（油气田开发工程专业论文）低渗注水开发油藏可动凝胶深部调驱可行性室内研究.pdf

s u b j e e t ：t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n a l y s ef e a s i b l eo ft h em o v a b l eg e l sa b i l i t yw h i c h r e g u l a t ei n j e c t i v i t yp r o f i l ei nl o wp e r m e a b i l i t yo fw a t e r f l o o d i n gr e s e r v o i r s s p e c i a l i t y ：o i l & g a se x p l o r a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ：x uf e i ( s i g n a t u r e ) xi 臣； i n s t r u c t o r ：p uc h u n s h e n g ( s i g n a t u r e ) a f t e rl o n g - t e r mo fw a t e r f l o o d i n gd e v e l o p m e n t , l o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r sa r ee a s i l y g e n e r a t eh i 曲p e r m e a b i l i t yz o n ea n dh i g hc a p a c i t yc h a n n e l ，l e a dt os e v e r ec o n t r a d i c t i o n i n t e r l a y e r sa n di n n e rl a y e r s t h er e s e r v o i r sp o r et h r o a td i a m e t e rc a l lr e a c hm i c r o n s i z ei n d i a m e t e r , m i c r o np o r ed i a m e t e r sv a r i a t i o nr a n g ei sb i g ，h e t e r o g e n e i t yi ss t r o n g ，w h i c hc a u s i n g f i n g e r i n ga n dc o n i n go fi n j e c t e dw a t e r o r i g i n a ls i z eo fm o v a b l em i c r o - n a n o - g e lp a r t i c l e sh a s t h en a n o s c a l e ，i tc a l l s w e l l i n g ，b u t c o u l dn o td i s s o l v e i tn o to n l yc o u l d e n t e rh i 曲 p e r m e a b i l i t yl a y sa n dh i 曲c a p a c i t yc h a n n e l s ，l e a dt ob l o c k i n ge f f e c ti nd e e ps e c t i o no fo i l l a y e r s ，b u ta l s oc o u l dn o tp l u gi n t ot h el o wp e r m e a b i l i t yl a y e r s ，t h u sa c h i e v et h ea i mo f p r o g r e s s i v e l yd e 印f l o o d i n g ，e v e n t u a l l yi m p r o v eo i lr e c o v e r y i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h eb a s i cp e r f o r m a n c ea n dp r o f i l ec o n t r o lm e c h a n i s mo fm o v a b l e m i c r o n a n o - g e lp a r t i c l e sa r ea n a l y z e db a s e do na na m p l ei n v e s t i g a t i o n ；s e c o n d l y , i nh o u s e p h y s i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt or e s e a r c ht h ep r o f i l ec o n t r o la b i l i t yo fm i c r o n a n o - - g e lp a