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孔喉尺度弹性微球渗流机理的实验和模拟研究

姚传进  
【摘要】:随着我国经济的迅速发展,对石油资源的需求日益增长,而石油勘探开发的难度却越来越大。因此,提高已开发油田的原油采收率日趋重要。孔喉尺度弹性微球深部调驱技术以孔喉尺度弹性微球的独特性质,能够有效地改善油田注水开发效果和提高原油采收率,是一种具有广阔发展前景的提高采收率技术。孔喉尺度弹性微球在多孔介质中的渗流极其复杂,科学合理地认识和描述其渗流机制和提高采收率机理是决定孔喉尺度弹性微球深部调驱技术应用前景的关键问题。同时,多孔介质中颗粒的运移现象广泛存在于油藏水驱、水过滤、土壤污染、化学分离等工业和环境过程,一直是能源和环境领域的研究热点。因此,开展孔喉尺度弹性微球渗流机理的实验和模拟研究具有重要的现实意义和理论价值。本文首先针对砂岩油藏岩石孔喉的微米级尺度特征,以高分子微球材料的合成理论为指导,利用悬浮聚合技术控制合成了四种不同粒径大小和分布范围的微米级弹性微球,并借助高分子材料的表征手段,系统地研究了弹性微球的结构和性能以及弹性微球悬浮液的流变性质;其次,通过填砂管岩心驱替实验,研究了弹性微球的运移能力和封堵能力,引入粒径匹配系数,评价了不同粒径匹配关系下弹性微球的封堵特性和分流特性,确定了最佳的粒径匹配系数范围,并提出了一种基于粒径匹配关系的弹性微球调驱设计方法;然后,根据真实油藏岩石的孔喉特征及弹性微球的尺寸特点,设计了适用于弹性微球的三维孔隙级微观可视化模型,并构建了微观图像实时采集及数据测试分析系统,通过显微观察和理论分析相结合的方法,揭示了弹性微球的微观运移机理及微观调驱机理;最后,根据非均质多孔介质渗流与示踪剂迁移理论,提出了一种新的识别储层非均质性和评价弹性微球调驱扩大波及体积性能的双示踪剂(离子型化学示踪剂KBr+颗粒型荧光标记示踪剂Cdot)方法,通过构建考虑层间绕流的非均质单管模型,对双示踪剂方法进行了实验验证,并开展了双示踪剂方法识别储层非均质性和评价弹性微球调驱扩大波及体积性能研究。研究结果表明,弹性微球为有形球体,其粒径具有单峰分布特征,服从威布尔分布;弹性微球具有良好的粘弹性、膨胀性、耐温、耐矿化度和耐酸碱特性;弹性微球悬浮液的pH值在6.5~7.5之间,基本不会对注入设备和管线造成腐蚀;弹性微球基本不增加注入水的粘度,且受其质量分数以及温度、剪切速率和矿化度影响的变化并不大,具有良好的流动性和调驱注入性。弹性微球可以依靠自身的弹性在多孔介质中不断地运移和封堵,并引起注入压力的波动变化;只有当弹性微球的粒径与储层岩石的孔喉尺寸相匹配时,才能发挥最佳的封堵效果;以封堵率大于85%作为评价标准,最佳粒径匹配系数范围为1.35~1.55;弹性微球可选择性优先进入和封堵具有较佳粒径匹配系数的高渗透层,并显著降低其渗透率,而对具有较大粒径匹配系数的低渗透层渗透率的改变较小,对低渗透层有一定的保护作用;这些实验结果验证了粒径匹配关系的重要性。弹性微球的微观运移机理主要表现为孔隙表面沉积机理、卡堵/叠加封堵/架桥封堵孔隙喉道机理、颗粒滤膜截留机理和变形通过孔隙喉道机理,弹性微球的微观调驱机理主要表现为选择性封堵大孔道机理、封堵后致液流转向机理、突破后负压泄油机理和油滴汇聚成油流机理,从而验证了弹性微球深部调驱技术设计原理的先进性和科学性。均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线基本重合,而非均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线产生分离,且KBr和Cdot的fv值相差较大;在一定的注入速率条件下,通过分析注入弹性微球前后KBr和Cdot的产出规律以及fv值的变化规律,可以识别储层非均质性和评价弹性微球调驱扩大波及体积性能,从而为在考虑油藏的层间绕流特征条件下评价弹性微球的调驱扩大波及体积性能提供了切实有效的方法。


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