張金元

西安石油大學石油工程學院/陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室 （陜西 西安 710065）

中國的很多油田進入了開發(fā)后期，水驅(qū)提高采收率是目前已開發(fā)油田補充地層能量最主要的措施[1]。由于儲層的非均質(zhì)性、水竄等原因，注入水沿著高滲透層滲流，低滲透層原油難以啟動，水驅(qū)波及系數(shù)降低，從而影響了水驅(qū)效果[2]。聚合物微球乳液調(diào)驅(qū)技術(shù)是在交聯(lián)聚合物溶液調(diào)剖技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)驅(qū)技術(shù)[3]，微球具有抗溫性、抗鹽性、黏彈性、膨脹性和封堵性[4]，可以在巖石孔道中運移和吸水膨脹，從而達到深部調(diào)驅(qū)的效果[5]。目前國內(nèi)外對聚合物微球的研究主要集中在聚合物微球的制備，理化特性評價以及室內(nèi)調(diào)剖封堵實驗等，對現(xiàn)場施工的注入?yún)?shù)研究較少[6-9]。為了對現(xiàn)場施工提供參數(shù)選擇，通過并聯(lián)填砂管物理模型封堵試驗系統(tǒng)對聚合物微球的注入濃度、注入量、注入方式進行了優(yōu)化。能夠為低滲透油藏聚合物微球調(diào)驅(qū)現(xiàn)場施工提供參數(shù)選擇依據(jù)，對低滲透油藏聚合物微球形成技術(shù)支撐，從而提高低滲透油藏開發(fā)程度，有效提高低滲透油藏原油采收率。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及裝置

實驗用水為模擬地層水（安塞油田王窯區(qū)塊長6，CaCl2型，礦化度89 850 mg/L，Ca2+20 710 mg/L，K++Na+12 220 mg/L，Ba2+648 mg/L，Cl-56 105 mg/L，HCO3-83 mg/L），飽和填砂管時用油為工業(yè)白油（黏度11.54 mPa·s，60℃、剪切速率7.221 1/s）。填砂管所用石英砂粒徑為250～380 μm、120～180 μm、75 μm（40～60目、80～120目、200目）3種類型的石英砂按照不同的比例和不同砸實程度填制。

實驗所用聚合物微球為WQ100聚合物微球，采用英國馬爾文公司Nano-ZS90激光粒度分布儀測量。結(jié)果表明聚合微球樣品初始平均粒徑為141.3 μm，Median Diameter為141.3 μm，Mean Diameter為163.4 μm，Polydispersity（聚合物多分散度）為0.358，GSD為1.739。聚合物微球在60℃恒溫箱里靜置3 d，再用激光納米粒徑儀測量的實驗結(jié)果：Median Diameter為 728.9 μm，Mean Diameter為 856.8 μm，Polydispersity（聚合物多分散度）為0.382，GSD為1.766。在60℃恒溫箱里放置3 d之后，粒徑中值由141.3 μm膨脹為728.9 μm。粒徑膨脹倍數(shù)為5.16倍。粒徑膨脹變化如圖1所示。

采用Haake RS6000旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)子型號為C60/1°TiL錐板在7.221 1/s、60℃下測不同濃度和不同乳化時間的聚合物微球黏度，結(jié)果見表1。

圖1 不同水化時間WQ100微球粒徑分布

表1 聚合物微球乳液黏度（60℃）

采用ZEISS型光學顯微鏡對60℃條件下不同水化時間的WQ100微球乳液進行觀察，顯微照片如圖2所示。水化初期和水化1 d，聚合物微球均勻分散在乳液中，微球大小較為均勻，沒有明顯差別；水化7 d后，微球明顯產(chǎn)生交聯(lián)，微球粒徑增大，微球數(shù)目明顯增多，發(fā)生團聚作用，出現(xiàn)了大粒徑微球。

圖2 不同水化時間WQ100微球乳液顯微照片

實驗裝置示意圖如圖3所示，關(guān)鍵部件為填砂管2根，管長1 000 mm，內(nèi)徑25 mm，最大承壓32 MPa；MCGS壓力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；真空泵；神州微科2PB系列平流泵（量程范圍0.01～5.00 mL/min）；分析天平（精度0.001 g）；活塞式壓力容器；大型恒溫箱及常規(guī)玻璃器皿等。