r t i c l e s a n dt h ei n j e c t i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da i m i n ga tt h el o w p e r m e a b i l i t yw a t e r f l o o dr e s e r v o i r ； f i n a l l y , b a s e do nl a b o r a t o r ys t u d y , m i c r o - n a n o - g e lp a r t i c l e sp r o f i l ec o n t r o lf i e l de x p e r i m e n ti s c a r r i e do u t i tp r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o ra p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o ni n t h el o w p e r m e a b i l i t yw a t e r f l o o dr e s e r v o i r l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ts h o w st h a tm i c r o n a n op a r t i c l c e sh a v ef a v o r a b l ei n j e c t i n ga n d s e a l i n gc h a r a c t e r i s t i c s i tc a np e n e t r a t er o c kp o r e sp r o g r e s s i v e l ya n dl e a dt oar i s i n gi n j e c t i o n p r e s s u r e ，t h u sa 1 1i d e a ls e a l i n gp e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d t h es e a l i n gp e r f o r m a n c ei sb e s tw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fm i c r o n a l op a r t i c l c e sl i q u o ri s2 0 0 0 m g la n dt h ei n f l u xi s0 2 p vt h r o u g h p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h ew a t e rd i s p l a c e m e mr e c o v e r yc a ni n c r e s e3 0p e r c e n ta f t e rp r o f i l e c o n t r o lf o rh i g hp e r m e a b i l i t yz o n e ( c h a n n e lt y p e ，f r a c t u r e dc o r e ) t h ep a r a l l e ls a n dp a c k e dp i p e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ei n j e c t e dm i c r o l l a n op a r t i c l c e sc a ni m p r o v ei n j e c t i o np r o f i l e t h e t m n s p o r te x p e r i m e n to fm i c r o - n a n op a r t i c l c e ss h o w st h a tp a r t i c l c e sc a ng r a d u a l l ym i g r a t e t o w a r dd e l i v e r ye n da tl o n gc o r es a n dp a c k e dp i p ea n dt h ed e e pp r o f i l ec o n t r o li sa c h i e v e d f i e l dt e s ts h o w st h a tm i c r o - n a n op a r t i c l c e sd e e pp r o f i l ec o n t r o lm e d i c a m e n th a sag o o d e f f e c tt ot h ed e v e l o p m e n to fl o wp e r m e a b i l i t ya n i s o t r o p i cr e s e r v o i r i tc a ns l o wd o w nt h e p