劉江濤 關(guān)小旭 賀桃娥 鐘小紅 易榮軍 李藝 周明

1.中國石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司 2.西南石油大學(xué)國家大學(xué)科技園 3.重慶市南川區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 4.西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院

隨著常規(guī)調(diào)堵措施輪次的增加,近井地帶剩余油飽和度下降,增油效果變差,需要通過深部調(diào)堵才能更有效地調(diào)整、改善油藏的非均質(zhì)性,提高注入液體波及系數(shù),從而提高注水采油階段的原油采收率[1-4]。聚合物微球技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)堵技術(shù)[5-7]。該技術(shù)依靠納/微米級(jí)遇水膨脹聚合物微球逐級(jí)封堵地層孔喉來實(shí)現(xiàn)逐級(jí)深部調(diào)堵效果[8-10]。該體系具有黏度低,可污水配制、在線注入等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。將聚合物微球制備成納米級(jí)別,可進(jìn)一步改善低滲油藏的深部調(diào)驅(qū)效果。長慶油田采用納米聚合物微球進(jìn)行深部調(diào)驅(qū),在胡A長4+5低滲透油藏采用“小粒徑、低濃度、長周期”的注入?yún)?shù),調(diào)驅(qū)效果明顯提升[14]。聚合物微球與一些具有功能單體的聚合物復(fù)配也是一種提高深部調(diào)驅(qū)效果的有效手段。賴南君[15]將聚丙烯酰胺微球與疏水締合聚合物復(fù)配得到非均相復(fù)合體系,在高剪切速率下穩(wěn)定性好,黏彈性高,較單獨(dú)應(yīng)用聚合物微球或疏水締合聚合物更能在非均質(zhì)巖心中建立較強(qiáng)的滲流阻力,從而提高低滲油藏采收率。目前,聚合物微球調(diào)驅(qū)劑種類較多,在開展低滲透油藏深部調(diào)驅(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)前需要進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)。為考查聚合物微球在延長低滲高溫高鹽地層中的調(diào)堵性能,對(duì)兩性聚合物微球PADC-1的調(diào)驅(qū)性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià),為現(xiàn)場應(yīng)用提供依據(jù)。

1 主要實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

兩性聚合物微球PADC-1(實(shí)驗(yàn)室自備);KBr、無水CaCl2、NaCl和MgCl2,分析純,成都市科龍化學(xué)試劑廠生產(chǎn);模擬地層水,參照新疆油田某作業(yè)區(qū)地層水配制;原油,來自于新疆油田某作業(yè)區(qū)。

兩性聚合物微球PADC-1以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)為單體,采用反相微乳液聚合法制備,分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有正、負(fù)電荷基團(tuán),具有明顯的反聚電解質(zhì)效應(yīng)和等電點(diǎn)現(xiàn)象等[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ZEISS EV0 MA15掃描電子顯微鏡,卡爾蔡司顯微圖像有限公司;HAAKE MARS Ⅲ高溫流變儀,賽默飛世爾科技有限公司;Master sizer 2000激光粒度分析儀,英國馬爾文儀器公司;巖心流動(dòng)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)室組裝。

2 測試方法

2.1 微球微觀形貌與基本性能測試

對(duì)聚合物微球的微觀形貌、懸浮分散性、黏彈性、流變性進(jìn)行測試,并以吸水膨脹倍數(shù)為指標(biāo),測試了聚合物微球的耐溫耐鹽性。

2.2 剖面改善能力

采用不同滲透率的巖心并聯(lián),以0.2 mL/min的流量進(jìn)行水驅(qū)后,注入0.3 PV質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的聚合物微球調(diào)驅(qū)劑,再進(jìn)行水驅(qū)至含水率達(dá)到98%,測定調(diào)驅(qū)前后的相對(duì)產(chǎn)水量,考查并聯(lián)巖心分流率變化情況。吸水剖面改善率為注入聚合物微球調(diào)驅(qū)后高、低滲透巖心吸水比之差與調(diào)驅(qū)前高、低滲透巖心吸水比的比值,其數(shù)值大小可以用來衡量調(diào)剖劑改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性效果,按式(1)計(jì)算吸水剖面改善率。

(1)

