孫哲 ，吳行才，康曉東 ，盧祥國，李強 ，姜維東, ，張晶

（1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2. 中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；3. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；4. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5. 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 163318；6. 中國海洋石油有限公司開發(fā)生產(chǎn)部，北京 100010；7. 中國石油大慶油田公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

聚合物驅(qū)油技術作為常用的提高采收率方法被廣泛應用，取得了顯著的增油降水效果[1-5]。但對于非均質(zhì)性較強的油藏，聚合物驅(qū)中后期開發(fā)效果較差。這是由于儲集層非均質(zhì)性和聚合物滯留特性會引起“吸液剖面返轉(zhuǎn)”，不利于提高中低滲透層的動用程度，無法進一步擴大波及體積，從而加劇層間矛盾，嚴重影響聚驅(qū)開發(fā)效果[6-7]。為解決這一問題，吳行才等[8-9]提出了同步調(diào)驅(qū)提高采收率技術理論，即采用一種新型顆粒型聚合物SMG水分散液體系作為驅(qū)替相，通過水與SMG“分工合作”調(diào)整儲集層不同部位的滲透性能，大幅提高波及效率，從而達到提高采收率的目的。SMG顆粒進入多孔介質(zhì)后呈現(xiàn)“堵大不堵小”的封堵特性。為了定性和定量分析SMG的這一特性，并對比連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系驅(qū)油機理，本文利用微流控技術模擬SMG顆粒相分離現(xiàn)象，以生物流體力學中紅細胞樹狀叉濃度分布理論為指導，建立SMG顆粒在不同孔隙中濃度分布數(shù)學模型。在此基礎上開展連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系驅(qū)油的微觀和宏觀物理模擬實驗，對比兩者的性能，并通過礦場試驗進行驗證。

1 連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系微觀驅(qū)油機理對比

1.1 SMG顆粒相分離現(xiàn)象

聚合物溶液是在水中加入水溶性聚合物而形成的高黏度流體，是一種連續(xù)相驅(qū)油體系。SMG水分散液由SMG顆粒和攜帶液（水）組成，是一種分散相驅(qū)油體系?；诩羟袛U散原理與紅細胞的 Fahraeus-Lindqvist效應，可應用微流控技術（Lab on a chip）來分離血液中的血漿和紅細胞[10-13]。根據(jù)相同的原理，本文應用微流控技術來觀測連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系在不同大小孔隙中的運移特性。圖1為可視化微流控芯片，聚合物溶液和SMG水分散液在微流控芯片中的流動動態(tài)如圖2所示。

當聚合物分子線團尺寸小于1 μm時，由于受布朗力作用，進入不同大小孔隙中的聚合物溶液的濃度相同。當SMG顆粒粒徑大于1 μm時，吸水膨脹后易受剪切應力作用發(fā)生彈性變形，具有明顯的向通道軸心處聚集的趨勢，在流體攜帶下優(yōu)先進入低阻力高流速的較大通道，攜帶液則進入低流速的較小通道，產(chǎn)生顆粒相分離現(xiàn)象[14-15]。從圖2中可以直觀地觀察到以上現(xiàn)象。

圖1 可視化微流控芯片

圖2 連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系微流控實驗

連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系在不同大小孔隙中的運移具有明顯區(qū)別：連續(xù)相驅(qū)油體系均勻地進入不同大小的孔隙，而分散相驅(qū)油體系注入過程中產(chǎn)生顆粒相分離現(xiàn)象，顆粒在大孔隙中聚集形成橋堵，攜帶液進入小孔隙中驅(qū)油，具有“堵大不堵小”的封堵特性。這也是二者對“吸液剖面返轉(zhuǎn)”影響程度不同的根本原因。

1.2 SMG濃度分布數(shù)學模型

為從定量角度分析SMG“堵大不堵小”的封堵特性，引入生物流體力學中紅細胞樹狀叉濃度分布表達式，并對其進行修正，建立SMG在不同孔隙中濃度分布數(shù)學模型。

假設有N個出口，每個出口中的流體分流量為：

基于質(zhì)量守恒定律可得：

生物流體力學中許多經(jīng)驗公式描述了血液流動過程中紅細胞與血漿的顆粒相分離現(xiàn)象，計算了紅細胞在不同通道中的濃度分布。本文引入并修正紅細胞樹狀叉濃度分布表達式[16-17]，則每個出口中的SMG顆粒相濃度為：

