高 倩

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

聚合物驅(qū)后的油層歷經(jīng)三次采油的深度開發(fā)，剩余油高度分散，儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強［1-5］，因此，“降低儲層非均質(zhì)性矛盾，擴大驅(qū)油體系的波及體積”是聚合物驅(qū)后進一步提高采收率的關(guān)鍵［6-9］。調(diào)剖堵水是解決儲層非均質(zhì)性矛盾的有效方法［10-12］。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒（PPG）作為目前常用的調(diào)堵劑，膨脹后易變形，可伴隨驅(qū)替液進入油層優(yōu)勢滲流通道，封堵高滲透層位，起到調(diào)整吸水剖面的作用［13-16］。

目前，現(xiàn)有PPG采用甲撐雙丙烯酰胺作為交聯(lián)單體，與丙烯酰胺共聚制備。這種交聯(lián)單體具有2個相同且活潑的反應(yīng)性官能團，在高分子聚合過程中與反應(yīng)性單體交聯(lián)，可以迅速地使聚合物的結(jié)構(gòu)由線型轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀［17］。但是，由于這種交聯(lián)單體的2個反應(yīng)性官能團之間只有1個亞甲基，使其形成的交聯(lián)點之間的鏈段長度過小，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)缺乏能量耗散能力，宏觀表現(xiàn)為凝膠顆粒彈性弱、易破碎，不易運移至油層深部，難以滿足聚合物驅(qū)后油層的開發(fā)要求［18-20］。為此，大慶油田通過采用具有一定分子鏈柔性的4—6烷撐雙丙烯酰胺與丙烯酰胺、丙烯酸共聚，研制出一種與傳統(tǒng)PPG相比，彈性因子更大、不易破碎的新型凝膠顆粒。

本文通過研究該新型凝膠顆粒在聚合物驅(qū)后非均質(zhì)油層內(nèi)的深部運移封堵機制及剖面改善性能，優(yōu)選出與聚合物驅(qū)后油層具有最佳配伍性的凝膠顆粒粒徑。將優(yōu)選出的凝膠顆粒與聚合物溶液組成新型驅(qū)油體系，根據(jù)驅(qū)油體系在大型三維物理模擬中注入巖心前后的含油飽和度場變化規(guī)律，深化認(rèn)識此新型驅(qū)油體系的驅(qū)油效果及動用機理，為該新型凝膠顆粒在油田的應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 實驗條件與方法

1.1 實驗條件

實驗溫度：45℃。

凝膠顆粒：新型預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒（膨脹倍數(shù)3，抗壓強度1.7 MPa，粒徑［0.15，0.30］mm；膨脹倍數(shù)3，抗壓強度1.9 MPa，粒徑（0.30，0.50］mm，大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院研制。

