劉婭菲，楊靜雯，姚婷瑋，周德勝，陳碩思

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽(yáng) 745100；4.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015）

油藏孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，注水開(kāi)發(fā)時(shí)易形成不均勻的注水剖面，注入液體傾向流入大孔道而小孔內(nèi)的原油不易被驅(qū)替，導(dǎo)致過(guò)早見(jiàn)水、波及效率降低，從而影響注水開(kāi)發(fā)的采收率［1-2］。注水井堵水調(diào)剖技術(shù)能夠封堵高滲透層，引導(dǎo)注入液體進(jìn)入未被波及的低滲透層，從而應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性以及提高波及效率。目前已有多種堵水調(diào)剖技術(shù)在油田得到了廣泛應(yīng)用，如聚合物溶液調(diào)剖、泡沫堵水、凝膠顆粒調(diào)驅(qū)等［3-7］。隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入高含水期，層間矛盾加劇，常規(guī)堵水技術(shù)深部調(diào)驅(qū)能力不足；聚合物微球因其尺寸小、分散性好、耐溫耐鹽、彈性形變能力好從而能夠運(yùn)移至地層深處，達(dá)到深部調(diào)驅(qū)的目的［8-14］。聚合物微球尺寸分布從納米到微米級(jí)不等，其中對(duì)于納米聚合物微球（簡(jiǎn)稱微球）的研究主要集中在利用巖心或填砂管等實(shí)驗(yàn)方法分析和評(píng)價(jià)微球的膨脹特性、封堵性能等［8，15-17］。研究發(fā)現(xiàn)微球?qū)Φ蜐B透巖心封堵率較高［18］，但對(duì)中高滲透巖心的封堵性能還有待深入研究。為此，筆者利用支撐劑裂縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)模擬高滲透介質(zhì)，研究不同實(shí)驗(yàn)條件下微球?qū)χ蝿┝芽p等高滲透優(yōu)勢(shì)水流通道的封堵性能，分析微球在高滲透介質(zhì)中的封堵作用機(jī)理，研究結(jié)果為明晰微球在裂縫等大尺度通道中的滲流能力及其在非均質(zhì)儲(chǔ)層的實(shí)際應(yīng)用和參數(shù)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和機(jī)理參考。

1 實(shí)驗(yàn)器材及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料和藥品 20/40 目支撐劑，微球溶液（實(shí)驗(yàn)所用微球直徑分別為50，100 和300 nm，膨脹系數(shù)為3～5倍），蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)儀器 HXDL-2C型支撐劑裂縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)、2PB2020 型平流泵、BP4200 型精密電子天平（與電腦相連）、燒杯等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法主要包括：①在支撐劑裂縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)（圖1）的導(dǎo)流室內(nèi)將提前稱量好的20/40 目的支撐劑緩慢均勻鋪置其中，用金屬板密封后將其放入液壓框架，施加閉合壓力用于建立高滲透均質(zhì)模型。②實(shí)驗(yàn)所需的蒸餾水和微球溶液分別裝于2個(gè)中間容器內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)軟件設(shè)置閉合壓力、平流泵流量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。③實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先向?qū)Я魇覂?nèi)注入蒸餾水至出液端平穩(wěn)出液后注入提前配制好的微球溶液直至平穩(wěn)出液，利用系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集導(dǎo)流能力、滲透率等數(shù)據(jù)。④分別改變驅(qū)替流量、閉合壓力、微球粒徑以及微球溶液濃度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計(jì)混合型正交試驗(yàn)，評(píng)價(jià)各參數(shù)對(duì)微球封堵高滲透通道性能的影響，具體每組實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表1 所示。為研究微球粒徑的影響，上述每組實(shí)驗(yàn)采用粒徑分別為50，100 和300 nm 的微球依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Diagram of installation

表1 3組實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置Table1 Parameters of three groups

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 驅(qū)替流量對(duì)微球封堵性能的影響

從驅(qū)替流量與注入微球后支撐劑裂縫滲透率的關(guān)系（圖2）可以看出，當(dāng)驅(qū)替流量小于0.5 mL/min時(shí)，增加驅(qū)替流量滲透率減?。淮笥?.5 mL/min 時(shí)，驅(qū)替流量越大，滲透率越大。驅(qū)替流量對(duì)50 nm 粒徑的微球溶液封堵效率影響較大；隨著驅(qū)替流量的增加，滲透率先降低后增加。

