趙鳳蘭 曹淑君 侯吉瑞 苑光宇

中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院

鉻凍膠與高滲油藏竄流通道強(qiáng)度的適應(yīng)性研究

趙鳳蘭 曹淑君 侯吉瑞 苑光宇

中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院

中高滲油藏經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期注水開發(fā)，儲(chǔ)層物性發(fā)生了變化，導(dǎo)致注入水沿著高滲透帶形成不同強(qiáng)度的竄流通道，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)常用的鉻凍膠，通過(guò)動(dòng)態(tài)封堵實(shí)驗(yàn)研究了不同聚合物濃度（3 000 mg/L和5 000 mg/L）鉻凍膠體系在不同滲透率竄流通道中的注入、封堵性能及驅(qū)油效果，并引入了擬阻力系數(shù)和擬殘余阻力系數(shù)，分析了鉻凍膠與竄流通道強(qiáng)度的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物濃度越高，凍膠的注入性能越差，但是封堵性能以及調(diào)剖增油效果越好；竄流通道滲透率越高，凍膠封堵強(qiáng)度越弱，而調(diào)剖增油效果越差；鉻凍膠對(duì)3 D、5 D、10 D、50 D的竄流通道適應(yīng)性較好，對(duì)于100 D、150 D、200 D的竄流通道適應(yīng)性較差。該研究結(jié)果為鉻凍膠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)封堵高滲油藏竄流通道提供了參考依據(jù)。

鉻凍膠；高滲油藏；竄流通道；擬阻力系數(shù)；擬殘余阻力系數(shù)；適應(yīng)性

隨著油田開發(fā)的不斷深入，注水開發(fā)中、高滲油藏中常出現(xiàn)一定厚度的大孔道，即高滲透條帶或竄流通道。大孔道主要有2種：油層中的原生大孔道，如裂縫、特高滲透層或條帶；長(zhǎng)期驅(qū)替后形成的次生大孔道。長(zhǎng)期水驅(qū)開發(fā)的油藏一般物性參數(shù)都會(huì)發(fā)生較大變化，使油藏非均質(zhì)性和各向異性加劇。因此，在油藏注水開發(fā)中后期，油藏深部大孔道的封堵已成為重要的提高采收率措施之一［1-2］。

聚合物凝膠作為非均質(zhì)油田開發(fā)后期穩(wěn)油控水的重要途徑，由于其注入性好、穿透地層能力強(qiáng)的特點(diǎn)在油田調(diào)剖堵水中得以廣泛應(yīng)用，典型代表為鉻凍膠［3-4］。針對(duì)高滲油藏水驅(qū)后形成的竄流通道，通過(guò)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)及并聯(lián)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，研究了鉻凍膠在不同強(qiáng)度竄流通道中的注入、封堵性能和調(diào)剖增油效果，以及鉻凍膠與高滲油藏竄流通道的適應(yīng)性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

Experiment

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

Materials and instruments

實(shí)驗(yàn)材料：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），分子量2.5×107；重鉻酸鈉（分析純）；有機(jī)還原劑；穩(wěn)定劑；NaHCO3（分析純），Na2SO4（分析純），CaCl2（分析純），KCl（分析純），NaCl（分析純）。

主要儀器：DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（美國(guó)Brookfield公司），2PB00C平流泵（北京衛(wèi)星廠，量程范圍0.01～5.00 mL/min），MCGS壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（北京昆侖通態(tài)軟件公司），壓力傳感器，恒溫箱，真空泵，手搖泵，天平，常規(guī)玻璃儀器。

