聚合物微球水化动态特征及其渗流特性研究

闫 冬,卢祥国,孙 哲,吕 鑫,梁守成,李 强

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室 黑龙江 大庆163316;2.中海油研究总院 技术研发中心 北京100010)

渤海油田经过长期注水开发,主要油田如SZ36-1、LD10-1和PL19-3等都已进入中高含水开发期,长期高强度注水造成储层岩石结构破坏,高渗透层内形成了优势通道,这进一步加剧了油藏非均质性,降低了中低渗透层动用程度。常规聚合物驱油过程中不仅会出现剖面反转现象,而且存在聚合物溶液不可及孔隙体积,这些因素制约着聚合物驱最终采收率[1-5]。与连续相聚合物溶液相比较,聚合物微球溶液为非连续相,其中微球进入中低渗透层内大孔道发挥封堵作用,水则转向进入中小孔隙发挥驱油作用。由此可见,将优势通道治理与中低渗透层聚合物微球调驱技术相结合,不仅可以明显减缓剖面反转现象,而且可以提高宏观波及体积和微观驱替效率,提高原油采收率。

近年来,聚合物微球合成、性能评价和矿场试验受到广泛重视,研究成果已有相关文献报道[6-8],多个矿场试验取得明显增油降水效果。但是,由于聚合物微球调驱技术研究和应用起步都比较晚,现有实验方法(例如,目前利用马尔文和库尔特粒度仪都难以精确测量微球粒径和粒径分布)和调驱机理认识(例如,微球注入能力和不可及孔隙体积及其对调驱效果影响等)还不能满足矿场应用实际需求,进而制约了该项技术应用效果的进一步提升。本文以SZ36-1油田注入水和油藏温度为模拟对象,开展了聚合物微球水化动态特征及其渗流特性研究,这对加深聚合物微球调驱机理认识具有重要理论价值和应用价值[9-10]。

1 实验条件

1.1 实验材料

聚合物微球包括10#和11#两种规格。两者均由中海石油(中国)有限公司北京研究中心提供,有效含量100%。实验用水为SZ36-1油田模拟水,水质分析见表1。

表1 水质分析Table 1 Water analysis mg/L

聚合物微球传输运移能力和缓膨效果测试实验岩心为石英砂环氧树脂胶结人造均质岩心[11],包括浇铸方岩心(见图1(a),外观尺寸为：宽×高×长=4.5cm×4.5cm×30.0cm,Kg=3 000×10-3μm2)和2.1 m长岩心(Kg=2 000×10-3μm2)。长岩心是将整体方岩心(外观尺寸：长×宽×高=30.0c m×30.0cm×4.5cm)割缝并将环氧树脂充填其中而形成的一个由7块“长×宽×高=30.0cm×4.3cm×4.5cm”岩心首尾相连的长条状岩心[12](见图1(b))。除注入孔外,沿岩心长度方向(距注入端0.6、1.2、1.8 m处)布置3个测压孔。

图1 岩心实物照片Fig.1 The core i mages

1.2 仪器设备

聚合物微球溶液配制和储存仪器设备包括HJ-6型多头磁力搅拌器、电子天平、烧杯、试管和H W-ⅢA型恒温箱等。采用生物显微镜观测聚合物微球外观形态、水化尺寸和粒径分布及其与时间关系。

岩心驱替实验设备主要包括平流泵、压力传感器、手摇泵和中间容器等。除平流泵和手摇泵外,其它部分置于目标油藏温度65℃恒温箱内。

1.3 实验方法

1.3.1 聚合物微球水化性能检测 先测试微球初始粒径,然后用SZ36-1模拟水配制微球溶液(3 000、5 000 mg/L),混合均匀后用Waring搅拌器对其进行预剪切,放置于65℃保温箱中,一定时间后取出少量样品,采用生物显微镜观测微球外观形态。

膨胀倍数是聚合物微球吸水膨胀后粒径与吸水膨胀前粒径之比,它反映了微球吸水膨胀能力,其值越大,微球膨胀能力越强。

膨胀倍数计算公式见式(1)：

式中,Q为膨胀倍数,无因次;d1、d2分别为吸水膨胀前和吸水膨胀后微球粒径,μm。

1.3.2 聚合物微球膨胀前后粒径分布计算方法

(1)在采用生物显微镜观测微球形态时,在载玻片上划定一个正方形区域,统计在此区域内微球数目和粒径,求出其最大值和最小值。

(2)将微球粒径数据分成若干组,分组数量5～12较为适宜,本次测试数据分为9组,分组个数称为组数,每组两个端点差值称为组距。

(3)计算组距宽度。用最大值和最小值之差去除组数,求出组距宽度。

(4)计算各组界限位。各组界限位可以从第一组开始依次计算,第一组下界为最小值,第一组上界为其下界最小值加上组距。第二组下界为第一组上界最大值,第二组下界为最小值加上组距,就是第二组上界,依此类推。

