弹性微球在岩石孔隙表面沉积和二次运移机理及实验研究

李建晔，鞠野，王晓龙，徐国瑞，刘丰钢，刘光普

弹性微球在岩石孔隙表面沉积和二次运移机理及实验研究

李建晔，鞠野，王晓龙，徐国瑞，刘丰钢，刘光普

（中海油田服务股份有限公司，天津 300400）

为了深入地了解孔喉尺度下弹性微球在孔隙表面的沉积机理，在现有微尺度微球的实验和理论基础上，通过查阅有关微球微观尺度的受力分析有关文献，总结了微球在岩石孔隙沉积中的受力情况，从受力的角度上分析了微球在岩石孔隙表面的沉积机理。通过范德华力以及静电力公式定性地分析了矿化度和速度的变化对微球在岩石孔隙表面沉积现象的影响。结果表明：矿化度减少和流速的增加均会导致微球的释放，并且会引起微球的二次运移。

微球；表面沉积；范德华力；静电力

微球调驱技术是近年来发展的一项增产技术，它不仅能够利用自身的溶胀性能进行深度调剖，做到真正的“进得去、堵的住、能移动、能保护”的要求，而且还能和聚合物形成聚合体系，加强聚合物的液流转向能力，提高化学驱的波及系数，进一步改善聚合物驱效果，符合开发廉价高效的深部调剖剂的核心要求。弹性微球的微观运移机理主要表现为孔隙表面沉积机理、卡堵/叠加封堵/架桥封堵孔隙喉道机理、颗粒滤膜截留机理和变形通过孔隙喉道机理，决定孔喉尺度弹性微球深部调剖技术应用前景的关键问题是科学合理地认识和描述弹性微球在多孔介质的渗流特征[1]。

本文在微尺度微球实验和理论基础上，对沉积在岩石孔隙表面的微球进行了受力分析，并且分析了在一些外界条件变化的情况下，微球在岩石孔隙表面的状态变化以及通过室内岩心模拟实验求证微球的二次运移导致压力的变化情况[2]。

1 微球在岩石孔隙沉积中的受力分析

弹性微球在岩石孔隙沉积状态的确定取决于微球与流体之间的相互作用，以及微球与砂岩颗粒表面的力学的共同作用。根据Khlar K.C对微球在孔隙受力分析可得，微球与流体之间主要有4种相互作用的力，分别是摩擦阻力（r）、浮力（f）、重力（g）和惯性力（i）；微球与砂岩颗粒表面主要有3种微观力，分别是范德华力、静电力、表面张力，具体的受力方式见图1。

图1 作用于弹性微球的宏观力和微观力

图1中箭头的方向为流体流动的方向，粗箭头的方向为水体表面力的方向[3]。前4种力属于与岩体表面力有关，后4种力与流体的性质有关，这两种类型的力决定颗粒在岩体孔隙的流动状态以及沉积状态。当这几种力表现为吸附力时，弹性微球便会沉积在孔隙表面。

2 岩体表面力对微球沉积状态的影响

微球在多孔介质的孔隙和喉道内流动时，由于孔喉的特征尺寸微小，微球受到微观力的影响增大，微观力不可忽略。微观力主要包括范德华力、静电力、表面张力。

2.1 范德华力

范德华力是存在于分子间的一种较弱的相互作用力，其包含取向力、诱导力和色散力，在分子间力中，色散力是重要的，瞬间偶极与瞬间偶极之间有色散力，由于各种分子均有瞬间偶极，故色散力存在于极性分子与极性分子、极性分子与非极性分子及非极性分子与非极性分子之间。影响范德华力的因素主要有两点：第一，组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大；第二，分子的极性越大，范德华力越大。公式（1）为范德华力的计算公式：

式中：V—弹性微球与岩石孔隙表面之间的范德华力引力能，J；

132—Hamaker 常数；

—弹性微球与岩石孔隙表面之间的距离，m；

p—弹性微球的半径，m。

范德华力的存在是微球沉积的有利因素，分子中电子的运动产生瞬时偶极矩，它使邻近分子瞬时极化，后者又反过来增强原来分子的瞬时偶极矩，这种相互耦合产生静电吸引作用，这3种力的贡献不同，通常第3种作用的贡献最大。

2.2 静电力

静电力是以电场为媒介传递的，即带电体在其周围产生电场，电场对置于其中的另一带电体施以作用力，且两个带电体受到的静电力相等。两个静止带电体之间的静电力就是构成它们的那些点电荷之间相互作用力的矢量和。其作用距离比范德华力长，当颗粒与岩石孔隙表面电子层发生重叠时，胶体颗粒与岩石表面斥力增加，阻碍微球在岩石表面的沉积，其公式如下：

式中：δ—原子碰撞距离。

2.3 表面张力

表面层分子与内部分子相比所处的环境不同，体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势。纯物质的表面张力与分子的性质有关，通常是γ(金属键)>γ(离子键)>γ(极性共价键)>γ(非极性共价键)。

决定弹性微球在孔隙表面是否沉积通常是这几种力共同作用而完成的。而影响沉积在孔隙表面微球的岩体表面力的变化，一个非常大的影响因素就是地层水的矿化度变化。由于微球注入是在线注入的，注入水的矿化度难免会与地层水的矿化度产生不相匹的情况，矿化度的变化就会对微球的沉积产生影响。通过分析，矿化度的减少会导致微球的释放。这是因为液体的表面张力因加入溶质形成溶液而改变，根据Traube规则，同一种溶质在低浓度时表面张力的降低与浓度成正比[4-5]。