1.2實(shí)驗(yàn)條件與方法

Conditions and methods 1.2.1 實(shí)驗(yàn)條件 實(shí)驗(yàn)溫度64 ℃；注膠速度0.3 mL/min，注水速度0.3 mL/min；實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度為48 760 mg/L，離子質(zhì)量濃度：Na++K+為 24 497 mg/L，Ca2+為 61 mg/L，HCO3-為218 mg/L，SO42-為 417 mg/L，Cl-為 23 567 mg/L；實(shí)驗(yàn)用油為脫水原油，表觀黏度為7.86 mPa·s（64℃時(shí)剪切速率為10 s-1）；?2.5 cm×100 cm填砂管。1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 使用清水配制鉻凍膠，研究其靜態(tài)成膠時(shí)間及成膠強(qiáng)度。由于所研究油藏滲透率較高，普通壓制巖心的方法無(wú)法壓制出所需滲透率的巖心，因此選取填砂管模擬高滲油藏的竄流通道。在填砂管中充填不同粒徑的河砂或者石子，得到不同滲透率的填砂管，模擬不同強(qiáng)度的竄流通道。通過(guò)單管模型評(píng)價(jià)堵劑的封堵、注入和耐沖刷性能，初步確定了鉻凍膠與不同滲透率巖心匹配關(guān)系；進(jìn)行并聯(lián)填砂管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，分析提高采收率效果，進(jìn)一步確定了鉻凍膠與竄流通道強(qiáng)度的適應(yīng)性。

（1）靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。將配制的鉻凍膠待成膠液放入安瓿瓶中，靜置于64 ℃恒溫箱中，每隔一定時(shí)間取出，用布氏黏度計(jì)在6 r/min的轉(zhuǎn)速下測(cè)定黏度［5］，并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)黏度變化值達(dá)到最大時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的黏度為鉻凍膠的終凝強(qiáng)度［6］。

（2）單管模型實(shí)驗(yàn)。在填砂管中充填不同粒徑的河砂或者不同大小的石子，填制成不同滲透率的模擬巖心；抽真空、飽和水；將填砂管置于恒溫箱中，水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，測(cè)量填砂管堵前的滲透率；注入一定孔隙體積的鉻凍膠，候凝；后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，測(cè)量突破壓力、殘余阻力系數(shù)以及堵后滲透率。

（3）并聯(lián)管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。利用并聯(lián)填砂管模型，模擬油藏的非均質(zhì)情況，低滲填砂管滲透率為2 D，根據(jù)不同的滲透率級(jí)差，高滲填砂管滲透率分別為5 D、10 D、50 D、100 D、150 D、200 D。將并聯(lián)填砂管抽真空、飽和地層水；飽和油直至采出液中不再含水時(shí)停止驅(qū)替；一次水驅(qū)，待含水率達(dá)到98%，停止水驅(qū)，計(jì)算一次水驅(qū)采收率；向填砂管中注入一定量的鉻凍膠，候凝；后續(xù)水驅(qū)，待含水達(dá)到98%，計(jì)算采出油量和提高采收率幅度。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

Results and discussion

2.1鉻凍膠靜態(tài)成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度

Static gelling time and strength of chromium gel

調(diào)堵劑的成膠時(shí)間是控制油藏調(diào)堵深度的關(guān)鍵指標(biāo)，在實(shí)際施工中，常通過(guò)不同配方體系調(diào)控堵劑的成膠時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)油藏深部大孔道的有效封堵［7］。64 ℃時(shí)鉻凍膠體系（聚合物濃度為3 000 mg/L）黏度隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。鉻凍膠靜態(tài)成膠過(guò)程中，隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，鉻凍膠的黏度逐漸增加，達(dá)到最高值后下降最后趨于平緩。在黏度增加階段，待成膠液中的聚合物分子和氧化還原反應(yīng)生成的Cr（Ⅲ）交聯(lián)劑分子慢慢結(jié)合在一起，形成大量的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，體系黏度逐漸增加至最大值（14 000 mPa·s）；在黏度下降階段，未被還原的重鉻酸鈉或者過(guò)量的Cr3+直接與HPAM反應(yīng)，使HPAM降解，破壞體系的穩(wěn)定性，導(dǎo)致體系黏度降低；當(dāng)聚合物分子和交聯(lián)劑分子反應(yīng)徹底，體系黏度趨于穩(wěn)定。由以上分析可知，該凍膠體系的靜態(tài)成膠時(shí)間為24 h左右，成膠強(qiáng)度大于14 000 mPa·s。

