孫杰文，丁云宏，李宜強(qiáng)，盧擁軍，鄒洪嵐，張 程

1)中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊065007;2)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007;3)中國(guó)石油大學(xué) (北京)，北京102249;4)大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江大慶163414

中國(guó)陸上油田多為砂巖儲(chǔ)層，非均質(zhì)性強(qiáng)且油和水黏度差異大，油相流度與水相流度的比值小于1，注入水沿高滲透率儲(chǔ)層突進(jìn)或沿儲(chǔ)層內(nèi)部高滲透率區(qū)域指進(jìn)，導(dǎo)致油田開(kāi)發(fā)后期油井含水率加速上升［1-4］.聚合物驅(qū)油作為強(qiáng)化采油的一種有效手段已被我國(guó)中、高含水期油田普遍采用［5］.但強(qiáng)化采油后仍有近50%的剩余油和殘余油未被采出［6-7］.目前，三次采油(tertiary oil recovery，TOR)運(yùn)用數(shù)值模擬、物理模擬及核磁共振等技術(shù)已證實(shí)聚合物溶液是一種黏彈性流體［8-11］.夏惠芬等［12-16］分析聚合物溶液在驅(qū)油過(guò)程中表現(xiàn)出的黏彈性時(shí)認(rèn)為，利用聚合物溶液黏彈性可進(jìn)一步提高驅(qū)油效率，增加油田最終采收率.

分子運(yùn)動(dòng)學(xué)研究表明，驅(qū)油用高分子量聚合物溶液為非牛頓流體，流動(dòng)特性非常復(fù)雜，如爬桿現(xiàn)象和彈性回復(fù)等.許元澤［17］給出的高分子量聚合物溶液的動(dòng)態(tài)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的復(fù)數(shù)形式為

其中，ω為角頻率(s－1);G*為復(fù)數(shù)模量(Pa)，表示物質(zhì)反抗施加應(yīng)變的阻力;G'為儲(chǔ)能模量(Pa)，表征黏彈性流體的彈性;G″為耗能模量(Pa)，用以表征黏性，為不可逆損耗.

目前，油田進(jìn)行聚合物溶液驅(qū)油時(shí)，采用的聚合物溶液質(zhì)量濃度ρ(聚合物)最高為1 200 mg/L.本研究根據(jù)聚合物溶液驅(qū)油機(jī)理、高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物溶液動(dòng)態(tài)力學(xué)模型及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)ρ(聚合物)＞2 000 mg/L的高質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)油的研究方案，利用RS600流變儀測(cè)定不同質(zhì)量濃度和相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物溶液黏彈性，以某油田PⅠ1-2層為目的油層，開(kāi)展相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及礦場(chǎng)試驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚合物為部分水解聚丙烯酰胺 (partially hydrolyzed polyacrylamides，HPAM)，顆粒狀，相對(duì)分子質(zhì)量分別為1.9×107和2.5×107，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.2%，水解度23.58%.實(shí)驗(yàn)用油為模擬油，井口原油處理后與航空煤油調(diào)和而成，45℃時(shí)黏度為10.4 mPa·s.實(shí)驗(yàn)用水取自現(xiàn)場(chǎng)配制站，水質(zhì)分析見(jiàn)表1.

表1 水質(zhì)分析報(bào)告Table 1 Report on examination of water quality單位:mg/L

1.2 聚合物溶液配制方法

配制聚合物母液 (5 000 mg/L).在燒杯中加入一定量清水，以立式攪拌器攪成漩渦狀，漩渦高度為液面高度的2/3;計(jì)算聚合物用量并將稱量好的聚合物干粉在1 min內(nèi)均勻地撒在充分?jǐn)嚻鸬匿鰷u壁上，投放位置應(yīng)在漩渦上方距中心2/3處;攪拌2 h，待聚合物充分溶解，停止攪拌;樣品密封，室溫下熟化2 h以上.

