趙 帥，蒲萬(wàn)芬，李科星，楊 洋

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)是處于高含水后期尤其是特高含水期的老油田進(jìn)行剩余油挖潛，繼續(xù)提高原油采收率的高效驅(qū)替方式之一。與聚合物驅(qū)相比，聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)具有更為廣泛的適應(yīng)性，尤其是非均質(zhì)性特別嚴(yán)重的儲(chǔ)層，在油田開(kāi)發(fā)提高采收率過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1-3]。微球注入油層后會(huì)水化膨脹，能對(duì)喉道進(jìn)行封堵，又能因其彈性變形而通過(guò)喉道，具有“運(yùn)移、封堵、彈性變形、再運(yùn)移、再封堵”的特征，在高滲透帶不斷地封堵和運(yùn)移，直達(dá)油層深部，從而有效增大油層，尤其是深部和油井附近的波及體積，大幅提高原油的采收率[4-8]。研究首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制的微球PM1進(jìn)行了基本性能評(píng)價(jià)，然后研究了微球體系滲流速度和濃度對(duì)其在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移和封堵性能的影響以及微球的非均質(zhì)調(diào)控能力。研究結(jié)果對(duì)于聚合物微球進(jìn)行非均質(zhì)調(diào)控具有理論和實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

主要實(shí)驗(yàn)材料：①大港油田官104區(qū)塊注入水礦化度約為25 036 mg/L；②聚合物微球PM1；③實(shí)驗(yàn)巖心為石英砂膠結(jié)而成的人造巖心（?3.8 cm×7.5 cm）。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：Leica DMLB2光學(xué)顯微鏡、MCR302流變儀，DGM-III型多功能巖心驅(qū)替裝置、ISCO型恒壓恒速泵、SHZ-DC（III）真空泵、精密電子天平、巖心夾持器、中間容器、游標(biāo)卡尺、六通閥等。

1.2 聚合物微球性能評(píng)價(jià)

1.2.1 聚合物微球微觀形貌

采用Leica DMLB2光學(xué)顯微鏡分析聚合物微球分散在注入水中的微觀形貌（圖1）。由圖1可知，微球PM1具有很高的圓球度，能夠均勻地分散在注入水中，粒徑為微球級(jí)。

圖1 聚合物微球微觀形貌Fig.1 Micromorphology of polymer microspheres

1.2.2 聚合物微球體系表觀黏度

分別采用4種不同礦化度的水（蒸餾水、10000mg/L和20 000 mg/L的NaCl溶液、注入水）配制質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的微球體系，將分散均勻的顆粒體系倒入西寧瓶中，密封并置于25℃環(huán)境中，水化膨脹10 d（膨脹倍率均趨于平衡），采用MCR302流變儀對(duì)顆粒體系的表觀黏度進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

在較低的剪切速率下，顆粒體系的表觀黏度隨著剪切速率的增加而大幅降低。因?yàn)樵谠摷羟兴俾史秶鷥?nèi)，顆粒體系表現(xiàn)為層狀有序結(jié)構(gòu)，粒子之間相互作用很小，切應(yīng)力僅在各層中發(fā)生有限變形和定向作用，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑形流體特性[2]。在較高的剪切速率下，凝膠顆粒體系的表觀黏度隨剪切速率的增加而略微增加或降低，且與水的黏度接近，這遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)調(diào)驅(qū)顆粒體系的表觀黏度。因此，可以直接用原有的注水管線來(lái)注微球體系。

圖2 聚合物微球體系表觀黏度隨剪切速率變化曲線（25℃）Fig.2 Apparent viscosity of the polymer microspheres system versus the shear rate（25 ℃）

1.3 單巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

通過(guò)單巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來(lái)研究滲流速度和微球質(zhì)量濃度對(duì)微球運(yùn)移與封堵性能的影響。實(shí)驗(yàn)步驟包括：

