新型交联聚合物微球调驱性能研究

周海燕，张运来，何逸凡，缪飞飞

中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津滨海新区300459

引言

渤海油田某油藏储层岩石呈高孔高渗特征，孔隙度中值为32%，渗透率中值为2 200 mD。储层岩石胶结疏松，非均质性强，受注入水的长期冲刷，易形成优势渗流通道，水驱控制程度较低，开发效果较差[1-3]。目前，该油田综合含水达94%，采出程度仅16.4%。传统的聚合物调驱剂易对疏松砂岩地层造成破坏，不能满足油藏长期有效的深部调驱需求。

聚合物微球深部调驱技术是近几年发展的一种新型调驱技术，该技术主要利用聚合物纳米微球尺寸小、在水中分散性好、易进入地层深部及在油藏温度下遇水膨胀的特征，让其在孔喉中运移、封堵、变形通过、再运移封堵，直至地层深处，逐级封堵水窜优势通道，实现深部调驱，扩大注入水波及体积，改善水驱开发效果[4-9]。但目前常用的聚合物微球以分散的球形结构为主，其封堵机理主要为微球的堆积架桥作用，这就要求微球粒径和多孔介质孔喉之间具有较好的匹配关系，增加了在海上高渗透地层进行有效调驱的难度[10-17]。

新型交联聚合物微球P–90 是一种在常规聚合物微球基础上发展起来的新型调驱剂，在渤海油田经过多个井组的应用，取得了较好的调驱效果。为深入分析该调驱剂的作用机理，本文从微观结构和宏观封堵、运移及驱油等多个角度开展了调驱机理和性能评价实验。P–90 在充分溶胀后，通过扫描电镜可观察到其本质是一种综合了传统交联聚合物空间网状结构和聚合物微球颗粒性质的调驱剂，微球处于网状结构的节点上。这种独特的结构使其同时具备了较高的封堵与运移能力，并具有长期稳定性，对胶结疏松的高渗透砂岩储层可以实现长期有效的深部调驱，对海上油田深部调驱有更强的适应性。

1 实验器材与方法

1.1 实验材料

交联聚合物微球P–90，相对分子量1 500 万；实验用水为去离子水；RS–6000 流变仪，德国HAAKE公司；BT–9300LD 干湿法激光粒度分析仪，丹东百特仪器有限公司；FEI Quanta 650 FEG 型场发射扫描电镜，FEI Czech Republic S.r.o；微孔滤膜实验装置、油藏物理模拟驱替装置，海安石油仪器有限公司。

1.2 实验方法

（1）交联聚合物微球溶胀实验

将聚合物微球置于水中配制成浓度5 000 mg/L的分散液进行水化溶胀，采用场发射扫描电镜、激光粒度分析仪分别于0、5、10、20、30 和60 d 对溶胀后的微球进行观察，以分析交联聚合物微球溶胀后的微光容貌与粒径分布。

（2）交联聚合物微球黏度测试

将聚合物微球配制成不同浓度溶液，溶胀后测试不同温度下聚合物微球黏度，以及不同温度下0～72 h 聚合物微球体系黏度长期保留率，探究其黏度耐温效果。

（3）交联聚合物微球微孔滤膜实验

采用微孔滤膜实验装置，恒压0.5 MPa 进行过滤实验。对溶胀30 d 后的微球，根据Kozeny 方程[式（1）]可得多孔介质渗透率1 000 和3 000 mD对应的平均孔径分别为5 和10µm[18-22]。

选用这两种孔径的微孔滤膜进行实验，利用高清摄像机记录出液量随时间的变化，得到交联聚合物微球对微孔滤膜的封堵能力，实验装置见图1。

图1 微孔滤膜实验装置Fig.1 Microporous membrane experimental device

（4）交联聚合物微球封堵运移实验

采用油藏物理模拟实验装置，将交联聚合物微球恒流速注入一维填砂管模型中，分别在填砂管入口端、1/2 处设置测压点，记录两记录点压力随注入量变化，改变填砂管渗透率及聚合物微球浓度以判断聚合物微球封堵运移能力，实验装置见图2。

