纳米聚合物微球调驱封堵机理及现场试验

易 萍，周广卿，王石头，张 荣，曹 毅

(1.中国石油长庆油田分公司 油气工艺研究院，陕西 西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710018；3.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安710065)

引 言

随着油田注水开发的深入，储层受到驱替水的冲刷导致非均质性越来越强，特别容易造成注入水沿高渗层迅速突进，水驱控制程度较低，层间层内干扰严重，剩余油高度分散，大大降低了水驱采收率，因此，提高注入水波及体积是提高原油采收率的重要方法[1-3]。传统的调剖封堵技术作用半径小，增产有效期短，且多轮次效果越来越差，近井剩余油已经波及殆尽，而油藏深部剩余油难以波及[4]。聚合物微球深部调驱技术以提高油层深部剩余油富集区的波及体积为目标，是一种具有广阔发展前景的新型提高采收率技术[5-7]。

目前对聚合物微球的封堵机理研究多以封堵孔喉为目标，研究焦点集中在聚合物微球粒径大小与岩心孔喉直径大小的匹配关系上[8-12]。但是现场应用发现与储层孔喉直径相匹配的聚合物微球调驱效果并不理想，分析认为有必要通过研究聚合物微球微观结构和粒径变化规律并结合物理模拟分析实验结果重新认识聚合物调驱作用机理，再结合室内实验研究结果进行现场试验，对纳米WQ聚合物微球的应用效果进行综合评价。

1 实验部分

1.1 实验药品、试样及仪器

实验药品和试样：丙烯酰胺AM、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸AMPS、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵APS，均为分析纯试剂；表面活性剂；工业白油；模拟地层水CaCl2型，矿化度53 219 mg/L，含Na++K+14 329 mg/L、Ca2+5 803 mg/L、Mg2 +180 mg/L；石英砂(60～100目和160～200目两种)

实验仪器：Nano-ZS90激光粒度仪(英国马尔文公司)；Bettersize2000B激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)；ECLIPSE Ci-POL光学显微镜(日本尼康公司)；JSM-6510LV(SEM)扫描电子显微镜(日本电子株式会社)；SY011采油化学剂评价装置(石油大学(华东)石仪科技实业发展公司)；填砂模型(长50 cm，内径30 mm)；2PB00C平流泵(北京卫星制造厂)，量程范围0～10 mL/min，40 MPa)；电子天平(精度0.001 g)；恒温箱及常规玻璃器皿等。

1.2 WQ系列聚合物微球制备

称取一定量的白油和表面活性剂搅拌均匀，配置成油相。再称量一定量的丙烯酰胺AM、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸AMPS和交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，用一定量的水将其溶解配成水相。将上述油相加入四口烧瓶中，搅拌0.5 h后缓慢地加入水相，进行乳化，乳化0.5 h。乳化完成后，将水浴锅温度设置为一定温度，通入氮气0.5 h。待体系混合均匀后，加入一定量刚配置完的偶氮二异丁腈AIBN或过硫酸铵APS引发剂的水溶液，引发反应。待反应升温阶段结束后，在50 ℃保温3～4 h，通过不同转数得到淡黄色、乳白色不同粒径的WQ系列聚合物微球。

1.3 实验方法与步骤

(1)用模拟地层水配制浓度为3 000 mg/L的WQ聚合物微球乳液，量取定量微球乳液，在50 ℃恒温箱中静置水化。

(2)采用ECLIPSE Ci-POL型光学显微镜观察不同水化时间后乳液中聚合物微球的形貌变化特征。

(3)称取一定量的乳液微球，用无水乙醇破乳、沉淀，减压抽滤，烘箱里80 ℃下烘干12 h，得到聚合物微球的白色固体粉末，将粉末撒在模板的导电胶片上，用干净的玻璃片稍压实，在试样表面喷金处理，放入试样室中抽真空，设定参数进行SEM测定，得到初始粒径分布。

(4)用洁净滴管吸取不同水化时间的微球溶液1～2滴于洁净的盖玻片上，在超净工作平台上自然干燥得到水化后的微球干片，喷金处理后进行SEM测定，得到水化后的粒径分布。

(5)用Bettersize2000B激光粒度分布仪测试水化不同时间后乳液的粒径分布情况。

(6)调驱实验。进行多组不同渗透率填砂管调驱实验，对比调驱前后相关参数的变化规律，研究聚合物微球的调驱封堵性能，实验装置如图1所示。

图1 聚合物微球调驱封堵实验装置示意图Fig.1 Flow chart and device of polymer microsphere profile control and displacement experiment

