随着常规调堵措施轮次的增加，近井地带剩余油饱和度下降，增油效果变差，需要通过深部调堵才能更有效地调整、改善油藏的非均质性，提高注入液体波及系数，从而提高注水采油阶段的原油采收率[1-4]。聚合物微球技术是近几年发展起来的一种新型深部调堵技术[5-7]。该技术依靠纳/微米级遇水膨胀聚合物微球逐级封堵地层孔喉来实现逐级深部调堵效果[8-10]。该体系具有黏度低，可污水配制、在线注入等优点[11-13]。将聚合物微球制备成纳米级别，可进一步改善低渗油藏的深部调驱效果。长庆油田采用纳米聚合物微球进行深部调驱，在胡A长4+5低渗透油藏采用“小粒径、低浓度、长周期”的注入参数，调驱效果明显提升[14]。聚合物微球与一些具有功能单体的聚合物复配也是一种提高深部调驱效果的有效手段。赖南君[15]将聚丙烯酰胺微球与疏水缔合聚合物复配得到非均相复合体系，在高剪切速率下稳定性好，黏弹性高，较单独应用聚合物微球或疏水缔合聚合物更能在非均质岩心中建立较强的渗流阻力，从而提高低渗油藏采收率。目前，聚合物微球调驱剂种类较多，在开展低渗透油藏深部调驱现场试验前需要进行适应性评价。为考查聚合物微球在延长低渗高温高盐地层中的调堵性能，对两性聚合物微球PADC-1的调驱性能进行了系统评价，为现场应用提供依据。
两性聚合物微球PADC-1(实验室自备)；KBr、无水CaCl2、NaCl和MgCl2，分析纯，成都市科龙化学试剂厂生产；模拟地层水，参照新疆油田某作业区地层水配制；原油，来自于新疆油田某作业区。
两性聚合物微球PADC-1以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)为单体，采用反相微乳液聚合法制备，分子结构中同时含有正、负电荷基团，具有明显的反聚电解质效应和等电点现象等[7]。
ZEISS EV0 MA15扫描电子显微镜，卡尔蔡司显微图像有限公司；HAAKE MARS Ⅲ高温流变仪，赛默飞世尔科技有限公司；Master sizer 2000激光粒度分析仪，英国马尔文仪器公司；岩心流动驱替实验装置，实验室组装。
对聚合物微球的微观形貌、悬浮分散性、黏弹性、流变性进行测试，并以吸水膨胀倍数为指标，测试了聚合物微球的耐温耐盐性。
采用不同渗透率的岩心并联，以0.2 mL/min的流量进行水驱后，注入0.3 PV质量浓度为2 000 mg/L的聚合物微球调驱剂，再进行水驱至含水率达到98%，测定调驱前后的相对产水量，考查并联岩心分流率变化情况。吸水剖面改善率为注入聚合物微球调驱后高、低渗透岩心吸水比之差与调驱前高、低渗透岩心吸水比的比值，其数值大小可以用来衡量调剖剂改善储层非均质性效果，按式(1)计算吸水剖面改善率。
式中：δ为剖面改善率，%；Qh1为调驱前高渗透岩心吸水量，mL；Qh2为调驱后高渗透岩心吸水量，mL；Ql1为调驱前低渗透岩心吸水量，mL；Ql2为调驱后低渗透岩心吸水量，mL。
在实验筛选的最佳注入参数基础上，选用不同渗透率的低渗透非均质岩心进行驱油效果评价实验，实验步骤如下：
(1) 选用不同渗透率的岩心，先饱和模拟地层水，测定岩心孔隙度和水测渗透率。
(2) 以0.2 mL/min的流量向岩心中注入模拟原油，直至岩心出口端全部出油为止，记录过程中的总出水量Vo(即岩心孔隙油含量)，根据式(2)计算岩心原始含油饱和度So。
式中：So为岩心含油饱和度，%；Vo为岩心孔隙中含油体积，mL；Vp为岩心的孔隙体积，mL。
(3) 用模拟地层水以相同流量驱替岩心，直至出口端不再出油为止，记录过程中的总出水量、总出油量，根据式(3)计算水驱采收率RO。
式中：RO为原油采收率，%；V1为累计采出油的体积，mL；VO为岩心孔隙中含油体积，mL。