r e s s u r ed r o po fi n j e c t i o nw e l l ，i n c r e a s ew a t e r f l o o ds w e e pe f f i c i e n c ya n di n c r e a s ep r o d u c t i o n l l i 英文摘要 f i n a l l y k e yw o r d s ：m o v i n gm i c r o s p h e r e s ，p r o f i l ec o n t r o la n dd i s p l a c e m e n t ，m e c h a n i s m ， p h y s i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i e df u n d a m e n t a ls t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：连殓 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：聋翌 导师签名： 日期：2 中舭 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 我国低渗油田资源储量较为丰富，占探明储量的6 0 左右，而大多数低渗油藏普遍 采用水驱开采，其中不少油田已经进入高含水或特高含水时期，主要表现为“三低一高” 一采出程度低，综合利用率低，开发效益低，综合含水率高的特础1 , 2 】。在长期注水开发 过程中，由于原始地层存在天然裂缝发育，以及长期强采强注引起胶结物流失、油层出 砂、岩石结构遭到破坏，从而导致地层出现高渗层、大孔道，使得油井含水率上升，产 量下降，生产成本显著提高。 低渗透注水开发油藏的调驱技术一直是一个难点【3 】。以往调驱技术调堵的范围有限， 例如弱凝胶深部调驱，封堵强度不够理想；预交联颗粒尺寸较大，无法进入低渗油藏孔 隙；地下交联聚合物，受温度，矿化度等因素影响，成胶后不稳定，很难实现有效的深 部调驱，致使调剖、驱油效果不能达到预期的目标。 为了有效控制陕北低渗油藏含水上升快的问题，在以往注水井调驱技术的基础上提 出了可动凝胶微纳米颗粒深部调驱技术，此技术为提高陕北低渗油田的采收率提供了一 个新方向。1 微纳米颗粒具有纳米级尺寸，在水中只溶胀不溶解，颗粒间无粘连，没有网状结构， 在孔隙中主要依靠物理阻挡使水转向，与聚合物、交联聚合物依靠其粘度特征的粘滞阻 力使水改向的作用机理有所不同。纳米颗粒具有良好的弹性，在压力变化的时候，可以 被水流突破，向前移动，堵在地层深部下一个孔喉处【4 ，5 。 因此，本论文开展了陕北低渗注水开发油藏微纳米颗粒深部调驱技术的研究，对微 纳米颗粒的封堵性，注入性等各项调驱性能进行评价，在此基础上建立一种注入方式快 捷、波及效率高、适应性强的提高采收率方法【6 ，7 】。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 调驱技术的国内外发展概况 社会不断发展，我们对石油的依赖性越来越强，随着石油勘探开发技术水平的不断 发展提高，以及勘探开发程度的不断加大，低渗油藏的发现和开发比例不断的增加，原 来认为没有多少利用价值的低渗，特低渗砂岩油藏，经过注水开发、油层改造等增产技 术措施以后，获得了比较理想的产量及经济效益。然而，在增产开发的过程中仍面临着 很多问题，例如注水开发的过程当中，注入水或边水、底水会沿着高渗层、裂缝、大孔 道指进，使生产井过早的见水，甚至会出现水淹现象。另外，钻井、完井、注水开发过 程中系列工艺措施的负面作用，使得油层原有平衡被破坏，层间，层内矛盾接踵而至， 西安石油大学硕士学位论文 最终导致油井产量迅速降低，给油田的正常生产带来了严重的影响。因此，在油田开发 中，储层改造研究越来越受到国内外专家的重视，而化学药剂深部调驱不失为一条解决 问题的有效方法【8 。1 0 j 。 从5 0 年代开始，我国调剖堵水技术在现场逐渐试验应用，到现在为止已有近6 0 年 的历史。开始的时候用水泥浆调堵，随后陆续发展了石灰乳、树脂等化学调驱药剂。6 0 年代以来，研发了树脂型调驱剂；从7 0 年代开始，聚合物凝胶、水溶性聚合物发展成型， 开始在油田上广泛使用，自此，调剖堵水药剂的研发加快，我国调剖堵水技术进入了一 个新的发展阶段，调驱剂处理井区域扩大，种类繁多，调驱效果也显著增强。我国低渗 油田偏多，而低渗油田普遍采用注水的开发方式，油井到了注水开发的中后期，含水率 明显上升，目前油井的平均含水量以达8 0 以上，东部的一些老油田如大庆，辽河油田 的含水率已高达9 0 以上。所以，在8 0 年代末期，提出了注水井的深部调驱技术。深 部调驱技术的作用机理是指，将大剂量调驱剂注入油层深部处理，从而对高渗透层、裂 缝、大孔道产生堵塞，改变后续注入流体的流向，增加调驱剂的扫油面积和波及系数， 以提高最终的采收率。经过这些年的不断发展，调驱技术己由单井处理发展到了多井次 的区块整体综合处理，由无机颗粒调驱剂发展到以弱凝胶为主的有机体系调驱剂，大大 加强了这项技术在低渗油田的应用领域。