稀釋聚合物母液.根據(jù)目的質(zhì)量濃度，計(jì)算母液與稀釋劑 (清水或污水)配比;立式攪拌器稀釋母液 (200 r/min，≥30 min)，樣品密封，熟化備用，實(shí)驗(yàn)前過(guò)濾.母液經(jīng)清水稀釋后得到的聚合物溶液用FD表示;母液經(jīng)污水稀釋后得到的聚合物溶液用WD表示.

1.3 儀器及工具

采用HAKE RS600流變儀測(cè)定G'、G″和復(fù)數(shù)黏度［18］;標(biāo)準(zhǔn)巖心流動(dòng)驅(qū)替裝置;人造砂巖巖心，均質(zhì)，包括柱狀巖心 (長(zhǎng)5 cm，截面直徑2.5 cm)和長(zhǎng)方巖心 (4.5 cm×4.5 cm×30 cm)，氣體滲透率分別為k1=1 μm2和k2=1.7 μm2(k為平均滲透率，平均誤差＜0.8%).

2 結(jié)果與分析

2.1 流變性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表2測(cè)定不同聚合物溶液流變性.考慮到段塞組合注入驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中第2段塞只用到相對(duì)分子質(zhì)量為1.9×107、質(zhì)量濃度為2 000 mg/L和4 000 mg/L的FD，此處未進(jìn)行相對(duì)分子質(zhì)量為1.9×107、質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的FD流變性實(shí)驗(yàn).

表2 流變性測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案*Table 2 Experimental program of test rheological單位:mg/L

不同水質(zhì)、不同濃度和不同Mr(HPAM)聚合物溶液黏度與剪切速率γ關(guān)系曲線見(jiàn)圖1.

圖1 不同聚合物溶液黏度與γ關(guān)系曲線Fig.1 Viscosity-shear rate plot of inequable water quality and concentration and molecular weight

2.1.1 配制濃度對(duì)黏度的影響

由圖1可知，隨γ增加，黏度先升后降，黏度峰值見(jiàn)表3(鑒于相對(duì)分子質(zhì)量為1.9×107時(shí)的FD及相對(duì)分子質(zhì)量為2.5×107時(shí)的FD和WD，3個(gè)黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表3僅以相對(duì)分子質(zhì)量為2.5×107時(shí)的FD結(jié)果為例).圖1顯示，黏度會(huì)隨聚合物溶液質(zhì)量濃度增大而增加;隨γ的增加，質(zhì)量濃度對(duì)黏度的貢獻(xiàn)逐漸降低，黏損速率加大.

表3 不同質(zhì)量濃度與γ條件下聚合物溶液黏度峰值*Table 3 Viscosity inflexion of different mass concentration and γ 單位:mPa·s

2.1.2 水質(zhì)對(duì)聚合物溶液黏度的影響

水中鹽離子能引起聚丙烯酰胺分子鏈皺縮，導(dǎo)致聚合物溶液出現(xiàn)黏損.隨聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，其抗鹽性能增強(qiáng)，黏度損失率降低.當(dāng)聚合物溶液質(zhì)量濃度達(dá)4 000 mg/L時(shí)，可基本抵消礦化度對(duì)黏度帶來(lái)的影響.因此，提高聚合物溶液質(zhì)量濃度可弱化配制水或地層水高礦化度對(duì)溶液造成的黏度損失，保證較高的黏度，以獲得較好驅(qū)油效果.

2.1.3 相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚合物溶液黏度的影響

聚合物溶液質(zhì)量濃度相同時(shí)，Mr(HPAM)越大，聚合物溶液黏度越大;γ相同時(shí)，Mr(HPAM)越大，黏度損失越大;隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，Mr(HPAM)引起的黏度差異縮小，當(dāng)聚合物溶液質(zhì)量濃度達(dá)到5 000 mg/L時(shí)，可基本抵消該差異.因此，在保證采收率的前提下，可視情況采用低Mr(HPAM)、高質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)油方案，提高投入產(chǎn)出比.