將yi=0時的xi定義為臨界分流量xi*。由（4）式可知，當xi≤xi*時，yi=0；當xi＞1-xi*時，不滿足（3）式，因此需要修正。進一步可得SMG顆粒相濃度分布表達式為：

由（5）式計算得到N=2和N=3時SMG顆粒相濃度與流體分流量關系，如圖3所示?？梢钥闯?，不同孔隙中SMG顆粒相濃度受參數(shù)a影響較大。顆粒粒徑越大，參數(shù)a越大，則SMG受到流體剪切力作用越大，顆粒相分離程度越大。當a=1時，每個孔隙中顆粒相濃度均等于平均濃度，即為聚合物溶液在不同孔隙中均勻分布的情況。以N=2為例（見圖3a），臨界分流量xi*隨著a的增加而增大，即曲線與橫軸的交點逐漸右移；當xi≤xi*時，yi=0，即沒有顆粒進入孔隙內(nèi)；當xi＜0.5時，進入孔隙內(nèi)顆粒相濃度小于平均濃度；當xi=0.5時，進入孔隙內(nèi)顆粒相濃度等于平均濃度；當xi＞0.5時，進入孔隙內(nèi)顆粒相濃度大于平均濃度。

圖3 顆粒相濃度與流體分流量關系

1.3 SMG液流轉(zhuǎn)向機理

為進一步分析SMG分散相驅(qū)油體系的驅(qū)油機理，采用如圖4所示的孔喉結構概念模型。SMG顆粒在孔喉處封堵產(chǎn)生的附加壓力與驅(qū)替壓力共同作用促使液流轉(zhuǎn)向，啟動之前無法動用的毛細管。當壓力升高至一定值時，SMG發(fā)生變形，通過該喉道，繼續(xù)向前運移[18-21]。

圖4 SMG封堵示意圖

圖4 a中，SMG首先從毛細管4進入孔隙。SMG總是沿著阻力最小的方向運移，因此會進入毛細管 3并產(chǎn)生封堵效應，從而使液流轉(zhuǎn)向。SMG作用于毛細管 3的入口端，產(chǎn)生一個附加壓力，該壓力最大值為pt。當壓力超過該值時，SMG發(fā)生彈性變形，繼續(xù)運移并通過毛細管3。在此過程中，驅(qū)替壓力與附加壓力的合力作用于該孔喉模型，促使液流轉(zhuǎn)向，有利于啟動毛細管1和2中的剩余油。

啟動毛細管2中剩余油的臨界條件為：

啟動毛細管1和2中剩余油的臨界條件為：

當pt+Δp＜pc2時，即SMG封堵產(chǎn)生的附加壓力與驅(qū)替壓力的合力小于毛細管 2的毛細管力，驅(qū)替流體不會進入毛細管 2，毛細管 1中的剩余油也不能被啟動，此時剩余油形態(tài)如圖4a所示。

當pc2≤pt+Δp＜pc1時，即SMG封堵產(chǎn)生的附加壓力與驅(qū)替壓力的合力大于等于毛細管 2的毛細管力，但是小于毛細管 1的毛細管力，則驅(qū)替流體可以進入毛細管2，但是不能啟動毛細管1中的剩余油，此時剩余油形態(tài)如圖4b所示。

當pc1≤pt+Δp時，即SMG封堵產(chǎn)生的附加壓力與驅(qū)替壓力的合力大于毛細管 1的毛細管力，驅(qū)替流體可以進入毛細管1和毛細管2，啟動其中的剩余油，此時剩余油形態(tài)如圖4c所示。

當使用傳統(tǒng)聚合物溶液驅(qū)油時，無法區(qū)分高低滲透層，由于吸附和機械捕集作用，驅(qū)替流體在中低滲透層的滯留量不斷增多，使中低滲透層的啟動壓力梯度提高，且提高幅度遠大于高滲透層，導致后續(xù)注入困難，使高滲透層的吸水量增加，“吸液剖面返轉(zhuǎn)”現(xiàn)象嚴重。而使用 SMG水分散液時則不會出現(xiàn)這一現(xiàn)象，由于其“堵大不堵小”的封堵特性，SMG顆?？蛇x擇性地進入高滲透層和大孔道，在其中運移、水化膨脹和滯留，產(chǎn)生有效封堵，后續(xù)驅(qū)替流體轉(zhuǎn)向進入中低滲透層驅(qū)替剩余油。SMG顆粒與攜帶液分工合作，提高了波及效率，可取得顯著的增油降水效果。

