聚合物納米球驅(qū)在長慶油田特低滲透油藏中的適應(yīng)性研究

蔡永富 黎曉茸 施盟泉 楊立華 劉笑春 吳飛鵬

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安 710021）

聚合物納米球驅(qū)在長慶油田特低滲透油藏中的適應(yīng)性研究

蔡永富1，2黎曉茸3施盟泉1楊立華3劉笑春3吳飛鵬1

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安 710021）

針對長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏地層水礦化度高、滲透率低，傳統(tǒng)的“三采”增產(chǎn)措施難于開展的問題，開展了聚合物納米球驅(qū)技術(shù)研究。利用粒度儀、透射電子顯微鏡、單管填砂模型以及真實巖心微觀模型和雙管并聯(lián)填砂模型從聚合物納米球的膨脹性、注入性、降低水相滲透率性以及室內(nèi)模擬驅(qū)油幾個方面系統(tǒng)研究了其在特低滲透油藏中的適應(yīng)性。實驗結(jié)果表明，聚合物納米球具有良好的注入性，在地層水中可以發(fā)生膨脹，并能有選擇地降低高滲管的水相滲透率，具有液流改向作用，可有效動用殘余油，提高采收率效果顯著。聚合物納米球驅(qū)可以作為長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏有效的增產(chǎn)手段，該研究為現(xiàn)場應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。

特低滲透油藏；聚合物納米球；提高采收率；注入性；降低水相滲透率

全國累計探明低滲透石油儲量為141億噸，占石油地質(zhì)總儲量的49.2%，且近幾年新探明儲量中低滲透油藏資源所占比例平均達(dá)到70%以上［1-2］，產(chǎn)量也呈逐年上升趨勢，是我國石油工業(yè)未來發(fā)展的主要資源。長慶油田五里灣區(qū)，其主產(chǎn)層平均滲透率為1.8 mD，平均孔隙度為12%，屬于典型的特低滲透油藏。該區(qū)塊裂縫發(fā)育少，油層物性差，非均質(zhì)嚴(yán)重，且其地層水成分復(fù)雜，礦化度為 10～110 g/L［3-6］，通過Kozony經(jīng)驗公式計算可知［7］，其平均孔喉尺寸小于500 nm。目前，該區(qū)塊普遍采用注水開發(fā)，但水驅(qū)效率不高，油井含水上升快，依靠單一的注采調(diào)控措施增油十分有限。因此，開發(fā)深部調(diào)驅(qū)技術(shù)提高油藏采收率顯得十分必要。目標(biāo)油藏地層滲透率低的地質(zhì)特點使得傳統(tǒng)的無機沉淀物、體膨體顆粒、聚合物凝膠和泡沫等調(diào)剖技術(shù)只能在近井地帶改善吸水剖面，不能深入地層深部，增油降水效果有限。同時，較高的地層水礦化度，致密的砂巖質(zhì)地，狹小的孔喉，使得在中高滲油藏應(yīng)用較廣的聚驅(qū)技術(shù)在長慶油田五里灣區(qū)油藏的適應(yīng)性變差，會存在溶解困難、剪切降解嚴(yán)重、無法進入油藏深部等問題［8-11］而難于實施。聚合物納米球驅(qū)作為一種新型的逐級深部調(diào)驅(qū)技術(shù)，近年來成為國內(nèi)外三次采油技術(shù)研究的熱點之一［12-25］。聚合物納米球其初始粒徑小，分散水溶液黏度低，可以順利通過近井地帶進入到地層深部，在地層水和溫度作用下，發(fā)生體積膨脹或黏結(jié)，形成較大的彈性柔體，在合適的地層內(nèi)孔壁上緩慢運移，造成后續(xù)注入水的改向，擴大水驅(qū)波及體積，提高采收率，且其化學(xué)、機械、熱穩(wěn)定性好，受地層剪切影響小［18］。諸多優(yōu)點使聚合物納米球調(diào)驅(qū)技術(shù)用于提高低滲透油藏采收率成為可能。

