李建曄，鞠野，王曉龍，徐國(guó)瑞，劉豐鋼，劉光普

彈性微球在巖石孔隙表面沉積和二次運(yùn)移機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

李建曄，鞠野，王曉龍，徐國(guó)瑞，劉豐鋼，劉光普

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300400）

為了深入地了解孔喉尺度下彈性微球在孔隙表面的沉積機(jī)理，在現(xiàn)有微尺度微球的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，通過(guò)查閱有關(guān)微球微觀尺度的受力分析有關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了微球在巖石孔隙沉積中的受力情況，從受力的角度上分析了微球在巖石孔隙表面的沉積機(jī)理。通過(guò)范德華力以及靜電力公式定性地分析了礦化度和速度的變化對(duì)微球在巖石孔隙表面沉積現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明：礦化度減少和流速的增加均會(huì)導(dǎo)致微球的釋放，并且會(huì)引起微球的二次運(yùn)移。

微球；表面沉積；范德華力；靜電力

微球調(diào)驅(qū)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)增產(chǎn)技術(shù)，它不僅能夠利用自身的溶脹性能進(jìn)行深度調(diào)剖，做到真正的“進(jìn)得去、堵的住、能移動(dòng)、能保護(hù)”的要求，而且還能和聚合物形成聚合體系，加強(qiáng)聚合物的液流轉(zhuǎn)向能力，提高化學(xué)驅(qū)的波及系數(shù)，進(jìn)一步改善聚合物驅(qū)效果，符合開(kāi)發(fā)廉價(jià)高效的深部調(diào)剖劑的核心要求。彈性微球的微觀運(yùn)移機(jī)理主要表現(xiàn)為孔隙表面沉積機(jī)理、卡堵/疊加封堵/架橋封堵孔隙喉道機(jī)理、顆粒濾膜截留機(jī)理和變形通過(guò)孔隙喉道機(jī)理，決定孔喉尺度彈性微球深部調(diào)剖技術(shù)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題是科學(xué)合理地認(rèn)識(shí)和描述彈性微球在多孔介質(zhì)的滲流特征[1]。

本文在微尺度微球?qū)嶒?yàn)和理論基礎(chǔ)上，對(duì)沉積在巖石孔隙表面的微球進(jìn)行了受力分析，并且分析了在一些外界條件變化的情況下，微球在巖石孔隙表面的狀態(tài)變化以及通過(guò)室內(nèi)巖心模擬實(shí)驗(yàn)求證微球的二次運(yùn)移導(dǎo)致壓力的變化情況[2]。

1 微球在巖石孔隙沉積中的受力分析

彈性微球在巖石孔隙沉積狀態(tài)的確定取決于微球與流體之間的相互作用，以及微球與砂巖顆粒表面的力學(xué)的共同作用。根據(jù)Khlar K.C對(duì)微球在孔隙受力分析可得，微球與流體之間主要有4種相互作用的力，分別是摩擦阻力（r）、浮力（f）、重力（g）和慣性力（i）；微球與砂巖顆粒表面主要有3種微觀力，分別是范德華力、靜電力、表面張力，具體的受力方式見(jiàn)圖1。

圖1 作用于彈性微球的宏觀力和微觀力

圖1中箭頭的方向?yàn)榱黧w流動(dòng)的方向，粗箭頭的方向?yàn)樗w表面力的方向[3]。前4種力屬于與巖體表面力有關(guān)，后4種力與流體的性質(zhì)有關(guān)，這兩種類型的力決定顆粒在巖體孔隙的流動(dòng)狀態(tài)以及沉積狀態(tài)。當(dāng)這幾種力表現(xiàn)為吸附力時(shí)，彈性微球便會(huì)沉積在孔隙表面。

2 巖體表面力對(duì)微球沉積狀態(tài)的影響

微球在多孔介質(zhì)的孔隙和喉道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于孔喉的特征尺寸微小，微球受到微觀力的影響增大，微觀力不可忽略。微觀力主要包括范德華力、靜電力、表面張力。

2.1 范德華力

范德華力是存在于分子間的一種較弱的相互作用力，其包含取向力、誘導(dǎo)力和色散力，在分子間力中，色散力是重要的，瞬間偶極與瞬間偶極之間有色散力，由于各種分子均有瞬間偶極，故色散力存在于極性分子與極性分子、極性分子與非極性分子及非極性分子與非極性分子之間。影響范德華力的因素主要有兩點(diǎn)：第一，組成和結(jié)構(gòu)相似的分子，相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大；第二，分子的極性越大，范德華力越大。公式（1）為范德華力的計(jì)算公式：

