非均质油藏中微球/聚合物非均相复合体系的调驱性能

2022-08-03赖南君潘成巍宋恒杰陈明珠

石油化工 2022年7期

赖南君，潘成巍，宋恒杰，李平，陈明珠

（1.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500；2.中蓝晨光化工研究设计院有限公司，四川成都 610041；3.中国石油新疆油田分公司开发公司，新疆克拉玛依 834000）

聚合物驱进入中后期，油井采出液的高含水量和储层严重的非均质性会影响油藏储能的开发［1-3］。为实现高渗油藏稳油控水，提高低渗油藏动用程度，需要采用高强度调剖剂对高渗孔喉封堵，扩大后续驱替流体在相对低渗油藏的波及体积以提高非均质油藏采收率［4-6］。通常将调剖剂与聚合物复合使用来提高非均质油藏的采收率［7-11］。微球作为一种非连续相的凝胶颗粒，当它的膨胀尺寸与储层孔喉尺寸相匹配时，可实现有效封堵［12-14］，注入压力升高推动微球在储层中运移，实现逐级调剖，通过扩大后续驱替流体在相对低渗油藏的吸液量来提高采收率［15-20］。同时，由于良好的耐温、耐盐性，微球在各大油田得到广泛应用［21］。微球与聚合物协同使用可提高储层油藏采收率［9，22-23］。陈海玲等［24］研究发现，微球与缔合聚合物能形成缔合体，且聚合物浓度高于缔合浓度时，复合体系表现出良好的增黏性能和剪切恢复能力。任豪等［25］将0.1%（w）微球与聚合物复合，聚合物提高了微球的分散性，微球增强了聚合物的网状结构，表现为复合体系黏度提高。高黏度复合体系具有强大的调剖能力［26］，具有提高非均质油藏中低渗油藏采收率的潜力，但聚合物与微球配比直接影响复合体系的性能，使复合体系在非均质油藏调剖驱油的效果有差异。目前，对复合体系在非均质油藏协同作用的认识尚不明确。

本工作选用聚丙烯酰胺微球（PCB）与疏水缔合聚合物KYPAM-6S复配的非均相复合体系，通过抗剪切性和黏弹性测试进行了复合体系配比的优选，在非均质油藏进行调驱实验，研究了非均相复合体系调驱的协同作用，为PCB/KYPAM-6S复合体系在非均质油藏中提高采收率提供理论支撑。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

PCB：实验室自制，采用反向乳液法合成；疏水缔合聚合物KYPAM-6S：分子量1.2×107，水解度26.30%，固含量88.0%（w），粉状，工业品，水不溶物含量为0.2%（w），北京恒聚化工有限公司； NaCl，CaCl2，MgCl2·6H2O，KCl，Na2CO3，Na2SO4，NaHCO3：分析纯，成都科龙试剂厂；人造均质方岩心由石英砂与环氧树脂胶结压制，尺寸30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm；实验所取原油为渤海X油田，60 ℃下黏度为45 mPa·s，后续实验均在60 ℃环境中进行；配制的模拟地层盐水总矿化度为7.15 g/L，组成为：0.08 g/L Na2CO3，5.59 g/L NaCl，0.03 g/L Na2SO4，0.54 g/L NaHCO3，0.53 g/L CaCl2，0.58 g/L MgCl2·6H2O，0.08 g/L KCl。

Quanta 450FEG型环境扫描电子显微镜：美国FEI公司；BS200-SS型显微镜：台湾博盛科研仪器公司；Brookfield DV-Ⅲ型黏度计：美国Brookfield公司；2PB-1040Ⅱ型平流泵：北京卫星制造厂；Haake MARS Ⅲ型高温高压流变仪：德国赛默飞世尔公司。

1.2 驱替实验流程设计

根据渤海X油田储层特征，选择渗透率为0~1 000×10-3μm2的均质方岩心进行物理模拟调驱实验，在60 ℃条件下，设置三管并联模拟非均质环境，通过一次水驱、注入调剖体系和后续水驱，对调剖体系的调驱性能进行研究。图1为三管并联非均质岩心驱替实验流程。

图1 三管并联非均质岩心驱替实验流程Fig.1 Flow chart of parallel heterogeneous core flooding experiment.