(a)向填砂管模型中充填不同粒径的石英砂，检查气密性，抽真空，饱和模拟地层水，测量孔隙体积并计算孔隙度；

(b)利用模拟地层水配制不同粒径的聚合物微球乳液，以2 mL/min的注入速度水驱至压力稳定，记录压力并计算填砂管堵前水驱渗透率Kw1；

(c)然后以相同的注入速度注入0.3 PV浓度为3 000 mg/L的WQ系列微球分散体系，停泵将填砂管进出口关闭；

(d)在50 ℃下静置20 d后以相同的注入速度进行后续水驱，直至压力平稳为止，记录压力并计算封堵后的水驱渗透率Kw2。按公式P=(Kw1-Kw2)/Kw1×100%计算WQ系列微球分散体系对填砂管的调驱封堵率，式中：P为调驱封堵率，%；Kw1为堵前水驱渗透率，10-3μm2；Kw2为堵后水驱渗透率，10-3μm2。

2 实验结果与讨论

2.1 WQ微球光学显微特征

用ECLIPSE Ci-POL光学显微镜对水化不同时间的WQ微球乳液进行观测，结果如图2所示。

图2 水化不同时间后WQ微球的显微照片Fig.2 Micrographs of WQ microspheres after different hydration time

从图2(a)可以看出，水化初期，聚合物微球均匀分散在乳液中，微球的形状和大小没有明显差别；从图2(b)可以看出，水化10 d后，微球粒径明显增大，而且明显发生了团聚作用，部分相邻的微球开始向一起团聚成大粒径微球；从图2(c)可以看出，微球粒径继续增大、出现了数量较多的大粒径微球。对比微球显微照片可以定性看出微球形状和粒径的变化规律。

2.2 WQ微球微观结构

采用扫描电子显微镜(SEM)对水化不同时间后聚合物微球的微观结构进行观测，结果如图3所示。

图3 不同时期WQ聚合物微球微观结构(SEM)Fig.3 Microstructure (SEM)of WQ polymer microspheres after different hydration time

从图3(a)可以看出，初始阶段，微球大小相对均匀，球体之间相对独立，并没有发生明显的相互作用；从图3(b)可以看出，水化5 d后，微球粒径增大，而且出现了明显的大小差异，球体之间发生交联现象；从图3(c)可以看出，水化10 d后，微球粒径明显增大，部分微球团聚成大粒径的球体；从图3(d)可以看出，水化20 d后，出现了粒径明显增大的微球，微球粒径分级现象极其明显，从微球形态上可以看出部分微球发生团聚作用凝结在一起形成了大粒径微球。对比不同水化时间时微球的微观结果可以清晰发现微球粒径随着水化时间延长而逐渐增大，且粒径出现明显分级现象，团聚作用是出现大粒径微球的主要原因。

2.3 WQ微球粒径变化规律

利用Bettersize2000B激光粒度分布仪测试水化不同时间后的粒径分布结果，如图4所示。

图4 WQ聚合物微球乳液粒径变化规律Fig.4 Distribution of WQ polymer microsphere emulsion particle size after different hydration time

由图4可以看出，聚合物微球样品初始平均粒径基本在100 nm左右，随着水化时间的延长，微球平均粒径开始不断增大；同时出现粒径分级现象，水化5 d时，乳液中大部分微球粒径增大至400～600 nm，少量微球发生团聚作用，粒径增大至2 μm左右；水化10 d时，乳液中微球粒径呈现双峰值，粒径在500 nm左右的和3 000 nm左右的比例相近；水化20 d时，乳液中微球粒径达到3～5 μm的比例已经大于微球粒径在600 nm左右的比例。

微球粒径不断增大主要是因为微球分子链上的胺基和水分子中的氢原子形成了氢键，在微球表面形成了溶剂化层，致使微球膨胀粒径增大，这是微球平均粒径从100 nm左右增大至600 nm左右的主要原因；同时微球的长分子链在乳液中相互缠绕，发生团聚作用形成了微球三维网状结构，水分子渗透进入微球网络结构中致使微球三维网络结构继续膨胀形成了粒径达到微米级的聚合物微球团。因此形成氢键和聚合物微球长分子链网状结构吸水膨胀是微球粒径逐渐增大并出现分级现象的主要原因。

