聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系研究

梁守成*，吕鑫，梁丹，温鸿滨

聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系研究

梁守成1，2*，吕鑫1，2，梁丹1，2，温鸿滨3

1.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京东城100027 2.中海油研究总院，北京朝阳100028
3.中国石油大学（华东）石大油服公司，山东青岛266580

根据岩芯孔喉基本计算公式，计算岩芯的平均孔喉直径，通过吸水膨胀后不同大小聚合物微球在岩芯中的封堵效果，研究了聚合物微球大小与岩芯孔喉的匹配关系，确定了聚合物微球在岩芯中具有稳定封堵性能时微球粒径与岩芯孔喉直径的比值范围。从聚合物微球吸水膨胀性能、剪切前后微球粒径变化、不同大小聚合物微球在岩芯中的封堵效果、与岩芯匹配后的聚合物微球调剖作用对水驱采收率的影响几个方面，研究了聚合物微球大小与岩芯孔喉的匹配关系，从而为聚合物微球调剖体系大小选择提供实验依据。研究表明，当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值在0.33～1.50时，聚合物微球可以在岩芯中形成稳定的封堵能力，当聚合物微球粒径与孔喉直径比值在1.20～1.50时，聚合物微球兼具良好的运移能力和封堵效果。

聚合物微球；岩芯孔喉；匹配关系；封堵效果；调剖

引言

在水驱油田开发过程中，由于地层非均质性的存在，注入水沿高渗层突进，油井含水率逐年上升，注水井调剖、油井堵水已成为油田稳产增产的重要措施。目前常用的调剖体系主要为水溶性聚合物凝胶调剖剂、交联聚合物调剖剂、颗粒类调剖剂、沉淀型调剖剂、泡沫类堵剂、树脂型调剖剂、微生物类堵水调剖剂、水泥类调剖剂、聚合物二次交联调剖体系等几大类［1-6］。聚合物微球调剖技术是一种新型深部调剖技术［7-9］，通过聚合物交联形成具有吸水膨胀性能的弹性微球，利用其在储层多孔介质中的“运移、封堵、弹性变形、再运移、再封堵”机制，在高渗透带不断地封堵和运移，从而实现逐级封堵深部调剖效果。但是聚合物微球粒径与岩芯孔喉存在一定的匹配关系［10-11］，微球粒径过小使其容易通过地层孔喉难以形成稳定封堵，而粒径过大会导致注入困难，无法实现深部调剖。目前常用的聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系是借用Abrans暂堵理论［12-16］，但此理论是针对刚性球体的封堵，聚合物微球为弹性球体，具有受压变形的特性，因此，Abrans暂堵理论是否适用并不明确，需要对聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系进行研究。

本文通过室内实验研究了聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系，获得具有稳定封堵能力下的微球粒径与岩芯孔喉直径的比值范围，确定兼具运移能力和封堵能力条件下微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系，并通过与岩芯匹配后的聚合物微球调剖实验加以验证，从而为油田现场调剖作业选择微球粒径提供依据。

1 实验条件与方法

不同粒径聚合物微球，工业品；实验用水为渤海某油田模拟注入水，总矿化度为9 374.13 mg/L（表1）；实验用油为渤海某油田模拟油，65◦C下原油黏度70mPa·s。主要仪器：Zetasizer Nano ZS型激光粒度仪（英国马尔文公司）和岩芯驱替实验装置。

表1 模拟注入水离子组成Tab.1 Ionic composition of the injected water

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物微球吸水膨胀性能研究

将一定量的聚合物微球分散在渤海某油田地层模拟水中（微球浓度为200 mg/L），立即用激光粒度仪分析，得出微球的初始粒径分布；然后考察时间和剪切对聚合物微球膨胀性能的影响，放置时间分别为1，3，5，10，15，30，60 d。聚合物微球的水溶液经过上述不同条件的处理后，用激光粒度仪表征其粒径分布。

1.2.2 不同粒径聚合物微球在岩芯中的封堵率研究

均质柱状人造岩芯（2.5 cm×10.0 cm）水测渗透率后，恒速注入0.3 PV，浓度5 000 mg/L的不同粒径吸水膨胀后聚合物微球溶液，后续水驱，测定不同粒径吸水膨胀后的聚合物微球在岩芯中的封堵率，研究聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系。

