調剖、調驅劑注入壓力對分流率的影響及作用機理*

高建崇，張 楠，王 琳，盧祥國，薛寶慶，李彥閱，何 欣

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海研究院，天津塘沽 300450；3.中國石油大港油田分公司，天津，大港 300280；4.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736200）

0 前言

渤海油田是中國最大的海上油田，在油田開發中占據重要地位［1-2］。受沉積條件的影響，LD5-2構造為一復合斷塊，結合鄰區沉積背景綜合分析認為，LD5-2 油田東二段主要為湖相三角洲沉積［3-4］。常規物性分析樣品統計表明，東二上段物性較好，孔隙度主要分布在32%～40%之間，滲透率在1000×10-3μm2以上。東二下段孔隙度主要分布在30%～36%之間，滲透率分布范圍10×10-3～1320×10-3μm2，主要集中在100×10-3～1000×10-3μm2。LD5-2 油田儲層分布相對較穩定，但油水系統相對復雜，油氣分布主要受斷層和泥巖隔層控制，油藏屬于由多個斷塊組成、在縱向和橫向上存在多套油氣水系統的構造層狀油氣藏［5-7］。

LD5-2 油田經過長期的高強度水驅，目前已經進入中高含水開發期，亟待采取進一步提高采收率技術措施［8-10］。近年來，化學驅在海上油田試驗中取得了良好的采收效果［11-13］。而在現場施工中發現，高強度的藥劑注入，使得注入井后續注入壓力過高［14-16］。分析認為，藥劑注入過程中因注入壓力設置不當而對低滲透層造成的污染問題，是注入壓力過高和儲層間非均質性進一步加劇的主要原因。部分學者針對不同地層條件下化學劑的注入壓力進行了研究，認為啟動壓力決定中低滲透層的污染情況。在礦場施工中多數根據經驗設計注入速率，這大大增加了地層污染的風險［17-18］。本文通過三管并聯巖心模型，采用不同壓力“恒壓”注入調驅或調剖劑，測試不同注入壓力下各滲透層對體系的吸入情況，以及藥劑吸入后對液流轉向效果的影響，為實際施工中注入壓力設計及優化提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺SD201，相對分子質量1900×104，水解度23%，固含量88%；交聯劑為有機鉻SD107，有效含量52%；HYHK 增強型聚合物微球；上述藥劑由中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海研究院提供。實驗用水為LD5-2 油田注入水，礦化度8259.5 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：K++Na+2169.8、Ca2+816.6、Mg2+94.2、、Cl-

實驗用巖心為石英砂環氧樹脂膠結人造巖心［19-20］，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，氣測滲透率為5600×10-3、3200×10-3、800×10-3μm2。

巖心驅替實驗設備主要包括氣瓶、手搖泵、平流泵、壓力傳感器（壓力表）、巖心夾持器和中間容器等，除氣瓶、平流泵和手搖泵外，其他部分置于恒溫箱內。實驗設備流程見圖1。

圖1 設備及流程示意圖

1.2 實驗方法

1.2.1 驅替體系配制

調剖劑體系配制：采用LD5-2 油田注入水配制質量濃度為2000 mg/L 的聚合物SD201 溶液，然后加入1000 mg/L 的有機鉻SD107，制得Cr3+聚合物凝膠體系。經測試，該體系的初始黏度為20.5 mPa·s，成膠時間為20 h，成膠黏度高于10 Pa·s，40 h 后出現部分脫水，黏度小幅度下降。

調驅劑體系配制：采用LD5-2 油田注入水配制質量濃度為3000 mg/L HYHK增強型聚合物微球體系，經測試，該聚合物微球的初始粒徑約8.7 μm，完全水化時間約5 d，緩膨后粒徑為35.2 μm，膨脹倍數3.05。

1.2.2 驅替實驗

驅替實驗具體步驟如下：①在室溫下，物理模型抽真空，飽和地層水，測量孔隙體積，計算孔隙度；②在油藏溫度55 ℃條件下，單塊巖心水測滲透率；③在油藏溫度55 ℃條件下，將高、中、低3 塊巖心組成并聯巖心，以1 mL/min 的注入速率進行水驅，記錄該注入速率下各個小層產液量，計算分流率；記錄該注入速率下的穩定注入壓力P，將其作為后續實驗基準注入壓力；④以不同注入壓力（P的倍數）和“恒壓”方式注入0.2 PV 的調驅劑（3000 mg/L HYHK 增強型聚合物微球）或調剖劑（2000 mg/L聚合物SD201+1000 mg/L Cr3+交聯劑）；⑤調驅劑緩膨3 d或調剖劑候凝24 h后（調驅劑實驗需在注入段切除5 mm 端面，以消除調驅劑因“端面堆積”而造成壓力偏高），以1 mL/min 的注入速率后續水驅至壓力穩定；⑥建立注入壓力、分流率與注入體積間關系。

2 結果與討論

2.1 中滲透層的吸水“臨界壓力”

