納米聚合物微球與低礦化度水復合調驅效果評價及作用機理*

袁偉峰，楊鈺龍，侯吉瑞，程婷婷

（1.中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京 102249；2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331）

0 前言

隨著油氣工業的發展，常規油氣資源在剩余油氣資源總量中所占的比重逐漸減小，低滲油氣資源逐步成為全球油氣勘探開發的熱點［1-2］。但低滲透油藏注水開發過程中，注入水竄逸現象嚴重，加劇儲層非均質性，導致油井含水迅速上升，注入水低效或無效循環，波及系數低，造成油藏中大量剩余油無法采出，開發效果差，經濟效益低［3-4］。因此，控制注入水竄逸，提高水驅波及效率是低滲透油藏剩余油挖潛的關鍵。

注入納米聚合物微球對低滲透油藏進行深部調驅是近年來該領域的研究熱點，室內和礦場均取得了良好的效果［5-7］。聚合物微球初始粒徑小，具有良好的分散性，吸水膨脹后，在通過儲層巖石孔道時單個或多個微球架橋封堵或者吸附在巖石表面封堵喉道，迫使深部液流發生轉向，進入低滲帶，啟動含油飽和度較高的儲層［8-10］。而聚合物微球的膨脹性能隨著溶劑水礦化度的升高而降低［11-12］。為保證納米聚合物微球良好的膨脹和封堵性能，應盡量為其創造低鹽環境。降低注入水的礦化度不僅能夠提升納米聚合物微球的調剖效果，而且能夠有效提高注入水的驅油效果。關于低礦化度水驅油原理尚未形成統一的認識，目前已提出的作用機理包括改變儲層潤濕性、引起儲層微粒運移和降低界面張力等［13-14］。其中，微粒運移是指儲層原生黏土顆粒在低礦化度水的作用下從巖石表面脫落，隨流體向下游運移的過程。在運移過程中一部分微粒會堵塞孔隙喉道，造成巖心滲透率下降，但從另一個角度看，在非均質油藏中，微粒堵塞孔喉可以改變注入流體的流動方向，使之流向未被波及的區域，從而提高波及系數［15-16］。但是，由于不同儲層黏土成分的含量不盡相同，有些儲層巖心在驅替實驗中并未收集到黏土顆粒，沒有發現微粒運移的現象［17］。因此，低礦化度水驅的調剖效果也因儲層類型而異［18］。

低礦化度水驅能夠提高驅油效率但對波及效率影響不大，而微球通過封堵高滲通道能夠提高波及效率，但對驅油效率影響不大。若兩者相結合使用，有可能同時提高驅油效率和波及效率，克服單一使用時的局限性。Brattekas 等［19］研究表明，低礦化度水驅有助于提高凝膠的封堵能力。Alhuraishawy等［20］驗證了低礦化度水與凝膠顆粒復合驅在裂縫性碳酸鹽巖油藏中提高采收率的可行性，在低礦化度水驅過程中，凝膠顆粒的尺寸增加使得顆粒能夠更有效地封堵裂縫，降低裂縫的導流能力，迫使低礦化度水進入基質，從而提高采收率。此外，Alhuraishawy 等［21］也驗證了低礦化度水與凝膠顆粒復合驅在裂縫性砂巖油藏中提高采收率的可行性，并發現低礦化度水和凝膠顆粒混合同時注入，比順序注入采收率更高，因為低礦度水的存在使凝膠發生膨脹，提高凝膠顆粒的封堵效率。可見，如果低礦化度水的驅油性能與納米聚合物微球的調剖性能相結合，低礦化度水驅的作用將得到更充分地發揮，二者相結合的深部調驅技術將兼具“調剖”和“驅油”兩種效果，且微球的調剖功能與低礦化度水驅中潛在的黏土顆粒運移具有協同增效的作用，可以有效地控制注入水竄逸；同時該技術能夠傳承二者成本低、制備和施工簡單的優勢，在低滲透油藏深部調驅領域應用潛力巨大。

