柔性微球顆粒調剖劑的性能表征

周 泉，陳 鳳，王 力，喬 巖

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

柔性微球顆粒調剖劑的性能表征

周 泉，陳 鳳，王 力，喬 巖

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

針對大慶油田二類油層增產改造的需要，開發柔性微球顆粒調剖劑，通過雙管巖心驅替和封堵實驗，研究剪切過程對柔性微球顆粒調剖劑性能的影響，以及柔性微球顆粒調剖劑對驅油效率的影響．實驗結果表明，柔性微球顆粒調剖劑的初始粒徑為18．02μm，能夠以任意濃度在水中均勻分散，遇水后緩速膨脹，48h后柔性微球顆粒的粒徑增加20%～30%．柔性微球顆粒劑出口粒徑為18．13μm，與驅替前顆粒調剖劑的粒徑相當，多次剪切后柔性微球顆粒劑的粒徑保持不變．巖心封堵后水驅殘余阻力因數達到214．低滲沙管的殘余油可以被有效地動用，雙管巖心驅替整體提高采收率10%以上，增油效果顯著，可以有效解決大慶油田二類油層增產改造的問題．

柔性微球顆粒調剖劑；二類油層；深度調剖；巖心驅替；采收率；大慶油田

0 引言

大慶油田二類油層聚合物驅年產油量占聚合物驅年總產量的46．3%，是大慶油田三次采油的重點油層．與一類油層相比，二類油層在縱向上層數多，平面上“薄、低、窄、差”，層間、層內矛盾突出，因此在注入聚合物進行驅替時，單層突進嚴重，聚合物利用率較低，驅替液無效循環問題突出．采用深度調剖技術能夠有效封堵高滲透地帶，擴大驅替液的波及體積，提高采收率，但是顆粒調剖劑粒徑往往在毫米量級以上，只能進入到一類油層中，很難進入到二類油層中．并且顆粒調剖劑柔韌性差，在注入過程中易剪切破碎，不能完全滿足二類油層聚合物驅的調剖要求．

柔性微球顆粒是一種新型可用于大慶二類油層增產改造的深部調驅劑，初始粒徑較小而溶脹后粒徑可增加至1．5倍，并且粒徑處在微米量級，因此與二類油層地質條件匹配性更好．同時，柔性顆粒調剖劑在水中可以快速分散，具有較好的彈性，耐鹽和抗剪切性能突出，能夠順利進入到地層深部，從而具有“進得去、堵得住、能移動”的特點，實現液流地層深部轉向、擴大波及體積、提高采收率的目的［1—4］．溶脹后的柔性顆粒調剖劑表現一定的“自修復”性能，在地層水和溫度的作用下，可以發生黏連膠結，進一步提高封堵效果．

1 實驗部分

1．1 實驗藥劑與儀器

實驗藥劑：丙烯酰胺AM（95%（質量分數，下同），優等品）、N，N—亞甲基雙丙烯酰胺（純度99%，分析純）、二甲基二丙烯酰胺基磺酸鈉（99%，工業品）、Span80（純度99．5%，分析純）、油酸（純度99%，優級）、過硫酸銨（純度99%，優等品），均為分析純試劑、工業白油、柔性微球顆粒．

實驗用油取自大慶油田，脫水后含水率低于5．0% ；驅替用水為大慶油田試驗區塊現場回注水．填砂模型長為1．2m，內徑為38．0mm，由不同目數石英砂按一定比例填制，用長巖心專用壓制機壓制（TRS—2型，江蘇華安科研儀器有限公司）．

主要儀器：恒溫箱（FD53，德國賓得）、電子天平（PL4002—IC，梅特勒托利多儀器（上海）有限公司）、凝膠粒參數測定儀（NL—I，江蘇海安華達石油儀器廠）、激光粒度分析儀（CILAS1180，美國勞雷）、電子顯微鏡、高速攪拌器（30—60型，美國EMECO公司）、抽空飽和裝置（BHC—II，江蘇華安科研儀器有限公司）、Isco驅替泵（260D，美國）等．