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），大慶煉化公司生產(chǎn)。

實驗用水：大慶油田薩北開發(fā)區(qū)油井采出液分離污水，經(jīng)深度暴氧處理。用于飽和巖心、驅(qū)替巖心、配制化學(xué)驅(qū)油體系。

實驗用油：大慶油田薩北開發(fā)區(qū)井口脫氣脫水原油。為了模擬油藏條件下原油性質(zhì)，用航空煤油稀釋原油，稀釋后原油黏度約為10 mPa·s。

實驗裝置：ISCO泵、恒溫箱、真空泵、活塞容器、六通閥、壓力表、試管、閥門。

1.2 實驗方法

1.2.1 凝膠顆粒在油層中的深部運移—封堵性能測定

分別選取粒徑為［0.15，0.30］mm和（0.30，0.50］mm兩種尺寸的凝膠顆粒，利用室內(nèi)流動物理模擬實驗，測定凝膠顆粒在不同測壓點隨注入量增加所產(chǎn)生的壓力變化，評價不同粒徑的凝膠顆粒深部運移與封堵性能。實驗所用巖心的長×寬×高為100 cm×4.5 cm×4.5 cm，滲透率為2 μm2，與傳感器連接的3個測壓點按順序由入口端至出口端均勻分布（圖1）。由于組分密度的差異，為防止凝膠顆粒在運移過程中過早出現(xiàn)沉析分離，本次實驗采用高相對分子質(zhì)量聚合物溶液托舉凝膠顆粒。在凝膠顆粒/聚合物復(fù)合體系溶液中，凝膠顆粒質(zhì)量濃度為500 mg/L，聚合物溶液質(zhì)量濃度為1 400 mg/L，相對分子質(zhì)量為2.5×107，配制方式為清配污稀。增加一組單獨聚合物驅(qū)作為對照實驗，聚合物溶液質(zhì)量濃度為2 500 mg/L。實驗步驟：（1）將模擬水、驅(qū)油體系溶液分別裝入活塞容器內(nèi)，在45℃恒溫條件下，將巖心抽真空，飽和水，計算巖心孔隙度；（2）水驅(qū)至巖心壓力平穩(wěn)，測定巖心兩端的壓力降（Δp1）；（3）凝膠顆粒/聚合物驅(qū)至巖心壓力平穩(wěn)，固定時間間隔記錄各測壓點壓力值，并測定巖心兩端的壓力降（Δp2）；（4）后續(xù)水驅(qū)至巖心壓力平穩(wěn)，測定巖心兩端的壓力降（Δp3）。實 驗 過 程 中，注 入 速 度 控 制 在0.3 mL/min。

圖1 流動物理模擬實驗裝置連接示意Fig.1 Sketch of connection for experiment equipment of flow physical simulation

驅(qū)替液的流度控制能力是指驅(qū)替液在驅(qū)油過程中通過形成一定的滲流阻力，有效提高水油流度比的能力，從而擴大波及體積，增加采出程度。一般采用阻力系數(shù)（Fr）與殘余阻力系數(shù)（Frr）評價凝膠顆粒在多孔介質(zhì)中的滲流特性。阻力系數(shù)用于反映流體在多孔介質(zhì)滲流過程中的阻力大小，殘余阻力系數(shù)用于反映流體降低孔隙介質(zhì)滲透率的能力［21-22］。阻力系數(shù)（Fr）與殘余阻力系數(shù)（Frr）計算公式為：

1.2.2 凝膠顆粒在非均質(zhì)并聯(lián)巖心中剖面改善性能表征

以大慶油田聚合物驅(qū)后20口取心井資料為基礎(chǔ)，計算了聚驅(qū)后一類油層實際平均滲透率等級與厚度比平均值，據(jù)此設(shè)計了模擬實際油層的三管并聯(lián)物理模型［23］。設(shè)計出的模型長和寬分別為30.0和4.5 cm，高、中、低滲透層高度分別為1.8、4.5和2.0 cm，滲透率分別為4 000×10-3、2 000×10-3和500×10-3μm2。通過向非均質(zhì)并聯(lián)巖心中注入不同粒徑的凝膠顆粒+聚合物復(fù)合體系溶液，測定各滲透層的分流率變化，優(yōu)選出對聚驅(qū)后非均質(zhì)油層具有最佳剖面改善性能的顆粒粒徑。實驗步驟：（1）將模擬水、凝膠顆粒+聚合物復(fù)合體系溶液分別裝入活塞容器內(nèi)，在45℃恒溫條件下，將巖心抽真空，飽和水，計算巖心孔隙度；（2）設(shè)置ISCO泵流速為0.55 mL/min，飽和油，計算巖心含油飽和度，并將巖心老化12 h；（3）水驅(qū)至采出端含水率為98%；（4）注入0.7 PV的凝膠顆粒+聚合物溶液；（5）后續(xù)水驅(qū)至采出端含水率為98%，計量出液量、出油量等參數(shù)。

1.2.3 凝膠顆粒在大型三維物理模型中滲流規(guī)律及驅(qū)油效果測定

優(yōu)選出與聚驅(qū)后油層具有最佳配伍性的凝膠顆粒后，采用大型三維物理模型開展驅(qū)油實驗，深入研究優(yōu)選出的凝膠顆粒+聚合物溶液的宏觀驅(qū)油效果，掌握聚驅(qū)后凝膠顆粒+聚合物溶液所引起的各滲透層平面含油飽和度場的變化規(guī)律，進一步驗證其對聚驅(qū)后非均質(zhì)油層的剖面調(diào)整效果。在聚合物驅(qū)階段，采用質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，相對分子質(zhì)量為1.2×107～1.6×107的中分聚合物。凝膠顆粒+聚合物溶液配置參數(shù)同1.2.1。三維物理模型的具體參數(shù)見表1。

