劉進祥，邢劍飛，張德富，何欣，代磊陽，盧祥國，黎慧

（1.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；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；3.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300450）

聚合物驅(qū)油技術在國內(nèi)陸上和海上開展了大量礦場試驗和應用，取得了明顯增油降水效果［1］。隨著聚合物驅(qū)油機理研究的深入，前人逐漸認識到：1）聚合物的滯留作用致使低滲儲層啟動壓力增大，吸液壓差減小，擴大聚合物波及體積的效果變差［2］。2）聚合物微球（簡稱微球）粒徑分布范圍較窄，只要選擇合適的粒徑，微球注入時就會只進入高滲儲層中孔隙較大的區(qū)域；微球在較大的孔隙內(nèi)運移、緩膨和捕集，使得孔隙滲流阻力增大，井筒注入壓力（注入速度保持恒定）升高，最終導致驅(qū)替壓力梯度增大，微球攜帶液（水或表面活性劑溶液）轉(zhuǎn)向，進入大孔隙周邊的中—小孔隙內(nèi)，從而擴大聚合物微觀波及體積。3）隨著井筒注入壓力升高，中—低滲儲層吸液壓差增大，吸液量增加，聚合物宏觀波及體積擴大［3-4］。目前，微球調(diào)驅(qū)技術研究工作受到廣泛重視，張增麗等［5］研究了微球膨脹倍數(shù)與溫度、礦化度等因素的關系和微球在填砂管中的滲流特性。房立文等［6-8］對微球在渤海油田膨脹性能和現(xiàn)場應用情況進行了研究，結(jié)果表明，微球具有較好的緩膨效果，現(xiàn)場調(diào)驅(qū)效果明顯。盡管前人在微球膨脹性能、封堵性和礦場試驗等方面開展了大量的研究工作，但有關微球油藏適用性方面的研究還不夠完善［9-11］。

渤海Q油田具有原油黏度大、儲層內(nèi)部構(gòu)型復雜、非均質(zhì)性較強（儲層滲透率分布范圍較廣，介于50.0×10-3～5 743.5×10-3μm2）等特點，是典型的非均質(zhì)油藏。注水開發(fā)又加劇了儲層非均質(zhì)性，導致油田注水低效或無效循環(huán)。為滿足該油田深部液流轉(zhuǎn)向技術的需求，本文以物理化學、高分子材料學和油藏工程等理論為指導，以儀器檢測、化學分析和物理模擬等為技術手段，以渤海Q油田地質(zhì)特征和流體性質(zhì)等為模擬對象，開展了微球與人造巖心孔喉的匹配關系研究，研究成果為油田微球優(yōu)選與設計提供了實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料

微球A，B，C由中海石油天津分公司提供。實驗用水為渤海Q油田模擬注入水，總礦化度為2 893.7 mg/L。其中，離子組成（質(zhì)量濃度）分別為Ca2+（7.5 mg/L），Mg2+（75.1 mg/L），K++Na+（921.7 mg/L），Cl-（737.5 mg/L），SO42-（12.6 mg/L），CO32-（1 077.7 mg/L），HCO3-（61.6 mg/L）。人造巖心（石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［12］）根據(jù)渤海Q油田的儲層巖心孔隙度、滲透率等物性參數(shù)制作，直徑2.5 cm，長10.0 cm。

1.2 儀器設備、內(nèi)容及步驟

1.2.1 人造巖心物性參數(shù)測試

采用麥克9520型全自動壓汞儀，對人造巖心進行孔隙度、滲透率、孔喉半徑等物性參數(shù)測試。

1.2.2 微球水化膨脹性能測試

采用BT-2003激光粒度儀和奧特光學儀器公司BDS400型倒置生物顯微鏡測試微球水化膨脹性能。

1.2.3 微球微觀形貌特征分析

采用日立（Hitachi）S-3400N掃描電鏡觀測微球結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.2.4 微球與巖心孔喉的匹配關系研究