式中：δ為剖面改善率,%;Qh1為調(diào)驅(qū)前高滲透巖心吸水量,mL;Qh2為調(diào)驅(qū)后高滲透巖心吸水量,mL;Ql1為調(diào)驅(qū)前低滲透巖心吸水量,mL;Ql2為調(diào)驅(qū)后低滲透巖心吸水量,mL。

2.3 驅(qū)油性測試

在實(shí)驗(yàn)篩選的最佳注入?yún)?shù)基礎(chǔ)上,選用不同滲透率的低滲透非均質(zhì)巖心進(jìn)行驅(qū)油效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 選用不同滲透率的巖心,先飽和模擬地層水,測定巖心孔隙度和水測滲透率。

(2) 以0.2 mL/min的流量向巖心中注入模擬原油,直至巖心出口端全部出油為止,記錄過程中的總出水量Vo(即巖心孔隙油含量),根據(jù)式(2)計(jì)算巖心原始含油飽和度So。

(2)

式中：So為巖心含油飽和度,%;Vo為巖心孔隙中含油體積,mL;Vp為巖心的孔隙體積,mL。

(3) 用模擬地層水以相同流量驅(qū)替巖心,直至出口端不再出油為止,記錄過程中的總出水量、總出油量,根據(jù)式(3)計(jì)算水驅(qū)采收率Ro。

(3)

式中：Ro為原油采收率,%;V1為累計(jì)采出油的體積,mL;Vo為巖心孔隙中含油體積,mL。

(4) 向巖心夾持器中注入一定量的聚合物微球分散液,在120 ℃下候膨48 h,使其達(dá)到一定的膨脹封堵效果。

(5) 再次注入模擬地層水進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至含水率達(dá)到98%,計(jì)算階段采收率和采收率增幅。

3 結(jié)果與討論

3.1 SEM分析

圖1 為兩性PADC-1微球的掃描電鏡圖像。從圖1可看出,在放大30 000倍下,PADC-1微球球形度較好,粒徑分布窄,由Nano Measurement軟件分析計(jì)算得到微球粉末平均粒徑約為85.8 nm,屬于納米級(jí),這與反相微乳液聚合產(chǎn)物粒徑較小(20～100 mm)一致。由于納米級(jí)的聚合物微球表面自由能較高,使得聚合物微球趨于聚集,微球表面光滑。PADC-1微球粒徑小、表面光滑,運(yùn)移時(shí)阻力較小,有利于微球運(yùn)移至油藏深部,達(dá)到深部調(diào)驅(qū)的目的。

3.2 懸浮分散性

用模擬地層水(TDS為1.8×105mg/L)配制質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球溶液,攪拌均勻后將其靜置于密閉的透明試劑瓶中觀察溶液懸浮分散狀態(tài),如圖2所示。

當(dāng)PADC-1微球乳液分散于模擬地層水時(shí),呈淡黃色半透明黏稠液體,溶液穩(wěn)定、均一,試劑瓶中未發(fā)現(xiàn)較大的微球沉淀與聚集。由于微球含有親水單體AM、AMPS、DMDAAC,可以與水分子之間形成結(jié)合力較強(qiáng)的氫鍵,使得微球在水中快速水化,分散能力強(qiáng),有利于現(xiàn)場配制。

3.3 黏彈性

在線性黏彈區(qū)域通過頻率掃描實(shí)驗(yàn),得到PADC-1微球彈性模量G′和黏性模量G″,測試結(jié)果見圖3。

從圖3可看出,在溫度為25 ℃、頻率為0.1～10.0 Hz時(shí),PADC-1微球彈性模量和黏性模量成波動(dòng)性變化,但彈性模量始終大于黏性模量,說明微球溶液以彈性為主。當(dāng)振蕩頻率為1.0 Hz時(shí),微球的彈性模量和黏性模量分別為565.40 Pa和92.83 Pa,絕對(duì)數(shù)值較高,表明微球具有良好的黏彈性,現(xiàn)場可利用微球尺寸小、在突破壓力下發(fā)生彈性變形的特點(diǎn),以適應(yīng)各種形狀和尺寸的孔喉。

3.4 流變性

在25 ℃下,測試質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球溶液的剪切黏度隨剪切速率變化關(guān)系,結(jié)果見圖4。

