高盐油藏聚合物微球缓膨性能

王 威，卢祥国，吕金龙，王晓燕，张立东

（1.东北石油大学 石油工程学院 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油 吐哈油田工程技术研究院，新疆 鄯善 838202）

随着原油需求量的日趋增长，如何高效开发高矿化度油藏引起科研工作者的广泛重视［1］。聚合物驱油具有技术简单、操作流程简便、投资成本较小和采收率增幅较大的优点，应用于各大油田［2-3］。国内聚合物驱主要集中在中低盐油藏，在高矿化度和高钙镁离子条件下，常规聚合物分子结构发生改变，黏度会急剧下降，对油田增油降水效果影响显著，而聚合物微球则有良好的耐温抗盐特性，同时聚合物微球具有较强的变形能力和较小的微球颗粒分布范围，在多孔介质中具有“捕集—变形—运移—再捕集—再变形—再运移……”运动特征，能够有效地削弱剖面返转现象，对深部液流转向和扩大波及体积具有重要意义［4-12］。从矿场应用效果来看，高温高盐油藏如华北油田及海塔油田应用聚合物微球调驱效果显著［13-16］。吐哈雁木西油田具有储层渗透率低，油藏高矿化度等特点，因此对聚合物微球调驱效果的研究尤为重要。

本工作针对吐哈雁木西油田高矿化度的油藏条件，对4种微球的水化膨胀规律进行研究，利用均质岩心评价聚合物微球封堵性能和缓膨效果，筛选出封堵和缓膨效果较好的聚合物微球，为特高矿化度条件下聚合物微球的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚合物微球A1：反相乳化合成微球用油相为白油，实验室合成；聚合物微球A2：反相乳化合成微球用油相为液体石蜡，实验室合成；聚合物微球B：中海石油天津分公司；聚合物微球C：山东诺尔生物科技有限公司。以上微球有效含量均为100%。

实验用水为吐哈雁木西油田模拟注入水和软化水，其中软化水是通过除去水中钙镁离子而获取。注入水水质分析见表1。

表1 水质分析Table 1 Water quality analysis

岩心孔隙中微球水化缓膨效果评价实验用岩心为石英砂环氧树脂胶结人造均质方岩心，渗透率为 1 300×10-3μm2，外观尺寸为 4.5 cm×4.5 cm×30 cm［17］。

1.2 实验仪器

采用奥特光学仪器公司BDS400型倒置生物显微镜观测聚合物微球外观形态、尺寸及分布规律，对微球粒径、粒径分布和水化缓膨效果进行分析。

岩心驱替实验设备主要包括平流泵、压力传感器、手摇泵和中间容器等［18］。除平流泵和手摇泵外，其他部分置于50 ℃恒温箱内。考虑到高矿化度注入水密度较高，聚合物微球密度略低于水，实验过程中微球会在普通中间容器内发生漂浮，进而对微球进入岩心孔隙造成不利影响，因此采用具有搅拌功能的中间容器。

采用目标油田注入水分别配制成600，1 200，1 800 mg/L微球溶液，置于50 ℃保温箱中，定期取样检测。考虑到目标油田注入水矿化度较高，聚合物微球分散效果较差，测量前先搅拌5～10 min，再用医用注射器吸取少量试样滴到载玻片上，之后定期观测微球形态和尺寸，确定微球粒径与水化时间的关系，统计微球膨胀前后的粒径分布。

微球膨胀倍数的计算见式（1）。

式中，Q为微球膨胀倍数；d1和d2分别为初始和膨胀后微球的粒径，μm。

1.3 实验步骤

在显微镜屏幕测试框内划定一个半径800 μm圆形区域，统计该区域内微球数目和粒径，求出最大值和最小值。将微球粒径数据分成若干组，分组数量5～12间较为适宜，分组个数称为组数，每组两个端点差值称为组距。采用粒径最大值和最小值之差除以组数，确定组距宽度。计算各组界限位，各组界限位可以从第一组开始依次计算，第一组下界为最小值，第一组上界为其下界值加上组距；第二组下界限位为第一组上界限值，第二组下界限值加上组距，就是第二组上界限位，依此类推。统计各组数据出现频数，计算各组频率。以组距为底长，以频率为高，绘制各组粒径分布曲线。

