吳天江 ，鄭明科 ，周志平 ，楊海恩 ，曹榮榮

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018）

近年來，納米聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)越來越受到關(guān)注［1-6］。微球由丙烯酰胺、丙烯酸、交聯(lián)單體反相微乳液共聚而成，其初始粒徑小，在水相中具有良好的懸浮分散性和黏彈性，注入地層后不斷水化膨脹。運(yùn)移過程中，單個(gè)大粒徑微球膨脹后封堵孔喉，多個(gè)小粒徑微球通過膨脹聚集堆積封堵。壓力作用下，眾多微球在孔喉中不斷發(fā)生水化膨脹、封堵、形變、再封堵，實(shí)現(xiàn)較大幅度調(diào)整水驅(qū)流場(chǎng)和擴(kuò)大波及體積［7-10］。與凍膠調(diào)驅(qū)體系相比［11-12］，納米微球耐溫耐鹽性良好，可污水配制和在線加注，施工管理和質(zhì)量可控性大大提升。該技術(shù)在勝利、華北、新疆、長慶等油田有良好的應(yīng)用［2，13］。

在封堵性評(píng)價(jià)方面，低滲透天然巖心致密，而調(diào)驅(qū)的目標(biāo)是封堵優(yōu)勢(shì)大孔道，因此室內(nèi)評(píng)價(jià)存在注入性差且不具代表性等問題。本文利用滲透率與巖石學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析了納米微球調(diào)驅(qū)機(jī)理及封堵特性，計(jì)算了微球通過增大比表面降低滲透率數(shù)值及對(duì)應(yīng)的封堵率，并與填砂管實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 納米微球調(diào)驅(qū)技術(shù)特點(diǎn)

納米微球初始黏度為3～6 mPa·s，注入性能良好，初始粒徑為100～800 nm，激光粒度儀測(cè)試微球粒徑呈典型的正態(tài)分布規(guī)律（見圖1）。根據(jù)應(yīng)用需求，通過合成條件可控制微球粒徑。

納米微球具有水化膨脹特性，膨脹倍數(shù)一般為2～10。通過掃描電鏡可以觀察到納米微球水化膨脹過程（見圖2）。納米微球原液遇水之前，微球顆粒分布相對(duì)均勻（見圖2a），納米微球配制成溶液后發(fā)生水化膨脹，微球顆粒開始不斷聚集，水化膨脹5 d后，微球粒徑由100 nm膨脹為500～600 nm，部分微球聚集形成團(tuán)簇（見圖2b）。水化10 d后，微球粒徑變?yōu)?00 nm（見圖2c）?？傮w上，呈現(xiàn)初期快速膨脹、后期緩慢膨脹的特點(diǎn)，膨脹過程中聚集特征明顯。因微球初始粒徑分布的差異性，微球遇水后的膨脹速率和最終的膨脹倍數(shù)并不完全相同，膨脹后微球粒徑大小表現(xiàn)出明顯的差異性。

圖1 100 nm粒徑微球初始粒徑分布

圖2 納米微球水化膨脹的微觀形態(tài)

2 調(diào)驅(qū)理論封堵率

2.1 微球調(diào)驅(qū)機(jī)理分析

基于滲流力學(xué)原理，對(duì)調(diào)驅(qū)改變注采滲流場(chǎng)的特性進(jìn)行分析。達(dá)西線性流的一般表達(dá)式為

式中：Q為流量，cm3/s；A為橫截面積，cm2；K為滲透率，μm2；Δp為滲流壓差，Pa；μ為流體黏度，Pa·s；L為滲流長度，cm。

由式（1）可知，對(duì)于定壓生產(chǎn)，驅(qū)替壓差一定，生產(chǎn)的控制本質(zhì)上是油水流度比的控制，調(diào)驅(qū)的技術(shù)目標(biāo)是通過調(diào)驅(qū)劑封堵優(yōu)勢(shì)水流通道進(jìn)而降低滲透率。

在油層物理早期研究中，國外學(xué)者得到了滲透率與巖石學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，即通過巖石學(xué)參數(shù)可以間接確定滲透率值［14］。對(duì)于砂巖儲(chǔ)層，滲透率的計(jì)算公式［15］為