在“八五”期间，预交联体膨型颗粒深部调驱技 术在我国陆地油田扩大了使用范围，明显增强了封堵地层的能力、增强了注入流体的阻 力、降低了高渗透层的渗透率的能力，使后续的注入发生水改向，迫使其到达到低渗透 层，扩大低渗透层注入水的波及体积。 调剖堵水技术在低渗的高含水油田增产方法中占有相当重要的地位。但是，随着高 含水油田长期开发所遇问题的日益复杂化、多样化，对深部调驱技术的工艺要求越来越 高，这就推动着调剖堵水及相关调深部驱技术的不断发展和创新，尤其是近些年来，在 深部调驱使液流改向的研究与应用方面取得了许多新的进展，形成了包括弱凝胶体系、 体膨型颗粒、胶态分散凝胶( c d g ) 、地下交联体系、柔性转向颗粒等多套深部调驱技术， 为我国陆上低渗高含水油田改善、提高注水开发效果、提高原油采收率发挥着至关重要 的作用【1 1 - 1 3 1 。 国外调剖堵水技术的研究和应用已有将六十多年的历史，注水井调剖技术是由油井 堵水技术的基础上发展而来的。5 0 年代，前苏联还研究了丁基酚和甲醛合成树脂，环烷 酸皂等化学药剂的实验。在陆上油田应用粘性油、憎水的油以及水乳化液，固态烃、油 基水泥等调堵药剂。6 0 年代，开始使用聚丙烯酰胺类高分子聚合物调驱技术，为化学调 剖堵水技术打开了一个新的方向，新的局面。在7 0 年代，d b r o s e t a 等人研究指出，应 用聚丙烯酰胺在多孔介质中的吸附效应和机械效应可以有效地封堵高渗透层，从而使化 学调剖堵水技术的发展上到了一个新台阶。在8 0 年代末，前苏联和美国都推出了一些新 型的化学剂，总体来说，大致可划分为水溶性聚合物凝胶类调驱技术，水玻璃类调剖堵 水技术和颗粒类调剖堵水技术等。近些年来，还发展了液体深部转向技术等新的方法。 第一章绪论 经过6 0 多年的发展，当前化学调驱技术的发展进入了一个崭新的阶段。据不完全统计， 目前在国内外，有实际应用价值的调剖堵水药剂，有弱凝胶体系和延缓交联凝胶体系， 而弱凝胶体系中应用较多的是延缓交联体系，该体系的交联剂是一种柠檬酸铝，p a o l a l a 等人对弱凝胶体系性质做了较为全面的研究报告，他们对凝胶的成胶机理、成胶条件都 作了较为详细的研究 1 4 , 1 5 】。 1 2 2 调驱技术的研究现状 ( 1 ) 调驱技术的原理 深部调驱技术的作用机理是指：将大剂量的调驱剂注入油层深部，对高渗透层、大 孔道或者裂缝进行有效的封堵，增加调驱剂的扫油面积和波及系数，改变后续注入水的 液流方向，以提高最终采收率。调驱不仅仅局限于“驱”，调驱是一种以堵为主的增产工 艺，“驱”只是在调驱剂运移过程中的一种附带作用。所以从根本上讲，将调驱称为“堵 驱”或“深部液流改向技术”更为符合其调驱机理。实际上，在现场应用时，“调剖”已 经不是最终目的，其最终目的是在实现注水的同时，在油层深部改变液流方向，增大波 及体积，提高波及系数。近井地带的流体改向作用，已不能实现提高采收率的总体目标 了【16 1 。 ，( 2 ) 深部调驱技术对低渗注水开发油田的意义 对于注水井深部调驱技术的评估，不应该只从单井注采状况考虑，还应从储层整体 情况来考虑，如产油层的利用程度、水驱效率、注入水的波及体积、扫油面积、低渗油 藏水驱开发阶段的采出程度、最终采收率和注水开发的经济效益等几个方面；降低生产 井的含水率，提高油井产油量，产液量；改进注水井的吸水剖面；从整体上改善注入水 的整体开发效果。 ( 3 ) 国内外常用的调驱剂 在深部调驱技术的应用中，以往应用的调堵剂为颗粒型，主要依靠物理作用堵塞， 如青石粉、膨润土、石灰乳、轻度交联聚合物颗粒，处理半径及其有限，一般在5 米之 内，有时可达1 0 米。经过多年发展，目前深部调驱的方法有很多种，调剖剂的种类也复 杂繁多。深部调剖技术大致可划分为体膨型预交联颗粒深部调驱技术、地下交联聚合物 深部调驱技术、阴阳离子聚合物深部调剖技术、泡沫深部调剖堵水技术、微生物深部调 驱技术等。 预交联凝胶颗粒深部调驱剂 预交联颗粒是一种体膨型颗粒，具有很强的吸水能力，颗粒吸水后体积会扩大几十 倍甚至几百倍，且吸水后具备良好的韧性和弹性。预交联凝胶颗粒在油中具有体积收缩 的特性 1 7 a 8 】。所以，该调驱剂可应用在油田改善注水井吸水剖面及油井选择性调驱中。 预交联凝胶颗粒调驱技术是将交联体系先期在地面交联形成凝胶，然后经一系列工艺措 施，制成凝胶颗粒。将预交联颗粒在水中分散，注入到油层当中，预交联颗粒优先进入 西安石油大学硕士学位论文 高渗层、裂缝或大孔道，继而通过吸附、阻挡等作用使高渗层渗透率降低，后续注入水 改向进入低渗透层，进而起到调节吸水剖面的作用使水线推进均匀；由于压差很大，所 以在近井地带，预交联颗粒在注水压力的作用下，容易变形，驱动岩石孔隙中剩余油向 油井移动，使驱替的波及系数增大。预交联颗粒的优点就是先期在地面交联，避免了地 下交联受( 温度、矿化度等) 其它一些不利因素的影响，施工快捷，无需大型设备；不 足之处是粒径大，有时容易形成表面堵塞，对施工的设备及工艺技术要求比较高；颗粒 的有效作用期短，适用的油藏条件比较复杂苛刻。 延缓交联型调驱剂 延缓交联调驱技术所使用的调驱剂在刚开始的时候，聚合物与交联剂并不发生交联 反应，注入地层后在特定的温度、矿化度条件下交联，交联后强度很高，主要封堵高渗 层、大孔道以及裂缝。