1.2.3 匹配后的聚合物微球调剖作用对水驱采收率

出院指导：①避免长时间坐卧，尤其是交叉腿坐位，应定时活动肢体，患者下肢自我按摩或嘱咐家属多进行下肢肌肉的按摩，以促进血液循环；②注意清淡饮食，避免寒冷刺激，戒烟；③下肢静脉曲张或存在深静脉血栓危险因素的患者建议穿弹力袜。

影响研究

选取3层非均质岩芯（4.5cm×4.5cm×30.0cm），渗透率分别为500，2000，5000mD，孔隙度为31%。岩芯饱和水测孔隙体积，水驱至含水80%后，注入0.3 PV，浓度5 000 mg/L匹配后的聚合物微球溶液，关闭岩芯两端阀门，在65◦C下水化膨胀10 d；后续水驱，测定聚合物微球调剖作用对水驱采收率的贡献程度。

2 实验结果及分析

2.1 聚合物微球吸水膨胀性能研究

65◦C下，随着吸水时间的延长，聚合物微球粒径逐渐增加，10 d左右粒径达到最大（图1）。纳米级聚合物微球初始粒径仅有0.48µm，10 d后最大粒径为6.15µm，膨胀为12.8倍；微米级聚合物微球初始粒径为1.30µm，10 d后最大粒径为21.96µm，膨胀为16.9倍。实验表明，不同粒径聚合物微球均具有良好的吸水膨胀性能，根据地层孔喉尺寸可选择不同粒径的聚合物微球与之匹配，在注入过程中，聚合物微球逐渐吸水膨胀，从而对不同孔喉实现逐级封堵的目的。

图1 聚合物微球粒径与水化时间的关系Fig.1 Relationship between diameter and hydration time of polymer microspheres

2.2 剪切作用对聚合物微球粒径影响研究

实验将200 mg/L的聚合物微球稀溶液用Waring搅拌器在1档条件下剪切20 s，吸水膨胀10 d后，观察剪切前后聚合物微球粒径及分布的变化。聚合物微球吸水膨胀后的最大粒径并没有因为剪切而发生明显变化，吸水膨胀10 d后聚合物微球平均粒径均在22.00µm左右。剪切作用也不会破坏聚合物微球的粒径分布，剪切前后聚合物微球粒径分布范围基本没有变化（图2、图3），说明剪切作用对聚合物微球膨胀后的粒径基本没有影响，聚合物微球具有良好的抗剪切性能。

图2 剪切前吸水膨胀10 d后聚合物微球粒径Fig.2 Polymer microsphere diameter without shearing after swelling 10 days

同时，剪切作用会加快聚合物微球的吸水膨胀速度（图4），这是因为聚合物微球表面被油膜包裹，剪切作用可以剥离聚合物微球表面油膜，从而使得其更容易吸水膨胀。海上油田多采用绕丝筛管加砾石充填的防砂方式，对注入药剂具有较强的剪切作用，聚合物微球具有良好的抗剪切性能保证了现场注入匹配后的聚合物微球经剪切后与地层孔喉依然具有良好的匹配关系。

图3 剪切后吸水膨胀10 d后聚合物微球粒径Fig.3 Polymer microsphere diameter with shearing after swelling 10 days

图4 剪切前后聚合物微球粒径与吸水膨胀时间关系Fig.4 Relationship between diameter and swelling time before and after shearing

2.3 不同粒径聚合物微球在岩芯中封堵率研究

实验首先利用Kozeny公式（1）计算岩芯的平均孔喉直径，通过测试吸水膨胀后不同粒径的聚合物微球在岩芯中的封堵情况，研究了聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系。

