袁偉峰，楊鈺龍，侯吉瑞，程婷婷

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331）

0 前言

隨著油氣工業(yè)的發(fā)展，常規(guī)油氣資源在剩余油氣資源總量中所占的比重逐漸減小，低滲油氣資源逐步成為全球油氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)［1-2］。但低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注入水竄逸現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇儲(chǔ)層非均質(zhì)性，導(dǎo)致油井含水迅速上升，注入水低效或無(wú)效循環(huán)，波及系數(shù)低，造成油藏中大量剩余油無(wú)法采出，開(kāi)發(fā)效果差，經(jīng)濟(jì)效益低［3-4］。因此，控制注入水竄逸，提高水驅(qū)波及效率是低滲透油藏剩余油挖潛的關(guān)鍵。

注入納米聚合物微球?qū)Φ蜐B透油藏進(jìn)行深部調(diào)驅(qū)是近年來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，室內(nèi)和礦場(chǎng)均取得了良好的效果［5-7］。聚合物微球初始粒徑小，具有良好的分散性，吸水膨脹后，在通過(guò)儲(chǔ)層巖石孔道時(shí)單個(gè)或多個(gè)微球架橋封堵或者吸附在巖石表面封堵喉道，迫使深部液流發(fā)生轉(zhuǎn)向，進(jìn)入低滲帶，啟動(dòng)含油飽和度較高的儲(chǔ)層［8-10］。而聚合物微球的膨脹性能隨著溶劑水礦化度的升高而降低［11-12］。為保證納米聚合物微球良好的膨脹和封堵性能，應(yīng)盡量為其創(chuàng)造低鹽環(huán)境。降低注入水的礦化度不僅能夠提升納米聚合物微球的調(diào)剖效果，而且能夠有效提高注入水的驅(qū)油效果。關(guān)于低礦化度水驅(qū)油原理尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，目前已提出的作用機(jī)理包括改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性、引起儲(chǔ)層微粒運(yùn)移和降低界面張力等［13-14］。其中，微粒運(yùn)移是指儲(chǔ)層原生黏土顆粒在低礦化度水的作用下從巖石表面脫落，隨流體向下游運(yùn)移的過(guò)程。在運(yùn)移過(guò)程中一部分微粒會(huì)堵塞孔隙喉道，造成巖心滲透率下降，但從另一個(gè)角度看，在非均質(zhì)油藏中，微粒堵塞孔喉可以改變注入流體的流動(dòng)方向，使之流向未被波及的區(qū)域，從而提高波及系數(shù)［15-16］。但是，由于不同儲(chǔ)層黏土成分的含量不盡相同，有些儲(chǔ)層巖心在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中并未收集到黏土顆粒，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微粒運(yùn)移的現(xiàn)象［17］。因此，低礦化度水驅(qū)的調(diào)剖效果也因儲(chǔ)層類(lèi)型而異［18］。

低礦化度水驅(qū)能夠提高驅(qū)油效率但對(duì)波及效率影響不大，而微球通過(guò)封堵高滲通道能夠提高波及效率，但對(duì)驅(qū)油效率影響不大。若兩者相結(jié)合使用，有可能同時(shí)提高驅(qū)油效率和波及效率，克服單一使用時(shí)的局限性。Brattekas 等［19］研究表明，低礦化度水驅(qū)有助于提高凝膠的封堵能力。Alhuraishawy等［20］驗(yàn)證了低礦化度水與凝膠顆粒復(fù)合驅(qū)在裂縫性碳酸鹽巖油藏中提高采收率的可行性，在低礦化度水驅(qū)過(guò)程中，凝膠顆粒的尺寸增加使得顆粒能夠更有效地封堵裂縫，降低裂縫的導(dǎo)流能力，迫使低礦化度水進(jìn)入基質(zhì)，從而提高采收率。此外，Alhuraishawy 等［21］也驗(yàn)證了低礦化度水與凝膠顆粒復(fù)合驅(qū)在裂縫性砂巖油藏中提高采收率的可行性，并發(fā)現(xiàn)低礦化度水和凝膠顆粒混合同時(shí)注入，比順序注入采收率更高，因?yàn)榈偷V度水的存在使凝膠發(fā)生膨脹，提高凝膠顆粒的封堵效率?？梢?jiàn)，如果低礦化度水的驅(qū)油性能與納米聚合物微球的調(diào)剖性能相結(jié)合，低礦化度水驅(qū)的作用將得到更充分地發(fā)揮，二者相結(jié)合的深部調(diào)驅(qū)技術(shù)將兼具“調(diào)剖”和“驅(qū)油”兩種效果，且微球的調(diào)剖功能與低礦化度水驅(qū)中潛在的黏土顆粒運(yùn)移具有協(xié)同增效的作用，可以有效地控制注入水竄逸；同時(shí)該技術(shù)能夠傳承二者成本低、制備和施工簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在低滲透油藏深部調(diào)驅(qū)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到有針對(duì)低滲透油藏，對(duì)低礦化度水與納米聚合物微球復(fù)合調(diào)驅(qū)效果評(píng)價(jià)及作用機(jī)理的相關(guān)研究。鑒于在低礦化度環(huán)境中聚合物微球的膨脹性和穩(wěn)定性可以得到有效保障，且微球與儲(chǔ)層中的黏土顆粒具有協(xié)同增效作用，本文通過(guò)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和核磁共振測(cè)試評(píng)價(jià)納米聚合物微球與低礦化度水復(fù)合驅(qū)油的適應(yīng)性，并通過(guò)核磁共振T2譜和成像測(cè)試分析驅(qū)替過(guò)程中原油在巖心孔隙中的分布情況及剩余油特征，探究納米聚合物微球與低礦化度水的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