圖1　鉻凍膠黏度變化曲線Fig. 1 Variation of chromium gel viscosity

2.2鉻凍膠在單根填砂管中的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

Flow test of chromium gel in single sand-filled pipe

2.2.1注入性能 堵劑注入性能常用阻力系數(shù)來(lái)表征，阻力系數(shù)體現(xiàn)了堵劑進(jìn)入一定滲透率巖心的能力，其值越大，堵劑控制流度的能力越強(qiáng)［8-9］。常規(guī)計(jì)算阻力系數(shù)所用的壓力為穩(wěn)定值，但是在堵劑注入量一定的情況下，注膠結(jié)束時(shí)無(wú)法保證注入壓力達(dá)到穩(wěn)定，因此引入“擬阻力系數(shù)”以表征凍膠在不同注入量下進(jìn)入一定滲透率巖心的能力，即在流量相同的條件下，某一注入量條件下注入堵劑結(jié)束時(shí)的壓力與注水穩(wěn)定時(shí)的壓力比值。擬阻力系數(shù)越大，則凍膠在對(duì)應(yīng)注入量下控制流度的能力越強(qiáng)，在多孔介質(zhì)中的滲流阻力越大，見表1。

表1　鉻凍膠注入過(guò)程中的擬阻力系數(shù)Table 1 Pseudo-resistance factor of chromium gel in injection process

由表1可知，凍膠中聚合物濃度越大，擬阻力系數(shù)越大，這是由于所用聚合物的分子量較大，聚合物濃度越高，凍膠待成膠液的黏度越大，導(dǎo)致阻力系數(shù)增加，堵劑進(jìn)入巖心的難度增大。當(dāng)凍膠注入量達(dá)到設(shè)計(jì)注入量時(shí)，對(duì)應(yīng)的擬阻力系數(shù)在15～85（與礦場(chǎng)高滲層注入壓差提高幾十倍的數(shù)量級(jí)相當(dāng)）之間，表明在成膠之前凍膠溶液的注入性能較好，具有一定的流度控制能力；另外，相同注入量的鉻凍膠在100 D填砂管中的擬阻力系數(shù)較3 D和10 D填砂管中的擬阻力系數(shù)要小，這是因?yàn)殡S著巖心滲透率的降低，巖心中的孔道對(duì)堵劑的阻礙加大，導(dǎo)致阻力系數(shù)上升。所以，鉻凍膠在3 D、10 D、100 D巖心中的注入性能較好，但聚合物濃度增加，注入性能變差。2.2.2 封堵性能

（1） 突破壓力梯度。凝膠的突破壓力指凝膠成膠以后，以恒定流速驅(qū)替，至巖心出口端有第一滴液體流出，并連續(xù)出液時(shí)的壓力，換算到單位長(zhǎng)度上即為突破壓力梯度。突破壓力梯度可以直觀反映凝膠所能提供的封堵強(qiáng)度。鉻凍膠在不同滲透率的填砂管中、不同注入量下的突破壓力梯度見表2。

表2　不同注入量下的突破壓力梯度Table 2 Breakthrough pressure gradient at different injection rates

聚合物濃度相同、堵劑注入量相同的條件下，填砂管滲透率越低，突破壓力梯度越高；同一滲透率的填砂管，凍膠注入量越大，突破壓力梯度越高；所用聚合物濃度越高，突破壓力梯度越大，這是因?yàn)榫酆衔餄舛仍礁?，聚合物溶液被交?lián)后形成的鉻凍膠強(qiáng)度（黏度）也會(huì)越大。但是，聚合物濃度為5 000 mg/L、注膠量為1 PV時(shí)，50 D、100 D巖心的突破壓力梯度值仍較小，因此對(duì)于50 D、100 D的竄流通道，鉻凍膠的封堵效果較差。這是由于滲透率越高，孔隙尺寸會(huì)越大，堵劑注入量較少的情況下，無(wú)法將高滲竄流通道完全封堵，在滲流截面上仍然有較大孔隙未被凍膠占據(jù)。在后續(xù)水驅(qū)階段，水驅(qū)一開始，出口端便會(huì)有液體流出，壓力上升的幅度相對(duì)較小，突破壓力較低。鉻凍膠對(duì)3 D、5 D、10 D的竄流通道封堵強(qiáng)度較強(qiáng)，聚合物濃度為5 000 mg/L情況下的封堵強(qiáng)度較大。

