支化預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在油藏中的運(yùn)移與調(diào)剖特性

劉義剛 丁名臣 韓玉貴， 王業(yè)飛 鄒劍 趙鵬

1. 中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）

隨著水驅(qū)和以聚合物驅(qū)為主的化學(xué)驅(qū)的深入，大多數(shù)油田進(jìn)入高含水采油階段，并且由于長(zhǎng)期水動(dòng)力地質(zhì)作用的影響，油藏非均質(zhì)性顯著加劇，導(dǎo)致聚合物驅(qū)后仍有大量原油滯留地下，且滯留原油中約有65%～77%分布在注入水無(wú)法波及的低滲區(qū)域，如何擴(kuò)大波及體積成為提高采收率的關(guān)鍵［1］。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒（PPG）是當(dāng)前改善吸水剖面應(yīng)用較多的調(diào)驅(qū)劑之一，其主要通過(guò)聚合物單體、交聯(lián)劑及其他添加劑的地面交聯(lián)、烘干、粉碎，注入地層后吸水膨脹，封堵高滲通道；具有地面交聯(lián)、強(qiáng)度可控、耐溫耐鹽性好等優(yōu)點(diǎn)；能夠克服傳統(tǒng)的本體凝膠、凍膠或者弱凝膠應(yīng)用中，地下成膠影響因素多、成膠時(shí)間和強(qiáng)度受溫度、礦化度、剪切作用等影響難以控制、容易堵井等不利因素的影響［2-4］。B-PPG是近年來(lái)在PPG基礎(chǔ)上發(fā)展的一種具有支化結(jié)構(gòu)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒，其在主鏈上引入部分支鏈。獨(dú)特的部分交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使B-PPG具有優(yōu)異的彈性、耐溫抗鹽能力，而部分支化結(jié)構(gòu)賦予了B-PPG良好的增黏能力，改善了顆粒的懸浮性能［5-6］。部分學(xué)者針對(duì)該型B-PPG調(diào)驅(qū)劑開(kāi)展了一些有益的研究評(píng)價(jià)，主要集中在顆粒黏彈性、調(diào)剖和驅(qū)油能力等方面［5-8］。針對(duì)一種B-PPG顆粒，其膨脹能力、微觀運(yùn)移特征、顆粒與滲透率的匹配性和調(diào)剖效果值得進(jìn)一步深化研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

B-PPG（粒徑100～150目）呈不規(guī)則形態(tài)，吸水后粒徑明顯變大（如圖1所示），勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院提供；模擬地層水礦化度6666.0 mg/L，離子成分組成：Na+為2456.5 mg/L、Mg2++Ca2+為128.5 mg/L、Cl-為 4034.0 mg/L、SO42-為 47.0 mg/L。

（1）膨脹性實(shí)驗(yàn)。B-PPG的吸水膨脹性，直接關(guān)系到其與油藏孔喉和滲透率的匹配性，以及顆粒的封堵能力。研究中利用稱(chēng)重法，計(jì)算了吸水前后顆粒體積和粒徑的膨脹倍數(shù)，方法如式（1）和式（2）［9］

式中，Sv為體積膨脹倍數(shù)；ma為膨脹后質(zhì)量，g；ρb為膨脹前密度，g/mL；mb為膨脹前質(zhì)量，g；ρa(bǔ)為膨脹后密度，g/mL。