表1 三維物理模型參數(shù)Table 1 Parameters of 3D physical model

實驗按照圖2連接好各裝置，根據(jù)以下實驗步驟開展實驗：（1）將模擬水、聚合物、凝膠顆粒+聚合物復(fù)合體系溶液分別裝入活塞容器內(nèi)，在45℃恒溫條件下，將巖心抽真空，飽和水，計算巖心孔隙度；（2）設(shè)置ISCO泵流速為4 mL/min，飽和油，計算巖心含油飽和度，并將巖心老化12 h；（3）水驅(qū)至采出端含水率為98%；（4）注入0.57 PV的聚合物溶液；（5）后續(xù)水驅(qū)至采出端含水率達到98%；（6）注入0.7 PV的凝膠顆粒+聚合物溶液；（7）后續(xù)水驅(qū)至采出端含水率達到98%。實驗過程中利用電腦觀測平面含油飽和度場的變化。

圖2 三維物理模型裝置連接示意Fig.2 Sketch of connection for 3D physical model device

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 凝膠顆粒在油層中的深部運移-封堵性能

不同驅(qū)油體系的注入壓力隨注入量變化曲線顯示（圖3），2種不同粒徑的凝膠顆粒+聚合物驅(qū)油體系壓力升幅均高于單獨聚合物驅(qū)，說明凝膠顆粒+聚合物驅(qū)油體系在油層中產(chǎn)生較大的滲流阻力。凝膠顆粒+聚合物體系的注入量為1.8～2.5 PV時，體系注入壓力陡然上升。注入量為2.5～5.2 PV時，注入壓力處于穩(wěn)定階段，并呈現(xiàn)出鋸齒狀波動的特征。分析其原因，在注入初期，凝膠顆粒在運移過程中易于較小的喉道處形成堆積，產(chǎn)生“壓力疊加效應(yīng)”，使注入壓力不斷升高。當(dāng)注入壓力高于一定值后，凝膠顆粒在外力作用下發(fā)生形變，突破孔喉，使壓力降低。通過孔喉后的凝膠顆粒會繼續(xù)在下一個孔喉處堵塞，增大流動阻力，凝膠顆粒在孔喉中以“堆積封堵—壓力升高—變形運移”的方式交替運移。注入壓力呈鋸齒狀波動狀態(tài)，說明凝膠顆粒沒有堵塞在巖心的注入端，可以運移至油層深部并保持較高滲流阻力。進入后續(xù)水驅(qū)階段后，凝膠顆粒+聚合物溶液的繼續(xù)運移使驅(qū)替過程持續(xù)有效，但由于沒有凝膠體系的繼續(xù)注入，注入水會在凝膠顆粒之間形成穩(wěn)定的水流通路，造成注入壓力降低，但是后續(xù)水驅(qū)的注入壓力仍高于注凝膠顆粒+聚合物溶液前的水驅(qū)壓力，說明該凝膠顆粒具有一定的抗剪切性能。

圖3 不同驅(qū)油體系的注入壓力與注入量關(guān)系Fig.3 Relations between injection pressure and injected volume for different displacement systems

凝膠顆粒在巖心中的阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)、壓力梯度變化顯示（表2），凝膠顆粒的粒徑越大，驅(qū)油體系在巖心中所造成的阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)也越大，這是因為較大粒徑的凝膠顆粒更易在孔喉處形成堆積，使注入壓力增長。粒徑較大的凝膠顆粒通過相同尺寸的孔喉需要更大的驅(qū)動壓力，因此粒徑為（0.30，0.50］mm的凝膠顆粒對應(yīng)測壓點1與測壓點2處的壓力值均高于粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒。盡管較高壓力值體現(xiàn)了較好的封堵效果，但從壓力梯度角度上看，粒徑為（0.30，0.50］mm的凝膠顆粒壓力梯度下降明顯，表明較大粒徑的凝膠顆粒較難進入巖心深處，在巖心中的運移能力較弱。粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒在聚驅(qū)后油層中的深部運移性能較好，不但可以運移至油層深部，而且可以持續(xù)地對油層不同部位進行差異性封堵。因此，粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠體系深部運移-封堵性能更好。

