非均相聚合物驱油藏防砂井近井挡砂介质堵塞机理实验研究

2020-12-03王力智董长银何海峰曹庆平宋雅君

石油钻探技术 2020年5期

王力智，董长银，何海峰，曹庆平，宋雅君

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂，山东东营 257000；3.中国石油大港油田分公司石油工程技术研究院，天津 300450）

聚合物堵塞是非均相复合驱油田开发面临的主要问题之一，非均相复合驱后地层出砂严重，且易与聚合物产生复合堵塞，造成油井产量降低，所以防砂解堵是保证油田高效开发的关键。聚合物注入过程中，会在复杂地层条件下与地层中的岩石、微生物和流体等发生物理化学反应，导致其老化并黏合油、砂和黏土，形成聚合物堵塞物[1]。目前，针对非均相复合驱的研究主要集中于聚合物原液在多孔介质中的运移及驱替规律[2-9]，聚合物老化堵塞方面研究很少。关于注聚井堵塞规律及原因方面，国内外学者采用矿场试验评价、室内注聚实验分析及数值模拟等方法进行了一些研究[10-18]。孟向丽等人[10]分析认为堵塞产生的原因包括微粒运移，聚合物混合不均匀、相对分子质量过大，无机物与细菌的影响等；I.W.Jolma 等人[11-12]指出，聚合物浓度、聚合物分子大小与孔喉尺寸的关系决定了聚合物在岩石基质中的堵塞程度；郑俊德等人[13-14]基于堵塞物成分分析结果，得出了堵塞程度与渗透率的关系；刘继莹等人[15]揭示了残余聚合物在地层中的分布特征；董长银等人[16]针对聚合物驱防砂介质，提出了物理化学复合堵塞机制，指出了堵塞与固相颗粒、原油和聚合物的关系；刘东等人[17]通过研究聚合物在砂砾表面的吸附形态，初步揭示了注聚井堵塞的部分原因。以上研究均针对常规聚合物驱油藏的堵塞，缺乏堵塞物运移机理的研究，聚合物堵塞物对于近井挡砂介质的堵塞规律不明确。为此，本文基于砾石充填防砂原理[19-22]，进行了聚合物堵塞物在非均质地层中的运移模拟实验，模拟了堵塞物对砾石层的堵塞过程，分析了堵塞物在多孔介质中运移规律，提出了堵塞物对挡砂介质的堵塞机制，为制定聚合物驱防砂井近井地带聚合物堵塞的解堵措施提供了依据。

1 实验装置与实验条件

1.1 实验装置

地层中残余聚合物非均质性分布明显，且与地层渗透率密切相关[14-15]。油井出聚后近井储层及挡砂介质堵塞严重，主要原因是聚合物与固相颗粒的物理化学复合堵塞[16]。为了模拟堵塞物在非均质地层中的运移及在挡砂介质中的复合堵塞过程，研制了非均相复合驱介质堵塞模拟实验装置（见图1）。该装置由储液罐、液泵、集砂罐、单向驱替装置和加砂器等组成，其中，单向驱替装置由不同直径的圆柱形透明容器短节组合而成，短节中可以灵活充填不同类型的固相颗粒。

1.2 实验材料与实验条件

图1 非均相复合驱介质堵塞模拟实验装置Fig.1 Experimental simulation device of medium plugging of heterogeneous composite flooding

研究目标工区为胜利孤东油田，非均相复合驱区块的地层砂粒径中值约0.15 mm，防砂时主要采用了粒径0.60～1.20 mm 和0.40～0.80 mm 的2 种砾石。本文实验选择了用量较大、具有代表性的粒径中值0.15 mm 的地层砂和粒径0.60～1.20 mm 的砾石。实验地层砂是根据目标工区典型地层砂筛析曲线选取不同粒径石英砂配制而成，粒径中值为0.15 mm，泥质含量为15%，泥质采用高岭石、伊利石、蒙脱石按1:3:1 的比例配制而成；固相充填材料为普通砾石，粒径为0.60～1.20 mm，粒径中值为1.07 mm。堵塞物采用防砂油井中取出的样品。

实验流体包括清水、驱替基液、聚合物与PPG（预交联凝胶颗粒）复配原液。其中，驱替基液采用黏度3.0 mPa·s 的胍胶溶液；将聚丙烯酰胺颗粒与PPG（配比为1:1）低速搅拌至完全溶解，得到聚合物与PPG 复配原液，其总质量浓度为2400 mg/L。

