低盐度水——工程化微球注入技术在渗透性碳酸盐岩中的深度控缝效果：一项实验研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Low salinity water - engineered microsphere injection for in-depth conformance control in permeable carbonates: an experimental study

高温高盐碳酸盐储层中低矿化度水与微球协同封堵技术研究，通过岩心流动和油驱实验发现分步注入（先常规高盐水分散微球再低盐水）可显著提升封堵效果，增油率达8.3%，证实了温度与盐度对微球zeta电位及迁移行为的关键影响。

　　

曹东庆|苏巴什·阿伊拉拉|萨拉赫·萨利赫|加伊达·阿尔朱哈尼

阿美亚亚洲公司北京研究中心，中国北京100102

摘要

低盐度水（LSW）与工程微球的结合注入是一种有前景的混合技术，可用于提高渗透性碳酸盐储层的控水效果。然而，由于微球与盐水之间的复杂相互作用，尤其是在高温和高盐度条件下，这一过程面临重大挑战。本研究通过在储层温度95°C和孔隙压力3100 psi下进行的核心注水试验，探讨了这种混合技术在碳酸盐多孔介质中的流动和石油回收性能，以阐明其协同效应。结果表明，微球在岩芯中的迁移/堵塞性能对盐水盐度非常敏感，尤其是在高温条件下，这是因为微球的Zeta电位较弱。当盐度降低时，微球会膨胀；而分散在常规高盐度注入水中的微球在注入饱和盐水的碳酸盐岩芯时产生的压差远高于在低盐度水中注入时。仅将微球与低盐度水混合从堵塞效果来看是不够的。因此，提出了一种两步法：首先注入分散在常规注入水（CIW）中的微球，然后再注入低盐度水。单相流动试验表明，这种方法在高渗透性碳酸盐岩芯中能够产生足够的堵塞效果。低盐度水进一步增强了堵塞效果，并减轻了微球在高盐度水中分散不良导致的高滞留问题。石油驱替试验证实了该方法在存在油的情况下的堵塞能力。经过一次脉冲注水后，该方法增加了8.3%的石油回收量，远高于单独使用低盐度水的情况，表明微球与低盐度水之间存在有效的协同效应。

引言

储层非均质性是全球石油生产面临的挑战。在水驱和其他基于水的注入过程中，注入水会优先流入渗透性高的区域，绕过渗透性低的富油区域，从而导致早期出水和扫油效率降低。聚合物驱油一直是提高储层扫油效率最成功的技术（Wang等人，2005；Wang等人，2009；Seright等人，2023）。水溶性聚合物如聚丙烯酰胺是具有长而灵活的单体单元链的线性聚合物。当溶解在水中时，这些链会展开并延长，增加溶液的粘度，从而降低水-油的流动比率并加速石油流动，提高扫油效率（Littmann 1988；Han等人，2012）。与水溶性聚合物不同，聚合物凝胶是通过将聚合物或单体与交联剂交联形成的三维网络，可以膨胀并保持大量水分。作为固体或半固体相，它们不会改变注入水的性质，而是直接针对储层非均质性，通过堵塞高渗透性区域并重新引导水流到低渗透性区域来提高扫油效率（Breston，1957；Sydansk，1988；Bai等人，2007；2015；Han等人，2014）。根据形成方法，聚合物凝胶可以分为原位凝胶和预制凝胶。原位凝胶是在储层中通过注入聚合物和交联剂形成的，而预制凝胶则是在注入前在地表制备的。由于微球在深度流体改向应用中的作用，它们受到了广泛关注（Tian等人，2012；Yao等人，2015；Pu等人，2018；Cao等人，2020；Liu等人，2022）。微球通过逆乳液聚合方法合成，具有从几十纳米到微米不等的均匀球形，其尺寸与储层孔隙大小相当。这些特性使得微球特别适用于基质型非均质储层的深度流体改向。微球注入的机制是通过吸附或变形来物理堵塞流道，从而将水流导向未受侵入的区域，提高扫油效率。

低盐度水（LSW）注入是一种经济有效的技术，可用于提高碳酸盐储层的石油回收率（Yousef等人，2011；2012；Al-Shalabi等人，2016）。通过调节离子浓度，注入的盐水可以与储层岩石相互作用，改变其润湿性，从油润湿变为中间润湿或水润湿。同时，它还影响原油-水界面，促进释放的油滴聚集并形成油团（Ayirala等人，2019；2020）。还发现了其他机制，如溶解和细小迁移过程（Sharma等人，2018；Megens等人，2024）。这些机制共同促进了二次和三次采收中的额外石油回收，特别是在碳酸盐储层中。将LSW注入与其他化学物质结合使用被认为是进一步提高回收率的潜在方法（AlSofi等人，2023；Ayirala等人，2023；Wang等人，2024）。研究人员已经探索了LSW与各种凝胶（如预制颗粒凝胶（PPG）和整体凝胶）在裂缝储层中的组合效果，证明了它们在增强或补充主要驱替机制方面的协同效应（Alhuraishawy等人，2018；Brattekas等人，2020）。

