李宗陽，王業(yè)飛，曹緒龍，祝仰文，徐 輝，魏翠華，張新英

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015）

聚合物驅(qū)油技術(shù)作為油田開發(fā)中后期進(jìn)一步 提高原油采收率的主要手段之一，在中外得到廣泛應(yīng)用［1-5］。勝利油田適合化學(xué)驅(qū)的Ⅰ和Ⅱ類油藏石油地質(zhì)儲(chǔ)量已得到基本動(dòng)用，化學(xué)驅(qū)資源接替難度大，而Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏覆蓋石油地質(zhì)儲(chǔ)量高達(dá)5.1×108t，資源潛力豐富，截至2018年6月該類油藏平均綜合含水率為94.7%，采收率僅為30.5%，開采方式通常以水驅(qū)開發(fā)為主，由于地層原油黏度較高、水油流度比高等因素，導(dǎo)致水驅(qū)指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，波及系數(shù)偏小，僅靠單一水驅(qū)提高采收率幅度有限［6-9］。由于常規(guī)聚合物在高溫高鹽條件下黏度損失嚴(yán)重，不能適應(yīng)Ⅲ類高溫高鹽油藏條件［10-13］。為此，設(shè)計(jì)并評(píng)價(jià)新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系，擴(kuò)大波及動(dòng)用儲(chǔ)層剩余油的化學(xué)驅(qū)油技術(shù)，以期大幅度提高Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏采收率。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：安東帕MCR301多功能流變儀、PET-1多功能聚合物評(píng)價(jià)測(cè)定儀、測(cè)量精度為±0.001 g的電子天平，高精度（精度為±0.1℃）恒溫水浴，精度為0.1℃的恒溫烘箱，磁力攪拌器，室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，溫度計(jì)，刻度吸管、玻璃燒杯等。

實(shí)驗(yàn)材料包括：以勝坨油田二區(qū)東三4單元儲(chǔ)層物性參數(shù)為基礎(chǔ)，建立滲透率變異系數(shù)為0.64（平均滲透率為1 519 mD），滲透率級(jí)差為2.1的非均質(zhì)巖心模型，模型長(zhǎng)、寬、高分別為2.5，2.5，30 cm；非均質(zhì)巖心模型采用傳統(tǒng)的石英砂和以環(huán)氧樹脂為主的膠結(jié)物等為制作材料，為更加準(zhǔn)確模擬實(shí)際油藏的聚合物驅(qū)油效果，非均質(zhì)巖心設(shè)計(jì)采用同等厚度的2層高低滲透層，通過配料、拌砂、壓制、加熱固化及密封等制作過程后，得到與目標(biāo)油藏實(shí)際滲透率級(jí)差和變異系數(shù)類似的巖心模型［14］；實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水配制成地層水（總礦化度為17 785 mg/L，Ca2++Mg2+，Na++K+，Cl-，HCO3-的質(zhì)量濃度分別為743，6 057，10 663，322 mg/L）；實(shí)驗(yàn)用油為目標(biāo)油藏油井原油（地層原油黏度為90 mPa·s）；驅(qū)替液為新型耐溫抗鹽聚合物溶液，主要包括超高分耐溫抗鹽聚合物溶液和長(zhǎng)支鏈?zhǔn)嵝湍蜏乜果}聚合物溶液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

新型耐溫抗鹽聚合物性能評(píng)價(jià) 根據(jù)目標(biāo)油藏模擬水制成不同類型聚合物溶液，在實(shí)驗(yàn)溫度為70℃的條件下，圍繞聚合物本身及其在地層中的剪切和拉伸流變性開展增黏性能和流變性能評(píng)價(jià)，分析新型耐溫抗鹽聚合物在巖心中的滲流規(guī)律。

新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油效果評(píng)價(jià) 先將已制備的非均質(zhì)巖心抽真空，再進(jìn)行飽和水，然后進(jìn)行飽和油，水驅(qū)至綜合含水率達(dá)到95%，轉(zhuǎn)注不同段塞新型耐溫抗鹽聚合物溶液，再轉(zhuǎn)水驅(qū)至綜合含水率達(dá)到98%時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)層物性參數(shù)及物理模擬實(shí)驗(yàn)物化參數(shù)，應(yīng)用油藏?cái)?shù)值模擬手段進(jìn)行驅(qū)油效果評(píng)價(jià)。

