柔性微球颗粒调剖剂的性能表征

周 泉，陈 凤，王 力，乔 岩

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

柔性微球颗粒调剖剂的性能表征

周 泉，陈 凤，王 力，乔 岩

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

针对大庆油田二类油层增产改造的需要，开发柔性微球颗粒调剖剂，通过双管岩心驱替和封堵实验，研究剪切过程对柔性微球颗粒调剖剂性能的影响，以及柔性微球颗粒调剖剂对驱油效率的影响．实验结果表明，柔性微球颗粒调剖剂的初始粒径为18．02μm，能够以任意浓度在水中均匀分散，遇水后缓速膨胀，48h后柔性微球颗粒的粒径增加20%～30%．柔性微球颗粒剂出口粒径为18．13μm，与驱替前颗粒调剖剂的粒径相当，多次剪切后柔性微球颗粒剂的粒径保持不变．岩心封堵后水驱残余阻力因数达到214．低渗沙管的残余油可以被有效地动用，双管岩心驱替整体提高采收率10%以上，增油效果显著，可以有效解决大庆油田二类油层增产改造的问题．

柔性微球颗粒调剖剂；二类油层；深度调剖；岩心驱替；采收率；大庆油田

0 引言

大庆油田二类油层聚合物驱年产油量占聚合物驱年总产量的46．3%，是大庆油田三次采油的重点油层．与一类油层相比，二类油层在纵向上层数多，平面上“薄、低、窄、差”，层间、层内矛盾突出，因此在注入聚合物进行驱替时，单层突进严重，聚合物利用率较低，驱替液无效循环问题突出．采用深度调剖技术能够有效封堵高渗透地带，扩大驱替液的波及体积，提高采收率，但是颗粒调剖剂粒径往往在毫米量级以上，只能进入到一类油层中，很难进入到二类油层中．并且颗粒调剖剂柔韧性差，在注入过程中易剪切破碎，不能完全满足二类油层聚合物驱的调剖要求．

柔性微球颗粒是一种新型可用于大庆二类油层增产改造的深部调驱剂，初始粒径较小而溶胀后粒径可增加至1．5倍，并且粒径处在微米量级，因此与二类油层地质条件匹配性更好．同时，柔性颗粒调剖剂在水中可以快速分散，具有较好的弹性，耐盐和抗剪切性能突出，能够顺利进入到地层深部，从而具有“进得去、堵得住、能移动”的特点，实现液流地层深部转向、扩大波及体积、提高采收率的目的［1—4］．溶胀后的柔性颗粒调剖剂表现一定的“自修复”性能，在地层水和温度的作用下，可以发生黏连胶结，进一步提高封堵效果．

1 实验部分

1．1 实验药剂与仪器

实验药剂：丙烯酰胺AM（95%（质量分数，下同），优等品）、N，N—亚甲基双丙烯酰胺（纯度99%，分析纯）、二甲基二丙烯酰胺基磺酸钠（99%，工业品）、Span80（纯度99．5%，分析纯）、油酸（纯度99%，优级）、过硫酸铵（纯度99%，优等品），均为分析纯试剂、工业白油、柔性微球颗粒．

实验用油取自大庆油田，脱水后含水率低于5．0% ；驱替用水为大庆油田试验区块现场回注水．填砂模型长为1．2m，内径为38．0mm，由不同目数石英砂按一定比例填制，用长岩心专用压制机压制（TRS—2型，江苏华安科研仪器有限公司）．

主要仪器：恒温箱（FD53，德国宾得）、电子天平（PL4002—IC，梅特勒托利多仪器（上海）有限公司）、凝胶粒参数测定仪（NL—I，江苏海安华达石油仪器厂）、激光粒度分析仪（CILAS1180，美国劳雷）、电子显微镜、高速搅拌器（30—60型，美国EMECO公司）、抽空饱和装置（BHC—II，江苏华安科研仪器有限公司）、Isco驱替泵（260D，美国）等．