1）將巖心置于80℃恒溫烘箱內(nèi)充分干燥，測(cè)量其尺寸和干重；抽真空充分飽和實(shí)驗(yàn)用水，測(cè)量濕重。

2）按圖3所示連接實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定巖心滲透率。

圖3 單巖心實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Flow of single core displacement apparatus

3）0.5 PV水驅(qū)。

4）注入微球體系。

5）當(dāng)微球驅(qū)過(guò)程中壓力穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)。

6）在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中壓力穩(wěn)定之后，停止實(shí)驗(yàn)。記錄各階段的壓力變化，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫。

1.4 并聯(lián)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

選擇滲透率級(jí)差分別為2、5.4、10.1、16.1、20.7和25.1的并聯(lián)巖心，進(jìn)行并聯(lián)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。步驟如下：

1）將巖心置于80℃恒溫烘箱內(nèi)充分干燥，測(cè)量其尺寸和干重；抽真空充分飽和實(shí)驗(yàn)用水，測(cè)量濕重。

2）按圖3連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)定巖心滲透率。

3）按圖4連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，水驅(qū)0.5PV。

4）注入0.5PV微球體系。

5）后續(xù)水驅(qū)1PV。

6）測(cè)定高、低滲透巖心的滲透率。記錄各階段高、低滲透巖心的分流量。實(shí)驗(yàn)驅(qū)替流量為0.5 mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫。

圖4 雙并聯(lián)巖心實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Flow of parallel cores displacement apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物微球運(yùn)移與封堵性能

2.1.1 滲流速度的影響

將實(shí)驗(yàn)流量換算為滲流速度：

式中：v為滲流速度，m/d；Q為流量，mL/min；A為巖心橫截面積，cm2。

實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析見(jiàn)表1。由圖5和表1可得，注入壓力隨著微球的注入而明顯增加，這表明顆粒能夠?qū)缀硇纬煞舛?；壓力上升到某一峰值后，出現(xiàn)波動(dòng)式下降的趨勢(shì)，說(shuō)明在一定壓力下微球能夠突破喉道，之后凝膠顆粒繼續(xù)向巖心深部運(yùn)移，直至下一次封堵、突破[9-11]。轉(zhuǎn)注水驅(qū)后，注入壓力有所下降并最終趨于穩(wěn)定。原因在于，凝膠顆粒傾向于進(jìn)入低阻力高速滲流通道，因此，會(huì)增加該通道的流動(dòng)阻力，使得流動(dòng)阻力分布場(chǎng)發(fā)生變化，并最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)[12]。阻力系數(shù)和封堵率均隨滲流速度的增加而減小。原因在于，一方面，滲流速度越快，流體拉拽力也越大，部分沉積在孔喉壁面的顆粒能夠釋放和彈性封堵的顆粒可以突破，滲流阻力和封堵強(qiáng)度降低[13]；另一方面，由前述可知，該微球體系總體表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征，即微球體系的表觀黏度隨著剪切速率的增加有所下降，其表觀黏度的下降顯然降低了其滲流的阻力。此外，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滲流速度從0.64 m/d增加到1.27 m/d時(shí)，阻力系數(shù)和封堵率下降明顯；當(dāng)滲流速度從0.13 m/d增加到0.64 m/d時(shí)，阻力系數(shù)和封堵率下降趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)樵诘土魉傧?，凝膠顆粒在孔喉壁面的沉積以及對(duì)孔喉的封堵隨著速度的增大而減弱；在高流速下，顆粒能夠輕易地通過(guò)孔喉，對(duì)喉道的沉積和封堵作用明顯降低。實(shí)際油藏條件下，近井地帶壓降大，流體滲流速度高，這有利于顆粒向油藏深部運(yùn)移；遠(yuǎn)井地帶壓降小，流體滲流速度低，這有利于顆粒在油藏深部對(duì)高滲通道進(jìn)行高效封堵，實(shí)現(xiàn)液流轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及體積。

