聚合物微球調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

張金元

西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院/陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （陜西 西安 710065）

中國的很多油田進(jìn)入了開發(fā)后期，水驅(qū)提高采收率是目前已開發(fā)油田補(bǔ)充地層能量最主要的措施[1]。由于儲層的非均質(zhì)性、水竄等原因，注入水沿著高滲透層滲流，低滲透層原油難以啟動，水驅(qū)波及系數(shù)降低，從而影響了水驅(qū)效果[2]。聚合物微球乳液調(diào)驅(qū)技術(shù)是在交聯(lián)聚合物溶液調(diào)剖技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)驅(qū)技術(shù)[3]，微球具有抗溫性、抗鹽性、黏彈性、膨脹性和封堵性[4]，可以在巖石孔道中運(yùn)移和吸水膨脹，從而達(dá)到深部調(diào)驅(qū)的效果[5]。目前國內(nèi)外對聚合物微球的研究主要集中在聚合物微球的制備，理化特性評價以及室內(nèi)調(diào)剖封堵實(shí)驗(yàn)等，對現(xiàn)場施工的注入?yún)?shù)研究較少[6-9]。為了對現(xiàn)場施工提供參數(shù)選擇，通過并聯(lián)填砂管物理模型封堵試驗(yàn)系統(tǒng)對聚合物微球的注入濃度、注入量、注入方式進(jìn)行了優(yōu)化。能夠?yàn)榈蜐B透油藏聚合物微球調(diào)驅(qū)現(xiàn)場施工提供參數(shù)選擇依據(jù)，對低滲透油藏聚合物微球形成技術(shù)支撐，從而提高低滲透油藏開發(fā)程度，有效提高低滲透油藏原油采收率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水（安塞油田王窯區(qū)塊長6，CaCl2型，礦化度89 850 mg/L，Ca2+20 710 mg/L，K++Na+12 220 mg/L，Ba2+648 mg/L，Cl-56 105 mg/L，HCO3-83 mg/L），飽和填砂管時用油為工業(yè)白油（黏度11.54 mPa·s，60℃、剪切速率7.221 1/s）。填砂管所用石英砂粒徑為250～380 μm、120～180 μm、75 μm（40～60目、80～120目、200目）3種類型的石英砂按照不同的比例和不同砸實(shí)程度填制。

實(shí)驗(yàn)所用聚合物微球?yàn)閃Q100聚合物微球，采用英國馬爾文公司Nano-ZS90激光粒度分布儀測量。結(jié)果表明聚合微球樣品初始平均粒徑為141.3 μm，Median Diameter為141.3 μm，Mean Diameter為163.4 μm，Polydispersity（聚合物多分散度）為0.358，GSD為1.739。聚合物微球在60℃恒溫箱里靜置3 d，再用激光納米粒徑儀測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Median Diameter為 728.9 μm，Mean Diameter為 856.8 μm，Polydispersity（聚合物多分散度）為0.382，GSD為1.766。在60℃恒溫箱里放置3 d之后，粒徑中值由141.3 μm膨脹為728.9 μm。粒徑膨脹倍數(shù)為5.16倍。粒徑膨脹變化如圖1所示。

采用Haake RS6000旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)子型號為C60/1°TiL錐板在7.221 1/s、60℃下測不同濃度和不同乳化時間的聚合物微球黏度，結(jié)果見表1。

圖1 不同水化時間WQ100微球粒徑分布

表1 聚合物微球乳液黏度（60℃）

采用ZEISS型光學(xué)顯微鏡對60℃條件下不同水化時間的WQ100微球乳液進(jìn)行觀察，顯微照片如圖2所示。水化初期和水化1 d，聚合物微球均勻分散在乳液中，微球大小較為均勻，沒有明顯差別；水化7 d后，微球明顯產(chǎn)生交聯(lián)，微球粒徑增大，微球數(shù)目明顯增多，發(fā)生團(tuán)聚作用，出現(xiàn)了大粒徑微球。

圖2 不同水化時間WQ100微球乳液顯微照片

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，關(guān)鍵部件為填砂管2根，管長1 000 mm，內(nèi)徑25 mm，最大承壓32 MPa；MCGS壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；真空泵；神州微科2PB系列平流泵（量程范圍0.01～5.00 mL/min）；分析天平（精度0.001 g）；活塞式壓力容器；大型恒溫箱及常規(guī)玻璃器皿等。