1.3 PCB形貌表征

取少量PCB原液固定在试样板上，在紫外光下干燥，表面喷金处理后，在真空环境下采用Quanta 450FEG型环境扫描电子显微镜观察PCB的微观形貌。

取少量PCB原液加入到煤油中进行稀释，搅拌均匀后取少量溶液在BS200-SS型显微镜下观察PCB的微观形貌，对PCB的直径进行统计。

1.4 PCB在复合体系中的膨胀性能测试

以模拟地层盐水为溶剂，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，将母液稀释成不同浓度的KYPAM-6S溶液，待溶液体系均一后，加入等质量的PCB，配制PCB/KYPAM-6S复合体系（配比见表1），采用BS200-SS型显微镜观察PCB的膨胀现象。

表1 PCB/KYPAM-6S复合体系的配比Table 1 Proportion of PCB/KYPAM-6S composite system

1.5 KYPAM-6S与PCB/KYPAM-6S复合体系黏度测试

以模拟地层盐水为溶剂，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，稀释后加入定量PCB，搅拌均匀，制备成PCB质量浓度为500 mg/L的PCB/KYPAM-6S复合体系，测量不同质量浓度的KYPAM-6S溶液及PCB/KYPAM-6S复合体系的黏度。

以模拟地层盐水为溶剂，配制3 000 mg/L的KYPAM-6S母液，稀释后加入不同质量PCB，搅拌均匀，配制成总质量浓度为3 000 mg/L、不同复配比例的PCB/KYPAM-6S复合体系，测量不同质量浓度的KYPAM-6S溶液和PCB/KYPAM-6S复合体系的黏度。

1.6 PCB/KYPAM-6S复合体系的抗剪切测试

将试样静置2 h以上以确保其中没有气泡。在稳态剪切实验中选择CR模式，剪切速率为10~1 000 s-1，在60 ℃条件下测试非均相复合体系的剪切稀释性。

1.7 PCB/KYPAM-6S复合体系的黏弹性测试

选择0.1 Pa的特定应力，以确保试样在线性黏弹性区域内。在OCS振荡模式，频率为0.001~10.00 Hz下进行振荡频率扫描，在60 ℃条件下测试非均相复合体系的黏弹性。

1.8 不同调剖体系的调驱性能

1）模拟地层盐水测岩心渗透率；2）以0.5 mL/min的恒定流速注入原油饱和岩心，再并联饱和原油的不同渗透率岩心，在60 ℃环境中老化岩心1 d；3）以1.0 mL/min的恒定流量进行一次水驱至采出液含水率达80%，分别记录水驱过程中的压力变化，每隔一定时间接液，记录不同渗透率岩心采出液的产油量及产水量；4）以1.0 mL/min的恒定流量注入调剖体系（PCB溶液、KYPAM-6S溶液、PCB/KYPAM-6S复合体系），记录注入过程中的压力变化，在不同时间段内记录不同渗透率岩心的产油量及产水量，将并联岩心在60 ℃环境中放置4 d；5）以1.0 mL/min的恒定流量进行后续水驱至出口端总含水率大于98%，记录后续水驱过程中的压力变化，在不同时间段内记录不同渗透率岩心的产油量及产水量。

2 结果与讨论

2.1 PCB的微观面貌

PCB的ESEM照片、显微镜照片及初始粒径分布见图2。由图2可知，PCB为球形颗粒，初始粒径主要分布在0.5~30.0 μm，粒径中值在15.0 μm左右，粒径分布集中。

图2 PCB的ESEM照片（a）、显微镜照片（b）及初始粒径分布（c）Fig.2 ESEM image(a) ，microscope image(b) and initial particle size distribution(c) of PCB.

2.2 PCB在复合体系的膨胀性能

PCB/KYPAM-6S复合体系中PCB的膨胀性能见图3。由图3可知，在60 ℃环境下，对于不同配比的复合体系，PCB具有快速膨胀的能力，在水相中具有良好的分散性。PCB和KYPAM-6S均存在自由基亲水基团［27］，两者对水分子存在竞争作用，KYPAM-6S含量越高，PCB前期膨胀受到的抑制作用越强，随着水化膨胀时间的延长，水分子进入到PCB颗粒孔道与孔道中亲水基团结合而被滞留，PCB颗粒不可逆地膨胀增大。不同复合体系水化膨胀96 h后，PCB膨胀尺寸差异较小，在144 h后，不同复合体系中的PCB膨胀尺寸基本相等，说明KYPAM-6S对PCB的膨胀速率有影响，但不影响PCB的最终膨胀尺寸，在不同配比的复合体系中，水化膨胀96 h后，PCB膨胀尺寸达到稳定。