目前，國內(nèi)外利用反相乳液聚合和反相微乳液聚合方法制備出多種微米和納米聚合物微球，并進行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究。在國外，Nalco公司對亞微米級聚合物納米球在中高滲透油藏中進行了現(xiàn)場試驗，并取得了較好的驅(qū)油效果，但是其現(xiàn)場應(yīng)用過程中需要用輕質(zhì)礦物油分散，注入過程復(fù)雜［15-16］。法國石油研究所制備了交聯(lián)度和化學(xué)組成不同的聚合物納米球，其機械、熱、化學(xué)穩(wěn)定較好，但聚合物納米球易受地層吸附，運移距離受注入體積限制［18-19］。在國內(nèi)，朱懷江等用反相乳液聚合法制備了初始粒徑為5～13 μm的聚合物微球，并通過調(diào)節(jié)反相劑種類和數(shù)量來控制其水化膨脹性。但該微球初始粒徑較大，僅適用于中高滲透油藏［20］。中科院理化所于2004年，針對不同油藏地質(zhì)條件，利用反相微乳液聚合法、反相乳液聚合法和分散聚合法分別制備出結(jié)構(gòu)不同的納米、納微米和核殼自交結(jié)聚合物微球［26-29］，并首次實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，在勝利油田、華北油田、大慶油田、青海油田等進行了現(xiàn)場試驗，取得很好的降水增油效果。在此基礎(chǔ)上，李明遠(yuǎn)、林梅欣等研究了聚合物納米球的水化膨脹性能和在高滲透巖心中封堵性能［11，21］。王濤、孫煥泉等進一步考察了Ca2+、Mg2+、Na+和溫度對聚合物納米球膨脹性能的影響［22-23］。王鳴川、趙玉武、朱維耀等對聚合物納米球在中滲巖心中的注入性和封堵性進行了研究，并在大慶龍虎泡油田進行了現(xiàn)場試驗［24-25］。雷光倫、鄭家朋研究了亞微米級聚合物納米球在高滲巖心中的膨脹性能、注入性能、封堵性能和運移性能，并在勝利孤島中高滲透油藏進行礦場試驗［26］。

綜上所述，國內(nèi)外針對聚合物納米球的研究和應(yīng)用主要集中在中高滲透油藏，尚無在低滲透油藏中應(yīng)用研究的報道。本文針對長慶油田五里灣區(qū)地層水礦化度高、滲透率低的特點，通過制備工藝的改進，控制成分配比和結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計制備了聚合物納米球，并對其在目標(biāo)油藏中的適應(yīng)性展開先導(dǎo)性試驗研究，希望能為以長慶油田五里灣區(qū)為代表的低滲透油藏在注水開發(fā)中后期提供一種新的三次采油技術(shù)手段。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗用模擬地層水：根據(jù)長慶油田五里灣區(qū)地層水分析結(jié)果配制，水型為CaCl2型，總礦化度為53 219.57 mg/L，其中Ca2+質(zhì)量濃度為5 803.08 mg/L，Mg2+質(zhì)量濃度為180.46 mg/L，經(jīng)中速定性濾紙過濾后備用。

實驗用模擬油：根據(jù)長慶油田五里灣區(qū)原油分析結(jié)果，由原油和煤油按照一定比例配制。

聚合物納米球溶液：用模擬地層水配制，并在55 ℃烘箱中老化膨脹。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物納米球的注入性、膨脹性和降低水相滲透率性能

（1）聚合物納米球膨脹性能。利用JEM-2100透射電子顯微鏡、馬爾文Zetasizer 3000納米粒度儀（量程5～1 000 nm）和HORIBA LA300粒度分析儀（量程0.1～600 μm）測試聚合物納米球在55 ℃下模擬地層水中不同膨脹時間的形貌和粒徑分布。

（2）聚合物納米球的注入性和降低水相滲透率性能。采用地層模擬水配制聚合物納米球溶液，檢測聚合物納米球的分散性能，并利用Brookfield DV-III流變儀（25 ℃，0#，6 r/min）測試聚合物納米球溶液的黏度。

為了評價聚合物納米球的注入性和降低水相滲透率性能，利用單管填砂模型模擬長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏，該模型直徑為2.6 cm，長為100 cm，在砂管上等距設(shè)置5個測壓點，這5個測壓點可以記錄注入納米球前后砂管壓力變化，進而檢測聚合物納米球在砂管中的注入和降低水相滲透率情況。實驗步驟如下：首先用油田采出砂填裝砂管，然后水驅(qū)，并計算水測滲透率，再注入未膨脹和預(yù)膨脹10 d的聚合物納米球，最后繼續(xù)水驅(qū)。整個實驗過程中，溫度維持在55 ℃左右。