圖2 驅(qū)替流量與支撐劑裂縫滲透率的關(guān)系Fig.2 Relationship between propped fracture permeability and injection rate

描述平均孔隙半徑與滲透率和孔隙度之間的關(guān)系式為：

根據(jù)（1）式推算得，20/40 目支撐劑鋪置的均質(zhì)模型孔隙半徑為4.22～30.90 μm，平均孔隙半徑為14.86 μm。由于50 nm 的微球粒徑小，膨脹后尺寸遠(yuǎn)小于平均孔隙半徑，增加驅(qū)替流量時(shí)，微球在孔隙間的滯留性變差，同時(shí)微球溶液的沖刷使得裂縫滲透率變大，導(dǎo)致微球流動(dòng)性強(qiáng)，受驅(qū)替流量改變的影響大。在最高驅(qū)替流量下，滲透率大幅度增加，表現(xiàn)為出現(xiàn)水竄現(xiàn)象，微球無(wú)法進(jìn)行有效封堵。對(duì)于100 nm 粒徑的微球而言，滲透率隨驅(qū)替流量增加而增加，但增加幅度較50 nm 粒徑的小，表明其滯留性相對(duì)較好；而對(duì)于300 nm 粒徑的微球，當(dāng)驅(qū)替流量較小時(shí)，滲透率變化幅度不大，當(dāng)驅(qū)替流量進(jìn)一步增加至1.5 mL/min 時(shí)，滲透率小幅度增加。由此可見(jiàn)，較大粒徑的微球自身運(yùn)移性較弱，在不斷增加驅(qū)替流量時(shí)更能維持其封堵效果，直至更高驅(qū)替流量使得微球發(fā)生運(yùn)移而導(dǎo)致滲透率增加。

為量化微球的封堵效果，將蒸餾水滲透率作為基準(zhǔn)滲透率，滲透率變化率（為蒸餾水滲透率和微球驅(qū)后滲透率之差與蒸餾水滲透率的比值）作為封堵效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由不同驅(qū)替流量所對(duì)應(yīng)的滲透率變化率（圖3）可以看出，不同粒徑的微球在驅(qū)替流量為0.5 mL/min 時(shí)整體封堵性能均較好，表明該流量下不同粒徑的微球能夠兼顧在多孔介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)移性以及滯留性；而當(dāng)驅(qū)替流量為1.5 mL/min時(shí)，滲透率變化率隨粒徑增加而增加，當(dāng)驅(qū)替流量較大時(shí)，微球的滯留性成為決定封堵效果的關(guān)鍵因素；微球粒徑越大、滯留性越好則封堵性能就越好，滲透率變化率就越大。

圖3 不同驅(qū)替流量與支撐劑裂縫滲透率變化率的關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability change rate and injection rate

總體而言，較大的驅(qū)替流量會(huì)導(dǎo)致高滲透介質(zhì)滲透率增加，而微球粒徑差異使得增加驅(qū)替流量對(duì)滲透率的具體影響有所不同。驅(qū)替流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致微球滯留性差、增加介質(zhì)內(nèi)滲透率級(jí)差，從而降低封堵效果，而流量過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致微球的運(yùn)移性變?nèi)?，無(wú)法進(jìn)入動(dòng)態(tài)封堵?tīng)顟B(tài)。因此利用較小粒徑的微球如50 nm 粒徑封堵中高滲透介質(zhì)時(shí)，0.5 mL/min的驅(qū)替流量能夠得到較好的封堵效果；當(dāng)利用較大粒徑的微球如100，300 nm 粒徑封堵時(shí)，0.2～0.5 mL/min 的驅(qū)替流量能夠兼顧微球的運(yùn)移性和滯留性，使得微球能夠到達(dá)需被封堵的孔隙的同時(shí)不被后續(xù)的注入液體轉(zhuǎn)移而降低封堵效果，而現(xiàn)場(chǎng)在能達(dá)到要求封堵性能的條件下可選擇較低的驅(qū)替流量以降低開(kāi)發(fā)成本。