從圖4可知,PADC-1微球分散體系的剪切黏度隨著剪切速率增大先逐漸下降而后趨于穩(wěn)定。剪切速率在0～200 s-1時(shí),微球的剪切黏度逐漸降低,表現(xiàn)出假塑性流體的特性。根據(jù)Hoffman分散體系層狀理論,微球分散體系具有有序的層狀。當(dāng)微球分散液受到剪切作用時(shí),微球在所處的層內(nèi)移動(dòng),并在層內(nèi)發(fā)生一定形變。因此,整體表現(xiàn)出剪切變稀特性。繼續(xù)增大剪切速率,微球分散體系的剪切黏度基本恒定,這是由于剪切應(yīng)力對(duì)微球的解離和聚集作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)流體具有牛頓流體的流動(dòng)特征,從而表現(xiàn)出較低黏度,保證了其具有良好的注入性。

3.5 耐溫耐鹽性

(1) 耐溫性。將用模擬地層水(TDS為1.8×105mg/L)配制的PADC-1微球溶液分別置于25 ℃、60 ℃和120 ℃的恒溫烘箱中,每隔一段時(shí)間取樣測定微球平均粒徑并計(jì)算膨脹倍數(shù),結(jié)果見圖5。

由圖5可知,在同一溫度下,隨著時(shí)間的延長,PADC-1微球快速吸水膨脹后逐漸達(dá)到溶脹平衡。聚合物微球結(jié)構(gòu)中含有大量酰胺基、磺酸基和季銨根等強(qiáng)親水基團(tuán),使得水分子通過高分子鏈相互纏繞等形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滲透到微球內(nèi)部,從而快速吸水膨脹。

隨著溫度升高,PADC-1微球的溶脹倍數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢。一方面,升高溫度加速了聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng),使得分子鏈段間的范德華力締合作用減弱;另一方面,溶劑對(duì)聚合物微球分子鏈的溶劑化作用逐漸增大,且微球與水分子的締合作用是吸熱過程,升溫有利于增強(qiáng)微球與水分子相互作用。

(2) 耐鹽性。將用去離子水和不同礦化度的模擬地層水配制的PADC-1微球溶液置于120 ℃恒溫烘箱中,然后定期取樣測定平均粒徑并計(jì)算膨脹倍數(shù),結(jié)果見圖6。

從圖6可知：在相同礦化度下,隨著時(shí)間的延長,PADC-1微球快速吸水膨脹后逐漸達(dá)到溶脹平衡;隨著礦化度的升高,聚合物微球的吸水膨脹倍數(shù)和平均粒徑逐漸減小。礦化度增大,水中的陽離子對(duì)帶有負(fù)電荷的聚合物鏈與鄰近陰離子之間形成的靜電場產(chǎn)生屏蔽作用,削弱靜電斥力,聚合物鏈發(fā)生卷曲,導(dǎo)致微球的彈性自由能和水化膨脹能力下降。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,該聚合物微球在不同礦化度的模擬地層水中具有一定膨脹能力,表明其具有良好的耐鹽性。由于微球分子結(jié)構(gòu)中磺酸基團(tuán)的存在,能夠改善聚合物對(duì)二價(jià)離子的耐受性,同時(shí)含有的季銨鹽陽離子基,不易受到溶液中Ca2+、Mg2+等的影響,削弱了溶劑中陽離子對(duì)聚合物分子鏈的屏蔽作用。

3.6 剖面改善能力分析

采用不同滲透率并聯(lián)巖心模擬油藏地層非均質(zhì)性,在120 ℃下,按照流動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)各巖心進(jìn)行飽和模擬地層水,然后將雙巖心并聯(lián)處理。以0.2 mL/min的流量注入0.3 PV、質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球調(diào)剖液,然后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū),直至含水率達(dá)98%。實(shí)驗(yàn)采用的并聯(lián)巖心的物理參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。

從表2可知：高、低滲透率巖心的吸水能力變化比較明顯,高滲透率巖心分流率有所下降,而低滲透率巖心分流率明顯上升;PADC-1微球調(diào)剖劑對(duì)滲透率極差為5.15的并聯(lián)巖心的剖面改善率達(dá)82.1%。這可能是由于聚合物微球首先進(jìn)入吸水能力較強(qiáng)的高滲透巖心中,微球不斷吸水膨脹并滯留在巖心中,高滲透巖心的滲流阻力逐漸增大,后續(xù)流體逐漸轉(zhuǎn)入低滲透巖心中,從而大幅度啟動(dòng)低滲透率巖心的模擬油,而且聚合物微球具有一定的黏度,能夠改善水流流度比,具有較好的調(diào)剖作用。