（2）殘余阻力系數(shù)。殘余阻力系數(shù)是衡量堵劑對(duì)多孔介質(zhì)封堵能力的重要指標(biāo)，為巖心封堵前后的滲透率比值［8］。借鑒殘余阻力系數(shù)的定義引入擬殘余阻力系數(shù)（即注入一定量堵劑前后的滲透率比值），表征不同注入量?jī)瞿z的封堵能力，見表3。

表3　鉻凍膠在不同滲透率巖心中的擬殘余阻力系數(shù)Table 3 Pseudo-residual resistance factor of chromium gel in cores with different permeabilities

聚合物濃度越高，擬殘余阻力系數(shù)越大，這是由于聚合物濃度越高，鉻凍膠在多孔介質(zhì)中的滯留量越大，擬殘余阻力系數(shù)增加。聚合物濃度相同、堵劑注入量相同的情況下，巖心滲透率越低，擬殘余阻力系數(shù)越大；堵劑注入量越大，擬殘余阻力系數(shù)越大。鉻凍膠的擬殘余阻力系數(shù)的變化范圍為4.5～127.6，說(shuō)明該體系在被后續(xù)水驅(qū)突破后，可以較大幅度降低高滲竄流通道的滲透率，具有良好的封堵能力。另外，鉻凍膠在100 D巖心中的擬殘余阻力系數(shù)小于10 D和3 D巖心的擬殘余阻力系數(shù)，即鉻凍膠對(duì)10 D和3 D的竄流通道的封堵效果比對(duì)100 D的竄流通道的封堵效果好。因此，該體系對(duì)較低滲透率的竄流通道的封堵效果較好，但是對(duì)高滲竄流通道的封堵效果較差。

2.3調(diào)剖驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

Experiment of profile control and oil displacement

為了進(jìn)一步確定鉻凍膠與不同滲透率高滲油藏竄流通道的適應(yīng)性，進(jìn)行并聯(lián)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，考察鉻凍膠改善油藏非均質(zhì)性及其對(duì)提高采收率的貢獻(xiàn)。固定滲透率級(jí)差分別為2.5、5、25、50、75、100，其中低滲巖心滲透率為2 D，高滲填砂管滲透率除了之前研究的5 D、10 D、50 D、100 D之外，又增加了150 D、200 D的2組巖心。評(píng)價(jià)調(diào)剖增油效果的最直接數(shù)據(jù)就是含水率是否下降，采收率是否提高以及增幅大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　并聯(lián)巖心調(diào)剖驅(qū)油效果Table 4 Profile control and oil displacement effect of dual cores

相同滲透率的并聯(lián)巖心，鉻凍膠體系中聚合物濃度越高，凍膠注入量越大，降低含水率的能力越強(qiáng)，提高采收率的幅度越大。相同的注入量下，鉻凍膠對(duì)滲透率級(jí)差≤50 D的并聯(lián)巖心的采收率增幅較大，降低含水率的幅度較大；而在滲透率級(jí)差＞50 D的條件下，級(jí)差越大，采收率增幅越小，調(diào)剖增油效果越差。這主要是由于級(jí)差越大，竄流通道滲透率越高，巖心通道孔喉尺寸增大，堵劑難以形成有效的封堵，使得后續(xù)注入水仍沿竄流通道推進(jìn)，無(wú)法啟動(dòng)低滲層。2 D&5 D的采收率略小于2 D&10 D，其原因是2 D&5 D地層非均質(zhì)性不強(qiáng)，在堵劑注入過(guò)程中低滲透層有較大的分流率，因此對(duì)高滲層的封堵效果不明顯，后續(xù)水驅(qū)時(shí)，水很快突破，其中很大一部分增油量來(lái)自于堵劑注入階段聚合物的流度控制。由以上分析可知，聚合物濃度為5 000 mg/L的鉻凍膠體系對(duì)竄流通道滲透率為5 D、10 D、50 D且非均質(zhì)性較強(qiáng)的地層調(diào)剖增油效果較好。