2.3 PCB/KYPAM-6S复合体系的增黏性

KYPAM-6S溶液、PCB/KYPAM-6S复合体系（PCB质量浓度为500 mg/L）的黏度及不同复配比例复合体系的黏度见图4。由图4（a）可知，PCB质量浓度为500 mg/L时，随KYPAM-6S用量的增加，PCB/KYPAM-6S复合体系黏度增加。这是因为 KYPAM-6S为疏水聚合物，随着KYPAM-6S用量的增加，KYPAM-6S分子间的碰撞程度增大，分子链缠绕程度增大，使得KYPAM-6S黏度增大。在较宽质量浓度范围内，PCB/KYPAM-6S复合体系的黏度高于相应质量浓度的KYPAM-6S溶液。由图4（b）可知，当总质量浓度为3 000 mg/L时，复合体系的黏度随PCB质量浓度的增加而降低，原因是PCB在水溶液中呈现低黏性质，所以随着PCB含量增大，复合体系的黏度逐渐降低。2 000 mg/L PCB +1 000 mg/L KYPAM-6S 复合体系黏度为42.35 mPa·s，而500 mg/L PCB+1 000 mg/L KYPAM-6S复合体系黏度为47.28 mPa·s，相比于2 000 mg/L PCB，500 mg/L PCB的增黏能力更大。这说明PCB占比大，增效KYPAM-6S的黏度不一定高，PCB增效KYPAM-6S的黏度需要合适的配比。

图4 KYPAM-6S溶液与 PCB/ KYPAM-6S复合体系（PCB质量浓度为500 mg/L）黏度（a）及不同复配比例复合体系的黏度（b）Fig.4 Viscosity of KYPAM-6S solution and PCB/KYPAM-6S composite solution(PCB concentration is 500 mg/L)(a) and viscosity of the composite system with different compounding ratios(b).

2.4 PCB/KYPAM-6S复合体系的抗剪切性能

不同复配比例PCB/KYPAM-6S复合体系的剪切稀释性见图5。

由图5可知，复合体系在低剪切速率下表现出剪切稀释，在高剪切速率下表现出剪切增稠。这是因为复合体系在低剪切速率下，PCB颗粒在KYPAM-6S中的剪切带中呈现“滚珠效应”，起到了“润滑作用”，降低了复合体系的黏度。随着剪切速率的增大，PCB颗粒在剪切带中定向流动，在KYPAM-6S中有序排列，产生类似层状结构，使复合体系表现为剪切变稀行为。随着剪切速率进一步增大，PCB颗粒间碰撞概率增大，PCB颗粒间易发生团聚形成不稳定的“粒子簇”［28］。“粒子簇”的存在影响层流条件下KYPAM-6S的速度分布，在高速旋转下液体流线在颗粒周围发生绕流变形，导致总体流动阻力增加，使复合体系在高剪切速率区域表现为剪切增稠。对比不同复配比例的复合体系，在高剪切速率下，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S复合体系和1 750 mg/L PCB+1 250 mg/L KYPAM-6S复合体系的剪切增稠曲线平滑，表现出良好的稳定性，而其他复合体系受高剪切速率的影响，黏度变化波动大，在高剪切速率下稳定性差。

图5 不同复配比例PCB/KYPAM-6S复合体系的剪切稀释性Fig.5 Shear thinning properties of PCB/KYPAM-6S composite systems with different compounding ratios.

2.5 PCB/KYPAM-6S复合体系的黏弹性

不同复配比例PCB/KYPAM-6S复合体系的黏弹性及复配前后黏弹性的对比见图6。由图6（a）可知，在复合体系总质量浓度为3 000 mg/L的条件下，复合体系的弹性模量均高于黏性模量；在相同的振荡频率下，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S复合体系的动态模量最高，当PCB质量浓度高于1 500 mg/L时，PCB质量浓度越大，复合体系动态模量越小，说明PCB增效KYPAM-6S需要合适的配比。由图6（b）可知，相对于单独使用PCB或KYPAM-6S，1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S复合体系的动态模量更高，说明复合体系比单一组分具有更强的黏弹性。综合复合体系的抗剪切能力和黏弹性，最终确定1 500 mg/L PCB+1 500 mg/L KYPAM-6S复合体系为最优配比的复合体系。

图6 不同复配比例PCB/KYPAM-6S复合体系的黏弹性（a）及复配前后黏弹性对比（b）Fig.6 Viscoelasticity of PCB/KYPAM-6S composite systems with different compounding ratios(a) and comparison of viscoelasticity before and after compounding(b).

