劉豐鋼 ， 鐵磊磊， 李 翔， 王冠華

(中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450)

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聚合物微球調(diào)驅工藝優(yōu)化設計

劉豐鋼 ， 鐵磊磊， 李 翔， 王冠華

(中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450)

聚合物微球具有進行深部調(diào)驅的性能，選用納米聚合物微球與核殼自膠結微球進行室內(nèi)實驗，對注入段塞工藝、不同類型微球組合注入次序與比例以及注入方式進行了系統(tǒng)的優(yōu)化。結果表明,相比高質量濃度短段塞及低質量濃度長段塞，中等質量濃度中等段塞注入聚合物納米球工藝綜合了以上兩種注入工藝的優(yōu)點，可以在適當?shù)臅r間內(nèi)獲得相對穩(wěn)定的采收率；先注入核殼自膠結微球后注入納米球對于中低滲地層進行深部調(diào)驅具有更高的微球利用率及開發(fā)效果，實驗條件下兩者的最佳PV數(shù)比為1∶1；間隔注入工藝，使得微球分布于更為廣泛的地層中，對于前期形成的新的滲水通道可以進行及時的微球補充，從而使得采收率持續(xù)增長。

聚合物微球； 深部調(diào)驅； 段塞工藝； 注入次序及比例； 注入方式

由于一些地層的非均質性嚴重，地層有高滲層、大孔道存在，成為水流動的主要通道，使得注入水沿阻力小的高滲透部位突進，造成采油井見水后含水率上升快。為了改善注水開發(fā)效果，提高水驅波及系數(shù)，控制注入水的無效循環(huán)，改變水驅方向，有必要通過注水井進行深部調(diào)(剖)驅。聚合物微球能夠很好地在水中分散，其初始粒徑小，可以深入到地層深部，在地層水礦化度和溫度的作用下，可以發(fā)生水化膨脹，其自身或微球之間相互作用，對水相高滲通道形成流動阻力，從而擴大水相波及體積，達到降水增油的目的[1-3]。聚合物微球調(diào)驅技術也因此在近些年來日益受到重視，該技術已經(jīng)在我國勝利、中原及海上油田等進行了現(xiàn)場應用并取得了良好的開發(fā)效果[4-8]。

目前油田應用的聚合物微球種類大致分為3類[9-13]：(1)納米球，所合成的材料初始尺寸分布在20～200 nm；(2)亞微米乳液球，微球初始尺寸較納米球稍大，分布更寬，所合成的材料初始尺寸分布在50 nm～2 μm；(3)亞微米核殼自膠結乳液球，所合成的材料初始尺寸分布在50 nm～2 μm，這種微球是中國科學院理化技術研究所吳飛鵬研究員克服了以往沉淀聚合生產(chǎn)核殼自膠結微球工藝及施工方面的不足，采用乳液熱聚合方法制備，所得產(chǎn)品室溫放置不易很快分層，現(xiàn)場施工可隨注入水直接注入，無需溶解罐再溶解分散，施工方便[14-17]。這種微球結構分為核殼兩層，并帶有相異電荷，在地層水礦化度和溫度作用下發(fā)生膨脹，微球之間由于離子的作用可以相互靠攏膠結成大的團聚體。根據(jù)大量的室內(nèi)評價實驗和油田現(xiàn)場應用的結果，目前應用范圍最廣、現(xiàn)場收效最明顯的聚合物微球為納米球，其可以在較寬泛的地層滲透率條件下應用，不但可用于中低滲透率地層，在長慶油田裂縫性油藏中同樣取得了很好的降水增油效果。亞微米乳液球室內(nèi)評價效果不明顯，在實際油田現(xiàn)場應用較少，已逐步被納米球所取代[18-20]。核殼自膠結微球主要應用于地層中存在明顯的水竄通道或高滲透條帶的高滲透率油藏，可以對注入水形成一定程度的注水阻力，有效降低其滲透率，改善地層的非均質性。根據(jù)實際現(xiàn)場油藏的溫度、地層水和注入水礦化度、水型、原油黏度、注水井和生產(chǎn)井的具體情況，可以將不同種類的聚合物微球綜合使用，通過調(diào)整微球的組分、各成分比例關系、水解度、交聯(lián)程度等，實現(xiàn)上千種產(chǎn)品的開發(fā)，完全可以滿足各種油田地質條件下的深部調(diào)驅需要。