该调驱技术从理论上讲应用的范围很广，无论采取什么样的方法， 只要延缓聚合物和交联剂的交联时间，都属于延缓调驱技术【1 9 删。 在实际应用中，延缓交联型调驱剂调驱技术是非常重要的技术，这项技术的核心是 采用延迟交联方法。其主体思路是用一定的配位剂来控制交联剂交联的速度与时间，从 而使得聚合物延缓成胶。延缓交联型调驱技术的特点是聚合物与交联剂结合使用，交联 时间长、浓度比较低，这样可以实现油藏的深部调驱，且适用于整区块油藏深部调驱的 客观要求。 泡沫调驱剂 泡沫深部调驱剂的作用机理是指：泡沫通过油层的孔道( 水流通道最狭窄的地方) 时，泡沫的表面膜发生变形，而对后续注入水产生了贾敏效应，即摩擦阻力。这种阻力 可以叠加起来，从而使高渗透层发生堵塞，改变后续注入水流方向以及水线推进速度和 吸水量，提高注入水的洗油效率和波及体积。在注水井调驱中，使用的泡沫主要是二元、 三元复合、蒸汽类泡沫及凝胶类泡沫。这些调驱药剂的共同优点是选择性较强，缺点是 有效期比较短，施工工艺比较复杂【2 1 1 。 阴阳离子聚合物深部调剖技术 阴阳离子聚合物深部调驱是指，在油井和注水井分别同时注入阴、阳离子类聚合物， 或者在注水井中交替的注入阴、阳离子聚合物调驱剂。油井和注水井可以同时进行，这 样的技术称之为防窜技术。一般的地层岩石表面呈负电，从油井中注入的阳离子聚合物 选择性的进入到高渗透层、裂缝以及大孔道中，吸附于岩石的表面，此时从注水井注入 阴离子聚合物。阴、阳离子型聚合物在地层中相遇，生成不溶性的沉淀，降低高渗层渗 透率，使得后续注入的驱替液和聚合物溶液进入低渗透层，提高波及系数、扫油面积， 从而达到提高采收率的目的1 2 2 j 。 粘土胶聚合物絮凝的深部调驱剂 二十世纪九十年代初期，胜利油田与石油大学共同研制开发了粘土胶聚合物絮凝体 系调剖堵水技术，这是一项新型的比较实用的技术。该技术是将膨润土配制成悬浮颗粒， 4 第一章绪论 利用膨润土膨胀后的颗粒与聚合物形成絮凝体系，在目的层的孔隙喉道处产生封堵，从 而起到深部调驱的作用。粘土胶聚合物絮凝体系的主要作用机理是机械堵塞和絮凝后堵 塞。粘土聚合物调剖堵水技术在东部一些油田得到大范围的推广应用，并取得了相当不 错的经济效益。尽管此调剖堵水技术取得了一定的成功，但还有一些缺陷存在，例如， 该调驱剂对于非均质油藏的选择性注入较差、向深部运移的能力较差、现场施工工艺复 杂、且不能在线注入【2 引。 微生物深部调剖剂 二十世纪三十年代起微生物深部调驱开始研发，至今已有七十多年的发展，取得了 诸多研究成果，起到了原油生产过程中提高采收率的目的【2 4 1 。微生物深部调驱作用机理 是指：微生物在繁殖过程中产生的有益的酶，可降低原油的粘度l 2 5 1 。微生物深部调驱技 术适用于整体性好或渗透率高的油层，针对不同的油藏，需筛选与之配套的菌种。经筛 选微生物菌种在油层中生成的生物酶及生物残骸可大幅度地降低高渗层渗透率，封堵高 渗条带，使液流改向波及到中、低渗透层，增加注水井的注入压力，提高波及系数，达 到提高原油采收率的目的1 2 6 1 。微生物深部调驱具有施工比较安全、工艺简单、不会对环 境产生污染、能降低材料和施工的成本等优点；但是微生物繁殖缺不能掌控自如，如果 微生物过度繁殖则可能引起油井堵塞。 弱凝胶深部调驱剂 弱凝胶深部调驱作用机理是指：由低浓度的聚合物和交联剂进行交联，形成三维网 络结构，是以分子间交联为主的弱交联体系。从调驱剂分子间形成弱交联的特性来看， 认为弱凝胶是比较弱的本体凝胶，与本体凝胶不同之处在于，弱凝胶具有一定的流动性， 在压力波动的情况下，可被注入水突破进入油层更深部1 27 。 在浓度高于聚合物调驱剂的弱凝胶溶胶中加入少量交联剂，使之在地层内缓慢交联 形成弱凝胶。弱凝胶调驱体系一方面可形成交联网络结构，使后续注水改向，波及中、 低渗层，从而起到调剖的作用；而另一方面，由于交联强度弱，调驱体系在后续注水压 力推动下可向地层的更深部运移，产生驱油的效果，这种驱油效果要好于凝胶本身的驱 油效果，从而能起到扩大波及系数、提高采收率的作用。 1 2 3 现有调驱技术存在的问题 调驱技术可以调整注水井的吸水剖面以及油井的产液剖面，调解层间、层内矛盾， 提高注水波及系数f 2 引。目前，国内外研究的有机调驱体系、无机调驱体系、胶态分散凝 胶体系、预交联体膨颗粒型封堵体系、无机颗粒调驱体系的调驱剂等，在油田的日常生 产中取得了一定的成效，但在生产过程中，仍存在一些缺陷，需要进一步探讨解决。 无机调剖体系强度较高，能够封堵高渗层、大孔道，但堵得比较死且有效期短，不 能进行深部调剖，给以后的调驱工作带来诸多不便；有机调剖体系强度较低，可以形成 有效封堵但不堵死、能在油层运移实现深部调驱，但对大孔道封堵效果不佳，即使堵住， 西安石油大学硕士学位论文 也容易被后续注入流体所突破。有机、无机复合调剖技术是由高强度有机凝胶和无机固 结颗粒型凝胶复合组成的调剖体系，复合体系中的无机调剖剂主要由粘土、橡胶粒、石 灰等无机颗粒等组成，可以根据目的层孔隙直径的大小选择无机颗粒的粒径使用范围， 有机调驱体系主要由高分子聚合物和交联剂组成，交联剂浓度的大小可以控制成胶的时 间。