無機凝膠在18 m長巖心內的傳輸運移能力*

曹偉佳，盧祥國，田中原，劉文輝，于 萌，閆炳旭

（1.東北石油大學教育部提高油氣采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；3.中海油田服務股份有限公司，天津塘沽 300450；4.中國石油塔里木油田公司迪那油氣開發部，新疆庫爾勒 841000）

由于地層自身非均質性和油水流度比差異，注入水往往會沿高滲透層不均勻推進，一方面造成高滲透層含油飽和度減小、滲流阻力降低，另一方面注入水長期沖刷作用還會破壞高滲透層的巖石結構，使巖心滲透率增大，這又進一步加劇了儲層非均質性、增大了注入水突進速度［1-2］，因此，注水開發油田竄流問題是制約油田開發效果的主要問題。礦場常用的擴大波及體積技術包括聚合物驅、多元復合驅和弱凝膠調驅等［3-5］。實踐證明，調剖是改善水驅開發效果的有效措施［6-8］。近年來，隨著油價走低和高溫高鹽油藏開發規模擴大，低成本耐溫耐鹽調剖劑的需求日益增大，無機凝膠調剖劑由于其良好的耐溫和抗鹽性在塔里木輪南、柴達木躍進、大港和中原等油田進行了礦場試驗，取得較好增油降水效果［9-11］。

無機凝膠調剖技術是通過向儲層注入引發劑（Na2SiO3溶液）及含Ca2+和Mg2+等成垢離子溶液，二者在巖石孔隙內相遇發生化學反應，形成無機凝膠，造成孔隙過流斷面減小，滲流阻力增加，最終促使后續液流轉向進入中低滲透層，達到擴大波及體積和提高采收率目的［12-13］。針對礦場深部調剖技術需求，本文在目標油田注入水礦化度條件下，優選無機凝膠調剖劑使用濃度，研究了無機凝膠在18 m長巖心內傳輸運移能力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

Na2SiO3，分析純，固含量80%，國藥集團化學試劑有限公司；CaCl2和MgCl2，分析純，固含量99.8%，國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為渤海SZ36-1 油田注入水，礦化度9.048 g/L，主要離子質量濃度（單位g/L）：Na++K+2.552、Mg2+0.229、Ca2+0.569、Cl-5.471、SO42-0.0366、HCO3-0.191，經軟化處理后用作配液用水。

實驗用巖心為石英砂環氧樹脂膠結人造均質18 m 長巖心，首先加工外觀尺寸為長×寬×高=60 cm×60 cm×4.5 cm巖心，然后對其進行割縫、填縫和密封處理，最后得到一個由30 塊“長×寬×高=60 cm×4.5 cm×4.5 cm”巖心首尾相連、無縫長度超過18 m的條狀巖心［14-15］，除巖心注入端和采出端外，沿長度方向還均勻布置了7個測壓點，巖心外觀見圖1。

圖1 巖心實物圖

實驗裝置主要包括平流泵、壓力傳感器和中間容器等。除平流泵外，其它部分置于65℃恒溫箱內。

1.2 實驗原理

無機凝膠在多孔介質（巖心）內良好傳輸運移能力是實現深部液流轉向的重要保障，評價方法和指標是通過測定無機凝膠在多孔介質內沿運動方向各個長度區域內滯留量或壓差值，計算各個長度區域壓差比值β，據此評價無機凝膠在多孔介質內傳輸運移能力和滲流阻力變化規律。巖心各區間壓差比β定義為：

其中，p入口為入口端壓力，p1為測壓點1 處壓力，…，p出口為出口端壓力，n為延巖心長度方向上測壓點個數。

無機凝膠封堵效果可采用巖心各個部分封堵率η大小來評價，其定義為：

其中，K為水驅階段巖心滲透率，K'為封堵后水驅階段巖心滲透率，η1為入口端到測壓點1處封堵率，η2為測壓點1到測壓點2處封堵率，…ηn為測壓點n到出口端處封堵率。