采用目标油田注入水配制设计浓度聚合物微球溶液，将微球溶液装入实时搅拌型中间容器内，启动中间容器内搅拌桨，确保微球不发生漂浮；将岩心放入岩心夹持器，采用管线将平流泵、中间容器和岩心夹持器连接成一个注采系统，除岩心夹持器外，其他仪器设备置于保温箱外；采用手摇泵提高夹持器环压压力，确保环压压力高于注入压力1 MPa以上。启动平流泵，以0.3 mL/min速率水驱直至注入压力稳定，记录注入压差，确定岩心水测渗透率；以3 mL/min速率将设计PV数（岩心孔隙体积倍数）微球溶液注入岩心，停泵；为消除微球在岩心注入端面附近区域滞留而产生的“桥堵”效应，将岩心从夹持器中取出，切掉端面附近2.0 cm长度，再将岩心按取出状态放回夹持器；以0.3 mL/min速率再进行水驱，直至压力稳定，记录压差，计算阻力系数。岩心夹持器保留在恒温箱内，定期后续水驱直至压力稳定，记录压差。

1.4 方案设计

采用注入水和软化水分别配制微球A1、微球B和微球C溶液（600 mg/L），然后用生物显微镜观测和统计不同时刻粒径和粒径分布。

采用软化水配制微球A2溶液（1 800 mg/L）和注入水微球C，将它们分别注入岩心孔隙，定期测量不同时刻注入压力，计算阻力系数、残余阻力系数和封堵率。显微镜观测实验在室温下进行，微球储存和岩心驱替实验温度50 ℃。

2 结果与讨论

2.1 微球粒径、粒径分布及膨胀性能

2.1.1 微球粒径和粒径分布与时间关系

图1为注入水配制微球粒径分布与水化时间的关系。

由图1a可知，微球A1初始粒径2.10～2.70 μm，粒径中值2.40 μm；120 h前微球粒径中值变化幅度不大，120 h后粒径最大值5.70 μm，中值3.00 μm；192 h后膨胀基本停止，最大颗粒粒径6.40 μm，中值3.25 μm，膨胀倍数1.33～1.38。由图1b可知，微球B初始粒径15.20～16.50 μm，中值15.85 μm；由于溶剂水矿化度较高，微球粒径逐渐变小；120 h后粒径最大值5.70 μm，中值3.00 μm；192 h后粒径最大值 5.70 μm，中值 2.45 μm。由图1c可知，微球C初始粒径6.20～7.30 μm，中值 6.75 μm；120 h后粒径最大值 12.80 μm，中值8.05 μm；192 h后部分微球粒径迅速增加，最大值13.80 μm，中值9.60 μm，膨胀倍数1.39～1.45。

图1 微球粒径分布与时间关系Fig.1 Relationship between polymer microsphere size distribution and time.

2.1.2 微球类型及膨胀性能

表2为注入水配制微球A1、微球B和微球C水化膨胀过程中粒径中值与时间的关系。

由表2可知，随时间的增加，微球B粒径呈现收缩状态；其他微球处于膨胀状态，其中微球C粒径增加幅度较大。

图2为微球粒径中值膨胀倍数与时间关系。由图2可知，随水化时间的延长，微球C粒径膨胀倍数增加幅度较大。从水化效果（即膨胀倍数）方面考虑，几种微球性能优劣排序为微球C（1 200，1 800 mg/L）＞微球A1（600，1 200，1 800 mg/L）和微球C（600 mg/L）＞微球B（600，1 200，1 800 mg/L）。因此，选用微球C（1 800 mg/L）用于后续岩心缓膨效果评价实验。

2.1.3 水型对微球膨胀性能的影响

表3为采用软化水配制的聚合物微球溶液，微球粒径与时间的关系。由表3可知，随着时间的增加，微球B粒径呈收缩状态，微球C粒径变化不稳定，其他微球处于膨胀状态，其中微球A2（1 800 mg/L）粒径增幅最大，192 h后中值为10.20 μm。

表2 粒径中值测试结果Table 2 Median diameter of polymer microspheres

图2 微球膨胀倍数与时间的关系Fig.2 Relationship between polymer microsphere expansion ratio and expansion time.

