弱凝胶调驱的宏观作用及微观机理认识

王 健 倪 聪 王丹玲 曾云香

1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”，四川 成都 610500；

2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500

0 前言

弱凝胶是低浓度聚合物和交联剂通过分子内和分子间交联形成的弱交联体系，弱凝胶调驱是提高水驱油藏最终采收率的重要方法。近年来，弱凝胶调驱技术在胜利、大庆、新疆油田进行了大量矿场先导试验，在控水挖潜、增油稳产、提高采收率方面取得了良好效果，逐渐成为“三采”的主要技术之一[1-3]。目前对弱凝胶调驱研究主要集中于配方、现场应用等方面。笔者通过微观刻蚀模型和岩芯流动装置实验，从微观和宏观两方面揭示了弱凝胶调驱机理。

1 实验部分

1.1 实验装备和主要材料

1.1.1 微观刻蚀模型Z4

微观刻蚀模型Z4：由两套可塑性强材料浇铸的尺寸为10 cm×10 cm的高渗、低渗模型并联组合而成，模拟不同空隙大小的流通空间，见图1（图1模型中上部为低渗，下部为高渗）。模型入口端流体可同时流向高渗部位和低渗部位。微观模型样品（Z4）物性参数见表1。

图1 微观刻蚀模型Z4

表1 微观模型样品（Z4）物性情况表

1.1.2 实验装备

微量泵1台（HD，量程为0.5～10 mL/h）；

微观摄影机HSC-250x2 1台；

电脑1台（用于监控、录制、分析实验过程）；

全套岩芯流动实验装置。

1.1.3 主要材料

地层水：海1块地层水；

模拟油：70℃下黏度185.4 mPa·s，实验模拟油采用原油加煤油配制；

弱凝胶：聚合物×铬交联剂=2 270 mg/L×1 500 mg/L，因弱凝胶注入性及模型承压问题，对在微观刻蚀模型实验中使用的弱凝胶进行了剪切。

1.2 实验方法

1.2.1 微观驱替实验

实验前先用甲基蓝对水进行处理。将微观刻蚀模型Z4放到图2所示载物台上，连接好管线，打开微量泵，设置好驱替参数，启动摄影机，依次进行饱和水、饱和油、水驱油、弱凝胶驱、后续水驱，实验中录取动态图像、采集静态图版、拍摄各阶段驱替后剩余油典型特征图版，记录时间、实验压力、速度等，取全所有资料。微观驱替实验流程见图2。

图2 微观驱替实验模拟流程

1.2.2 宏观物理填砂流动实验

按图3所示安装实验流程将两支填砂管饱和地层水，测定调剖前后吸水比：即以30 mL/h的注入速度注入地层水，分别测定两支填砂管的分流体积，得到调剖前吸水比；再以一定的速度注入0.3 PV的弱凝胶体系（弱凝胶体系的配方为HPAM浓度0.227%、有机铬交联剂0.15%），关闭填砂管候凝(70℃)72 h；再以30 mL/h的注入速度注入地层水，分别测定两支填砂管的分流体积，得到调剖后吸水比。

图3 宏观物理填砂流动实验模拟流程

2 实验分析

2.1 微观驱替实验

如图4所示，水驱油过程中注入水优先选择驱替上部大孔道较多的高渗透区域，而下部含窄小孔道多的低渗透区域启动则较慢，反应出了实际开采过程中水驱沿高渗透通道发生水窜。注入油层的弱凝胶必须克服沿程阻力，在注入压力一定的情况下，弱凝胶倾向沿阻力最小的大孔道运移。作为水窜较严重的通道，即渗透率和孔隙度较高的方向往往成为弱凝胶的渗流主路径。大孔道经过长期水流冲刷，岩石表面磨圆度愈高，阻力愈小，对弱凝胶的剪切程度也相对降低，使弱凝胶的渗流运移更流畅[4-5]。

图4～5中，蓝色为水，黑色为油；由于凝胶无色透明，只能在动态录像中观察到，因此在本文静态插图中用黄色线条真实勾勒显示凝胶的形态。

图4 弱凝胶选择性通过

注入水在较高的压力梯度下发生流体改向，进入微小孔喉，从而将微小孔喉中的油驱出，由图5可看出（黄色勾勒出的是弱凝胶，绿色勾勒出的是水流），孔隙2尺寸大于孔隙1，前置水流和弱凝胶都倾向于从孔隙2流动。孔隙2和孔隙3之间存在一个较大的空间，当弱凝胶通过孔隙3时，由于威森伯格现象，压力抬升，弱凝胶短暂滞留。后续水流从孔隙1通过，驱替出其中的油。这种现象说明弱凝胶具有液流改向作用。最后，弱凝胶变形通过孔隙3。

图5 弱凝胶使液流改向

研究结果还表明，弱凝胶中交联分子线团具有一定结构稳定性，弱凝胶团与水混合时会有明显的水胶分界面，而且因为大孔道中的渗流阻力较小，所以弱凝胶的驱替前缘总是倾向于沿水窜大孔道运移。如图6所示，紫色为弱凝胶、蓝色为水、红色为油。弱凝胶在多孔介质中的渗流类似于蛇在草丛中的穿行，一旦选定猎物就会向前猛窜，整个过程迅速而流畅[6]。而弱凝胶整体猛然前窜时后续水流不能立即填充，这就会形成瞬时“负压”[5]，在这种情况下孔隙中的油就会克服内部门槛压力而被“牵引”出孔喉，汇入油流。

