低張力聚合物微球調驅機理及注入?yún)?shù)優(yōu)化

付美龍 張蒙 胡澤文

摘 要：聚合物微球在溶脹以前粒徑較小，能隨注入水順利進入油藏深部，在地層高溫作用下，聚合物微球吸水溶脹，粒徑變大，最后以架橋的方式堵塞地層喉道，實現(xiàn)油藏的深部調剖。在低倍顯微鏡下觀察巖心切面的微球，可以明顯看到其運移—架橋—堵塞—變形—突破再運移—再堵塞的調剖過程。宏觀機理驗證中發(fā)現(xiàn)注入聚合物微球后，驅替壓力明顯上升，證明了堵塞的存在。通過注入?yún)?shù)優(yōu)選，最后發(fā)現(xiàn)0.3%微球和0.5%表面活性劑1∶1在0.5 mL/min速度下交替注入0.5 PV，溶脹48 h后的驅油效果最好。

關 鍵 詞：低張力聚合物微球；驅油機理；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TQ39，TE 397 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1784-04

Abstract： The polymer microspheres have smaller particle size before swelling， can successfully enter the deep reservoir with the injection of water. In the formation of high temperature， polymer microspheres absorb water to swell， particle size becomes larger， and finally they can plug the roar by bridging way to realize the reservoir deep profile control. Through observation of the microspheres in core sections by low magnification microscope， we can clearly see the transporting-bridging-blocking-deformation-breaking remigration-re-blockage of the profile control process. After the macroscopic mechanism verification， its found that there was a significant increase in the displacement pressure after the injection of polymer microspheres， which proved the existence of the blockage. Through the injection parameters optimization， its finally found that alternate injecting 0.5 PV 0.3% microspheres and 0.5% surfactant （1∶1 ） at 0.5 mL/min can obtain the best flooding effect after the swelling of 48 h.

Key words： low tension polymer microsphere； displacement mechanism； parameter optimization

目前，中原油田多數(shù)油藏已處于高含水或特高含水開發(fā)階段[1]。文25東區(qū)塊屬河流相沉積，層內(nèi)非均質嚴重，滲透率表現(xiàn)為正韻律特征，滲透率級差<17倍[2]，突進系數(shù)<3，變異系數(shù)>0.9，總體上表現(xiàn)中等略偏強的層內(nèi)非均質性[3]。經(jīng)過多年注水開發(fā)，層內(nèi)矛盾進一步加劇[4]。鑒于中原油田地層溫度高、地層水礦化度高，常規(guī)三次采油技術難以適應。

為解決中原油田含水率高以及采收率低的現(xiàn)狀，油田相繼開展了CO2吞吐、N2驅、空氣驅、合成聚合物驅、交聯(lián)聚合物驅、微生物采油等項現(xiàn)場試驗[1]，但效果都不甚理想。為了克服嚴重的層間非均質性，增大注入水的波及面積以及洗油效率，文25東區(qū)塊引進低張力聚合物微球調驅工藝，實現(xiàn)油田的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

1 低張力聚合物微球體系調驅機理

1.1 微觀驅油機理

該聚合物微球是一個彈性球體，依靠架橋和膨脹作用在地層孔喉處進行堵塞，從而實現(xiàn)注入水微觀改向[5]。在大尺寸微球形成架橋后，較小尺寸的微球在架橋形成的小孔道上進行嵌入和堵塞[6]。依靠聚合物微球的彈性和塑性，發(fā)生強有力的拉筋作用，加強了楔塞的機械強度，形成牢固的移動困難的塞狀墊層，達到封堵的目的[7]。

聚合物微球由于粒徑小、遇水膨脹，具有“注得進、堵得住、能移動”的特點[6]。通過捕集、變形、運移、再捕集、再變形、再運移……的機理起調驅作用[8]。可以調整聚合物微球的“四個度”[9]：不同的膨脹度、粒度、強度和使用不同的濃度，滿足不同礦場的要求。

