閆 冬,盧祥國,孫 哲,呂 鑫,梁守成,李 強

(1.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室 黑龍江 大慶163316;2.中海油研究總院 技術研發(fā)中心 北京100010)

渤海油田經過長期注水開發(fā),主要油田如SZ36-1、LD10-1和PL19-3等都已進入中高含水開發(fā)期,長期高強度注水造成儲層巖石結構破壞,高滲透層內形成了優(yōu)勢通道,這進一步加劇了油藏非均質性,降低了中低滲透層動用程度。常規(guī)聚合物驅油過程中不僅會出現剖面反轉現象,而且存在聚合物溶液不可及孔隙體積,這些因素制約著聚合物驅最終采收率[1-5]。與連續(xù)相聚合物溶液相比較,聚合物微球溶液為非連續(xù)相,其中微球進入中低滲透層內大孔道發(fā)揮封堵作用,水則轉向進入中小孔隙發(fā)揮驅油作用。由此可見,將優(yōu)勢通道治理與中低滲透層聚合物微球調驅技術相結合,不僅可以明顯減緩剖面反轉現象,而且可以提高宏觀波及體積和微觀驅替效率,提高原油采收率。

近年來,聚合物微球合成、性能評價和礦場試驗受到廣泛重視,研究成果已有相關文獻報道[6-8],多個礦場試驗取得明顯增油降水效果。但是,由于聚合物微球調驅技術研究和應用起步都比較晚,現有實驗方法(例如,目前利用馬爾文和庫爾特粒度儀都難以精確測量微球粒徑和粒徑分布)和調驅機理認識(例如,微球注入能力和不可及孔隙體積及其對調驅效果影響等)還不能滿足礦場應用實際需求,進而制約了該項技術應用效果的進一步提升。本文以SZ36-1油田注入水和油藏溫度為模擬對象,開展了聚合物微球水化動態(tài)特征及其滲流特性研究,這對加深聚合物微球調驅機理認識具有重要理論價值和應用價值[9-10]。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

聚合物微球包括10#和11#兩種規(guī)格。兩者均由中海石油(中國)有限公司北京研究中心提供,有效含量100%。實驗用水為SZ36-1油田模擬水,水質分析見表1。

表1 水質分析Table 1 Water analysis mg/L

聚合物微球傳輸運移能力和緩膨效果測試實驗巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結人造均質巖心[11],包括澆鑄方巖心(見圖1(a),外觀尺寸為：寬×高×長=4.5cm×4.5cm×30.0cm,Kg=3 000×10-3μm2)和2.1 m長巖心(Kg=2 000×10-3μm2)。長巖心是將整體方巖心(外觀尺寸：長×寬×高=30.0c m×30.0cm×4.5cm)割縫并將環(huán)氧樹脂充填其中而形成的一個由7塊“長×寬×高=30.0cm×4.3cm×4.5cm”巖心首尾相連的長條狀巖心[12](見圖1(b))。除注入孔外,沿巖心長度方向(距注入端0.6、1.2、1.8 m處)布置3個測壓孔。

圖1 巖心實物照片Fig.1 The core i mages

1.2 儀器設備

聚合物微球溶液配制和儲存儀器設備包括HJ-6型多頭磁力攪拌器、電子天平、燒杯、試管和H W-ⅢA型恒溫箱等。采用生物顯微鏡觀測聚合物微球外觀形態(tài)、水化尺寸和粒徑分布及其與時間關系。

巖心驅替實驗設備主要包括平流泵、壓力傳感器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外,其它部分置于目標油藏溫度65℃恒溫箱內。

1.3 實驗方法

1.3.1 聚合物微球水化性能檢測 先測試微球初始粒徑,然后用SZ36-1模擬水配制微球溶液(3 000、5 000 mg/L),混合均勻后用Waring攪拌器對其進行預剪切,放置于65℃保溫箱中,一定時間后取出少量樣品,采用生物顯微鏡觀測微球外觀形態(tài)。

膨脹倍數是聚合物微球吸水膨脹后粒徑與吸水膨脹前粒徑之比,它反映了微球吸水膨脹能力,其值越大,微球膨脹能力越強。

膨脹倍數計算公式見式(1)：

式中,Q為膨脹倍數,無因次;d1、d2分別為吸水膨脹前和吸水膨脹后微球粒徑,μm。

1.3.2 聚合物微球膨脹前后粒徑分布計算方法

(1)在采用生物顯微鏡觀測微球形態(tài)時,在載玻片上劃定一個正方形區(qū)域,統(tǒng)計在此區(qū)域內微球數目和粒徑,求出其最大值和最小值。

(2)將微球粒徑數據分成若干組,分組數量5～12較為適宜,本次測試數據分為9組,分組個數稱為組數,每組兩個端點差值稱為組距。

(3)計算組距寬度。用最大值和最小值之差去除組數,求出組距寬度。

(4)計算各組界限位。各組界限位可以從第一組開始依次計算,第一組下界為最小值,第一組上界為其下界最小值加上組距。第二組下界為第一組上界最大值,第二組下界為最小值加上組距,就是第二組上界,依此類推。