按照近似球形折算顆粒粒徑膨脹倍數(shù)為

圖1 B-PPG顆粒形態(tài)Fig. 1 B-PPG particle morphology

式中，Sd為粒徑膨脹倍數(shù)；Sv為體積膨脹倍數(shù)。

（2）運(yùn)移與封堵特征實(shí)驗(yàn)。玻璃刻蝕模型尺寸為6.0 cm×6.0 cm，其中內(nèi)部刻蝕區(qū)域尺寸4.0 cm×4.0 cm，孔喉尺寸分布范圍為 50.0～400.0 μm（如圖2（a）所示）。在室溫20 ℃條件下，以0.01 mL/min速度連續(xù)注入2000 mg/L膨脹后的B-PPG（粒徑中值430.0 μm），通過(guò)顯微裝置實(shí)時(shí)觀測(cè)顆粒在模型中運(yùn)移狀態(tài)與封堵特征。滲透率匹配性實(shí)驗(yàn)。在70 ℃條件下，將膨脹后質(zhì)量濃度為2000 mg/L的B-PPG連續(xù)注入尺寸為?2.5 cm×80.0 cm，滲透率分別為5.2、3.2、1.6、0.7 D 的三測(cè)壓點(diǎn)填砂模型（如圖2（b）所示），檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)壓力，根據(jù)壓力特征判斷B-PPG與模型滲透率的匹配性。

圖2 運(yùn)移與封堵特征實(shí)驗(yàn)用刻蝕模型和填砂模型Fig. 2 Etching model and sand-packed model used in the migration and plugging characteristic experiment

（3）調(diào)剖實(shí)驗(yàn)。調(diào)剖特征實(shí)驗(yàn)。將不同滲透率、尺寸為?2.5 cm×80.0 cm的2個(gè)填砂模型并聯(lián)，采用合注分采的方式，連續(xù)注入2000 mg/L的B-PPG，之后進(jìn)行后續(xù)注水，計(jì)量高、低滲模型產(chǎn)出液量，根據(jù)分流率特征，判斷B-PPG改善吸水剖面的能力。驅(qū)油實(shí)驗(yàn)在玻璃夾砂模型（尺寸：8.0 cm×8.0 cm）中開(kāi)展；分別利用10目和30目石英砂充填模型高滲和低滲區(qū)域；抽真空飽和油后，恒溫70.0 ℃老化24 h；水驅(qū)之后連續(xù)注入質(zhì)量濃度2000 mg/L的B-PPG（速度0.15 mL/min），通過(guò)顯微裝置觀察、記錄不同階段模型中原油的分布狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 B-PPG的膨脹性

B-PPG不同時(shí)間的體積膨脹倍數(shù)如圖3（a）所示、膨脹前后的顆粒粒徑和粒徑膨脹倍數(shù)如圖3（b）所示。

圖3 B-PPG膨脹性能Fig. 3 B-PPG swelling properties

由圖3可知，B-PPG吸水膨脹速度快，吸水10 min，達(dá)到膨脹穩(wěn)定。體積膨脹倍數(shù)為47.3，顆粒粒徑中值從120.0 μm膨脹至430.0 μm，粒徑膨脹倍數(shù)為3.6。實(shí)驗(yàn)所用的B-PPG較文獻(xiàn)報(bào)道的部分PPG膨脹速度快、膨脹性強(qiáng)，后者膨脹時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)幾十小時(shí)，體積膨脹倍數(shù)為10.0～20.0。膨脹速度慢，有利于在顆粒膨脹前注入油藏中，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)；對(duì)于膨脹速度較快的B-PPG，則應(yīng)保證膨脹后顆粒與油藏滲透率的匹配性，使其能夠運(yùn)移至油藏深部。顆粒的膨脹性能，主要受初始本體凝膠組成和強(qiáng)度的影響。凝膠主劑、交聯(lián)劑濃度越高，強(qiáng)度越大，研磨得到的顆粒膨脹性越弱；初始本體凝膠強(qiáng)度小，形成的顆粒往往吸水膨脹能力強(qiáng)［9］。調(diào)驅(qū)應(yīng)用中，強(qiáng)度大、膨脹性弱的顆粒，往往具有更高的封堵強(qiáng)度，但是其變形能力差，易出現(xiàn)注入性等問(wèn)題。適度降低顆粒強(qiáng)度，改善顆粒膨脹性能，提高變形能力，有利于顆粒通過(guò)彈性變形在孔喉間的運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)。除顆粒自身性質(zhì)外，其膨脹性能還受溫度、礦化度和PH值等外部因素的影響［9-11］。