1．2 柔性微球顆粒的制備

以工業白油為油相，以油酸、Span80復配體系為乳化劑，以含共聚物單體水溶液為水相，利用反相乳液聚合方法制備柔性顆粒調剖劑．實驗中，丙烯酰胺單體和二甲基二丙烯酰胺基磺酸鈉的質量分數為38%，交聯劑N，N—亞甲基雙丙烯酰胺的質量分數為0．02%．通過引入含磺酸基團單體，增加配方中含磺酸基團單體與丙烯酰胺單體的比例，可以提高體系的耐溫、抗鹽性能．

實驗過程：將油、乳化劑和少量水置于三口燒瓶中，于40℃溫度下通氮除氧后加入定量過硫酸銨引發反應，慢慢升溫至60℃；然后恒速滴入剩余水溶液，滴加結束后繼續恒溫反應6～8h，即可獲得黏稠狀柔性微球顆粒體系．類似的實驗方法和合成路徑見文獻［5—9］．

1．3 實驗方法

顆粒調剖劑評價主要包括顆粒的粒徑、膨脹倍數、水分含量和顆粒強度等指標．考慮現場需要，增加顆粒體系緩速膨脹性能、粒徑中值分布和顆粒粒徑、耐溫后微觀形態隨時間的變化、顆粒過巖心耐剪切性能、巖心分流實驗及顆粒在長巖心中運移封堵表征和分析，從而更全面評價顆粒是否具有“進得去、堵得住、能移動”性能［10—13］．

1．3．1 粒度測定

利用大慶油田地層試驗井組回注污水，用CILAS1180激光粒度儀測試45℃溫度下養護不同時間顆粒的粒徑分布．

1．3．2 緩速膨脹性能測定

利用電子顯微鏡和CILAS1180激光粒度儀，測定顆粒體系原樣及過巖心剪切后樣品不同時間粒徑分布及粒徑中值．

1．3．3 耐溫穩定性測定

在45℃溫度條件下，通過掃描電鏡觀察顆粒體系微觀變化，評價顆粒長時間熱穩定性能．

1．3．4 巖心往復驅替及分流實驗評價

模擬二類油層地層條件，通過單管、雙管巖心實驗實時監測壓力變化規律，檢測出口端粒徑變化，評價柔性微球顆粒調剖劑耐剪切性能及分流性能，實驗溫度為45℃．

1．3．5 長巖心驅替評價實驗

通過1．2m長巖心評價顆粒體系在巖心中的可運移性及封堵性能．

2 結果分析

2．1 外觀描述

柔性微球調剖劑宏觀表現為桔黃色、半透明、黏稠狀液體，溶液均勻，液體密度為1．048 g／cm3；水溶液黏度為1mPa·s左右，pH為7～8，呈中性；在顯微鏡觀察下為微米粒子，顆粒粒徑為6～15μm，結果見圖1．

2．2 可分離固形物質量分數

采用抽濾法測定柔性微球顆粒調剖劑的結果見表1．由表1可以看出，柔性微球顆粒調剖劑的固形物質量分數為30%左右，低于單體的投料比，說明合成柔性凝膠顆粒調剖劑時有少量未反應的單體或者未參與交聯的聚合物．

圖1 柔性顆粒粒徑分布及中值Fig．1 Flexible profile control particle diameter distribution

表1 可分離固形物質量分數測定結果Table 1 The determination results of seperable solid content mass fraction

2．3 分散性能

將一定量的柔性微球顆粒加入到水里或者聚合物溶液里，攪拌3min，柔性微球顆粒即可迅速分散形成兩相體系懸浮液；靜置一段時間后，柔性微球顆粒逐漸沉淀，結果見表2．由表2可以看出，在聚合物溶液中，柔性微球顆粒的懸浮效果更好．這是因為聚合物溶液黏度較高，能夠延緩柔性微球顆粒的沉降速度．此外，由于使用的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺，帶有部分的負電荷，聚丙烯酰胺在顆粒表面的吸附性質改變顆粒雙電層的性質，因此導致膠體離子在水相中更加穩定．