表1 并聯(lián)巖心基本參數(shù)長度/cm直徑/cm孔隙度/%含油飽和度/%水測滲透率/10-3 μm27.132.5220.164.2195.37.132.5222.265.937.9

表2 微球調(diào)剖劑雙巖心調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果質(zhì)量濃度/(mg·L-1)滲透率/10-3 μm2滲透率極差調(diào)驅(qū)前產(chǎn)液比/%調(diào)驅(qū)后產(chǎn)液比/%剖面改善率/%1 200 195.337.95.1587.512.556.244.882.1

3.7 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)分析

選取不同滲透率的低滲透巖心按照實(shí)驗(yàn)步驟分別進(jìn)行飽和水+飽和油+初次水驅(qū),以0.2 mL/min的流量,注入0.3 PV、質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球分散液,靜置一段時(shí)間后,再次進(jìn)行水驅(qū),計(jì)算水驅(qū)采收率、總采收率以及注入微球后采收率增幅。為模擬高溫高礦化度油藏環(huán)境,實(shí)驗(yàn)溫度為120 ℃,地層水礦化度為1.8×105mg/L,巖心基本參數(shù)和驅(qū)油效果分別見表3和表4。

表3 巖心基本參數(shù)編號(hào)長度/cm直徑/cm巖心干重/g孔隙度/%1#7.132.5163.1924.12#7.122.5262.8721.73#7.132.5263.0122.9

表4 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果編號(hào)滲透率/10-3 μm2含油飽和度/%水驅(qū)采收率/%總采收率/%提高采收率/%平均提高采收率/%1#32.672.237.7353.4515.722#40.568.543.8058.1714.373#47.965.345.1755.4610.2913.46

從表4可知,在實(shí)驗(yàn)條件下,注入 PADC-1微球分散液后,不同滲透率巖心的采收率平均提高13.46%,說明微球具有較好的提高采收率效果。PADC-1微球溶液注入巖心后,在孔道內(nèi)發(fā)生滯留、堆積、架橋以及膨脹作用,對(duì)巖心孔喉實(shí)現(xiàn)封堵,注入壓力逐漸增大,孔道內(nèi)的殘余油被驅(qū)動(dòng)。當(dāng)注入壓力大于微球變形突破壓力時(shí),微球發(fā)生彈性變形,繼續(xù)運(yùn)移到下一孔喉產(chǎn)生封堵,使微球?qū)崿F(xiàn)對(duì)地層深部逐級(jí)調(diào)剖,擴(kuò)大了波及體積。同時(shí),在相同的注入條件下,巖心滲透率越低,提高原油采收率效果越好,可能是由于巖心滲透率較低,其平均孔喉尺寸較小,微球吸水膨脹后的封堵效果更佳,使得流體波及體積增加。

4 結(jié)論

(1) 以AM、AMPS和DMDAAC為單體,采用反相微乳液聚合法制備的PADC-1微球,球形度較好,粒徑分布窄,平均粒徑為85.8 nm,微球表面光滑,具有良好的分散性。

(2) PADC-1微球的彈性模量始終大于黏性模量,且絕對(duì)數(shù)值較高,具有良好的黏彈性;其分散體系的剪切黏度隨剪切速率增大先逐漸減小,而后趨于穩(wěn)定。

(3) PADC-1微球吸水后快速膨脹,且隨著溫度的升高,溶脹倍數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢,耐溫能力在120 ℃以上;高礦化度雖對(duì)聚合物微球吸水膨脹性有一定影響,但在總礦化度為1.8×105mg/L下仍表現(xiàn)出較好的膨脹能力,具有良好耐鹽性。

(4) PADC-1微球調(diào)剖劑對(duì)滲透率極差為5.15的并聯(lián)巖心的剖面改善率達(dá)82.1%,對(duì)不同滲透率巖心的采收率平均提高13.46%,說明微球均具有較好的提高采收率效果。