2 非均质储层堵塞物运移堵塞规律

2.1 堵塞物成分分析

现场堵塞物取样时发现，非均相复合驱后部分井的筛管、地层返吐物中含有大量的黏稠状堵塞物。称取一定量的堵塞物，进行成分分析：先用石油醚浸泡2 次，分离出其中的饱和烃、芳香烃和胶质；再用苯浸泡清洗，分离出其中的沥青质；最后用蒸馏水清洗，分离出其中的砂粒及老化聚合物。结果表明：堵塞物中聚合物质量分数为70%～90%，油污、砂粒及垢的质量分数约为15%，其他物质的质量分数约为5%。

采用燃烧法和粉末衍射法，对成分分析后的堵塞物进行元素分析，结果如表1 所示。从表1 可以看出，堵塞物含有多种金属离子，说明聚合物与高矿化度地层流体发生反应是导致其凝胶化的原因之一。结合堵塞物成分分析结果可以看出，聚丙烯酰胺及PPG 进入地层后在复杂地层条件下会发生老化，并与油污、砂砾等形成黏稠状混合物。

表1 聚合物堵塞物样品元素分析结果Table 1 Element analysis results of poly mer plug samples

2.2 堵塞物在高渗透带中的运移

将砾石与地层砂分别以不同组合形式装填于单向流透明容器短节,其中充填地层砂模拟低孔隙度低渗透性地层，充填砾石模拟高孔隙度高渗透性地层。甲组实验通过在容器短节中部充填圆柱状砾石柱,模拟地层中高渗透带延伸状态(见图2);乙组实验通过在容器短节前端充填砾石并逐步形成圆锥形尖灭,模拟高渗透带出现尖灭逐渐消失的状态(见图3)。在填砂面前端均匀填入3.0g堵塞物,使用清水进行驱替实验。主体装置使用图1中的单向驱替装置A,内径50mm,充填段长度150mm;驱替排量0.6m3/h,驱替时间约40min。实验过程中测量流量和短节两端的驱替压差，计算渗透率变化,结果如图4所示。

图2 甲组实验中填充砾石模拟延伸状态的高渗透带Fig.2 Simulation of the high permeability zone in the extension state utilizing gravel filling in group A

图3 乙组实验中填充砾石模拟存在尖灭的高渗透带Fig.3 Simulation of the high permeability zone with pinch out utilizing gravel flling in group B

图4 不同孔道类型条件下砾石层总体渗透率变化曲线Fig.4 Overall permeability variation curve of gravel layer under different channel type conditions

由图4可见,在相同驱替流体和流量的条件下,填入堵塞物后,砾石层总体渗透率显著下降,乙组实验中的砾石层(初始渗透率5.8D)总体渗透率下降36%,下降幅度略高于甲组实验中的砾石层。从图4还可以看出,砾石层渗透率变化分为3个阶段:阶段1,渗透率迅速降低;阶段2,渗透率出现一定幅度波动;阶段3,乙组实验中的砾石层总体渗透率缓慢下降约0.1 D,甲组实验中的砾石层总体渗透率上升约0.2 D。

实验结束后,取出局部样品,观察堵塞物的运移及聚集状态。图5(a)为甲组实验填砂管中部高渗透带（即砾石层)的堵塞物侵入形态照片，可以看出,堵塞物在高渗透带端面附着聚集较多,中部与砂砾呈混合状,底部可见少量细碎堵塞物。这说明堵塞物明显沿高渗透带侵入运移,但侵入程度越来越弱。图5(b)为高低渗透带交界面处堵塞物侵入形态，可以看出，驱替方向前端与末端有清晰的侵人分界面，低渗透带(即地层砂)中未观察到堵塞物侵入。这是由于高低渗透带的流动性差异,堵塞物会沿有较大孔喉的高渗透带运移,侵入低渗透储层的概率极低。

图5 甲组实验中不同位置处的堵塞物侵入形态Fig.5 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group A

乙组实验结束后，取出局部样品观察堵塞物的运移及聚集状态﹐结果见图6。由图6可以看出，端面堵塞物较多,呈黏稠状附着于表面;部分堵塞物侵人高渗透带﹐高低渗透带交界面有明显的堵塞物;低渗透带中未观察到堵塞物侵入。

图6 乙组实验中不同位置堵塞物侵入形态Fig,6 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group B