圖5 不同滲流速度條件下注入壓力特征曲線Fig.5 Curves of injection pressure under different seepage velocity

表1 不同滲流速度條件下調(diào)驅(qū)特征參數(shù)Table1 Profile control and flooding characteristicparameters under different seepage velocity

2.1.2 質(zhì)量濃度的影響

實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析見(jiàn)圖6和表2，微球注入壓力曲線上下波動(dòng)幅度隨著體系質(zhì)量濃度的增加而加劇，阻力系數(shù)和封堵率均隨著體系質(zhì)量濃度的上升而增加。原因在于，同一驅(qū)替流量下，單位時(shí)間內(nèi)注入巖心的顆粒數(shù)量隨顆粒質(zhì)量濃度的增加而增大。顆粒質(zhì)量濃度的增加，進(jìn)入巖心中的顆粒就越多，導(dǎo)致沉積在孔壁表面的顆粒數(shù)量增加，以及封堵孔喉的顆粒數(shù)量增加且壓實(shí)程度增強(qiáng)，所產(chǎn)生的附加流動(dòng)阻力上升。同時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度越大，滯留在巖心中的顆粒數(shù)量也越多，后續(xù)水驅(qū)時(shí)封堵強(qiáng)度也越高。

圖6 不同微球質(zhì)量濃度條件下注入壓力特征曲線Fig.6 Curves of injection pressure under polymer microspheres system with different mass concentration

表2 不同微球質(zhì)量濃度條件下調(diào)驅(qū)特征參數(shù)Table2 Profile control and flooding characteristic parameters under polymer microspheres system with different mass concentration

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微球體系質(zhì)量濃度過(guò)低無(wú)法對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行有效封堵，質(zhì)量濃度過(guò)高又會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，且經(jīng)濟(jì)效益不佳。若計(jì)劃對(duì)目標(biāo)層位實(shí)現(xiàn)高效封堵并綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，微球體系質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.2%～0.3%。

2.2 聚合物微球非均質(zhì)調(diào)控能力

選擇滲透率級(jí)差分別為2、5.4、10.1、16.1、20.7和25.1的并聯(lián)巖心來(lái)進(jìn)行物理驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)評(píng)價(jià)微球的非均質(zhì)調(diào)控能力。根據(jù)微球粒徑與孔喉匹配關(guān)系研究[14-15]，所選高滲巖心滲透率約為1.1 μm2且與所用微球粒徑匹配程度高。

低滲透層傷害率用下式評(píng)價(jià)：

式中：t為低滲透層傷害率，%；Kl1、Kl2分別為注入微球體系前、后低滲透巖心水測(cè)滲透率，μm2。

并聯(lián)巖心驅(qū)替過(guò)程中高、低滲巖心分流率變化曲線見(jiàn)圖7。

1）初始水驅(qū)階段。高滲巖心的分流量遠(yuǎn)高于低滲巖心的分流量，這反映了非均質(zhì)油藏注水過(guò)程中的吸水剖面。

2）注入顆粒階段。當(dāng)滲透率級(jí)差≤10.1時(shí)，高滲（低滲）巖心的分流率總體呈波動(dòng)式下降（上升）趨勢(shì)，能夠達(dá)到50%左右，這表明凝膠顆粒能夠有效地改善巖心的非均質(zhì)性；當(dāng)滲透率級(jí)差＞10.1時(shí)，隨著滲透率級(jí)差的不斷增大，高滲巖心的分流率下降幅度逐漸變小，說(shuō)明顆粒對(duì)高滲巖心的封堵是有一定限度的。

3）后續(xù)水驅(qū)階段。當(dāng)滲透率級(jí)差為2和5.4時(shí)，高、低滲巖心的分流率相近；之后隨著滲透率級(jí)差的逐漸增加，高滲（低滲）巖心分流量逐漸增大（減?。?。表明滲透率級(jí)差對(duì)顆粒剖面改善能力有一定的影響，即隨著滲透率級(jí)差的增加，顆粒剖面改善能力逐漸降低。