式中：V—彈性微球與巖石孔隙表面之間的范德華力引力能，J；

132—Hamaker 常數(shù)；

—彈性微球與巖石孔隙表面之間的距離，m；

p—彈性微球的半徑，m。

范德華力的存在是微球沉積的有利因素，分子中電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生瞬時(shí)偶極矩，它使鄰近分子瞬時(shí)極化，后者又反過(guò)來(lái)增強(qiáng)原來(lái)分子的瞬時(shí)偶極矩，這種相互耦合產(chǎn)生靜電吸引作用，這3種力的貢獻(xiàn)不同，通常第3種作用的貢獻(xiàn)最大。

2.2 靜電力

靜電力是以電場(chǎng)為媒介傳遞的，即帶電體在其周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)置于其中的另一帶電體施以作用力，且兩個(gè)帶電體受到的靜電力相等。兩個(gè)靜止帶電體之間的靜電力就是構(gòu)成它們的那些點(diǎn)電荷之間相互作用力的矢量和。其作用距離比范德華力長(zhǎng)，當(dāng)顆粒與巖石孔隙表面電子層發(fā)生重疊時(shí)，膠體顆粒與巖石表面斥力增加，阻礙微球在巖石表面的沉積，其公式如下：

式中：δ—原子碰撞距離。

2.3 表面張力

表面層分子與內(nèi)部分子相比所處的環(huán)境不同，體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱的，各個(gè)方向的力彼此抵銷(xiāo)；但是處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力未必能相互抵銷(xiāo)，因此，界面層會(huì)顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。對(duì)于單組分系統(tǒng)，這種特性主要來(lái)自于同一物質(zhì)在不同相中的密度不同；對(duì)于多組分系統(tǒng)，則特性來(lái)自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷(xiāo)，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停员砻娣肿邮艿奖焕塍w相的作用力。這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)。純物質(zhì)的表面張力與分子的性質(zhì)有關(guān)，通常是γ(金屬鍵)>γ(離子鍵)>γ(極性共價(jià)鍵)>γ(非極性共價(jià)鍵)。

決定彈性微球在孔隙表面是否沉積通常是這幾種力共同作用而完成的。而影響沉積在孔隙表面微球的巖體表面力的變化，一個(gè)非常大的影響因素就是地層水的礦化度變化。由于微球注入是在線注入的，注入水的礦化度難免會(huì)與地層水的礦化度產(chǎn)生不相匹的情況，礦化度的變化就會(huì)對(duì)微球的沉積產(chǎn)生影響。通過(guò)分析，礦化度的減少會(huì)導(dǎo)致微球的釋放。這是因?yàn)橐后w的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變，根據(jù)Traube規(guī)則，同一種溶質(zhì)在低濃度時(shí)表面張力的降低與濃度成正比[4-5]。

流速的變化也會(huì)影響微球的沉積狀態(tài)，流速的增加會(huì)促進(jìn)彈性微球從孔隙表面釋放。通過(guò)分析，流速的增加破壞了彈性微球在孔隙表面沉積的穩(wěn)定的平衡條件[6]，破壞了微球的沉積狀態(tài)，導(dǎo)致了微球的二次位移，以下實(shí)驗(yàn)也將從宏觀壓力的角度解釋這一現(xiàn)象的原因。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品

微球、蒸餾水、無(wú)水乙醇、NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4、KCl、MgCl2、Na2CO3。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

復(fù)合調(diào)堵巖心動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，巖心抽空飽和實(shí)驗(yàn)裝置，電子天平（精度0.000 1 g），攪拌器，燒杯，高壓氣瓶、馬爾文3000粒度儀。

圖2 微球注入性實(shí)驗(yàn)流程圖

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）配置油田模擬注入水1 L備用；

2）微球體系配制：非連續(xù)性調(diào)控劑按照3 g·L-1的質(zhì)量濃度配制500 mL，常溫放置，備用；

3）模擬巖心準(zhǔn)備：選用氣測(cè)滲透率3 D的人造光板巖心（長(zhǎng)30 cm，橫截面積為25 cm2），抽真空，飽和地層水；

4）測(cè)量微球粒徑；

5）微球體系注入：在常溫下水測(cè)滲透率壓力穩(wěn)定后，通過(guò)改變注入速度連續(xù)注入2~4 PV非連續(xù)性調(diào)控劑體系，記錄壓力變化。