2.1.4 聚合物溶液質(zhì)量濃度對(duì)黏彈性的影響

不同水質(zhì)、質(zhì)量濃度和Mr(HPAM)聚合物溶液的G'和G″曲線結(jié)果，見(jiàn)圖2和圖3.

由圖2和圖3可知，在相同條件下，聚合物溶液質(zhì)量濃度越大，G'越大;ω越高，彈性表現(xiàn)越明顯;聚合物溶液質(zhì)量濃度越低，曲線斜率越大，即低質(zhì)量濃度聚合物溶液更易表現(xiàn)出彈性.G″規(guī)律與上述G'的規(guī)律相同.

2.1.5 水質(zhì)對(duì)黏彈性的影響

聚合物溶液質(zhì)量濃度相同，且Mr(HPAM)相同時(shí)，F(xiàn)D比WD的G'大.隨聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，聚合物抗鹽性能增強(qiáng)，該差距減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了水質(zhì)對(duì)聚合物溶液黏度影響的結(jié)論.

圖2 不同聚合物溶液G'曲線對(duì)比Fig.2 Comparsion of energy storage module plot of different polymer solutions

圖3 不同聚合物溶液G″曲線對(duì)比Fig.3 Comparsion of energy consumption module plot of different polymer solutions

2.1.6 HPAM相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)黏彈性的影響

聚合物溶液質(zhì)量濃度相同時(shí)，Mr(HPAM)越大，G'越大.隨著ω增加，低Mr(HPAM)聚合物的彈性更易表現(xiàn)出來(lái)，該差異度減小.

2.1.7 水質(zhì)和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)黏彈性的共同影響

聚合物溶液質(zhì)量濃度相同時(shí)，隨ω的增加，高礦化度、高M(jìn)r(HPAM)的聚合物與低礦化度、低Mr(HPAM)的聚合物的彈黏性差異縮小，一定條件下，兩者可相互替換使用.

2.1.8 同一樣品黏彈性的變化規(guī)律

同一聚合物溶液的G'和G″隨著ω增加而增大.通過(guò)計(jì)算曲線斜率可知，G'增加速率大于 G″，如Mr(HPAM)=2.5×107時(shí)，母液的G'曲線斜率為G″曲線斜率的2倍左右，可見(jiàn)，聚合物的黏彈性可以作為提高采收率的一個(gè)應(yīng)用方向.

2.2 注入能力實(shí)驗(yàn)

向滲透率為k1和k2的兩種巖心各注入4種不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液 (Mr(HPAM)=2.5×107)，結(jié)果如圖4.

圖4 注入能力實(shí)驗(yàn)方案及壓力數(shù)據(jù)Fig.4 Plan of injection capacity experiment and pressure data

由圖4可知，注入能力曲線雖然偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線(斜率＞1)，但并未出現(xiàn)尾部上翹現(xiàn)象，表明4種質(zhì)量濃度聚合物溶液對(duì)于這兩種滲透率巖心均具備可注性，高質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)油可行.

2.3 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

向兩種滲透率的巖心分別注入6種不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液，Mr(HPAM)=2.5×107，ρ(FD)分別為2 000 mg/L、3 000 mg/L、4 000 mg/L和5 000 mg/L，以及ρ(WD)為2 000 mg/L和 4 000 mg/L，共12種注入方案，注入量84 mL，結(jié)果如圖5.由圖5可知，當(dāng)巖心滲透率為k1時(shí)，隨聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，采收率提高幅度遞增.聚合物質(zhì)量濃度小于4 000 mg/L時(shí)，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)油采收率提高幅度差異小于2.5%;母液注入時(shí)采收率提高幅度高達(dá)29.12%;WD驅(qū)油效果略差，但與FD聚合物溶液驅(qū)油采收率提高幅度差幅小于3%.巖心滲透率為k2時(shí)，隨聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，采收率提高幅度遞增.聚合物溶液質(zhì)量濃度大于3 000 mg/L時(shí)，采收率增幅不明顯，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)油的采收率增幅小于1.5%.ρ(聚合物)=2 000 mg/L時(shí)，F(xiàn)D及不同質(zhì)量濃度WD聚合物溶液的驅(qū)油效果均較差.可見(jiàn)采用質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的聚合物溶液作為驅(qū)油劑，既經(jīng)濟(jì)又高效.