三球架橋理論堵塞規(guī)律 [10]：

（1）顆粒粒徑大于1/3倍孔喉直徑，在地層表面形成外濾餅。

（2）顆粒粒徑在（1/3～1/7）倍孔喉直徑，固相顆粒基本可以進入儲層內(nèi)部。由于孔喉的捕集等作用，在儲層內(nèi)部產(chǎn)生橋堵形成內(nèi)濾餅。

（3）顆粒粒徑小于1/7倍孔喉直徑，自由通過地層，不形成固相堵塞。

微球封堵機理如圖1所示。

從圖2（a）到（f）可以看出，當微球膨脹以架橋形式進入孔喉，形成暫堵，當驅動壓力增大時發(fā)生形變，逐漸向孔喉緩慢運移，微球就是以這種不斷發(fā)生暫堵、形變、向前運移達到“同步調驅”的效果的。體型微球由于粒徑小、遇水膨脹，具有“注得進、能移動”的特點，膨脹后微球依靠架橋理論對孔喉可以逐級調堵，微球依靠粘滯力控制流度。

1.2 宏觀驅油機理

在物理模型中該聚合物微球從注入端進入，由于滲透率的變化形成四個壓差（見圖3）：

水驅階段：△P1<△P2<△P3<△P4反應了滲透率對壓差的變化。

分析：體型微球首先在第一段封堵大孔道，在封堵的過程中，第一段滲透率降低，導致壓差變大，隨著注入壓力的不斷增大，在第一段封堵的部分體型微球被沖開繼續(xù)運移，并在中間段形成封堵。當壓力增大到一定程度后，其繼續(xù)運移。但是在最后一段的封堵性不如中間段，原因是體型微球在運移過程中濃度逐漸降低，不能形成較強的封堵（見圖4）。

2 注入?yún)?shù)優(yōu)化

2.1 注入方式優(yōu)化

注入體系中表面活性劑和凝膠微球對驅油都有貢獻，因此采用不同的注入方式對提高采收率有著很大影響。在文東25東區(qū)塊油藏條件下，對比單注微球乳液、單注表面活性劑、低張力微球體系、微球乳液與表面活性劑交替的注入性和驅油效率，研究不同注入方式對驅油效率的影響，實驗結果見表1。

從表1可以看出，在相同的實驗方法和條件下，采用單注0.3%表面活性劑采收率增值為8.57%；采用單注0.5%微球乳液采收率增值為11.52%；采用二者復合注入采收率增值為10.73%，而采用微球乳液和表面活性劑1：1交替注入采收率增值為15.74%。由此，采用微球乳液和表面活性劑1：1交替注入方式效果最好。因此，選擇采用微球乳液和表面活性劑1：1交替注入為最佳注入方式。

2.2 溶脹時間優(yōu)化

固體顆粒粒徑只有與儲層巖石孔喉直徑相匹配才能發(fā)揮最佳效果，微球粒徑太小，不能在孔喉處產(chǎn)生有效的物理封堵；微球粒徑太大，能夠運移至巖心深部的微球數(shù)量有限，最終均導致調驅效果不理想。當微球粒徑與儲層巖石孔喉相匹配時，封堵率和微球最大變形運移壓力梯度才能達到最大（見表2）[8]。

溶脹的時間越長，其后續(xù)水驅壓力的增值越大。在溶脹時間為12 h時，壓力基本沒有大的增加[11]：在溶脹時間為24 h時，壓力有較明顯的增加；在溶脹時間為48 h時，壓力較24 h的上升量不大。由微球不同溶脹時間粒徑及粒徑分布關系可知，聚合物微球在溶脹前期的溶脹速率較大，隨著時間的推移，溶脹速度不斷減緩。只有當微球的粒徑溶脹到一定程度時候才能堵塞相應的地層孔隙。由此得出溶脹12 h時的粒徑還不能達到堵塞孔隙的程度，溶脹24 h時的粒徑達到了可以堵塞此滲透率下的孔隙的程度。