图3为微球粒径中值膨胀倍数与时间的关系。由图3可知，随着水化时间的延长，微球A2粒径膨胀倍数增加幅度较大。从水化效果（即膨胀倍数）方面考虑，几种微球性能优劣排序为微球A2＞微球A1＞微球B＞微球C。

综上所述，对比表2与表3数据分析可知，与注入水配制微球相比，软化水微球在外观形态、数量和稳定性等方面存在差异。在注入水配制微球条件下，微球C膨胀倍数为2.61～2.66，微球A为1.32～1.70，微球B粒径逐渐减小。在软化水条件下，微球A2（1 800 mg/L）膨胀倍数为3.92～4.27，微球A1较微球A2缓膨性稍差，但水溶性较好。微球B粒径呈现先减小后趋于稳定的变化趋势，微球C水化膨胀作用效果较差。

表3 粒径中值测试结果Table 3 Median diameter of polymer microspheres

图3 微球膨胀倍数与时间关系Fig.3 Relationship between polymer microsphere expansion ratio and expansion time.

在几种微球中，除微球B外，其他微球在软化水中存在聚并现象，即微球呈现“链状”和“多边形状”结构排列，多数微球附于此结构两侧或内部；软化水配制微球在测试过程中发生数量明显减少现象（微球材料溶解于水中），其中微球C尤其明显；注入水配制微球C在测试过程中发生漂浮现象，而软化水配制微球C会发生絮状沉淀，搅拌后絮状物消失。

由于雁木西油田水矿化度较高，在低温冷冻条件下微球试样常伴随盐析出，通过寻找碳元素可捕捉少量微球。图4为微球C的TEM照片。由图4可知，微球C在雁木西油田注入水中与盐颗粒分界清晰，形态稳定。而在软化水中，微球被盐晶体覆盖包裹严重，微球与盐晶体界限不清晰，微球形态不稳定。

2.2 微球岩心孔隙内水化缓膨和封堵性能

2.2.1 阻力系数和残余阻力系数

表4为聚合物微球岩心孔隙内缓膨封堵实验结果。由表4可知，微球进入岩心孔隙后发生滞留，致使孔隙过流端面减小，渗流阻力增加，2种微球阻力系数分别为3.5和3.6，其中微球A2性能略占优。在岩心孔隙内滞留过程中，微球水化膨胀致使渗流阻力进一步增加，7 d后残余阻力系数分别为4.8和5.4，表现出较强的液流转向能力。

图4 微球C的TEM照片Fig.4 TEM images of polymer microspheres C.

表4 阻力系数和残余阻力系数Table 4 The resistance factor and the residual resistance factor

2.2.2 注入压力

图5为实验过程中微球注入压力与PV数的关系。由图5可知，在微球注入岩心过程中，由于微球在岩心端面发生聚并和桥堵效应，致使注入压力持续升高。在后续水驱阶段，注入压力呈现由升高到稳定的变化趋势，这是微球在岩心孔隙内水化膨胀和部分微球离开岩心共同作用的结果。与微球C相比较，微球A2注入压力较高。

图5 注入压力与PV数的关系Fig.5 Relationship between injection pressure and PV.

3 结论

1）在注入水配制微球条件下，微球C膨胀倍数为2.61～2.66，微球A为1.32～1.70，微球B粒径逐渐减小。在软化水条件下，微球A2（1 800 mg/L）膨胀倍数为3.92～4.27，微球A1较微球A2缓膨性稍差，但水溶性较好。微球B粒径呈现先减小后趋于稳定的变化趋势，微球C水化膨胀作用效果较差。

2）与注入水相比较，软化水配制微球会造成部分微球材料溶解于水中，致使微球数量减少，其中微球C最明显。此外，注入水配制微球C会发生漂浮现象，软化水配制微球C会发生絮状沉淀，搅拌后絮状物消失。

3）与微球C相比较，岩心孔隙内微球A2引起的注入压力、阻力系数和残余阻力系数较大，表明微球A2水化膨胀效果较好，液流转向能力较强。