1.3 實驗步驟

實驗步驟具體如下：①巖心抽空、飽和注入水（礦化度9.048 g/L），水驅，記錄各個測壓點壓力；②藥劑多輪次交替注入，每輪為0.02 PV 軟化水+0.1 PV 主劑（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 軟化水+0.1 PV 助劑（CaCl2溶液），共5 輪次，主劑和助劑溶液注入總體積為1.0 PV，注入速度為2 mL/min；③靜置24 h，水驅到壓力穩定，記錄各測壓點注入壓力，繪制各測壓點不同時間注入壓力與注入體積關系曲線。

2 結果與討論

2.1 濃度優選

采用軟化水配制主劑Na2SiO3和助劑CaCl2或MgCl2溶液共50 mL，不同主劑、助劑濃度條件下所形成無機凝膠的體積見表1。從表1可以看出，隨著主劑Na2SiO3溶液濃度的增加，主劑Na2SiO3與助劑CaCl2或MgCl2生成的無機凝膠體積均呈增加趨勢。主劑Na2SiO3是一種強堿弱酸性鹽，水解后顯堿性，在一定活化劑Ca2+和Mg2+作用下可以發生縮聚，線型無機分子縮聚到一定程度后各分子間相互作用纏結，形成網狀結構，進而形成無機凝膠［16-17］。當主劑Na2SiO3溶液和助劑CaCl2和MgCl2溶液濃度增加至一定濃度后，［SiO4］4-四面體陰離子含量增加，發生聚合的陰離子中所含Si的數目或Si—O—Si鍵數目增多，與Ca2+、Mg2+作用生成無機凝膠量增加。當主劑Na2SiO3質量濃度達到5 g/L后，［SiO4］4-四面體陰離子與活化劑Ca2+、Mg2+反應生成大量無機凝膠。因此，建議主劑Na2SiO3溶液質量濃度在2數5 g/L 之間，而助劑CaCl2和MgCl2濃度應超過2 g/L，即活化劑Ca2+含量超過0.7 g/L，Mg2+含量超過0.5 g/L。目標儲層注入水中Ca2+和Mg2+含量分別為0.569 g/L和0.229 g/L，不足以與主劑Na2SiO3溶液反應生成大量無機凝膠，同時與助劑MgCl2相比，主劑Na2SiO3與助劑CaCl2生成的無機凝膠體積較大。因此，選用外加CaCl2溶液作為助劑。

表1 不同主劑（Na2SiO3）、助劑（CaCl2或MgCl2）濃度下形成無機凝膠的體積（mL）

采用軟化水配制主劑Na2SiO3和助劑CaCl2溶液共50 mL，二者濃度分別為0.61、1.22、2.44、3.7、6.1、12、15和20 g/L。不同主劑、助劑濃度條件下所形成無機凝膠的體積見圖2。從圖2可以看出，隨主劑或助劑濃度增加，無機凝膠體積生成量增幅呈現“先升后降”，當二者濃度在2.44數6.1 g/L時，無機凝膠生成體積快速上升，而當濃度繼續增加后，無機凝膠生成體積上升幅度降低。從技術經濟角度建議主劑和助劑濃度為2.44數6.1 g/L。

圖2 無機凝膠體積與主劑（Na2SiO3）和助劑（CaCl2）濃度關系

2.2 壓力梯度及壓差比

采用軟化水分別配制質量濃度為3.7 g/L 的主劑Na2SiO3溶液和助劑CaCl2溶液，采用“0.02 PV 軟化水+0.1 PV 主劑（Na2SiO3溶液）+0.02 PV 軟化水+0.1 PV助劑（CaCl2溶液）”5輪次交替注入方式，實驗過程中記錄不同時刻（PV數）各個測壓點壓力，各個測壓點間壓力梯度計算結果見表2，交替注入結束時各相鄰區間壓差比見表3。