露頭巖心50-1#～50-6#，基本物性見(jiàn)表1。模擬油為正十二烷，黏度2.20 mPa·s（25 ℃）；重水、蒸餾水；模擬地層水，礦化度9693.88 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Ca2+629.29、Mg2+251.70、Na+2700.04、HCO3-183.52、Cl-5899.58、SO42-29.75；納米聚合物微球，平均粒徑105 nm，北京石大萬(wàn)嘉新材料科技有限公司。

表1 巖心基本物性

MesoMR23-60H 型尺寸核磁共振成像分析儀，共振頻率23 MHz，磁體強(qiáng)度0.3 T，允許驅(qū)替樣品直徑規(guī)格25 mm，磁體溫度為32 ℃，邁分析儀器股份有限公司；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置包括HX-Ⅱ型真空加壓飽和儀、巖心夾持器、平流泵、壓力傳感器和中間容器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

巖心50-1#、50-2#和50-3#驅(qū)油過(guò)程中進(jìn)行核磁共振測(cè)試，巖心50-4#、50-5#和50-6#進(jìn)行常規(guī)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟類(lèi)似，區(qū)別在于不使用重水，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

一次水驅(qū)（恒速注入重水配制的地層水）直至含水率達(dá)到98%；進(jìn)行納米聚合物微球驅(qū)（恒速注入重水配制的納米聚合物微球溶液）直至含水率達(dá)到98%；后續(xù)水驅(qū)（恒速注入重水配制的地層水）直至含水率達(dá)到98%；在驅(qū)油過(guò)程中在一些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行核磁T2譜及成像測(cè)試，檢測(cè)注入壓力，記錄產(chǎn)油量和產(chǎn)水量。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米聚合物微球與低礦化度水復(fù)合驅(qū)油效果

2.1.1 驅(qū)替速率的影響

使用模擬地層水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米聚合物微球溶液，測(cè)定不同驅(qū)替速率下微球的封堵及驅(qū)油效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，50-6#—50-4#巖心驅(qū)替過(guò)程中注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見(jiàn)圖1。

表3 納米聚合物微球驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，注入由地層水配制的微球溶液，隨著驅(qū)替速率增加，微球驅(qū)階段及最終采收率增加。由圖1（a）可知，驅(qū)替速率為0.1 mL/min 時(shí)，一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.30 MPa，含水率快速增加，水竄現(xiàn)象明顯，采收率為39.01%；注入納米聚合物微球后，壓力稍微增加并穩(wěn)定在0.50 MPa，后續(xù)水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.32 MPa，最終采收率為47.87%；微球并未起到封堵作用，能夠順利通過(guò)巖心孔道。

圖1 不同驅(qū)替速率下注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

當(dāng)驅(qū)替速率分別增至為0.2 mL/min 和0.5 mL/min 時(shí)，一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力分別為0.50 MPa 和1.20 MPa；納米聚合物微球驅(qū)階段壓力分別增加至0.80 MPa 和1.50 MPa；后續(xù)水驅(qū)穩(wěn)定壓力分別為0.54 MPa和1.32 MPa；采收率分別提高7.02%和10.56%，最終采收率分別為56.14%和63.38%。驅(qū)替速率分別為0.1、0.2、0.5 mL/min 時(shí)，納米聚合物微球驅(qū)后封堵率分別為6.3%、7.4%和9.1%，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米聚合物微球在3 種驅(qū)替速率條件下的封堵作用效果均不明顯?？赡苁且?yàn)檫x用巖心的滲透率較高而納米微球粒徑較小，微球能夠順利通過(guò)孔喉，無(wú)法有效封堵孔喉。