表2 柔性微球顆粒調剖劑懸浮性能實驗結果Table 2 The suspension performance test results of gel particle profile control agent %

2．4 配伍性

將一定量的調剖劑加入到水和不同質量濃度聚合物溶液（500、1 000、1 500、2 000mg／L）中，配成調剖劑溶液，充分攪拌靜置3～5min后，觀察溶液是否存在分層現象，結果見表3．由表3可以看出，柔性顆粒在聚合物中有一定的絮凝現象，短時間內無分層現象，如果靜置時間大于60min，在低質量濃度的聚合物溶液中，底部有沉淀現象［14—17］．

表3 柔性微球顆粒調剖劑溶液配伍性實驗結果Table 3 The solution compatibility results of gel particle profile control agent

2．5 膨脹性能

在清水、污水、聚合物溶液中分別配制成5 000mg／L的調剖劑溶液，用粒度測定儀測定室溫條件下柔性微球顆粒的粒徑隨時間的變化，結果見圖2和表4．由圖2可以看出，柔性微球顆粒的初始粒徑在14 μm左右，隨著時間的增加，柔性微球顆粒的粒徑逐漸增加，增加幅度緩慢，在48h內粒徑可以增加20%～30%，柔性微球顆粒粒徑最大值與初始值相比增加1．5倍左右．

圖2 不同溶脹時間下污水中B型顆粒粒徑分布及中值Fig．2 The diameter distribution and median of B particle in sewage

表4 柔性微球粒徑中值隨時間變化數據Table 4 The median diameter of flexible particle varying with time μm

2．6 耐溫穩定性

在45℃溫度下，模擬地層污水浸泡微球顆粒體系；柔性微球顆粒初始為類球形，用模擬地層污水浸泡裝在磨口瓶中，經過長時間放置于45℃烘箱中，觀察粒徑變化．微球水化膨脹，芯部變小，邊緣模糊（見圖3）．

圖3 微球顆粒烘烤后電鏡掃描照片Fig．3 The scanning electron microscope images of baked particle

初始微球粒徑小，經過地層水和溫度作用發生膨脹，在烘箱中放置20～30d，利用透射電鏡觀察，微球峰值粒徑達到10μm左右，對注入水形成一定程度的前進阻力，迫使液流改向，擴大水波及體積，達到降水增油的目的．

2．7 巖心驅替和封堵實驗

首先用質量分數為1%的柔性凝膠顆粒調剖劑，對長度為300mm的巖心（巖心滲透率為2 200×10—3μm2）進行反復驅替，每通過一次巖心，取一部分驅替液，利用粒度儀和顯微鏡分別進行檢測，觀察粒徑變化．柔性微球顆粒調剖劑第一次通過巖心后，粒徑增加到33．93μm，顆粒通過巖心剪切，主要原因是顆粒發生膨脹作用，粒徑增加，遠大于初始粒徑（18．02μm）；當驅替液第二次通過巖心后，柔性微球顆粒調剖劑的粒徑下降到20．02μm，與初始粒徑相近；繼續增加驅替次數，驅替液的粒徑基本保持不變．原始粒徑和循環驅替巖心4次后柔性微球顆粒調剖劑的粒徑分布見圖4．