2 連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系性能對比

2.1 實驗條件

2.1.1 實驗材料

分散相驅(qū)油體系（SMG水分散液）中的SMG是由中國石油勘探開發(fā)研究院油田化學研究所提供的SMG(W)（微米級）和 SMG(Y)（亞毫米級），有效含量為100%。連續(xù)相驅(qū)油體系（聚合物溶液）中的聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）干粉，相對分子質(zhì)量為2.5×107，固含量為90%。染色劑為天津市大茂化學試劑廠生產(chǎn)的熒光素鈉。實驗用模擬油為大慶油田第一采油廠脫氣原油與煤油混合而成，45 ℃下黏度為 9.8 mPa·s。實驗用水為大慶油田污水，水質(zhì)分析見表1。

實驗所用巖心包括 2種：①人造微流控仿真模型（見圖5），長4.0 cm，寬1.0 cm，孔徑為20～50 μm；②石英砂環(huán)氧樹脂膠結“五點法”仿真巖心[22-27]，長30.0 cm，寬30.0 cm，高4.5 cm，從上到下依次為高、中、低3個滲透層，厚度均為1.5 cm，氣測滲透率分別為 2 400×10-3，800×10-3和 300×10-3μm2。

表1 實驗用水的水質(zhì)分析

圖5 微流控仿真模型

2.1.2 實驗裝置

采用三目金相顯微鏡（德國萊卡公司 DM1750m型）測試 SMG顆粒粒徑，采用動/靜態(tài)光散射儀系統(tǒng)測試聚合物分子線團尺寸。巖心驅(qū)替實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方法

2.2.1 微觀驅(qū)油機理實驗步驟

連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系微觀驅(qū)油機理實驗步驟為：①將微流控仿真模型抽真空；②微流控仿真模型飽和水；③微流控仿真模型飽和模擬油；④水驅(qū)至含水98%，記錄驅(qū)替過程圖像；⑤分別注入一定PV（孔隙體積倍數(shù)）連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系，注入速度為0.01 mL/min，記錄驅(qū)替過程圖像。

2.2.2 液流轉(zhuǎn)向能力評價實驗方案

表2 液流轉(zhuǎn)向能力評價實驗方案

連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系液流轉(zhuǎn)向能力評價實驗方案如表2所示。實驗中 SMG溶液質(zhì)量濃度均為0.3%，方案1-1和1-2中注入速度為0.5 mL/min，壓力記錄間隔為30 min。

2.3 實驗結果及討論

2.3.1 微觀驅(qū)油機理實驗結果

2.3.1.1 聚合物溶液

聚合物分子線團尺寸測試結果如圖7所示。可以看出，聚合物溶液是極度不均勻的連續(xù)相體系，其分子線團尺寸分布范圍較寬，在幾納米到幾千納米之間。在布朗力的作用下，聚合物溶液無區(qū)分地進入不同大小孔隙，對小孔隙造成不可逆的堵塞。

圖7 聚合物分子線團尺寸分布曲線

在微流控仿真模型中進行聚合物溶液驅(qū)油實驗，水驅(qū)及聚合物驅(qū)過程動態(tài)圖像如圖8所示?？梢钥闯觯?qū)后剩余油主要存在于小孔道中（見圖8c）。隨著聚合物溶液的注入，一方面因其黏滯力較大，流動阻力增大；另一方面因其吸附滯留在孔道內(nèi)，孔隙過流斷面減小。這兩個因素的協(xié)同作用大幅增加了聚合物溶液在孔道內(nèi)的流動阻力，使注入壓力升高。同時根據(jù)濃度分布數(shù)學模型可知每個孔道中聚合物溶液濃度均與平均濃度相等，所以聚合物溶液無區(qū)分地進入不同大小孔隙（見圖8d—圖8g），增加其中的流動阻力。聚合物溶液在孔道中的滯留現(xiàn)象是聚合物驅(qū)過程中發(fā)生“吸液剖面返轉(zhuǎn)”的根本原因。