LSW与微球注入的结合提出了一种新的混合技术，用于提高非均质碳酸盐储层的石油回收率（Cao等人，2021；2024）。已广泛研究了微球与LSW之间的协同效应。一些研究表明，随着盐度的降低，微球尺寸有明显的增加趋势（Yao等人，2016；Alhuraishawy等人，2019；Liu等人，2022；Zhang等人，2023），这可能有利于微球的堵塞性能。Yao等人（2017）研究了在60°C下不同离子强度下聚丙烯酰胺微球的传输、滞留和释放情况，发现较高的离子强度会增加微球的滞留，而较低的离子强度则有利于其释放。Han等人（2020）系统研究了在室温下盐度高达15,745 ppm的盐水中纳米凝胶的性能。观察到LSW与纳米凝胶在改变润湿性和减少界面张力方面的协同效应。与高盐度水相比，纳米凝胶在LSW中的滞留率更高。Almahfood（2020）在室温下对聚合物纳米凝胶与表面活性剂结合在砂岩和碳酸盐储层中的注入进行了全面研究。纳米凝胶和表面活性剂的顺序注入比一次性注入产生了更高的石油增量回收率，LSW注入导致吸收的纳米凝胶膨胀并增加了注入压力。Geng等人（2020）研究了纳米凝胶与油-水界面的行为，结果表明合成的纳米凝胶降低了界面张力并稳定了油-水乳液。更高的水盐度进一步降低了界面张力。Yuan等人（2023）研究了在32°C下LSW与微球的联合注入。他们发现，与在高盐度水（9,694 ppm）中使用微球相比，这种方法提高了堵塞效果和石油回收率。这一点通过岩芯的核磁共振测试得到了证实。

大多数研究是在低温和相对较低的储层盐度条件下进行的。在盐水中，微球形成细颗粒悬浮系统，温度和盐度显著影响颗粒的热运动和Zeta电位，从而影响其悬浮状态。此外，以往的研究主要集中在微球与LSW的直接混合上。LSW使微球（这种水膨胀的聚合物材料）膨胀到更大的尺寸，提高了其在储层中的堵塞性能。相反，LSW中较低的离子含量通过增加颗粒间的排斥力来提高悬浮稳定性，防止微球聚集，并增强其迁移能力。这两种效应可能会相互冲突，表明仅将微球与LSW混合可能不够，尤其是在恶劣的储层条件下。相比之下，本研究针对的是温度为95°C的渗透性碳酸盐储层。储层盐度和常规注入水（CIW）的盐度分别高达213,734 ppm和57,670 ppm。比较了不同的注入方案，包括微球/LSW共注入和顺序注入，以优化协同效应。还应注意的是，本研究中的核心流动试验仅涵盖了以粘度为主导的流动情况，没有考虑毛细作用或重力效应。

节选内容

盐水

使用合成CIW和LSW制备微球溶液。CIW的总溶解盐（TDS）为57,670 mg/L。为了评估目的，CIW被稀释十倍以制备LSW。使用原生水饱和岩芯塞。表1展示了CIW和原生水的离子组成。

微球

由于与CIW的优异相容性，本研究选择了来自中国天津新乡化工的新乡Nano公司的微球样品。

不同盐水中微球的比较

分别使用分散在CIW和LSW中的新乡Nano微球进行了两次单相流动试验。试验分为两个步骤，如表3所示。第一步是将微球注入饱和盐水的岩芯中5 PV。第二步是在注水后继续注水至少5 PV或直到注入压力稳定。两次试验均在95°C下进行。

结论

本研究通过单相流动试验和石油驱替试验，实验研究了微球与不同盐度盐水在多孔介质中的相互作用，以探讨它们的协同效应。

• 1)
  分散在常规盐度注入水中的微球在注入饱和盐水的碳酸盐岩芯时产生的压差远高于在低盐度水中注入时的压差。微球在岩芯中的迁移/堵塞性能对盐水盐度非常敏感

CRediT作者贡献声明

加伊达·阿尔朱哈尼：验证、资源提供、调查。苏巴什·阿伊拉拉：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。萨拉赫·萨利赫：验证、资源提供、调查。曹东庆：撰写——初稿、方法论、调查、概念化

未引用的参考文献

Al-Shalabi和Sepehrnoori，2016；Brattekas和Seright，2020；Ramach和Fogler，1998；Seright和Wang，2023；Sharma和Mohanty，2018。

致谢

作者们特别感谢Han博士在整个研究过程中提供的宝贵支持。他的广泛知识、深刻的反馈和坚定的鼓励对于实现研究目标起到了重要作用。