图2 封堵运移实验装置Fig.2 Plugging migration experimental device

（5）交联聚合物微球调驱性能评价

将3 根不同渗透率的填砂管饱和原油，并联后恒流速注水，每3 min 记录出液量及采出液油水比，待采出液总含水率为95%时，注入0.3 PV 交联聚合物微球转后续水驱、记录出液量、采收率、采出液含水率及压力随注入体积的变化，实验装置见图3。

图3 3 管并联驱油实验装置Fig.3 Displacement experimental device of three pipe parallel

2 实验结果与讨论

2.1 交联聚合物微球基本性能及微观结构

（1）交联聚合物微球粒径分布变化

交联聚合物微球溶胀不同时间的平均水化中值直径变化如图4 所示。

图4 交联聚合物微球溶胀中值直径变化曲线Fig.4 Swelling size change of cross-linked polymer microspheres

由图4 可见，微球初始平均粒径为4.40 µm，溶胀20 d 时达到15.50 µm，20 d 后中值直径保持15.00～16.00µm 左右，60 d 后微球粒径依然保持不变，说明微球粒径具有长期稳定性。

（2）交联聚合物微球黏度变化

不同浓度聚合物微球黏度随温度的变化情况如图5 所示。

由图5 可见，交联聚合物微球黏度随其浓度上升而上升，随温度升高而下降，黏度保留率整体上表现出随浓度的增加而增加的趋势：浓度为500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 和4 000 mg/L 的交联聚合物微球溶液在80◦C时黏度保留率分别为80.34%、81.11%、82.13%、82.69%、86.78%、91.20%、88.60%和89.71%。

图5 不同浓度交联聚合物微球黏度随温度变化曲线Fig.5 The viscosity of cross-linked polymer microspheres with different concentrations changes with temperature

交联聚合物微球不同温度下黏度长期稳定性见图6，在温度为30、60 和90◦C条件下老化72 h 后，黏度保留率分别为99.12%、97.60%和90.81%，可见交联聚合物微球具有良好的耐温性能。

图6 交联聚合物微球不同温度下黏度长期稳定性Fig.6 Long-term viscosity stability of cross-linked polymer microspheres at different temperatures

（3）交联聚合物微球微观结构

不同溶胀时间交联聚合物微球电镜扫描结果如图7 所示。

图7 不同溶胀时间交联聚合物微球电镜扫描结果Fig.7 SEM scanning results of cross-linked polymer microspheres with different swelling time

由图7 可见，聚合物微球母液溶胀前无明显球状结构，溶胀20 d 时有明显球状结构产生，但依然存在块状结构，未完全溶胀，溶胀35 d 后呈现出明显的球状结构，粒径分布均匀，微球之间构成交联网状结构。

2.2 微孔滤膜实验结果

微孔滤膜实验前后滤膜见图8。

图8 微孔滤膜过滤前后变化Fig.8 Changes before and after microfiltration

由图8 可见，滤膜中部产生滤饼，说明交联聚合物微球在滤膜上产生了有效的封堵。溶胀30 d 的交联聚合物微球在5 和10µm 孔径的微孔滤膜下过滤实验结果如图9 所示。

图9 交联聚合物微球微孔滤膜实验结果Fig.9 Experimental results of cross-linked polymer microsphere microporous membrane

恒压过滤下微球滤液体积随时间变化为一条开口向右的曲线，曲线切线的斜率逐渐变小，表明过滤速度逐渐减小，交联聚合物微球对微孔滤膜上的孔喉进行了有效的封堵。

恒压过滤经验公式数值上的表达式为

采用式（2）对过滤曲线进行拟合，拟合结果见表1。

表1 微孔滤膜过滤曲线拟合结果Tab.1 Fitting formula of microporous membrane filtration curve

由表1 可见，微孔滤膜对聚合物微球的恒压过滤符合恒压过滤经验公式。随着浓度增大，滤液体积拟合公式的二次方项系数逐渐增大，说明过滤速度逐渐减小，其封堵能力随浓度增大而增强。