目前，國內外尚未見到有針對低滲透油藏，對低礦化度水與納米聚合物微球復合調驅效果評價及作用機理的相關研究。鑒于在低礦化度環境中聚合物微球的膨脹性和穩定性可以得到有效保障，且微球與儲層中的黏土顆粒具有協同增效作用，本文通過巖心驅替實驗和核磁共振測試評價納米聚合物微球與低礦化度水復合驅油的適應性，并通過核磁共振T2譜和成像測試分析驅替過程中原油在巖心孔隙中的分布情況及剩余油特征，探究納米聚合物微球與低礦化度水的作用機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

露頭巖心50-1#～50-6#，基本物性見表1。模擬油為正十二烷，黏度2.20 mPa·s（25 ℃）；重水、蒸餾水；模擬地層水，礦化度9693.88 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Ca2+629.29、Mg2+251.70、Na+2700.04、HCO3-183.52、Cl-5899.58、SO42-29.75；納米聚合物微球，平均粒徑105 nm，北京石大萬嘉新材料科技有限公司。

表1 巖心基本物性

MesoMR23-60H 型尺寸核磁共振成像分析儀，共振頻率23 MHz，磁體強度0.3 T，允許驅替樣品直徑規格25 mm，磁體溫度為32 ℃，邁分析儀器股份有限公司；驅替實驗裝置包括HX-Ⅱ型真空加壓飽和儀、巖心夾持器、平流泵、壓力傳感器和中間容器等。

1.2 實驗方法

巖心50-1#、50-2#和50-3#驅油過程中進行核磁共振測試，巖心50-4#、50-5#和50-6#進行常規驅替實驗，實驗步驟類似，區別在于不使用重水，具體實驗方案見表2。

表2 實驗方案

一次水驅（恒速注入重水配制的地層水）直至含水率達到98%；進行納米聚合物微球驅（恒速注入重水配制的納米聚合物微球溶液）直至含水率達到98%；后續水驅（恒速注入重水配制的地層水）直至含水率達到98%；在驅油過程中在一些節點進行核磁T2譜及成像測試，檢測注入壓力，記錄產油量和產水量。

2 結果與討論

2.1 納米聚合物微球與低礦化度水復合驅油效果

2.1.1 驅替速率的影響

使用模擬地層水配制質量分數為1%的納米聚合物微球溶液，測定不同驅替速率下微球的封堵及驅油效果，實驗結果見表3，50-6#—50-4#巖心驅替過程中注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見圖1。

表3 納米聚合物微球驅油實驗結果

由表3可知，注入由地層水配制的微球溶液，隨著驅替速率增加，微球驅階段及最終采收率增加。由圖1（a）可知，驅替速率為0.1 mL/min 時，一次水驅穩定壓力為0.30 MPa，含水率快速增加，水竄現象明顯，采收率為39.01%；注入納米聚合物微球后，壓力稍微增加并穩定在0.50 MPa，后續水驅穩定壓力為0.32 MPa，最終采收率為47.87%；微球并未起到封堵作用，能夠順利通過巖心孔道。

圖1 不同驅替速率下注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

當驅替速率分別增至為0.2 mL/min 和0.5 mL/min 時，一次水驅穩定壓力分別為0.50 MPa 和1.20 MPa；納米聚合物微球驅階段壓力分別增加至0.80 MPa 和1.50 MPa；后續水驅穩定壓力分別為0.54 MPa和1.32 MPa；采收率分別提高7.02%和10.56%，最終采收率分別為56.14%和63.38%。驅替速率分別為0.1、0.2、0.5 mL/min 時，納米聚合物微球驅后封堵率分別為6.3%、7.4%和9.1%，即質量分數為1%的納米聚合物微球在3 種驅替速率條件下的封堵作用效果均不明顯。可能是因為選用巖心的滲透率較高而納米微球粒徑較小，微球能夠順利通過孔喉，無法有效封堵孔喉。

