周海燕，張運(yùn)來，何逸凡，繆飛飛

中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津?yàn)I海新區(qū)300459

引言

渤海油田某油藏儲(chǔ)層巖石呈高孔高滲特征，孔隙度中值為32%，滲透率中值為2 200 mD。儲(chǔ)層巖石膠結(jié)疏松，非均質(zhì)性強(qiáng)，受注入水的長期沖刷，易形成優(yōu)勢(shì)滲流通道，水驅(qū)控制程度較低，開發(fā)效果較差[1-3]。目前，該油田綜合含水達(dá)94%，采出程度僅16.4%。傳統(tǒng)的聚合物調(diào)驅(qū)劑易對(duì)疏松砂巖地層造成破壞，不能滿足油藏長期有效的深部調(diào)驅(qū)需求。

聚合物微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)是近幾年發(fā)展的一種新型調(diào)驅(qū)技術(shù)，該技術(shù)主要利用聚合物納米微球尺寸小、在水中分散性好、易進(jìn)入地層深部及在油藏溫度下遇水膨脹的特征，讓其在孔喉中運(yùn)移、封堵、變形通過、再運(yùn)移封堵，直至地層深處，逐級(jí)封堵水竄優(yōu)勢(shì)通道，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，擴(kuò)大注入水波及體積，改善水驅(qū)開發(fā)效果[4-9]。但目前常用的聚合物微球以分散的球形結(jié)構(gòu)為主，其封堵機(jī)理主要為微球的堆積架橋作用，這就要求微球粒徑和多孔介質(zhì)孔喉之間具有較好的匹配關(guān)系，增加了在海上高滲透地層進(jìn)行有效調(diào)驅(qū)的難度[10-17]。

新型交聯(lián)聚合物微球P–90 是一種在常規(guī)聚合物微球基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型調(diào)驅(qū)劑，在渤海油田經(jīng)過多個(gè)井組的應(yīng)用，取得了較好的調(diào)驅(qū)效果。為深入分析該調(diào)驅(qū)劑的作用機(jī)理，本文從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀封堵、運(yùn)移及驅(qū)油等多個(gè)角度開展了調(diào)驅(qū)機(jī)理和性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。P–90 在充分溶脹后，通過掃描電鏡可觀察到其本質(zhì)是一種綜合了傳統(tǒng)交聯(lián)聚合物空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和聚合物微球顆粒性質(zhì)的調(diào)驅(qū)劑，微球處于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其同時(shí)具備了較高的封堵與運(yùn)移能力，并具有長期穩(wěn)定性，對(duì)膠結(jié)疏松的高滲透砂巖儲(chǔ)層可以實(shí)現(xiàn)長期有效的深部調(diào)驅(qū)，對(duì)海上油田深部調(diào)驅(qū)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

交聯(lián)聚合物微球P–90，相對(duì)分子量1 500 萬；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水；RS–6000 流變儀，德國HAAKE公司；BT–9300LD 干濕法激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；FEI Quanta 650 FEG 型場發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI Czech Republic S.r.o；微孔濾膜實(shí)驗(yàn)裝置、油藏物理模擬驅(qū)替裝置，海安石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）交聯(lián)聚合物微球溶脹實(shí)驗(yàn)

將聚合物微球置于水中配制成濃度5 000 mg/L的分散液進(jìn)行水化溶脹，采用場發(fā)射掃描電鏡、激光粒度分析儀分別于0、5、10、20、30 和60 d 對(duì)溶脹后的微球進(jìn)行觀察，以分析交聯(lián)聚合物微球溶脹后的微光容貌與粒徑分布。

（2）交聯(lián)聚合物微球黏度測試

將聚合物微球配制成不同濃度溶液，溶脹后測試不同溫度下聚合物微球黏度，以及不同溫度下0～72 h 聚合物微球體系黏度長期保留率，探究其黏度耐溫效果。

（3）交聯(lián)聚合物微球微孔濾膜實(shí)驗(yàn)

采用微孔濾膜實(shí)驗(yàn)裝置，恒壓0.5 MPa 進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)。對(duì)溶脹30 d 后的微球，根據(jù)Kozeny 方程[式（1）]可得多孔介質(zhì)滲透率1 000 和3 000 mD對(duì)應(yīng)的平均孔徑分別為5 和10μm[18-22]。

選用這兩種孔徑的微孔濾膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用高清攝像機(jī)記錄出液量隨時(shí)間的變化，得到交聯(lián)聚合物微球?qū)ξ⒖诪V膜的封堵能力，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 微孔濾膜實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Microporous membrane experimental device

（4）交聯(lián)聚合物微球封堵運(yùn)移實(shí)驗(yàn)

采用油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，將交聯(lián)聚合物微球恒流速注入一維填砂管模型中，分別在填砂管入口端、1/2 處設(shè)置測壓點(diǎn)，記錄兩記錄點(diǎn)壓力隨注入量變化，改變填砂管滲透率及聚合物微球濃度以判斷聚合物微球封堵運(yùn)移能力，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 封堵運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Plugging migration experimental device