式中：d-岩芯孔喉直径，µm；K-岩芯渗透率，mD；ϕ岩芯孔隙度，%。

随聚合物微球粒径的增加，聚合物微球在岩芯中的封堵率逐渐增加（表2）。当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径的比值在0.33～1.50时，聚合物微球具有稳定的封堵能力，并不会在岩芯端面产生滞留。当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值小于1时，聚合物微球在岩芯中的封堵效果一般（封堵率一般不超过35%），随压力的升高，聚合物微球很容易通过岩芯孔喉而起不到封堵作用。当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值为1：3时，微球通过架桥作用对岩芯孔喉的封堵率最高，但仍不到40%，并且聚合物微球粒径变大或变小均会导致封堵率明显下降，难以在现场条件下匹配应用。当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值在1.20～1.50时，聚合物微球在岩芯中的封堵率随聚合物微球粒径的增加而明显升高，聚合物微球具有良好的封堵性能（封堵率超过40%），同时随注入压力升高可以变形运移，从而进入油藏深部，兼具了注入性能与封堵性能。当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值超过1.50时，虽然其封堵性能进一步增加，但岩芯端面开始出现聚合物微球堆积现象，在端面形成胶团，此时聚合物微球出现注入困难现象。因此，研究认为，当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值在0.33～1.50时，聚合物微球在保证注入性的同时，可以在岩芯中形成稳定的封堵；当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值为1.20～1.50时，微球兼具良好的运移能力和封堵效果；当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值超过1.50时，聚合物微球存在注入困难的现象。

表2 不同粒径聚合物微球在岩芯中的封堵情况Tab.2 Polymer microsphere plugging effect in cores

2.4 与岩芯匹配后的聚合物微球调剖作用对水驱采收率影响研究

实验选取3层非均质岩芯，根据式（1）计算岩芯各层的平均孔喉直径分别为7.18，14.37，22.72µm。根据研究结果，吸水膨胀后的微球粒径与岩芯孔喉直径的最佳比值范围为1.20～1.50，因此，选取吸水膨胀后平均粒径为30.23µm的聚合物微球进行实验，验证在3层非均质岩芯中聚合物微球调剖作用对水驱采收率的贡献程度（图5）。

图5 匹配后的微球调剖作用对水驱采收率的贡献Fig.5 Effect of profile control by the matching microsphere on water flooding recovery

水驱后，注入0.3 PV聚合物微球溶液，水化膨胀10 d，后续水驱，测定聚合物微球调剖作用对水驱采收率的贡献。0.3 PV聚合物微球注入过程中，注入压力上涨幅度不大，说明未吸水膨胀的聚合物微球溶液具有良好的注入性能。吸水膨胀10 d后，后续水驱压力明显上涨，采出端含水率有一定下降，说明膨胀后的聚合物微球对高渗层产生了封堵，改变了注入水的液流方向，扩大了注入水的波及体积。与未注入聚合物微球相比，注入0.3 PV聚合物微球后，水驱采收率提高19.79%，表明筛选匹配后的聚合物微球与岩芯孔喉具有良好的匹配关系，其调剖作用对水驱采收率的贡献显著。

3 结论

（1）聚合物微球具有良好的抗剪切性能，剪切前后微球粒径分布基本没有变化，并且剪切作用会加快聚合物微球吸水膨胀速度；吸水膨胀10 d左右聚合物微球尺寸达到最大，膨胀倍数均在12倍以上。

（2）Abrans暂堵理论依然适用于聚合物微球弹性球体，但架桥的封堵率不高，且受聚合物微球粒径变化影响较大，聚合物微球变大或变小均会导致封堵率明显下降，难以匹配应用。

（3）聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值在0.33～1.50时，聚合物微球在保证良好注入性前提下，可以在岩芯中形成稳定的封堵能力，随聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值的增加，封堵效果逐渐增强；聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值为1.20～1.50时，其同时兼具良好的运移能力和封堵效果，封堵率超过40%；当聚合物微球粒径与岩芯孔喉直径比值超过1.50时，聚合物微球出现注入困难现象。

（4）匹配后的聚合物微球具有良好的调剖效果，与未注聚合物微球相比，采收率提高19.79%。未水化膨胀的聚合物微球具有良好的注入性能，吸水膨胀后的聚合物微球可以对高渗层形成封堵，改变水流通道，扩大注入水的波及体积，提高采收率。

［1］林伟民，陈永浩，曹敏，等.深部调剖剂YG聚合物微球性能评价与应用［J］.油田化学，2011，28（3）：327-330. LIN Weimin，CHEN Yonghao，CAO Min，et al.Evaluation and application of YG polymer microspheres as deep profilecontrolagent［J］.OilfieldChemistry，2011，28（3）：327-330.

