无机凝胶在18 m长岩心内的传输运移能力*

曹伟佳，卢祥国，田中原，刘文辉，于 萌，闫炳旭

（1.东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆 163318；2.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；3.中海油田服务股份有限公司，天津塘沽 300450；4.中国石油塔里木油田公司迪那油气开发部，新疆库尔勒 841000）

由于地层自身非均质性和油水流度比差异，注入水往往会沿高渗透层不均匀推进，一方面造成高渗透层含油饱和度减小、渗流阻力降低，另一方面注入水长期冲刷作用还会破坏高渗透层的岩石结构，使岩心渗透率增大，这又进一步加剧了储层非均质性、增大了注入水突进速度［1-2］，因此，注水开发油田窜流问题是制约油田开发效果的主要问题。矿场常用的扩大波及体积技术包括聚合物驱、多元复合驱和弱凝胶调驱等［3-5］。实践证明，调剖是改善水驱开发效果的有效措施［6-8］。近年来，随着油价走低和高温高盐油藏开发规模扩大，低成本耐温耐盐调剖剂的需求日益增大，无机凝胶调剖剂由于其良好的耐温和抗盐性在塔里木轮南、柴达木跃进、大港和中原等油田进行了矿场试验，取得较好增油降水效果［9-11］。

无机凝胶调剖技术是通过向储层注入引发剂（Na2SiO3溶液）及含Ca2+和Mg2+等成垢离子溶液，二者在岩石孔隙内相遇发生化学反应，形成无机凝胶，造成孔隙过流断面减小，渗流阻力增加，最终促使后续液流转向进入中低渗透层，达到扩大波及体积和提高采收率目的［12-13］。针对矿场深部调剖技术需求，本文在目标油田注入水矿化度条件下，优选无机凝胶调剖剂使用浓度，研究了无机凝胶在18 m长岩心内传输运移能力。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

Na2SiO3，分析纯，固含量80%，国药集团化学试剂有限公司；CaCl2和MgCl2，分析纯，固含量99.8%，国药集团化学试剂有限公司。实验用水为渤海SZ36-1 油田注入水，矿化度9.048 g/L，主要离子质量浓度（单位g/L）：Na++K+2.552、Mg2+0.229、Ca2+0.569、Cl-5.471、SO42-0.0366、HCO3-0.191，经软化处理后用作配液用水。

实验用岩心为石英砂环氧树脂胶结人造均质18 m 长岩心，首先加工外观尺寸为长×宽×高=60 cm×60 cm×4.5 cm岩心，然后对其进行割缝、填缝和密封处理，最后得到一个由30 块“长×宽×高=60 cm×4.5 cm×4.5 cm”岩心首尾相连、无缝长度超过18 m的条状岩心［14-15］，除岩心注入端和采出端外，沿长度方向还均匀布置了7个测压点，岩心外观见图1。

图1 岩心实物图

实验装置主要包括平流泵、压力传感器和中间容器等。除平流泵外，其它部分置于65℃恒温箱内。

1.2 实验原理

无机凝胶在多孔介质（岩心）内良好传输运移能力是实现深部液流转向的重要保障，评价方法和指标是通过测定无机凝胶在多孔介质内沿运动方向各个长度区域内滞留量或压差值，计算各个长度区域压差比值β，据此评价无机凝胶在多孔介质内传输运移能力和渗流阻力变化规律。岩心各区间压差比β定义为：

其中，p入口为入口端压力，p1为测压点1 处压力，…，p出口为出口端压力，n为延岩心长度方向上测压点个数。

无机凝胶封堵效果可采用岩心各个部分封堵率η大小来评价，其定义为：

其中，K为水驱阶段岩心渗透率，K'为封堵后水驱阶段岩心渗透率，η1为入口端到测压点1处封堵率，η2为测压点1到测压点2处封堵率，…ηn为测压点n到出口端处封堵率。

