支化預交聯凝膠顆粒在油藏中的運移與調剖特性

劉義剛 丁名臣 韓玉貴， 王業飛 鄒劍 趙鵬

1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司；2. 中國石油大學（華東）

隨著水驅和以聚合物驅為主的化學驅的深入，大多數油田進入高含水采油階段，并且由于長期水動力地質作用的影響，油藏非均質性顯著加劇，導致聚合物驅后仍有大量原油滯留地下，且滯留原油中約有65%～77%分布在注入水無法波及的低滲區域，如何擴大波及體積成為提高采收率的關鍵［1］。預交聯凝膠顆粒（PPG）是當前改善吸水剖面應用較多的調驅劑之一，其主要通過聚合物單體、交聯劑及其他添加劑的地面交聯、烘干、粉碎，注入地層后吸水膨脹，封堵高滲通道；具有地面交聯、強度可控、耐溫耐鹽性好等優點；能夠克服傳統的本體凝膠、凍膠或者弱凝膠應用中，地下成膠影響因素多、成膠時間和強度受溫度、礦化度、剪切作用等影響難以控制、容易堵井等不利因素的影響［2-4］。B-PPG是近年來在PPG基礎上發展的一種具有支化結構的預交聯凝膠顆粒，其在主鏈上引入部分支鏈。獨特的部分交聯網絡結構使B-PPG具有優異的彈性、耐溫抗鹽能力，而部分支化結構賦予了B-PPG良好的增黏能力，改善了顆粒的懸浮性能［5-6］。部分學者針對該型B-PPG調驅劑開展了一些有益的研究評價，主要集中在顆粒黏彈性、調剖和驅油能力等方面［5-8］。針對一種B-PPG顆粒，其膨脹能力、微觀運移特征、顆粒與滲透率的匹配性和調剖效果值得進一步深化研究。

1 實驗材料與方法

B-PPG（粒徑100～150目）呈不規則形態，吸水后粒徑明顯變大（如圖1所示），勝利油田勘探開發研究院提供；模擬地層水礦化度6666.0 mg/L，離子成分組成：Na+為2456.5 mg/L、Mg2++Ca2+為128.5 mg/L、Cl-為 4034.0 mg/L、SO42-為 47.0 mg/L。

（1）膨脹性實驗。B-PPG的吸水膨脹性，直接關系到其與油藏孔喉和滲透率的匹配性，以及顆粒的封堵能力。研究中利用稱重法，計算了吸水前后顆粒體積和粒徑的膨脹倍數，方法如式（1）和式（2）［9］

式中，Sv為體積膨脹倍數；ma為膨脹后質量，g；ρb為膨脹前密度，g/mL；mb為膨脹前質量，g；ρa為膨脹后密度，g/mL。

按照近似球形折算顆粒粒徑膨脹倍數為

圖1 B-PPG顆粒形態Fig. 1 B-PPG particle morphology

式中，Sd為粒徑膨脹倍數；Sv為體積膨脹倍數。

（2）運移與封堵特征實驗。玻璃刻蝕模型尺寸為6.0 cm×6.0 cm，其中內部刻蝕區域尺寸4.0 cm×4.0 cm，孔喉尺寸分布范圍為 50.0～400.0 μm（如圖2（a）所示）。在室溫20 ℃條件下，以0.01 mL/min速度連續注入2000 mg/L膨脹后的B-PPG（粒徑中值430.0 μm），通過顯微裝置實時觀測顆粒在模型中運移狀態與封堵特征。滲透率匹配性實驗。在70 ℃條件下，將膨脹后質量濃度為2000 mg/L的B-PPG連續注入尺寸為?2.5 cm×80.0 cm，滲透率分別為5.2、3.2、1.6、0.7 D 的三測壓點填砂模型（如圖2（b）所示），檢測各測點壓力，根據壓力特征判斷B-PPG與模型滲透率的匹配性。