分別以1、2、3 和4 mL/min 的注入速率進行水驅，穩定后記錄注入壓力和各小層采液量，計算各小層分流率，確定中滲透層吸水“臨界壓力”（指當注入壓力高于此壓力值，中滲透層分流率快速上升，開始大量吸液）。實驗過程中不同注入速率下的注入壓力和各小層分流率見圖2。從圖2可知，隨注入速率的增大，注入壓力升高，高滲透層的分流率逐漸降低，中滲透層的分流率逐漸上升，而低滲透層分流率基本不變。當注入速率為1 mL/min時，注入壓力為0.001 MPa，中滲透層和低滲透層的吸液量較低，取該壓力值為后續實驗注入壓力基準值P。當注入速率為2 mL/min 時，注入壓力升高到0.0022 MPa，中滲層吸液量即分流率增幅較大，因此，取0.0022 MPa為中滲層吸液“臨界壓力”。

圖2 水驅過程中不同注入速率下的注入壓力和不同滲透層的分流率

2.2 調驅劑注入壓力與分流率關系

采用不同注入壓力（P的倍數）以“恒壓”方式注入0.2 PV 調驅劑（3000 mg/L HYHK 增強型聚合物微球），3 d 后以“恒速”（1 mL/min）方式進行后續水驅，直至壓力穩定為止。實驗過程中不同注入階段各滲透層的總吸液量和總分流率見表1。從表1 可以看出，在調驅劑注入階段，隨注入壓力升高，高滲透層的總分流率小幅降低，中、低滲透層則小幅升高。在后續水驅階段，注入壓力為2P（方案1-1）時高滲透層總分流率明顯降低，而其他注入壓力（方案1-2，1-3和1-4）下的總分流率均出現升高態勢。

表1 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調驅劑+后續水驅的各小層總吸液量和總分流率

實驗過程中各小層總分流率和注入壓力與注入體積變化見圖3和圖4。由圖3可看出，在調驅劑注入階段，由于“方案1-1”的注入壓力低于“臨界壓力”，中滲透層的分流率較低，其余方案因注入壓力高于“臨界壓力”，導致中滲透層的調驅劑吸入量較大，且隨注入壓力升高，中滲透層吸入量增多。在后續水驅階段，除“方案1-1”的中滲透層分流率呈現增加態勢外，其余方案的中滲透層分流率均下降，且降幅呈現增大趨勢。

圖3 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調驅劑+后續水驅的各小層的分流率隨注入體積變化

圖4 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調驅劑+后續水驅的注入壓力隨注入體積變化

隨著調驅劑注入階段注入壓力的增大（即超過中滲透層吸液的“臨界壓力”0.0022 MPa 時），中滲透層調驅劑吸入量增加，滯留作用引起滲流阻力大幅增加，因此，在后續水階段，與“方案1-1”相比，“方案1-2～方案1-4”的中滲透層吸液量明顯減小。進一步分析發現，當調驅劑注入壓力達到低滲透層的“臨界壓力”（0.007～0.01 MPa）時，該層調驅劑吸液量明顯升高，也會造成低滲透層污染，致使后續水驅階段幾乎不吸液。在后續水驅階段，除“方案1-1”注入壓力小幅度升高（見圖4）和中滲透層的總分流率較大幅度增加外，其余方案的注入壓力均大幅度降低，吸液壓差和吸液量（分流率）明顯減小（見圖3）。因此，當僅采用調驅劑進行施工作業時，注入壓力不能超過中、低滲透層的吸液“臨界壓力”，否則，調驅劑進入中、低滲透層，引起吸液啟動壓力升高，必然減小后續水驅階段吸液壓差和吸液量，削弱擴大波及體積效果。同時可以看出，4組方案中后續水階段注入壓力增幅偏低，說明聚合物微球對高滲透層封堵效果較差，需要配合強凝膠等優勢通道治理措施，才可達到更好的液流轉向效果。

2.3 調剖劑注入壓力與分流率關系

采用不同注入壓力（P的倍數）以“恒壓”方式注入0.2 PV 的調剖劑（2000 mg/L 聚合物SD201+1000 mg/L Cr3+交聯劑），候凝24 h 后進行“恒速”（1 mL/min）后續水驅，直至注入壓力穩定為止。實驗過程中不同注入階段各滲透層總吸液量和總分流率見表2。實驗過程中注入壓力和各小層的分流率隨注入體積變化見圖5和圖6。從表2可以看出，在調剖劑注入階段，隨注入壓力升高，高滲透層的總吸液量減小，中、低滲透層總吸液量增加。在后續水驅階段，前期調剖劑注入壓力越低，高滲透層總分流率降幅越大，低滲透層增幅越大。例如，“方案2-1”的注入壓力為5 P，后續水階段中，高滲透層總分流率低至5.54%，而低滲透層總分流率高達82.70%，液流轉向效果十分明顯。調剖劑進入高、中、低滲透層后均會發生滯留和增加滲流阻力，導致后續水驅階段注入壓力升高（見圖5）。通常情況下，等量的調剖劑注入不同滲透率巖心，對低滲透層封堵效果更明顯，低滲透層吸液啟動壓力增幅遠大于高滲透層，但若高滲透層調剖劑注入量遠大于低滲透層，則高滲透層封堵效果更好，即高滲透層吸液啟動壓力高于低滲透層，此時后續水階段高滲透層分流率就會減小，例如“方案2-1”和“方案2-2”。反之，當中低滲透層因調剖劑而產生的封堵效果高于高滲透層，后續水階段高滲透層吸液量即分流率就會增加，液流轉向效果變差（見圖6）。由此可見，各個滲透層吸液量和分流率變化趨勢取決于吸液壓差的變化趨勢，而吸液壓差變化趨勢又與注入壓力和滲流阻力變化趨勢密切相關。