（5）交聯(lián)聚合物微球調(diào)驅(qū)性能評(píng)價(jià)

將3 根不同滲透率的填砂管飽和原油，并聯(lián)后恒流速注水，每3 min 記錄出液量及采出液油水比，待采出液總含水率為95%時(shí)，注入0.3 PV 交聯(lián)聚合物微球轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)、記錄出液量、采收率、采出液含水率及壓力隨注入體積的變化，實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 3 管并聯(lián)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Displacement experimental device of three pipe parallel

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)聚合物微球基本性能及微觀結(jié)構(gòu)

（1）交聯(lián)聚合物微球粒徑分布變化

交聯(lián)聚合物微球溶脹不同時(shí)間的平均水化中值直徑變化如圖4 所示。

圖4 交聯(lián)聚合物微球溶脹中值直徑變化曲線Fig.4 Swelling size change of cross-linked polymer microspheres

由圖4 可見，微球初始平均粒徑為4.40 μm，溶脹20 d 時(shí)達(dá)到15.50 μm，20 d 后中值直徑保持15.00～16.00μm 左右，60 d 后微球粒徑依然保持不變，說明微球粒徑具有長期穩(wěn)定性。

（2）交聯(lián)聚合物微球黏度變化

不同濃度聚合物微球黏度隨溫度的變化情況如圖5 所示。

由圖5 可見，交聯(lián)聚合物微球黏度隨其濃度上升而上升，隨溫度升高而下降，黏度保留率整體上表現(xiàn)出隨濃度的增加而增加的趨勢(shì)：濃度為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 和4 000 mg/L 的交聯(lián)聚合物微球溶液在80?C時(shí)黏度保留率分別為80.34%、81.11%、82.13%、82.69%、86.78%、91.20%、88.60%和89.71%。

圖5 不同濃度交聯(lián)聚合物微球黏度隨溫度變化曲線Fig.5 The viscosity of cross-linked polymer microspheres with different concentrations changes with temperature

交聯(lián)聚合物微球不同溫度下黏度長期穩(wěn)定性見圖6，在溫度為30、60 和90?C條件下老化72 h 后，黏度保留率分別為99.12%、97.60%和90.81%，可見交聯(lián)聚合物微球具有良好的耐溫性能。

圖6 交聯(lián)聚合物微球不同溫度下黏度長期穩(wěn)定性Fig.6 Long-term viscosity stability of cross-linked polymer microspheres at different temperatures

（3）交聯(lián)聚合物微球微觀結(jié)構(gòu)

不同溶脹時(shí)間交聯(lián)聚合物微球電鏡掃描結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同溶脹時(shí)間交聯(lián)聚合物微球電鏡掃描結(jié)果Fig.7 SEM scanning results of cross-linked polymer microspheres with different swelling time

由圖7 可見，聚合物微球母液溶脹前無明顯球狀結(jié)構(gòu)，溶脹20 d 時(shí)有明顯球狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，但依然存在塊狀結(jié)構(gòu)，未完全溶脹，溶脹35 d 后呈現(xiàn)出明顯的球狀結(jié)構(gòu)，粒徑分布均勻，微球之間構(gòu)成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 微孔濾膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微孔濾膜實(shí)驗(yàn)前后濾膜見圖8。

圖8 微孔濾膜過濾前后變化Fig.8 Changes before and after microfiltration

由圖8 可見，濾膜中部產(chǎn)生濾餅，說明交聯(lián)聚合物微球在濾膜上產(chǎn)生了有效的封堵。溶脹30 d 的交聯(lián)聚合物微球在5 和10μm 孔徑的微孔濾膜下過濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 交聯(lián)聚合物微球微孔濾膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of cross-linked polymer microsphere microporous membrane

恒壓過濾下微球?yàn)V液體積隨時(shí)間變化為一條開口向右的曲線，曲線切線的斜率逐漸變小，表明過濾速度逐漸減小，交聯(lián)聚合物微球?qū)ξ⒖诪V膜上的孔喉進(jìn)行了有效的封堵。

恒壓過濾經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)值上的表達(dá)式為

采用式（2）對(duì)過濾曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表1。

表1 微孔濾膜過濾曲線擬合結(jié)果Tab.1 Fitting formula of microporous membrane filtration curve

由表1 可見，微孔濾膜對(duì)聚合物微球的恒壓過濾符合恒壓過濾經(jīng)驗(yàn)公式。隨著濃度增大，濾液體積擬合公式的二次方項(xiàng)系數(shù)逐漸增大，說明過濾速度逐漸減小，其封堵能力隨濃度增大而增強(qiáng)。