1.2.2 聚合物納米球提高采收率效果

（1）真實巖心微觀模型驅(qū)油實驗。將長慶油田五里灣區(qū)的取樣巖心洗油，烘干，制作真實巖心可視化微觀模型［30］，水平放置于連接有計算機的顯微鏡平臺上，并利用圖像采集系統(tǒng)記錄整個驅(qū)油過程：首先飽和模擬油，并水驅(qū)至出口含油98%以上，然后注入0.2 PV預(yù)膨脹10 d的聚合物納米球，并水驅(qū)至出口含水98%以上。驅(qū)油結(jié)束后，用ImageJ軟件對所采集的圖片統(tǒng)計分析采收率。其中模擬油在室溫下表觀黏度為5 mPa·s。為了增加油水對比度，模擬地層水用亞甲基藍(lán)染色。

（2）雙管并聯(lián)填砂模型驅(qū)油實驗。根據(jù)長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏滲透率低、縱向非均質(zhì)性嚴(yán)重的特點，采用直徑3.8 cm、長60 cm的雙管并聯(lián)填砂模型評價聚合物納米球的調(diào)驅(qū)效果。步驟如下：首先用油田采出砂填裝出滲透率級差為158的雙管，其中低滲管平均水測滲透率為7 mD，高滲管平均水測滲透率為1 103 mD；然后兩管分別飽和模擬油，平衡24 h；再將兩管并聯(lián)，水驅(qū)；在采出液含水98%以上時，注入預(yù)膨脹10 d的聚合物納米球，繼續(xù)水驅(qū)至采出液含水98%以上。利用自動部分收集器動態(tài)收集采出液，根據(jù)采出液中油水含量，計算整個驅(qū)油過程中采收率動態(tài)變化。實驗溫度維持在55 ℃左右，模擬油55 ℃下表觀黏度為6.1 mPa·s。

2 實驗結(jié)果與分析

聚合物納米球能夠在長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏中深部調(diào)驅(qū)必須具備以下幾個條件：（1）聚合物納米球未膨脹時必須能夠注入到特低滲透油藏中，進而可以運移到地層深部調(diào)驅(qū)；（2）聚合物納米球必須能夠在長慶油田五里灣區(qū)的地層中水化膨脹；（3）聚合物納米球在地層中水化膨脹后能有選擇地降低高滲透層的水相滲透率，擴大波及體積，提高采收率。

2.1 聚合物納米球的注入性、膨脹性和降低水相滲透率性能

2.1.1 聚合物納米球的注入性 采用模擬地層水配制5 000 mg/L聚合物納米球分散溶液，目測有無明顯油狀物。結(jié)果表明，聚合物納米球可以快速在長慶油田五里灣區(qū)模擬地層水中分散，分散時間小于30 min，可以實現(xiàn)在線注入，注入過程簡單，設(shè)備投資少。用旋轉(zhuǎn)流變儀測試了聚合物納米球溶液的表觀黏度，5 000 mg/L的聚合物納米球溶液25℃下表觀黏度為1.8 mPa·s，說明聚合物納米球溶液黏度低，有利于其在特低滲透油藏中注入［16］，節(jié)省能耗。

利用平均滲透率為1.3 mD的單管填砂模型，評價了未膨脹的聚合物納米球的注入性，圖1為注入2 000 mg/L聚合物納米球前后砂管各測壓點壓力變化曲線。從圖1可以看出，轉(zhuǎn)注納米球時，由于轉(zhuǎn)閥泄壓造成壓力突然下降，但是在注入納米球過程中，各測壓點壓力均沒有抬升，說明未膨脹的聚合物納米球在特低滲透巖心中有很好的注入性。

圖1 聚合物納米球注入前后壓力變化

2.1.2 聚合物納米球的膨脹性 利用透射電子顯微鏡和粒度儀觀測了聚合物納米球未膨脹時和在模擬地層水中膨脹10 d的形貌和粒徑分布，結(jié)果如圖2和圖3所示。從電鏡照片可以看出，未膨脹時，聚合物納米球呈規(guī)則的類球形，輪廓清晰，膨脹10 d后，納米球周圍形成網(wǎng)狀的水化層，核心部分模糊，說明聚合物納米球有明顯的水化膨脹性。由于透射電子顯微鏡測試是在聚合物納米球干燥狀態(tài)下進行的，納米球會收縮，粒徑變小，因此透射電子顯微鏡觀測到的納米球粒徑小于粒度儀測試結(jié)果。從粒徑分布可以看出，聚合物納米球未膨脹時平均粒徑在100 nm左右，膨脹10 d后平均粒徑為數(shù)微米，明顯大于未膨脹時的粒徑，說明聚合物納米球在長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏的地質(zhì)條件下可以水化膨脹，粒徑變大。