2.1.2 聚合物微球濃度

以驅替速率0.2 mL/min 注入由模擬地層水配制的質量分數為5%的納米聚合物微球，驅替過程中50-3#巖心的注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見圖2。一次水驅穩定壓力為0.71 MPa，納米聚合物微球驅階段壓力增加至1.80 MPa，后續水驅壓力穩定在1.40 MPa。與質量分數為1%的納米聚合物微球驅油實驗結果相比，注入壓力顯著增加，封堵率為49.3%，表明質量分數為5%的納米聚合物微球起到明顯的封堵作用。較高濃度下納米聚合物微球會發生團聚，相互黏結形成較大尺寸的團聚體，從而封堵孔喉。與驅替速率條件相比，納米聚合物微球濃度對封堵作用效果的影響較大。納米聚合物微球驅及后續水驅初期階段含水率均明顯下降，提高采收率17.83%，最終采收率為65.03%。

圖2 50-3#巖心注入壓力、含水、采收率隨注入體積的變化（微球質量分數為5%）

2.1.3 聚合物微球溶液礦化度

納米聚合物微球與低礦化度水復合驅過程，采用同時注入方式［21］。50-1#、50-2#、50-3#巖心分別注入由礦化度分別為96.94、969.39、9693.88 mg/L的水配制的質量分數為5%納米聚合物微球溶液，50-2#、50-1#巖心注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見圖3。由圖3（a）可知，50-2#巖心注入由低礦化度水（礦化度為969.38 mg/L）配制的質量分數為5%的納米聚合物微球溶液，一次水驅穩定壓力為0.72 MPa，納米聚合物微球驅穩定壓力為2.11 MPa，后續水驅壓力穩定在2.04 MPa，與注入地層水（礦化度9693.88 mg/L）配制的聚合物微球相比（50-3#，圖2），納米聚合物微球驅和后續水驅階段壓力明顯增加，封堵率增加至64.7%。納米聚合物微球在低礦化度水中發生水化膨脹，體積增大，更有利于封堵巖心大孔喉，封堵作用增強［11］。此外，低礦化度水會引起巖心中微粒發生運移并堵塞孔喉［15］，兩者協同作用起到更好的封堵作用。由表1和圖3（a）可知，一次水驅采收率為49.13%，含水率上升迅速；納米聚合物微球驅油階段提高采收率17.77%；后續水驅階段提高采收率4.88%；最終采收率為71.78%，采收率提高22.65%。

50-1#巖心注入由低礦化度水（礦化度為96.94 mg/L）配制的納米聚合物微球溶液（質量分數為5%），由圖3（b）可知，50-1#巖心驅油過程中注入壓力、含水、采收率變化趨勢與50-2#巖心相似，一次水驅穩定壓力為0.78 MPa，微球驅階段壓力增加至2.50 MPa，后續水驅穩定壓力為2.43 MPa，封堵率為67.9%，即隨礦化度的降低，微球封堵作用效果更加顯著。一次水驅采收率為48.95%，納米聚合物微球驅提高采收率20.63%，后續水驅提高采收率4.2%，最終采收率為73.78%。納米聚合物微球與低礦化度水協同增效驅油效果顯著，隨溶液礦化度的降低，注入壓力增加，采收率提高。

圖3 50-2#、50-1#巖心注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

2.2 不同驅替階段核磁T2譜分析

2.2.1 核磁T2譜及成像

T2譜曲線反映巖心中油相的變化，巖心驅油實驗各個階段的核磁共振T2譜曲線見圖4。巖心初始飽和油狀態下T2譜曲線在弛豫時間0.1～600 ms 均有分布，主要偏向長弛豫時間20～600 ms，即原油主要分布在相對較大的孔隙中。一次水驅，注入2 PV 時，T2譜曲線峰值及包圍面積均發生明顯下降，注入5 PV時，T2譜曲線形態未再發生明顯變化。轉注納米聚合物微球，注入2 PV 時，T2譜曲線弛豫時間20～600 ms的信號量明顯降低，與50-3#巖心（配液用水為模擬地層水）相比，50-1#巖心（配液用水為低礦化度水）的T2譜曲線峰值及包圍面積下降更加明顯，說明低礦化度水和納米聚合物微球復合驅有利于提高微球驅階段采油量。后續水驅的T2譜包圍面積繼續降低，其中50-1#巖心后續水驅的T2譜曲線形態發生明顯變化，說明微球溶液礦化度越低，微球封堵作用效果越好，提高后續水驅波及效率。

