錢志鴻，湯元春，袁玉峰，顧春元，朱偉民，鄧秀模

（1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇 揚州225009；2.上海大學，上海200040）

國內(nèi)大部分油田都存在明顯的縱向和平面非均質(zhì)性，在注水開發(fā)過程中，易形成了水驅(qū)優(yōu)勢通道，造成注入水快速竄進，導致低效、無效水驅(qū)，造成注水系統(tǒng)能耗損失及后端大量污水處理負擔。 通過調(diào)剖封堵這些優(yōu)勢通道，改善油藏的非均質(zhì)性是改善水驅(qū)開發(fā)效果、提高原油采收率的關鍵［1］。在眾多的調(diào)剖體系中，聚合物類凝膠是現(xiàn)階段應用最廣泛的一類調(diào)剖劑［2-4］。 從文獻報道分布來看，主要集中在聚合物凝膠配方研發(fā)、工藝優(yōu)化、效果評價等方面［5-6］，聚合物凝膠溶液在油藏孔道中的動態(tài)運移特征、成膠規(guī)律及后續(xù)注入水繞流等研究報道較少。

近幾年來，國內(nèi)一些學者開始在室內(nèi)對調(diào)剖物模進行可視化研究， 從研究技術手段來分主要有3種：①微觀可視化模型是通過事先壓制或刻蝕一定的孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來模擬真實巖心結(jié)構(gòu)，它的特點是實驗過程可透過玻璃直接觀察，是目前被應用最多的一項技術，但是該模型的不足是無法真實模擬堵劑三維運移［7-9］；②CT技術可以較真實地描述巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征，近年來也被應用于調(diào)剖物模可視化研究，冷光耀、侯吉瑞等利用該技術研究了淀粉凝膠在裂縫性巖心中的運移規(guī)律［10］，呂靜、劉玉章等成功采用該技術研究了水平井置壩封堵提高采收率的機理［11］，但是CT儀器比較昂貴，作為研究可視化的手段應用頻率不高；③核磁共振成像通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波繪制成圖像，也能夠反映巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前利用核磁共振技術研究調(diào)剖機理多數(shù)采用原油為介質(zhì)，通過可視化描述調(diào)剖前后原油的形態(tài)變化來反映液流轉(zhuǎn)向作用，無法反饋凝膠的真實形態(tài)［12-14］。

本研究采用無信號的重水代替普通水配制凝膠溶液， 保證了凝膠溶液與驅(qū)替水的信號區(qū)分，從而實現(xiàn)了利用核磁成像技術直接對巖心中的凝膠進行可視化成像，進而研究聚合物凝膠溶液在非均質(zhì)巖心中的分流、運移和封堵情況。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

實驗材料主要包括人造非均質(zhì)巖心、重水（D2O）、聚合物、交聯(lián)劑、氟油等。 其中重水（D2O）是由氘和氧組成的化合物，相對分子質(zhì)量20.027 5，由于氘與氫的性質(zhì)差別極小， 因此重水和普通水也很相似。非均質(zhì)人造巖心直徑2.5 cm，長度10 cm，級差為5，是由1 500×10-3μm2與300×10-3μm2兩種滲透率的半巖心柱體組成。 聚合物凝膠溶液采用重水配制而成，成膠后黏度分別為3 031 mPa·s、5 978 mPa·s。

實驗儀器：主要有ISCO柱塞泵，MINI MR低場核磁共振成像巖心驅(qū)替系統(tǒng)，HAKKE流變儀等。

1.2 調(diào)剖物模過程核磁成像基本原理

核磁共振檢測過程中需要將不同流體的信號的弛豫時間進行區(qū)分。

凝膠的主體成分為水，所以凝膠和水的信號無法直接區(qū)分。 而重水無信號，但其它性能與普通水相似，因此使用重水替代普通水對凝膠性質(zhì)基本沒有影響。 室內(nèi)實驗對重水配制的凝膠溶液進行了T2譜和圖像檢測，均無信號顯示，驗證了可以采用此方法區(qū)分水和凝膠溶液的信號，實現(xiàn)巖心中水和凝膠溶液的形態(tài)區(qū)分，從而更直觀地觀察注入、運移、成膠等過程凝膠的形態(tài)。

