀、量筒(250 mL)、燒杯(500 mL)、Mastersizer 3000粒度分析儀、各種加熱及恒溫設(shè)備等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1成膠性能

將等體積的液體硅酸鈉溶液和注入水1混合均勻，靜置于65 ℃恒溫箱內(nèi)24 h，觀察其成膠程度，并測量體系粒徑及黏度。

2.3.2影響因素評價

(1) 對比硅酸鈉模數(shù)成膠性能的影響，共測試兩種無機(jī)凝膠體系：IGS-1，模數(shù)1.5～2；IGS-2，模數(shù)2.5～3.5。

(2) 測試溫度、液體硅酸鈉濃度、剪切時間和速率等因素對成膠性能的影響。

2.3.3體系優(yōu)化

(1) IGS+聚合物體系的成膠性能(低濃度聚合物的作用)。

(2) 屏蔽劑對IGS+聚合物成膠性能的影響。

(3) “IGS+乳液聚合物”與“IGS+干粉聚合物”的效果對比。

(4) 鈣鎂離子對成膠性能的影響。

實(shí)驗(yàn)用水選擇現(xiàn)場典型的3種水型：高硬度的海水、較高硬度的注入水1及低硬度的注入水2。

IGS+聚合物體系凝膠化實(shí)驗(yàn)方案見表2。

2.4 運(yùn)移機(jī)理模型

實(shí)驗(yàn)條件：人工裝填單砂管，長100 cm，直徑2.5 cm，砂子為地層采出砂，420～840 μm篩分，按砂管平均滲透率3 000×10-3μm2左右裝填。砂管每隔20 cm安裝一個測壓點(diǎn)，入口端安裝一個測壓點(diǎn)，一共5個測壓點(diǎn)。

表2 IGS+聚合物體系凝膠化實(shí)驗(yàn)方案w/%Table 2 Experimental scheme of IGS & polymer system方案編號實(shí)驗(yàn)用水類型IGS溶液穩(wěn)定劑乳液聚合物屏蔽劑1-1注入水110001-2注入水11000.11-3注入水110.05001-4注入水110.0500.11-5注入水1100.050.12-1海水10002-2海水1000.12-3海水10.05002-4海水10.0500.12-5海水100.050.13-1注入水210003-2注入水21000.13-3注入水210.05003-4注入水210.0500.13-5注入水2100.050.1

根據(jù)渤海油田P儲層的地質(zhì)狀況，使用多孔測壓裝置，實(shí)驗(yàn)溫度65 ℃。抽空飽和儲層注入水，交替注入IGS+乳液聚合物體系： 0.1 PV主劑(w(Na2SiO3)，1%) +0.02 PV清水+0.1 PV注入水+0.1 PV增強(qiáng)劑(500 mg/L的液體聚合物)，共交替注入5輪次,靜置24 h，后續(xù)水驅(qū)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 成膠性能試驗(yàn)結(jié)果

IGS母液和注入水1混合后可形成整體或分散凝膠。0.4 %～20 %(w，下同)的IGS主劑+注入水1體系，凝膠為白色絮狀形態(tài)或白色半透明液體，密度與水接近，以整體或微粒形式分散懸浮于水中(見圖1)。體系黏度對溫度變化不敏感，耐溫性較好，可用于高鹽高溫油藏。

3.2 成膠時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主劑與助劑溶液混合后生成物微觀結(jié)構(gòu)見圖2。從圖2可看出，主劑與助劑混合后，初期即可產(chǎn)生絮狀物，之后生成物開始擴(kuò)散，10 min后擴(kuò)散基本停止。該絮狀物可吸附于巖石骨架表面形成涂層，導(dǎo)致孔隙過流斷面減小幅度較大，從而提高流動阻力。

為了經(jīng)濟(jì)效益最佳化，評價了0.6 %的IGS+注入水1體系的成膠時間，結(jié)果見圖3和圖4。

通過測量低濃度IGS體系的黏度和粒度隨時間的變化可知，IGS+注入水1體系在65 ℃條件下，5 min內(nèi)可成膠。

3.3 影響因素評價

3.3.1溫度的影響

以0.6%的IGS主劑為例，分別在20 ℃、60 ℃和90 ℃條件下測試混合瞬間體系的粒度，結(jié)果見表3。

表3 溫度對IGS體系初始粒徑的影響Table 3 Effect of temperature on initial particle diameter of IGS system溫度/℃206090粒徑/μm133159155

溫度對IGS的成膠時間有一定的影響，但影響不大。在較高溫(90 ℃)油藏條件下，體系的粒徑變化不大，說明該體系可在高溫油藏中應(yīng)用推廣。

3.3.2剪切的影響

(1) 剪切時間對黏度的影響。由圖5可知，IGS主劑+注入水1體系的黏度隨剪切時間的延長呈下降趨勢。3%、6%、10%和20% 的IGS體系，黏度隨剪切時間的下降率分別為64.4%、73.7%、90.2%、85.4%。這表明，該凝膠體系抗剪切性能有待改善。