1.3 实验步骤

实验步骤具体如下：①岩心抽空、饱和注入水（矿化度9.048 g/L），水驱，记录各个测压点压力；②药剂多轮次交替注入，每轮为0.02 PV 软化水+0.1 PV 主剂（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 软化水+0.1 PV 助剂（CaCl2溶液），共5 轮次，主剂和助剂溶液注入总体积为1.0 PV，注入速度为2 mL/min；③静置24 h，水驱到压力稳定，记录各测压点注入压力，绘制各测压点不同时间注入压力与注入体积关系曲线。

2 结果与讨论

2.1 浓度优选

采用软化水配制主剂Na2SiO3和助剂CaCl2或MgCl2溶液共50 mL，不同主剂、助剂浓度条件下所形成无机凝胶的体积见表1。从表1可以看出，随着主剂Na2SiO3溶液浓度的增加，主剂Na2SiO3与助剂CaCl2或MgCl2生成的无机凝胶体积均呈增加趋势。主剂Na2SiO3是一种强碱弱酸性盐，水解后显碱性，在一定活化剂Ca2+和Mg2+作用下可以发生缩聚，线型无机分子缩聚到一定程度后各分子间相互作用缠结，形成网状结构，进而形成无机凝胶［16-17］。当主剂Na2SiO3溶液和助剂CaCl2和MgCl2溶液浓度增加至一定浓度后，［SiO4］4-四面体阴离子含量增加，发生聚合的阴离子中所含Si的数目或Si—O—Si键数目增多，与Ca2+、Mg2+作用生成无机凝胶量增加。当主剂Na2SiO3质量浓度达到5 g/L后，［SiO4］4-四面体阴离子与活化剂Ca2+、Mg2+反应生成大量无机凝胶。因此，建议主剂Na2SiO3溶液质量浓度在2数5 g/L 之间，而助剂CaCl2和MgCl2浓度应超过2 g/L，即活化剂Ca2+含量超过0.7 g/L，Mg2+含量超过0.5 g/L。目标储层注入水中Ca2+和Mg2+含量分别为0.569 g/L和0.229 g/L，不足以与主剂Na2SiO3溶液反应生成大量无机凝胶，同时与助剂MgCl2相比，主剂Na2SiO3与助剂CaCl2生成的无机凝胶体积较大。因此，选用外加CaCl2溶液作为助剂。

表1 不同主剂（Na2SiO3）、助剂（CaCl2或MgCl2）浓度下形成无机凝胶的体积（mL）

采用软化水配制主剂Na2SiO3和助剂CaCl2溶液共50 mL，二者浓度分别为0.61、1.22、2.44、3.7、6.1、12、15和20 g/L。不同主剂、助剂浓度条件下所形成无机凝胶的体积见图2。从图2可以看出，随主剂或助剂浓度增加，无机凝胶体积生成量增幅呈现“先升后降”，当二者浓度在2.44数6.1 g/L时，无机凝胶生成体积快速上升，而当浓度继续增加后，无机凝胶生成体积上升幅度降低。从技术经济角度建议主剂和助剂浓度为2.44数6.1 g/L。

图2 无机凝胶体积与主剂（Na2SiO3）和助剂（CaCl2）浓度关系

2.2 压力梯度及压差比

采用软化水分别配制质量浓度为3.7 g/L 的主剂Na2SiO3溶液和助剂CaCl2溶液，采用“0.02 PV 软化水+0.1 PV 主剂（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 软化水+0.1 PV助剂（CaCl2溶液）”5轮次交替注入方式，实验过程中记录不同时刻（PV数）各个测压点压力，各个测压点间压力梯度计算结果见表2，交替注入结束时各相邻区间压差比见表3。

