聚合物與預交聯凝膠顆粒復合調驅室內評價

敖文君 ，康曉東 ，黃波 ，王姍姍 ，李先杰 ，梁丹

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海油海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100028；3.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

隨著油田注水開發的深入，儲層受到驅替水的沖刷導致底層非均質性增強，后續注入水主要沿高滲透率儲層突進，層間層內干擾加劇，中低滲透率儲層中原油受水驅控制程度也隨之降低，水驅采收率也大大降低，因此，提高注入水的波及體積是提高非均質儲層原油采收率的重要方法［1-4］。顆粒類調驅劑預交聯凝膠顆粒（PPG）目前已在不少油田得到了應用，當前已成為改善吸水剖面的深部調剖技術之一。PPG因具有地面交聯、強度可控、耐溫耐鹽等特性［5-9］，對于非均質儲層，水驅或聚合物驅后，注入的PPG進入地層深部后，遇水并吸水膨脹［10-14］，可以實現對高滲透率儲層有效封堵，改善地層非均質性，增大后續水驅或聚合物驅波及系數，提高驅油效率。由于PPG顆粒體系在水中懸浮性能差，為了實現PPG的深部運移與深部封堵，本文通過將PPG與聚合物溶液進行復合，形成非均相復合驅油體系，就可以充分發揮分散相與連續相調和驅的協同作用［15-17］。采用本方法所形成的非均相復合調驅體系，具有良好的油藏適應性；運移能力以及封堵性能，因其可實現在線注入，也解決了海上油田平臺空間小的問題。

通過室內體系評價與物理模擬實驗，對比考察了單一預交聯凝膠顆粒、聚合物溶液以及非均相復合調驅體系的黏彈性能、封堵性能及驅油效果，并對比分析了不同調驅體系在非均質儲層中的調驅機理。

1 實驗

1.1 材料

預交聯凝膠顆粒質量分數為88.8%，初始粒徑30～50 μm；聚合物相對分子質量為 1 600×104，質量分數為90%；實驗用油為渤海某油田脫水原油與煤油混配而成的模擬油，黏度為 70 mPa·s（65℃）；實驗用水為根據油田現場水質配制模擬水，礦化度為9 653.08 mg/L，水質離子質量濃度見表1。

表1 水質離子質量濃度 mg·L-1

實驗用巖心：1）人造3層非均質巖心，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率依次為 600×10-3，1500×10-3，3 000×10-3μm2，不同滲透率儲層之間無夾層，相互連通，用于驅油效果評價；2）短圓柱巖心，尺寸為φ2.5 cm×10 cm，滲透率為 2 000×10-3μm2，用于注入封堵性評價。

實驗儀器：1）體系黏彈性能評價儀器為RS6000型流變儀、磁力攪拌器；2）物理模擬注入及驅油實驗裝置主要由驅替系統（ISCO高壓高精度柱塞泵）、加熱保溫系統（DY-3型恒溫箱）、壓力采集系統（高精度壓力傳感器，精度0.000 1 MPa）和液量采集系統組成。

1.2 方法

1）黏彈性評價。將配制好的聚合物溶液，PPG溶液以及復合體系溶液，在固定頻率、應力下，用RS6000型流變儀測定這3種體系溶液的黏彈性能，記錄測定過程中的損耗模量、彈性模量、黏度以及相位角，實驗溫度為65℃。

2）注入封堵性能評價。配制質量濃度1 750 mg/L聚合物溶液，500 mg/L的PPG溶液，聚合物1 750 mg/L+PPG500 mg/L復合體系，進行注入性實驗，先水驅，巖心水驅壓力穩定后，注入2 PV驅油體系，再水驅至壓力穩定，記錄每個階段的壓力及流量，考察不同體系在目標滲透率巖心中的注入封堵性能。

驅油體系在儲層中的注入封堵性能主要通過阻力系數與封堵效率進行評價，封堵效率可以通過巖心經驅油體系后滲透率的變化進行計算得到［18］。不同體系對巖心阻力系數和封堵效率計算公式分別為