2.2 B-PPG的封堵特征

（1）B-PPG的微觀封堵特征。顆粒對(duì)高滲孔喉的機(jī)械封堵是其調(diào)剖的關(guān)鍵，不同類(lèi)型和強(qiáng)度的顆粒對(duì)孔喉的封堵特征存在差異。通過(guò)可視化刻蝕模型中的運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，考察了黏彈性B-PPG對(duì)高滲孔喉的微觀封堵特征，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同粒徑和球度顆粒運(yùn)移特征Fig. 4 Migration characteristics of the particles with different particle diameter and sphericity

圖5 不同注入階段B-PPG的運(yùn)移特征Fig. 5 B-PPG migration characteristics at different injection stages

與其他黏彈性顆粒類(lèi)似，B-PPG通過(guò)孔喉的形式也存在順利通過(guò)、擠壓變形通過(guò)和拉伸變形通過(guò)等幾種形式［12］。通過(guò)不同粒徑、球度和注入時(shí)間的B-PPG微觀運(yùn)移圖像可以發(fā)現(xiàn)，其對(duì)孔喉的封堵表現(xiàn)出以下特征。粒徑小于或接近喉道直徑的顆粒，很難通過(guò)架橋封堵孔喉（如圖4（a）所示）。B-PPG粒徑小于或接近孔喉直徑時(shí)，顆粒能夠順利的通過(guò)孔喉，而不發(fā)生顯著的彈性變形，對(duì)喉道基本無(wú)封堵能力。當(dāng)多個(gè)小顆粒同時(shí)進(jìn)入喉道時(shí)，由于B-PPG彈性好、變形能力強(qiáng)，顆粒僅發(fā)生小幅形變，即可實(shí)現(xiàn)各顆粒依次通過(guò)喉道，很難形成架橋封堵。這一點(diǎn)與常規(guī)硬性顆粒封堵特征存在明顯的差異，對(duì)于硬性顆粒，粒徑與喉道比大于1/3時(shí)，即可形成架橋封堵［12］。粒徑大于喉道直徑時(shí)，B-PPG能夠以單顆?；蛘叨囝w粒堆積的方式形成封堵（如圖4（b）和圖5（a）所示）。對(duì)于低球度的長(zhǎng)條顆粒，其往往自動(dòng)取向短軸方向，順利通過(guò)孔喉（如圖4（c）所示），對(duì)喉道的封堵能力較高球度顆粒弱（如圖4（b）所示）。盡管如此，當(dāng)顆粒長(zhǎng)度較大時(shí)，其可對(duì)一些小直徑砂粒形成半圓形包覆，并與其他顆粒一起堆積，形成封堵（如圖5（a）所示）。B-PPG對(duì)孔喉的封堵具有暫時(shí)性和反復(fù)性。由圖5（a）可見(jiàn)，B-PPG首先通過(guò)堆積的方式，對(duì)喉道形成封堵，但在后續(xù)注入顆粒的頂替下，這種封堵很快被打開(kāi)（如圖5（b）所示），顆粒封堵表現(xiàn)出暫時(shí)性。待大顆粒再次經(jīng)過(guò)時(shí)，孔喉又會(huì)被封堵。這種封堵-開(kāi)啟-再封堵的模式，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)液流方向反復(fù)的、隨機(jī)性的變化，有利于微觀波及效率的提高。B-PPG注入后注水時(shí)，由于缺少后續(xù)顆粒對(duì)喉道處顆粒的頂替作用，流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，部分大顆粒對(duì)孔喉形成永久封堵，經(jīng)大量注入水沖刷后，喉道仍處于封堵?tīng)顟B(tài)（如圖5（c）所示）。由于B-PPG韌性好、變形能力強(qiáng)，研究粒徑范圍內(nèi)，未觀測(cè)到顆粒擠壓或拉伸破碎，而白寶君等針對(duì)一種黏彈性PPG顆粒研究發(fā)現(xiàn)，粒徑與孔喉直徑比大于5.0時(shí)，顆粒通過(guò)孔喉時(shí)往往會(huì)發(fā)生破碎［12］。