2 驅(qū)油體系設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

2.1 新型耐溫抗鹽聚合物

目前礦場(chǎng)普遍應(yīng)用的常規(guī)聚合物具有水溶性好、增黏性強(qiáng)、黏彈性大、注入性好、驅(qū)油性能較好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在Ⅰ，Ⅱ類油藏條件下聚合物驅(qū)技術(shù)得以突破并大規(guī)模工業(yè)化推廣應(yīng)用［15］。而常規(guī)聚合物在Ⅲ類高溫高鹽油藏條件下具有耐溫性差、抗鈣鎂離子能力差、聚合物黏度保留率低等特點(diǎn)，極大制約了聚合物驅(qū)技術(shù)在Ⅲ類高溫高鹽油藏礦場(chǎng)的應(yīng)用和推廣［16］。針對(duì)常規(guī)聚合物在Ⅲ類高溫高鹽油藏條件下黏度大幅度降低，無法產(chǎn)生較高注入壓力的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)超高分耐溫抗鹽聚合物和長(zhǎng)支鏈?zhǔn)嵝湍蜏乜果}聚合物作為新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系，均具有耐溫抗鹽、抗水解、增黏性好的特點(diǎn)。

圖1 新型耐溫抗鹽聚合物結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural schematic diagramfor novel temperatureresistant and salt-tolerant polymer

超高分耐溫抗鹽聚合物 在常規(guī)聚合物合成的基礎(chǔ)上，引入耐溫抗鹽單體（圖1a），可大幅提高抗鈣鎂離子能力，增大聚合物流體力學(xué)體積，增加聚合物溶液黏度。在合成過程中，采用一步法合成磺化單體原料降低共聚成本；引入無機(jī)與有機(jī)復(fù)合引發(fā)體系、引發(fā)劑用量?jī)?yōu)化等提高共聚效率，完成設(shè)計(jì)相對(duì)分子質(zhì)量為3 000×104以上經(jīng)濟(jì)性好的超高分耐溫抗鹽聚合物，最終突破高純度耐溫抗鹽單體低成本合成技術(shù)，大幅降低聚合物合成成本。

長(zhǎng)支鏈?zhǔn)嵝湍蜏乜果}聚合物 由于常規(guī)梳型聚合物的親水基為羧酸根，在低鈣鎂離子地層條件下聚合物黏度較高，高鈣鎂離子地層條件下聚合物分子鏈卷曲嚴(yán)重，通過丙烯酰胺單體與親水、親油兩親單體共聚形成新型耐溫抗鹽聚合物（圖1b）。通過優(yōu)選含磺酸根的長(zhǎng)支鏈兩親功能單體，大幅提高聚合物抗鈣鎂能力；通過增加兩親單體注入量，進(jìn)一步增強(qiáng)耐溫抗鹽性能；通過引入新的引發(fā)體系，控制聚合速率，大幅度提高聚合物相對(duì)分子質(zhì)量，黏度相對(duì)于常規(guī)梳型聚合物提高近1倍。

2.2 驅(qū)油性能評(píng)價(jià)

新型耐溫抗鹽聚合物不僅解決了常規(guī)聚合物在高溫高鹽條件下增黏性和黏彈性差的不足，而且與常規(guī)聚合物相比，在Ⅲ類高溫高鹽油藏條件下耐溫抗鹽性能更好，但利用常規(guī)聚合物評(píng)價(jià)方法與超高分締合聚合物進(jìn)行相比，新型耐溫抗鹽聚合物不能體現(xiàn)其自身驅(qū)油優(yōu)勢(shì)。超高分締合聚合物相對(duì)于常規(guī)聚合物黏度大幅提高，但由于在地層吸附性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)注入壓力較高，注入困難，見效不明顯，礦場(chǎng)實(shí)施后效果不理想［17］。而新型耐溫抗鹽聚合物相對(duì)于超高分締合聚合物，其驅(qū)油見效特征明顯，提高采收率幅度大。目前常規(guī)聚合物評(píng)價(jià)方法尚不能全面反映新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油性能，需引入新的評(píng)價(jià)手段。

2.2.1 物化性能及流變性能評(píng)價(jià)