(4) 向岩心夹持器中注入一定量的聚合物微球分散液，在120 ℃下候膨48 h，使其达到一定的膨胀封堵效果。
(5) 再次注入模拟地层水进行后续水驱至含水率达到98%，计算阶段采收率和采收率增幅。
图 1为两性PADC-1微球的扫描电镜图像。从图 1可看出，在放大30 000倍下，PADC-1微球球形度较好，粒径分布窄，由Nano Measurement软件分析计算得到微球粉末平均粒径约为85.8 nm，属于纳米级，这与反相微乳液聚合产物粒径较小(20~100 mm)一致。由于纳米级的聚合物微球表面自由能较高，使得聚合物微球趋于聚集，微球表面光滑。PADC-1微球粒径小、表面光滑，运移时阻力较小，有利于微球运移至油藏深部，达到深部调驱的目的。
用模拟地层水(TDS为1.8×105 mg/L)配制质量浓度为3 000 mg/L的PADC-1微球溶液，搅拌均匀后将其静置于密闭的透明试剂瓶中观察溶液悬浮分散状态，如图 2所示。
当PADC-1微球乳液分散于模拟地层水时，呈淡黄色半透明黏稠液体，溶液稳定、均一，试剂瓶中未发现较大的微球沉淀与聚集。由于微球含有亲水单体AM、AMPS、DMDAAC，可以与水分子之间形成结合力较强的氢键，使得微球在水中快速水化，分散能力强，有利于现场配制。
在线性黏弹区域通过频率扫描实验，得到PADC-1微球弹性模量G′和黏性模量G″，测试结果见图 3。
从图 3可看出，在温度为25 ℃、频率为0.1~10.0 Hz时，PADC-1微球弹性模量和黏性模量成波动性变化，但弹性模量始终大于黏性模量，说明微球溶液以弹性为主。当振荡频率为1.0 Hz时，微球的弹性模量和黏性模量分别为565.40 Pa和92.83 Pa，绝对数值较高，表明微球具有良好的黏弹性，现场可利用微球尺寸小、在突破压力下发生弹性变形的特点，以适应各种形状和尺寸的孔喉。
在25 ℃下，测试质量浓度为3 000 mg/L的PADC-1微球溶液的剪切黏度随剪切速率变化关系，结果见图 4。
从图 4可知，PADC-1微球分散体系的剪切黏度随着剪切速率增大先逐渐下降而后趋于稳定。剪切速率在0~200 s-1时，微球的剪切黏度逐渐降低，表现出假塑性流体的特性。根据Hoffman分散体系层状理论，微球分散体系具有有序的层状。当微球分散液受到剪切作用时，微球在所处的层内移动，并在层内发生一定形变。因此，整体表现出剪切变稀特性。继续增大剪切速率，微球分散体系的剪切黏度基本恒定，这是由于剪切应力对微球的解离和聚集作用达到动态平衡，此时流体具有牛顿流体的流动特征，从而表现出较低黏度，保证了其具有良好的注入性。
(1) 耐温性。将用模拟地层水(TDS为1.8×105 mg/L)配制的PADC-1微球溶液分别置于25 ℃、60 ℃和120 ℃的恒温烘箱中，每隔一段时间取样测定微球平均粒径并计算膨胀倍数，结果见图 5。
由图 5可知，在同一温度下，随着时间的延长，PADC-1微球快速吸水膨胀后逐渐达到溶胀平衡。聚合物微球结构中含有大量酰胺基、磺酸基和季铵根等强亲水基团，使得水分子通过高分子链相互缠绕等形成的网络结构渗透到微球内部，从而快速吸水膨胀。
随着温度升高，PADC-1微球的溶胀倍数呈现增大趋势。一方面，升高温度加速了聚合物分子链运动，使得分子链段间的范德华力缔合作用减弱；另一方面，溶剂对聚合物微球分子链的溶剂化作用逐渐增大，且微球与水分子的缔合作用是吸热过程，升温有利于增强微球与水分子相互作用。
(2) 耐盐性。将用去离子水和不同矿化度的模拟地层水配制的PADC-1微球溶液置于120 ℃恒温烘箱中，然后定期取样测定平均粒径并计算膨胀倍数，结果见图 6。