为增强复合调剖剂的封堵强度和耐冲刷力，现场多采用段塞注入方式进行调驱。这 样可以提高封堵强度高，扩大适用范围广。复合调驱体系主要应用在中高渗油藏以及注 入水沿大孔道窜流严重的井组和区块。该体系在生产过程中，仍存在一些缺点：施工工 艺复杂，调驱设备磨损严重，对油层伤害较大。 交联剂与聚合物为主的各种地下交联体系，在特定温度和矿化度条件下交联成凝胶。 该调驱剂的优点是所需调驱设备简单，调驱工艺快捷方便，对低渗层的污染较轻，在较 低的注入压力下调剖剂对地层有很好的选择性，交联体系成胶强度一般，其粘度大约在 8 0 0 0 3 5 0 0 0 m p a - s 之间，具有调驱的双重效果。但其自身仍存在缺点，并制约着它的推广 应用。主要缺点：堵塞程度较低，成胶条件比较苛刻，不适合于裂缝性油藏，耐温在7 0 以下，地层水矿化度不能超过5 0 0 0 0 m g l ，交联体系在地层孔隙中长时间运移造成剪切、 扩散、降解，交联时间缓慢等，从而造成本来在地面成胶条件就苛刻的交联体系在地下 成胶更难。而且，现阶段油田进行调驱作业的井组或区块基本上都是经过长期注水开发 的油藏，都有水驱大孔道、高渗层的存在，此类交联体系封堵强度低，成胶条件苛刻， 很难起到良好的深部调驱作用。 、 由于体膨型预交联颗粒的粒径较大，往往只能在渗透率较高的油藏或水井附近的油 层起到封堵作用，后续注入水会很快绕流并再次进入高渗层，很难起到有效的调剖驱油 作用。以上这些调驱方法，主要是改善了注水井附近注入流体状况，提高注水井附近的 波及系数、扫油面积，而注水井附近的剩余油饱和度小，因此提高最终采收率程度不大。 1 2 4 可动凝胶微纳米颗粒深部调驱的提出 为解决油井高含水的问题，控制油井含水率上升的速度，减少油井的产水量，增加 油井产油量，提高低渗注水开发油藏的采收率，调整吸水剖面作为一种效果好、成本低 的技术得到了广泛的应用。二十世纪九十年代之前，调剖技术的现场应用只局限于处理 井筒周围5 米左右的范围。近些年来，随着工艺技术的不断发展，采用调驱剂对油层进 行深部处理越来越引起人们的广泛重视【2 引。 注水开发油藏，形成大孔道的主要原因是油层的非均质性，多数油藏如东部的一些 油田，油层原始渗透率都在几个毫达西到几个达西间变化。在长期注水冲刷作用下，局 部渗透率可达十几个达西以上，即形成了液流大孔道。此时油层岩石孔喉直径在几个微 米到几十个微米之间变化。，因此要实现在大孔道中的液流改向，就必须要求调驱体系能 进入深部高渗条带，对液流产生阻力，或通过架桥完全封堵孔喉使水完全改向。 微纳米技术的发展为诸多领域的发展带来新的方向，纳米材料的合成及制造方法也 6 第一章绪论 日益完善，用悬浮聚合、微乳液聚合以及分散聚合法等已成功地合成了纳米级和微米级 的有机聚合物微粒，并用于造纸涂料和医药行业中，体现出了很多优良特性。 在低渗注水开发油藏中，渗流孔道直径一般在几百纳米到几十微米，其孔隙、喉道 的直径一般在几微米左右，要堵住这样的渗流孔道，所需要的材料应在几微米到几十微 米之间。同时，要通过注水井附近的这些孔喉，又要求材料小于微米量级。因此，该材 料应该是在到达地层深部之前，直径很小；到达工程要求的目的层之后，材料的直径应 该达到亚微米以上，最好能够达到几微米甚至几十微米，这样就能够达到深部调驱的技 术要求；同时，该材料必须具备良好的弹性，在压力波动情况下，可以被水流突破，向 深部移动，堵在地层深部下一个孔喉处。因此，研究一种微纳米吸水弹性微球在低渗注 水开发油藏中的调驱工艺、调驱机理是本论文的中心内容。其核心点在于利用微纳米颗 粒的膨胀特征和充分发挥球体的弹性特征，达到长效稳定的封堵效果；利用生产工艺简 单、价格低廉的微纳米吸水材料；微纳米颗粒在进入地层后能够按工程设计的要求吸水 膨胀，在- 定的时间内，胀大到所需要的尺寸，实现材料的弹性化和微球调驱的效果【3 0 。3 3 1 。 1 3 主要研究内容 基于国内外油田开发的实际情况，根据深部调驱技术研究现状的分析，本文的主要 研究内容如下： 1 在充分调研的基础上，对低渗透注水开发油藏可动凝胶( 微纳米颗粒深部调驱剂) 基本性能、深部调驱机理进行了理论分析。 2 计算出与陕北低渗油藏孔喉尺寸大小相适应的微纳米颗粒。在室内实验的基础上， 对微纳米颗粒调驱性能展开研究，包括微纳米颗粒的注入性能、封堵性能、驱油效率、 剖面改善能力及注入参数等。 3 低渗透注水开发油藏可动凝胶深部调驱效果室内研究。主要评价可动凝胶在岩心 中的驱油效率。 4 现场试验及结果分析。 1 4 研究思路及技术路线 根据论文的研究目标和内容，论文的研究思路及技术路线如图1 一l 所示。 7 西安石油大学硕士学位论文 可动凝胶深部调驱室内研究 文献调研 i 国内外研究现状 微纳米颗粒调驱体系基本性能 调驱机理 建立物理实验模型及流程 室内实验砂：究与评价 调驱体系注入性能调驱体系封堵性能注入参数优化 驱油效率评价 现场试验 研究结论 图1 1 研究思路及技术路线 第二章可动凝胶微纳米颗粒的基本性能及调驱机理 第二章可动凝胶微纳米颗粒的基本性能及调驱机理 本章主要分析微纳米颗粒的原始尺寸、膨胀性、稳定性、分散性等基本性能。