1．2 柔性微球颗粒的制备

以工业白油为油相，以油酸、Span80复配体系为乳化剂，以含共聚物单体水溶液为水相，利用反相乳液聚合方法制备柔性颗粒调剖剂．实验中，丙烯酰胺单体和二甲基二丙烯酰胺基磺酸钠的质量分数为38%，交联剂N，N—亚甲基双丙烯酰胺的质量分数为0．02%．通过引入含磺酸基团单体，增加配方中含磺酸基团单体与丙烯酰胺单体的比例，可以提高体系的耐温、抗盐性能．

实验过程：将油、乳化剂和少量水置于三口烧瓶中，于40℃温度下通氮除氧后加入定量过硫酸铵引发反应，慢慢升温至60℃；然后恒速滴入剩余水溶液，滴加结束后继续恒温反应6～8h，即可获得黏稠状柔性微球颗粒体系．类似的实验方法和合成路径见文献［5—9］．

1．3 实验方法

颗粒调剖剂评价主要包括颗粒的粒径、膨胀倍数、水分含量和颗粒强度等指标．考虑现场需要，增加颗粒体系缓速膨胀性能、粒径中值分布和颗粒粒径、耐温后微观形态随时间的变化、颗粒过岩心耐剪切性能、岩心分流实验及颗粒在长岩心中运移封堵表征和分析，从而更全面评价颗粒是否具有“进得去、堵得住、能移动”性能［10—13］．

1．3．1 粒度测定

利用大庆油田地层试验井组回注污水，用CILAS1180激光粒度仪测试45℃温度下养护不同时间颗粒的粒径分布．

1．3．2 缓速膨胀性能测定

利用电子显微镜和CILAS1180激光粒度仪，测定颗粒体系原样及过岩心剪切后样品不同时间粒径分布及粒径中值．

1．3．3 耐温稳定性测定

在45℃温度条件下，通过扫描电镜观察颗粒体系微观变化，评价颗粒长时间热稳定性能．

1．3．4 岩心往复驱替及分流实验评价

模拟二类油层地层条件，通过单管、双管岩心实验实时监测压力变化规律，检测出口端粒径变化，评价柔性微球颗粒调剖剂耐剪切性能及分流性能，实验温度为45℃．

1．3．5 长岩心驱替评价实验

通过1．2m长岩心评价颗粒体系在岩心中的可运移性及封堵性能．

2 结果分析

2．1 外观描述

柔性微球调剖剂宏观表现为桔黄色、半透明、黏稠状液体，溶液均匀，液体密度为1．048 g／cm3；水溶液黏度为1mPa·s左右，pH为7～8，呈中性；在显微镜观察下为微米粒子，颗粒粒径为6～15μm，结果见图1．

2．2 可分离固形物质量分数

采用抽滤法测定柔性微球颗粒调剖剂的结果见表1．由表1可以看出，柔性微球颗粒调剖剂的固形物质量分数为30%左右，低于单体的投料比，说明合成柔性凝胶颗粒调剖剂时有少量未反应的单体或者未参与交联的聚合物．

图1 柔性颗粒粒径分布及中值Fig．1 Flexible profile control particle diameter distribution

表1 可分离固形物质量分数测定结果Table 1 The determination results of seperable solid content mass fraction

2．3 分散性能

将一定量的柔性微球颗粒加入到水里或者聚合物溶液里，搅拌3min，柔性微球颗粒即可迅速分散形成两相体系悬浮液；静置一段时间后，柔性微球颗粒逐渐沉淀，结果见表2．由表2可以看出，在聚合物溶液中，柔性微球颗粒的悬浮效果更好．这是因为聚合物溶液黏度较高，能够延缓柔性微球颗粒的沉降速度．此外，由于使用的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺，带有部分的负电荷，聚丙烯酰胺在颗粒表面的吸附性质改变颗粒双电层的性质，因此导致胶体离子在水相中更加稳定．

表2 柔性微球颗粒调剖剂悬浮性能实验结果Table 2 The suspension performance test results of gel particle profile control agent %

2．4 配伍性

将一定量的调剖剂加入到水和不同质量浓度聚合物溶液（500、1 000、1 500、2 000mg／L）中，配成调剖剂溶液，充分搅拌静置3～5min后，观察溶液是否存在分层现象，结果见表3．由表3可以看出，柔性颗粒在聚合物中有一定的絮凝现象，短时间内无分层现象，如果静置时间大于60min，在低质量浓度的聚合物溶液中，底部有沉淀现象［14—17］．