實驗設備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外，其他部分置于65℃（即油藏溫度）恒溫箱內(nèi)。實驗設備及流程見參考文獻［13］。具體步驟為：

1）巖心抽空，飽和地層水，然后注入模擬注入水，記錄壓差Δp1；注入5 PV微球溶液，記錄壓差Δp2。切掉巖心注入端（長度0.5 cm），消除端面效應。

2）巖心在65℃下放置8 d后，注入5 PV以上的后續(xù)水（即模擬水），記錄后續(xù)水注入到一定程度后的穩(wěn)定壓差Δp3。

3）計算阻力系數(shù)（Δp2/Δp1）以及殘余阻力系數(shù)（Δp3/Δp1）。

4）計算封堵率（（Δp3-Δp1）/Δp1）。通常認為封堵率高于40%～60%時，具有較好的液流轉(zhuǎn)向效果［12］，本研究認為封堵率不小于50%為封堵有效。

上述實驗步驟中的注入速度為0.9 mL/min。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 巖心物性

由壓汞測試資料可得巖心物性參數(shù)之間的相互關系。由圖1可知，平均孔喉半徑隨滲透率增大而增大，低滲與高滲巖心孔隙結(jié)構(gòu)的差異主要為孔喉半徑的差異。

圖1 巖心平均孔喉半徑與滲透率的關系

由圖2可知，隨著滲透率增加，滲透率貢獻率峰值右移，即相應的孔喉半徑增大。

圖2 不同巖心滲透率貢獻率與孔喉半徑的關系

2.2 微球水化膨脹性能

對3種微球溶液（質(zhì)量濃度Cp=3 000 mg/L）進行水化膨脹性能測試。其中：微球A采用BT-2003激光粒度儀測試；微球B和微球C采用奧特光學儀器公司BDS400型倒置生物顯微鏡測試。

從圖3可以看出：1）微球A初始粒徑近似正態(tài)分布，粒徑分布較窄，粒徑中值為0.59μm；水化8 d后，粒徑中值為2.21μm，膨脹倍數(shù)為2.75。2）微球B初始粒徑主要分布在1.24～5.03μm，粒徑相對較大，粒徑中值為3.80μm；水化1 d后，粒徑變化幅度不大，粒徑中值為3.82μm，且粒徑級差較?。凰? d后，粒徑增幅變緩，粒徑主要分布在10.62～34.22μm，粒徑最大值為38.53μm，粒徑中值為28.02μm，膨脹倍數(shù)為6.37。3）微球C初始粒徑近似正態(tài)分布，粒徑分布較窄，主要分布在7.10～11.25μm，粒徑中值為9.18μm；水化8 d后，粒徑中值為31.40μm，膨脹倍數(shù)為2.42。

圖3 微球水化時間對粒徑及分布的影響

總體上，3種微球水化膨脹速率呈先快后慢的趨勢。分析主要原因認為，微球水化膨脹效果主要取決于分散調(diào)驅(qū)體系分子溶脹性能，而該性能又取決于聚合物性質(zhì)及交聯(lián)程度等因素［14-19］。微球的主鏈或側(cè)鏈上含有酰胺基、磺酸基和羧基，這些官能團具有強烈的親水性，能夠與水分子形成氫鍵，從而產(chǎn)生較強的溶劑化作用。溶劑化層形成之后，微球的高分子網(wǎng)絡隨之擴展，親水的離子基團水解形成可移動的離子。這樣，高分子網(wǎng)絡內(nèi)、外部的水之間產(chǎn)生了離子濃度差，形成滲透壓差，在滲透壓差的作用下，水分子向高分子網(wǎng)絡滲透，滲透進入網(wǎng)絡的是自由水。與此同時，自由水又與內(nèi)部的親水基團形成氫鍵，不斷促進基團的水解和滲透壓差的形成，導致水源源不斷地進入微球網(wǎng)絡，微球吸收大量液體，體積逐漸增大。初期形成的滲透壓差較大，吸水膨脹速率快；吸水到一定程度之后，滲透壓差變得很小，吸水膨脹速率變慢，最終達到平衡。溶劑對微球分子鏈的溶劑化作用使分子線團擴張，而分子鏈間的次價鍵（范德華力）締和作用使分子線團收縮，2種作用達到平衡之后，則膨脹停止。