2.3 交聯(lián)聚合物封堵運(yùn)移能力

根據(jù)微孔濾膜實(shí)驗(yàn)，交聯(lián)聚合物微球在高于濃度3 000 mg/L 后過濾曲線變化差異不大，考慮經(jīng)濟(jì)效益封，堵實(shí)驗(yàn)選取濃度為3 000 mg/L。

在滲透率1 000（實(shí)際987）、3 000（實(shí)際3 014）和5 000（實(shí)際5 120）mD 的填砂管中注入0.5 PV 濃度為3 000 mg/L 交聯(lián)聚合物微球，然后測量填砂管入口處和1/2 處壓力隨注入體積變化結(jié)果見圖10～圖12。由圖10～圖12 可見，注入交聯(lián)聚合物微球后入口處壓力與1/2 處壓力均上漲，表現(xiàn)出良好的封堵效果。

圖10 987 mD 時(shí)交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.10 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 987 mD

圖11 3 014 mD 時(shí)交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.11 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 3 104 mD

圖12 5 120 mD 時(shí)交聯(lián)聚合物微球注入壓力曲線Fig.12 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 5 120 mD

測量封堵前后的滲透率，計(jì)算封堵率，結(jié)果見表2。由表2 可見，交聯(lián)聚合物微球在滲透率987 mD 時(shí)，封堵率高達(dá)93.13%；在滲透率3 014 mD時(shí)封堵率為87.75%，在滲透率5 120 mD 時(shí)封堵率依然保持在82.92%，說明在高孔高滲條件下，交聯(lián)聚合物微球依然能保持較好的封堵能力。

表2 交聯(lián)聚合物微球封堵率Tab.2 Plugging rate of cross-linked polymer microspheres

2.4 交聯(lián)聚合物微球驅(qū)油效果

將3 根滲透率分別為500、1 000 和3 000 mD填砂管飽和油后并聯(lián)，水驅(qū)至含水率90% 時(shí)注入0.5 PV、濃度3 000 mg/L 交聯(lián)聚合物微球。注入交聯(lián)聚合物微球后，總體壓力明顯上升，含水率下降，總采收率提高了15.48%，見圖13。這說明微球在注入過程中優(yōu)先進(jìn)入高滲大孔道，并進(jìn)行了有效的選擇性封堵，孔喉匹配性高，有效改善了并聯(lián)填砂管的非均質(zhì)性，起到了調(diào)驅(qū)的作用。

圖13 3 填砂管并聯(lián)驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Oil displacement test results of three parallel sand packed pipes

結(jié)合交聯(lián)聚合物微球的微觀形貌可見，該交聯(lián)聚合物微球具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的聚合物微球相比具有更好的調(diào)驅(qū)性能。傳統(tǒng)聚合物微球?yàn)榉稚㈩w粒，微球之間相互獨(dú)立，主要依靠微球之間架橋來實(shí)現(xiàn)封堵。在高滲條件下，多孔介質(zhì)孔喉尺寸較大，這要求微球粒徑與孔喉直徑間必須有較好的匹配關(guān)系，若微球粒徑過小，則無法實(shí)現(xiàn)架橋；另外，如果微球粒徑過大，則運(yùn)移能力下降，同時(shí)微球體積過大其結(jié)構(gòu)也非常脆弱，更容易因?yàn)榧羟凶饔脤?dǎo)致聚合物微球破碎，難以實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)的目的，所以傳統(tǒng)聚合物微球?qū)τ诟邼B的封堵效果較弱。相比于傳統(tǒng)分散聚合物微球，交聯(lián)聚合物微球的封堵除依靠微球架橋作用外，微球之間的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了體系強(qiáng)度，封堵強(qiáng)度高，并且這種交聯(lián)體系使得微球分散均勻，更利于微球的運(yùn)移[23-24]。

3 結(jié)論

（1）交聯(lián)聚合物微球具有較好的耐溫性能，30～90?C下黏度保留率大于90%，微球溶脹能力較強(qiáng)，長時(shí)間下微球粒徑穩(wěn)定分布在15～16μm。

（2）交聯(lián)聚合物微球?qū)讖? 和10μm 的微孔濾膜產(chǎn)生了有效封堵，其過濾方程符合恒壓過濾的規(guī)律。

（3）微觀上交聯(lián)聚合物微球具有球與球之間相連的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是其微球分散均勻、增黏的主要原因。

（4）交聯(lián)聚合物微球?qū)τ诟呖赘邼B地層有較好的封堵效果，滲透率5 000 mD 左右時(shí)封堵率高于80%，并且具有較好的運(yùn)移效果，可以實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的深部調(diào)驅(qū)。

（5）交聯(lián)聚合物微球具有較好的非均質(zhì)改善能力，3 管并聯(lián)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)提高總采收率15.48%，注入微球后注入壓力上升，采出液含水率下降，聚合物微球可優(yōu)先流入大孔道實(shí)現(xiàn)選擇性封堵，達(dá)到減少無效注水、提高波及系數(shù)的目的。