聚合物纳米球驱在长庆油田特低渗透油藏中的适应性研究

蔡永富 黎晓茸 施盟泉 杨立华 刘笑春 吴飞鹏

（1.中国科学院理化技术研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安 710021）

聚合物纳米球驱在长庆油田特低渗透油藏中的适应性研究

蔡永富1，2黎晓茸3施盟泉1杨立华3刘笑春3吴飞鹏1

（1.中国科学院理化技术研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安 710021）

针对长庆油田五里湾区特低渗透油藏地层水矿化度高、渗透率低，传统的“三采”增产措施难于开展的问题，开展了聚合物纳米球驱技术研究。利用粒度仪、透射电子显微镜、单管填砂模型以及真实岩心微观模型和双管并联填砂模型从聚合物纳米球的膨胀性、注入性、降低水相渗透率性以及室内模拟驱油几个方面系统研究了其在特低渗透油藏中的适应性。实验结果表明，聚合物纳米球具有良好的注入性，在地层水中可以发生膨胀，并能有选择地降低高渗管的水相渗透率，具有液流改向作用，可有效动用残余油，提高采收率效果显著。聚合物纳米球驱可以作为长庆油田五里湾区特低渗透油藏有效的增产手段，该研究为现场应用提供了实验依据。

特低渗透油藏；聚合物纳米球；提高采收率；注入性；降低水相渗透率

全国累计探明低渗透石油储量为141亿吨，占石油地质总储量的49.2%，且近几年新探明储量中低渗透油藏资源所占比例平均达到70%以上［1-2］，产量也呈逐年上升趋势，是我国石油工业未来发展的主要资源。长庆油田五里湾区，其主产层平均渗透率为1.8 mD，平均孔隙度为12%，属于典型的特低渗透油藏。该区块裂缝发育少，油层物性差，非均质严重，且其地层水成分复杂，矿化度为 10～110 g/L［3-6］，通过Kozony经验公式计算可知［7］，其平均孔喉尺寸小于500 nm。目前，该区块普遍采用注水开发，但水驱效率不高，油井含水上升快，依靠单一的注采调控措施增油十分有限。因此，开发深部调驱技术提高油藏采收率显得十分必要。目标油藏地层渗透率低的地质特点使得传统的无机沉淀物、体膨体颗粒、聚合物凝胶和泡沫等调剖技术只能在近井地带改善吸水剖面，不能深入地层深部，增油降水效果有限。同时，较高的地层水矿化度，致密的砂岩质地，狭小的孔喉，使得在中高渗油藏应用较广的聚驱技术在长庆油田五里湾区油藏的适应性变差，会存在溶解困难、剪切降解严重、无法进入油藏深部等问题［8-11］而难于实施。聚合物纳米球驱作为一种新型的逐级深部调驱技术，近年来成为国内外三次采油技术研究的热点之一［12-25］。聚合物纳米球其初始粒径小，分散水溶液黏度低，可以顺利通过近井地带进入到地层深部，在地层水和温度作用下，发生体积膨胀或黏结，形成较大的弹性柔体，在合适的地层内孔壁上缓慢运移，造成后续注入水的改向，扩大水驱波及体积，提高采收率，且其化学、机械、热稳定性好，受地层剪切影响小［18］。诸多优点使聚合物纳米球调驱技术用于提高低渗透油藏采收率成为可能。

目前，国内外利用反相乳液聚合和反相微乳液聚合方法制备出多种微米和纳米聚合物微球，并进行了室内和现场试验研究。在国外，Nalco公司对亚微米级聚合物纳米球在中高渗透油藏中进行了现场试验，并取得了较好的驱油效果，但是其现场应用过程中需要用轻质矿物油分散，注入过程复杂［15-16］。法国石油研究所制备了交联度和化学组成不同的聚合物纳米球，其机械、热、化学稳定较好，但聚合物纳米球易受地层吸附，运移距离受注入体积限制［18-19］。在国内，朱怀江等用反相乳液聚合法制备了初始粒径为5～13 µm的聚合物微球，并通过调节反相剂种类和数量来控制其水化膨胀性。但该微球初始粒径较大，仅适用于中高渗透油藏［20］。中科院理化所于2004年，针对不同油藏地质条件，利用反相微乳液聚合法、反相乳液聚合法和分散聚合法分别制备出结构不同的纳米、纳微米和核壳自交结聚合物微球［26-29］，并首次实现了批量生产，在胜利油田、华北油田、大庆油田、青海油田等进行了现场试验，取得很好的降水增油效果。在此基础上，李明远、林梅欣等研究了聚合物纳米球的水化膨胀性能和在高渗透岩心中封堵性能［11，21］。王涛、孙焕泉等进一步考察了Ca2+、Mg2+、Na+和温度对聚合物纳米球膨胀性能的影响［22-23］。王鸣川、赵玉武、朱维耀等对聚合物纳米球在中渗岩心中的注入性和封堵性进行了研究，并在大庆龙虎泡油田进行了现场试验［24-25］。雷光伦、郑家朋研究了亚微米级聚合物纳米球在高渗岩心中的膨胀性能、注入性能、封堵性能和运移性能，并在胜利孤岛中高渗透油藏进行矿场试验［26］。