表3 柔性微球颗粒调剖剂溶液配伍性实验结果Table 3 The solution compatibility results of gel particle profile control agent

2．5 膨胀性能

在清水、污水、聚合物溶液中分别配制成5 000mg／L的调剖剂溶液，用粒度测定仪测定室温条件下柔性微球颗粒的粒径随时间的变化，结果见图2和表4．由图2可以看出，柔性微球颗粒的初始粒径在14 μm左右，随着时间的增加，柔性微球颗粒的粒径逐渐增加，增加幅度缓慢，在48h内粒径可以增加20%～30%，柔性微球颗粒粒径最大值与初始值相比增加1．5倍左右．

图2 不同溶胀时间下污水中B型颗粒粒径分布及中值Fig．2 The diameter distribution and median of B particle in sewage

表4 柔性微球粒径中值随时间变化数据Table 4 The median diameter of flexible particle varying with time μm

2．6 耐温稳定性

在45℃温度下，模拟地层污水浸泡微球颗粒体系；柔性微球颗粒初始为类球形，用模拟地层污水浸泡装在磨口瓶中，经过长时间放置于45℃烘箱中，观察粒径变化．微球水化膨胀，芯部变小，边缘模糊（见图3）．

图3 微球颗粒烘烤后电镜扫描照片Fig．3 The scanning electron microscope images of baked particle

初始微球粒径小，经过地层水和温度作用发生膨胀，在烘箱中放置20～30d，利用透射电镜观察，微球峰值粒径达到10μm左右，对注入水形成一定程度的前进阻力，迫使液流改向，扩大水波及体积，达到降水增油的目的．

2．7 岩心驱替和封堵实验

首先用质量分数为1%的柔性凝胶颗粒调剖剂，对长度为300mm的岩心（岩心渗透率为2 200×10—3μm2）进行反复驱替，每通过一次岩心，取一部分驱替液，利用粒度仪和显微镜分别进行检测，观察粒径变化．柔性微球颗粒调剖剂第一次通过岩心后，粒径增加到33．93μm，颗粒通过岩心剪切，主要原因是颗粒发生膨胀作用，粒径增加，远大于初始粒径（18．02μm）；当驱替液第二次通过岩心后，柔性微球颗粒调剖剂的粒径下降到20．02μm，与初始粒径相近；继续增加驱替次数，驱替液的粒径基本保持不变．原始粒径和循环驱替岩心4次后柔性微球颗粒调剖剂的粒径分布见图4．

因为柔性微球颗粒调剖剂耐剪切性能较强，颗粒膨胀后内部核心强度较好，内核外部水化程度较内核大，因此颗粒弹性较好，在岩心中有较好的运移和耐剪切性能．柔性颗粒通过岩心时，受剪切作用发生一定的变形，颗粒可在岩心中运移；然后在岩心出口端随着注入液一起运移出岩心．通过岩心后，柔性颗粒外部水化较大部分受岩心剪切影响发生一定程度的损坏，造成粒径减小，在第二次通过岩心后颗粒基本保持不变．主要原因：一是通过岩心第一次剪切，颗粒部分外围水化度较高的部分未完全损坏；二是颗粒膨胀完全需要一定的时间，第一次通过岩心时颗粒未膨胀完全，第一次岩心采出液在其余实验过程中继续发生一定的膨胀．第二次通过岩心剪切后，颗粒主要剩下耐剪切的、弹性好的内核部分，通过岩心多次后粒径基本保持不变，能够耐受岩心孔喉反复的剪切．

图4 B型颗粒驱替前后粒径分布及中值Fig．4 The diameter distribution and median of B particle before and after displacement

将经过柔性微球颗粒调剖剂反复驱替过的岩心再次进行水驱，确定柔性微球颗粒调剖剂对岩心的封堵效果．封堵前水驱压力为0．021MPa，封堵后突破压力为0．480MPa，后续驱替稳定压力为4．500MPa，柔性微球颗粒调剖剂封堵后残余阻力因数为214，说明封堵效果显著．