1.3 實驗方案與步驟

1.3.1 巖心預處理

切割、烘干巖心；磁性檢測，通過矢狀面和橫斷面成像效果判斷巖心的磁性強弱。 水驅(qū)，計算巖心的水測滲透率和孔隙度。

1.3.2 核磁共振參數(shù)調(diào)試

將巖心放入磁體后，通過核磁成像確定巖心位置，使其處于磁場中心。 對矢狀面和橫截面的切片厚度、切片間隔和切片位置進行設置（見圖1）。 本實驗中所有矢狀面和橫截面圖形均為上半部為高滲部分，下半部為低滲部分。

圖1 巖心矢狀面和橫斷面的切片位置選擇

1.3.3 驅(qū)替實驗

實驗過程：水驅(qū)，注入速度0.5 mL/min，記錄水驅(qū)壓力，并對巖心掃描成像；改變某一工藝參數(shù)（注入速度、質(zhì)量分數(shù)、注入段塞量、頂替水量等）注入凝膠溶液，分別進行掃描成像；凝膠溶液完成注入后候凝，掃描成像；繼續(xù)水驅(qū)，記錄壓力，并按階段掃描成像。

實驗參數(shù)變化設計：

（1）注入速度變化實驗：分別按照0.5 mL/min、1 mL/min、2 mL/min速度注入凝膠溶液0.2 PV，每個速度注入凝膠溶液后進行掃描成像；

（2）質(zhì)量分數(shù)變化實驗：同等條件下，向2塊巖心中分別注入質(zhì)量分數(shù)0.2%、0.4%的凝膠溶液0.6 PV，并進行掃描成像；

（3）注入段塞量變化實驗：按照0.5m L/min速度，向3塊巖心中分別注入0.2 PV、0.4 PV、0.6 PV的凝膠溶液，并進行掃描成像；

（4）段塞組合實驗：按照0.5 mL /min速度，向巖心中注入0.2 PV凝膠溶液+0.1 PV水+0.2 PV凝膠溶液的組合段塞，并進行掃描成像；

（5）頂替量變化實驗：同等條件下，對3塊均已注入0.4 PV凝膠溶液的巖心，分別再頂替0 PV、0.1 PV、0.2 PV的水，并進行掃描成像；

（6）后續(xù)水驅(qū)實驗：上述實驗，候凝后進行水驅(qū)，設計先按0.5 mL /min速度水驅(qū)，再提高至1 mL /min、2 mL /min速度水驅(qū)， 每個速度注入穩(wěn)定時，進行一次掃描成像。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 凝膠溶液的選擇性

設計質(zhì)量分數(shù)0.2%、0.4%的凝膠溶液注入巖心，作注凝膠溶液過程中的T2譜變化趨勢圖（見圖2）。 由巖心中流體的核磁共振成像機制可知流體在巖心中的弛豫時間與巖心中的孔徑大小具有一一對應的關系，信號幅度可表征對應孔徑中流體的體積。

圖2 質(zhì)量分數(shù)0.2%凝膠溶液注入過程T2譜

由圖可知，而隨著注入凝膠溶液PV數(shù)的增加以及注入速度（流量）的增大，水峰面積下降較明顯，這表明無信號的重水凝膠溶液逐漸進入巖心中，驅(qū)替有信號的水從巖心出口端流出，使巖心中水的含量減少。 同時，峰的頂點對應橫坐標位置沒有發(fā)生明顯的偏移，即弛豫時間沒發(fā)生明顯變化，說明在注入過程中，凝膠溶液在高低滲巖心中運移驅(qū)趕水的速度相對均衡， 未發(fā)生孔徑分布比例的變化，說明凝膠溶液進入級差5:1的非均質(zhì)巖心的時間幾乎是同時的。

比較凝膠溶液進入巖心前后的橫斷面信號強弱分布圖（見圖3）可知，盡管2種不同質(zhì)量分數(shù)的凝膠溶液進入此級差的非均質(zhì)巖心的時間幾乎是同時的，但從高低滲巖心凝膠溶液信號的強弱差別來看，變化比較明顯，高滲部分信號明顯減弱，而低滲減弱的程度相對較小，說明凝膠溶液在單位時間內(nèi)主要進入的是高滲部分。 從兩種凝膠溶液進入巖心前后橫斷面信號減弱的差值比較來看， 質(zhì)量分數(shù)0.4%的凝膠溶液注入過程高低滲信號減弱的幅度差異更大，說明質(zhì)量分數(shù)越高時，高滲分配進入量越大，即選擇性越好。

圖3 凝膠溶液注入巖心時橫斷面信號強弱分布

2.2 凝膠溶液在巖心中運移推進形態(tài)