(2) 剪切時間對粒度的影響。在轉(zhuǎn)速固定為2 680 r/min、0.6% IGS+注入水1條件下，剪切(攪拌)時間對粒度的影響結(jié)果如表4所列。隨攪拌時間的延長體系粒度呈下降趨勢。攪拌時間從1 min增加至3 min，Dv 50的下降率為36.2%。

表4 攪拌時間對0.6% IGS-1+注入水體系粒徑的影響Table 4 Effect of shearing time on particle diameter of 0.6% IGS system剪切時間/min123Dv 50/μm11.510.37.34

3.4 優(yōu)化配方的性能

上述實(shí)驗(yàn)中，低濃度的IGS凝膠(w<1.5%)在體系強(qiáng)度方面存在改進(jìn)空間。提出了一種思路：向低濃度的0.6%IGS凝膠中加入質(zhì)量濃度為500 mg/L低濃度的聚合物，以增強(qiáng)體系強(qiáng)度[8-10]。

實(shí)驗(yàn)中分別使用過濾后的注入水1、注入水2和海水配制質(zhì)量濃度為500 mg/L的聚合物溶液。將IGS溶液與聚合物溶液混合均勻。在65 ℃恒溫箱內(nèi)加熱成膠，測量聚合物的加入對IGS體系強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。空白實(shí)驗(yàn)為將0.6%的IGS溶液分別與過濾后的注入水1、注入水2和海水混合。

由圖6可知，低濃度聚合物的加入對IGS體系的成膠強(qiáng)度提高顯著，“IGS+聚合物體系”的成膠黏度高于同等濃度的IGS無機(jī)凝膠體系的黏度，亦顯著高于單獨(dú)聚合物溶液的濃度，具備復(fù)合應(yīng)用的可能性。分析原因?yàn)椋核Ａг诔练e過程中可吸附在聚合物分子鏈上，將分子鏈包埋，使整個網(wǎng)絡(luò)得以加強(qiáng)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IGS無機(jī)凝膠吸附、包裹水分子，從而在一定程度上減少了游離水的含量[11-13]。聚合物網(wǎng)絡(luò)和硅酸鈉凝膠相輔相成，提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，限制了沉積物的大尺寸移動，沉積物賦予網(wǎng)絡(luò)以較大的局部變形阻力，使“IGS+聚合物復(fù)合凝膠”黏度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性更大。

考慮到加入一定量的屏蔽劑，可反應(yīng)生成鰲合體，使體系中生成物顆粒粒徑略為增大，會進(jìn)一步地改善體系強(qiáng)度，因此配合加入一定量的屏蔽劑。向過濾后的注入水1、注入水2和海水中加入0.1%(w，下同)的屏蔽劑，攪拌均勻。用加入屏蔽劑的溶液配制聚合物溶液。其余步驟均相同?？疾炱帘蝿GS+聚合物體系成膠性能的影響。對比圖6中的1-3和1-4可知，屏蔽劑的加入可能對體系強(qiáng)度有進(jìn)一步的改善作用。

對比圖6中的1-1和1-5可知，乳液聚合物能夠大幅度提高IGS體系的成膠強(qiáng)度。與干粉聚合物相比，乳液聚合物亦具有顯著增強(qiáng)體系強(qiáng)度的效果，且具有“可在線注入”、簡單有效以及風(fēng)險較低的特點(diǎn)，不僅解決了平臺空間不足的難題，而且很大程度地簡化了施工工藝，具有很大的應(yīng)用潛力和推廣空間。

綜合對比3組實(shí)驗(yàn)可知，注入水1的成膠效果與海水相當(dāng)，但注入水2起不到成膠的效果。因此，IGS體系或IGS+聚合物體系或存在最低的鈣鎂離子下限，且在測試范圍內(nèi)，該體系具有最佳的成膠濃度范圍。

3.5 封堵性實(shí)驗(yàn)

采用多孔測壓裝置研究IGS體系和乳液聚合物在地層中運(yùn)移規(guī)律，向模型中注入該體系，65 ℃下恒溫，測定后續(xù)水驅(qū)過程中各測壓點(diǎn)壓力變化，實(shí)驗(yàn)過程中注入壓力與PV數(shù)關(guān)系對比見圖7。從圖7可看出，IGS無機(jī)復(fù)合轉(zhuǎn)向劑注入巖心過程中隨著注入PV數(shù)增加，壓力不斷上升，在每一種藥劑注入過程中，注入壓力呈現(xiàn)“先升后降”變化趨勢，說明了主劑與注入水接觸生成轉(zhuǎn)向劑和水段塞推動轉(zhuǎn)向劑向前運(yùn)移和流動特征。后續(xù)水過程中壓力不斷增加后趨于平穩(wěn)，且4個測壓點(diǎn)均有壓力響應(yīng)，說明“IGS+乳液聚合物體系”吸附于巖石骨架表面，形成有一定黏附性的涂層，導(dǎo)致孔隙過流斷面減小幅度較大，流動阻力增幅較大。