（2）B-PPG與滲透率的匹配性。B-PPG具有良好的封堵能力，能夠?qū)Ω邼B孔喉形成有效封堵，但是這種封堵能力受B-PPG與滲透率匹配性的影響，顆粒過(guò)小則無(wú)法形成有效封堵，過(guò)大則造成端面堵塞難以實(shí)現(xiàn)深調(diào)。針對(duì)粒徑100～150目的B-PPG，通過(guò)不同滲透率、多測(cè)壓點(diǎn)模型中的運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，確定了該顆粒適用的滲透率條件（如圖6所示）。

不同滲透率條件下，B-PPG對(duì)巖心的封堵壓力存在明顯的差異。對(duì)比圖6的（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，5.2 D模型中，由于孔喉尺寸大，運(yùn)移阻力小，顆粒運(yùn)移速度快，開(kāi)始注入B-PPG后，3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)壓力很快依次增大；注入體積分別達(dá)到0.7、0.9和1.1 PV時(shí)，壓力能夠較快的穩(wěn)定；但是B-PPG對(duì)巖心的封堵能力弱，阻力系數(shù)（Fr）和殘余阻力系數(shù)（Frr）分別為6.0和2.8。3.2 D模型中，孔喉尺寸減小，顆粒運(yùn)移阻力增大，運(yùn)移速度變慢，后部測(cè)壓點(diǎn)起壓較晚，第2和第3測(cè)壓點(diǎn)（p2和p3）分別在注入0.7、1.8 PV時(shí)才開(kāi)始起壓；且各測(cè)點(diǎn)壓力穩(wěn)定慢，注入體積依次達(dá)到1.8、2.2和2.6 PV時(shí)壓力才趨于穩(wěn)定； B-PPG對(duì)巖心的封堵能力強(qiáng)，F(xiàn)r和Frr可達(dá)到195.0和68.0。1.6 D模型中（如圖6（c）所示），B-PPG的壓力動(dòng)態(tài)與3.2 D模型類(lèi)似，但是由于滲透率的進(jìn)一步減小，顆粒運(yùn)移能力降低，第3測(cè)壓點(diǎn)p3未觀測(cè)到明顯的壓力升高，模型整體封堵強(qiáng)度更大，F(xiàn)r和Frr分別為388.0和205.0。對(duì)于滲透率更小的0.7 D模型（如圖6（d）所示），B-PPG注入壓力（p1）急劇增大，壓力曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)定的“平臺(tái)”，F(xiàn)r和Frr達(dá)到650.0和170.0；說(shuō)明B-PPG顆粒粒徑過(guò)大，在滲透率0.7 D模型中很難注入，存在堵塞現(xiàn)象；由于顆粒在入口端的堆積堵塞，無(wú)法到達(dá)模型深部，中后部測(cè)壓點(diǎn)p2和p3壓力未升高。綜上所述，100 ～150目B-PPG對(duì)巖心的封堵，存在最佳的滲透率條件（1.6 ～3.2 D），滲透率（5.2 D）過(guò)高時(shí)其封堵能力顯著降低，滲透率（0.7 D）過(guò)低時(shí)顆粒難以進(jìn)入模型中，存在端面堵塞。

2.3 B-PPG的調(diào)剖效果

圖6 B-PPG在不同滲透率模型中的注入壓力動(dòng)態(tài)Fig. 6 B-PPG injection pressure behaviors in the models with different permeability