2.3 微球微觀形貌特征

提純后，3種微球在掃描電鏡下微觀形貌特征見圖4。由圖可以看出：微球A，B，C微觀形貌呈球狀。微球A粒徑較小，界面能較高，相互之間作用力較大，傾向于粘連在一起；微球B，C粒徑較大，分子間作用力明顯減弱，粘連現(xiàn)象減弱。微球A，B，C粒徑分別集中在0.075～0.250，0.930～6.080，6.270～14.270μm。

圖4 3種微球的微觀形貌特征

對比激光粒度儀、生物顯微鏡及掃描電鏡分析微球粒徑結(jié)果可知：微球B，C的粒徑分析結(jié)果較為接近；而微球A的掃描電鏡分析結(jié)果明顯小于激光粒度儀及生物顯微鏡。這主要由于在溶液中微球A粒徑較小，界面能較高，顆粒之間作用力較強，聚并現(xiàn)象較為嚴重，且激光粒度儀和生物顯微鏡分析結(jié)果為多個微球聚并的結(jié)果，因此其粒徑分析結(jié)果偏大。

2.4 微球與人造巖心孔喉的匹配關系

2.4.1 最大孔喉直徑與滲透率

參考“架橋”原理，顆粒類調(diào)剖劑能夠通過儲層的最大孔喉直徑為平均孔喉半徑的0.46倍［15］。因此，微球A，B，C能夠通過儲層的最大孔喉直徑分別為0.98，6.70，19.96μm。

由圖1可以得出，與其相對應的滲透率分別為6×10-3，102×10-3，708×10-3μm2。

2.4.2 微球阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率

對微球A，B，C溶液進行阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率實驗研究，結(jié)果見圖5—7。由圖可以看出：1）相同巖心滲透率以及同一微球溶液條件下，隨著微球溶液質(zhì)量濃度的增大，阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率逐漸增大。2）相同巖心滲透率及微球溶液質(zhì)量濃度條件下，隨著微球粒徑的增大，阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率逐漸增大。3）相同微球及質(zhì)量濃度條件下，隨著巖心滲透率的增大，阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率先升高后降低。分析原因認為：當巖心滲透率過低時，微球注入過程中產(chǎn)生的端面效應嚴重，僅有少量微球進入多孔介質(zhì)中而發(fā)生緩膨，殘余阻力系數(shù)和封堵率較?。划攷r心滲透率增大到一定值后，大量微球注入到多孔介質(zhì)中，此時微球緩膨后封堵效果最好；當巖心滲透率繼續(xù)增大，微球封堵效果降低，殘余阻力系數(shù)和封堵率下降。

另外，由圖5—7還可以得到與微球匹配的巖心最高滲透率（即封堵率不小于50%時的巖心滲透率）。

圖5 不同微球阻力系數(shù)與巖心滲透率的關系

圖6 不同微球殘余阻力系數(shù)與巖心滲透率的關系

圖7 不同微球封堵率與巖心滲透率的關系

2.4.3 微球注入動態(tài)特征

微球A，B，C溶液注入壓力與注入量的關系見圖8—10。由圖可知：微球類型、質(zhì)量濃度和巖心滲透率K影響注入壓力的變化趨勢，其中微球溶液質(zhì)量濃度影響幅度較小；在微球溶液注入過程中，當巖心孔喉尺寸與微球粒徑匹配關系較好時，注入壓力呈“升高—下降—平穩(wěn)”的趨勢。