有關聚合物微球調(diào)驅機理已有諸多研究，現(xiàn)場應用情況也有少量報道，但其工藝優(yōu)化方面缺乏系統(tǒng)的認識與研究。筆者針對此問題，結合現(xiàn)場應用特點，選用較為常用的納米聚合物微球與核殼自膠結微球進行室內(nèi)實驗，對注入段塞工藝、不同類型微球組合注入次序與比例以及注入方式進行了系統(tǒng)的優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

納米聚合物微球：初始尺寸分布在20～200 nm，經(jīng)過乙醇沉淀除油和表面活性劑處理，根據(jù)注入工藝需要配制5 000、2 000、1 000 mg/L分散液，經(jīng)過70 ℃烘烤10 d以上。

核殼自膠結微球：初始尺寸分布在50 nm～2 μm，按照原始用量8 000 mg/L配制，經(jīng)過70 ℃烘烤10 d以上。

模擬原油：采用地層采出油和煤油按照一定比例配制，室溫25℃下黏度為53.2 mPa·s。模擬地層水：模擬某區(qū)塊采出水，總礦化度5 863.27 mg/L，Ca2+、Mg2+總質量濃度為70.98 mg/L。

1.2 實驗設備

平面填砂可視化模型驅替裝置：內(nèi)部填砂尺寸6 cm×6 cm×0.3 cm。在模型內(nèi)以對角線為界填出高低滲透率兩個區(qū)域(高滲區(qū)60目石英砂，低滲區(qū)200目石英砂)，進出水端位于分割區(qū)域對角線兩端，驅替時裝置垂直放置，使注入水低進高出，高滲區(qū)域位于下方。實驗流程如圖1所示。

圖1 平面填砂可視化模型室內(nèi)模擬流程圖

Fig.1 Workflow of visual planar model experiment

人工填砂雙砂管驅替實驗裝置：管長為60 cm，管直徑為3.8 cm，入口端設有一個壓力傳感器，填砂管上分布有2個壓力傳感器，管上測壓點間隔為20 cm，分為單管與雙管并聯(lián)兩種驅替方式，其中雙管分為高滲管和低滲管。

1.3 實驗方法

1.3.1 聚合物微球溶脹性能實驗 分別將少量的納米聚合物微球和核殼型聚合物微球均勻分散于蒸餾水中配置成聚合物微球水溶液，用滴管將其注入裝有蒸餾水的激光粒度分析儀的樣品室中，按操作要求測量聚合物微球的原始粒徑分布曲線。將聚合物微球放于錐形瓶中，測量1、3、7、15、20 d后的粒徑分布。

1.3.2 平面填砂可視化模型驅替實驗 室溫(25 ℃)下，將制備好的平面填砂可視化模型垂直放置于平整桌面，采用高像素相機每間隔一定時間，記錄視野范圍內(nèi)的油水變化情況，拍攝模型平面照片。將模型進水端連接模擬原油，飽和原油，平衡24 h后；在進水端連接恒流泵以0.05 mL/min的流速注入驅替水(為了便于觀察注入水加入藍色染料)，水驅至出口端含水率98%，然后根據(jù)實驗方案注入一定量膨脹的聚合物納米球(70 ℃條件下烘烤10 d以上)，之后進行后續(xù)水驅至出口端含水率98%。實驗過程中記錄出口端產(chǎn)液量，并持續(xù)采集驅替過程中的油水變化情況照片，采用圖像識別軟件Image-Pro Plus進行數(shù)據(jù)處理，用以計算聚合物納米球注入前后水相波及面積變化。攝像鏡頭采集到的油水分布照片中藍色箭頭代表注入水的流向。

1.3.3 填砂管驅替實驗 使用石英砂制作符合滲透率要求的填砂管模型，水測填砂管平均滲透率，飽和模擬原油，平衡24 h。室溫(25 ℃)下，設置驅替速度為0.5 mL/min，水驅至采出液含水率98%，按照實驗要求連續(xù)注入或間隔注入膨脹后的聚合物納米球或核殼自膠結球分散液，實驗過程中記錄采出液體積。

