渤海油田納米級聚合物微球特性研究

薛新房，鞠 野，劉俊辰，馬永宇，楊子浩

（1.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；2.中國石油大學提高采收率研究院，北京 102249）

深部調剖改善水驅提高采收率技術在陸地油田已取得良好的應用效果，但針對海上油田的系統深入研究與應用才剛剛起步[1-4]。海上油田的油藏環境和生產條件獨特，如海上平臺生產作業空間受限、繞絲篩管礫石充填防砂完井、大井距、長井段、一套井網多層開采等，同時強注強采措施既不利于水驅，又加劇了油藏非均質及注水指進程度[5-8]。鑒于海上油田特點，陸地油田成功的深部調剖技術及經驗不能滿足海上油田作業要求，需深入開展適合海上油田特點的改善水驅技術，提高海上油田采收率[9-11]。

渤海海上油田是中國最大的海上油田。由于其高油黏度（50 mPa·s～150 mPa·s，平均黏度 70 mPa·s），高油藏溫度（約65℃），油藏非均質性突出、高礦化度（Ca2＋，334 mg/L～517 mg/L；Mg2＋，145 mg/L～228 mg/L，總礦化度為9 780 mg/L～10 890 mg/L）等特點，所以一次水驅的原油采收率只有18%～20%，而陸上油田的一次水驅的原油采收率是32%。有文獻報道了利用聚合物驅來提高渤海油田采收率的可行性研究[12]。然而，傳統的聚合物只能適用在均質油藏的調驅。為了解決這個非常棘手的問題，2003年，一個由聚合物和部分水解聚丙烯酰胺（HAPAM）構成的復合調驅系統已經在SZ36-1油田進行了現場施工作業，結果顯示該復合調驅體系具有很顯著的增油減水效果[13]。從2014年9月24日至2015年1月18日，由凝膠和聚合物微球組成的復合體系已在S01油田的F8和F13井組實施了礦場實驗，應用結果表明，該復合系統可以有效地解決海上稠油開采和挖掘其潛在的問題，并證明了該復合體系在海上稠油油田控水穩油是可行的，能夠提高生產和開發海上稠油油田的潛力，以提高石油產量，降低含水效果，輸入和輸出比是常規化學調剖劑的三倍，具有良好的經濟效益和推廣價值[14]。聚丙烯酰胺微球作為在三次采油階段深度調剖技術中重要的化學劑，是提高和穩定原油產量重要的保障[15，16]。因為聚丙烯酰胺微球是顆粒大小可控的，具有柔性的，膨脹性好，彈性強和注射性能優良，而且可以遷移到儲層深部的球形體，因此可以滿足深部調驅[17-19]。Liu等[20]通過乳液聚合法制備了聚合物微球，并進行了實驗室巖心驅替實驗。實驗結果顯示原油采收率提高14%～16%。后來，他計劃在渤海灣稠油油藏Q塊進行現場測試。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料主要有納米聚合物球（有效固含量為25%）由中海油田服務股份有限公司提供、實驗用水為室內模擬配制水模擬地層水（礦化度5 863.27 mg/L）、正己烷、人造巖心（規格：4.5 cm×4.5 cm×30 cm；滲透率為 800 mD、2 000 mD、4 000 mD）、石英砂（60目）、河砂（60目）。

實驗儀器主要包括微孔濾膜裝置、填充砂管模型（Φ2.5×100 cm）、MICROTRAC S3500型激光粒度儀、電磁攪拌器、巖心驅替裝置、分析天平、分液漏斗和恒溫箱等。

1.2 微球水化實驗

1.2.1 聚合物微球分散液的配制 開啟電磁攪拌器，轉速為500 r/min，將一定量的聚合物微球樣品緩慢滴入模擬地層水中，配制濃度為0.2%的微球水溶液300 mL，持續分散 30 min。

1.2.2 聚合物微球分散液的除油處理 由于聚合物微球制備工藝的限制，水分散液中會含有一定的油和表面活性劑，為了便于觀察和測量水化膨脹后的微球粒徑和形貌，進行以下除油操作。