2.2 閉合壓力對(duì)微球封堵性能的影響

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變支撐劑裂縫系統(tǒng)里液壓框架的閉合壓力從而模擬不同地層條件。對(duì)于導(dǎo)流室而言，其導(dǎo)流能力隨閉合壓力的增加而減?。?9-20］。但從閉合壓力與滲透率關(guān)系（圖4）可得，閉合壓力增加時(shí)，滲透率出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，使用不同粒徑微球時(shí)，滲透率變化曲線波動(dòng)幅度也有所不同。具體而言，當(dāng)使用50 nm 粒徑的微球時(shí)，滲透率隨閉合壓力增加變化幅度較小。由于50 nm 粒徑的微球粒徑較小，膨脹后尺寸遠(yuǎn)小于介質(zhì)平均孔隙半徑，因此增加閉合壓力時(shí)，支撐劑間孔隙變小，微球仍能夠運(yùn)移導(dǎo)致滲透率的動(dòng)態(tài)變化不明顯。當(dāng)使用100 nm粒徑的微球時(shí)，滲透率隨閉合壓力的升高有大幅度的變化；當(dāng)閉合壓力增至15 MPa 時(shí)，滲透率有較大幅度的增長(zhǎng)。由于閉合壓力的增加使得具有彈性的微球在多孔介質(zhì)內(nèi)發(fā)生運(yùn)移，其聚集形態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)突破封堵孔隙后會(huì)對(duì)支撐劑分布有較大影響，從而導(dǎo)致滲透率增加。當(dāng)閉合壓力進(jìn)一步增加時(shí)滲透率有較為明顯的下降，表明介質(zhì)內(nèi)孔喉變小，滲流阻力增加，同時(shí)微球被擠壓運(yùn)移至孔喉處進(jìn)行再次封堵。對(duì)于300 nm 粒徑的微球，滲透率隨閉合壓力增加先稍有增加再減小，也呈現(xiàn)出類似的動(dòng)態(tài)封堵的趨勢(shì)。

圖4 閉合壓力與支撐劑裂縫滲透率的關(guān)系Fig.4 Relationship between propped fracture permeability and closing pressure

同樣，基于基準(zhǔn)滲透率得出不同閉合壓力下滲透率變化率（圖5）。使用50 nm 粒徑的微球進(jìn)行封堵時(shí)，滲透率變化率隨壓力增加變化不明顯，相反較大粒徑的微球在閉合壓力變化時(shí)呈現(xiàn)出波動(dòng)的滲透率變化率。由此分析可得，微球膨脹后尺寸仍小于高滲透介質(zhì)的平均孔隙半徑，對(duì)孔隙的封堵主要依靠微球聚集，隨著閉合壓力的不斷增加，微球基于自身良好的彈性和形變能力在多孔介質(zhì)中能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)封堵，即微球運(yùn)移并聚集至孔隙處進(jìn)行封堵，壓力增加后突破孔隙再次運(yùn)移，再進(jìn)行封堵，使得滲透率以及滲透率變化率出現(xiàn)波動(dòng)。小粒徑的微球在壓力作用下更容易向前運(yùn)移，突破時(shí)對(duì)支撐劑鋪置的影響較小，而較大粒徑的微球在壓力增加向前運(yùn)移時(shí)，會(huì)因?yàn)橥黄瓶紫对斐芍蝿┓植嫉母淖兪沟脻B透率增加。

圖5 閉合壓力與支撐劑裂縫滲透率變化率的關(guān)系Fig.5 Relationship between propped fracture permeability change rate and closing pressure

2.3 微球溶液質(zhì)量濃度對(duì)微球封堵性能的影響

從微球溶液質(zhì)量濃度與支撐劑裂縫滲透率的關(guān)系（圖6）可以看出，支撐劑裂縫滲透率隨微球溶液質(zhì)量濃度增加呈較為復(fù)雜的變化關(guān)系。當(dāng)改變微球溶液質(zhì)量濃度時(shí)，50 nm 粒徑的微球曲線變化較大，滲透率隨微球質(zhì)量濃度的增加先減小再增大再減小。由于微球自身粒徑小、滯留性差，難以對(duì)高滲透介質(zhì)形成有效封堵，因此在質(zhì)量濃度最小時(shí)出現(xiàn)較高的滲透率；而當(dāng)質(zhì)量濃度較大時(shí)，微球聚集形成突破，滲透率反而會(huì)升高。對(duì)于100 nm 粒徑的微球，滲透率總體水平較低，其隨微球溶液質(zhì)量濃度的升高先降低再升高，同時(shí)滲透率達(dá)到該組實(shí)驗(yàn)最低，分析認(rèn)為該質(zhì)量濃度下，100 nm 粒徑的微球聚集與裂縫孔隙更為匹配，封堵效果更好。而對(duì)300 nm 粒徑的微球，微球溶液質(zhì)量濃度增加滲透率平穩(wěn)升高，表明該粒徑微球?qū)χ蝿┝芽p具有一定封堵效果，但質(zhì)量濃度較高時(shí)，微球更易聚集形成突破降低封堵效果，反而使得滲透率升高。

