納米微球運移封堵性能影響因素研究

劉豐鋼，李曉偉，劉光普，李建曄，楊會峰，韓文彬

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459）

國內對納米微球在多孔介質中的運移和封堵機理研究較少，文獻中指出顆粒的尺寸和封堵效果雖有一定關系，但尺寸小于喉道尺寸仍可以產生良好的封堵效果，但僅提及喉道的捕集作用，未指出產生捕集效果的機理和原因[1-3]。其次，微球體系調剖產生效果的機理是表層吸附和架橋作用雙重影響的結果，但是并未對此進行深入探討。實際上，膠體顆粒在多孔介質中產生封堵效果是由于4 個原因：粒徑尺寸、表面沉積、橋架和水動力學滯留，四個原因綜合使顆粒體系在多孔介質中具有封堵效果[4-5]。因此，本文針對納米微球運移封堵性能的影響因素展開了重點研究。

1 納米微球運移封堵性能機理

1.1 納米微球組成結構

聚丙烯酰胺水溶性高分子是油田目前應用范圍最廣，開展相關研究最多的三次采油化學助劑。它屬于線性高分子的范疇，依靠黏度作用于整個滲水通道。由于它聚合較為容易、聚合物分子量高，因此目前開發應用的納米微球均是以聚丙烯酰胺為高分子主體，輔以一定的水解離子單體、耐溫抗鹽組分以及交聯劑，通過現代化學合成方法聚合而成，從而使得線性的高分子成為網狀體型納米微球[6]，如圖1 所示。

1.2 納米微球作用機理

如圖2 所示，納米微球在地層水礦化度和溫度的作用下，會發生水化膨脹，在透射電鏡的觀察下，納米微球會形成明顯的兩層結構，外層為水化膨脹層，內層密度較大為未水化膨脹層。隨著納米微球在地層水礦化度和溫度的長時間作用下，外面的水化膨脹層逐漸擴大，而中間的未水化層則逐漸減少，體積發生膨脹。

圖1 納米微球組成結構示意圖

圖2 納米微球水化膨脹示意圖

膠體顆粒在多孔介質中產生封堵效果是由于四個原因：粒徑尺寸、表面沉積、橋架和水動力學滯留，四個原因綜合使顆粒體系在多孔介質中具有封堵效果。多孔介質中運移顆粒通過孔喉時，主要表現為3 方面作用：（1）在高滲透區，大的納米微球能對大通道實行封堵，逼迫水流轉向，波及中低滲透區，擴大驅油面積；（2）在中、低滲透層具有吸附堵塞喉道的作用；（3）被剪切破碎的納米微球可阻塞更小的喉道。

2 納米微球運移封堵性能影響因素研究

2.1 研究目的

考察在不同滲透率條件下，納米微球分散體系在70 ℃油藏條件下的傳播及運移性能，篩選出最佳的復合乳液球使用參數。同時研究該納米微球體系不同注入速度、段塞大小的運移封堵性質，分析不同影響因素對其運移封堵性質的影響。

2.2 研究方法

借助室內物理模擬實驗，研究不同影響因素對納米微球封堵性能的影響規律。

實驗步驟：

1）選取滿足滲透率要求的一定粒徑的砂粒，以保證每次填制的砂管滲透率相對穩定。采用150目（106 μm）沙粒填制的砂管（滲透率穩定在1 500～2 500 mD）。

2）將砂管填制好后，抽真空。

3）飽和地層水，精確計量飽和水的體積，即巖心的孔隙體積。

4）按圖3 圖示連接好設備，設定實驗溫度為地層溫度70 ℃，升溫之后，水測滲透率，得到滲透率值K。

圖3 實驗流程圖

5）以設定的不用注入速度的流量注入設計段塞大小的已水化一定天數的調驅劑。

6）后續進行水驅測突破壓力梯度和堵后滲透率，計算封堵率，殘余阻力系數等。

7）更換設計參數進行重復實驗。

2.3 不同影響因素分析

1）不同濃度對納米微球分散體系運移封堵性的影響

從封堵率來看，0.2%和0.4%的納米微球分散體高，從殘余阻力系數來看，0.2%和0.4%的納米微球分散體系的殘余阻力系數相近，說明堵劑的濃度的提高并未大幅影響封堵效果，考慮經濟因素，0.2%的納米微球分散體系為最優堵劑。