2 結果與討論

2.1 聚合物微球溶脹實驗結果

納米級聚合物微球和核殼型聚合物微球在不同溶脹時間后的粒徑中值如圖2所示。

由圖2可知，聚合物微球顆粒粒徑隨溶脹時間呈現(xiàn)先快速增大，然后逐漸穩(wěn)定，當水化時間超過15 d時，聚合物微球顆粒粒徑達到最大值，不再變化。這是由于聚合物微球中含有羧基、羥基等強親水基團，使得微球遇水膨脹，并且核殼狀的聚合物微球的交聯(lián)聚合物層能夠使水分子滲透進入交聯(lián)的網(wǎng)絡結構中，進一步使微球溶脹。微球溶脹后會封堵較大的孔隙和裂縫，使驅替液更多的流向滲透率較低的地層，達到很好的分流效果,從而有效提高采收率。兩種聚合物微球的溶脹倍數(shù)都達到30倍以上。

圖2 常溫下聚合物微球的粒徑隨溶脹時間的變化曲線

Fig.2 The curve of polymer particle size varies with the swelling time under normal temperature

2.2 注入段塞工藝優(yōu)化

實驗在保持注入微球總量一致的基礎上設計了3種較為常見的注入工藝：高質量濃度短段塞(5 000 mg/L，0.12 PV)、中等質量濃度中等段塞(2 000 mg/L，0.30 PV)及低質量濃度長段塞(1 000 mg/L，0.60 PV)。實驗結果如表1和圖3所示。

表1 不同注入段塞工藝下波及面積及采收率

圖3 實驗采集圖像

Fig.3 The collected experiment pictures

從表1及圖3中可以看出，雖然注入微球總量相同，但不同段塞注入工藝在不同階段的波及面積及采收率卻不同，開發(fā)效果存在差異。高質量濃度短段塞注入工藝，可以使得單位時間進入到地層中的微球數(shù)量較多，對于高滲區(qū)擴大注入水波及面積明顯，而由于微球注入過于集中，分布范圍小，缺少后續(xù)的微球及時補充，低滲區(qū)水相波及面積擴大緩慢，微球提高低滲區(qū)的采收率效果較差。長時間持續(xù)性注水，聚合物納米球在注入水的作用下，緩慢運移，從而逐步擴大了低滲區(qū)的水相面積，注水9.0 PV時，低滲區(qū)獲得了較高的采收率。

對于低質量濃度長段塞注入工藝，由于單位時間內(nèi)注入到地層中的聚合物微球數(shù)量較少，能量累積較慢，在注入微球初期，高低滲區(qū)擴大水相波及面積均有限。但低質量濃度長段塞注入，膨脹后的聚合物納米球更容易進入到深部，可以隨注入水分布在更廣泛的區(qū)域內(nèi)，微球調(diào)驅形成的新的滲水通道可以有后續(xù)的微球及時補充，因此，持續(xù)注水，高低滲區(qū)域內(nèi)的水相波及面積迅速擴大，采收率提高十分明顯。而中等質量濃度中等段塞注入工藝，其高滲區(qū)水相波及面積擴大速度居中，同時，相比低質量濃度長段塞注入，單位時間注入的聚合物微球數(shù)量相對較多，低滲區(qū)也能夠有一定的微球注入量，因此，整體水相波及面積擴大明顯，采收率提高顯著。

通過以上分析可以得出不同段塞注入工藝在現(xiàn)場應用中的特點：高質量濃度短段塞注入工藝采收率提高迅速，施工周期短，但效果持續(xù)性較差，微球利用率低，低滲層殘余油驅出較困難，整體采收率提高有限；低質量濃度長段塞注入聚合物納米球工藝，注水初期能量累積較慢，整體采收率增長緩慢，隨著注水的持續(xù)進行，高低滲層均可獲得明顯的擴大水相波及體積，采收率增加顯著，微球利用率高，且效果持續(xù)性較長，但此種注入工藝施工周期相對較長；在施工周期和預算允許的情況下，中等質量濃度中等段塞注入聚合物納米球工藝，綜合了以上兩種注入工藝的優(yōu)點，可以在適當?shù)臅r間內(nèi)獲得相對穩(wěn)定的采收率。

以上分析僅僅限于理論層面，由于現(xiàn)場井區(qū)地質條件復雜，一般得到的地質數(shù)據(jù)均為開井時的早期地質地層資料，經(jīng)過長期注水或采取注聚等其它增產(chǎn)措施，相關地層條件已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變，因此，實際注水井進行聚合物納米球調(diào)驅，需要綜合考慮以上3種注入工藝，第1階段采用高濃度短段塞注入聚合物納米球，降低地層中高滲條帶或水竄通道的滲透率，改善地層的非均質性；第2階段采用中等濃度中等段塞注入聚合物納米球，對相對低滲的含油地層進行深部調(diào)驅；第3階段采用低質量濃度長時間注入聚合物納米球，對調(diào)驅形成的新的水驅地層進行微球補充，進一步達到降水增油的目的，使增產(chǎn)措施長期有效。

