陈宇豪，王克亮，李 根，逯春晶

（东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

0 引言

近年来，我国大部分油田都进入了开发中后期，油田的多轮次调剖效果呈递减趋势［1］。在水驱和化学驱过程中，窜流现象的发生日益频繁及严重，而诸如聚合物冻胶类、树脂类以及凝胶类调剖剂等常规调剖剂主要作用于近井地带，不能有效改善地层深部的非均质性［2］。针对这一情况，出现了深部调剖技术的概念［3］，颗粒类调剖剂就是目前国内各油田广泛使用的一类针对深部地层的调剖体系［4］。颗粒类调剖剂是一种经济有效的堵剂，尤其对于高渗透、特高渗透地层以及需要进行深部处理的大孔道地层，通过颗粒类堵剂处理可获得明显的调剖效果，其特有的选择性进入能力可减少堵剂对非目标层的侵入［5-6］。颗粒类调剖剂的制作方法在主体工艺上大都相同［7］，不同类型的颗粒调剖剂都是由不同单体通过聚合交联反应形成整块胶状产品，再通过烘干、造粒、筛分等工艺最终制备成不同粒径的颗粒［8］。常用的颗粒类调剖剂包括体膨颗粒、柔性颗粒、凝胶颗粒和橡胶颗粒等［9］，它们具备不同的性能、作用方式及应用效果，针对这些颗粒的室内评价手段也很多［10］。与传统堵水剂相比，颗粒类调剖剂在地面制备成产品，进入到地层深部后无须反应，或者是通过颗粒相互之间产生交联作用而生效，受地层条件的影响很小［11］，此外，颗粒类调剖剂具备较高的稳定性、封堵性、耐盐性以及耐温性，在油田调剖堵水工艺上所占的比重将会逐步增大［12］。

大粒径弹性颗粒的主要作用是对地层内部的裂缝进行封堵［13］，并凭借其易变形、耐剪切的特点，当压力梯度增大时，可以进入地层深部对裂缝和孔隙进行封堵，从而实现深部调剖［14-15］。弹性颗粒成本低、有效期长［16］，但在油田进行现场试验则存在渗透率不匹配的问题，导致颗粒注入困难［17］。目前，针对该类颗粒的室内评价实验鲜有报道，主要原因是弹性颗粒的粒径为1～5 mm，远大于微米级调剖颗粒［18-19］，室内岩心驱油实验设备的尺寸不能满足实验要求，此外，该类颗粒的作用主要是封堵裂缝［20］，并不作用于岩心基质［21］，因此，室内岩心驱油实验不能很好地评价其封堵裂缝的能力及深部运移的能力［22］。针对这一问题，基于油田现场应用情况，设计一种毫米级粒径的弹性调剖颗粒及相关模型和设备，并提出颗粒变形通过压力这一参数，以便对该颗粒通过裂缝的能力进行评价，进而对其封堵能力和深部运移能力进行评价。

1 实验设备及方法

实验所用的大粒径弹性颗粒（图1）采用丁苯橡胶类材料制作，具备较高的形变能力及耐剪切性和热稳定性，粒径根据造粒工艺选择不同尺寸，具体有1 mm，3 mm和5 mm。由于弹性颗粒粒径为毫米级，实验室内常规装置的尺寸不能满足实验要求，故结合实验室现有设备设计了大粒径颗粒顶替装置（图2），并定制了具有不同裂缝宽度的裂缝模型（裂缝宽度分别为1 mm，3 mm和5 mm，模型厚度为10 mm），将颗粒溶液装入活塞容器内，通过ISCO泵提供底部活塞动力，活塞顶替颗粒至顶部裂缝，利用压力传感器实时记录顶替活塞处的压力变化，并绘制注入压力-时间曲线，进而对颗粒变形及通过裂缝的过程进行分析。

图1 弹性颗粒Fig.1 Elastic particle

图2 颗粒顶替装置示意图（a）及裂缝模型实体图（b）Fig.2 Schematic diagram of theexperimental device（a）and fracturemodel（b）

实验方法是利用压力传感器记录计算机上的数据并绘制注入压力-时间曲线（图3），并将该曲线分为以下几个阶段来处理、分析：①未接触期。由于颗粒体系所处位置距顶部裂缝模型有一定距离，因此，前期压力仅为活塞的上升动力，该压力值很小且不会发生变化。②封堵期。颗粒开始接触并堵塞裂缝模型，压力出现上升现象，在该阶段颗粒逐步堵塞模型，并阻止后续颗粒向上运动。③平台期。由于颗粒体系不断憋压，压力升高直至达到阈值，迫使底部颗粒驱替顶部颗粒变形并通过裂缝，该阶段由于不断发生前部颗粒变形通过→顶替颗粒进入裂缝→顶替颗粒变形通过的过程，压力在一定基础值上产生波动，定义平均压力为颗粒变形通过压力，也可认为是颗粒对裂缝的最大封堵压力。④骤升期。大部分颗粒被顶替出裂缝后，活塞逐渐上升并最终与顶部裂缝模型接触，此时压力会急剧上升，该阶段对于颗粒性能的分析意义不大。