圖5 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Data of displacing oil experiments

2.4 注入方式實(shí)驗(yàn)

對(duì)滲透率為k1的巖心，采用以下2種注入方式:①段塞1，聚合物溶液Mr(HPAM)=2.5×107，ρ(聚合物)=2 000 mg/L，注入量28 mL;②段塞 1，聚合物溶液 Mr(HPAM)=2.5×107，ρ(聚合物)=3 000 mg/L，注入量28 mL.

對(duì)滲透率為k2的巖心，采用以下2種注入方式:③段塞1，聚合物溶液Mr(HPAM)=2.5×107，ρ(聚合物)=4 000 mg/L，注入量28 mL;④段塞 1，聚合物溶液 Mr(HPAM)=2.5×107，ρ(聚合物)=5 000 mg/L，注入量28 mL.

以上4種方式在段塞2均注入聚合物溶液Mr(HPAM)=1.9×107，注入量56 mL.結(jié)果如圖6.

由圖6可知，4種注入方案的采收率提高幅度均小于20%，高滲透率巖心的驅(qū)油效果好于低滲透率的，說(shuō)明段塞1注入聚合物質(zhì)量濃度的提高，可有效封堵大孔隙，為后續(xù)段塞轉(zhuǎn)向進(jìn)入中小孔隙驅(qū)替剩余油提供保障.

圖6 段塞組合注入實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Fig.6 Plan and data of slug combination experiments

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某油田試驗(yàn)區(qū)塊地質(zhì)儲(chǔ)量75×104t，目的層位PⅠ1-2物性好，平均滲透率1.5 μm2.該區(qū)采用斜行列井網(wǎng)，試驗(yàn)前含水率接近100%.

參考室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Mr(HPAM)=2.5×107的聚合物溶液，ρ(聚合物)=3 000 mg/L，單井注入速度為34.5 m3/d.區(qū)塊試注982 d，綜合含水率由96%降至80%，單井日增油最高達(dá)2.8 t，區(qū)塊累計(jì)增油24 068 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著.

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究可知:① 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提議將2 000 mg/L作為驅(qū)油用聚合物溶液的“高濃度”分界點(diǎn);②聚合物溶液質(zhì)量濃度越高，相對(duì)分子質(zhì)量越大，其黏度越高，黏彈性越強(qiáng)，抗鹽性增強(qiáng)，當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度大于4 000 mg/L時(shí)可基本抵消礦化度造成的黏度損失，達(dá)到5 000 mg/L時(shí)可基本抵消相對(duì)分子質(zhì)量造成的黏度差異;③ 高質(zhì)量濃度聚合物溶液自身彈性效應(yīng)及隨ω變化的增速均高于黏性效應(yīng)，可將其作為提高采收率的一個(gè)應(yīng)用方向;④不同高質(zhì)量濃度高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物在兩種目的滲透率巖心中均可注入，油層滲透率為1 μm2時(shí)，可選用經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的低質(zhì)量濃度清水聚合物溶液或高質(zhì)量濃度污水聚合物溶液;當(dāng)油層滲透率為1.7 μm2時(shí)，可選用經(jīng)濟(jì)、高效的3 000 mg/L清水聚合物溶液;⑤ 段塞注入時(shí)，第1段塞注入聚合物質(zhì)量濃度提高可有效封堵大孔隙，使后續(xù)段塞轉(zhuǎn)向進(jìn)入中小孔隙驅(qū)替剩余油.

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