“主劑+清水+注入水+增強(qiáng)劑”交替注入過程中，各個測壓點(diǎn)注入壓力受注入體積和測壓點(diǎn)位置的影響。在交替注入輪次相同條件下，沿測壓裝置長度方向，各個測壓點(diǎn)注入壓力逐漸減小。在測壓點(diǎn)位置相同條件下，隨注入體積增加，各個測壓點(diǎn)注入壓力逐漸增加。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在每一種藥劑注入過程中，注入壓力呈現(xiàn)“先升后降”變化趨勢，說明了主劑與注入水接觸生成轉(zhuǎn)向劑和水段塞推動轉(zhuǎn)向劑向前運(yùn)移和轉(zhuǎn)向劑流動特征。交替注入結(jié)束時，“測壓點(diǎn)1”與“測壓點(diǎn)2”間壓差值和“測壓點(diǎn)2”與“測壓點(diǎn)3”之間的壓差值均較大。由此可見，在“主劑+水+注入水+增強(qiáng)劑”交替注入過程中，主劑與注入水和增強(qiáng)劑反應(yīng)生成物在中部滯留量較大，它吸附于巖石骨架表面形成的涂層厚度較大，導(dǎo)致孔隙過流斷面減小幅度較大，流動阻力增幅較大，因而注入壓力升高幅度較大。

在后續(xù)水驅(qū)階段，前部兩個測壓點(diǎn)注入壓力呈現(xiàn)小幅降低，后部幾個測壓點(diǎn)注入壓力呈現(xiàn)“穩(wěn)中略升”趨勢，表明轉(zhuǎn)向劑在孔隙內(nèi)解滯留能力較差，具有較強(qiáng)的耐沖刷和持久液流轉(zhuǎn)向能力。后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時，巖心各個長度區(qū)間封堵率為24.73%～70.38%，表現(xiàn)出良好的深部液流轉(zhuǎn)向能力。

4 油田應(yīng)用實(shí)踐

4.1 油田應(yīng)用總體情況

針對地層水離子特點(diǎn)及成垢離子濃度，設(shè)計了不同濃度的IGS無機(jī)復(fù)合轉(zhuǎn)向劑。自2016年2月起，先后在渤海油田開展了多個井組的深部調(diào)驅(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)。先導(dǎo)試驗(yàn)井組效果統(tǒng)計顯示，調(diào)驅(qū)后井組壓降曲線明顯變緩，F(xiàn)D值調(diào)剖后超過65%，達(dá)到充分調(diào)剖的要求。高滲層吸水量從調(diào)驅(qū)前的32%左右降至18.2%，低滲層吸水量明顯增加。井組降水或增油有效率達(dá)100%，對應(yīng)油井在調(diào)驅(qū)作業(yè)后3個月內(nèi)見效率達(dá)70%左右，取得了較好的增油、降水、降本增效的效果。

4.2 典型井組調(diào)驅(qū)效果分析

渤海油田P區(qū)塊，油藏埋深1 350～1 550 m，溫度60～70 ℃，滲透率為(64～1 056)×10-3μm2，孔隙度主要為22%～31%。地層水礦化度32 150 mg/L，CaCl2水型，其中鈣鎂離子質(zhì)量濃度900～1 000 mg/L。井組對應(yīng)的5口油井水驅(qū)見效極不均勻，其中2口井含水在94%以上?；谟吞锏貙铀谐晒鸽x子的特點(diǎn)，對A井組進(jìn)行了IGS復(fù)合轉(zhuǎn)向劑深部調(diào)驅(qū)試驗(yàn)，設(shè)計IGS無機(jī)復(fù)合轉(zhuǎn)向劑的主劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%～1.5%(自來水配制)，增強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%(自來水配制)，調(diào)驅(qū)施工共設(shè)計4個段塞，利用原注水管柱籠統(tǒng)擠注作業(yè)，處理量2 010 m3。2016年2月開始施工，施工周期一個月。主要受效井油量從69 m3/d上升至89 m3/d(見圖8)，含水率從95%下降至92.8%(見圖9)。截至2016年5月，受效單井累計增油1 420 m3，有效期達(dá)6個月以上，且持續(xù)有效。

5 結(jié)論與建議

(1) IGS主劑(液體硅酸鈉溶液)和含有高鈣鎂離子的注入水混合后可形成整體或分散凝膠。凝膠為白色絮狀形態(tài)或白色半透明液體，密度與水接近，以整體或微粒形式分散或懸浮于水中。該無機(jī)體系成膠迅速，成膠時間小于30 min。

(2) IGS主劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～10%時，體系黏度最大，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，藥劑合理質(zhì)量濃度范圍應(yīng)為0.5%～1.5%；溫度對體系的成膠性能影響不大，降低溫度，可適當(dāng)延緩體系的成膠時間；體系的黏度和粒度隨剪切時間的延長和剪切速率的增大呈下降趨勢。

(3) 通過向低濃度的IGS凝膠中加入低濃度的乳液聚合物，改善了IGS無機(jī)凝膠的黏度和韌性，起到了增強(qiáng)體系強(qiáng)度的作用。

(4) 采用“主劑+清水+注入水+增強(qiáng)劑”交替注入方式，后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時，巖心各個長度區(qū)間封堵率為24.73%～70.38%，表現(xiàn)出良好深部液流轉(zhuǎn)向能力。