圖2 運移與封堵特征實驗用刻蝕模型和填砂模型Fig. 2 Etching model and sand-packed model used in the migration and plugging characteristic experiment

（3）調剖實驗。調剖特征實驗。將不同滲透率、尺寸為?2.5 cm×80.0 cm的2個填砂模型并聯，采用合注分采的方式，連續注入2000 mg/L的B-PPG，之后進行后續注水，計量高、低滲模型產出液量，根據分流率特征，判斷B-PPG改善吸水剖面的能力。驅油實驗在玻璃夾砂模型（尺寸：8.0 cm×8.0 cm）中開展；分別利用10目和30目石英砂充填模型高滲和低滲區域；抽真空飽和油后，恒溫70.0 ℃老化24 h；水驅之后連續注入質量濃度2000 mg/L的B-PPG（速度0.15 mL/min），通過顯微裝置觀察、記錄不同階段模型中原油的分布狀態。

2 實驗結果與討論

2.1 B-PPG的膨脹性

B-PPG不同時間的體積膨脹倍數如圖3（a）所示、膨脹前后的顆粒粒徑和粒徑膨脹倍數如圖3（b）所示。

圖3 B-PPG膨脹性能Fig. 3 B-PPG swelling properties

由圖3可知，B-PPG吸水膨脹速度快，吸水10 min，達到膨脹穩定。體積膨脹倍數為47.3，顆粒粒徑中值從120.0 μm膨脹至430.0 μm，粒徑膨脹倍數為3.6。實驗所用的B-PPG較文獻報道的部分PPG膨脹速度快、膨脹性強，后者膨脹時間最長可達幾十小時，體積膨脹倍數為10.0～20.0。膨脹速度慢，有利于在顆粒膨脹前注入油藏中，實現深部調驅；對于膨脹速度較快的B-PPG，則應保證膨脹后顆粒與油藏滲透率的匹配性，使其能夠運移至油藏深部。顆粒的膨脹性能，主要受初始本體凝膠組成和強度的影響。凝膠主劑、交聯劑濃度越高，強度越大，研磨得到的顆粒膨脹性越弱；初始本體凝膠強度小，形成的顆粒往往吸水膨脹能力強［9］。調驅應用中，強度大、膨脹性弱的顆粒，往往具有更高的封堵強度，但是其變形能力差，易出現注入性等問題。適度降低顆粒強度，改善顆粒膨脹性能，提高變形能力，有利于顆粒通過彈性變形在孔喉間的運移，實現深部調驅。除顆粒自身性質外，其膨脹性能還受溫度、礦化度和PH值等外部因素的影響［9-11］。

2.2 B-PPG的封堵特征

（1）B-PPG的微觀封堵特征。顆粒對高滲孔喉的機械封堵是其調剖的關鍵，不同類型和強度的顆粒對孔喉的封堵特征存在差異。通過可視化刻蝕模型中的運移實驗，考察了黏彈性B-PPG對高滲孔喉的微觀封堵特征，結果如圖4和圖5所示。

圖4 不同粒徑和球度顆粒運移特征Fig. 4 Migration characteristics of the particles with different particle diameter and sphericity

圖5 不同注入階段B-PPG的運移特征Fig. 5 B-PPG migration characteristics at different injection stages