因為柔性微球顆粒調剖劑耐剪切性能較強，顆粒膨脹后內部核心強度較好，內核外部水化程度較內核大，因此顆粒彈性較好，在巖心中有較好的運移和耐剪切性能．柔性顆粒通過巖心時，受剪切作用發生一定的變形，顆粒可在巖心中運移；然后在巖心出口端隨著注入液一起運移出巖心．通過巖心后，柔性顆粒外部水化較大部分受巖心剪切影響發生一定程度的損壞，造成粒徑減小，在第二次通過巖心后顆粒基本保持不變．主要原因：一是通過巖心第一次剪切，顆粒部分外圍水化度較高的部分未完全損壞；二是顆粒膨脹完全需要一定的時間，第一次通過巖心時顆粒未膨脹完全，第一次巖心采出液在其余實驗過程中繼續發生一定的膨脹．第二次通過巖心剪切后，顆粒主要剩下耐剪切的、彈性好的內核部分，通過巖心多次后粒徑基本保持不變，能夠耐受巖心孔喉反復的剪切．

圖4 B型顆粒驅替前后粒徑分布及中值Fig．4 The diameter distribution and median of B particle before and after displacement

將經過柔性微球顆粒調剖劑反復驅替過的巖心再次進行水驅，確定柔性微球顆粒調剖劑對巖心的封堵效果．封堵前水驅壓力為0．021MPa，封堵后突破壓力為0．480MPa，后續驅替穩定壓力為4．500MPa，柔性微球顆粒調剖劑封堵后殘余阻力因數為214，說明封堵效果顯著．

為研究柔性微球顆粒調剖劑在巖心中的運移，用石英砂填充至高壓巖心驅替填充管，用壓實機進行壓實，制備長度為1 200mm人造巖心．巖心飽和水后，首先用質量濃度為1 000mg／L的聚合物溶液進行聚驅，然后再用質量分數為1%的柔性微球顆粒調剖劑進行驅替，結果見圖5．由圖5可以看出，聚合物驅的入口壓力很小，巖心中部和出口的壓力基本保持不變，對于柔性微球顆粒調剖劑，隨著時間的推移，巖心中間及出口端已起壓，并且壓力變化趨勢與進口端壓力的變化趨勢接近．在聚合物溶液攜帶下，柔性顆粒在巖心中已發生運移，并且有一定數量的顆粒運移至巖心出口端部．

2．8 非均質三管巖心模型驅油模擬實驗

采用人造長方形巖心模型，高滲透率模型的滲透率定為2 300×10—3μm2，中滲透率模型的滲透率定為800×10—3μm2，低滲透率模型的滲透率定為200×10—3μm2，實驗溫度為45℃，原油黏度為9．8 mPa·s，柔性顆粒質量濃度為5 000mg／L，采用合注單采方式．三管非均質模型中封堵處理前后水驅采收率、單管相對采收率見圖6和圖7．

圖5 驅替壓力隨時間變化關系Fig．5 The displacement pressure varying with time

圖6 非均質三管巖心模型柔性顆粒封堵驅油綜合采收率曲線（0．3PV）Fig．6 The synthesis oil—recovery curve of gel particle plug—ging and displacement through tripple—tube model

圖7 非均質三管巖心模型柔性顆粒封堵采收率曲線（0．3 PV）Fig．7 The oil—recovery curve of gel particle plugging and displacement through heterogeneous tripple—tube model

由圖6和圖7可以看出，經過柔性微球顆粒處理后，非均質三管巖心模型的綜合采收率為58．8%，比水驅含水率92%時的采收率39．5%提高19．3%，比含水率98%時的采收率49．2%提高9．6%，封堵后在后續水驅開始階段增油效果顯著；柔性顆粒封堵后含水率顯著下降，與水驅相比綜合含水率下降26．0%．高滲管的水驅采收率為73．0%，柔性顆粒封堵后最終采收率為80．0%，提高采收率7．0%，沒有明顯增油段，含水率降低不明顯；中滲管水驅采收率為34．0%，柔性顆粒封堵后最終采收率為62．0%，提高28．0%，仍有20．0%左右的油未采出；低滲管水驅采收率為23．0%，柔性顆粒封堵后采收率為41．7%，提高18．7%，有近40．0%左右的油未采出．表明柔性顆粒封堵后，水驅轉向由高滲透層進入中、低滲透層，使中、低滲透層被啟動，增油降水效果比較明顯．