由图6还可以看出,侵人高渗透带的堵塞物要少于高低渗透带交界面处的堵塞物。分析认为，乙组实验中高渗透带内堵塞物在不同阶段(见图4)表现为:阶段1,大尺寸堵塞物在驱替作用下快速堵塞砾石层孔喉,并且堵塞物中黏弹性聚合物包裹黏附于砾石层表面，造成砾石层总体渗透率快速降低;阶段2,堵塞物中部分小尺寸黏团在流体携带作用下剥落并侵人高渗透带,大尺寸堵塞物在拉伸剪切作用下也会逐渐沿高渗透带运移,压力出现一定程度波动;阶段3,聚合物堵塞物向高渗透带末端运移过程中遇到低渗透带时,逐渐产生聚集堵塞并出现清晰界面，高渗透带总体渗透率缓慢下降。与乙组实验相比,甲组实验中堵塞物在高渗透带内前两阶段的运移规律致,但由于其不存在孔道变化,小尺寸黏团逐渐剥落并通过砾石层,因而总体渗透率出现小幅度上升。

2.3 多孔介质中堵塞物运移堵塞机理

通过分析实验结果，得到堵塞物在多孔介质的运移堵塞机理为:1)聚合物堵塞物中的主要成分聚合物老化物为交联凝胶状物质,不易流动且具有黏附性,趋于以小尺寸黏团形态沿大孔道或高渗透带运移,不易侵人低渗透带;2)聚合物堵塞物在孔喉尺度较小的储层中流动性差，运移过程中遇到空间狭窄或低渗透区时，会重新聚集形成堵塞(见图7(a))。

图7 储层多孔介质及近井储层聚合物堵塞物运移堵塞原理示意Fig.7 Schematic diagram of migration and plugging of polymer plug in porous media and near well formation

从宏观角度看,部分油田注水开发后期转注聚开发，会存在局部高渗透区或地层大孔道,注入的聚合物与PPG颗粒会沿高渗透区突进。根据实验结果分析，聚合物与PPG颗粒向井眼流动过程中，在复杂条件下与地层水生成小尺度老化堵塞物,沿局部大孔道或高渗透带运移,在井眼周围非均质高渗透带狭窄处或低渗透带形成聚团,最终造成近井堵塞(见图7(b))。形成地层均匀堵塞所需要的堵塞物量巨大,且聚合物老化形成凝胶状堵塞物需要一定时间，很难达到相应堵塞条件,因此流道局部堵塞是主要的堵塞模式。

3 近井挡砂介质的堵塞规律研究

3.1 堵塞物与地层砂复合堵塞模拟实验

为了明确聚合物堵塞物与地层砂对近井挡砂介质(即砾石层)的堵塞程度,进行了堵塞物与地层砂对砾石层的复合堵塞模拟实验:基液携带地层砂分别驱替干净砾石层和前端均匀填充3.0g聚合物堵塞物的砾石层,砾石层长度150mm,初始渗透率约82D,驱替排量1.2m3/h。根据实验结果,计算得到2次实验的砾石层渗透率(见图8)。

图8 聚合物堵塞物对砾石层总体渗透率的影响Fig.8Effect of polymer plug on the overall permea bility of gravel layer

由图8可见,基液携带地层砂驱替过程中，砾石层总体渗透率均会逐渐下降并达到平稳状态。其中,无聚合物堵塞物的干净砾石层堵塞速度较慢，且堵塞程度较轻;有聚合物堵塞物的砾石层总体渗透率出现一定程度的波动,稳定后渗透率下降约12D,驱替结束后其最终渗透率与无堵塞物的干净砾石层相比降低约47.4%。这表明,聚合物堵塞物运移至砾石层不但会导致砾石层渗透率大幅降低及波动，而且会加剧地层砂对砾石层的堵塞。

复合堵塞实验结束后,取出局部样品观察堵塞物的运移及聚集状态,结果如图9所示。由图9可见，砾石层端部堵塞物侵人较明显，黏稠堵塞物挤入砾石孔隙中并包娶砾石与地层砂;砾石层中部可见少量小尺寸堵塞物，表面黏附地层砂;砾石层底部仍可见少量小尺寸堵塞钧黏团。这说明堵塞物与砾石层接触后,会挤人砾石层孔隙并包裹附着砾石造成初步堵塞，而曾切刹落的小尺寸黏团会继续侵入砾石层,从耐加剧堵塞程度。研究表明人[1]，亲水物质对聚合物的吸附性较好,而普通砾石在地层水中表现为强亲水性。本文采用的非均相聚合物驱近井地带堵塞物为老化聚合物与油砂的混合物,对于强亲水充填砾石，聚合物首先会吸附在砾石表面，进而增加了原油沥青质的吸附量,使砾石表面润湿性从亲水向亲油方向改变,进一步增大了堵塞物对原油的吸附量