2.2.1 巖心運移時凝膠溶液前端的形態(tài)

實驗設計質(zhì)量分數(shù)0.2%、0.4%凝膠溶液分別以1 mL/min、2 mL/min的注入速度注入巖心 （見圖4），比較不同情況下的矢狀面變化情況。 在相同注入速度下，質(zhì)量分數(shù)0.2%凝膠溶液在高滲區(qū)運移的距離更遠，說明黏度越低，凝膠溶液在巖心中推進速度越快；從凝膠溶液前端的形態(tài)來看，質(zhì)量分數(shù)0.2%凝膠溶液前端形態(tài)整體呈三角狀突進，而質(zhì)量分數(shù)0.4%凝膠溶液前端相對比較均勻，說明隨著注入深度的加深，低質(zhì)量分數(shù)凝膠溶液前端已開始出現(xiàn)指進，而高質(zhì)量分數(shù)凝膠溶液前端仍能保持較好地整體性推進。

圖4 不同注入速度下凝膠溶液前端運移特征

實驗中， 將質(zhì)量分數(shù)0.2%凝膠溶液以0.5 mL/min速度注膠0.4 PV， 上層高滲部分明顯觀察到進入較多凝膠溶液， 但凝膠溶液前端推進相對比較均勻；以1.0 mL/min注膠到0.6 PV時，上層凝膠溶液的前端形態(tài)表現(xiàn)為下三角， 下層開始略顯三角特征；以2.0 mL/min繼續(xù)注膠0.2 PV，即到0.8 PV時，上層凝膠溶液的下三角形態(tài)更加明顯， 下層開始略顯三角特征。 說明凝膠溶液注入速度越快，越容易造成凝膠溶液前端推進不均，從實驗來看在高滲部位凝膠溶液更容易出現(xiàn)指進（見圖5）。

圖5 質(zhì)量分數(shù)0.2%的凝膠溶液在不同注入速度時的前端形態(tài)

實驗中凝膠溶液的前端突進形態(tài)均表現(xiàn)為下三角形狀，分析認為主要是凝膠溶液運移過程中受重力作用的影響， 即凝膠溶液在同一滲透率部分，也會因為重力作用出現(xiàn)下部聚集較多的情況，導致下部的凝膠溶液推進更快。 實驗中質(zhì)量分數(shù)0.4%凝膠溶液前端形態(tài)雖然基本呈整體前進，但在高低滲結(jié)合位置也出現(xiàn)少量凝膠溶液指進現(xiàn)象，分析認為由于巖心制作的原因此處的滲透率相對較高，所以易在此處發(fā)生指進現(xiàn)象，說明巖心的非均質(zhì)性是凝膠溶液突進重要影響因素，即非均質(zhì)性越強，凝膠溶液越易往該高滲部位突進。

2.2.2 凝膠溶液整體運移穩(wěn)定性

實驗以同樣速度（0.5 mL/min）、同樣質(zhì)量分數(shù)（0.4%）注入不同劑量（0.2、0.4 PV）的凝膠溶液，之后均頂替0.2 PV的清水，比較不同劑量下凝膠溶液的運移形態(tài)（見圖6）。

圖6 不同劑量凝膠溶液注入過程矢狀面變化

從實驗中矢狀面變化來看，注0.4 PV凝膠溶液后，巖心高滲端信號比注0.2 PV的凝膠溶液下降更為明顯，主要是因為0.2 PV的量凝膠溶液前端在注入過程中被巖心中的水稀釋，信號改變較0.4 PV要小，說明注入劑量越大凝膠溶液聚集性越好，越容易整體運移，抗稀釋能力越強，有利于成膠封堵；在頂替0.2 PV清水后， 均可以觀察到凝膠溶液段塞向巖心中部推進了一定距離，證明了后置頂替可以起到推動凝膠溶液運移的作用，但是凝膠溶液的運移形態(tài)不是理想狀態(tài)的段塞式推進，在高滲下部有明顯變亮的水信號，說明注入水也會受非均質(zhì)性的影響而突進，形成一定的水道，這啟示我們在設計調(diào)剖后置頂替段塞時，必須兼顧頂替作用和被稀釋的風險，合理設計后置頂替的量。