聚合物溶液在地層中運(yùn)移主要受到剪切和拉伸作用，產(chǎn)生剪切黏度和拉伸黏度［18］，因此聚合物驅(qū)油性能新參數(shù)的建立需圍繞聚合物本身及其在地層中的剪切和拉伸流變展開。具體步驟包括：①利用剪切流變儀測(cè)試并擬合得到反映聚合物分子鏈在水溶液中舒展程度的聚合物剪切流變方程。②建立能反映聚合物在水溶液中分子鏈纏結(jié)強(qiáng)度的體相拉伸流變表征方法。③建立能反映聚合物分子鏈和原油作用強(qiáng)度的界面黏彈模量表征方法。界面黏彈模量越高的聚合物，通過孔喉時(shí)越不會(huì)出現(xiàn)界面滑脫現(xiàn)象，易于將油膜剝離下來，有利于驅(qū)油。聚合物剪切流變方程表達(dá)式為：

新型耐溫抗鹽聚合物在高溫高鹽水溶液中的分子鏈更舒展（表1）。新型耐溫抗鹽聚合物拉伸能力更強(qiáng)（圖2），分子鏈纏結(jié)強(qiáng)度大，不容易拉斷，通過孔喉時(shí)能夠“脫”、“拽”、“拉”出更多原油，有效提高聚合物通過孔喉時(shí)的驅(qū)油效率。新型耐溫抗鹽聚合物在油水界面上黏彈模量高于超高分締合聚合物和常規(guī)聚合物（圖3）。

表1 不同類型聚合物剪切流變方程參數(shù)Table1 Parameters of the shear rheological equation for different types of polymers

圖2 新型耐溫抗鹽聚合物和常規(guī)聚合物拉伸流變曲線Fig.2 Comparison of extensional rheology between the new temperature-resistant and salt-tolerant polymer and the conventional polymer

圖3 新型耐溫抗鹽聚合物和常規(guī)聚合物界面黏彈模量曲線Fig.3 Comparison of viscoelastic modulus at oil/polymer interface between the new temperatureresistant and salt-tolerant polymer and the conventional polymer

2.2.2 非均質(zhì)巖心中的滲流規(guī)律

通過評(píng)價(jià)分析新型耐溫抗鹽聚合物在地層中的吸附性能和注入性能，認(rèn)識(shí)新型耐溫抗鹽聚合物在巖心中的滲流規(guī)律［19］。通過不同類型聚合物室內(nèi)吸附性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，以超高分耐溫抗鹽聚合物為例，新型耐溫抗鹽聚合物在地層中的吸附規(guī)律與常規(guī)聚合物一致，吸附量遠(yuǎn)低于超高分締合聚合物（圖4a）；通過不同類型聚合物室內(nèi)注入壓力曲線（圖4b）可見，由于較弱的吸附性，新型耐溫抗鹽聚合物在巖心中壓力傳遞均衡，注入更容易，說明新型耐溫抗鹽聚合物在滲流過程中具有吸附性較弱和易注入的滲流特點(diǎn)，有利于礦場(chǎng)高效驅(qū)油。

圖4 新型耐溫抗鹽聚合物和常規(guī)聚合物吸附量及注入壓力Fig.4 Comparison of adsorption and injection pressure between the new temperature-resistant and salt-tolerant polymer and the conventional polymer

3 驅(qū)油效果模擬

3.1 室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)聚合物驅(qū)油體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［20-21］。通過實(shí)驗(yàn)室模擬地層條件（包括實(shí)際地層溫度、壓力、滲透率、含油飽和度等）對(duì)新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系進(jìn)行驅(qū)油效果評(píng)價(jià)［22］。在室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)（礦化度為20 000 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為800 mg/L，地下原油黏度為90 mPa·s）優(yōu)化的基礎(chǔ)上，新型耐溫抗鹽聚合物含水漏斗下降幅度大，提高采收率幅度大，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提高采收率在15.0%以上（表2，圖5），由于2種新型耐溫抗鹽聚合物性能相當(dāng)，考慮超高分耐溫抗鹽聚合物已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，推薦其進(jìn)行礦場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用。

表2 不同聚合物驅(qū)油效果對(duì)比Table2 Comparison of flooding effect between different polymers

圖5 新型耐溫抗鹽聚合物物理模擬驅(qū)替曲線Fig.5 Displacement curves of the new temperature-resistant and salt-tolerant polymer by physical simulation

3.2 驅(qū)油流度控制模擬

圖6 不同聚合物溶液質(zhì)量濃度條件下數(shù)值模擬波及系數(shù)Fig.6 Histogram of numerical simulated sweep coefficient at different polymer concentrations