3 結論

（1）柔性微球顆粒調剖劑的粒徑在幾到幾十微米之間，遇水后將緩速膨脹至自身粒徑的1．5倍．柔性微球顆粒調剖劑在水中和聚合物溶液中迅速分散，并且在聚合物溶液中分散效果更好．

（2）柔性顆粒調剖劑耐剪切性能好，通過巖心反復剪切4次后，顆粒粒徑保持18μm基本不變，與顆粒原液粒徑基本相當，可以用來進行深度調剖．

（3）用柔性顆粒調剖劑對人造巖心進行封堵后，后續水驅殘余阻力因數達到214，柔性顆粒調剖劑可以通過自身變形在多孔介質中運移，從而可以在較大的范圍內對高滲透地段進行封堵．

（4）柔性顆粒調剖劑能夠有效地讓液流轉向，提高低滲透地帶石油的采收率．雙管巖心實驗結果表明，雙管整體提高采收率10%以上，增油效果顯著，可以有效解決大慶二類油層增產改造問題．

參考文獻：

［1］ 李娟，朱維耀，龍運前，等．納微米聚合物微球的水化膨脹封堵性能［J］．大慶石油學院學報，2012，36（3）：52—57．Li Juan，Zhu Weiyao，Long Yunqian，et al．Hydration expansion and plugging properties of nano／micron—sized polymer particles in porous media［J］．Journal of Daqing Petroleum Institute，2012，36（3）：52—57．

［2］ 趙玉武，王國鋒．納微米級聚合物調驅技術優選及應用［J］．大慶石油學院學報，2009，33（5）：77—79．Zhao Yuwu，Wang Guofeng．Optimization and application of profile control with nano micron polymer［J］．Journal of Daqing Petrole—um Institute，2009，33（5）：77—79．

［3］ 曹毅，鄒希光，楊舒然，等．JYC—1聚合物微球乳液膨脹性能及調驅適應性研究［J］．油田化學，2011，23（4）：386—388．Cao Yi，Zou Xiguang，Yang Shuran，et al．The study of expansion performance and flooding adaptability of JYC—1polymer micro—sphere emulsion［J］．Oilfield Chemistry，2011，23（4）：386—388．

［4］ Coste J P，Liu Y，Bai B，et al．In—depth fluid diversion by pre—gelled particles：Laboratory study and pilot testing［C］．SPE 59362，2000．

［5］ 鄭曉宇，張健，孫君，等．交聯聚合物微球分散體系性能研究［J］．油田化學，2012，33（2）：172—179．Zheng Xiaoyu，Zhang Jian，Sun Jun，et al．Study on the performance of cross—linked polymer microsphere disperse system［J］．Oil—field Chemistry，2012．33（2）：172—179．

［6］ Braun O，Selb J，Candau F．Synthesis in microemulsion andcharacterization of stimuli—responsive polyelectrolytes andpolyampholytes based on N—isopropylacrylamide［J］．Polymer，2001，42（21）：8499—8510．

［7］ 王磊，張建強，李瑞冬，等．丙烯酰胺類反相微乳液聚合研究及應用進展［J］．油田化學，2009，25（4）：458—462．Wang Lei，Zhang Jianqiang，Li Ruidong，et al．Advances in hydrogel microspheres of acrylamide copolymers made via inverse microe—mulsion polymerization［J］．Oilfield Chemistry，2009，25（4）：458—462．

［8］ 周萬富，張士誠，李國，等．聚驅后陽離子變形蟲顆粒類調剖劑效果評價［J］．大慶石油學院學報，2009，33（4）：53—57．Zhou Wanfu，Zhang Shicheng，Li Guo，et al．Effect evaluation of positive ion amoebae particle profile control agent after polymer floo—ded reservoir［J］．Journal of Daqing Petroleum Institute，2009，33（4）：53—57．