圖6 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調剖劑+后續水驅的各小層分流率隨注入體積的變化

表2 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入0.2 PV的調剖劑+后續水驅的各小層總吸液量和總分流率

圖5 不同注入壓力下以“恒壓”方式注入調剖劑+后續水驅的注入壓力隨注入體積變化

綜上所述，與調驅劑相似，隨調剖劑注入壓力的升高，中、低滲透層的吸入量增多，滯留作用引起附加滲流阻力即吸液啟動壓力增大，后續水驅階段中、低滲透層吸液壓差減小（中、低滲透層注入壓力升高幅度小于啟動壓力升高幅度），液流轉向效果變差。因此，在調剖劑注入過程中，注入壓力也不能超過中、低滲透層的吸液“臨界壓力”。否則，中、低滲透層調剖劑吸入量增大，會對中、低滲透層吸液能力造成傷害，并且吸入量越大，傷害程度越嚴重，液流轉向效果越差。

2.4 調驅劑和調剖劑注入壓力與分流率關系對比

以相同壓力“恒壓”（0.005 MPa 和0.01 MPa）注入調驅劑和調剖劑后，調驅劑緩膨3 d、調剖劑候凝24 h 后再以“恒速”進行后續水驅，注入壓力與注入體積關系和后續水階段各小層總分流率圖見圖7、圖8。

圖7 調剖劑與調驅劑注入壓力和總分流率對比（p=0.005 MPa）

圖8 調剖劑與調驅劑注入壓力和總分流率對比（p=0.01 MPa）

從圖7 和圖8 可以看出，調驅劑和調剖劑注入巖心后滯留和分流率變化特征存在明顯差異。與調驅劑相比較，調剖劑的注入能力較強，滯留效果較好，附加滲流阻力增幅較大，后續水驅階段注入壓力較高，中、低滲透層的吸液壓差和吸液量較大，液流轉向效果較好。分析認為，調驅劑為微球與水混合而成的非連續相體系，微球顆粒易在巖心注入端端面滯留，造成注入壓力“虛高”，致使后續水驅階段的注入壓力大幅度降低，中、低滲透層吸液壓差和吸液量減少。

綜上所述，調剖、調驅措施的目的是為了實現深部液流轉向，為此必須增加中、低滲透層的吸液壓差和吸液量，而提高注入壓力是增加吸液壓差最有效途徑。提高注入壓力又存在兩種技術途徑，一是提高注入速率；二是增加高滲透層吸液啟動壓力（注入速率維持不變）。調剖、調驅措施將調驅劑和調剖劑傳輸運移到高滲透層，利用其滯留作用來增加滲流阻力和吸液啟動壓力。因此，在礦場調剖、調驅施工中必須控制注入壓力以減小或避免調剖、調驅劑進入中、低滲透層尤其是低滲透層。低滲透層一旦吸入藥劑就會產生較大的附加滲流阻力，進而引起吸液啟動壓力升高，吸液壓差和吸液量減小，最終削弱液流轉向效果。

3 結論

微球類調驅劑為微球與水或表面活性劑溶液混合而成的非連續相體系，易于在巖心注入端的端面滯留，引起注入壓力“虛高”，進而造成后續水驅階段注入壓力和吸液壓差減小，最終削弱液流轉向效果。與微球類調驅劑相比較，聚合物凝膠類調剖劑注入能力較強，易于進入巖心深部和發生滯留，附加滲流阻力和注入壓力增幅較大。

隨注入壓力升高，中、低滲透層調驅劑和調剖劑吸液壓差和吸液量增加，滯留作用引起中、低滲透層附加滲流阻力增加，液流轉向效果變差。因此，采用合理注入壓力有助于改善調剖調驅液流轉向效果。在本實驗條件下，水驅穩定壓力P=0.001 MPa，微球類調驅劑合理注入壓力為2 P，聚合物凝膠類調剖劑合理注入壓力為5 P。

建議礦場實施調剖調驅措施前開展注入井吸液剖面測試，據此確定調驅劑和調剖劑最高注入壓力或注入速率。