式中：FR為阻力系數；λw和λp分別為水和調驅劑的流度，μm2/（mPa·s）；Δpw和 Δp 分別為調驅劑注入前后的穩定壓力，MPa；η為調驅劑的封堵效率，%；Kw和Kp分別為調驅劑注入前后水驅滲透率，μm2。

3）評價對比3種驅油體系。為了研究不同調驅體系的驅油機理，設計3組實驗方案：方案1為水驅至含水率98%，注0.3 PV PPG，后續水驅至含水率98%；方案2為水驅至含水率98%，注0.3 PV聚合物，后續水驅至含水率98%；方案3為水驅至含水率98%，注0.3 PV復合體系，后續水驅至含水率98%。實驗如圖1所示。

圖1 物理模擬實驗示意

2 結果與分析

2.1 黏彈性能評價

驅油體系在儲層中的運移性能和波及效率直接與驅油體系在儲層條件下的表觀黏度與黏彈模量相關。聚合物溶液、PPG溶液以及復合體系溶液在油田水質條件下的黏彈性能如表2所示：對于聚合物溶液，損耗模量（0.147 Pa）大于彈性模量（0.077 Pa），有較好的黏性；而PPG溶液，其彈性模量遠大于損耗模量，同時相位角較小，主要為彈性；而對于聚合物溶液與PPG所組成的復合體系，一方面彈性模量大于損耗模量，相比于聚合物體系，相位角也降低到30.4°，不僅有較好的黏性性能，也具有很好的彈性性能。

表2 驅油體系的黏彈性能

2.2 注入封堵性能評價

對比研究了聚合物、PPG以及復合體系在滲透率為2 000×10-3μm2的巖心中的注入運移性能，實驗溫度設定為65℃，注入速度為0.5 mL/min。根據實驗結果，繪制3種驅油體系在注入過程中的注入壓力和阻力系數隨注入量的變化規律（見圖2—圖4）。

圖2 聚合物注入壓力及阻力系數隨注入量的變化

圖3 PPG注入壓力及阻力系數隨注入量的變化

圖4 復合體系注入壓力及阻力系數隨注入量的變化

3種方案下，水驅階段注入壓力及阻力系數均較小。注入聚合物體系時，注入壓力迅速上升，注聚合物結束時的壓力達到0.280 0 MPa，轉后續水驅后，壓力開始快速下降，表明聚合物溶液的注入沒有形成長時間的有效封堵，對巖心的封堵效率一般，后續水驅壓力也很快達到平衡狀態。注聚合物過程中的阻力系數與注入壓力具有相似的規律，呈先迅速增加，再快速下降的趨勢，后續水驅后，最終的殘余阻力系數為34.33。

注入PPG溶液后，因PPG是一種預交聯的凝膠顆粒，其與水相溶后并不是連續相，而是顆粒性的形態溶解于水相中；因此，巖心在注入PPG溶液后，其壓力曲線并不是光滑的曲線，而是呈鋸齒狀逐漸上升，當PPG溶液注入結束后，轉后續水驅的過程，其注入壓力曲線也并不是快速下降的，而是緩慢下降的過程（見圖3）。表明，PPG在巖心中的運移過程是“運移—封堵—變形—突破—運移”的形式，這也使得PPG的注入壓力曲線呈現較大的“凸”形。同樣，PPG注入過程中的阻力系數的變化也呈現先緩慢上升，再緩慢下降的規律，因PPG黏度比聚合物低，其注入過程中的最高壓力及最大阻力系數均比注入聚合物時低，但封堵持續的時間更長。

注入聚合物與PPG復合體系時，注入壓力和阻力系數與單獨注入PPG時相似，呈波動式的升高。復合體系的注入、聚合物體系的存在，使驅替注入阻力增加，同時，凝膠顆粒也會對驅替相造成附加的流動阻力。另一方面，PPG為黏彈性的顆粒，隨著不斷注入，凝膠顆粒會在巖心中水化膨脹，并在巖心孔喉處形成橋架堵塞［19］。后續水驅階段，在注入水的推動下，堵塞在孔道中的凝膠顆粒繼續向巖心深部緩慢運移，雖然注入壓力和阻力系數下降，但凝膠顆粒在巖心中的運移過程是“運移—封堵—變形—突破—運移”的形式，因此注入壓力和阻力系數呈緩慢階梯狀的下降規律。

