新型纳米微球调驱技术在海上稠油油田的应用

廖新武，刘 超，张运来，牟春荣，刘维永

(中海油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

引 言

渤海湾SNW油田是海上大型复杂河流相沉积储层的稠油油田，构造平缓，多正韵律和复合韵律沉积，主要含油层段为新近系明化镇组下段和馆陶组上段，储层胶结疏松，属于高孔、高渗储层，平均孔隙度为31%，平均渗透率为3 μm2，地层原油黏度为24～260 mPa·s。SNW油田具有水油流度比大、储层非均质性强、正韵律储层以及胶结疏松等特点，84%的注水井组存在严重的注入水突进现象和平面产液结构不均衡的情况，普遍存在窜流通道，导致注入水低效或无效循环，有的生产井水淹严重，而有的生产井却见不到注水效果。调整井密闭取心资料表明，储层底部水淹严重，而储层顶部有大量剩余油富集，说明水驱波及体积系数较小，注入水主要沿着优势渗流通道突进到生产井中。

稠油油田的开发特点决定了50%以上的可采储量是在含水率高于80%时采出的，对于海上油田，在高含水期采出大量原油意味着需要巨大的产出液处理能力相配套，而海上浮式生产储油轮(FPSO)的造价和产出污水处理费用昂贵。为此，必须改善海上油田的水驱开发效果，实现控水稳油。目前国内外研究和利用较多的是弱凝胶调驱、氮气泡沫驱和可动凝胶调驱技术，但是这些技术具有强度低、选择性差、无法进入储层深部等缺点。纳米微球是近年来发展起来的一种新型深部调驱剂[1－2]，对海上稠油油田的控水稳油具有很好的适应性。从目前国内外的报道和文献来看，仅见文中、孤岛和大庆等陆地油田偶有小范围矿场实践的报道，海上油田的应用报道极少[3－6]。

1 纳米微球技术室内研究

1.1 纳米微球深部调驱原理

纳米微球聚合物是利用原子、分子的相互作用原理，按需要在纳米尺度上制得的材料，主要成分是丙烯酰胺和表面活性剂等，平均粒径不超过100 nm，通过不同成分配比，溶于水后粒径可以膨胀到微米级别。中国石油大学的雷光伦教授关于纳米微球合成技术有专门论述[7]。纳米级弹性微球的最外层是一层水化层，使微球可以在水中稳定存在而不沉淀胶结在一起;中间为交联聚合物层，使微球具有弹性和形变的能力;最里面是凝胶核，使微球具有一定的强度，满足封堵需求(图1)。

图1 纳米微球结构机理

深部调驱堵水的原理是通过将纳米微球随着注入水进入储层内部后，慢慢吸水膨胀，数个微球通过“架桥”或“吸附”封堵大孔道，改变注入水方向，从而扩大水驱波及体积(图2)。微球大小变化是动态过程，逐渐吸水长大，可以实现逐级封堵、改变岩石尤其是高渗条带的渗透率，微球本身的弹性及固相特性(而不是增黏特性)，既可以停留，又可以运移，实现注入水连续动态改向。

图2 注入水的微观改向机理

1.2 纳米微球的设计与性能评价

1.2.1 纳米微球设计

纳米微球的设计需要根据不同油藏的不同地质特点来进行，满足“进得去、堵得住、移得动”的特性。通过反相(微)乳液、沉淀聚合方法合成的粒径为几纳米至几十微米的微球颗粒，根据油藏温度、地层水和注入水矿化度、水型、原油黏度、注水井和生产井状况，调整合成纳米微球的成分比例，实现对其注入性和封堵性技术指标的控制，以满足油田改善开发效果的需求。本次实验制备了3种纳米微球:核壳自胶结纳米微球、复合乳液微球和常规纳米球。核壳自胶结纳米微球是在常规纳米微球的基础上，向体系中加入疏水性单体，采用油溶性引发剂和油溶性交联剂，利用丙烯酰胺与疏水性单体在分散介质中溶解性的差异，制备以疏水结构为壳的核壳结构微球。核壳自胶结纳米微球溶胀速度较快，微球之间可以相互粘连，形成较大的高分子线团聚集体，具有更好的封堵调剖作用。

1.2.2 注入性评价

纳米聚合物微球的初始粒径和膨胀后尺寸大小必须与油藏的孔隙半径中值相匹配。某型聚合物微球粒径初始尺寸约为100 nm，而SNW油田多孔介质的孔隙半径中值在5 μm以上，因此，聚合物微球易注入到地层深部。吸水膨胀20 d后，微球粒径达数微米至几十微米，大于储层孔隙半径中值，可实现对高渗透条带的封堵，说明聚合物微球分子与油田的孔隙半径中值间具有很好的匹配关系。

1.2.3 封堵性评价

王涛和刘承杰针对纳米微球的封堵性有一定的研究，但与渤海湾疏松砂岩有所区别[8－9]。

实验条件:用油田采出砂制作长度为1 m，直径为2.5 cm，渗透率为3 μm2的填砂管;聚合物微球采用“Ⅲ”型，浓度为1500 mg/L，水化1 d;注入0.3倍孔隙体积;室温;从注入口到排出口，沿填砂管轴向等间距设置4个测压点(1～4号测压点)。

实验原理:在人造均质物理模型中间部位设置测压孔，从模型一端注入调驱剂溶液，测量模型入口压力和中间压力，利用模型各测压点压力及其变化来评价调驱体系在多孔介质内的封堵、运移能力。