圖4 不同礦化度微球溶液驅油的核磁T2譜

對50-1#巖心水驅和聚合物微球驅過程中5 個節點進行核磁成像，結果見圖5。由圖5可以直觀看出各個階段巖心中剩余油的分布情況。一次水驅5 PV 結束，巖心中仍存在大量剩余油，集中分布在巖心中部［圖5（c）］；注入納米聚合物微球溶液，含油量明顯減小［圖5（d）］，說明微球有效地封堵水竄通道，改變注入流體的流動方向，有效啟動一次水驅尚未波及區域的剩余油，提高了波及效率，且低礦化度水能夠提高驅油效率，因此低礦化度水與納米微球復合驅階段顯著提高采收率；后續水驅進一步將巖心中剩余油驅出。

圖5 50-1#巖心驅油過程中的核磁共振圖像

2.2.2 不同尺寸孔隙中原油動用程度

將T2譜曲線的弛豫時間轉換為孔隙半徑大小，信號量轉換為含油量，可以得到不同階段孔隙中含油量變化［22-23］，結果見圖6。由圖6 可知，巖心飽和油主要分布在0.002～12 μm孔隙中；一次水驅5 PV后，0.02～12 μm 孔隙中的含油量均發生下降；納米聚合物微球驅階段，0.02～12 μm孔隙中含油量進一步下降，說明能夠有效地啟動剩余油。與注入地層水配制的納米聚合物微球溶液的50-3#巖心相比，低礦化度水與納米聚合物微球復合驅的50-1#巖心中0.02～0.2 μm 和0.2～2 μm 孔隙中原油均明顯下降，說明復合驅能夠有效啟動中小孔隙中剩余油。

圖6 不同驅油階段孔隙中的含油量

采用不同礦化度水配制的聚合物微球驅替階段不同孔隙中采出油量與聚合物微球驅階段總采出油量之比（貢獻率）見圖7。由圖7可知，聚合物微球驅階段采出油量主要來自2～12 μm孔隙，平均占75%。隨著注入聚合物微球溶液的礦化度降低，0.2～2 μm 孔隙中驅替出的原油對該階段總產油量的貢獻增加，由15%增至23%。隨著礦化度降低，納米聚合物微球能夠更好地封堵水竄通道，迫使注入流體發生轉向，使低礦化度水流向中小孔隙，有效啟動中小孔隙中的剩余油。

圖7 不同礦化度下微球驅階段孔隙中采出油量所占比重

3 結論

納米聚合物微球與低礦化度水復合體系兼具調剖和驅油雙重效果，復合體系相比單一聚合物微球驅油，提高采收率由17.8%增加至24.4%，后續水驅穩定注入壓力由1.40 MPa升高至2.43 MPa，封堵率由49.3%增加至67.9%。

增加注入微球溶液的濃度和降低溶液的礦化度，均會顯著增強微球的封堵和驅油效果。前者僅是因為微球發生團聚形成尺寸較大的團聚體，而后者主要是微球在低礦化度水中發生膨脹，且低礦化度水能夠提高驅油效率。核磁共振T2譜曲線及成像結果表明，微球驅階段產油量主要來自2～12 μm孔隙中，即注入納米聚合物微球能夠有效地封堵水竄通道，改變注入流體的流動方向，提高波及效率，使低礦化度水啟動尚未波及區域的剩余油；同時隨著礦化度降低，0.2～2 μm 孔隙中原油動用程度增加，即微球的封堵作用效果增強，迫使低礦化度水流向中小孔隙，啟動剩余油。納米聚合物微球與低礦化度水協同增效驅油在低滲透油藏提高采收率方面具有一定的應用潛力。