图3 注入压力-时间变化曲线Fig.3 Injection pressure-timevariation curve

封堵期和平台期是针对颗粒性能须重点研究的阶段，弹性颗粒要评价的2个方面就是封堵能力和运移能力，这两点体现在一个参数值上就是平台期的颗粒变形通过压力，该值较小，表明对目标裂缝而言，弹性颗粒的运移能力较强，容易进入地层深部，但其封堵能力相对较弱，很容易随压力梯度增大发生颗粒变形并通过裂缝；反之，该值较大，则表明颗粒的封堵能力较强，但深部运移能力较弱。需要特别指出的是，当变形通过压力为0时，需要具体分析，因为该值为0表明不存在平台期阶段，即不能计算出变形通过压力值。此现象对应2种情况：一是大部分颗粒没有通过裂缝模型，而是滞留在裂缝内，且随着注入压力上升，颗粒也未产生形变并通过裂缝，所以在曲线中不存在平台期；二是颗粒没有对裂缝形成封堵，全部通过裂缝，这样在曲线中也不存在平台期。因此，当颗粒变形通过压力为0时，说明颗粒具有2种极端性质，或是封堵能力很强，或是运移能力很强，此时需要结合实验中的现象进行定性判断。

2 裂缝宽度匹配实验及分析

利用上述顶替装置、裂缝模型及分析方法，先后以粒径为1 mm，3 mm，5 mm的弹性颗粒为实验对象，分别利用缝宽为1 mm，3 mm，5 mm的裂缝模型进行了裂缝宽度匹配实验。该实验将颗粒体系中颗粒的含量设置为变量，即设定了20%，35%，50%等3种质量分数，探究颗粒用量对颗粒调剖效果的影响。

2.1 1 mm粒径颗粒裂缝宽度匹配实验

以20 mL蒸馏水为基液，配置1 mm粒径调剖颗粒溶液，颗粒质量分数分别设定为20%，35%及50%，将ISCO泵驱替流速设定为恒速5 mL/min，针对3种不同缝宽的裂缝模型进行9组实验，考察不同颗粒含量的颗粒体系对于裂缝的封堵能力。图4为1 mm粒径颗粒分别针对3种不同缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线，表1为实验结果。

图4 1 mm粒径颗粒针对1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线Fig.4 Injection pressure-time variation curves of 1 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

表1 1 mm粒径颗粒缝宽匹配实验结果Table 1 Experimental results of different mass fraction of three models（1 mm particle）

分析图4和表1可以发现，缝宽对于弹性颗粒的变形通过压力和变形通过时间的影响均很大，在颗粒含量相同的情况下，缝宽越小，弹性颗粒变形通过压力越高，变形通过时间越长；弹性颗粒的变形通过压力与颗粒的质量分数有一定关联，当颗粒质量分数为20%时，对应3种缝宽的裂缝模型的颗粒变形通过压力均为0 MPa，通过肉眼直接观察实验现象，可以确定是1 mm粒径颗粒直接从裂缝模型中流出，说明颗粒质量分数为20%的1 mm粒径颗粒体系对3种缝宽的裂缝都无法产生有效封堵；颗粒质量分数分别为35%和50%的1 mm粒径颗粒体系可以观察到颗粒变形通过阶段的平台期，结合数据（表1）分析发现，随着颗粒含量增大，颗粒的变形通过压力小幅增加，且颗粒的持续作用时间也随之延长，说明同一粒径的颗粒体系，用量不同所产生的效果也不相同，理论上建议颗粒体系的质量分数应该设置得大一些，因为当体系内颗粒个数增加时，颗粒在运移过程中相互作用的频率和程度均会提高，进而改善对裂缝的封堵效果。

2.2 3 mm粒径颗粒裂缝宽度匹配实验

采用与1 mm粒径颗粒裂缝宽度匹配实验相同的实验参数进行3 mm粒径调剖颗粒匹配实验，针对3种不同缝宽的裂缝模型进行9组实验，考察不同颗粒含量的颗粒体系对于裂缝的封堵能力。图5为3 mm粒径颗粒分别针对3种不同缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线，表2为实验结果。