式中：φ為孔隙度；τ為迂曲度；S為巖石的比表面，cm-1。

由式（2）可知，滲透率與孔隙度成正比，與迂曲度、比表面成反比，顆粒越小，比表面越大。對(duì)于水驅(qū)滲流速度相對(duì)較小的低滲透儲(chǔ)層，數(shù)量龐大的納米微球廣泛分布在巖石孔喉網(wǎng)絡(luò)中，依靠微球顆粒接觸、堆積、駐留、封堵，發(fā)揮整體封堵效果，較大幅度增大比表面、進(jìn)而降低了滲透率，達(dá)到降低滲流速度及改變水驅(qū)流向的目的。

2.2 封堵率理論計(jì)算

將納米微球看作球體，則單個(gè)微球的體積V和表面積A可表示為

式中：r為微球半徑，nm。

對(duì)于納米微球而言，孔隙空間滲流阻力小，微球主要運(yùn)移至滲流阻力較大的喉道處發(fā)揮調(diào)驅(qū)作用,與孔隙空間相比，喉道對(duì)滲透率值的高低起決定性作用。因此，孔隙度對(duì)比表面計(jì)算的影響較小。對(duì)于一定質(zhì)量的微球，按某一質(zhì)量濃度配制成微球溶液，假設(shè)微球進(jìn)入地層后充滿等溶液體積的孔喉空間，微球波及的孔隙體積Vp即為微球溶液體積Vq，而微球在巖石內(nèi)體積Vs、巖石內(nèi)比表面Ss、微球增大的內(nèi)表面積As可分別表示為

式中：m為微球質(zhì)量，g；ρ為微球密度，g/cm3。

微球的個(gè)數(shù)N和微球總表面積AT分別表示為

注入微球后所波及孔隙體積的比表面ST為

將式（10）代入式（2），得到微球調(diào)驅(qū)后滲透率Kq的計(jì)算公式：

微球調(diào)驅(qū)的封堵率η：

對(duì)于微球隨時(shí)間延長不斷水化膨脹的特性，需要考慮微球粒徑的變化，計(jì)算微球不同注入階段、不同油藏駐留位置對(duì)應(yīng)的封堵率。對(duì)于中高滲透油藏而言，優(yōu)勢(shì)水流通道滲透率高，所需調(diào)驅(qū)的封堵強(qiáng)度大，納米微球?qū)ζ湔{(diào)驅(qū)封堵的有效性需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

3 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 理論計(jì)算

王窯長6油藏平均孔隙度13.7%，平均滲透率2.29×10-3μm2，是中國陸上開發(fā)最早的特低滲透整裝油藏。區(qū)塊注水開發(fā)20多年，含水上升快，產(chǎn)量遞減大，水驅(qū)不均矛盾突出。檢查井水淹解釋的強(qiáng)水洗帶平均滲透率為16.3×10-3μm2，示蹤劑監(jiān)測(cè)解釋的優(yōu)勢(shì)大孔道的滲透率為 49×10-3～300×10-3μm2，是調(diào)驅(qū)治理的主要目標(biāo)。2015年以來，王窯區(qū)塊開展了納米聚合物微球深部調(diào)驅(qū)改善水驅(qū)試驗(yàn)。

為了對(duì)不同水洗層段實(shí)現(xiàn)逐級(jí)調(diào)驅(qū)，設(shè)計(jì)了不同質(zhì)量濃度的微球注入段塞，根據(jù)微球調(diào)驅(qū)增大比表面的理論方法計(jì)算微球調(diào)驅(qū)封堵率（見圖3）。

圖3 不同質(zhì)量濃度條件下微球粒徑與封堵率的關(guān)系

由圖3可以看出，微球粒徑越小，質(zhì)量濃度越高，理論計(jì)算的封堵率越大。對(duì)于粒徑100 nm的微球，質(zhì)量濃度2 kg/m3時(shí)封堵率不到40.0%，質(zhì)量濃度5 kg/m3時(shí)封堵率為60.0%，質(zhì)量濃度8 kg/m3時(shí)封堵率達(dá)到78.0%。分析認(rèn)為：微球調(diào)驅(qū)與傳統(tǒng)凍膠體系調(diào)驅(qū)機(jī)理不同，凍膠為連續(xù)相體系，以整體成膠達(dá)到充填孔喉封堵的效果；而微球?yàn)榉稚⑾囿w系，依靠微球聚集形成封堵，質(zhì)量濃度越高，微球聚集密度越大，增大比表面效應(yīng)越明顯。隨著微球的持續(xù)注入，微球不斷地突破孔喉、運(yùn)移，最終駐留在地層深部產(chǎn)生達(dá)到逐級(jí)調(diào)驅(qū)的效果。在低滲透油層條件下，凍膠運(yùn)移能力和抗剪切性不如微球體系，而納米級(jí)微球顆粒聚集增大比表面能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的整體封堵效果。