圖3 聚合物微球調(diào)驅(qū)封堵實驗裝置示意圖

1.2 實驗步驟

為了探究聚合物微球乳液對驅(qū)替效果的影響，采用同注分采的方式進行實驗?？紤]不同注入濃度、不同注入量以及不同注入時機對采收率的影響，具體實驗步驟如下：①采用不同粒徑的石英砂以不同的配比、不同的壓實程度填充出不同滲透率極差填砂管，并檢查氣密性；②測氣測滲透率，抽真空，飽和模擬地層水，計算孔隙度，連接設(shè)備，測水相滲透率，記錄驅(qū)替流量、驅(qū)替壓力、時間、出液量，飽和模擬油，測油相滲透率；③采用合注分采的方式驅(qū)替，對不同注入?yún)?shù)進行優(yōu)化。開始一次水驅(qū)油，驅(qū)替速度為1 mL/min，10 min分別記錄一次高滲物理模型、低滲物理模型的出油量、出水量、總液量以及入口處動態(tài)壓力數(shù)據(jù)。并計算動態(tài)含水率。驅(qū)替到綜合含水率80%時，開始注入一定濃度的聚合物微球乳液。注入之后等聚合物微球乳液在60℃養(yǎng)護24 h。后續(xù)水驅(qū)，水驅(qū)到綜合含水率98%時結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 合理的注入濃度

為了優(yōu)化合理注入濃度，進行3次并聯(lián)填砂管聚合物微球調(diào)剖實驗，通過采用多次填砂方法進行充填（3次填砂管極差分別為3.37、3.48和3.60）。首先進行水驅(qū)，當水驅(qū)動態(tài)含水率達到80%時，注入不同濃度（1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L）的聚合物微球溶液0.3 PV，實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在注入聚合物微球乳液0.3 PV之后，濃度為1 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了6.13%，低滲物理模型累積采收率提升了53.27%，總采收率為67.6%；濃度為2 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了14.96%，低滲物理模型累積采收率提升了45.25%，總采收率為72.99%；濃度為3 000 mg/L的高滲物理模型累積采收率提升了7.80%，低滲物理模型累積采收率提升了43.59%，總采收率為71.12%。注入聚合物微球乳液之后，微球能相互凝聚交聯(lián)成團形成體積更大的微球，濃度越高，注入壓力會升高，對設(shè)備要求較高，注入濃度過低，微球無法形成有效交聯(lián)體，達不到預期的效果。當濃度為2 000 mg/L時，總采收率最高。綜合考慮最佳注入濃度為2 000 mg/L。

圖4 合理濃度優(yōu)化實驗結(jié)果

2.2 合理的注入量

在最佳注入濃度（2 000 mg/L）的基礎(chǔ)上，為了確定最佳注入量，設(shè)計了滲透率極差分別是3.29、3.48、3.31的填砂管并聯(lián)驅(qū)替實驗。首先進行水驅(qū)，當水驅(qū)動態(tài)含水率達到80%時分別注入0.2 PV、0.3 PV、0.4 PV的2 000 mg/L的聚合物微球乳液，之后再進行水驅(qū)。實驗結(jié)果及3種注入量的對比結(jié)果如圖5所示（0.3 PV的實驗結(jié)果如圖4（b）所示）。

由圖5可以看出，當注入聚合物微球乳液量為0.2PV時，高滲模型采收率提高10.64%，低滲模型采收率提高36.90%，總采收率為63.82%。當注入聚合物微球乳液量為0.3 PV時，高滲模型采收率提高14.96%，低滲模型采收率提高45.75%，總采收率為72.99%。當注入聚合物微球乳液量為0.4 PV時，高滲模型采收率提高18.18%，低滲模型采收率提高52.32%，總采收率為68.46%。由此可知，聚合物微球注入量為0.4 PV時低滲模型采收率提高最多。微球乳液注入量越多低滲模型采收率提高越大。但是注入量為0.4 PV時總采收率68.46%小于注入量為0.3 PV時的總采收率72.99%。分析認為注入量大于孔隙體積時，聚合物微球乳液會從出口流出，部分微球直徑小于儲層喉道，從而流出的部分就起不到調(diào)驅(qū)的作用。此外當儲層孔隙度在30%時，最佳注入量為0.3 PV，分析認為該注入量下聚合物微球溶液正好可以充滿填砂管的孔隙空間，注入量過多會從出口流出，注入量過少達不到預期的效果。