流速的变化也会影响微球的沉积状态，流速的增加会促进弹性微球从孔隙表面释放。通过分析，流速的增加破坏了弹性微球在孔隙表面沉积的稳定的平衡条件[6]，破坏了微球的沉积状态，导致了微球的二次位移，以下实验也将从宏观压力的角度解释这一现象的原因。

3 室内实验

3.1 实验药品

微球、蒸馏水、无水乙醇、NaCl、CaCl2、NaHCO3、Na2SO4、KCl、MgCl2、Na2CO3。

3.2 实验仪器

复合调堵岩心动态模拟实验装置，岩心抽空饱和实验装置，电子天平（精度0.000 1 g），搅拌器，烧杯，高压气瓶、马尔文3000粒度仪。

图2 微球注入性实验流程图

3.3 实验步骤

1）配置油田模拟注入水1 L备用；

2）微球体系配制：非连续性调控剂按照3 g·L-1的质量浓度配制500 mL，常温放置，备用；

3）模拟岩心准备：选用气测渗透率3 D的人造光板岩心（长30 cm，横截面积为25 cm2），抽真空，饱和地层水；

4）测量微球粒径；

5）微球体系注入：在常温下水测渗透率压力稳定后，通过改变注入速度连续注入2~4 PV非连续性调控剂体系，记录压力变化。

3.4 结果和讨论

3.4.1 微球注入初期通过孔喉性校核

采用kozeny公式估算光板岩石的平均孔隙直径。

式中：—孔喉直径，μm；

—渗透率，D；

—孔隙度，无因次。

由计算结果知，该岩心平均孔喉直径17.6 μm左右，因此微球粒径为2~36 μm之间可顺利通过。

粒径大小及分布是弹性微球最基本的表征参数。弹性微球的粒径可用电子显微镜观察，也可用光学仪器测试，通过激光粒度分析仪测得弹性微球样品的粒径分布，然后根据式（4）计算其平均粒径。

式中：ave—弹性微球样品的平均粒径，μm；

d—样品中第个弹性微球的粒径，μm；

—样品中弹性微球的总数，个。

图3 微球粒径测量结果

该纳米微球的平均粒径为18.1 μm，比较可知该岩心能够保证微球在注入初期能够通过孔喉且不会形成堵塞。

3.4.2 注入速度的变化对微球沉积的影响

将微球以不同的注入速度注入岩心观察注入压力的变化并采集数据，其注入速度对压力的影响见图4。

由图4可知，一定速度下，微球会在岩心内部进行沉积，从而达到动态的平衡，注入压力稳定，而当注入速度升高的时候，岩心内部的微球会形成二次运移的现象，压力也会随着运移逐渐升高，说明弹性微球的孔隙表面沉积现象是导致流体流动阻力增加的一个原因。

图4 注入速度对注入压力的影响

4 结 论

1）弹性微球在岩石孔隙沉积状态的确定取决于微球与流体之间的相互作用，以及微球与砂岩颗粒表面的力学的共同作用。

2）流体矿化度的减少，有利于弹性微球从孔隙表面释放，可能是因为同一种溶质在降低浓度时导致了表面张力的降低。

3）流体流速的增加，有利于弹性微球从孔隙表面释放，而且还会引起弹性微球的二次运移现象，具体表现就是在弹性微球再次从多孔介质中产出以及注入压力的不断升高。

[1] 张金元. 低渗透油藏聚合物微球调驱机理及实验研究[D].西安：西安石油大学，2019.

[2] 姚传进. 孔喉尺度弹性微球渗流机理的实验和模拟研究[D].中国石油大学（华东），2014.

[3] 李晓伟，鞠野，刘丰钢，等. 海上中等渗透率储层适用聚合物微球优化应用[J].石化技术，2018，25（6）：157-159.

[4] 薛新房，鞠野，刘俊辰，等. 渤海油田纳米级聚合物微球特性研究[J].石油化工应用，2018，37（6）：94-99.

[5] 鞠野，刘丰钢，庞长廷. 海上油田纳(微)米微球调驱技术应用研究[C].中国海洋石油有限公司, 2016.

[6] 李园园，郝明，邵泽惠，等.聚合物微球调剖剂流变性实验研究[J].当代化工，2020，49（2）：331-334.

Mechanism and Experimental Study of the Deposition and Secondary Migration of Elastic Microspheres on the Surface of Rock Pores

,,,,,

（China Oilfield Services Limited, Tianjin 30450, China）

In order to understand the deposition mechanism of elastic nanospheres on the pore surface at the pore throat scale, on the basis of the existing experiments and theories of micro-scale microspheres, by consulting the related literature on micro-scale stress analysis of microspheres, the stress situation of microspheres in rock pore sediments was summarized, and deposition mechanism of microspheres on rock pore surface was analyzed from the perspective of stress. The effect of mineralization and velocity changes on the deposition of nanospheres on the pore surface of rock was qualitatively analyzed by van der Waals force and electrostatic force formula. The results showed that the decrease of salinity and the increase of flow rate could lead to the release of microspheres to cause secondary migration of the microspheres.

Nanosphere; Surface deposition; Van der Waals forces; Electrostatic force

2020-10-16

李建晔（1992-），男，工程师，硕士，2018年毕业于东北石油大学，研究方向：提高采收率。

TE357.46

A

1004-0935（2020）12-1472-04