图6 黏弹性负压吸油

后续水驱后，微观刻蚀模型显示效果不明显，主要原因有两方面：

a）用煤油稀释的原油本身的沥青等重组分含量较高，与煤油不相混合，多轮次驱替后，轻组分原油和煤油的混合液几乎被驱出，剩下的多数为含沥青质的重组分原油，常温下难以驱替。

b）微观刻蚀模型本身在弱凝胶驱替后采收率已达到很高程度，因此，后续水驱再次提高采收率的难度比实际情况大。

2.2 宏观物理填砂流动实验

表2～3分别是填砂岩芯基本参数和弱凝胶调剖驱油实验结果。

表2 岩芯基本参数

表3 弱凝胶调剖驱油实验结果（70℃）

由表2～3数据可见，并联的高、低渗透填砂管在实施调剖后，弱凝胶选择性地优先进入高渗透水淹层，使低渗透油层得到了十分明显的启动，提高采收率14.56%～25.49%。与此同时，由于弱凝胶是水溶性胶体，高渗透油层也未发生“堵死”现象，高渗层的增油潜力没有被彻底“埋没”，提高采收率2.97%～9.0%。验证了平面模型分析的弱凝胶驱替机理：弱凝胶能优先选择进入高渗透区域，形成对高渗透层的暂时封堵，有效启动低渗透层，体现出了弱凝胶的调驱特性。根据实验结果，计算注入弱凝胶后水驱的剖面改善率为95%以上，因此，弱凝胶具有较好的改善吸水剖面能力。

研究结果还表明，弱凝胶在多孔介质中的运移，既受到岩石基质的拉伸和剪切作用，也受到水的冲刷、稀释作用。弱凝胶在注入初期，进入剩余水占据的大孔道，提高了驱替压力，降低了高渗透区域的渗透率，但随着后续水驱的进行，弱凝胶不断被冲刷、稀释，强度降低。弱凝胶亦随之不断向前运移，将会被水驱出大孔道或高渗透区域。因此，从弱凝胶在孔隙介质中的运移过程和形态变化看，弱凝胶的主要作用是驱，而调只是前期或暂时作用[6]。

3 结论

a）填砂模型和微观刻蚀模型实验表明：弱凝胶调驱机理主要是，弱凝胶能选择性进入大孔道、能使液流改向和黏弹性负压吸油。

b）并联填砂流动实验表明：并联填砂管在实施调剖后，弱凝胶选择性地优先进入高渗透水淹层，使低渗透油层得到了十分明显的启动。同时，由于弱凝胶是水溶性的，高渗透油层也未发生“堵死”现象。

c）弱凝胶在孔隙介质中运移过程和形态变化可以看出，弱凝胶主要作用是驱，而调只是前期或暂时作用。

[1]张 宇. 弱凝胶体系成胶性能影响因素研究[J].天然气与石油，2013, 31(4): 70-72.Zhang Yu. Study on Effect of Profile Controlling and Flooding System of Weak Gel on Gelling Properties[J].Natural Gas and Oil. 2013, 31(4): 70-72.

[2]王 健，黄 云，顾宏君，等. 砾岩油藏弱凝胶调驱的注入参数优选[J]. 油气地质与采收率，2006, 13(1): 90-91.Wang Jian, Huang Yun, Gu Hongjun，et al. Optimization Study of Injection Parameters for Weak Gel Displacement Control in Conglomerate Oil Reservoir[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency, 2006, 13(1): 90-91.

[3]Mack J C, Smith J E. In-Depth Colloidal Dispersion Gels Improve Oil Recovery Efficiency[C].Paper 27780-MS Presented at the SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, 17-20 April 1994, Tulsa, Oklahoma, USA.New York: SPE, 1994.

[4]Stavland A, Jonsbraten H C. New Insight into Aluminum Citrate/Polyacrylamide Gels for Fluid Control[C]. Paper 35381 Presened at the SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, 21-24 April 1996, Tulsa, Oklahoma, USA. New York: SPE, 1996.

[5]赵秀娟，王传君.弱凝胶调驱微观渗流机理研究[J]. 油田化学，2004, 21(1): 56-60.Zhao Xiujuan,Wang Chuanjun. A Study on Microscopic Profiling/Oil Displacing Mechanisms in Weak Gel Flooding[J]. Oilfield Chemistry, 2004, 21(1): 56-60.

[6]陈铁龙，周晓俊，赵秀娟，等. 弱凝胶在多孔介质中的微观驱替机理[J].石油学报，2005, 26(5): 74-77.Chen Tielong, Zhou Xiaojun,Zhao Xiujuan，et al.Microscopic Displacement Mechanism of Weak Gel Flowing in Porous Media[J]. Acta Petrolei Sinica , 2005, 26(5):74-77.