2.3 交联聚合物封堵运移能力

根据微孔滤膜实验，交联聚合物微球在高于浓度3 000 mg/L 后过滤曲线变化差异不大，考虑经济效益封，堵实验选取浓度为3 000 mg/L。

在渗透率1 000（实际987）、3 000（实际3 014）和5 000（实际5 120）mD 的填砂管中注入0.5 PV 浓度为3 000 mg/L 交联聚合物微球，然后测量填砂管入口处和1/2 处压力随注入体积变化结果见图10～图12。由图10～图12 可见，注入交联聚合物微球后入口处压力与1/2 处压力均上涨，表现出良好的封堵效果。

图10 987 mD 时交联聚合物微球注入压力曲线Fig.10 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 987 mD

图11 3 014 mD 时交联聚合物微球注入压力曲线Fig.11 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 3 104 mD

图12 5 120 mD 时交联聚合物微球注入压力曲线Fig.12 Injection pressure curve of cross-linked polymer microspheres at 5 120 mD

测量封堵前后的渗透率，计算封堵率，结果见表2。由表2 可见，交联聚合物微球在渗透率987 mD 时，封堵率高达93.13%；在渗透率3 014 mD时封堵率为87.75%，在渗透率5 120 mD 时封堵率依然保持在82.92%，说明在高孔高渗条件下，交联聚合物微球依然能保持较好的封堵能力。

表2 交联聚合物微球封堵率Tab.2 Plugging rate of cross-linked polymer microspheres

2.4 交联聚合物微球驱油效果

将3 根渗透率分别为500、1 000 和3 000 mD填砂管饱和油后并联，水驱至含水率90% 时注入0.5 PV、浓度3 000 mg/L 交联聚合物微球。注入交联聚合物微球后，总体压力明显上升，含水率下降，总采收率提高了15.48%，见图13。这说明微球在注入过程中优先进入高渗大孔道，并进行了有效的选择性封堵，孔喉匹配性高，有效改善了并联填砂管的非均质性，起到了调驱的作用。

图13 3 填砂管并联驱油试验结果Fig.13 Oil displacement test results of three parallel sand packed pipes

结合交联聚合物微球的微观形貌可见，该交联聚合物微球具有独特的微观结构，与传统的聚合物微球相比具有更好的调驱性能。传统聚合物微球为分散颗粒，微球之间相互独立，主要依靠微球之间架桥来实现封堵。在高渗条件下，多孔介质孔喉尺寸较大，这要求微球粒径与孔喉直径间必须有较好的匹配关系，若微球粒径过小，则无法实现架桥；另外，如果微球粒径过大，则运移能力下降，同时微球体积过大其结构也非常脆弱，更容易因为剪切作用导致聚合物微球破碎，难以实现深部调驱的目的，所以传统聚合物微球对于高渗的封堵效果较弱。相比于传统分散聚合物微球，交联聚合物微球的封堵除依靠微球架桥作用外，微球之间的交联网状结构增强了体系强度，封堵强度高，并且这种交联体系使得微球分散均匀，更利于微球的运移[23-24]。

3 结论

（1）交联聚合物微球具有较好的耐温性能，30～90◦C下黏度保留率大于90%，微球溶胀能力较强，长时间下微球粒径稳定分布在15～16µm。

（2）交联聚合物微球对孔径5 和10µm 的微孔滤膜产生了有效封堵，其过滤方程符合恒压过滤的规律。

（3）微观上交联聚合物微球具有球与球之间相连的空间网状结构，这种结构是其微球分散均匀、增黏的主要原因。

（4）交联聚合物微球对于高孔高渗地层有较好的封堵效果，渗透率5 000 mD 左右时封堵率高于80%，并且具有较好的运移效果，可以实现长期稳定的深部调驱。

（5）交联聚合物微球具有较好的非均质改善能力，3 管并联驱油实验提高总采收率15.48%，注入微球后注入压力上升，采出液含水率下降，聚合物微球可优先流入大孔道实现选择性封堵，达到减少无效注水、提高波及系数的目的。