以下 微纳米颗粒的性质及基本性能，主要参考山东省东营市宇光科技公司产品说明，本文所 用微纳米颗粒( h b i 型) 来源于上述公司。由于论文侧重点在于室内驱替实验及现场应 用，所以这里对纳米颗粒的有些基本性能只做了定性分析。 2 1 微纳米颗粒的大小及形态 微纳米颗粒外观呈棕黄色半透明均相液体，常温条件下，密度为0 9 5 - 10 5 9 m l ，固 含量4 5o 左右。本节旨在了解微纳米颗粒的大小及形态。 ( 1 ) 实验过程；用矿化度4 0 0 0 0 m g l 的标准盐水配制浓度1 的微纳米颗粒溶液； 在载玻片上滴滴溶液，使其均匀分散开；盖上盖玻片，将载玻片置于显微镜的载物台 上，光学放大1 0 0 0 倍，观察其形态尺寸。 ( 2 ) 实验结果：由图2 - 1 可以清楚的看到水化前微纳米颗粒为几十个纳米的颗粒， 其基本形态为球形。这种微球在吸水前直径分布在3 0 0 8 0 0 纳米之间不等，分布中心尺 寸为直径5 0 0 纳米。 图2 - 1 放大后的微纳_ ；i 颗粒照片 如图2 - 1 ，利用光学显微镜观察，微球的原始尺寸只有纳米和亚微米级之间，形状 为球形，存在密度较大的内核，呈棕黄色。从尺寸和形态来看，微纳米颗粒小于低渗油 藏的孔喉直径，完全满足调驱剂深部调驱“进得去”的要求。 2 2 微纳米颗粒的分散性 本文中应用的微纳米颗粒分散状态良好，能均匀分散于水中。本节对纳米颗粒的分 散性傲以分析说明。 ( 1 ) 实验过程：用矿化度4 0 0 0 0 m g l 的标准盐水配制1 浓度的微纳米颗粒溶液， 倒入5 0 0 r n l 的烧杯中，搅拌1 0 分钟后，静置2 4 小时。 ( 2 ) 实验结果：观察容器中颗粒的分散状态，未发现明显大的颗粒或集团存在，无 沉淀，无分层。 西安石油大学硕士学位论文 微纳米颗粒的直径很小，具有庞大的数量特征，如此众多的微球颗粒在注入油层后 会广泛分布在油藏岩石孔隙中，对水产生阻力，以不断改变水流方向。微纳米颗粒只溶 涨，不溶解，其中水是连续相，微球是分散相。在水中有很好的分散性和悬浮性，微球 的加入基本不增加水的粘度，可用原注水设备在线注入微球，无需像聚合物调驱工程一 样增加大型设备，大幅度减少生产成本。 2 3 微纳米颗粒的膨胀性 可动凝胶微纳米颗粒随水注入地层后，在地层中吸水膨胀，其膨胀性能直接影响着 颗粒对高渗层、大孔道的封堵强度及运移能力。所以，膨胀性能对于微纳米颗粒深部调 驱至关重要。 2 3 1 温度对微球膨胀倍数的影响 在不同温度条件下，微纳米颗粒的吸水能力是不相同的。在实际油藏中，如果温度 条件不同，那么微纳米颗粒的吸水性能不可避免的会受到影响。 目前，测试纳米微球的膨胀倍数没有具体相关标准。由于微纳米颗粒只溶胀，不溶 解，与预交联颗粒有同等效果，所以借鉴常用预交联体膨聚合物的测定方法，即称重法 【3 6 】：将一定量的可动凝胶( m 1 ) 加入水溶液中，膨胀一定时间取出，过滤掉剩余的水， 称其质量( m 2 ) 。质量之差除以原来的质量。则其膨胀倍数为： q = ( m 1 一m 2 ) m l ( 2 一1 ) 式中：卜膨胀倍数，g g ； m 1 吸水前颗粒质量； m r 吸水后颗粒质量。 模拟青化砭丰富川油藏，分析研究微球在4 0 0 0 0 m g l 标准盐水中，不同温度下的膨 胀规律。 依据丰富川地层水，配制矿化度为4 0 0 0 0 m g l 的标准盐水，如表2 - l ； 表2 - 1 标准盐水成分及3 5 性质表 n a c i ( m g l )c a c l 2 ( m g l )m g c l 2 ( m g l )密度( g m l )粘度( m p a - s ) 7 0 0 0 06 0 0 04 0 0 01 0 0 70 4 6 5 2 矿化度为4 0 0 0 0 m g l 时，不同温度下微球膨胀倍数变化，如图2 - 2 所示： 1 0 第二章可动凝胶微纳米颗粒的基本性能及调驱机理 图2 - 2 矿化度为4 0 0 0 0 m g l 时不同温度下微球膨胀倍数变化 由图2 2 可知，微球在4 0 0 0 0 m g l 矿化度溶液中，温度为5 0 。c 的时候，其膨胀倍数 最高。相反的，温度为2 0 时，微球的膨胀倍数最低。温度在3 5 时微球的膨胀倍数介 于2 0 和5 0 之间。同时从图中曲线走势可知，3 5 时的膨胀倍数亦可以达到十几倍以 上。并且可以看出，随温度升高，微球吸水膨胀达到稳定的时间越长。 2 3 2 矿化度对微球膨胀倍数的影响 油藏条件不同，地层水的矿化度也不相同。对于一般的调驱剂来说，在高矿化度的 条件下，因为自身的结构组成，影响其吸水膨胀性能从而最终影响到调剖的效果，所以， 本论文对微纳米颗粒的抗盐性能进行了评价。 模拟青化砭丰富川油藏，丰富川井区地层温度3 5 左右。 恒温3 5 时，不同矿化度下，微纳米颗粒膨胀倍数的变化，如图2 3 所示： 图2 - 33 5 。c 时微球在不同矿化度溶液中随时间的膨胀情况 由图2 3 可以看出，温度为3 5 时，在各种矿化度下的吸水能力不尽相同。