从图 6可知：在相同矿化度下，随着时间的延长，PADC-1微球快速吸水膨胀后逐渐达到溶胀平衡；随着矿化度的升高，聚合物微球的吸水膨胀倍数和平均粒径逐渐减小。矿化度增大，水中的阳离子对带有负电荷的聚合物链与邻近阴离子之间形成的静电场产生屏蔽作用，削弱静电斥力，聚合物链发生卷曲，导致微球的弹性自由能和水化膨胀能力下降。同时，实验结果也表明，该聚合物微球在不同矿化度的模拟地层水中具有一定膨胀能力，表明其具有良好的耐盐性。由于微球分子结构中磺酸基团的存在，能够改善聚合物对二价离子的耐受性，同时含有的季铵盐阳离子基，不易受到溶液中Ca2+、Mg2+等的影响，削弱了溶剂中阳离子对聚合物分子链的屏蔽作用。
采用不同渗透率并联岩心模拟油藏地层非均质性，在120 ℃下，按照流动实验步骤对各岩心进行饱和模拟地层水，然后将双岩心并联处理。以0.2 mL/min的流量注入0.3 PV、质量浓度为3 000 mg/L的PADC-1微球调剖液，然后进行后续水驱，直至含水率达98%。实验采用的并联岩心的物理参数和实验结果分别见表 1和表 2。
从表 2可知：高、低渗透率岩心的吸水能力变化比较明显，高渗透率岩心分流率有所下降，而低渗透率岩心分流率明显上升；PADC-1微球调剖剂对渗透率极差为5.15的并联岩心的剖面改善率达82.1%。这可能是由于聚合物微球首先进入吸水能力较强的高渗透岩心中，微球不断吸水膨胀并滞留在岩心中，高渗透岩心的渗流阻力逐渐增大，后续流体逐渐转入低渗透岩心中，从而大幅度启动低渗透率岩心的模拟油，而且聚合物微球具有一定的黏度，能够改善水流流度比，具有较好的调剖作用。
选取不同渗透率的低渗透岩心按照实验步骤分别进行饱和水+饱和油+初次水驱，以0.2 mL/min的流量，注入0.3 PV、质量浓度为3 000 mg/L的PADC-1微球分散液，静置一段时间后，再次进行水驱，计算水驱采收率、总采收率以及注入微球后采收率增幅。为模拟高温高矿化度油藏环境，实验温度为120 ℃，地层水矿化度为1.8×105 mg/L，岩心基本参数和驱油效果分别见表 3和表 4。
从表 4可知，在实验条件下，注入PADC-1微球分散液后，不同渗透率岩心的采收率平均提高13.46%，说明微球具有较好的提高采收率效果。PADC-1微球溶液注入岩心后，在孔道内发生滞留、堆积、架桥以及膨胀作用，对岩心孔喉实现封堵，注入压力逐渐增大，孔道内的残余油被驱动。当注入压力大于微球变形突破压力时，微球发生弹性变形，继续运移到下一孔喉产生封堵，使微球实现对地层深部逐级调剖，扩大了波及体积。同时，在相同的注入条件下，岩心渗透率越低，提高原油采收率效果越好，可能是由于岩心渗透率较低，其平均孔喉尺寸较小，微球吸水膨胀后的封堵效果更佳，使得流体波及体积增加。
(1) 以AM、AMPS和DMDAAC为单体，采用反相微乳液聚合法制备的PADC-1微球，球形度较好，粒径分布窄，平均粒径为85.8 nm，微球表面光滑，具有良好的分散性。
(2) PADC-1微球的弹性模量始终大于黏性模量，且绝对数值较高，具有良好的黏弹性；其分散体系的剪切黏度随剪切速率增大先逐渐减小，而后趋于稳定。
(3) PADC-1微球吸水后快速膨胀，且随着温度的升高，溶胀倍数呈现增大趋势，耐温能力在120 ℃以上；高矿化度虽对聚合物微球吸水膨胀性有一定影响，但在总矿化度为1.8×105 mg/L下仍表现出较好的膨胀能力，具有良好耐盐性。
(4) PADC-1微球调剖剂对渗透率极差为5.15的并联岩心的剖面改善率达82.1%，对不同渗透率岩心的采收率平均提高13.46%，说明微球均具有较好的提高采收率效果。
2023, Vol. 52 Issue (4): 77-82 2023, Vol. 52 Issue (4): 77-82