3　結(jié)論

Conclusions

（1）巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，鉻凍膠在3 D、10 D、100 D竄流通道中的注入性能、封堵性能較好，且竄流通道滲透率越低，封堵效果越好；體系中聚合物濃度越高，凍膠的注入性能變差，但是封堵能力增強(qiáng)。

（2）驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，聚合物濃度相同、巖心滲透率相同的情況下，凍膠注入量越大，調(diào)剖增油效果越好；聚合物濃度越高，調(diào)剖增油效果越好；同一鉻凍膠體系，竄流通道滲透率越高，非均質(zhì)性越強(qiáng)，調(diào)剖增油效果變差。

（3）聚合物濃度為5 000 mg/L的鉻凍膠體系對(duì)3 D、5 D、10 D、50 D竄流通道的適應(yīng)性比聚合物濃度為3 000 mg/L的鉻凍膠體系好，而對(duì)于竄流強(qiáng)度大于100 D、150 D、200 D的竄流通道，建議采用更高強(qiáng)度的凝膠或顆粒等堵劑進(jìn)行封堵。

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（修改稿收到日期 2016-04-02）

〔編輯 李春燕〕

Adaptability of chromium gel to the strength of crossflow channel in high permeability reservoir

ZHAO Fenglan， CAO Shujun， HOU Jirui， YUAN Guangyu
Enhanced Oil Recoνery Research Institute， China Uniνersity of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China

After a long-term waterflooding development， physical properties of the medium-high permeability reservoir have changed， resulting in the formation of injected water crossflow channels with different strengths along the high permeability zones，which seriously affects the development effect. In this paper， a dynamic plugging experiment were conducted to identify the injection，sealing capacity and displacement effect of chromium gel system （which is usually used on site） with different polymer concentrations （3000 mg/L and 5000 mg/L） in crossflow channels with different permeabilities. Moreover， pseudo-resistance factor and pseudo-residual resistance factor were adopted to analyze the adaptability of chromium gel to crossflow channel strength. The experimental results show that the higher the polymer concentration， the poorer the injectivity of gel， but the better the sealing capacity and the profile control and oil increasing effect. The higher the permeability of crossflow channel， the weaker the sealing strength of gel， and the poorer the profile control and oil increasing effect. The chromium gel is efficiently adaptable to 3 D， 5 D， 10 D and 50 D crossflow channels， but ineffectively adaptable to 100 D， 150 D and 200 D crossflow channels. The results can provide reference for using chromium gel to plug crossflow channels in high permeability reservoir.

chromium gel； high permeability reservoir； crossflow channel； pseudo-resistance factor； pseudo-residual resistance factor； adaptability

趙鳳蘭（1973-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院副研究員，主要從事提高采收率方面的研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院。E-mail：zhfl@cup.edu.cn

TE357

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0382- 05

10.13639/j.odpt.2016.03.020

ZHAO Fenglan， CAO Shujun， HOU Jirui， YUAN Guangyu. Adaptability of chromium gel to the strength of crossflow channel in high permeability reservoir［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）:382-386.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“油田開采后期提高采收率新技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05009-004）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金資助（編號(hào)：2462012KYJJ23）。

引用格式：趙鳳蘭，曹淑君，侯吉瑞，苑光宇. 鉻凍膠與高滲油藏竄流通道強(qiáng)度的適應(yīng)性研究［J］.石油鉆采工藝，2016，38 （3）：382-386.