對比3種體系的注入封堵性能可以看出：復合體系驅的注入封堵性能最佳；聚合物為一種均相體系，阻力系數的上升及下降都是較快的趨勢；PPG為凝膠顆粒，一方面黏度較低，另一方面在水相中一定時間后，會逐漸沉降，不利于實現深部運移與封堵。而復合體系則具備了聚合物和PPG兩者的優勢，可以充分發揮分散相與連續相調和驅的協同作用［9-10］。

2.3 驅油效果評價

對比研究了PPG、聚合物以及復合體系在滲透率為 600×10-3，1 500×10-3，3 000×10-3μm2的非均質巖心中的注采特征及驅油效果，實驗溫度65℃，注入速度為0.5 mL/min。結果如圖5、圖6及表3所示。

圖5 不同調驅過程中注入壓力隨注入量的變化

圖6 不同調驅過程中含水率、采收率隨注入量的變化

表3 不同體系驅階段采收率

方案1為注PPG體系注入PPG體系后，壓力呈快速上升再平緩的趨勢，在PPG體系結束后，壓力并沒有快速下降，而是緩慢逐漸下降。同樣，對于含水率曲線，與方案2聚合物驅過程中的含水率相比，當含水率達到最低值后，含水率上升也更平緩，對于注PPG體系，其最終的采收率為45.8%，與水驅相比，采收率提高11.6百分點。

從方案2聚合物驅過程中的注采特征可以看出：注入聚合物后，壓力快速上升；注聚合物結束后，壓力達到峰值，開始后續水驅后，壓力呈快速下降，后逐漸趨于平緩的趨勢。同樣，含水率曲線也呈“V”字形，雖然最低含水率達到了50.5%，但維持低含水率的時間周期較短，聚合物驅最終采收率為51.5%，較水驅提高采收率15.7百分點。

方案3為聚合物與PPG復合驅。從圖5可以看出：巖心在注入復合體系后，壓力快速上升，當復合體系注入結束，轉后續水驅后，壓力并沒有立刻降低，而是有一個平緩期。這表明，在注入復合體系后，復合體系中的PPG在巖心內部是逐步運移，逐步封堵的過程，從含水率曲線同樣可看出，含水率是波動式的上升，復合驅過程中，最低含水率為54.4%，其最低含水率并沒有比單獨聚驅過程中的最低含水率低，但相比于聚合物驅，含水率在達到最低后，并沒有快速上升，而是緩慢上升的過程，且含水率下降漏斗面積更大，其最終采收率為54.8%。復合體系與單獨的聚合物驅相比，提高采收率3.6百分點，與單獨注PPG溶液相比，提高采收率7.7百分點，在驅油效率上，體現了調和驅的協同作用。主要原因是，復合體系具備了聚合物與PPG的雙重特性，既具有PPG體系的黏彈性能，擴大了波及面積，同時，可以利用聚合物的黏性，攜帶PPG進入巖心經水驅后的優勢通道，對水驅后的滲流通道進行有效封堵，迫使后續體系進入巖心未被波及的區域，擴大非均質儲層的波及面積，進一步提高驅油效率。

3 結論

1）聚合物與PPG復合體系同時具備了聚合物的黏性與PPG的彈性，在巖心注入過程中，壓力和阻力系數呈波動式的上升與下降。PPG在巖心內部是“運移—封堵—突破—運移”的過程，形成的復合體系對巖心高滲層可以實現深部運移與封堵。

2）與單獨的聚合物驅和注PPG體系相比，復合體系調驅提高采收率分別為3.6，7.7百分點，復合體系在調驅過程中可以充分發揮分散相與連續相調和驅的協同作用，更大程度地提高原油采收率。

3）針對海上不同非均質油藏的特點，可以根據目標油藏特征，優選合適的聚合物體系及PPG類型，進行聚合物與PPG復合體系性能評價，及調驅調剖效果分析與應用。