圖3 聚合物微球調(diào)驅(qū)封堵實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

為了探究聚合物微球乳液對驅(qū)替效果的影響，采用同注分采的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮不同注入濃度、不同注入量以及不同注入時機(jī)對采收率的影響，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①采用不同粒徑的石英砂以不同的配比、不同的壓實(shí)程度填充出不同滲透率極差填砂管，并檢查氣密性；②測氣測滲透率，抽真空，飽和模擬地層水，計(jì)算孔隙度，連接設(shè)備，測水相滲透率，記錄驅(qū)替流量、驅(qū)替壓力、時間、出液量，飽和模擬油，測油相滲透率；③采用合注分采的方式驅(qū)替，對不同注入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化。開始一次水驅(qū)油，驅(qū)替速度為1 mL/min，10 min分別記錄一次高滲物理模型、低滲物理模型的出油量、出水量、總液量以及入口處動態(tài)壓力數(shù)據(jù)。并計(jì)算動態(tài)含水率。驅(qū)替到綜合含水率80%時，開始注入一定濃度的聚合物微球乳液。注入之后等聚合物微球乳液在60℃養(yǎng)護(hù)24 h。后續(xù)水驅(qū)，水驅(qū)到綜合含水率98%時結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 合理的注入濃度

為了優(yōu)化合理注入濃度，進(jìn)行3次并聯(lián)填砂管聚合物微球調(diào)剖實(shí)驗(yàn)，通過采用多次填砂方法進(jìn)行充填（3次填砂管極差分別為3.37、3.48和3.60）。首先進(jìn)行水驅(qū)，當(dāng)水驅(qū)動態(tài)含水率達(dá)到80%時，注入不同濃度（1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L）的聚合物微球溶液0.3 PV，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在注入聚合物微球乳液0.3 PV之后，濃度為1 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了6.13%，低滲物理模型累積采收率提升了53.27%，總采收率為67.6%；濃度為2 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了14.96%，低滲物理模型累積采收率提升了45.25%，總采收率為72.99%；濃度為3 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了7.80%，低滲物理模型累積采收率提升了43.59%，總采收率為71.12%。注入聚合物微球乳液之后，微球能相互凝聚交聯(lián)成團(tuán)形成體積更大的微球，濃度越高，注入壓力會升高，對設(shè)備要求較高，注入濃度過低，微球無法形成有效交聯(lián)體，達(dá)不到預(yù)期的效果。當(dāng)濃度為2 000 mg/L時，總采收率最高。綜合考慮最佳注入濃度為2 000 mg/L。

圖4 合理濃度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 合理的注入量

在最佳注入濃度（2 000 mg/L）的基礎(chǔ)上，為了確定最佳注入量，設(shè)計(jì)了滲透率極差分別是3.29、3.48、3.31的填砂管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行水驅(qū)，當(dāng)水驅(qū)動態(tài)含水率達(dá)到80%時分別注入0.2 PV、0.3 PV、0.4 PV的2 000 mg/L的聚合物微球乳液，之后再進(jìn)行水驅(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及3種注入量的對比結(jié)果如圖5所示（0.3 PV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（b）所示）。

由圖5可以看出，當(dāng)注入聚合物微球乳液量為0.2PV時，高滲模型采收率提高10.64%，低滲模型采收率提高36.90%，總采收率為63.82%。當(dāng)注入聚合物微球乳液量為0.3 PV時，高滲模型采收率提高14.96%，低滲模型采收率提高45.75%，總采收率為72.99%。當(dāng)注入聚合物微球乳液量為0.4 PV時，高滲模型采收率提高18.18%，低滲模型采收率提高52.32%，總采收率為68.46%。由此可知，聚合物微球注入量為0.4 PV時低滲模型采收率提高最多。微球乳液注入量越多低滲模型采收率提高越大。但是注入量為0.4 PV時總采收率68.46%小于注入量為0.3 PV時的總采收率72.99%。分析認(rèn)為注入量大于孔隙體積時，聚合物微球乳液會從出口流出，部分微球直徑小于儲層喉道，從而流出的部分就起不到調(diào)驅(qū)的作用。此外當(dāng)儲層孔隙度在30%時，最佳注入量為0.3 PV，分析認(rèn)為該注入量下聚合物微球溶液正好可以充滿填砂管的孔隙空間，注入量過多會從出口流出，注入量過少達(dá)不到預(yù)期的效果。