表2 压力梯度实验数据（MPa/m）

表3 交替注入结束时各相邻区间压差比

从表2和表3可以看出，在“软化水+主剂溶液+软化水+助剂溶液”多轮次交替注入过程中，岩心各个测压点间压力梯度受交替注入轮次和区间位置的影响。在测压点区间位置相同条件下，随交替注入轮次增加，压力梯度呈现逐渐升高趋势，并且增幅呈现略微增大趋势；在交替注入轮次相同条件下，沿岩心长度方向各个测压点长度区间压力梯度呈现逐渐减小趋势。进一步分析发现，5 轮次交替注入结束后调剖剂波及长度为86.7%，岩心前后相邻两个长度区间压力梯度比值差不大，表明“软化水+主剂溶液+软化水+助剂溶液”多轮次交替注入生成的无机凝胶具有良好传输运移和深部液流转向能力。

2.3 封堵效果

多轮次交替注入结束后各测压点区间岩心的水测渗透率见表4。从表4可以看出，对于岩心上同一长度区间，随交替注入轮次增加，岩心的水测渗透率降低；在交替注入轮次相同条件下，沿液流流动方向各个长度区间岩心水测渗透率呈现逐渐下降趋势，且前部长度区间岩心渗透率减小幅度要大于后部区间的。

多轮次交替注入结束后各个长度区间岩心封堵情况见表5。从表5可以看出，沿岩心长度方向各个长度区间封堵率呈现逐渐降低趋势，其中邻近入口各个长度区间封堵率较高，表明无机凝胶在入口附近区域滞留量较大。后续水驱结束时，岩心各个长度区间封堵率在19.97%数72.26%，表现出良好的深部液流转向能力。

表4 各测压点区间岩心的水测渗透率（/10-3 μm2）

表5 封堵率实验数据

2.4 动态特征

“软化水+主剂溶液+软化水+助剂溶液”多轮次交替注入过程中岩心各个测压点注入压力与注入体积关系见图3。从图3可以看出，在“软化水+主剂溶液+软化水+助剂溶液”多轮次交替注入过程中，在交替注入轮次相同条件下，沿岩心长度方向各个测压点注入压力逐渐减小。在测压点位置相同条件下，随交替注入轮次增加，各个测压点注入压力逐渐增加。进一步分析发现，在每一种药剂注入过程中，注入压力呈现“先升后降”变化趋势，展示了主剂与助剂接触生成无机凝胶和水段塞推动生成物向前运移和凝胶流动特征。当交替注入结束时，“入口端”与“测压点1”间压差值要明显大于“测压点1”与“测压点2”的压差值，而“测压点1”与“测压点2”间压差值与后续其它各个测压点间压差值差异不大。由此可见，在“软化水+主剂溶液+软化水+助剂溶液”多轮次交替注入过程中，主剂与助剂反应生成物在“入口端”与“测压点1”间滞留量较大，它吸附于岩石骨架表面形成厚度较大的涂层，导致孔隙过流断面减小幅度较大，流动阻力增幅较大，注入压力升高幅度较大，因而可以起到良好的调剖以及深部液流转向效果。

图3 注入压力与注入体积关系

在后续水驱阶段，前部3 个测压点的注入压力呈现小幅降低，后部几个测压点注入压力呈现“稳中略升”趋势，表明化学反应生成物在孔隙内具有较强的耐冲刷能力和持久的封堵能力。

3 结论

当主剂Na2SiO3与助剂浓度一定的条件下，与助剂MgCl2相比，主剂与助剂CaCl2生成的无机凝胶体积较大。随溶液浓度增加，主剂Na2SiO3与助剂Ca-Cl2生成的无机凝胶体积增幅呈现“先升后降”趋势，当二者浓度为2.44 数6.1 g/L时，无机凝胶生成体积快速上升。

“软化水+Na2SiO3溶液+软化水+CaCl2溶液”交替注入5 轮次后，岩心前后相邻两个长度区间压力梯度比值分别为3.85、2.03、1.16、1.19 和1.24，各个压力梯度比值差不大，表明无机凝胶有良好传输运移能力。后续水驱结束时，岩心各个长度区间封堵率在19.97%数72.26%，表明无机凝胶在孔隙内具有较强的耐冲刷能力和持久的封堵能力。