2.4 WQ微球调驱封堵性能评价

依据调驱封堵实验方法评价106 nm、289 nm、4 781 nm粒径WQ聚合物微球乳液在不同物性参数模型中的调驱效果，模型参数及调驱封堵结果见表1。从表1中数据可以看出，粒径为106 nm和289 nm的WQ微球在不同物性参数模型中调驱封堵效果差异很大，调驱封堵效果和物理模型的物性参数之间呈现正态分布的关系，在一定渗透率和孔喉直径范围内，调驱封堵率高(超过了80%)，而在渗透率和孔喉直径较小或者较大的时候，调驱封堵率下降较多；粒径为4 781 nm的聚合物微球在不同级别物性参数的物理模型中调驱封堵率均不高；3种粒径WQ微球调驱封堵效果综合对比分析认为，针对不同孔-渗特征的储层，筛选小粒径的聚合物微球进行调驱封堵作业，才能最大程度发挥WQ聚合物微球的作用。

对于小粒径WQ聚合物微球调驱封堵率相对较高的原因和作用机理，目前学者主要有2种解释：一是微球膨胀后粒径大小与喉道直径相匹配，二是微球颗粒架桥封堵大孔道。但是通过物理模拟实验发现虽然微球粒径大小与储层渗透率和孔喉直径存在一定的匹配关系，但是这种匹配关系的相关性并不强。实际上微球粒径大小与孔喉直径完全匹配是一种理想化的状态，一般情况下注水开发油藏到了中后期，储层非均质性很强，很难准确应用聚合物微球粒径与孔喉直径匹配关系来确定调驱作业时应该采用的微球粒径。分析认为小粒径微球由于粒径小，注入地层时能够进入高渗层带的深部，水化膨胀产生分子团聚作用之后粒径出现分级，大粒径微球能够滞留封堵大孔隙，小粒径微球大量滞留在高渗层带内，增大了高渗层带的比表面积，使高渗层带的渗透率降低，发挥了封堵高渗层带的作用。因此小粒径WQ微球调驱封堵的作用机理有2个，一是大量微球进入高渗层带以后增大了层内比表面积、降低了该层渗透率；二是微球在储层深部水化膨胀后封堵大孔道。此外，小粒径WQ聚合物微球具有粒径小、容易进入储层深部发挥调驱封堵作用的优势。

表1 WQ微球乳液调驱封堵物理模拟实验结果Tab.1 WQ microsphere emulsion profile control simulation experiment results

3 现场应用

姬塬油田B102区块开采层位是长3储层，动用含油面积20.78 km2，动用地质储量939.8×104t，储层孔隙度12.6%，渗透率1.63×10-3μm2，水驱开发至2016年9月，综合含水率达到了46.9%，示踪剂测定高渗储层渗透率达到了216×10-3μm2。依据室内调驱封堵物理模拟实验结果和B102区块水驱后渗透率值，确定采用106 nm的WQ聚合物微球在B102区块连片的5个井组进行调驱封堵现场试验，调驱井的WQ聚合物微球乳液注入浓度为3 000 mg/L，单井注入液量3 300 m3，注入WQ聚合物微球乳液一个月后出现了明显的增油降水效果，单井平均产油量由2.51 t/d上升至2.7 t/d，5个井组单日总产油量增加了5.2 t，综合含水率由40.8%下降至35.8%，单井开采曲线如图5所示。截止2017年4月底已累计增油906 t，累计降水1 039 m3，目前还在持续见效中。

图5 WQ微球单井调驱开采曲线Fig.5 Single-well profile control recovery curves of WQ microsphere emulsion

4 结 论

(1)通过微观结构及粒径测试实验发现，WQ聚合物微球在水化过程中粒径不断增大，出现了明显的粒径分级现象，胺基和水分子形成的氢键是微球粒径增大的主要原因，微球长链分子相互缠绕、发生团聚粘结作用是形成大粒径微球，产生粒径分级的主要原因。

(2)通过物理模拟实验发现，WQ微球调驱封堵的作用机理是大量微球进入高渗层后，增大了高渗层比表面积，降低了高渗层渗透率，后续水驱液流转向进入低渗层，扩大了水驱波及体积，提高了剩余油采出程度。

(3)现场试验结果表明纳米级WQ微球能够产生明显的增油降水效果，姬塬油田B102区块5个井组单日总产油量增加了5.2 t，综合含水率下降了5%。

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