與其他黏彈性顆粒類似，B-PPG通過孔喉的形式也存在順利通過、擠壓變形通過和拉伸變形通過等幾種形式［12］。通過不同粒徑、球度和注入時間的B-PPG微觀運移圖像可以發現，其對孔喉的封堵表現出以下特征。粒徑小于或接近喉道直徑的顆粒，很難通過架橋封堵孔喉（如圖4（a）所示）。B-PPG粒徑小于或接近孔喉直徑時，顆粒能夠順利的通過孔喉，而不發生顯著的彈性變形，對喉道基本無封堵能力。當多個小顆粒同時進入喉道時，由于B-PPG彈性好、變形能力強，顆粒僅發生小幅形變，即可實現各顆粒依次通過喉道，很難形成架橋封堵。這一點與常規硬性顆粒封堵特征存在明顯的差異，對于硬性顆粒，粒徑與喉道比大于1/3時，即可形成架橋封堵［12］。粒徑大于喉道直徑時，B-PPG能夠以單顆粒或者多顆粒堆積的方式形成封堵（如圖4（b）和圖5（a）所示）。對于低球度的長條顆粒，其往往自動取向短軸方向，順利通過孔喉（如圖4（c）所示），對喉道的封堵能力較高球度顆粒弱（如圖4（b）所示）。盡管如此，當顆粒長度較大時，其可對一些小直徑砂粒形成半圓形包覆，并與其他顆粒一起堆積，形成封堵（如圖5（a）所示）。B-PPG對孔喉的封堵具有暫時性和反復性。由圖5（a）可見，B-PPG首先通過堆積的方式，對喉道形成封堵，但在后續注入顆粒的頂替下，這種封堵很快被打開（如圖5（b）所示），顆粒封堵表現出暫時性。待大顆粒再次經過時，孔喉又會被封堵。這種封堵-開啟-再封堵的模式，導致區域內液流方向反復的、隨機性的變化，有利于微觀波及效率的提高。B-PPG注入后注水時，由于缺少后續顆粒對喉道處顆粒的頂替作用，流場逐漸趨于穩定，部分大顆粒對孔喉形成永久封堵，經大量注入水沖刷后，喉道仍處于封堵狀態（如圖5（c）所示）。由于B-PPG韌性好、變形能力強，研究粒徑范圍內，未觀測到顆粒擠壓或拉伸破碎，而白寶君等針對一種黏彈性PPG顆粒研究發現，粒徑與孔喉直徑比大于5.0時，顆粒通過孔喉時往往會發生破碎［12］。

（2）B-PPG與滲透率的匹配性。B-PPG具有良好的封堵能力，能夠對高滲孔喉形成有效封堵，但是這種封堵能力受B-PPG與滲透率匹配性的影響，顆粒過小則無法形成有效封堵，過大則造成端面堵塞難以實現深調。針對粒徑100～150目的B-PPG，通過不同滲透率、多測壓點模型中的運移實驗，確定了該顆粒適用的滲透率條件（如圖6所示）。

不同滲透率條件下，B-PPG對巖心的封堵壓力存在明顯的差異。對比圖6的（a）和（b）發現，5.2 D模型中，由于孔喉尺寸大，運移阻力小，顆粒運移速度快，開始注入B-PPG后，3個測壓點壓力很快依次增大；注入體積分別達到0.7、0.9和1.1 PV時，壓力能夠較快的穩定；但是B-PPG對巖心的封堵能力弱，阻力系數（Fr）和殘余阻力系數（Frr）分別為6.0和2.8。3.2 D模型中，孔喉尺寸減小，顆粒運移阻力增大，運移速度變慢，后部測壓點起壓較晚，第2和第3測壓點（p2和p3）分別在注入0.7、1.8 PV時才開始起壓；且各測點壓力穩定慢，注入體積依次達到1.8、2.2和2.6 PV時壓力才趨于穩定； B-PPG對巖心的封堵能力強，Fr和Frr可達到195.0和68.0。1.6 D模型中（如圖6（c）所示），B-PPG的壓力動態與3.2 D模型類似，但是由于滲透率的進一步減小，顆粒運移能力降低，第3測壓點p3未觀測到明顯的壓力升高，模型整體封堵強度更大，Fr和Frr分別為388.0和205.0。對于滲透率更小的0.7 D模型（如圖6（d）所示），B-PPG注入壓力（p1）急劇增大，壓力曲線沒有出現穩定的“平臺”，Fr和Frr達到650.0和170.0；說明B-PPG顆粒粒徑過大，在滲透率0.7 D模型中很難注入，存在堵塞現象；由于顆粒在入口端的堆積堵塞，無法到達模型深部，中后部測壓點p2和p3壓力未升高。綜上所述，100 ～150目B-PPG對巖心的封堵，存在最佳的滲透率條件（1.6 ～3.2 D），滲透率（5.2 D）過高時其封堵能力顯著降低，滲透率（0.7 D）過低時顆粒難以進入模型中，存在端面堵塞。