图9 不同位置的聚合物堵塞物侵入形态Fig.9 Polymer plug intrusion pattern at different positions

实验结果表明，聚合物堵塞物侵入深度约为砾石层厚度的1/3,另有少量堵塞物通过砾石层，其大小有所差异,但多数粒径小于0.1 cm,有少量较大团块。这说明通过砾石层的堵塞物多为剥落小尺寸堵塞物,仅有少量大尺寸堵塞物受液体携带而缓慢运移通过砾石层。

3.2 堵塞物成分及含量对堵塞程度的影响

分析认为,聚合物堵塞物成分及含量是影响堵塞程度的主要因素，为此,采用室内实验研究了堵塞物成分及含量对砾石层堵塞程度的影响。首先，用石油醚和苯浸泡清洗堵塞物，分离出其中的饱和烃、芳香烃和胶质沥青质;然后在单向驱替装置中充填砾石层(初始渗透率约为82D),砾石层前端分别均匀充填3.0g处理后堵塞物、3.0g原始堵塞物及5.0g原始堵塞物;最后基液携带地层砂进行驱替实验，排量1.2 m3/h。根据实验结果,计算得到的砾石层总体渗透率如图10所示。

图10 堵塞物成分和含量对砾石层总体渗透率的影响 Fig.10 Effect of different plug composition and content on the overall permeability of gravel layer

由图10可以看出，加入聚合物堵塞物后,砾石层总体渗透率均出现一定波动,初步平稳后,填充3.0g原始堵塞物的砾石层总体渗透率约为填充3.0g处理后堵塞物砾石层的88%;携砂驱替结束后,填充3.0g原始堵塞物的砾石层总体渗透率约为填充3.0g处理后堵塞物砾石层的55.4%;堵塞物含量越高，其对砾石层的堵塞越严重，同时地层砂对砾石层的堵塞程度明显加剧，短节两端压差急剧上升、超过装置量程,不得不停止实验。这表明，聚合物堵塞物处理后结构更加松散,更容易通过砾石层，与地层砂的协同堵塞作用降低;高含量堵塞物会迅速黏附于砾石层表面,包裹砾石层堵塞孔喉，与地层砂协同堵塞作用增强。

驱替结束后，取出填充处理后堵塞物砾石层局部样品，观察堵塞物的运移及聚集状态，结果如图11所示。与图9中堵塞物的形态相比，图11中堵塞物的透明程度增加，对砾石层包裹黏附程度下降,砾石孔隙中小尺寸堵塞物黏团数量明显减少。这说明清洗掉堵塞物中的沥青质后，包裹砾石的堵塞物亲油性减弱，吸附程度明显降低。

图11 处理后堵塞物侵入砾石层显微照片Fig.11 Photomicrograph of the plug intruding into the gravel layer after treatment

3.3 近井挡砂介质堵塞机理及解堵策略

实验结果表明，聚合物堵塞物侵入会降低挡砂介质渗透率，同时与地层砂复合堵塞会进一步降低挡砂介质渗透率，分析认为其堵塞机理主要为:1)堵塞物中的聚合物老化物具有聚团黏附作用，黏附包裹在挡砂介质表面，加剧了地层砂对砾石层和绕丝筛管的堵塞程度﹐同时提高了挡砂效果（见图12);2)堵塞物受液体剪切携带会剥落小尺寸黏团，挤人深部砾石层孔喉中，阻碍了地层砂运移，从而加剧了堵塞程度;3)堵塞物大团块黏附于挡砂介质表面，局部区域形成完全封堵。

图12 聚合物堵塞物加剧堵塞原理示意Fig.12 Schematic diagram of plugging aggravation brought by polymer plug

近井区域产生堵塞后,应尽早采取解堵措施，防止堵塞程度加剧。根据近井挡砂介质堵塞机理,可行的非均相聚合物驱地层解堵策略为:1)适当增大筛管挡砂精度(即增大通过筛管的地层砂的最大粒径或筛管能阻挡的地层砂的最小粒径),选用更粗的充填砾石，以增强流通性;2)改变固相充填颗粒和筛管表而的物理化学性质，降低对聚合物的吸附程度;3)采用高饱和充填防砂工艺,缓解近井堵塞;4)可尝试改进解堵液工艺,或使用有机溶剂处理近井区域;5)应充分搅拌溶解聚合物与PPG,减少不溶物(俗称“鱼眼”)的产生。