3.4 結(jié)果和討論

3.4.1 微球注入初期通過(guò)孔喉性校核

采用kozeny公式估算光板巖石的平均孔隙直徑。

式中：—孔喉直徑，μm；

—滲透率，D；

—孔隙度，無(wú)因次。

由計(jì)算結(jié)果知，該巖心平均孔喉直徑17.6 μm左右，因此微球粒徑為2~36 μm之間可順利通過(guò)。

粒徑大小及分布是彈性微球最基本的表征參數(shù)。彈性微球的粒徑可用電子顯微鏡觀察，也可用光學(xué)儀器測(cè)試，通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)得彈性微球樣品的粒徑分布，然后根據(jù)式（4）計(jì)算其平均粒徑。

式中：ave—彈性微球樣品的平均粒徑，μm；

d—樣品中第個(gè)彈性微球的粒徑，μm；

—樣品中彈性微球的總數(shù)，個(gè)。

圖3 微球粒徑測(cè)量結(jié)果

該納米微球的平均粒徑為18.1 μm，比較可知該巖心能夠保證微球在注入初期能夠通過(guò)孔喉且不會(huì)形成堵塞。

3.4.2 注入速度的變化對(duì)微球沉積的影響

將微球以不同的注入速度注入巖心觀察注入壓力的變化并采集數(shù)據(jù)，其注入速度對(duì)壓力的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，一定速度下，微球會(huì)在巖心內(nèi)部進(jìn)行沉積，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，注入壓力穩(wěn)定，而當(dāng)注入速度升高的時(shí)候，巖心內(nèi)部的微球會(huì)形成二次運(yùn)移的現(xiàn)象，壓力也會(huì)隨著運(yùn)移逐漸升高，說(shuō)明彈性微球的孔隙表面沉積現(xiàn)象是導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力增加的一個(gè)原因。

圖4 注入速度對(duì)注入壓力的影響

4 結(jié) 論

1）彈性微球在巖石孔隙沉積狀態(tài)的確定取決于微球與流體之間的相互作用，以及微球與砂巖顆粒表面的力學(xué)的共同作用。

2）流體礦化度的減少，有利于彈性微球從孔隙表面釋放，可能是因?yàn)橥环N溶質(zhì)在降低濃度時(shí)導(dǎo)致了表面張力的降低。

3）流體流速的增加，有利于彈性微球從孔隙表面釋放，而且還會(huì)引起彈性微球的二次運(yùn)移現(xiàn)象，具體表現(xiàn)就是在彈性微球再次從多孔介質(zhì)中產(chǎn)出以及注入壓力的不斷升高。

[1] 張金元. 低滲透油藏聚合物微球調(diào)驅(qū)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2019.

[2] 姚傳進(jìn). 孔喉尺度彈性微球滲流機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和模擬研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東），2014.

[3] 李曉偉，鞠野，劉豐鋼，等. 海上中等滲透率儲(chǔ)層適用聚合物微球優(yōu)化應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2018，25（6）：157-159.

[4] 薛新房，鞠野，劉俊辰，等. 渤海油田納米級(jí)聚合物微球特性研究[J].石油化工應(yīng)用，2018，37（6）：94-99.

[5] 鞠野，劉豐鋼，龐長(zhǎng)廷. 海上油田納(微)米微球調(diào)驅(qū)技術(shù)應(yīng)用研究[C].中國(guó)海洋石油有限公司, 2016.

[6] 李園園，郝明，邵澤惠，等.聚合物微球調(diào)剖劑流變性實(shí)驗(yàn)研究[J].當(dāng)代化工，2020，49（2）：331-334.

Mechanism and Experimental Study of the Deposition and Secondary Migration of Elastic Microspheres on the Surface of Rock Pores

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（China Oilfield Services Limited, Tianjin 30450, China）

In order to understand the deposition mechanism of elastic nanospheres on the pore surface at the pore throat scale, on the basis of the existing experiments and theories of micro-scale microspheres, by consulting the related literature on micro-scale stress analysis of microspheres, the stress situation of microspheres in rock pore sediments was summarized, and deposition mechanism of microspheres on rock pore surface was analyzed from the perspective of stress. The effect of mineralization and velocity changes on the deposition of nanospheres on the pore surface of rock was qualitatively analyzed by van der Waals force and electrostatic force formula. The results showed that the decrease of salinity and the increase of flow rate could lead to the release of microspheres to cause secondary migration of the microspheres.

Nanosphere; Surface deposition; Van der Waals forces; Electrostatic force

2020-10-16

李建曄（1992-），男，工程師，碩士，2018年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，研究方向：提高采收率。

TE357.46

A

1004-0935（2020）12-1472-04