微球在 蒸馏水中吸水膨胀3 8 0 小时左右达到平衡，膨胀倍数接近2 6 ；在矿化度为1 0 0 0 0 m g l 的 西安打油人学硕十学位论文 溶液中吸水3 6 0 小时左右也基本达到平衡，膨胀倍数接近2 0 ：在矿化度为2 0 0 0 0 m g l 的 溶液中吸水3 4 0 小叫后达到平衡，膨胀倍数1 8 ；在矿化度为3 0 0 0 0 m g l 的溶液中吸水 3 2 0 小时后基本平衡，膨胀倍数1 6 左右；在矿化度为4 0 0 0 0 m e j l 的溶液中3 0 0 小时后达 到平衡，膨胀倍数在1 5 左右。 在3 5 c 的温度条件下，微球在蒸馏水中的膨胀倍数高于在其它溶液中的膨胀倍数， 而在1 0 0 0 0 m g l 、2 0 0 0 0 m g l 、3 0 0 0 0 m g l 、4 0 0 0 0 m g l 水溶液中，微球膨胀倍数相差不 太，微球在高矿化度下的膨胀过程中性能比较稳定，并能在高矿化度的情况下保持其膨 胀性，耐矿化度能力较强。 针对青化砭丰富川油藏的温度( 3 5 ) 矿化度( 4 0 0 0 0 m g l ) ，光学放大后观察纳米 颗粒膨胀规律如图2 _ 4 ： 膨胀1 天膨胀7 天膨胀1 4 天 图2 4 徽纳米颗粒膨胀规律图 微纳米颗粒吸水膨胀后，粒径逐渐变大。吸水膨胀2 周之后粒径扩大到十几甚至几 十倍，尺寸达到了微米级以上。在普通光学显微镜下就可以清晰地观察到微纳米颗粒调 驱剂的真实形态。因此可以验证，微纳米颗粒经过足够的膨胀后，可以达到亚微米或微 米级以上，可以在青化砭地层的高渗带或孔道处进行有效得封堵，满足调驱剂“堵得住” 的要求。 2 3 3 微球膨胀粒度分析 ( 1 ) 实验过程：在温度为3 5 c 条件下，配制浓度为2 0 0 0 m g l 的微纳米颗粒调驱剂， 用激光粒度仪测定0 1 5 天前后颗粒吸水膨胀的尺寸分布，进一步了解微球的膨胀性能。 ( 2 ) 实验结果及分析： 如图2 - 5 所示，颗粒膨胀后的粒径分布。 第二章可动凝胶微纳米颗粒的基本性能及调驱机理 膨胀1 天的粒径分布图 膨胀7 天的粒径分布图 膨胀1 5 天的粒径分布图 图2 - 5 微纳米颗粒膨胀粒径分布图 j 3 西安石油大学硕士学位论文 由上图可以看出，分布曲线向右移动，粒径随着吸水时间的延长逐渐在膨胀，经过 1 5 天，平均尺寸由吸水前的纳米级膨胀到微米级以上，进一步说明纳米微球具有良好的 膨胀性能，能对高渗层进行有效封堵。另外，颗粒在前1 5 天膨胀速度较快，1 5 天过后， 膨胀速度减缓，最终趋于平衡。 2 4 微纳米颗粒的稳定性 微纳米颗粒要在特定温度和矿化度下保持较长的有效期，就必须具备良好的稳定性。 稳定性是调驱剂性能的重要指标之一。 微纳米颗粒不溶于水，其稳定性的评价可采用观察法，将其置于特定温度和矿化度 水中，一段时间后观察其状态。 ( 1 ) 实验过程：取两只试管，在常温下和8 0 高温下用矿化度为4 0 0 0 0 m g l 的地 层水配制浓度为2 0 0 0 m g l 的微纳米颗粒溶液，放置一个月。 ( 2 ) 实验结果：通过观测发现，微纳米颗粒具有很好的耐温和耐矿化度特性，可在 8 0 、4 0 0 0 0 m g l 矿化度条件下仍然保持稳定状态。其中在常温下放置的时间更久，至 二个月后微球仍然在溶液中均匀分散，稳定存在，微球良好的热稳定性可保证调驱施工 的有效期。 2 5 微纳米颗粒的粘弹性 纳米颗粒只溶胀，不溶解，吸水前颗粒并没有粘性，吸水膨胀后会有很小的粘性特 征体现。纳米颗粒吸水膨胀后主要体现弹性特征。这一特征是由微球颗粒本身的三层结 构决定的( 在下一节详述) 。 微纳米颗粒在孔隙中主要依靠物理阻挡使水转向，颗粒之间不会粘连，无网状结构， 具有耐温、耐盐、耐剪切能力，在地层条件下长效稳定，不会增加水的粘度。比聚合物、 交联聚合物依靠其高粘度的粘滞阻力使水转向的作用大为增强，表现在岩心中纳米颗粒 的封堵率很高，这将在第四章的岩心封堵实验中提到，在此不再详述。 由于微球具有良好的弹性，所以可在弹性变形作用下通过喉道，并在下一喉道处恢 复弹性变形再次对水产生绕流转向作用，逐次往油层深部运移，实现深部液流转向作用。 2 6 微纳米颗粒封堵机理 鄂尔多斯盆地多为低渗透油藏，以延长油田青化砭延长组为例，渗水孔道直径偏小， 一般在几百纳米到十几微米之间。要堵住这样的渗流孔道，所需材料应该是在到达地层 深部之前，直径很小；到达地层深部之后，直径会达到微米以上。所以综合考虑微纳米 颗粒非常适应于这样的低渗油藏。因此，本文对微纳米颗粒在低渗油藏中的调驱机理进 行了以下理论分析。 微纳米颗粒的分类如表2 2 所示。 1 4 第二章可动凝胶微纳米颗粒的基本性能及调驱机理 表2 - 2 微纳米颗i 宜的类型 类型合成方法 封堵机理 小球乳液聚合纳米级微球颗粒，吸水后膨胀堵塞 微纳米颗粒 大球分散聚合 微纳米级颗粒，吸水后膨胀吸附 微纳米颗粒根据台成和封堵机理不同，分为原始尺寸不同的小球和太球两种类型( 见 表2 2 ) 。其中小球是通过微乳聚合而成的，原始尺寸只有纳米级，通过吸承后膨胀堵塞 封堵；大球依靠分散聚合得到，原始尺寸只有微米级，通过水化后膨胀吸附封堵。本文 主要应用微乳聚合的纳米级颗粒。 2 6 1 微纳米颗粒的小球封堵机理 由图2 - 6 可知，纳米级微球具有凝胶核、交联聚合物层、水化层三层结构。其中内 部凝胶核的