2.1.2 聚合物微球濃度

以驅(qū)替速率0.2 mL/min 注入由模擬地層水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的納米聚合物微球，驅(qū)替過(guò)程中50-3#巖心的注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見(jiàn)圖2。一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.71 MPa，納米聚合物微球驅(qū)階段壓力增加至1.80 MPa，后續(xù)水驅(qū)壓力穩(wěn)定在1.40 MPa。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米聚合物微球驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，注入壓力顯著增加，封堵率為49.3%，表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的納米聚合物微球起到明顯的封堵作用。較高濃度下納米聚合物微球會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，相互黏結(jié)形成較大尺寸的團(tuán)聚體，從而封堵孔喉。與驅(qū)替速率條件相比，納米聚合物微球濃度對(duì)封堵作用效果的影響較大。納米聚合物微球驅(qū)及后續(xù)水驅(qū)初期階段含水率均明顯下降，提高采收率17.83%，最終采收率為65.03%。

圖2 50-3#巖心注入壓力、含水、采收率隨注入體積的變化（微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）

2.1.3 聚合物微球溶液礦化度

納米聚合物微球與低礦化度水復(fù)合驅(qū)過(guò)程，采用同時(shí)注入方式［21］。50-1#、50-2#、50-3#巖心分別注入由礦化度分別為96.94、969.39、9693.88 mg/L的水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%納米聚合物微球溶液，50-2#、50-1#巖心注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化見(jiàn)圖3。由圖3（a）可知，50-2#巖心注入由低礦化度水（礦化度為969.38 mg/L）配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的納米聚合物微球溶液，一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.72 MPa，納米聚合物微球驅(qū)穩(wěn)定壓力為2.11 MPa，后續(xù)水驅(qū)壓力穩(wěn)定在2.04 MPa，與注入地層水（礦化度9693.88 mg/L）配制的聚合物微球相比（50-3#，圖2），納米聚合物微球驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)階段壓力明顯增加，封堵率增加至64.7%。納米聚合物微球在低礦化度水中發(fā)生水化膨脹，體積增大，更有利于封堵巖心大孔喉，封堵作用增強(qiáng)［11］。此外，低礦化度水會(huì)引起巖心中微粒發(fā)生運(yùn)移并堵塞孔喉［15］，兩者協(xié)同作用起到更好的封堵作用。由表1和圖3（a）可知，一次水驅(qū)采收率為49.13%，含水率上升迅速；納米聚合物微球驅(qū)油階段提高采收率17.77%；后續(xù)水驅(qū)階段提高采收率4.88%；最終采收率為71.78%，采收率提高22.65%。

50-1#巖心注入由低礦化度水（礦化度為96.94 mg/L）配制的納米聚合物微球溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%），由圖3（b）可知，50-1#巖心驅(qū)油過(guò)程中注入壓力、含水、采收率變化趨勢(shì)與50-2#巖心相似，一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.78 MPa，微球驅(qū)階段壓力增加至2.50 MPa，后續(xù)水驅(qū)穩(wěn)定壓力為2.43 MPa，封堵率為67.9%，即隨礦化度的降低，微球封堵作用效果更加顯著。一次水驅(qū)采收率為48.95%，納米聚合物微球驅(qū)提高采收率20.63%，后續(xù)水驅(qū)提高采收率4.2%，最終采收率為73.78%。納米聚合物微球與低礦化度水協(xié)同增效驅(qū)油效果顯著，隨溶液礦化度的降低，注入壓力增加，采收率提高。

圖3 50-2#、50-1#巖心注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

2.2 不同驅(qū)替階段核磁T2譜分析

2.2.1 核磁T2譜及成像

T2譜曲線(xiàn)反映巖心中油相的變化，巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段的核磁共振T2譜曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。巖心初始飽和油狀態(tài)下T2譜曲線(xiàn)在弛豫時(shí)間0.1～600 ms 均有分布，主要偏向長(zhǎng)弛豫時(shí)間20～600 ms，即原油主要分布在相對(duì)較大的孔隙中。一次水驅(qū)，注入2 PV 時(shí)，T2譜曲線(xiàn)峰值及包圍面積均發(fā)生明顯下降，注入5 PV時(shí)，T2譜曲線(xiàn)形態(tài)未再發(fā)生明顯變化。轉(zhuǎn)注納米聚合物微球，注入2 PV 時(shí)，T2譜曲線(xiàn)弛豫時(shí)間20～600 ms的信號(hào)量明顯降低，與50-3#巖心（配液用水為模擬地層水）相比，50-1#巖心（配液用水為低礦化度水）的T2譜曲線(xiàn)峰值及包圍面積下降更加明顯，說(shuō)明低礦化度水和納米聚合物微球復(fù)合驅(qū)有利于提高微球驅(qū)階段采油量。后續(xù)水驅(qū)的T2譜包圍面積繼續(xù)降低，其中50-1#巖心后續(xù)水驅(qū)的T2譜曲線(xiàn)形態(tài)發(fā)生明顯變化，說(shuō)明微球溶液礦化度越低，微球封堵作用效果越好，提高后續(xù)水驅(qū)波及效率。