综上所述，国内外针对聚合物纳米球的研究和应用主要集中在中高渗透油藏，尚无在低渗透油藏中应用研究的报道。本文针对长庆油田五里湾区地层水矿化度高、渗透率低的特点，通过制备工艺的改进，控制成分配比和结构组成，设计制备了聚合物纳米球，并对其在目标油藏中的适应性展开先导性试验研究，希望能为以长庆油田五里湾区为代表的低渗透油藏在注水开发中后期提供一种新的三次采油技术手段。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验用模拟地层水：根据长庆油田五里湾区地层水分析结果配制，水型为CaCl2型，总矿化度为53 219.57 mg/L，其中Ca2+质量浓度为5 803.08 mg/L，Mg2+质量浓度为180.46 mg/L，经中速定性滤纸过滤后备用。

实验用模拟油：根据长庆油田五里湾区原油分析结果，由原油和煤油按照一定比例配制。

聚合物纳米球溶液：用模拟地层水配制，并在55 ℃烘箱中老化膨胀。

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物纳米球的注入性、膨胀性和降低水相渗透率性能

（1）聚合物纳米球膨胀性能。利用JEM-2100透射电子显微镜、马尔文Zetasizer 3000纳米粒度仪（量程5～1 000 nm）和HORIBA LA300粒度分析仪（量程0.1～600 µm）测试聚合物纳米球在55 ℃下模拟地层水中不同膨胀时间的形貌和粒径分布。

（2）聚合物纳米球的注入性和降低水相渗透率性能。采用地层模拟水配制聚合物纳米球溶液，检测聚合物纳米球的分散性能，并利用Brookfield DV-III流变仪（25 ℃，0#，6 r/min）测试聚合物纳米球溶液的黏度。

为了评价聚合物纳米球的注入性和降低水相渗透率性能，利用单管填砂模型模拟长庆油田五里湾区特低渗透油藏，该模型直径为2.6 cm，长为100 cm，在砂管上等距设置5个测压点，这5个测压点可以记录注入纳米球前后砂管压力变化，进而检测聚合物纳米球在砂管中的注入和降低水相渗透率情况。实验步骤如下：首先用油田采出砂填装砂管，然后水驱，并计算水测渗透率，再注入未膨胀和预膨胀10 d的聚合物纳米球，最后继续水驱。整个实验过程中，温度维持在55 ℃左右。

1.2.2 聚合物纳米球提高采收率效果

（1）真实岩心微观模型驱油实验。将长庆油田五里湾区的取样岩心洗油，烘干，制作真实岩心可视化微观模型［30］，水平放置于连接有计算机的显微镜平台上，并利用图像采集系统记录整个驱油过程：首先饱和模拟油，并水驱至出口含油98%以上，然后注入0.2 PV预膨胀10 d的聚合物纳米球，并水驱至出口含水98%以上。驱油结束后，用ImageJ软件对所采集的图片统计分析采收率。其中模拟油在室温下表观黏度为5 mPa·s。为了增加油水对比度，模拟地层水用亚甲基蓝染色。

（2）双管并联填砂模型驱油实验。根据长庆油田五里湾区特低渗透油藏渗透率低、纵向非均质性严重的特点，采用直径3.8 cm、长60 cm的双管并联填砂模型评价聚合物纳米球的调驱效果。步骤如下：首先用油田采出砂填装出渗透率级差为158的双管，其中低渗管平均水测渗透率为7 mD，高渗管平均水测渗透率为1 103 mD；然后两管分别饱和模拟油，平衡24 h；再将两管并联，水驱；在采出液含水98%以上时，注入预膨胀10 d的聚合物纳米球，继续水驱至采出液含水98%以上。利用自动部分收集器动态收集采出液，根据采出液中油水含量，计算整个驱油过程中采收率动态变化。实验温度维持在55 ℃左右，模拟油55 ℃下表观黏度为6.1 mPa·s。

2 实验结果与分析

聚合物纳米球能够在长庆油田五里湾区特低渗透油藏中深部调驱必须具备以下几个条件：（1）聚合物纳米球未膨胀时必须能够注入到特低渗透油藏中，进而可以运移到地层深部调驱；（2）聚合物纳米球必须能够在长庆油田五里湾区的地层中水化膨胀；（3）聚合物纳米球在地层中水化膨胀后能有选择地降低高渗透层的水相渗透率，扩大波及体积，提高采收率。