（1）B-PPG的調(diào)剖能力。通過(guò)并聯(lián)模型中的調(diào)剖實(shí)驗(yàn)，考察了B-PPG調(diào)整吸水剖面的能力，結(jié)果如圖7所示。調(diào)剖前，注入水大部分進(jìn)入高滲，高、低滲分流率分別為 92∶18（如圖7（a）所示）、86∶14（如圖7（b））所示、85∶15（如圖7（c）所示）。開(kāi)始注入B-PPG時(shí)，滲透率級(jí)差較大模型中（如圖7（a）所示），顆粒對(duì)高滲6.0 D模型的封堵能力弱，但仍起到了一定的液流轉(zhuǎn)向作用，高滲分流率明顯降低，低滲分流率增大，平均達(dá)到65∶35。但是由于B-PPG能夠同時(shí)低滲管，導(dǎo)致后續(xù)注水時(shí)，高滲分流率回升，低滲分流率降低。當(dāng)B-PPG與高滲模型滲透率匹配時(shí)（如圖7（b）所示），高、低分流率差別程度減小，液流轉(zhuǎn)向能力增強(qiáng)，平均達(dá)到57∶43。但是由于低滲管的污染，后續(xù)注水時(shí)，高滲分流率回升，低滲分流率降低。部分研究表明，適當(dāng)降低顆粒注入量，控制注入壓力，減少顆粒對(duì)低滲的傷害，能夠有效的改善后續(xù)注水時(shí)的吸水剖面。減小B-PPG注入量至0.5 PV（如圖7（c）所示）發(fā)現(xiàn)，注入B-PPG和后續(xù)注水過(guò)程中，高滲分流率降低、低滲分流率增大，吸水逐漸反轉(zhuǎn)。綜上所述，B-PPG具有良好的剖面調(diào)整能力，注入過(guò)程中能夠顯著改善吸水剖面，并且B-PPG與高滲的匹配性越好，剖面改善能力越強(qiáng)。適當(dāng)減小B-PPG注入量，能夠降低B-PPG對(duì)低滲層的堵塞和傷害，改善后續(xù)注水階段吸水剖面。

圖7 并聯(lián)模型中的分流率特征Fig. 7 Characteristics of the shunt rate in the parallel models

（2）B-PPG調(diào)剖驅(qū)油效果。利用可視化填砂模型，考察了B-PPG擴(kuò)大波及體積、提高采收率的能力，如圖8所示。對(duì)模型抽真空飽和油發(fā)現(xiàn)，原油能夠較好的進(jìn)入低滲區(qū)域，對(duì)低滲形成充分飽和（如圖8（a）所示）；水驅(qū)過(guò)程中，由于高滲條帶內(nèi)原油和注入水的流動(dòng)能力強(qiáng)，注入水很快沿高滲竄流至出口，僅對(duì)高滲區(qū)域內(nèi)原油形成驅(qū)替，低滲原油沒(méi)有得到有效動(dòng)用，高、低滲區(qū)域間存在明顯的油水邊界（如圖8（b）所示）。注入B-PPG后，顆粒對(duì)高滲條帶形成有效封堵，體系逐步轉(zhuǎn)向低滲，對(duì)低滲原油形成良好驅(qū)動(dòng)，區(qū)域內(nèi)剩余油飽和度顯著降低（如圖8（c）所示）。

圖8 填砂模型中不同驅(qū)替階段原油分布狀態(tài)Fig. 8 Oil distribution at different displacement stages in the sand-packed model

3 結(jié)論

（1）B-PPG膨脹速度快，吸水10 min即可達(dá)到膨脹穩(wěn)定，體積膨脹倍數(shù)為47.3，粒徑膨脹倍數(shù)為3.6，膨脹性能強(qiáng)于部分PPG。

（2）B-PPG與硬性顆粒不同，粒徑小于喉道直徑時(shí)很難通過(guò)架橋封堵孔喉；粒徑大于喉道直徑的B-PPG，能夠以單顆?；蛘叨囝w粒堆積的方式封堵喉道，封堵具有暫時(shí)性和反復(fù)性；B-PPG的封堵能力存在匹配的滲透率條件為1.6～3.2 D。

（3）B-PPG注入后能夠有效增大低滲管分流率，實(shí)現(xiàn)液流轉(zhuǎn)向，降低非均質(zhì)模型中低滲區(qū)域的剩余油飽和度，適用于非均質(zhì)油藏調(diào)剖應(yīng)用。