圖6 微球溶液質(zhì)量濃度與支撐劑裂縫滲透率的關(guān)系Fig.6 Relationship between propped fracture permeability and concentration

由不同質(zhì)量濃度微球溶液所對(duì)應(yīng)的滲透率變化率（圖7）可以看出，當(dāng)微球溶液質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 時(shí)，3 種不同微球粒徑的溶液均有較好的封堵效果，而當(dāng)微球溶液質(zhì)量濃度為500 mg/L 時(shí)，封堵效果隨微球粒徑增大而增強(qiáng)，表明在低質(zhì)量濃度下，由于微球數(shù)量相對(duì)較少，微球粒徑對(duì)于高滲透介質(zhì)內(nèi)孔隙的封堵影響更大。當(dāng)微球溶液質(zhì)量濃度為1 500 mg/L 時(shí)，100 nm 粒徑的微球具有較為突出的封堵效果，表明該微球質(zhì)量濃度和粒徑與導(dǎo)流室內(nèi)多孔介質(zhì)匹配性更好。同時(shí)基于本組實(shí)驗(yàn)的滲透率變化率可得，50 nm 粒徑、1 000 mg/L 質(zhì)量濃度組合以及300 nm 粒徑、500 mg/L 質(zhì)量濃度組合封堵性能更佳。

圖7 微球溶液質(zhì)量濃度與支撐劑裂縫滲透率變化率的關(guān)系Fig.7 Relationship between propped fracture permeability change rate and concentration

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微球的封堵性能并非隨微球溶液質(zhì)量濃度增加而增大。當(dāng)微球溶液質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，單位體積內(nèi)微球數(shù)量多，更易出現(xiàn)微球聚集的現(xiàn)象，使得流體在通過(guò)支撐劑裂縫時(shí)阻力增加，形成突破時(shí)導(dǎo)致支撐劑鋪置發(fā)生改變，降低封堵效果。對(duì)于油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，過(guò)大的微球質(zhì)量濃度一方面增加成本，增大系統(tǒng)壓力；另一方面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明也可能會(huì)導(dǎo)致裂縫滲透率增加，降低封堵效果，因此在微球溶液質(zhì)量濃度的選擇上不是越高越好，當(dāng)使用小粒徑微球時(shí)質(zhì)量濃度可適當(dāng)提高，而使用較大粒徑微球時(shí)質(zhì)量濃度可選擇較低值，在達(dá)到封堵效果的同時(shí)降低成本。

3 影響微球封堵性能主控因素分析與參數(shù)優(yōu)化

3.1 主控因素分析

為明晰不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)微球封堵性能即微球驅(qū)后滲透率的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出主控因素。實(shí)驗(yàn)所包含的參數(shù)及不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)水平見(jiàn)表2，其中驅(qū)替流量、閉合壓力以及微球溶液質(zhì)量濃度有4 水平，微球粒徑有3 水平。對(duì)此混合型正交試驗(yàn)進(jìn)行級(jí)差分析后，得到不同參數(shù)對(duì)應(yīng)級(jí)差以及因子主次順序。實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)微球封堵性能影響的排序?yàn)椋候?qū)替流量＞閉合壓力＞微球粒徑＞微球溶液質(zhì)量濃度；在本實(shí)驗(yàn)條件下，最低滲透率所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)水平：驅(qū)替流量為0.2 mL/min，閉合壓力為10 MPa，微球粒徑為300 nm以及微球溶液質(zhì)量濃度為1 500 mg/L。

表2 不同參數(shù)對(duì)微球封堵效果影響綜合分析Table2 Analysis on plugging performance of various parameters

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可得，利用微球?qū)Ω邼B透介質(zhì)進(jìn)行封堵時(shí)，驅(qū)替流量的影響最大，而微球溶液質(zhì)量濃度和粒徑的影響較小。增加驅(qū)替流量會(huì)降低微球封堵效果，而利用較大粒徑的微球則能夠削弱驅(qū)替流量對(duì)封堵效果的影響，適宜的微球溶液質(zhì)量濃度和粒徑組合也能夠提高封堵效率。閉合壓力對(duì)微球封堵效果具有一定影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微球隨閉合壓力的增加呈動(dòng)態(tài)封堵的特性。