2.2 不同類型微球組合次序及比例優(yōu)化

2.2.1 組合次序優(yōu)化 為研究不同類型微球注入次序對開發(fā)效果的影響，選用納米聚合物微球(簡稱納球)、核殼自膠結微球(簡稱核球)在相同的實驗條件下分別進行了3組不同注入次序實驗，實驗參數(shù)及結果如表2及圖4所示。

表2 不同注入次序下實驗數(shù)據(jù)

核殼球和納米球先后不同次序注入工藝壓力變化曲線如圖4所示。對比圖4可以看出，本實驗條件下，相同的微球注入PV數(shù)，先注入納米球后注入核殼球(圖4(a))，壓力沒有升高，轉水驅后壓力平穩(wěn)無變化；先注入核殼球后注入納米球(圖4(b))，壓力緩慢升高，轉水驅后砂管各壓力點均呈緩慢上升趨勢。本實驗條件下，雙砂管極差較大，驅動低滲管殘余油所需能量也相應較大，先注入納米球，由于注入濃度相對較低，數(shù)量有限，能量累積較慢，短時間內(nèi)很難動用低滲管殘余油，壓力基本無變化；先注入核殼自膠結微球，膠結聚并呈較大團聚體的核殼球對高滲砂管水流可以形成有效的水流阻力，能量累積較快，注入后砂管壓力抬升明顯，隨后注入的納米球對中低滲水區(qū)也形成了有效水流阻力，砂管整體壓力呈緩慢上升趨勢。相比較而言，混合注入核殼球和納米球，如圖4(c)壓力曲線所示，由于兩種微球對不同滲透率含水層均可以形成有效水阻，砂管整體壓力升幅較大，但由于雙砂管處于連通的大極差狀態(tài)，微球的混合注入也加大了動用低滲砂管殘余油所需的能量，壓力升高后緩慢回落。

圖4 壓力隨注入體積變化關系

Fig.4 The change of pressure with the injection volume

從表2采收率統(tǒng)計表中可以看出，本實驗條件下，相同微球注入量，先注入納米球后注入核殼球，低滲管殘余油很難動用，雙管綜合采收率的提高主要來自于高滲砂管，整體采收率提高十分有限。對比而言，先注入核殼球后注入納米球工藝，高低滲砂管均可以獲得相對較高的采收率，雙管綜合采收率的提高主要來自于低滲砂管，低滲管殘余油一旦動用，采收率提高非常明顯。混合注入核殼球和納米球，大小不同的微球可以對砂管中不同滲透率的滲水通道均形成注水阻力，部分納米球會進入到低滲砂管中，在本實驗雙砂管滲透率極差較大的條件下，使得動用低滲砂管中殘余油的啟動壓力增加，需要多次注入微球，能量累加，才可以對低滲管殘余油形成有效驅動，采收率得到提高。

2.2.2 不同類型微球比例優(yōu)化 在本實驗條件下，按照先注核殼球后注入納米球的次序并保持核殼自膠結微球和納米球注入段塞用量一定(0.6 PV)，改變兩種微球的注入PV數(shù)之比。在微球的注入過程中，由于實驗選用的砂管為短粗單砂管，所以壓力變化不大。兩種微球不同注入量之比條件下，采收率曲線如圖5所示。

圖5 采收率隨注入體積變化關系

Fig.5 The change of recovery ratio with the injection volume

從圖5中可以看出，保持微球注入段塞用量(PV數(shù))不變的條件下，核殼球注入段塞PV數(shù)較少，難于對砂管中的注水優(yōu)勢通道或高滲水條帶形成一定程度注水阻力，造成后續(xù)注入的部分納米球利用率降低，采收率相對較低；核殼球注入段塞PV數(shù)增加，大量的核殼球對于砂管中的高滲水條帶形成了有效注水阻力，造成了后續(xù)注水改向，驅動了相對中低滲層的殘余油，但核殼球如果注入段塞PV數(shù)過大，過多的核殼球堆積滯留在同一高滲水通道內(nèi)，使得部分核殼球的利用率降低，在微球注入段塞總用量PV數(shù)不變的條件下，納米球對中低滲層的深部調(diào)驅作用就會相應減弱，從而使最終采收率較低。一定的地質條件下，核殼球注入段塞PV數(shù)存在一個最佳值，其可以對砂管中的高滲水通道形成有效的注水阻力，隨之注入納米球可以對中低滲層進行深部調(diào)驅，使得采收率呈現(xiàn)持續(xù)增長。

