微球性能及其微觀作用研究*

呂 鵬，薛寶慶，王 楠，李彥閱，李俊杰

（中海石油（中國(guó)）有限公司 天津分公司，天津300452）

海上油氣田的開發(fā)屬性決定了海上油井必須以較高的采油速度進(jìn)行生產(chǎn)。渤海油田油品黏度較高，地層非均質(zhì)性嚴(yán)重，注入水沿高滲層突入油井，生產(chǎn)井見水早，含水上升速度快。隨著油田的開發(fā)，油井高含水問(wèn)題越來(lái)越突出，亟需新的、有效的改善水驅(qū)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)油田的增油穩(wěn)產(chǎn)[1]。

目前，渤海油田常用的調(diào)剖技術(shù)有聚合物交聯(lián)凝膠技術(shù)[2]、聚合物驅(qū)在線調(diào)剖技術(shù)[3,4]、深部液流轉(zhuǎn)向調(diào)剖技術(shù)[5]及體膨顆粒類技術(shù)[6]。本文在現(xiàn)有體膨顆粒類技術(shù)的研究基礎(chǔ)上[7-11]，主要研究了一種典型微球聚合物的膨脹性能、微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)移性能、提高采收率性能。利用架橋理論、膠體與界面化學(xué)理論對(duì)其驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行了討論，本文將為渤海油田微球聚合物調(diào)驅(qū)技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

CaCl2、NaOH、NaCl、Na2CO3、MgCl2、NaHCO3、KCl、MgSO4均為化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)室自制一次蒸餾水，用于配制模擬海水；微球（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院研發(fā)產(chǎn)品，固含量31%）。

實(shí)驗(yàn)用油由渤海F 油田脫氣、脫水原油與煤油混合而成（8∶2），油藏溫度50℃時(shí)黏度為184mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為室內(nèi)模擬海水，利用一次蒸餾水按照F油田注入水水質(zhì)分析結(jié)果顯示的離子組成配制而成。F 油田注入水水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 F 油田注入水離子組成與含量Tab.1 Ion composition and content of injected water in F Oilfield

實(shí)驗(yàn)巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心，外觀幾何尺寸：寬×高×長(zhǎng)=45mm×45mm×300mm，分高滲、低滲兩種規(guī)格，設(shè)計(jì)滲透率分別為18000、3600mD ，填砂模型，設(shè)計(jì)滲透率為20000mD。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BDS400 倒置生物顯微鏡（重慶奧特光學(xué)儀器公司）；FEG 450 掃描電鏡（美國(guó)FEI 公司）；注入性、提高采收率實(shí)驗(yàn)用驅(qū)替裝置，主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 微球膨脹性能、微觀結(jié)構(gòu)研究

采用模擬水配制濃度為3000mg·L-1微球溶液，測(cè)試初始粒徑后置于50℃保溫箱中。一定時(shí)間后取出少量樣品，采用BDS400 生物顯微鏡觀測(cè)顆粒外觀形態(tài)，記錄顆粒尺寸、水化時(shí)間，直至顆粒尺寸保持基本穩(wěn)定后停止實(shí)驗(yàn)，計(jì)算微球在不同水化時(shí)間的膨脹倍數(shù)。

不同水化時(shí)間后微球的分散狀態(tài)見圖1。

由圖1 可見，微球以球狀或類球狀分散于水中。微球初始尺寸為7.3μm，遇水后緩慢膨脹。水化1、3、5、7 和10d 后微球尺寸分別為8.6、11.9、17.9、19.5和20.0μm，對(duì)應(yīng)的體積膨脹倍數(shù)分別1.63 倍、4.33倍、6.00 倍、19 倍、20 倍，水化7d 后微球尺寸基本保持穩(wěn)定。

圖1 不同水化時(shí)間微球分布形態(tài)Fig.1 Microsphere distribution after different hydration times

采用FEG 450 掃描電鏡觀察微球的微觀結(jié)構(gòu)，微球在掃描電鏡下的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 微球在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro-structure of microsphere observed by SEM

掃描電鏡表征結(jié)果表明，微球微觀結(jié)構(gòu)主要以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主。結(jié)合生物顯微鏡觀察到的微觀形態(tài)結(jié)果可知，微球在溶液中只膨脹、不溶解，這是微球?qū)崿F(xiàn)調(diào)整吸水剖面的前提。

2.2 微球注入性能

采用砂管模型在驅(qū)替裝置中考察微球的注入性能。注入性實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖3。

圖3 微球注入性實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of microsphere injection experiment

注入性實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）配制3000mg·L-1微球溶液，靜置膨脹1d；