圖7 驅(qū)替過(guò)程中高、低滲巖心分流率變化曲線Fig.7 Curves of flow rate of high and low permeable cores

表3 微球?qū)Σ⒙?lián)巖心的剖面改善性能Table3 Profile improvement ability of polymer microspheres to parallel cores

由表3可以得出，后續(xù)水驅(qū)后，低滲巖心傷害率≤10%，這說(shuō)明顆?？蛇x擇性地進(jìn)入高滲巖心，而很少部分粒徑較小的顆粒能夠進(jìn)入低滲巖心。該結(jié)果表明顆粒粒徑與高滲巖心孔喉尺寸匹配程度高時(shí)，顆粒對(duì)低滲區(qū)域有一定的保護(hù)作用。當(dāng)滲透率級(jí)差從2上升到25.1時(shí)，調(diào)驅(qū)后的低滲巖心相對(duì)吸水量從49.7%下降到26.2%。這是由于隨著滲透率級(jí)差的增大，即低滲巖心滲透率逐漸降低，流體在低滲巖心中的滲流阻力不斷增大，因此，導(dǎo)致后續(xù)流體更多地進(jìn)入高滲巖心。而凝膠顆粒對(duì)高滲巖心的封堵強(qiáng)度有一定的限度，在一定的驅(qū)替動(dòng)力下，顆粒會(huì)從孔壁表面釋放和在孔喉中再次運(yùn)移，致使高滲巖心的分流率仍然較高，低滲巖心的分流變化不明顯。該結(jié)果表明，滲透率級(jí)差對(duì)微球深部調(diào)驅(qū)有著重要的影響。若將調(diào)驅(qū)后的低滲巖心相對(duì)吸水量≥35%的調(diào)驅(qū)措施規(guī)定為合格的調(diào)驅(qū)，則微球能夠有效改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性的滲透率級(jí)差上限約為20。在實(shí)施凝膠顆粒進(jìn)行深部調(diào)驅(qū)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際油藏的非均質(zhì)情況，制定合理的方案。對(duì)于存在裂縫或大孔道等非均質(zhì)較強(qiáng)的油藏，可考慮采用大尺度和微尺度微球交替段塞復(fù)合調(diào)驅(qū)技術(shù)。

3 結(jié)論

1）微球PM1粒徑為微米級(jí)，具有很高的圓球度。在較高的剪切速率下，其表觀黏度與水接近。

2）微球?qū)缀淼姆舛履芰﹄S著滲流速度的降低或質(zhì)量濃度的增加而增強(qiáng)。實(shí)際油藏條件下，近井地帶流體滲流速度高，遠(yuǎn)井地帶流體滲流速度低，這些均有利于凝膠顆粒實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)。若計(jì)劃對(duì)目標(biāo)層位實(shí)現(xiàn)高效封堵并綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，微球體系質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.2%～0.3%。

3）微球具有較強(qiáng)的非均質(zhì)調(diào)控能力，隨著滲透率級(jí)差的增加，顆粒剖面改善能力逐漸降低。顆粒粒徑與高滲巖心孔喉尺寸匹配程度高時(shí)，顆粒對(duì)低滲區(qū)域的傷害率隨著滲透率級(jí)差的增加而降低。

4）若將調(diào)驅(qū)后低滲巖心相對(duì)吸水量≥35%的調(diào)驅(qū)措施規(guī)定為合格的調(diào)驅(qū)，則微球能夠有效改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性的滲透率級(jí)差上限約為20。對(duì)于存在裂縫或大孔道等非均質(zhì)強(qiáng)的油藏，可考慮采用大尺度和微尺度微球交替段塞復(fù)合調(diào)驅(qū)技術(shù)。