（1）根據所配微球分散液的體積，采用量筒量取600 mL的正己烷溶液，使正己烷與微球分散液體積比為2:1；

（2）將上述混合溶液放入錐形瓶，密閉，采用磁力攪拌器攪拌，攪拌速度700 r/min，持續攪拌2 h以上；

（3）將上述攪拌后的混合溶液移入分液漏斗中，靜置；

（4）待混合溶液出現上下兩層時，收集下層微球分散水溶液；

（5）重復上述步驟2次。

1.2.3 微球粒徑測量

（1）將除油處理后的聚合物微球分散液置于70℃的恒溫箱中，烘烤水化一定的時間后，取樣待測：0 d、3 d、7 d、14 d、21 d；

（2）將待測液置于磁力攪拌器上，持續分散5 min以上，待用；

（3）將分散好的聚合物微球分散液采用一次性滴管吸取少量，用粒度分析儀測其粒度分布。

1.3 微球循環注入實驗

實驗在巖心驅替裝置中進行，使用規格為4.5 cm×4.5 cm×30 cm、氣測4 000 mD的人造巖心，實驗溫度為70℃。首先將巖心抽真空飽和水，水驅至壓力穩定。采用循環注入方法，先配制2.5 PV微球溶液，待其水化到一定程度（0 d、3 d）后按照表1中實驗參數注入巖心，當出口端排出1.25 PV液體時開始收集采出液，將這部分采出液重新注入巖心中，即第二次注入。第二次排出的全部微球溶液再用于第三次注入。如此循環，共5次。記錄連續時間內的壓力變化，計算阻力系數，考察微球在循環注入條件下的阻力系數變化規律。

1.4 微球封堵運移實驗

采用單填砂管多測壓點模型（見圖1），利用Φ2.5×100 cm帶測壓點填充砂管模型，分別用石英砂和河砂填制，沿程采用四個測壓點，壓力1為入口端，壓力2距入口端20 cm，壓力3距入口端45 cm，壓力4距入口端60 cm，監測兩種微球在相同水化時間、注入濃度、注入速度的條件下各點的動態壓力變化，考察不同填砂類型對微球的運移封堵情況。

1.5 微球驅油實驗

將原油在0.3 mL/min的泵速下注入飽和水的巖心中，用不同規格的試管在出口端收集試樣，計量每支試管的含液量和含水量，計算含水率，飽和油直至試管中含水率達到2%以下為止，其中所有試管中的水的體積之和作為飽和原油的體積。飽和油結束后，在干燥箱中老化12 h以上。

圖1 多測點填砂模型實驗流程圖

2 結果與討論

2.1 水化時間對微球性質的影響

2.1.1 水化時間與納米球粒徑變化的關系 依據實驗結果，繪制納米球在各水化時間（0 d、3 d、7 d、14 d、21 d）下的粒徑分布圖（見圖2～圖6）。并根據各水化時間下的平均粒徑繪制水化時間與納米球粒徑變化關系圖（見圖7）。

圖2 納米球初始粒徑分布圖

圖3 納米球在水化3 d時的粒徑分布圖

圖4 納米球在水化7 d時的粒徑分布圖

通過粒度儀對納米球樣品的尺寸測量，從上圖可以看出納米球在恒定礦化度5 863.27 mg/L、實驗溫度70℃的條件下粒徑變化規律。隨水化時間增加，微球粒徑逐漸增大。其初始平均粒徑為4.67 μm。經過70℃的地層水長時間浸泡，水化3 d后達到9.51 μm，膨脹2.04倍。隨著水化時間的增加，微球粒徑開始明顯增大，達到7 d時平均粒徑增大到25.57 μm，膨脹5.41倍，繼續水化至21 d平均粒徑增大到40.33 μm，與初始粒徑相比膨脹了8.6倍。納米球的初始粒徑既可不進入低滲油層或區域，又可以順利通過狹窄較小的孔喉，進入到地層深部，注入性良好。同時，膨脹后的微球尺寸增大也達到了封堵地層孔喉的要求。