2.1 聚合物纳米球的注入性、膨胀性和降低水相渗透率性能

2.1.1 聚合物纳米球的注入性 采用模拟地层水配制5 000 mg/L聚合物纳米球分散溶液，目测有无明显油状物。结果表明，聚合物纳米球可以快速在长庆油田五里湾区模拟地层水中分散，分散时间小于30 min，可以实现在线注入，注入过程简单，设备投资少。用旋转流变仪测试了聚合物纳米球溶液的表观黏度，5 000 mg/L的聚合物纳米球溶液25℃下表观黏度为1.8 mPa·s，说明聚合物纳米球溶液黏度低，有利于其在特低渗透油藏中注入［16］，节省能耗。

利用平均渗透率为1.3 mD的单管填砂模型，评价了未膨胀的聚合物纳米球的注入性，图1为注入2 000 mg/L聚合物纳米球前后砂管各测压点压力变化曲线。从图1可以看出，转注纳米球时，由于转阀泄压造成压力突然下降，但是在注入纳米球过程中，各测压点压力均没有抬升，说明未膨胀的聚合物纳米球在特低渗透岩心中有很好的注入性。

图1 聚合物纳米球注入前后压力变化

2.1.2 聚合物纳米球的膨胀性 利用透射电子显微镜和粒度仪观测了聚合物纳米球未膨胀时和在模拟地层水中膨胀10 d的形貌和粒径分布，结果如图2和图3所示。从电镜照片可以看出，未膨胀时，聚合物纳米球呈规则的类球形，轮廓清晰，膨胀10 d后，纳米球周围形成网状的水化层，核心部分模糊，说明聚合物纳米球有明显的水化膨胀性。由于透射电子显微镜测试是在聚合物纳米球干燥状态下进行的，纳米球会收缩，粒径变小，因此透射电子显微镜观测到的纳米球粒径小于粒度仪测试结果。从粒径分布可以看出，聚合物纳米球未膨胀时平均粒径在100 nm左右，膨胀10 d后平均粒径为数微米，明显大于未膨胀时的粒径，说明聚合物纳米球在长庆油田五里湾区特低渗透油藏的地质条件下可以水化膨胀，粒径变大。

图2 聚合物纳米球的电镜照片

图3 聚合物纳米球的粒径分布

2.1.3 聚合物纳米球的降低水相渗透率性能 将在模拟地层水中预膨胀10天的聚合物纳米球注入到平均渗透率为1.1 mD的单管填砂模型中，对其在低渗管中降低水相渗透率性能进行了评价，结果如图4所示，注入0.2 PV、2000 mg/L聚合物纳米球后，各测压点压力没有抬升，说明聚合物纳米球不会降低低渗管水相渗透率。这是因为在低渗管中，岩心渗透率低，孔隙度小，孔道直径小，连通性差，注入水水流截面积小，水流速率高，聚合物纳米球不能滞留于孔道中而快速穿过低渗管，对其水相渗透率影响小。

图4 低渗透砂管中，压力随注入水PV数变化曲线

将在模拟地层水中预膨胀10 d的聚合物纳米球注入到平均渗透率为785 mD的单管填砂模型中，对其在高渗管中降低水相渗透率性能进行了评价，结果如图5所示。注入2 000 mg/L聚合物纳米球后，前3个测压点压力依次抬升，说明纳米球依次进入了砂管前两段，并形成了流动阻力；当注水11 PV左右时，第1、2测压点压力依次降低，而第3测压点压力则继续抬升，说明聚合物纳米球从砂管的前两段运移至第3段。这是因为与低渗管相比，高渗管渗透率高，孔隙度大，连通性好，孔道直径大，水流截面积大，水流速率较慢，聚合物纳米球沿孔道内壁缓慢运移，对注入水有阻碍作用，降低了高渗管的水相渗透率。以上实验结果说明，聚合物纳米球满足在长庆油田五里湾区特低渗透油藏实施的基本条件。本文将进一步利用真实岩心微观模型和双管并联填砂模型，研究聚合物纳米球在平面非均质地层和纵向非均质地层中的提高采收率效果。

图5 高渗透砂管中，压力随注入水PV数变化曲线

2.2 聚合物纳米球提高采收率实验

2.2.1 真实岩心微观模型驱油实验 在真实岩心微观模型中，所采用的长庆油田五里湾区取样岩心平均渗透率为0.67 mD、孔隙度为13%，如图6所示，红色是油，蓝色是水，白色是岩石，模型的进口端位于图形左方，出口端位于图形右方。水驱时，蓝色的注入水沿着流动阻力较小的大孔道前进，形成蓝色水流优势通道，绕过大片流动阻力较大的红色含油孔道（图6中a～c），水驱波及效率低，采收率为13%；注入0.2 PV、1 000 mg/L预膨胀10天的聚合物纳米球后，蓝色注入水改向绕流进入红色通道，蓝色注入水波及体积明显增加，红色剩余油减少（图6中d～i），采收率进一步提高了49%。结果表明，聚合物纳米球可以改善特低渗透油藏的平面非均质性，提高其采收率。