表2 凝膠顆粒在巖心中的阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)、壓力梯度Table 2 Resistance factor,residual resistance factor and pressure gradient of gel particles in the cores

2.2 凝膠顆粒在非均質(zhì)并聯(lián)巖心中剖面改善性能

通過向高、中、低滲透率的并聯(lián)巖心注入凝膠顆粒+聚合物溶液，觀察各滲透層吸液量的變化情況，評價不同粒徑的凝膠顆粒對非均質(zhì)巖心剖面改善性能。

對于粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒（圖4），在注水階段，由于各層滲透率的差異，注入水主要進入滲流阻力較小的高滲透層，高滲透層吸液量逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。中滲透層吸液量隨高滲透層吸液量的增加而逐漸降低。低滲透層在注入水階段幾乎沒有吸液量。在轉(zhuǎn)注凝膠顆粒+聚合物溶液初期，較少的凝膠顆粒對孔喉的堆積未能產(chǎn)生較大的封堵效果，因此各滲透層均可維持一段時間水驅(qū)階段分流率特征。隨著注入量的增加，大量的凝膠顆粒優(yōu)先進入高滲透層滲流通道中，在孔喉處形成堆積，注入壓力大幅增長，迫使后續(xù)流體轉(zhuǎn)向，使中、低滲透層吸液量顯著升高，調(diào)剖前后分流率分別增長了12.03%和12.35%，高滲透層分流率由68.39%降至44.02%。轉(zhuǎn)注后續(xù)水驅(qū)后，凝膠顆粒不斷由封堵位置向出口端運移，封堵效果減弱，使高滲透層吸液量增長，中滲透層吸液量降低，低滲透層相對維持一段時間穩(wěn)定的分流率后吸液量開始降低。

圖4 各滲透層分流率與注入量關(guān)系（粒徑［0.15，0.30］mm）Fig.4 Relations between flow rate and injected volume for permeable layers（sizes of［0.15，0.30］mm）

對于粒徑為（0.30，0.50］mm的凝膠顆粒（圖5），高、中、低滲透層的分流率變化規(guī)律與粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒實驗結(jié)果相近。但該凝膠顆粒運移至巖心深部的能力相對較弱，調(diào)剖后，高滲透層分流率降低19.14%，中、低滲透層分流率分別升高11.85%和7.28%。

圖5 各滲透層分流率與注入量關(guān)系（粒徑［0.30，0.50］mm）Fig.5 Relations between flow rate and injected volume for permeable layers（sizes of［0.30，0.50］mm）

綜合對比各滲透層吸液量變化，粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒剖面改善性能效果更好。

2.3 凝膠顆粒在大型三維物理模型中滲流規(guī)律及堵調(diào)驅(qū)效果

為了進一步驗證由粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒和聚合物組成的驅(qū)油體系對油層的堵調(diào)驅(qū)效果，開展了大型三維物理模型滲流規(guī)律研究。實驗結(jié)果顯示（圖6），在提高采收率方面，水驅(qū)采收率為31.74%，注入0.57 PV聚合物后，階段采收率提高13.46%，聚合物驅(qū)結(jié)束時仍有54.8%的剩余油未被動用。聚合物驅(qū)后注入0.7 PV的凝膠顆粒+聚合物復(fù)合體系，階段采收率提高值為13.51%，增幅較大。整個實驗總采收率為58.71%。在巖心含水率變化方面，注入凝膠顆粒+聚合物溶液后，含水率很快有所下降，且下降幅度大、持續(xù)時間長。說明凝膠顆粒很快對高滲透層起到了封堵作用，中、低滲透層得到動用，更多的剩余油被驅(qū)替出來導(dǎo)致含水率下降，含水率最大降幅達到18.33%。在注入壓力變化方面，注入凝膠顆粒+聚合物溶液后，隨著注入量的增加，大量凝膠顆粒于孔喉處堆積形成封堵，導(dǎo)致壓力迅速升高，當(dāng)壓力達到一定程度后，顆粒發(fā)生彈性形變，通過孔喉，使得壓力呈鋸齒狀上升，最高達到2.2 MPa。