2.3 注入方式優(yōu)化

為研究微球注入方式對開發(fā)效果的影響，選用納米微球在注入相同PV數(shù)的基礎上分別以連續(xù)注入和間隔注入的方式進行了單填砂管驅替實驗，結果見圖6和表3。

圖6 壓力隨注入體積變化關系

Fig.6 The change of pressure with the injection volume

表3 不同注入方式下實驗數(shù)據(jù)

由圖6及表3可知，雖然注入的納米微球總量相同，但連續(xù)注入方式下注入壓力較低且獲得的最終采收率也低于間隔注入方式。這是由于連續(xù)注入納米球時，微球受到注入水稀釋作用較弱，使得納米球保持相對高濃度進入到砂管的中后部，砂管各測壓點依次抬升。連續(xù)注入工藝容易使得部分中低滲滲水通道進入較多納米球，從而造成納米球的相對利用率降低；間隔注入納米球時，納米球容易受到注入水的稀釋作用，從而使其分布的范圍更為廣泛，在進行深部調(diào)驅的同時，新的滲水通道形成，后續(xù)的納米球可以進行有效補充，使得納米球更為高效的利用，采收率能夠持續(xù)性增長。

3 結論

(1) 相同微球注入量下，高質量濃度短段塞注入工藝采收率提高迅速，施工周期短，但效果持續(xù)性較差，微球利用率低，低滲層殘余油驅出較困難，整體采收率提高有限；低質量濃度長段塞注入工藝微球利用率高，效果持續(xù)性較長，但采收率增長緩慢，開發(fā)周期相對較長；中等質量濃度中等段塞注入聚合物納米球工藝，綜合了以上兩種注入工藝的優(yōu)點，可以在適當?shù)臅r間內(nèi)獲得相對穩(wěn)定的采收率。

(2) 先注入核殼自膠結微球，對注入水形成一定程度的流動阻力，改善地層的非均質性，后注入納米球對于中低滲地層進行深部調(diào)驅，從而使得兩種微球得到相對高效的利用；在微球注入段塞總用量PV數(shù)一定的情況下，核殼自膠結微球和納米球注入段塞PV數(shù)存在一個最佳比，本文實驗條件下優(yōu)選的最佳PV數(shù)比為1∶1。

(3)在進行地層的深部調(diào)驅時，為了使得納米球得到更為高效的利用，可以采用間隔注入工藝，使得其分布于更為廣泛的地層中，對于前期形成的新的滲水通道可以進行及時的微球補充，從而使得采收率持續(xù)增長。

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(編輯 閆玉玲)

Research on the Optimization of the Polymeric Microsphereprofile Control Technology

Liu Fenggang, Tie Leilei, Li Xiang, Wang Guanhua

(Oilfield Production R & D Institute, China Oilfield Services Limited, Tianjin 300450,China)

Since polymeric microspheres have the ability of in-depth profile control, nano-polymeric microspheres and core-shell macadam microspheres were chosen as the materials in the experiments. The slug injection, the order and ratio of the two different polymeric microspheres, and the ways of injection were systematically optimized. The experiment results show that compared with the high-concentration with short-slug and the low-concentration with long-slug, the mid-concentration with mid-slug combined the above advantages, which can obtain a relatively more steady oil recovery ratio during a proper time. Utilization efficiency can be improved by injecting the core-shell macadam microspheres before injecting nano-polymeric microspheres during in-depth profile control, and the best ratio is 1∶1 under the experiment conditions. The microspheres can be distributed more widely in the floor using interval injection, which is favorable for continued growth of oil recovery continually .

Polymeric microsphere; In-depth profile control; Slug injection; Injection order and ratio; Injection way

1006-396X(2015)05-0024-07

2015-02-02

2015-05-10

劉豐鋼(1984-)，男，碩士，工程師，從事海上油田三次采油、調(diào)驅增產(chǎn)等方面的科研及生產(chǎn)工作; E-mail:liufg2@cosl.com.cn。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.006