2.3 B-PPG的調剖效果

圖6 B-PPG在不同滲透率模型中的注入壓力動態Fig. 6 B-PPG injection pressure behaviors in the models with different permeability

（1）B-PPG的調剖能力。通過并聯模型中的調剖實驗，考察了B-PPG調整吸水剖面的能力，結果如圖7所示。調剖前，注入水大部分進入高滲，高、低滲分流率分別為 92∶18（如圖7（a）所示）、86∶14（如圖7（b））所示、85∶15（如圖7（c）所示）。開始注入B-PPG時，滲透率級差較大模型中（如圖7（a）所示），顆粒對高滲6.0 D模型的封堵能力弱，但仍起到了一定的液流轉向作用，高滲分流率明顯降低，低滲分流率增大，平均達到65∶35。但是由于B-PPG能夠同時低滲管，導致后續注水時，高滲分流率回升，低滲分流率降低。當B-PPG與高滲模型滲透率匹配時（如圖7（b）所示），高、低分流率差別程度減小，液流轉向能力增強，平均達到57∶43。但是由于低滲管的污染，后續注水時，高滲分流率回升，低滲分流率降低。部分研究表明，適當降低顆粒注入量，控制注入壓力，減少顆粒對低滲的傷害，能夠有效的改善后續注水時的吸水剖面。減小B-PPG注入量至0.5 PV（如圖7（c）所示）發現，注入B-PPG和后續注水過程中，高滲分流率降低、低滲分流率增大，吸水逐漸反轉。綜上所述，B-PPG具有良好的剖面調整能力，注入過程中能夠顯著改善吸水剖面，并且B-PPG與高滲的匹配性越好，剖面改善能力越強。適當減小B-PPG注入量，能夠降低B-PPG對低滲層的堵塞和傷害，改善后續注水階段吸水剖面。

圖7 并聯模型中的分流率特征Fig. 7 Characteristics of the shunt rate in the parallel models

（2）B-PPG調剖驅油效果。利用可視化填砂模型，考察了B-PPG擴大波及體積、提高采收率的能力，如圖8所示。對模型抽真空飽和油發現，原油能夠較好的進入低滲區域，對低滲形成充分飽和（如圖8（a）所示）；水驅過程中，由于高滲條帶內原油和注入水的流動能力強，注入水很快沿高滲竄流至出口，僅對高滲區域內原油形成驅替，低滲原油沒有得到有效動用，高、低滲區域間存在明顯的油水邊界（如圖8（b）所示）。注入B-PPG后，顆粒對高滲條帶形成有效封堵，體系逐步轉向低滲，對低滲原油形成良好驅動，區域內剩余油飽和度顯著降低（如圖8（c）所示）。

圖8 填砂模型中不同驅替階段原油分布狀態Fig. 8 Oil distribution at different displacement stages in the sand-packed model

3 結論

（1）B-PPG膨脹速度快，吸水10 min即可達到膨脹穩定，體積膨脹倍數為47.3，粒徑膨脹倍數為3.6，膨脹性能強于部分PPG。

（2）B-PPG與硬性顆粒不同，粒徑小于喉道直徑時很難通過架橋封堵孔喉；粒徑大于喉道直徑的B-PPG，能夠以單顆粒或者多顆粒堆積的方式封堵喉道，封堵具有暫時性和反復性；B-PPG的封堵能力存在匹配的滲透率條件為1.6～3.2 D。

（3）B-PPG注入后能夠有效增大低滲管分流率，實現液流轉向，降低非均質模型中低滲區域的剩余油飽和度，適用于非均質油藏調剖應用。