3.2 參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)微球在儲(chǔ)層的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)驅(qū)替流量、微球粒徑及溶液濃度進(jìn)行優(yōu)化分析。前人研究表明，小粒徑、高質(zhì)量濃度聚合物微球更適合對(duì)低滲透儲(chǔ)層進(jìn)行封堵，納米微球能夠運(yùn)移至地層深處進(jìn)行封堵［18］。而利用微球?qū)Ω邼B透介質(zhì)進(jìn)行封堵時(shí)，驅(qū)替流量相比微球粒徑與溶液質(zhì)量濃度對(duì)微球封堵性能影響更大，選擇驅(qū)替流量時(shí)，過(guò)大會(huì)影響微球的滯留性，過(guò)小無(wú)法保證微球的運(yùn)移性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明0.5 mL/min的驅(qū)替流量下，3種不同粒徑的微球溶液均有較好的封堵效果。在微球參數(shù)的選擇上，微球粒徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致微球滯留性差達(dá)不到封堵效果，而微球溶液質(zhì)量濃度的選取存在最優(yōu)值而不是越大越好，適宜的微球粒徑與溶液質(zhì)量濃度組合能夠協(xié)同提高封堵性能。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)微球的封堵率，在微球驅(qū)后再次注入蒸餾水測(cè)量滲透率?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，選取粒徑為300 nm，2個(gè)質(zhì)量濃度梯度的微球溶液以0.5 mL/min的流量進(jìn)行微球驅(qū)后再一次蒸餾水驅(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖8）表明，微球驅(qū)后再次注入蒸餾水，滲透率對(duì)比初始滲透率均有明顯下降；再次注入蒸餾水后，壓力從初次注入蒸餾水時(shí)0.1～0.2 MPa提高至0.6～0.8 MPa，表明微球的注入有效封堵了大孔道，使得再次水驅(qū)注入壓力增大。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比滲透率變化率發(fā)現(xiàn)，微球溶液質(zhì)量濃度較小時(shí)封堵效果更佳，與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；當(dāng)微球溶液質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，后續(xù)注水過(guò)程可能造成已經(jīng)堆積聚集的微球再次運(yùn)移同時(shí)改變周?chē)蝿╊w粒分布，使得后續(xù)蒸餾水驅(qū)滲透率相比低質(zhì)量濃度組高。后續(xù)水驅(qū)滲透率與微球驅(qū)后滲透率相當(dāng)，表明后續(xù)水驅(qū)對(duì)微球封堵效果的影響較小。

圖8 微球驅(qū)前后蒸餾水滲透率對(duì)比及滲透率變化率的關(guān)系Fig.8 Comparison between permeability of distilled water before and after injection of microspheres and relationship between permeability change rate and concentration

4 結(jié)論

通過(guò)支撐劑裂縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)模擬微球在高滲透介質(zhì)中的運(yùn)移，改變驅(qū)替流量、閉合壓力以及微球溶液質(zhì)量濃度和微球粒徑評(píng)價(jià)微球的封堵性能，并得出影響微球封堵高滲透通道的主控因素。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得注入微球溶液后，高滲透介質(zhì)滲透率有不同程度的下降，表明微球溶液對(duì)于高滲透介質(zhì)具有封堵效果。驅(qū)替流量增加時(shí)，滲透率總體呈上升趨勢(shì)，閉合壓力與滲透率呈現(xiàn)波動(dòng)變化關(guān)系，微球粒徑及質(zhì)量濃度對(duì)封堵性能的影響較為復(fù)雜，呈非線性變化并且存在最優(yōu)值，后續(xù)可對(duì)不同微球粒徑及溶液質(zhì)量濃度組合進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化，在保證封堵效果的前提下降低開(kāi)采成本。通過(guò)主控因素分析，各參數(shù)對(duì)微球封堵高滲透介質(zhì)的效果影響排序?yàn)轵?qū)替流量＞閉合壓力＞微球粒徑＞微球溶液質(zhì)量濃度。基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于微球在高滲透介質(zhì)中的實(shí)際應(yīng)用，可選擇較低的驅(qū)替流量以兼顧微球的滯留性與運(yùn)移性以及較大粒徑的微球和相對(duì)較低的溶液質(zhì)量濃度，以達(dá)到更好的封堵性能。

符號(hào)解釋

K——滲透率，D；

R——平均孔隙半徑，μm；

φ——孔隙度，無(wú)量綱。