表2 壓力梯度實驗數據（MPa/m）

表3 交替注入結束時各相鄰區間壓差比

從表2和表3可以看出，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過程中，巖心各個測壓點間壓力梯度受交替注入輪次和區間位置的影響。在測壓點區間位置相同條件下，隨交替注入輪次增加，壓力梯度呈現逐漸升高趨勢，并且增幅呈現略微增大趨勢；在交替注入輪次相同條件下，沿巖心長度方向各個測壓點長度區間壓力梯度呈現逐漸減小趨勢。進一步分析發現，5 輪次交替注入結束后調剖劑波及長度為86.7%，巖心前后相鄰兩個長度區間壓力梯度比值差不大，表明“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入生成的無機凝膠具有良好傳輸運移和深部液流轉向能力。

2.3 封堵效果

多輪次交替注入結束后各測壓點區間巖心的水測滲透率見表4。從表4可以看出，對于巖心上同一長度區間，隨交替注入輪次增加，巖心的水測滲透率降低；在交替注入輪次相同條件下，沿液流流動方向各個長度區間巖心水測滲透率呈現逐漸下降趨勢，且前部長度區間巖心滲透率減小幅度要大于后部區間的。

多輪次交替注入結束后各個長度區間巖心封堵情況見表5。從表5可以看出，沿巖心長度方向各個長度區間封堵率呈現逐漸降低趨勢，其中鄰近入口各個長度區間封堵率較高，表明無機凝膠在入口附近區域滯留量較大。后續水驅結束時，巖心各個長度區間封堵率在19.97%數72.26%，表現出良好的深部液流轉向能力。

表4 各測壓點區間巖心的水測滲透率（/10-3 μm2）

表5 封堵率實驗數據

2.4 動態特征

“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過程中巖心各個測壓點注入壓力與注入體積關系見圖3。從圖3可以看出，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過程中，在交替注入輪次相同條件下，沿巖心長度方向各個測壓點注入壓力逐漸減小。在測壓點位置相同條件下，隨交替注入輪次增加，各個測壓點注入壓力逐漸增加。進一步分析發現，在每一種藥劑注入過程中，注入壓力呈現“先升后降”變化趨勢，展示了主劑與助劑接觸生成無機凝膠和水段塞推動生成物向前運移和凝膠流動特征。當交替注入結束時，“入口端”與“測壓點1”間壓差值要明顯大于“測壓點1”與“測壓點2”的壓差值，而“測壓點1”與“測壓點2”間壓差值與后續其它各個測壓點間壓差值差異不大。由此可見，在“軟化水+主劑溶液+軟化水+助劑溶液”多輪次交替注入過程中，主劑與助劑反應生成物在“入口端”與“測壓點1”間滯留量較大，它吸附于巖石骨架表面形成厚度較大的涂層，導致孔隙過流斷面減小幅度較大，流動阻力增幅較大，注入壓力升高幅度較大，因而可以起到良好的調剖以及深部液流轉向效果。

圖3 注入壓力與注入體積關系

在后續水驅階段，前部3 個測壓點的注入壓力呈現小幅降低，后部幾個測壓點注入壓力呈現“穩中略升”趨勢，表明化學反應生成物在孔隙內具有較強的耐沖刷能力和持久的封堵能力。

3 結論

當主劑Na2SiO3與助劑濃度一定的條件下，與助劑MgCl2相比，主劑與助劑CaCl2生成的無機凝膠體積較大。隨溶液濃度增加，主劑Na2SiO3與助劑Ca-Cl2生成的無機凝膠體積增幅呈現“先升后降”趨勢，當二者濃度為2.44 數6.1 g/L時，無機凝膠生成體積快速上升。

“軟化水+Na2SiO3溶液+軟化水+CaCl2溶液”交替注入5 輪次后，巖心前后相鄰兩個長度區間壓力梯度比值分別為3.85、2.03、1.16、1.19 和1.24，各個壓力梯度比值差不大，表明無機凝膠有良好傳輸運移能力。后續水驅結束時，巖心各個長度區間封堵率在19.97%數72.26%，表明無機凝膠在孔隙內具有較強的耐沖刷能力和持久的封堵能力。