圖8 聚合物溶液驅(qū)油動態(tài)圖像

2.3.1.2 SMG水分散液

利用德國萊卡公司DM1750m型三目金相顯微鏡，根據(jù)統(tǒng)計學原理，繪制SMG(W)和SMG(Y)顆粒粒徑分布曲線，如圖9所示。

圖9 SMG顆粒粒徑分布曲線

從圖7和圖9中可以看出，與聚合物分子線團尺寸分布相比，SMG(W)和 SMG(Y)顆粒尺寸分布范圍較窄、相對集中，SMG進入與其尺寸匹配的大孔隙，攜帶液進入小孔隙驅(qū)油。SMG(W)顆粒初始粒徑中值為7.16 μm；SMG(Y)顆粒初始粒徑中值為 26.25 μm。SMG(W)顆粒膨脹后的粒徑中值為36.01 μm，膨脹倍數(shù)為5.03；SMG(Y)顆粒膨脹后粒徑中值為122.13 μm，膨脹倍數(shù)為4.65。筆者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，適用于油藏的 SMG(W)和SMG(Y)顆粒粒徑與巖石孔隙尺寸的匹配系數(shù)（粒徑與孔隙直徑中值的比值）分別為 0.79～0.84和 1.73～1.78[15]。

在微流控仿真模型中進行 SMG水分散液驅(qū)油實驗，水驅(qū)及 SMG水分散液驅(qū)油過程動態(tài)圖像如圖10所示。可以看出，水驅(qū)過程中注入水優(yōu)先進入滲流阻力較小的大孔道，剩余油主要存在于小孔道中。在SMG水分散液注入過程中產(chǎn)生顆粒相分離現(xiàn)象，SMG顆粒進入優(yōu)勢大孔道并在其中運移，多個顆粒通過聚集、堆積和架橋減小孔隙過流斷面，有效封堵大孔道，導致滲流阻力增加和注入壓力升高。隨著注入壓力升高，攜帶液轉(zhuǎn)向進入小孔道中驅(qū)替剩余油。當SMG顆粒進入下一個孔隙喉道時，隨著其尺寸增加和數(shù)量增大，再次聚集和形成橋堵，重復聚集、堵塞和液流轉(zhuǎn)向的過程，從而實現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向目的。同時，該實驗結果部分驗證了 SMG在不同孔隙中濃度分布數(shù)學模型的正確性，即小孔道中的流體分流量小于臨界分流量且顆粒粒徑較大時，小孔道內(nèi)SMG顆粒相濃度為零，即沒有顆粒進入。

圖10 SMG水分散液驅(qū)油動態(tài)圖像

SMG顆粒和攜帶液分別扮演“調(diào)”和“驅(qū)”的角色，SMG在多孔介質(zhì)中具有“聚集-變形-運移-再聚集-再變形-再運移”的運動特征和“堵大不堵小”的封堵特性，有效封堵大孔道和改變攜帶液流動方向，提高剩余油動用程度，從而大幅提高采收率。

2.3.2 液流轉(zhuǎn)向能力評價實驗結果

2.3.2.1 恒速實驗

方案1-1和1-2中，恒速注入方式下連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系采收率實驗結果如表3所示。可以看出，方案1-1中聚合物驅(qū)最終采收率增幅為34.07%，方案1-2中SMG水分散液驅(qū)最終采收率增幅為16.78%，前者大于后者。

表3 恒速注入方式下采收率實驗結果

方案1-1和1-2實驗過程的動態(tài)特征曲線如圖11所示?？梢钥闯?，聚合物驅(qū)的注入壓力高于SMG水分散液驅(qū)（見圖11a），這是由于聚合物溶液在巖心孔隙中具有較強的滯留能力，使注入壓力大幅升高，導致含水率降幅和采收率增幅較大（見圖11b、11c）。然而礦場規(guī)定注入壓力不能超過儲集層巖石破裂壓力，同時又受到配注設備額定工作壓力的限制，例如大慶油田地層破裂壓力約為12～14 MPa，水驅(qū)注入壓力一般為6～7 MPa，二者間成2倍的比例關系，所以方案1-1中聚合物驅(qū)的注入壓力和采收率增幅在礦場實踐中均難以實現(xiàn)。因此，采用恒壓注入方式更能客觀地評價連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系的增油降水效果。

2.3.2.2 恒壓實驗

方案2-1和2-2中，恒壓注入方式下連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系采收率實驗結果如表4所示?？梢钥闯觯桨?-1中聚合物驅(qū)最終采收率增幅為26.14%，方案2-2中SMG水分散液驅(qū)最終采收率增幅為33.11%，前者小于后者，這與恒速實驗結果相反。

