微球性能及其微观作用研究*

吕 鹏，薛宝庆，王 楠，李彦阅，李俊杰

（中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津300452）

海上油气田的开发属性决定了海上油井必须以较高的采油速度进行生产。渤海油田油品黏度较高，地层非均质性严重，注入水沿高渗层突入油井，生产井见水早，含水上升速度快。随着油田的开发，油井高含水问题越来越突出，亟需新的、有效的改善水驱技术以实现油田的增油稳产[1]。

目前，渤海油田常用的调剖技术有聚合物交联凝胶技术[2]、聚合物驱在线调剖技术[3,4]、深部液流转向调剖技术[5]及体膨颗粒类技术[6]。本文在现有体膨颗粒类技术的研究基础上[7-11]，主要研究了一种典型微球聚合物的膨胀性能、微观结构和运移性能、提高采收率性能。利用架桥理论、胶体与界面化学理论对其驱油机理进行了讨论，本文将为渤海油田微球聚合物调驱技术的推广提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

CaCl2、NaOH、NaCl、Na2CO3、MgCl2、NaHCO3、KCl、MgSO4均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司生产；实验室自制一次蒸馏水，用于配制模拟海水；微球（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院研发产品，固含量31%）。

实验用油由渤海F 油田脱气、脱水原油与煤油混合而成（8∶2），油藏温度50℃时黏度为184mPa·s。实验用水为室内模拟海水，利用一次蒸馏水按照F油田注入水水质分析结果显示的离子组成配制而成。F 油田注入水水质分析结果见表1。

表1 F 油田注入水离子组成与含量Tab.1 Ion composition and content of injected water in F Oilfield

实验岩心为石英砂环氧树脂胶结人造岩心，外观几何尺寸：宽×高×长=45mm×45mm×300mm，分高渗、低渗两种规格，设计渗透率分别为18000、3600mD ，填砂模型，设计渗透率为20000mD。

1.2 实验仪器

BDS400 倒置生物显微镜（重庆奥特光学仪器公司）；FEG 450 扫描电镜（美国FEI 公司）；注入性、提高采收率实验用驱替装置，主要包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等，江苏海安石油科研仪器有限公司。

2 实验内容

2.1 微球膨胀性能、微观结构研究

采用模拟水配制浓度为3000mg·L-1微球溶液，测试初始粒径后置于50℃保温箱中。一定时间后取出少量样品，采用BDS400 生物显微镜观测颗粒外观形态，记录颗粒尺寸、水化时间，直至颗粒尺寸保持基本稳定后停止实验，计算微球在不同水化时间的膨胀倍数。

不同水化时间后微球的分散状态见图1。

由图1 可见，微球以球状或类球状分散于水中。微球初始尺寸为7.3μm，遇水后缓慢膨胀。水化1、3、5、7 和10d 后微球尺寸分别为8.6、11.9、17.9、19.5和20.0μm，对应的体积膨胀倍数分别1.63 倍、4.33倍、6.00 倍、19 倍、20 倍，水化7d 后微球尺寸基本保持稳定。

图1 不同水化时间微球分布形态Fig.1 Microsphere distribution after different hydration times

采用FEG 450 扫描电镜观察微球的微观结构，微球在扫描电镜下的结构见图2。

图2 微球在扫描电镜下的微观结构Fig.2 Micro-structure of microsphere observed by SEM

扫描电镜表征结果表明，微球微观结构主要以网状结构为主。结合生物显微镜观察到的微观形态结果可知，微球在溶液中只膨胀、不溶解，这是微球实现调整吸水剖面的前提。

2.2 微球注入性能

采用砂管模型在驱替装置中考察微球的注入性能。注入性实验流程示意图见图3。

图3 微球注入性实验流程示意图Fig.3 Schematic diagram of microsphere injection experiment

注入性实验步骤：

（1）配制3000mg·L-1微球溶液，静置膨胀1d；

（2）填砂管、抽真空，饱和模拟水，将全套实验仪器置于温度为50℃恒温箱中升温；

（3）向填砂模型注入模拟水，直至压力稳定，水测渗透率。当渗透率为满足18000mD≤K≤22000mD时进行后续实验；

（4）转注微球溶液 以0.4mL·min-1恒定速度注入1PV 微球聚合物溶液后，再转注后续水至压力基本平稳后停止实验，整个实验过程记录各测压点的压力值。

微球溶液注入填砂模型后的各压力响应结果见图4。实际测定的填砂模型渗透率为21620mD。

图4 微球注入后不同测压点压力响应Fig.4 Pressure response of different pressure measuring points after microsphere injection

注入微球后，测压点P1、P2、P3、P4依次响应，压力均有所上升。测压点P1、P2、P3压力上升较为明显，测压点P4上升较为缓慢且幅度较小。各测压点没有发生急剧骤升的现象，说明微球在填砂模型中能够不断向出口端运移，达到深部调剖的目的。由于微球在运移过程中继续发生膨胀、变形等变化，各测压点压力均表现出小幅度的上下波动。

2.3 提高采收率实验

采用双管岩心考察微球的提高采收率性能。提高采收率实验流程示意图见图5。

图5 提高采收率实验流程Fig.5 Schematic diagram of microsphere EOR experiment

提高采收率实验步骤：

（1）岩心称干重后抽真空饱和模拟水，称湿重并计算孔隙体积；

（2）分别测定岩心渗透率并在油藏温度条件下油驱替水进行饱和模拟油，直至不出水，计算含油饱和度，老化24h。

（3）将岩心接入图2 所示实验流程内，水驱至含水98%后，注入0.3PV 微球溶液，缓膨7d 后进行后续水驱。整个驱替过程每隔20min 收集一次采出液，计算采收率。

上述提高采收率实验过程中模拟水、模拟油、微球聚合物溶液的注入速度均为0.4mL·min-1。

微球提高采收率实验模型参数与结果见表2、3。

表2 微球提高采收率实验模型参数Tab.2 Parameters of experimental model for EOR experiment

表3 微球提高采收率实验结果Tab.3 Result of EOR experiment

水驱至含水率达98%时，总的采收率为27.57%。注入0.3PV 微球溶液并候膨7d，后续注水，含水率达98%时总的采收率为37.81%，提高采收率为10.24%。低渗岩心的提高采收率值达到12.91%，大于高渗岩心的提高采收率值（7.96%）。恢复注水后更多模拟水进入低渗岩心进行驱替是出现上述结果的主要原因。

2.4 微球微观作用研究

微球主要通过架桥封堵、吸附、滞留改善水流优势通道的微观结构，促使更多后续水进入原水驱过程未波及的部位进行驱替。典型的架桥封堵示意图见图6。

图6 典型的架桥封堵示意图Fig.6 Typical schematic diagram of bridging effect

由图6 可见，一方面，微球将通过架桥封堵机理，封堵大孔隙管径中的孔吼、孔道[12]。另一方面，膨胀后的微球也将在大孔隙通道中吸附、滞留，这两种作用将大幅度改变水流优势通道的微观结构，增大了后续水注入过程的流动阻力，迫使更多的后续水进入原水驱过程未波及部位，达到了液流改向、提高采收率的目的。

3 结论

（1）微球膨胀7d 后趋于稳定，体积膨胀倍数达20 倍。微球能实现深部运移，提高采收率效果明显。

（2）微球在水中只能膨胀、不能溶解是微球发挥提高采收率作用的前提。微球膨胀后的架桥封堵作用以及在水流优势通道中的吸附、滞留作用是其发挥液流改向、提高采收率的主要机理。