2.2.2 双管并联填砂模型驱油实验 根据长庆油田五里湾区渗透率低、纵向非均质性严重的地质特征，用双管并联填砂模型研究了聚合物纳米球在纵向非均质特低渗透油藏中的调驱效果。

图6 真实岩心微观模型中油水分布情况随水驱时间的变化

图7聚合物纳米球驱的压力曲线表明：注入0.5 PV预膨胀10 d的纳米球后，两管压力迅速抬升，随着后续水驱的不断进行，两管压力不断降低，并略有波动。这是因为高、低渗管渗透率级差的存在，使得绝大部分纳米球随注入水进入高渗管，在高渗管中形成一定的流动阻力，造成压力抬升，使后续注入水改向绕流，进入低渗管，造成低渗管压力升高；同时随着两管中油的不断驱出，渗透率不断升高，压力降低。

图7 双砂管驱油，压力随注入水PV数变化曲线

从聚合物纳米球提高采收率效果来看（图8），水驱时，高渗管采收率达76%，而低渗管中的油没有动用，采收率为0；注入纳米球后，低渗管采收率持续升高，提高了27%，同时高渗管的采收率也有一定的升高。这是因为随注入水进入高渗管的纳米球对后续注入水产生流动阻力，使其转向绕流，将低渗管和高渗管内的低渗透层中剩余油驱出，采收率大幅度提高。以上实验结果表明，聚合物纳米球驱可以改善特低渗透油藏的纵向非均质性，提高其采收率。

图8 双砂管驱油，采收率随注入水PV数变化曲线

3 结论

针对长庆油田五里湾区特低渗透油藏地质情况制备的聚合物纳米球具有良好的分散性，可在地层模拟污水中快速分散且溶液黏度很低，能满足现场在线注入需要；聚合物纳米球的初始平均粒径小，可顺利通过特低渗透油藏中狭小的砂岩孔喉，进入到地层深部，注入性好；在地层水矿化度和温度作用下，可以发生水化膨胀，并选择性地降低高渗区水相渗透率，改善地层非均质性，对后续注入水产生流动阻力，迫使液流改向，从而有效扩大水驱波及体积，动用水驱残余油，显著提高采收率。综上所述，聚合物纳米球驱在长庆油田五里湾区特低渗透油藏中具有良好的适应性，可以成为油田在注水开发中后期稳产、增产的一种技术手段。

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（修改稿收到日期 2013-05-15）

Research on the adaptability of polymeric nanospheres flooding in extra-low permeability reservoir in Changqing oilfield

CAI Yongfu1,2, LI Xiaorong3, SHI Mengquan1, YANG Lihua3, LIU Xiaochun3, WU Feipeng1
（1. Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3. Research Institute of Oil and Gas Technology,Changqing Oilfield Company,Xi’an710021,China）

Because of aiming at high formation water salinity and extra-low permeability in Block Wuliwan Changqing oilfield,traditional stimulation measures in EOR were difficult to implement. So the polymeric nanospheres flooding technology was discussion in this paper. Using the particle size analyzer and transmission electron microscopy, based on the single sand packs model and the real core visual micro-model and parallel sand packs macro-model, the adaptability of polymeric nanospheres flooding in extra-low permeability reservoir was studied from the aspects of the swelling, injection of polymeric nanospheres, water-permeability reduction as well as laboratory simulated flooding of polymeric nanospheres. The experimental results proved that the polymeric nanospheres had good injection and could swell in formation water. The expanded nanospheres could selectively reduce the water phase permeability of the high-permeability sand packs, and made fluid diverting to effectively displace residual oil and enhance the oil recovery greatly. The polymeric nanospheres flooding could be an effective stimulation measure of production in the extra-low permeability reservoir of Block Wuliwan Changqing oilfield. The research provides experimental basis for further applications of polymeric nanospheres in oil field.

extra-low permeability reservoir; polymeric nanospheres; enhanced oil recovery; injection; water phase permeability reduction

蔡永富，黎晓茸，施盟泉，等.聚合物纳米球驱在长庆油田特低渗透油藏中的适应性研究 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：88-93.

TE357.46

：A

1000–7393（2013） 04–0088–06

蔡永富，1986年生。2012年毕业于中国科学院理化技术研究所，主要从事聚合物纳米球驱油机理研究。E-mail：caiyongfu@mail.ipc.ac.cn。通讯作者：吴飞鹏，电话：010-82543569。

〔编辑 景 暖〕