2.3 濃度優(yōu)化

在最佳段塞、速度條件下，改變流度控制劑（微球）濃度（0.3%、0.5%、0.7%），表面活性劑濃度0.3%不變1∶1交替注，選用2.5 cm×50 cm填砂管進行驅油試驗，研究不同注入濃度對驅油效率的影響，確定最佳注入濃度（見表3）。

從表3可以看出，在表面活性劑濃度不變條件下，0.3%微球的采收率增值為9.6%，0.5%微球的采收率增值為15.74，0.7%微球采收率增值為12.4%，0.5%的微球采收率增值最大，說明0.3%表明活性劑和0.5%微球組合濃度為最佳注入濃度。

2.4 注入量優(yōu)化

段塞注入量是關系到調驅效果和經(jīng)濟效益的關鍵因素，由注入方式優(yōu)選實驗可知微球乳液和表面活性劑1∶1交替注入方式的效果最好，因此，下面實驗均在采用這種注入方式條件下，規(guī)定驅替速度為0.5 mL/min時，體系組成不變，改變段塞的大小（0.3，0.5，0.7，1 PV），選用50 cm×2.5 cm填砂管進行驅油試驗，研究不同段塞大小對驅油效率的影響，確定最佳段塞大小，實驗結果如表4。

表4可以看出，隨著注入段塞的增加，采收率增長幅度在減小，在0.3～0.5 PV中，采收率增長幅度為6.09%；在0.5～0.7 PV中，采收率增長幅度為0.9%；在0.5～1.0 PV中，采收率增長幅度為2.96%，可以看出0.5 PV以后采收率增長平緩，因此綜合考慮實驗效果和經(jīng)濟效益，采用0.5 PV為最佳段塞。

2.5 注入速率優(yōu)化

注入速度影響微球的注入和在油藏中的運移，進而影響微球和孔喉的接觸時間，影響調驅效果[8]。由于速敏還有沙粒之間的膠結強度的影響，如果注入速度過大，速敏對實驗的影響就不能忽視了，并且流速過大會引起沙粒的運移，造成地層垮塌。填砂管采用4種注入速度（0.3、0.5、1、2 mL/min），進行驅油試驗，研究不同注入方式對驅油效率的影響，確定最佳注入速度[12]。（共4組）。

在0.3 mL/min和0.5 mL/min中，隨著注入PV的增加，注入壓力呈增加趨勢；而在1.0 mL/min和2.0 mL/min中，隨著注入PV的增加，注入壓力呈先增加后減小趨勢，說明注入速度達到一定程度會沖破微球對孔道的封堵效果，進而使壓力減小。在0.3和0.5 mL/min的注入速度時的采收率增值分別是17.42%和15.74%，采收率的下降并不是很明顯，然而當注入速度為1.0和2.0 mL/min時，采收率增值分別為12.55%和12.73%，下降幅度較大。綜合可知，采用較小的注入速度在經(jīng)濟方面不劃算，注入速度太大達不到預期效果，因此使用0.5 mL/min為最佳注入速度（見表5）。

3 總 結

（1）聚合物微球在高溫下能吸水溶脹，以架橋的方式堵塞大孔道，改變油水滲流通道，提高采收率；

（2）通過物模實驗驗證可知，聚合物微球條剖確實能一定程度提高驅替壓力，說明微球能形成有效封堵；

（3）通過實驗發(fā)現(xiàn)“調驅結合”的注入方式以微球和表面活性劑1∶1交替注入最好；溶脹時間要達到24 h以上，最好能達到48 h；0.3%的表面活性劑搭配0.5%的聚合物微球能達到較好的效果；注入量為0.5 PV時，采收率能有較好的提高效果；注入速度不宜過大，也不能太小，實驗條件下的注入速度為0.5 mL/min較為適宜。

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