2.3 合理的注入時機

在確定了最佳注入濃度（2 000 mg/L）和最佳注入量（0.3 PV）的基礎(chǔ)上，為了確定最佳注入時機，設(shè)計了滲透率極差分別是3.78、3.48、6.37的填砂管并聯(lián)驅(qū)替實驗。首先進行水驅(qū)，當水驅(qū)動態(tài)含水率分別達到63%、81.67%、91.67%時注入2 000 mg/L、0.3 PV的聚合物微球乳液，之后再進行水驅(qū)。實驗結(jié)果及3種注入量的對比結(jié)果如圖6所示（動態(tài)含水率81.67%的實驗結(jié)果如圖4（b）所示）。

圖5 合理注入量實驗結(jié)果

由圖6可知，注入時機為動態(tài)含水率63.00%時，高滲模型采收率提高15.35%，低滲模型采收率提高52.13%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高37.88%，總采收率為57.68%；注入時機為動態(tài)含水率80%時，高滲模型采收率提高14.96%，低滲模型采收率提高45.75%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高18.05%，總采收率為72.99%；注入時機為動態(tài)含水率91.67%時，高滲模型采收率提高2.71%，低滲模型采收率提高42%，在注入微球0.3 PV期間，低滲模型采收率提高6.4%，總采收率為66.08%。雖然總采收率為動態(tài)含水率80%時最高，但是在注入0.3 PV聚合物微球時，動態(tài)含水率分別為63.00%、80%、91.67%，低滲模型提高采收率37.88%＞18.05%＞6.40%。可以看出，當動態(tài)含水率到達63%時，注入聚合物微球封堵效果最明顯，采收率變化最大，但是總采收率并不高。圖6（a）中，當開始注入聚合物微球時，動態(tài)含水率曲線迅速降低，說明注入微球封堵了高滲模型。導致高滲模型的總采收率只有50.48%，部分油被封堵在里面采不出來，所以注入聚合物微球的最佳時機是當高滲模型出油很少或者已經(jīng)不出油時，開始注入聚合物微球封堵高滲透層。

圖6 合理注入時機實驗結(jié)果

當動態(tài)含水率到達63%時，注入聚合物微球乳液封堵效果最佳，但也同時封堵了高滲透層，當動態(tài)含水率91.67%時，低滲模型采收率提高42%小于動態(tài)含水率80%時，低滲模型采收率提高45.75%。此外動態(tài)含水率91.67%時的總采收率66.08%也小于動態(tài)含水率80%時的72.99%。所以最佳注入時機為動態(tài)含水率80%時，提高總采收率效果最好。對高滲層而言，由于滲透率高，孔隙連通性好，因此應在水驅(qū)效果不理想時（不出油或出油量較低）改用聚合物微球調(diào)驅(qū)將有效提升驅(qū)替效果。注入微球時，由于高滲模型連通性好，所以注入的微球數(shù)量多，而低滲模型注入的則少。微球注入后，在高滲透物理模型中成團交聯(lián)在一起變成大的微球，起到封堵作用，運移、深部調(diào)剖。封堵了高滲模型，從而增大入口壓力，產(chǎn)生附加壓力梯度，低滲模型中本來不流動的這一部分油，由于壓力升高發(fā)生流動，向前推進。使得液流發(fā)生轉(zhuǎn)向，低滲模型出油量增加，從而提高了原油采收率。實驗條件下最佳注入時機是動態(tài)含水率為80%。

在7組驅(qū)替實驗中，各個填沙管的基本參數(shù)及驅(qū)替實驗結(jié)果見表2。

表2 非均質(zhì)油藏模型驅(qū)油實驗結(jié)果

3 結(jié)論

1）在實驗范圍內(nèi)，聚合物微球濃度在2 000 mg/L時為最佳。

2）當孔隙度為30%時，注入量為0.3 PV時封堵效果最好。

3）當動態(tài)含水率在60%時，低滲模型水未突破前，注入微球效果最好；注入聚合物微球可以讓動態(tài)含水率穩(wěn)產(chǎn)期提前，盡早的采出低滲物理模型的原油。當動態(tài)含水率91.67%時，注入聚合物微球后提高采收率效果不明顯。當動態(tài)含水率80%時，高滲模型出油很少，此時注入聚合物微球封堵高滲透層，可使最終總采收率最高。因此，最佳注入聚合物微球時機是動態(tài)含水率為80%。