［2］林梅钦，韩飞雪，李明远，等.核微孔滤膜评价交联聚合物溶液封堵性质的研究［J］.膜科学与技术，2003，23（2）：11-14.

［3］赵修太，董林燕，王增宝，等.深部液流转向技术应用现状及发展趋势［J］.应用化工，2013，42（6）：1121-1123. ZHAO Xiutai，DONG Linyan，WANG Zengbao，et al. Application status and development tendency of deep fluiddiversion［J］.AppliedChemicalIndustry，2013，42（6）：1121-1123.

［4］李宜坤，覃和，蔡磊.国内堵水调剖的现状及发展趋势［J］.钻采工艺，2006，29（5）：105-106，123. LI Yikun，QIN He，CAI Lei.Current situation and development direction of water shutoff&profile control in China［J］.Drilling&Production Technology，2006，29（5）：105-106，123.

［5］姚传进，雷光伦，高雪梅，等.非均质条件下孔喉尺度弹性微球深部调驱研究［J］.油气地质与采收率，2012，19（5）：61-64. YAO Chuanjin，LEI Guanglun，GAO Xuemei，et al. Study on indepth profile control and flooding of porescale elastic microspheres under heterogeneous condition［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2012，19（5）：61-64.

［6］孙丽娜，李军强.油田深部液流转向技术［J］.断块油气田，2009，16（3）：88-89. SUNLina，LIJunqiang.Diversiontechniqueofdeepfluid in oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2009，16（3）：88-89.

［7］刘敏，张良涛，陈庆华.聚合物微球调驱在高温高盐油藏的研究与现场试验［J］.内江科技，2007，85（9）：112-113.

［8］张建华.水膨体类调剖剂堵调机理实验研究［J］.科技通报，2012，28（2）：89-91. ZHANGJianhua.Studyontheshut-offandprofile-control mechanismofswellableprofile-controlagents［J］.Bulletin of Science and Technology，2012，28（2）：89-91.

［9］黎晓茸，张营，贾玉琴，等.聚合物微球调驱技术在长庆油田的应用［J］.油田化学，2012，29（4）：419-422. LIXiaorong，ZHANGYing，JIAYuqin，etal.Application ofpolymermicrospheresprofile-controllingtechnologyin Changqing Oilfield［J］.Oilfield Chemistry，2012，29（4）：419-422.

［10］李东旭，侯吉瑞，赵凤兰，等.预交联颗粒调堵性能及粒径与孔隙匹配研究［J］.石油化工高等学校学报，2010，23（2）：25-28，33. LI Dongxu，HOU Jirui，ZHAO Fenglan，et al.Research on profile control and water shut-off performance of precrosslinked gel particles and matching relationship between particle and pore size［J］.Journal of Petrochemical Universities，2010，23（2）：25-28，33.

［11］崔晓红，朴佳锐，李明远，等.预交联聚合物凝胶颗粒分散体系的流变性能［J］.石油学报（石油加工），2008，24（4）：415-419. CUI Xiaohong，PIAO Jiarui，LI Mingyuan，et al.The rheological properties of preformed particle gel dispersionsystem［J］.ActaPetroleiSinica（PetroleumProcessing Section），2008，24（4）：415-419.

［12］刘金华，王治法，常连玉，等.复合堵漏剂DL-1封堵裂缝的室内研究［J］.钻井液与完井液，2008，25（1）：50-52. LIU Jinhua，WANG Zhifa，CHANG Lianyu，et al.Laboratory study on fracture plugging with the compound LCM DL-1［J］.Drilling Fluid&Completion Fluid，2008，25（1）：50-52.