(5)统计各组数据出现频数,计算各组频率(频率=频数/微球总数)。

(6)作微球粒径分布曲线图。以组距为底长,以频率为高,绘制各组粒径分布曲线。

1.3.3 聚合物微球封堵效果和传输运移能力测试

(1)岩心抽真空饱和注入水,计算孔隙度。

(2)分别以0.5、1、3 mL/min排量水驱至压力稳定,计算水测渗透率Kw。

(3)以5 mL/min大排量迅速注入1.2 PV聚合物微球溶液,待岩心出口端出液浑浊(说明微球已通过整段岩心)时停止注入,关闭入口端与出口端,在65℃恒温箱内膨胀15 d。

(4)以0.5 mL/min排量后续水驱至压力稳定,对比先前0.5 mL/min水测渗透率压力值,建立“注入压差与PV数关系”曲线。

1.4 聚合物微球岩心内缓膨效果和传输运移能力测试原理

聚合物微球具有吸水膨胀功效,它可以在发生膨胀前进入储层深部。随着聚合物微球吸水膨胀,颗粒粒径增加,滞留封堵作用增强,最终实现深部液流转向目的。因此,聚合物微球传输运移和缓膨效果是选择聚合物微球产品的重要技术指标。

通过将聚合物微球注入一个具有多测压点的长岩心,同时记录注入过程中不同时间各个测压点压力值,绘制不同时刻注入压力与PV数关系曲线。依据同一时刻不同测压点压力值或同一测压点不同时刻压力值对比分析,就可以对不同聚合物微球传输运移能力和缓膨效果相对优劣程度做出评价。

2 结果分析

2.1

聚合 物微球水化膨胀动态特征

2.1.1 聚合物微球尺寸与时间关系 微球外观形态随时间变化关系见图2、3。

图2 微球的初始形态Fig.2 Initial morphology of microspheres

从图2可以看出,与10#微球相比较,11#微球初始粒径较大。从图3可以看出,随水化时间增加,2种微球尺寸增大,初期增加速度较快,10#微球240 h左右水化膨胀基本停止,11#则需要360 h左右。对比分析发现,11#微球水化膨胀过程中表现为体型结构,水化过程完成后结构比较致密,聚集性较好。

图3 微球外观形态与时间关系Fig.3 Relationship bet ween the appearance of microspheres and time

采用SZ36-1模拟水配制10#和11#聚合物微球溶液,每种溶液各自稀释至3 000、5 000 mg/L,65℃条件下放置90 d,粒径测试结果见表2。

表2 粒径测试结果Table 2 Test results of particle size μm

根据表2中10#微球(3 000、5 000 mg/L)与11#微球(3 000、5 000 mg/L)粒径测试结果,绘制微球粒径与时间关系曲线,见图4。

图4 微球粒径与时间关系Fig.4 Relationship bet ween the particle size of microspheres and time

从图4可以看出,与10#微球相比较,11#微球初始粒径较大。随膨胀时间增加,2种微球尺寸增大,初期增加速度较快,10#微球240 h左右水化膨胀基本停止,11#则需要360 h左右。对比分析发现,11#微球水化膨胀过程中表现为体型结构,水化过程完成后结构比较致密,聚集性较好。

2.1.2 聚合物微球膨胀倍数与时间关系 10#和11#聚合物微球(3 000、5 000 mg/L)膨胀倍数与时间关系见图5,它们之间的对比见图6。

图5 膨胀倍数与时间关系Fig.5 Relationship bet ween expansion r atio and ti me

图6 膨胀倍数与时间关系对比Fig.6 Comparison of relation bet ween expansion ratio and time

从图5可以看出,随膨胀时间延长,微球吸水膨胀倍数增加,初期膨胀倍数速度较快,之后膨胀速度减缓。低质量浓度(3 000 mg/L)时微球膨胀倍数略高于高质量浓度(5 000 mg/L)的值,说明微球质量浓度对膨胀倍数影响不大。从图6可以看出,与10#微球相比较,11#微球膨胀倍数增长速率较慢,但它的最终膨胀倍数较大。

图7 聚合物微球颗粒粒径分布Fig.7 Particle size distribution of poly mer microspheres

2.1.3 聚合物微球粒径分布 10#和11#聚合物微球颗粒粒径分布见图7。从图7可以得出,与聚合物溶液中聚合物分子聚集体尺寸分布相比较[15-18],10#和11#微球初始状态粒径分布范围都比较窄,其中10#微球初始状态粒径中值在4.36μm左右,水化360 h后在20.12 μm左右,膨胀倍数为4.61;11#微球初始状态粒径中值在8.45μm左右,水化360 h后在40.05μm左右,膨胀倍数为4.74。