为研究柔性微球颗粒调剖剂在岩心中的运移，用石英砂填充至高压岩心驱替填充管，用压实机进行压实，制备长度为1 200mm人造岩心．岩心饱和水后，首先用质量浓度为1 000mg／L的聚合物溶液进行聚驱，然后再用质量分数为1%的柔性微球颗粒调剖剂进行驱替，结果见图5．由图5可以看出，聚合物驱的入口压力很小，岩心中部和出口的压力基本保持不变，对于柔性微球颗粒调剖剂，随着时间的推移，岩心中间及出口端已起压，并且压力变化趋势与进口端压力的变化趋势接近．在聚合物溶液携带下，柔性颗粒在岩心中已发生运移，并且有一定数量的颗粒运移至岩心出口端部．

2．8 非均质三管岩心模型驱油模拟实验

采用人造长方形岩心模型，高渗透率模型的渗透率定为2 300×10—3μm2，中渗透率模型的渗透率定为800×10—3μm2，低渗透率模型的渗透率定为200×10—3μm2，实验温度为45℃，原油黏度为9．8 mPa·s，柔性颗粒质量浓度为5 000mg／L，采用合注单采方式．三管非均质模型中封堵处理前后水驱采收率、单管相对采收率见图6和图7．

图5 驱替压力随时间变化关系Fig．5 The displacement pressure varying with time

图6 非均质三管岩心模型柔性颗粒封堵驱油综合采收率曲线（0．3PV）Fig．6 The synthesis oil—recovery curve of gel particle plug—ging and displacement through tripple—tube model

图7 非均质三管岩心模型柔性颗粒封堵采收率曲线（0．3 PV）Fig．7 The oil—recovery curve of gel particle plugging and displacement through heterogeneous tripple—tube model

由图6和图7可以看出，经过柔性微球颗粒处理后，非均质三管岩心模型的综合采收率为58．8%，比水驱含水率92%时的采收率39．5%提高19．3%，比含水率98%时的采收率49．2%提高9．6%，封堵后在后续水驱开始阶段增油效果显著；柔性颗粒封堵后含水率显著下降，与水驱相比综合含水率下降26．0%．高渗管的水驱采收率为73．0%，柔性颗粒封堵后最终采收率为80．0%，提高采收率7．0%，没有明显增油段，含水率降低不明显；中渗管水驱采收率为34．0%，柔性颗粒封堵后最终采收率为62．0%，提高28．0%，仍有20．0%左右的油未采出；低渗管水驱采收率为23．0%，柔性颗粒封堵后采收率为41．7%，提高18．7%，有近40．0%左右的油未采出．表明柔性颗粒封堵后，水驱转向由高渗透层进入中、低渗透层，使中、低渗透层被启动，增油降水效果比较明显．

3 结论

（1）柔性微球颗粒调剖剂的粒径在几到几十微米之间，遇水后将缓速膨胀至自身粒径的1．5倍．柔性微球颗粒调剖剂在水中和聚合物溶液中迅速分散，并且在聚合物溶液中分散效果更好．

（2）柔性颗粒调剖剂耐剪切性能好，通过岩心反复剪切4次后，颗粒粒径保持18μm基本不变，与颗粒原液粒径基本相当，可以用来进行深度调剖．

（3）用柔性颗粒调剖剂对人造岩心进行封堵后，后续水驱残余阻力因数达到214，柔性颗粒调剖剂可以通过自身变形在多孔介质中运移，从而可以在较大的范围内对高渗透地段进行封堵．

（4）柔性颗粒调剖剂能够有效地让液流转向，提高低渗透地带石油的采收率．双管岩心实验结果表明，双管整体提高采收率10%以上，增油效果显著，可以有效解决大庆二类油层增产改造问题．

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TE34

A

2095—4107（2013）05—0090—07

DOI 10．3969／j．issn．2095—4107．2013．05．013

2013—06—25；编辑：任志平

国家重大科技专项（2011ZX05052）

周 泉（1970—），男，高级工程师，主要从事油田化学方面的研究．