［9］ 趙懷珍，吳肇亮，鄭曉宇，等．Span80—Tween60／白油／丙烯酰胺／丙烯酸鈉／H2O體系形成反相微乳液的研究［J］．石油學報（石油加工），2005，21（1）：46—51．Zhao Huaizhen，Wu Zhaoliang，Zheng Xiaoyu，et al．Studies on the formation of inverse microemulsion from Span80—Tween60／White Oil／Acrylamide／Sodium Acylate／H2O system［J］．Acta Petroleisinica（Petroleum Processin Section），2005，21（1）：46—51．

［10］ 陳淵，孫玉青，溫棟良，等．聚合物納米微球調驅性能室內評價及現場試驗［J］．石油鉆探技術，2012，18（4）：103—107．Chen Yuan，Sun Yuqing，Wen Dongliang，et al．Evaluation and application on profile control of polymer nano—microspheres［J］．Pe—troleum Drilling Techniques，2012，18（4）：103—107．

［11］ 劉偉，李兆敏，李賓飛，等．聚合物微球注入參數優化及運移規律研究［J］．應用基礎與工程科學學報，2011，14（5）：887—892．Liu Wei，Li Zhaomin，Li Binfei，et al．Optimization of polymer microsphere injection parameter and mobile law research［J］．Journal of Basic Science and Engineering，2011，14（5）：887—892．

［12］ 付欣，劉月亮，葛際江，等．納米聚合物微球調剖性能研究［J］．內蒙古石油化工，2012（7）：1—5．Fu Xin，Liu Yueliang，Ge Jijiang，et al．Study on profile control of polymer nano—microspheres［J］．Inner Mongolia Petrochemical Industry，2012（7）：1—5．

［13］ 王濤，肖建洪，孫煥泉，等．聚合物微球的粒徑影響因素及封堵特性［J］．油氣地質與采收率，2006（4）：81—85．Wang Tao，Xiao Jianhong，Sun Huanquan，et al．Study on the size influence factors and the plugging properties of polymer micro—spheres［J］．Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2006（4）：81—85．

［14］ 喻琴，蔣鑫浩．聚丙烯酰胺微球在油田調剖堵水中的應用研究進展［J］．精細石油化工進展，2011（7）：13—16．Yu Qin，Jiang Xinhao．Development of application of polyacrylamide microsphere in profile control and water shutoff in oilfield［J］．Advances in Fine Petrochemicals，2011（7）：13—16．

［15］ 王濤，孫煥泉，肖建洪，等．孤島油田東區114井組聚合物微球技術調驅礦場試驗［J］．石油天然氣學報，2005（6）：779—781．Wang Tao，Sun Huanquan，Xiao Jianhong，et al．Field test of profile control of polymer microspheres on 114well group in Gudao oilfield［J］．Journal of Oil and Gas Technology，2005（6）：779—781．

［16］ 石志成，盧祥國．預交聯體膨聚合物調剖驅油機理及效果評價［J］．大慶石油學院學報，2007，31（3）：28—33．Shi Zhicheng，Lu Xiangguo．Profile modification mechanism and enhanced oil recovery of precrosslinked polymer flooding［J］．Journal of Daqing Petroleum Institute，2007，31（3）：28—33．

［17］ 甄靜，盧祥國，王偉．體膨聚合物調剖效果及參數優化［J］．大慶石油學院學報，2006，30（2）：27—31．Zhen Jing，Lu Xiangguo，Wang Wei．Profile modification evaluation and parameter optimization of swellable particulate［J］．Journal of Daqing Petroleum Institute，2006，30（2）：28—33．

TE34

A

2095—4107（2013）05—0090—07

DOI 10．3969／j．issn．2095—4107．2013．05．013

2013—06—25；編輯：任志平

國家重大科技專項（2011ZX05052）

周 泉（1970—），男，高級工程師，主要從事油田化學方面的研究．