2.2 聚合物微球渗流特性

2.2.1 缓膨效果 聚合物微球为分散相体系,用注入水携带以后,未膨胀之前其流动能力近似于水。为确保微球能顺利注进岩心,后续实验采用高排量(5mL/min)注入聚合物微球,将岩心断面削掉2cm以减弱“断面效应”带来的误差。关闭岩心闸门并在油藏温度65℃条件下分别放置72、360 h,最后进行后续水驱,各个阶段注入压力梯度实验数据见表3。

表3 压力梯度结果Table 3 Pressure gradient results

续表3

实验过程中注入压力与PV数关系见图8。

图8 注入压力与PV数关系Fig.8 Relationship bet ween injection pressure and pore volume

从表3和图8可得出,水化时间长短对聚合物微球封堵效果有很大影响,随着水化时间的增加,聚合物微球溶胀尺寸逐渐增大,在岩心孔隙中滞留效果变好,封堵能力增强,后续水驱压力上升,说明此时微球粒径变大之后与岩心孔隙尺寸产生了较好的配伍性。进一步观察可知,注入相同段塞尺寸微球后,相同类型不同质量浓度聚合物微球后续水驱压力升幅相差不大,说明聚合物微球对于多孔介质的封堵能力取决于自身粒径与孔喉尺寸的配伍性,而与质量浓度关系不大。

2.2.2 传输运移能力 选用2.1 m长岩心,采用10#聚合物微球(3 000、5 000 mg/L)进行传输运移能力实验,聚合物微球注入结束和后续水驱结束时压力梯度结果见表4。

由表4可知,聚合物微球注入过程中,从岩心注入端到采出端各个区间聚合物微球滞留量都存在差异,离注入端愈近,微球滞留量愈大,渗流阻力和压力梯度愈大。在后续水驱过程中,注入水携带部分聚合物微球运移并被采出岩心,岩心内微球滞留量减小,渗流阻力和压力梯度减小。

表4 岩心各区间压力梯度Table 4 The pressure gradient in each section of core

实验过程中注入压力与PV数关系见图9。

图9 注入压力与PV数关系Fig.9 Relationship bet ween injection pressure and pore volume

由图9可知,10#和11#微球注入过程中,压力曲线变化趋势几乎相同。岩心“入口”处压力首先开始快速升高,之后“测压点1”处压力开始快速升高,“测压点2”和“测压点3”处压力升高时间比较晚,且压力升高幅度都不大,其中“测压点3”压力几乎保持恒定,表明微球还没有运移到该测压点以后岩心区域。在后续水驱阶段,初期“入口”和“测压点1”处压力大幅度减小,之后呈现“稳中略升”态势。“测压点2”压力初期升高,之后呈现“剧烈波动”态势,表明聚合物微球在岩石孔隙内呈现“捕集-运移-再捕集-再运移……”运动规律,引起注入压力持续波动。尽管聚合物微球注入段塞为1 PV,但微球段塞注入结束时绝大多数微球滞留在“入口”到“测压点1”区间,该区间长度只占到岩心总长度28.6%,表明岩心孔隙对微球存在强烈过滤作用。后续水驱过程中,滞留岩心前部的部分微球随注入水向前运移,同时颗粒水化引起体积增加,进而使得岩心后部分渗流阻力增加,当微球溶液浓度较高时,推进作用更加明显,岩心后半段压力升幅略有提高。

3 结论

(1)在2种聚合物微球中,与10#微球相比较,11#微球不仅初始粒径较大,而且水化膨胀过程中表现为体型结构,水化结束后结构比较致密。

(2)随水化时间延长,聚合物微球吸水膨胀倍数增加,最终膨胀倍数为4.5倍左右。当水化时间低于50 h时,膨胀速度较快,之后膨胀速度减缓,360 h后达到稳定。

(3)2种聚合物微球粒径分布范围都比较集中,其中10#微球初始粒径中值为4.36μm,水化360 h后为20.00μm,膨胀倍数为4.6;11#微球初始粒径中值为8.45μm,水化360 h后为40.0μm,膨胀倍数为4.72。

(4)在岩石孔隙内,聚合物微球可以进一步水化膨胀,表现出“运移—捕集—再运移—再捕集……”渗流特性。

(5)评价实验中,聚合物微球的粒径尺寸与多孔介质孔喉尺寸配伍性至关重要,首先要找到每种微球适合的最佳孔喉尺寸,然后在此基础上提高浓度,才能发挥聚合物微球的调剖效果。