方案2-1和2-2實驗過程的動態(tài)特征曲線如圖12所示?？梢钥闯?，在注入孔隙體積倍數(shù)相同條件下，SMG水分散液驅(qū)增油降水效果好于聚合物驅(qū)。恒壓實驗條件接近礦場實際情況，因此能更真實地反映連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系的礦場試驗效果。當采用恒壓注入方式后，由于聚合物溶液具有較強的滯留能力，使孔隙過流斷面減小，增加流動阻力，導致注入速度降幅較大（見圖12a），含水率降幅和采收率增幅較?。ㄒ妶D12b、12c）。

圖11 恒速注入方式下注入壓力（a）、含水率（b）及采收率（c）與注入孔隙體積倍數(shù)的關系

表4 恒壓注入方式下采收率實驗結果

圖12 恒壓注入方式下注入速度（a）、含水率（b）及采收率（c）與注入孔隙體積倍數(shù)的關系

3 連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系礦場試驗效果對比

根據(jù)文獻[28-30]總結得出 SMG水分散液目前已成功應用的油藏條件：儲集層滲透率（50～3 000）×10-3μm2，滲透率變異系數(shù)小于 0.75，原油黏度小于 350 mPa·s，注入水礦化度小于200 000 mg/L，注入水二價離子含量小于2 000 mg/L，油藏溫度小于130 ℃。

在同一油藏不同區(qū)域開展了連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系礦場對比試驗[28]。連續(xù)相驅(qū)替試驗區(qū)以聚合物弱凝膠LPG為主，考慮到該油藏竄流通道發(fā)育、儲集層原油黏度高，選擇了聚合物弱凝膠，沒有選擇聚合物溶液，前置封堵段塞為復合預成膠體膨顆粒 SLG，后續(xù)段塞逐漸降低聚合物濃度，各段塞連續(xù)注入；分散相驅(qū)替試驗區(qū)以顆粒型聚合物SMG水分散液為主，前置封堵段塞與連續(xù)相驅(qū)替試驗區(qū)相同，后繼為SMG段塞與LPG小段塞4次交替注入。

兩種驅(qū)替方式礦場試驗效果[28]如表5所示。可以看出，分散相驅(qū)替試驗區(qū)在化學劑注入期間日產(chǎn)油提高了2.9倍，而連續(xù)相驅(qū)替試驗區(qū)是1.1倍；二者在化學劑注入期間含水率最大降幅分別為46.2%和32.2%。當持續(xù)采用連續(xù)相黏性流體驅(qū)油時，由于連續(xù)相黏性流體不區(qū)分地增加儲集層油、水的流動阻力，導致生產(chǎn)井供液能力不足，難以啟動低滲區(qū)域相對富集的剩余油，不能進一步提升和長時間保持增油降水效果；而由于SMG“堵大不堵小”的封堵特性，可優(yōu)先進入高滲透層并暫堵優(yōu)勢通道，同時水轉(zhuǎn)向進入低滲區(qū)或小孔隙驅(qū)出相對富集的剩余油，獲得了比連續(xù)相驅(qū)油體系更好的增油降水效果。

表5 連續(xù)相與分散相驅(qū)油體系礦場試驗效果對比

4 結論

連續(xù)相驅(qū)油體系無區(qū)分地進入不同大小的孔隙，而分散相驅(qū)油體系注入過程中產(chǎn)生顆粒相分離現(xiàn)象，顆粒在大孔隙中聚集形成橋堵，攜帶液進入小孔隙中驅(qū)油，具有“堵大不堵小”的封堵特性。

對于3層非均質(zhì)巖心（各層滲透率不同），采用更接近實際油藏驅(qū)油過程的恒壓方式分別注入相同孔隙體積倍數(shù)的聚合物溶液和SMG水分散液，后者增油降水效果優(yōu)于前者，即分散相驅(qū)油體系增油降水效果更好。室內(nèi)實驗結果與礦場試驗結果一致。

符號注釋：

a——與顆粒粒徑有關的參數(shù)，無因次；i——出口編號；N——出口數(shù)；pc1，pc2——毛細管1和毛細管2的毛細管力，MPa；Δp——驅(qū)替壓差，MPa；pt——SMG 作用于毛細管 3入口端產(chǎn)生的附加壓力的最大值，MPa；qi——第i個出口的流量，mL/s；xi——第i個出口的流體分流量，無因次；xi*——第i個出口的臨界流體分流量，無因次；yi——第i個出口的顆粒相濃度，無因次。