（2）填砂管、抽真空，飽和模擬水，將全套實(shí)驗(yàn)儀器置于溫度為50℃恒溫箱中升溫；

（3）向填砂模型注入模擬水，直至壓力穩(wěn)定，水測(cè)滲透率。當(dāng)滲透率為滿足18000mD≤K≤22000mD時(shí)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)；

（4）轉(zhuǎn)注微球溶液 以0.4mL·min-1恒定速度注入1PV 微球聚合物溶液后，再轉(zhuǎn)注后續(xù)水至壓力基本平穩(wěn)后停止實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄各測(cè)壓點(diǎn)的壓力值。

微球溶液注入填砂模型后的各壓力響應(yīng)結(jié)果見圖4。實(shí)際測(cè)定的填砂模型滲透率為21620mD。

圖4 微球注入后不同測(cè)壓點(diǎn)壓力響應(yīng)Fig.4 Pressure response of different pressure measuring points after microsphere injection

注入微球后，測(cè)壓點(diǎn)P1、P2、P3、P4依次響應(yīng)，壓力均有所上升。測(cè)壓點(diǎn)P1、P2、P3壓力上升較為明顯，測(cè)壓點(diǎn)P4上升較為緩慢且幅度較小。各測(cè)壓點(diǎn)沒有發(fā)生急劇驟升的現(xiàn)象，說(shuō)明微球在填砂模型中能夠不斷向出口端運(yùn)移，達(dá)到深部調(diào)剖的目的。由于微球在運(yùn)移過(guò)程中繼續(xù)發(fā)生膨脹、變形等變化，各測(cè)壓點(diǎn)壓力均表現(xiàn)出小幅度的上下波動(dòng)。

2.3 提高采收率實(shí)驗(yàn)

采用雙管巖心考察微球的提高采收率性能。提高采收率實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖5。

圖5 提高采收率實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Schematic diagram of microsphere EOR experiment

提高采收率實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）巖心稱干重后抽真空飽和模擬水，稱濕重并計(jì)算孔隙體積；

（2）分別測(cè)定巖心滲透率并在油藏溫度條件下油驅(qū)替水進(jìn)行飽和模擬油，直至不出水，計(jì)算含油飽和度，老化24h。

（3）將巖心接入圖2 所示實(shí)驗(yàn)流程內(nèi)，水驅(qū)至含水98%后，注入0.3PV 微球溶液，緩膨7d 后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)。整個(gè)驅(qū)替過(guò)程每隔20min 收集一次采出液，計(jì)算采收率。

上述提高采收率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬水、模擬油、微球聚合物溶液的注入速度均為0.4mL·min-1。

微球提高采收率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)與結(jié)果見表2、3。

表2 微球提高采收率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Tab.2 Parameters of experimental model for EOR experiment

表3 微球提高采收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of EOR experiment

水驅(qū)至含水率達(dá)98%時(shí)，總的采收率為27.57%。注入0.3PV 微球溶液并候膨7d，后續(xù)注水，含水率達(dá)98%時(shí)總的采收率為37.81%，提高采收率為10.24%。低滲巖心的提高采收率值達(dá)到12.91%，大于高滲巖心的提高采收率值（7.96%）。恢復(fù)注水后更多模擬水進(jìn)入低滲巖心進(jìn)行驅(qū)替是出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因。

2.4 微球微觀作用研究

微球主要通過(guò)架橋封堵、吸附、滯留改善水流優(yōu)勢(shì)通道的微觀結(jié)構(gòu)，促使更多后續(xù)水進(jìn)入原水驅(qū)過(guò)程未波及的部位進(jìn)行驅(qū)替。典型的架橋封堵示意圖見圖6。

圖6 典型的架橋封堵示意圖Fig.6 Typical schematic diagram of bridging effect

由圖6 可見，一方面，微球?qū)⑼ㄟ^(guò)架橋封堵機(jī)理，封堵大孔隙管徑中的孔吼、孔道[12]。另一方面，膨脹后的微球也將在大孔隙通道中吸附、滯留，這兩種作用將大幅度改變水流優(yōu)勢(shì)通道的微觀結(jié)構(gòu)，增大了后續(xù)水注入過(guò)程的流動(dòng)阻力，迫使更多的后續(xù)水進(jìn)入原水驅(qū)過(guò)程未波及部位，達(dá)到了液流改向、提高采收率的目的。

3 結(jié)論

（1）微球膨脹7d 后趨于穩(wěn)定，體積膨脹倍數(shù)達(dá)20 倍。微球能實(shí)現(xiàn)深部運(yùn)移，提高采收率效果明顯。

（2）微球在水中只能膨脹、不能溶解是微球發(fā)揮提高采收率作用的前提。微球膨脹后的架橋封堵作用以及在水流優(yōu)勢(shì)通道中的吸附、滯留作用是其發(fā)揮液流改向、提高采收率的主要機(jī)理。