實驗考察了多段塞間隔注入的工藝中凝膠溶液運移特征（見圖7），從實驗來看，采用0.2 PV凝膠溶液+0.1 PV水+0.2 PV凝膠溶液的方式， 完成0.4 PV的凝膠溶液注入時，第一段凝膠溶液的運移位置能達到接近巖心1/2位置處，說明這種中間隔離的段塞注入方式也能實現(xiàn)段塞式推進。 但是從陰影面積分布來看，中間隔離水信號明顯大于0.1 PV的量，說明凝膠溶液段塞與中間隔離水的段塞的邊緣存在一定互溶現(xiàn)象，因此，方案設計時，中間隔離的劑量須控制好，保證不會對主段塞起到太大稀釋作用。

圖7 凝膠溶液籠統(tǒng)、分段注入過程矢狀面變化

2.3 液流轉(zhuǎn)向作用

在凝膠溶液完全成膠后，設計不同注入速度的后續(xù)注水， 分析凝膠耐沖刷性和后續(xù)水繞流情況（見圖8）。 實驗結(jié)果顯示，凝膠溶液成膠后，用注入速度（流量）0.5 mL/min驅(qū)替0.8 PV水時，水峰發(fā)生左移，說明凝膠在高滲孔道起到了封堵作用，后續(xù)注入水開始大量進入了小孔道， 即啟動了低滲層；注水從0.8 PV到1.5 PV，水峰位置沒有明顯變化，說明這期間由于注水速度不變，注入水在高低滲分配沒有明顯變化，注入水處于均衡推進，沒有進一步啟動低滲；當以1 mL/min注入速度注水至2.5 PV時，水峰頂點峰又略向左移動，說明提高注入速度后高低滲進液比例發(fā)生變化，低滲進入量增多，發(fā)生了轉(zhuǎn)向作用；提高水驅(qū)速度到2.0 mL/min時，峰仍有小幅左移變化，說明后續(xù)注入水穩(wěn)定后，通過提高注水速度，就會打破這種平衡狀態(tài)，液流轉(zhuǎn)向作用會再次發(fā)生。

圖8 凝膠成膠后后續(xù)水驅(qū)T2譜（0.4 PV）

比較注水不同階段的凝膠信號（見圖9），可以發(fā)現(xiàn)，隨著注水PV數(shù)的增加，凝膠整體在不斷向前推進，逐漸有部分凝膠被驅(qū)替出巖心。 到達一定PV數(shù)后，高滲部分陰影基本消失，這主要是因為注入水進入了凝膠內(nèi)部所致。 對比可見，后續(xù)水驅(qū)注入后，低滲進口端信號逐漸加強，甚至超過調(diào)剖前的強度，說明調(diào)剖起到較好的液流轉(zhuǎn)向作用。 從整個過程看，低滲信號有一個快速加強到緩慢變化轉(zhuǎn)變過程，當注水達到3 PV后，低滲不再變化，表明此時高滲部分的凝膠已被突破，從而失去調(diào)剖封堵轉(zhuǎn)向的作用，這也說明了高滲部分的封堵強度和深度是整個調(diào)剖封堵穩(wěn)定性的關鍵，決定了低滲啟動的程度。

圖9 后續(xù)注水時矢狀面變化

3 結(jié)論與建議

（1）在5∶1級差條件下，凝膠溶液注入非均質(zhì)巖心時未出現(xiàn)預期的選擇性進入現(xiàn)象，而是表現(xiàn)為高低滲進入量比例差別，因此在高低滲級差較小時調(diào)剖，需提前做好低滲層的保護措施，防止調(diào)剖過程對其誤傷害，影響調(diào)剖效果。

（2）凝膠溶液在巖心推進時段塞前端會出現(xiàn)局部突進的情況， 突進發(fā)生位置受巖心非均質(zhì)性和重力雙重影響； 在調(diào)剖工藝上，提高前端凝膠溶液質(zhì)量分數(shù)和降低注入速度有利段塞整體推進，保證最終的封堵效果。

（3）凝膠溶液注入量越多，聚集性越好，抗稀釋能力越好。 因此在考慮經(jīng)濟性前提下，可以適當加大調(diào)剖劑量；同時，工藝設計中作為隔離和后端頂替的清水段塞，必須嚴格控制用量，防止出現(xiàn)稀釋作用而影響成膠強度。

（4）恢復水驅(qū)后，高滲處凝膠承受著大部分注水的沖擊，因此這部分凝膠的強度和放置深度也決定了低滲啟動程度；在調(diào)剖后，提高注入速度可以在一定程度上強化液流轉(zhuǎn)向效果，因此建議調(diào)剖恢復注水后一段時間提高注水井日配注量，擴大調(diào)剖液流轉(zhuǎn)向效果。