2.3 合理的注入時機(jī)

在確定了最佳注入濃度（2 000 mg/L）和最佳注入量（0.3 PV）的基礎(chǔ)上，為了確定最佳注入時機(jī)，設(shè)計(jì)了滲透率極差分別是3.78、3.48、6.37的填砂管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行水驅(qū)，當(dāng)水驅(qū)動態(tài)含水率分別達(dá)到63%、81.67%、91.67%時注入2 000 mg/L、0.3 PV的聚合物微球乳液，之后再進(jìn)行水驅(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及3種注入量的對比結(jié)果如圖6所示（動態(tài)含水率81.67%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（b）所示）。

圖5 合理注入量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，注入時機(jī)為動態(tài)含水率63.00%時，高滲模型采收率提高15.35%，低滲模型采收率提高52.13%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高37.88%，總采收率為57.68%；注入時機(jī)為動態(tài)含水率80%時，高滲模型采收率提高14.96%，低滲模型采收率提高45.75%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高18.05%，總采收率為72.99%；注入時機(jī)為動態(tài)含水率91.67%時，高滲模型采收率提高2.71%，低滲模型采收率提高42%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高6.4%，總采收率為66.08%。雖然總采收率為動態(tài)含水率80%時最高，但是在注入0.3 PV聚合物微球時，動態(tài)含水率分別為63.00%、80%、91.67%，低滲模型提高采收率37.88%＞18.05%＞6.40%。可以看出，當(dāng)動態(tài)含水率到達(dá)63%時，注入聚合物微球封堵效果最明顯，采收率變化最大，但是總采收率并不高。圖6（a）中，當(dāng)開始注入聚合物微球時，動態(tài)含水率曲線迅速降低，說明注入微球封堵了高滲模型。導(dǎo)致高滲模型的總采收率只有50.48%，部分油被封堵在里面采不出來，所以注入聚合物微球的最佳時機(jī)是當(dāng)高滲模型出油很少或者已經(jīng)不出油時，開始注入聚合物微球封堵高滲透層。

圖6 合理注入時機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)動態(tài)含水率到達(dá)63%時，注入聚合物微球乳液封堵效果最佳，但也同時封堵了高滲透層，當(dāng)動態(tài)含水率91.67%時，低滲模型采收率提高42%小于動態(tài)含水率80%時，低滲模型采收率提高45.75%。此外動態(tài)含水率91.67%時的總采收率66.08%也小于動態(tài)含水率80%時的72.99%。所以最佳注入時機(jī)為動態(tài)含水率80%時，提高總采收率效果最好。對高滲層而言，由于滲透率高，孔隙連通性好，因此應(yīng)在水驅(qū)效果不理想時（不出油或出油量較低）改用聚合物微球調(diào)驅(qū)將有效提升驅(qū)替效果。注入微球時，由于高滲模型連通性好，所以注入的微球數(shù)量多，而低滲模型注入的則少。微球注入后，在高滲透物理模型中成團(tuán)交聯(lián)在一起變成大的微球，起到封堵作用，運(yùn)移、深部調(diào)剖。封堵了高滲模型，從而增大入口壓力，產(chǎn)生附加壓力梯度，低滲模型中本來不流動的這一部分油，由于壓力升高發(fā)生流動，向前推進(jìn)。使得液流發(fā)生轉(zhuǎn)向，低滲模型出油量增加，從而提高了原油采收率。實(shí)驗(yàn)條件下最佳注入時機(jī)是動態(tài)含水率為80%。

在7組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，各個填沙管的基本參數(shù)及驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 非均質(zhì)油藏模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，聚合物微球濃度在2 000 mg/L時為最佳。

2）當(dāng)孔隙度為30%時，注入量為0.3 PV時封堵效果最好。

3）當(dāng)動態(tài)含水率在60%時，低滲模型水未突破前，注入微球效果最好；注入聚合物微球可以讓動態(tài)含水率穩(wěn)產(chǎn)期提前，盡早的采出低滲物理模型的原油。當(dāng)動態(tài)含水率91.67%時，注入聚合物微球后提高采收率效果不明顯。當(dāng)動態(tài)含水率80%時，高滲模型出油很少，此時注入聚合物微球封堵高滲透層，可使最終總采收率最高。因此，最佳注入聚合物微球時機(jī)是動態(tài)含水率為80%。