(5)統(tǒng)計各組數據出現頻數,計算各組頻率(頻率=頻數/微球總數)。

(6)作微球粒徑分布曲線圖。以組距為底長,以頻率為高,繪制各組粒徑分布曲線。

1.3.3 聚合物微球封堵效果和傳輸運移能力測試

(1)巖心抽真空飽和注入水,計算孔隙度。

(2)分別以0.5、1、3 mL/min排量水驅至壓力穩(wěn)定,計算水測滲透率Kw。

(3)以5 mL/min大排量迅速注入1.2 PV聚合物微球溶液,待巖心出口端出液渾濁(說明微球已通過整段巖心)時停止注入,關閉入口端與出口端,在65℃恒溫箱內膨脹15 d。

(4)以0.5 mL/min排量后續(xù)水驅至壓力穩(wěn)定,對比先前0.5 mL/min水測滲透率壓力值,建立“注入壓差與PV數關系”曲線。

1.4 聚合物微球巖心內緩膨效果和傳輸運移能力測試原理

聚合物微球具有吸水膨脹功效,它可以在發(fā)生膨脹前進入儲層深部。隨著聚合物微球吸水膨脹,顆粒粒徑增加,滯留封堵作用增強,最終實現深部液流轉向目的。因此,聚合物微球傳輸運移和緩膨效果是選擇聚合物微球產品的重要技術指標。

通過將聚合物微球注入一個具有多測壓點的長巖心,同時記錄注入過程中不同時間各個測壓點壓力值,繪制不同時刻注入壓力與PV數關系曲線。依據同一時刻不同測壓點壓力值或同一測壓點不同時刻壓力值對比分析,就可以對不同聚合物微球傳輸運移能力和緩膨效果相對優(yōu)劣程度做出評價。

2 結果分析

2.1

聚合 物微球水化膨脹動態(tài)特征

2.1.1 聚合物微球尺寸與時間關系 微球外觀形態(tài)隨時間變化關系見圖2、3。

圖2 微球的初始形態(tài)Fig.2 Initial morphology of microspheres

從圖2可以看出,與10#微球相比較,11#微球初始粒徑較大。從圖3可以看出,隨水化時間增加,2種微球尺寸增大,初期增加速度較快,10#微球240 h左右水化膨脹基本停止,11#則需要360 h左右。對比分析發(fā)現,11#微球水化膨脹過程中表現為體型結構,水化過程完成后結構比較致密,聚集性較好。

圖3 微球外觀形態(tài)與時間關系Fig.3 Relationship bet ween the appearance of microspheres and time

采用SZ36-1模擬水配制10#和11#聚合物微球溶液,每種溶液各自稀釋至3 000、5 000 mg/L,65℃條件下放置90 d,粒徑測試結果見表2。

表2 粒徑測試結果Table 2 Test results of particle size μm

根據表2中10#微球(3 000、5 000 mg/L)與11#微球(3 000、5 000 mg/L)粒徑測試結果,繪制微球粒徑與時間關系曲線,見圖4。

圖4 微球粒徑與時間關系Fig.4 Relationship bet ween the particle size of microspheres and time

從圖4可以看出,與10#微球相比較,11#微球初始粒徑較大。隨膨脹時間增加,2種微球尺寸增大,初期增加速度較快,10#微球240 h左右水化膨脹基本停止,11#則需要360 h左右。對比分析發(fā)現,11#微球水化膨脹過程中表現為體型結構,水化過程完成后結構比較致密,聚集性較好。

2.1.2 聚合物微球膨脹倍數與時間關系 10#和11#聚合物微球(3 000、5 000 mg/L)膨脹倍數與時間關系見圖5,它們之間的對比見圖6。

圖5 膨脹倍數與時間關系Fig.5 Relationship bet ween expansion r atio and ti me

圖6 膨脹倍數與時間關系對比Fig.6 Comparison of relation bet ween expansion ratio and time

從圖5可以看出,隨膨脹時間延長,微球吸水膨脹倍數增加,初期膨脹倍數速度較快,之后膨脹速度減緩。低質量濃度(3 000 mg/L)時微球膨脹倍數略高于高質量濃度(5 000 mg/L)的值,說明微球質量濃度對膨脹倍數影響不大。從圖6可以看出,與10#微球相比較,11#微球膨脹倍數增長速率較慢,但它的最終膨脹倍數較大。

圖7 聚合物微球顆粒粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of poly mer microspheres

2.1.3 聚合物微球粒徑分布 10#和11#聚合物微球顆粒粒徑分布見圖7。從圖7可以得出,與聚合物溶液中聚合物分子聚集體尺寸分布相比較[15-18],10#和11#微球初始狀態(tài)粒徑分布范圍都比較窄,其中10#微球初始狀態(tài)粒徑中值在4.36μm左右,水化360 h后在20.12 μm左右,膨脹倍數為4.61;11#微球初始狀態(tài)粒徑中值在8.45μm左右,水化360 h后在40.05μm左右,膨脹倍數為4.74。