圖6 各參數(shù)與注入量關(guān)系Fig.6 Relations between each parameter and injected volume

注凝膠顆粒+聚合物溶液前后巖心含油飽和度場變化情況顯示（圖7），在凝膠顆粒+聚合物驅(qū)結(jié)束時，各滲透層主流通道均明顯變寬，說明驅(qū)油體系注入后首先進入高滲透層，沿著主流線方向向前推進，體系中的凝膠顆粒發(fā)揮作用，對水驅(qū)與聚合物驅(qū)階段形成的優(yōu)勢滲流通道進行封堵，迫使后續(xù)流體轉(zhuǎn)向中、低滲透層，擴大波及范圍。對于高滲透層，膨脹后的凝膠顆粒粒徑普遍高于巖心的孔喉半徑，在驅(qū)動壓差作用下，顆粒變形通過孔喉，將孔隙中的剩余油“拉、拽”出來，同時依靠聚合物的黏彈性對剩余油進行攜帶，較大程度上降低了主流通道上注入井附近的含油飽和度。凝膠顆粒+聚合物驅(qū)結(jié)束時平均含油飽和度下降約6.98%。對于中滲透層，主流線附近的含油飽和度下降，但降幅低于高滲透層，波及面積約占模型面積的3/4，凝膠顆粒+聚合物驅(qū)結(jié)束時平均含油飽和度下降約11.8%。對于低滲透層，注入凝膠顆粒+聚合物體系使注入端附近約2/3處剩余油得到動用，這是由于凝膠顆粒對高滲透層主流通道進行封堵，使低滲透層吸液量大幅增加，注入端附近含油飽和度降幅較大。此階段已基本形成貫通注入端與采出端的主流線。

圖7 凝膠顆粒+聚合物驅(qū)注入前后巖心含油飽和度場Fig.7 Oil saturation field before and after gel particle+polymer floodings

綜上所述，凝膠顆粒與油層的配伍性直接影響其對油層深部的調(diào)堵效果。在聚合物溶液（連續(xù)相）中加入與聚合物驅(qū)后非均質(zhì)油層配伍性較好的凝膠顆粒（非連續(xù)相），凝膠顆粒以“堆積封堵—壓力升高—變形運移”的方式通過孔喉，封堵高滲透層，使連續(xù)相流轉(zhuǎn)于中、低滲透層。凝膠顆粒通過在驅(qū)替過程中不斷的重新分配，使得壓力場擾動增強，實現(xiàn)交替堵驅(qū)、動態(tài)調(diào)驅(qū)，使中、低滲層平均含油飽和度大幅降低，從而達到提高聚合物驅(qū)后采收率的目的。

3 結(jié)論

（1）粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒在聚合物驅(qū)后油層中的深部運移性能較好，既可以通過孔喉運移至油層深部，又能實現(xiàn)在不同區(qū)域的差異化封堵。而粒徑為（0.30，0.50］mm的凝膠顆粒較難進入巖心深處，在巖心中的運移能力較弱。

（2）高、中、低滲透層分流率變化顯示，粒徑為［0.15，0.30］mm的凝膠顆粒對非均質(zhì)油層剖面改善效果更好，與聚合物驅(qū)后油層具有更好的配伍性。與粒徑為（0.30，0.50］mm的凝膠顆粒相比，中、低滲透層分流率分別增加0.18%和5.07%。

（3）在大型三維物理模型驅(qū)油實驗中，優(yōu)選出來的凝膠顆粒膨脹后以“堆積封堵—壓力升高—變形運移”的方式通過孔喉，封堵高滲透層，使聚合物溶液流轉(zhuǎn)于中、低滲透層，實現(xiàn)交替堵驅(qū)、動態(tài)調(diào)驅(qū)，大幅度降低中、低滲層平均含油飽和度，聚合物驅(qū)后可進一步提高采收率13.51%。