不同濃度的納米微球分散體系的室內試驗參數表見表1。

表1 不同濃度的納米微球分散體系的室內試驗參數表

2）不同注入速度對納米微球分散體系運移封堵性的影響

納米微球按照不同流速注入后封堵結果見表2。

①封堵強度與注入速度有很大關系，并且隨著注入速度的增加，納米微球形成封堵的能力變弱。

②由沿程壓力變化趨勢可以看出，當流速很小時，納米微球在管內運移形成封堵距離比大流速形成封堵的距離遠。和小流速注入相比，高速率注入雖然可以快速地將納米微球向砂管內運移，但是由于流速過快，在砂管內部仍很難形成有效封堵，故總壓力梯度顯示較小值。

③由沿程壓力可以看出，小流速注入時，形成的封堵時的整體效果，是一種“段塞”式封堵。由固相侵入理論可以知道，由于流速小，增加了微球顆粒和砂礫之間的作用時間，降低孔隙導流能力。當微粒因聚團、表面沉積等原因形成大粒徑介質，流入孔喉中形成一個橋塞時就形成了孔喉橋堵。當微粒大于孔喉時也會形成橋堵。橋堵一旦形成，將會大大降孔喉滲透率。在大孔喉處微球體系“團簇”依附在孔喉邊緣時，會捕集其他微球“團簇”，當數量達到一定程度時會形成對高滲透層的整體封堵效果。此外，微球還可以形成表面沉積，此時微球主要沉積附著在顆粒/孔隙的表面。這一過程取決于包括孔隙水動力學、顆粒與孔隙表面的靜電壓差、孔隙表面結構等這些物理參數和化學參數。僅在這一階段造成的封堵非常小，但結合橋架封堵，形成一定程度的封堵貢獻。

3）不同段塞大小對納米微球分散體系運移封堵性的影響

突破壓力是評價凝膠體系性質的重要參數，它反映凝膠強度的大小，代表凝膠的封堵強度，且與凝膠的黏度、附著力有關。

突破壓力梯度=突破壓力/巖心長度(kPa/cm)。

殘余阻力系數RRF 定義為膠體系注入前的水測滲透率與注入后的水測滲透率的比值，該值反映了膠體系降低多孔介質滲透率的能力。通常，RRF越大，采收率越高。通過殘余阻力系數的測定說明調剖體系對巖心具有封堵性，其封堵性能的強弱由封堵率來評價。本文采用式（1）進行計算：

式中：K1和K2—分別為堵前和堵后的水測滲透率。

如表5 所示，隨著納米微球體系注入量的增加，封堵后水測滲透率逐漸降低，表明納米微球體系有很好的封堵性能。

表5 注入參數與納米微球體系的運移、封堵規律效果表

由于突破壓力逐漸增大，致使殘余阻力系數增加，封堵率增加，體系具有降低孔喉滲透率的能力。當注入量從0.2 PV 增加到0.4 PV 時，封堵率由84%增加到93%，封堵效果明顯上升，說明注入量對體系的封堵能力有很大影響。

3 結論

1）綜合考慮微球運移能力和核殼球存運移能力兩方面因素，優選出了納米微球分散體系最佳濃度和核殼微球分散體系為最優堵劑濃度。

2）在一定低注入速度范圍內，微球的封堵能力基本穩定。隨著注入速度的增加，超過某一臨界注入速度，兩種微球的封堵能力均變弱。

3）過低的注入量對油藏的封堵效果有限，要保障微球注入量的合適和足夠。在經濟可靠的前提下，保障注入量的穩定和充足，才能使得封堵效果好。