2.2 聚合物微球滲流特性

2.2.1 緩膨效果 聚合物微球為分散相體系,用注入水攜帶以后,未膨脹之前其流動能力近似于水。為確保微球能順利注進巖心,后續(xù)實驗采用高排量(5mL/min)注入聚合物微球,將巖心斷面削掉2cm以減弱“斷面效應”帶來的誤差。關閉巖心閘門并在油藏溫度65℃條件下分別放置72、360 h,最后進行后續(xù)水驅,各個階段注入壓力梯度實驗數據見表3。

表3 壓力梯度結果Table 3 Pressure gradient results

續(xù)表3

實驗過程中注入壓力與PV數關系見圖8。

圖8 注入壓力與PV數關系Fig.8 Relationship bet ween injection pressure and pore volume

從表3和圖8可得出,水化時間長短對聚合物微球封堵效果有很大影響,隨著水化時間的增加,聚合物微球溶脹尺寸逐漸增大,在巖心孔隙中滯留效果變好,封堵能力增強,后續(xù)水驅壓力上升,說明此時微球粒徑變大之后與巖心孔隙尺寸產生了較好的配伍性。進一步觀察可知,注入相同段塞尺寸微球后,相同類型不同質量濃度聚合物微球后續(xù)水驅壓力升幅相差不大,說明聚合物微球對于多孔介質的封堵能力取決于自身粒徑與孔喉尺寸的配伍性,而與質量濃度關系不大。

2.2.2 傳輸運移能力 選用2.1 m長巖心,采用10#聚合物微球(3 000、5 000 mg/L)進行傳輸運移能力實驗,聚合物微球注入結束和后續(xù)水驅結束時壓力梯度結果見表4。

由表4可知,聚合物微球注入過程中,從巖心注入端到采出端各個區(qū)間聚合物微球滯留量都存在差異,離注入端愈近,微球滯留量愈大,滲流阻力和壓力梯度愈大。在后續(xù)水驅過程中,注入水攜帶部分聚合物微球運移并被采出巖心,巖心內微球滯留量減小,滲流阻力和壓力梯度減小。

表4 巖心各區(qū)間壓力梯度Table 4 The pressure gradient in each section of core

實驗過程中注入壓力與PV數關系見圖9。

圖9 注入壓力與PV數關系Fig.9 Relationship bet ween injection pressure and pore volume

由圖9可知,10#和11#微球注入過程中,壓力曲線變化趨勢幾乎相同。巖心“入口”處壓力首先開始快速升高,之后“測壓點1”處壓力開始快速升高,“測壓點2”和“測壓點3”處壓力升高時間比較晚,且壓力升高幅度都不大,其中“測壓點3”壓力幾乎保持恒定,表明微球還沒有運移到該測壓點以后巖心區(qū)域。在后續(xù)水驅階段,初期“入口”和“測壓點1”處壓力大幅度減小,之后呈現“穩(wěn)中略升”態(tài)勢?！皽y壓點2”壓力初期升高,之后呈現“劇烈波動”態(tài)勢,表明聚合物微球在巖石孔隙內呈現“捕集-運移-再捕集-再運移……”運動規(guī)律,引起注入壓力持續(xù)波動。盡管聚合物微球注入段塞為1 PV,但微球段塞注入結束時絕大多數微球滯留在“入口”到“測壓點1”區(qū)間,該區(qū)間長度只占到巖心總長度28.6%,表明巖心孔隙對微球存在強烈過濾作用。后續(xù)水驅過程中,滯留巖心前部的部分微球隨注入水向前運移,同時顆粒水化引起體積增加,進而使得巖心后部分滲流阻力增加,當微球溶液濃度較高時,推進作用更加明顯,巖心后半段壓力升幅略有提高。

3 結論

(1)在2種聚合物微球中,與10#微球相比較,11#微球不僅初始粒徑較大,而且水化膨脹過程中表現為體型結構,水化結束后結構比較致密。

(2)隨水化時間延長,聚合物微球吸水膨脹倍數增加,最終膨脹倍數為4.5倍左右。當水化時間低于50 h時,膨脹速度較快,之后膨脹速度減緩,360 h后達到穩(wěn)定。

(3)2種聚合物微球粒徑分布范圍都比較集中,其中10#微球初始粒徑中值為4.36μm,水化360 h后為20.00μm,膨脹倍數為4.6;11#微球初始粒徑中值為8.45μm,水化360 h后為40.0μm,膨脹倍數為4.72。

(4)在巖石孔隙內,聚合物微球可以進一步水化膨脹,表現出“運移—捕集—再運移—再捕集……”滲流特性。

(5)評價實驗中,聚合物微球的粒徑尺寸與多孔介質孔喉尺寸配伍性至關重要,首先要找到每種微球適合的最佳孔喉尺寸,然后在此基礎上提高濃度,才能發(fā)揮聚合物微球的調剖效果。