［13］韩杰，唐金星，刘峥君.聚合物分子尺寸大小及其与岩石孔喉尺寸配伍关系的试验研究［J］.长江大学学报（自科版），2006，3（4）：59-61. HAN Jie，TANG Jinxing，LIU Zhengjun.Experimental detection of polymer size with different molecular weights［J］.Journal of Yangtze University（Nat Sci Edit），2006，3（4）：59-61.

［14］祝仰文.聚合物MO-4000与油藏渗透率的配伍性研究［J］.油田化学，2008，25（1）：38-41，59. ZHU Yangwen.A study on conformity of HPAM polymer MO-4000 to reservoir permeability in EOR［J］.OilfieldChemistry，2008，25（1）：38-41，59.

［15］卢虎，吴晓花，瞿凌敏.聚合醇保护裂缝性储层应用研究［J］.油田化学，2004，21（3）：205-208. LU Hu，WU Xiaohua，QU Lingmin.Studies on using polyols in water base drilling fluids for fissured carbonatestone reservoirs［J］.Oilfield Chemistry，2004，21（3）：205-208.

［16］张艳辉，戴彩丽，纪文娟，等.聚合物微球调驱机理及应用方法探究［J］.石油与天然气化工，2012，41（5）：508-511. ZHANG Yanhui，DAI Caili，JI Wenjuan，et al.Profile control and flooding mechanism and application methods of polymer microsphere［J］.Chemical Engineering of Oil&Gas，2012，41（5）：508-511.

编辑：牛静静

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

A Study on Matching Relationship of Polymer Microsphere Size

LIANG Shoucheng1，2*，LÜ Xin1，2，LIANG Dan1，2，WEN Hongbin3
1.State Key Lab of Offshore Oil Exploitation，Dongcheng，Beijing 100027，China
2.CNOOC Research Institute，Chaoyang，Beijing 100028，China
3.Shida Oilfield Technical Services Co.Ltd.，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China

According to the calculation formula of pore throat size of cores，average pore throat diameter of cores was calculated.The matching relationship between the pore throat and the polymer microsphere size was researched，through analysis of plugging effect of polymer microspheres of different sizes injected in cores.The range of ratio of polymer microsphere size to pore throat diameter of cores was determined when stable plugging performance was obtained.Experiments were conducted to investigate swelling properties of polymer microspheres，microsphere size change before and after shearing，plugging effect of different size microspheres，and effect on recovery of profile control of selected polymer microspheres.The experimental results elucidated the matching relationship between the pore throat and the polymer microsphere size，and provided experimental evidence for size selection of polymer microsphere under different reservoir conditions.Results show that rational ratio of polymer microspheresize to pore throat diameteris in the range 0.33～1.50，and then the polymer microsphere has stable plug effect.When the ratio is in the range of 1.20～1.50，the polymer microsphere has both good plugging effect and good migration ability.

polymer microsphere；pore throat of cores；matching relationship；plugging effect；profile control

梁守成，1983年生，男，汉族，辽宁丹东人，工程师，硕士，主要从事油气田开发方面的工作。E-mail：liangshch@cnooc.com.cn

吕鑫，1978年生，男，汉族，辽宁铁岭人，高级工程师，博士，主要从事油气田开发方面的研究工作。E-mail：lvxin@cnooc.com.cn

梁丹，1980年生，女，汉族，四川广源人，工程师，硕士，主要从事油气田开发方面的工作。E-mail：liangdan@cnooc.com.cn

温鸿滨，1972年生，男，汉族，山东济阳人，高级工程师，主要从事油田调剖堵水方面的工作。E-mail：wenhongbin1972@sina.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.11.12.03

1674-5086（2016）01-0140-06

TE357

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160107.1504.002.html

梁守成，吕鑫，梁丹，等．聚合物微球粒径与岩芯孔喉的匹配关系研究［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（1）：140-145．

LIANG Shoucheng，LÜ Xin，LIANG Dan，et al．A Study on Matching Relationship of Polymer Microsphere Size［J］．Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（1）：140-145．*

2013-11-12网络出版时间：2016-01-07

梁守成，E-mail：liangshch@cnooc.com.cn

“十二五”国家科技重大专项（2011ZX05024-004）。