圖5 納米球在水化14 d時的粒徑分布圖

圖6 納米球在水化21 d時的粒徑分布圖

圖7 水化時間與納米球粒徑變化關系圖

2.1.2 水化時間與微球強度變化的關系 根據所記錄的納米微球溶液通過微孔濾膜的過濾體積與過濾時間關系繪制微球溶液通過不同孔徑和孔膜的過濾曲線（見圖8）。從圖8可以看出，5個不同水化時間的微球均能對600 nm濾孔膜進行有效封堵。在有效封堵的前提下，其水化時間的增加，微球體積膨脹，粒徑增大，強度增強，過濾體積逐步下降，即過濾體積隨過濾時間的變化率越小，溶液越不易通過微孔濾膜，曲線斜率越減小。

表1 聚合物微球循環注入實驗參數表

圖8 不同水化時間納米球過濾體積對比圖

圖9 水化時間為0 d納米球循環注入壓力曲線

2.2 納米球循環注入實驗

依據表1中實驗參數采用循環注入方法，考察濃度為0.2%的納米球在不同水化時間（0 d、3 d），注入速度為0.5 mL/min條件下的壓力變化，并根據實驗結果繪制注入壓力與注入微球累計量關系圖（見圖9、圖10）。實驗表明，隨著納米球溶液的注入，注入壓力隨注入量的增大而增大。由圖9可以看出，0 d納米球溶液第一次循環注入結束時壓力為3.6 kPa，第二次循環注入開始時起始壓力為4.14 kPa，明顯大于3.6 kPa，表明第二次循環注入時壓力保持效果較好；同樣比較第三次、第四次、第五次循環注入可以看出，第四次壓力保持效果很好，但是第三次和第五次循環注入時，壓力保持效果略差。由圖10可以看出，3 d納米球溶液循環注入時第二次和第三次均有較好的壓力保持效果，第四次和第五次起始壓力僅有小幅度下降。

圖10 水化時間為3 d的納米球循環注入壓力曲線

2.3 微球運移封堵性質評價

依據表2中實驗參數采用多測壓點模型填砂模型，考察納米球在不同水化時間（0 d、7 d），注入速度為0.25 mL/min條件下，在兩種填砂模型中各測壓點的壓力變化，并根據實驗結果繪制注入壓力與注入微球體積關系圖（見圖11～圖14）。由圖11和圖12可知，隨著0 d納米球的注入，四個測壓點同時起壓，各測壓點處壓力隨微球注入量的增加而增大，且各點處壓力值相近，其中石英砂中壓力曲線平緩上升，河砂中壓力曲線有小幅度波動。注入4 PV后，各測壓點處壓力差仍然很小，沒有出現急劇上升現象，說明0 d納米球在巖心管道中壓力傳播快，具有良好的運移能力。

表2 聚合物微球多測點實驗參數表

圖11 0 d納米球在石英砂填砂模型中多測點壓力曲線

圖12 0 d納米球在河砂填砂模型中多測點壓力曲線

圖13 7 d納米球在石英砂填砂模型中多測點壓力曲線

圖14 7 d納米球在河砂填砂模型中多測點壓力曲線

由圖13可知，在石英砂填砂管中注入水化7 d的納米球后，各測點壓力平緩上升；由圖14可知，在河砂填砂管中注入水化7 d的納米球后，入口處壓力最先開始上升，隨后各測壓點處壓力逐漸上升，曲線有小幅度波動。隨著微球溶液的注入相鄰測壓點的壓差逐漸增大，說明微球在砂管運移過程中首先在入口處封堵，隨后通過吼道向前運移，在20 cm和45 cm處逐級滯留封堵，壓力上升；而測壓點60 cm處起壓不明顯，說明只有少量的納米球運移到了該點。

3 結論

該納米級聚合物微球干粉平均粒徑為4.67 μm，隨著水化時間的增長，微球的粒徑是逐漸增大的，最大溶脹倍數為8.6，隨著水化時間的增長，微球的強度也是在逐漸增強。隨著納米球溶液的注入，注入壓力隨注入量的增大而增大，水化后的微球具有很好的連續注入性。填砂管實驗說明水化后的微球不僅具有很好的封堵性能，同時還具有突出的運移能力。

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