图3 测压点压力值随时间变化趋势

实验开始后先注水，在195 min时注入纳米微球，340 min时注水。聚合物微球溶液在模型中流动时各个测压点压力随时间变化关系曲线见图3。从图3可以看出，随着聚合物微球调驱剂的注入，各测压点的压力逐渐升高，模型前端1、2、3号测压点压力升幅较大，模型后端4号测压点的压力升幅较小;后续水驱阶段，1、2号测压点压力持续升高并最终达到稳定，3号测压点的压力也有较大升幅，而4号测压点的压力也有小幅波动。水驱后期4条压力曲线都出现了水平段，表明聚合物微球可以与渗透率为3 μm2的岩心相匹配，在岩心内流动时不会产生堵塞，且具有较高的残余阻力系数，持续时间长。后续水驱阶段各测压点的压力处于波动状态，也反映出聚合物微球在多孔介质中的“堵塞—运移—再堵塞”过程。

综合以上填砂模型流动实验数据和SNW油田渗透率资料，反映出聚合物微球具有良好的运移能力，能够进入到地层深部，同时在多孔介质中运移过程中，产生较强的封堵能力。

2 矿场试验

2.1 实验井组的筛选

在选取实验井组时，主要考虑纳米微球调驱在复杂河流相稠油油田的适应性，从静态和动态两方面考虑。静态特征包括:主力砂体的储层分布、连通性、油层厚度、孔隙度、渗透率、非均质程度、流体性质以及井网完善程度。动态特征包括:注采井组的注采比、采油速度、注入水突破情况、受边底水影响大小、储量采出程度和井组含水率等。利用式(1)可以计算出注水井的压力指数PI，其值越低表明越需要调驱。采用“压力指数PI”深部调驱决策技术，在SNW油田选定4个井组实施了聚合物微球调驱的矿场先导试验[10－13]。压力指数计算公式为:

式中:q为注水井日注水量，m3·d－1;μ为流体动力黏度，mPa·s;K为地层渗透率，μm2;h为地层厚度，m;t为关井测试时间，s;re为注水井控制半径，m;φ 为孔隙度，%;c为综合压缩系数，Pa－1。

按区块平均PI值和注水井的PI值选定。通常是低于区块平均PI值的注水井为调剖井，高于区块平均PI值的注水井为增注井，在区块平均PI值附近，略高或略低于平均PI值的注水井为不处理井。

2.2 调驱剂用量设计和海上平台设备

根据调驱井组的油藏地质实际情况，进行了微球类型、浓度、段塞大小及段塞组合方式配方优化工作。纳米微球用量计算公式为:

式中:ΔPI为调驱后注水井PI值的预定提高值，MPa;β 为用量系数，m3·MPa－1·m－1。

用量系数由矿场试注得到:

式中:W为试注的调驱剂用量，m3;ΔPI'为试注调驱剂前后PI值变化，MPa。

由于海上平台操作空间狭小，注调驱剂设备要求体积小、工作效率高，从而满足海上油田高速开发的需要。

2.3 实施效果

2.3.1 控水增油效果分析

SNW油田4个井组实施纳米微球调驱后，注水井压力升高，井组日产油增加，含水率降低，说明调驱在该井组取得了良好效果(表1)。

表1 4个实验井组实施纳米微球调驱的效果

压降曲线是判断调驱效果的重要手段之一。以C5井组为例，图4为C5井调驱前后的关井压降曲线。从图4中可以看出，调驱前后(调驱施工时间为2010年10月至2011年1月)的压降曲线有了明显变化:调驱前压降曲线很陡，说明井筒附近存在大孔道及高渗条带，调驱后的压降曲线明显变缓，调驱施工历时近4个月，压降曲线一直在变缓，表明高渗条带得到有效封堵。2011年3月测试的压降曲线表明，在完成微球注入后，调驱效果仍保持较好。

图4 注水井C5井调驱前后的关井压降曲线

由压降曲线计算出C5井的压力指数PI和充满度FD值(表2)。从表2可以看出，调驱后压力指数和充满度大幅升高，说明调驱有效改善了油层纵向和平面上的水驱状况，提高了注入水的利用率。

表2 C5井的压力指数PI和充满度FD值的变化情况

2.3.2 投入产出分析

实施调驱的井组均见到了控水增油效果，4个井组累计增油为3.8×104m3，减少FPSO水处理量11.3 ×104m3，吨微球增油量约为 80 ～120 m3/t，投入产出比为1∶4～1∶6，获得了很好的经济效益。从油田自然递减方面来看，调驱措施使得区块自然递减率从7.0%下降到4.9%，在油田稳产方面起到重要作用。同时，调驱井组在降水方面成效显著，含水上升势头得到了有效控制，井组含水率平均下降了2.8个百分点。调驱效果持续时间普遍在6个月以上。目前该油田正准备采取大规模的整体调驱，以增强效果。

3 结论

(1)纳米微球调驱是一种新兴的实用性深部调驱技术，目前矿场应用实例不多，具有广阔的发展前景。

(2)室内评价表明，纳米微球具备“注得进、堵得住、移得动”的特性，具有良好的运移能力，能够进入到地层深部，产生较强的封堵能力。

(3)应用纳米微球对SNW油田4个井组进行矿场调驱试验效果表明，纳米微球调驱技术能够适应SNW油田的油藏地质特点，在控水稳油方面发挥了重要作用。

(4)矿场试验的成功说明，微球制备、PI决策选井、调驱剂用量设计、海上平台注入设备等配套技术的研究成果是科学有效的，值得推广。

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