圖4 不同礦化度微球溶液驅(qū)油的核磁T2譜

對(duì)50-1#巖心水驅(qū)和聚合物微球驅(qū)過(guò)程中5 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行核磁成像，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以直觀(guān)看出各個(gè)階段巖心中剩余油的分布情況。一次水驅(qū)5 PV 結(jié)束，巖心中仍存在大量剩余油，集中分布在巖心中部［圖5（c）］；注入納米聚合物微球溶液，含油量明顯減?。蹐D5（d）］，說(shuō)明微球有效地封堵水竄通道，改變注入流體的流動(dòng)方向，有效啟動(dòng)一次水驅(qū)尚未波及區(qū)域的剩余油，提高了波及效率，且低礦化度水能夠提高驅(qū)油效率，因此低礦化度水與納米微球復(fù)合驅(qū)階段顯著提高采收率；后續(xù)水驅(qū)進(jìn)一步將巖心中剩余油驅(qū)出。

圖5 50-1#巖心驅(qū)油過(guò)程中的核磁共振圖像

2.2.2 不同尺寸孔隙中原油動(dòng)用程度

將T2譜曲線(xiàn)的弛豫時(shí)間轉(zhuǎn)換為孔隙半徑大小，信號(hào)量轉(zhuǎn)換為含油量，可以得到不同階段孔隙中含油量變化［22-23］，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6 可知，巖心飽和油主要分布在0.002～12 μm孔隙中；一次水驅(qū)5 PV后，0.02～12 μm 孔隙中的含油量均發(fā)生下降；納米聚合物微球驅(qū)階段，0.02～12 μm孔隙中含油量進(jìn)一步下降，說(shuō)明能夠有效地啟動(dòng)剩余油。與注入地層水配制的納米聚合物微球溶液的50-3#巖心相比，低礦化度水與納米聚合物微球復(fù)合驅(qū)的50-1#巖心中0.02～0.2 μm 和0.2～2 μm 孔隙中原油均明顯下降，說(shuō)明復(fù)合驅(qū)能夠有效啟動(dòng)中小孔隙中剩余油。

圖6 不同驅(qū)油階段孔隙中的含油量

采用不同礦化度水配制的聚合物微球驅(qū)替階段不同孔隙中采出油量與聚合物微球驅(qū)階段總采出油量之比（貢獻(xiàn)率）見(jiàn)圖7。由圖7可知，聚合物微球驅(qū)階段采出油量主要來(lái)自2～12 μm孔隙，平均占75%。隨著注入聚合物微球溶液的礦化度降低，0.2～2 μm 孔隙中驅(qū)替出的原油對(duì)該階段總產(chǎn)油量的貢獻(xiàn)增加，由15%增至23%。隨著礦化度降低，納米聚合物微球能夠更好地封堵水竄通道，迫使注入流體發(fā)生轉(zhuǎn)向，使低礦化度水流向中小孔隙，有效啟動(dòng)中小孔隙中的剩余油。

圖7 不同礦化度下微球驅(qū)階段孔隙中采出油量所占比重

3 結(jié)論

納米聚合物微球與低礦化度水復(fù)合體系兼具調(diào)剖和驅(qū)油雙重效果，復(fù)合體系相比單一聚合物微球驅(qū)油，提高采收率由17.8%增加至24.4%，后續(xù)水驅(qū)穩(wěn)定注入壓力由1.40 MPa升高至2.43 MPa，封堵率由49.3%增加至67.9%。

增加注入微球溶液的濃度和降低溶液的礦化度，均會(huì)顯著增強(qiáng)微球的封堵和驅(qū)油效果。前者僅是因?yàn)槲⑶虬l(fā)生團(tuán)聚形成尺寸較大的團(tuán)聚體，而后者主要是微球在低礦化度水中發(fā)生膨脹，且低礦化度水能夠提高驅(qū)油效率。核磁共振T2譜曲線(xiàn)及成像結(jié)果表明，微球驅(qū)階段產(chǎn)油量主要來(lái)自2～12 μm孔隙中，即注入納米聚合物微球能夠有效地封堵水竄通道，改變注入流體的流動(dòng)方向，提高波及效率，使低礦化度水啟動(dòng)尚未波及區(qū)域的剩余油；同時(shí)隨著礦化度降低，0.2～2 μm 孔隙中原油動(dòng)用程度增加，即微球的封堵作用效果增強(qiáng)，迫使低礦化度水流向中小孔隙，啟動(dòng)剩余油。納米聚合物微球與低礦化度水協(xié)同增效驅(qū)油在低滲透油藏提高采收率方面具有一定的應(yīng)用潛力。