圖8 不同質(zhì)量濃度的微球A、巖心滲透率對注入壓力、注入量的影響

因此，通過觀測注入壓力變化趨勢可以確定微球進入巖心的最低滲透率（能達到注采平衡的巖心最低滲透率）。微球A，B，C能夠進入巖心的最低滲透率Kw分別約為100×10-3，200×10-3，500×10-3μm2。根據(jù)注入壓力可以計算出殘余阻力系數(shù)和封堵率，并且進一步確定微球能夠有效發(fā)揮滯留和液流轉(zhuǎn)向作用的巖心最高滲透率。

圖9 不同質(zhì)量濃度的微球B、巖心滲透率對注入壓力、注入量的影響

圖10 不同質(zhì)量濃度的微球C、巖心滲透率對注入壓力、注入量的影響

綜上所述，由于微球粒徑大小及分布不同，并具有較好的彈性，微球注入過程中同樣會對低滲儲層造成一定封堵，這與孫哲等［14］認為微球具有“堵大不堵小”的特性有所不同。分析原因認為，微球不僅可以進入高滲儲層，當壓力較高時，部分小粒徑微球還會進入低滲儲層，造成低滲儲層傷害。微球進入低滲儲層的過程中同樣會發(fā)生緩膨，使得“剖面返轉(zhuǎn)”［16-20］，從而造成后續(xù)水返回高滲儲層，導致高滲儲層分流率增加，低滲儲層分流率降低，采收率降低。隨著微球粒徑的增大，與微球相匹配的巖心最低滲透率和最高滲透率逐漸增大。微球A，B，C適用儲層滲透率范圍分別介于100×10-3～1 000×10-3，200×10-3～1 500×10-3，500×10-3～1 800×10-3μm2。針對不同儲層的封堵要求，可選擇不同類型微球，以達到不同的液流轉(zhuǎn)向效果。

2.5 微球與巖心孔喉的匹配關系

由圖5—10可得微球適用儲層滲透率范圍。結(jié)合圖1可得相對應的巖心孔喉直徑，結(jié)合圖1和圖3可得相對應的微球粒徑中值，從而進一步得到3種微球的巖心孔喉直徑/微球粒徑值（見表1）。

表1 微球與巖心孔喉的匹配關系計算結(jié)果

從表1可以看出：注入階段，除微球A因聚并現(xiàn)象導致巖心孔喉直徑/微球粒徑值較大外，其他2種微球的巖心孔喉直徑/微球粒徑值均與“架橋”原理［14-15］得到的結(jié)果接近；水化膨脹階段，微球A因聚并現(xiàn)象導致巖心孔喉直徑/微球粒徑值較大，而微球B和微球C的巖心孔喉直徑/微球粒徑值接近于1，即微球緩膨后彈性增強。要想得到良好的封堵效果（封堵率不小于50%），巖心孔喉直徑/微球粒徑值小于1.13。結(jié)合微球與巖心孔喉的匹配關系計算結(jié)果，可以得到聚合物微球驅(qū)在油藏的適用范圍［20］。

3 結(jié)論

1）微球A，B，C適用儲層滲透率范圍分別為100×10-3～1 000×10-3，200×10-3～1 500×10-3，500×10-3～1 800×10-3μm2。針對不同滲透率儲層需選擇不同類型的微球。其中，針對特高滲儲層必須輔以強凝膠封堵，再利用封堵范圍較寬的微球調(diào)剖，才能取得良好效果。

2）由于微球粒徑具有一定的分布范圍，注入壓力較高的情況下，微球同樣會進入低滲儲層，發(fā)生水化膨脹，造成低滲儲層傷害。因此，建議控制好微球注入速度（注入壓力），以減小微球進入低滲儲層的概率。

3）與微球B，C相比較，微球A粒徑較小，界面能較高，注入過程中易發(fā)生聚并現(xiàn)象。因此，未緩膨時，微球A的巖心孔喉直徑/微球粒徑值較高，與“架橋”理論得到的結(jié)果相差較大，而微球B，C的巖心孔喉直徑/微球粒徑值均與“架橋”原理得到的結(jié)果接近。要想得到良好的封堵效果（封堵率不小于50%），巖心孔喉直徑/微球粒徑值小于1.13。