選擇粒徑300 nm的微球，計(jì)算質(zhì)量濃度5 kg/m3條件下不同膨脹倍數(shù)微球的理論封堵率（見圖4）。

圖4 不同膨脹倍數(shù)微球的理論封堵率

由圖4可以看出，微球水化膨脹倍數(shù)越大，其封堵率越高。微球膨脹倍數(shù)在2～6時(shí)，封堵率提高幅度最大，對(duì)應(yīng)封堵率由68.2%增大至98.0%；當(dāng)膨脹倍數(shù)大于6以后，微球封堵率增大幅度變小。分析認(rèn)為：小粒徑微球聚集發(fā)生暫時(shí)性封堵，后續(xù)不斷運(yùn)移、突破、再封堵，而膨脹后大粒徑微球更容易在地層深部發(fā)揮單個(gè)微球卡堵大孔喉的作用，依靠具有正態(tài)分布特征的大小粒徑微球體系，在地層協(xié)同作用下最終達(dá)到逐級(jí)調(diào)驅(qū)的目的。

礦場(chǎng)應(yīng)用過程中，根據(jù)優(yōu)勢(shì)大孔道、水淹層或高水洗層的油藏參數(shù)匹配相應(yīng)粒徑及膨脹倍數(shù)的聚合物微球。以提高驅(qū)油效率為目的調(diào)驅(qū)時(shí)，采用低濃度、相對(duì)大粒徑的參數(shù)模式注入。以調(diào)整剖面、擴(kuò)大波及體積為主要目的調(diào)驅(qū)時(shí)，則采用高濃度、相對(duì)小粒徑參數(shù)模式注入。

3.2 微球填砂管封堵性評(píng)價(jià)

在長50 cm、管徑2.5 cm的填砂管中充填不同目數(shù)的石英砂，測(cè)定水驅(qū)滲透率。將粒徑分別為100，300，800 nm的聚合物微球配制成質(zhì)量濃度2 kg/m3的溶液，在50℃恒溫條件下，以1 mL/min流速將微球溶液注入填砂管模型，觀察不同粒徑聚合物微球的封堵性能（見表1）。

表1 不同粒徑微球填砂管封堵性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1可以看出，微球粒徑越大，封堵率越低。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的微球封堵率明顯低于傳統(tǒng)凍膠體系，與比表面方法理論計(jì)算的封堵率一致，表明微球并沒有完全封堵填砂管，而是具有堵而不死的動(dòng)態(tài)運(yùn)移特性。在填砂管滲透率比王窯油藏強(qiáng)水洗帶解釋滲透率高的情況下，實(shí)驗(yàn)封堵率比理論值偏高，分析認(rèn)為主要是端面效應(yīng)造成。微球現(xiàn)場(chǎng)注入速度低，注入壓力上升慢、升幅小，而填砂管驅(qū)替速度偏大，注入壓力上升快使微球深部運(yùn)移性下降，最終聚集在填砂管注入端面導(dǎo)致測(cè)試封堵率值偏高。

4 結(jié)論

1）納米微球具有初始黏度低、初始粒徑小、可水化膨脹、深部調(diào)驅(qū)性能良好等特點(diǎn)。基于滲流力學(xué)原理和儲(chǔ)層巖石學(xué)相關(guān)關(guān)系，建立了利用微球在地層聚集增大比表面降低滲透率計(jì)算其封堵率的數(shù)學(xué)方法。

2）理論計(jì)算表明，微球粒徑越小，質(zhì)量濃度越高，封堵率越高。小粒徑微球聚集封堵、大粒徑微球單個(gè)卡堵大孔喉，在地層協(xié)同作用下達(dá)到逐級(jí)調(diào)驅(qū)的目的。填砂管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論封堵率趨勢(shì)一致。礦場(chǎng)應(yīng)用需根據(jù)目標(biāo)油藏參數(shù)匹配合適粒徑及膨脹倍數(shù)的微球，并設(shè)計(jì)合理的注入?yún)?shù)。

3）本方法在中高滲透油藏應(yīng)用時(shí)，判識(shí)、量化優(yōu)勢(shì)竄流通道的尺度是前提。中高滲透油藏形成的優(yōu)勢(shì)竄流通道滲透率高，所需調(diào)驅(qū)的封堵強(qiáng)度大，納米微球?qū)ζ湔{(diào)驅(qū)封堵的有效性還需具體分析。