圖2 聚合物納米球的電鏡照片

圖3 聚合物納米球的粒徑分布

2.1.3 聚合物納米球的降低水相滲透率性能 將在模擬地層水中預(yù)膨脹10天的聚合物納米球注入到平均滲透率為1.1 mD的單管填砂模型中，對其在低滲管中降低水相滲透率性能進行了評價，結(jié)果如圖4所示，注入0.2 PV、2000 mg/L聚合物納米球后，各測壓點壓力沒有抬升，說明聚合物納米球不會降低低滲管水相滲透率。這是因為在低滲管中，巖心滲透率低，孔隙度小，孔道直徑小，連通性差，注入水水流截面積小，水流速率高，聚合物納米球不能滯留于孔道中而快速穿過低滲管，對其水相滲透率影響小。

圖4 低滲透砂管中，壓力隨注入水PV數(shù)變化曲線

將在模擬地層水中預(yù)膨脹10 d的聚合物納米球注入到平均滲透率為785 mD的單管填砂模型中，對其在高滲管中降低水相滲透率性能進行了評價，結(jié)果如圖5所示。注入2 000 mg/L聚合物納米球后，前3個測壓點壓力依次抬升，說明納米球依次進入了砂管前兩段，并形成了流動阻力；當(dāng)注水11 PV左右時，第1、2測壓點壓力依次降低，而第3測壓點壓力則繼續(xù)抬升，說明聚合物納米球從砂管的前兩段運移至第3段。這是因為與低滲管相比，高滲管滲透率高，孔隙度大，連通性好，孔道直徑大，水流截面積大，水流速率較慢，聚合物納米球沿孔道內(nèi)壁緩慢運移，對注入水有阻礙作用，降低了高滲管的水相滲透率。以上實驗結(jié)果說明，聚合物納米球滿足在長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏實施的基本條件。本文將進一步利用真實巖心微觀模型和雙管并聯(lián)填砂模型，研究聚合物納米球在平面非均質(zhì)地層和縱向非均質(zhì)地層中的提高采收率效果。

圖5 高滲透砂管中，壓力隨注入水PV數(shù)變化曲線

2.2 聚合物納米球提高采收率實驗

2.2.1 真實巖心微觀模型驅(qū)油實驗 在真實巖心微觀模型中，所采用的長慶油田五里灣區(qū)取樣巖心平均滲透率為0.67 mD、孔隙度為13%，如圖6所示，紅色是油，藍(lán)色是水，白色是巖石，模型的進口端位于圖形左方，出口端位于圖形右方。水驅(qū)時，藍(lán)色的注入水沿著流動阻力較小的大孔道前進，形成藍(lán)色水流優(yōu)勢通道，繞過大片流動阻力較大的紅色含油孔道（圖6中a～c），水驅(qū)波及效率低，采收率為13%；注入0.2 PV、1 000 mg/L預(yù)膨脹10天的聚合物納米球后，藍(lán)色注入水改向繞流進入紅色通道，藍(lán)色注入水波及體積明顯增加，紅色剩余油減少（圖6中d～i），采收率進一步提高了49%。結(jié)果表明，聚合物納米球可以改善特低滲透油藏的平面非均質(zhì)性，提高其采收率。

2.2.2 雙管并聯(lián)填砂模型驅(qū)油實驗 根據(jù)長慶油田五里灣區(qū)滲透率低、縱向非均質(zhì)性嚴(yán)重的地質(zhì)特征，用雙管并聯(lián)填砂模型研究了聚合物納米球在縱向非均質(zhì)特低滲透油藏中的調(diào)驅(qū)效果。

圖6 真實巖心微觀模型中油水分布情況隨水驅(qū)時間的變化

圖7聚合物納米球驅(qū)的壓力曲線表明：注入0.5 PV預(yù)膨脹10 d的納米球后，兩管壓力迅速抬升，隨著后續(xù)水驅(qū)的不斷進行，兩管壓力不斷降低，并略有波動。這是因為高、低滲管滲透率級差的存在，使得絕大部分納米球隨注入水進入高滲管，在高滲管中形成一定的流動阻力，造成壓力抬升，使后續(xù)注入水改向繞流，進入低滲管，造成低滲管壓力升高；同時隨著兩管中油的不斷驅(qū)出，滲透率不斷升高，壓力降低。