图5 3 mm粒径颗粒针对1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线Fig.5 Injection pressure-timevariation curvesof 3 mm particlesizewith 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表2可知，3 mm粒径的颗粒在质量分数为20%和35%时，针对1 mm，3 mm和5 mm这3种缝宽的裂缝模型的颗粒变形通过压力均为0 MPa，通过肉眼观察实验中的裂缝封堵现象，确定原因为颗粒在裂缝模型入口端封堵裂缝，说明颗粒具有很强的刚性封堵性能，当体系中颗粒含量较低时，由于后续颗粒数量不足，无法顶替前端颗粒产生形变通过裂缝；当颗粒质量分数为50%时，针对1 mm，3 mm和5 mm这3种缝宽的模型均可观察到颗粒变形通过阶段的平台期，1 mm，3 mm，5 mm裂缝对应的颗粒变形通过压力依次为4.65 MPa，1.45 MPa，1.05 MPa，说明变形通过压力随模型裂缝宽度的增大而降低。1 mm缝宽裂缝对应的变形通过压力与3 mm和5 mm缝宽裂缝对应的变形通过压力相比有明显差距，此现象说明裂缝宽度越小，颗粒体系进行深部调剖所要求的压力梯度越高，在施工时需要对注入工艺进行针对性调整。

表2 3 mm粒径颗粒缝宽匹配实验结果Table 2 Experimental results of different mass fraction of three models（3 mm particle）

2.3 5 mm粒径颗粒裂缝宽度匹配实验

采用与1 mm粒径颗粒裂缝宽度匹配实验相同的实验参数进行5 mm粒径调剖颗粒匹配实验，针对3种不同缝宽的裂缝模型进行9组实验，考察不同颗粒含量的颗粒体系对于裂缝的封堵能力。图6为5 mm粒径颗粒分别针对3种不同缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线，表3为实验结果。

图6 5 mm粒径颗粒针对1 mm（a），3 mm（b）和5 mm（c）缝宽裂缝模型的注入压力-时间曲线Fig.6 Injection pressure-time variation curves of 5 mm particle size with 1 mm（a），3 mm（b）and 5 mm（c）width fracture

由表3可知，5 mm粒径颗粒针对1 mm，3 mm，5 mm等3种缝宽的裂缝模型的颗粒变形通过压力均为0 MPa，结合肉眼观察的实验现象确定原因为颗粒过大封堵了裂缝，使大部分颗粒滞留在了裂缝模型的入口端，并形成了刚性封堵，后续颗粒难以使前端颗粒产生形变通过裂缝。

综合1 mm，3 mm，5 mm缝宽裂缝模型的实验结果发现，对于相同的颗粒调剖体系，其中颗粒的含量越高，其深部运移效果越好，因此，建议颗粒的质量分数选择50%。5 mm粒径颗粒由于粒径较大，在3种缝宽的裂缝模型中都无法进行深部运移，故不建议在需要实施深部调剖措施的油田使用。比较1 mm与3 mm粒径颗粒在颗粒质量分数为50%条件下通过3种缝宽的裂缝模型的变形通过压力可知，1 mm粒径颗粒对应3个裂缝模型的变形通过压力均小于3 mm粒径颗粒，说明1 mm粒径颗粒的深部运移能力强于3 mm粒径颗粒，而3 mm粒径颗粒对裂缝的封堵能力要强于1 mm粒径颗粒。

3 结论

（1）针对毫米级大粒径弹性颗粒设计了颗粒顶替装置及裂缝模型，并总结出注入压力-时间曲线的分析方法，提出了颗粒变形通过压力这一参数，来表征弹性颗粒的深部运移能力及对裂缝的封堵能力。

（2）结合3种粒径颗粒的裂缝宽度匹配实验结果，总结出颗粒体系中颗粒的含量对于其封堵效果和运移效果均有一定影响，建议颗粒的质量分数应在一定程度上保持较高数值。裂缝宽度对于颗粒体系进行深部运移所需的注入压力具有较大影响，裂缝宽度越小，所需注入压力越大。

（3）5 mm粒径颗粒的封堵能力强于1 mm和3 mm粒径颗粒，但深部运移能力极差，不建议用于油田现场的深部调剖。1 mm粒径颗粒的深部运移能力强于3 mm粒径颗粒，3 mm粒径颗粒的封堵能力强于1 mm粒径颗粒，在具体应用时，应结合措施区块的地质条件及措施目的进行选择，若注重对裂缝的封堵效果选择3 mm粒径颗粒，若注重调剖体系的作用波及范围则选择1 mm粒径颗粒。