2.6 PCB/KYPAM-6S复合体系的调驱性能

采用三管并联的方式，通过采收率、注入压力变化、分流率来研究不同体系在非均质岩心中的调驱能力。注入体系分别为：KYPAM-6S溶液、PCB溶液和PCB/KYPAM-6S复合体系，注入量均为0.3 PV，不同调剖体系调驱实验方案见表2。

表2 不同调剖体系调驱实验方案Table 2 Experimental scheme of different profile control systems

不同调剖体系注入压力、采收率及总含水率与注入量的关系曲线见图7，不同调剖体系分流率随注入量的变化见图8，不同调剖体系提高采收率的能力见图9。由图7和图9可知，不同调剖体系的总采收率和提高采收率的能力一致，由大到小依次为：PCB/KYPAM-6S复合体系＞PCB＞KYPAM-6S。PCB/KYPAM-6S复合体系在低渗岩心中提高采收率能力最高，为19.25%。

图7 不同调剖体系注入压力、采收率及总含水率与注入量的关系曲线Fig.7 Changes of injection pressure，recovery factor and total moisture content with injection volume of different profile control systems.

图8 不同调剖体系分流率随注入量的变化Fig.8 Variation of shunt rate with injection volume in different profile control systems.

图9 不同调剖体系提高采收率的能力Fig.9 Enhanced oil recovery with different profile control systems.

由图7（a）可知，在非均质岩心中，PCB具有良好的注入性，待PCB水化膨胀后可在高渗岩心中建立渗流阻力，采出液含水率在PCB的调剖作用下出现“波谷”现象。由图8（a）可知，膨胀后的PCB提高了后续水驱在中渗岩心的吸液量，但低渗岩心吸液量未得到改善，说明PCB对高渗岩心进行了一定程度的封堵，但对低渗岩心调剖效果差，PCB调剖提高采收率体现在高渗和中渗岩心。

由图7（b）可知，在非均质岩心中，注入KYPAM-6S前后的一次水驱和后续水驱的注入压力一致，且采出液含水率在后续水驱过程中出现“波谷”。由图8（b）可知，注入KYPAM-6S前后的一次水驱和后续水驱的高、中、低渗分流率未发生变化，说明KYPAM-6S优先进入非均质岩心的高渗岩心，但不能在高渗岩心中建立稳定的渗流阻力，导致KYPAM-6S随后续水驱在高渗岩心中建立的渗流阻力逐渐减小，同时，后续水驱驱动KYPAM-6S在高渗岩心对原油进行“拖” “拽”，所以KYPAM-6S对非均质油藏提高采收率体现在高渗岩心。

由图7（c）可知，非均质岩心中，在PCB/KYPAM-6S复合体系注入前后，总含水率先下降后上升；一次水驱后，注入压力先上升后下降至平稳。由图8（c）可知，中渗和低渗后续水驱的分流率得到了提升，说明PCB增效后的KYPAM-6S具有更高的黏弹性，膨胀后的PCB/KYPAM-6S复合体系建立了高强度的调剖能力，提高了低渗和中渗岩心的吸液量，进而提高了低渗岩心和中渗岩心的采收率。

综合图7与图9分析，KYPAM-6S无选择性地进入非均质岩心［29］，在高渗岩心分配占比高，但建立的渗流阻力小，从而使高渗岩心采收率较高而整体采收率低。PCB在膨胀后对高渗岩心孔喉进行堵塞，后续水驱增大了中渗岩心的吸液量从而使中渗岩心采收率高，但整体采收率低。PCB/KYPAM-6S复合体系在高渗岩心中，PCB对孔喉进行堵塞，分散在KYPAM-6S的网络结构中，它的流动需要更大的外力，直接体现为后续水驱需要更高的注入压力才能推动PCB在多孔介质中运移，PCB增效KYPAM-6S的黏度，KYPAM-6S流动阻力增大，KYPAM-6S与PCB相互协同增大了在多孔介质的流动阻力，所以相比于单独的KYPAM-6S或PCB，复合体系在高渗岩心流动需要更高的外力，体现了高强度的调剖能力，低渗岩心得以被动用，所以复合体系对非均质性严重的油藏具有更强的调驱性能。