圖7 雙砂管驅(qū)油，壓力隨注入水PV數(shù)變化曲線

從聚合物納米球提高采收率效果來看（圖8），水驅(qū)時，高滲管采收率達(dá)76%，而低滲管中的油沒有動用，采收率為0；注入納米球后，低滲管采收率持續(xù)升高，提高了27%，同時高滲管的采收率也有一定的升高。這是因為隨注入水進入高滲管的納米球?qū)罄m(xù)注入水產(chǎn)生流動阻力，使其轉(zhuǎn)向繞流，將低滲管和高滲管內(nèi)的低滲透層中剩余油驅(qū)出，采收率大幅度提高。以上實驗結(jié)果表明，聚合物納米球驅(qū)可以改善特低滲透油藏的縱向非均質(zhì)性，提高其采收率。

圖8 雙砂管驅(qū)油，采收率隨注入水PV數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

針對長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏地質(zhì)情況制備的聚合物納米球具有良好的分散性，可在地層模擬污水中快速分散且溶液黏度很低，能滿足現(xiàn)場在線注入需要；聚合物納米球的初始平均粒徑小，可順利通過特低滲透油藏中狹小的砂巖孔喉，進入到地層深部，注入性好；在地層水礦化度和溫度作用下，可以發(fā)生水化膨脹，并選擇性地降低高滲區(qū)水相滲透率，改善地層非均質(zhì)性，對后續(xù)注入水產(chǎn)生流動阻力，迫使液流改向，從而有效擴大水驅(qū)波及體積，動用水驅(qū)殘余油，顯著提高采收率。綜上所述，聚合物納米球驅(qū)在長慶油田五里灣區(qū)特低滲透油藏中具有良好的適應(yīng)性，可以成為油田在注水開發(fā)中后期穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的一種技術(shù)手段。

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［28］ 吳飛鵬，施盟泉，張云龍.納米水溶性微凝膠驅(qū)油材料及其制備方法：中國，200510012255.0 ［P］.2007-01-31.

［29］ 施盟泉，吳飛鵬，張云龍.納微米水溶性微凝膠驅(qū)油材料及其制備方法：中國，200510102420.1［P］.2007-03-14.

［30］ 吳飛鵬，蔡永富，施盟泉.真實巖心可視化微觀模型及其制作方法：中國，201110116572.2［P］.2011-05-06.

（修改稿收到日期 2013-05-15）

Research on the adaptability of polymeric nanospheres flooding in extra-low permeability reservoir in Changqing oilfield

CAI Yongfu1,2, LI Xiaorong3, SHI Mengquan1, YANG Lihua3, LIU Xiaochun3, WU Feipeng1
（1. Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3. Research Institute of Oil and Gas Technology,Changqing Oilfield Company,Xi’an710021,China）

Because of aiming at high formation water salinity and extra-low permeability in Block Wuliwan Changqing oilfield,traditional stimulation measures in EOR were difficult to implement. So the polymeric nanospheres flooding technology was discussion in this paper. Using the particle size analyzer and transmission electron microscopy, based on the single sand packs model and the real core visual micro-model and parallel sand packs macro-model, the adaptability of polymeric nanospheres flooding in extra-low permeability reservoir was studied from the aspects of the swelling, injection of polymeric nanospheres, water-permeability reduction as well as laboratory simulated flooding of polymeric nanospheres. The experimental results proved that the polymeric nanospheres had good injection and could swell in formation water. The expanded nanospheres could selectively reduce the water phase permeability of the high-permeability sand packs, and made fluid diverting to effectively displace residual oil and enhance the oil recovery greatly. The polymeric nanospheres flooding could be an effective stimulation measure of production in the extra-low permeability reservoir of Block Wuliwan Changqing oilfield. The research provides experimental basis for further applications of polymeric nanospheres in oil field.

extra-low permeability reservoir; polymeric nanospheres; enhanced oil recovery; injection; water phase permeability reduction

蔡永富，黎曉茸，施盟泉，等.聚合物納米球驅(qū)在長慶油田特低滲透油藏中的適應(yīng)性研究 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：88-93.

TE357.46

：A

1000–7393（2013） 04–0088–06

蔡永富，1986年生。2012年畢業(yè)于中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，主要從事聚合物納米球驅(qū)油機理研究。E-mail：caiyongfu@mail.ipc.ac.cn。通訊作者：吳飛鵬，電話：010-82543569。

〔編輯 景 暖〕