應(yīng)用數(shù)值模擬手段，在同等目標(biāo)實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件下，模擬不同超高分耐溫抗鹽聚合物溶液質(zhì)量濃度下Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏（礦化度為20 000 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為800 mg/L，地層原油黏度為90 mPa·s）的驅(qū)油效果，模擬統(tǒng)計(jì)低聚合物溶液質(zhì)量濃度（1 500 mg/L）、中聚合物溶液質(zhì)量濃度（2 000 mg/L）與高聚合物溶液質(zhì)量濃度（2 500 mg/L）下的Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏聚合物驅(qū)波及系數(shù)。通過模擬結(jié)果（圖6）可看出，對(duì)于Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏，由于水驅(qū)開發(fā)導(dǎo)致水油流度比較大，易出現(xiàn)黏性指進(jìn)，隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度的不斷升高，可明顯增加驅(qū)替相黏度，改善流度控制，增加波及體積，改善聚合物驅(qū)開發(fā)效果，在合理流度比下，最終推薦新型耐溫抗鹽聚合物溶液質(zhì)量濃度在2 000 mg/L以上。

3.3 驅(qū)油體系數(shù)值模擬

在室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，以油藏?cái)?shù)值模擬為手段，對(duì)試驗(yàn)區(qū)聚合物驅(qū)注采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［23-29］，針對(duì)地下原油黏度相對(duì)較高且平面分布呈現(xiàn)頂稀邊稠的油藏特點(diǎn)，在合理流度比界限［30］和新型耐溫抗鹽聚合物黏濃曲線的控制下，靠近邊水的5口注聚井平均單井注入聚合物溶液質(zhì)量濃度由2 000 mg/L提高到2 200 mg/L，同時(shí)為了抑制邊水對(duì)聚合物驅(qū)效果的影響，進(jìn)一步提升礦場(chǎng)開發(fā)效果，抑制邊水推進(jìn)，提高邊部注聚井日注量，邊部注聚井排注采比由1.0提高到1.2；針對(duì)頂部原油黏度相對(duì)較小的4口注聚井，平均單井注入聚合物溶液質(zhì)量濃度由2 000 mg/L降低到1 800 mg/L，15口注聚井全部實(shí)現(xiàn)個(gè)性化優(yōu)化注入，優(yōu)化后平均注入聚合物溶液質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，聚合物驅(qū)開發(fā)效果得以改善。

在室內(nèi)物理模擬和油藏?cái)?shù)值模擬的共同指導(dǎo)優(yōu)化下，最終確定先導(dǎo)試驗(yàn)聚合物驅(qū)方案新型耐溫抗鹽聚合物總用量850 PV·mg/L，礦場(chǎng)采用清水配制母液、污水稀釋，兩段塞注入方式：先注入0.1 PV質(zhì)量濃度為2 500 mg/L的新型耐溫抗鹽聚合物，再注入0.3 PV質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的新型耐溫抗鹽聚合物，注入速度為0.08 PV/a，含水率最低值下降到87.8%（圖7），含水率下降幅度達(dá)9.2%，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)提高采收率7.0%，噸聚增油值為38 t/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖7 先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)綜合含水率預(yù)測(cè)曲線Fig.7 Predicted curves of composite water cut in the pilot test area

4 應(yīng)用實(shí)例

基于室內(nèi)物理模擬和油藏?cái)?shù)值模擬的基礎(chǔ)上，在勝坨油田二區(qū)東三4單元開展Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏聚合物驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，礦場(chǎng)降水增油效果顯著。

注入壓力上升 試驗(yàn)區(qū)聚合物投注前注入井平均注入壓力為7.8 MPa，實(shí)施聚合物驅(qū)后油壓上升至12.4 MPa，與投注聚合物前對(duì)比油壓上升了4.6 MPa，反映了新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系在高溫高鹽高鈣鎂普通稠油油藏條件下能夠大幅度改善水油流度比，擴(kuò)大波及體積。

阻力系數(shù)階段遞增 實(shí)施聚合物驅(qū)后試驗(yàn)區(qū)霍爾曲線發(fā)生了明顯變化，注入聚合物前置段塞后，計(jì)算的阻力系數(shù)平均為1.47；注入聚合物主體段塞后，阻力系數(shù)平均提高至1.75。說明新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系可明顯增大地層滲流阻力，改善油層滲流狀況。

降水增油效果顯著 與注聚合物前相比，日產(chǎn)油量從86 t/d增加到273 t/d，綜合含水率從注聚合物前的96.5%下降到88.4%，下降了8.1%（圖8），取得了顯著的降水增油效果。截至2018年7月試驗(yàn)區(qū)已累積增油量為22.4×104t，已提高采收率5.2%，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)可提高采收率7.0%。

圖8 先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)曲線Fig.8 Production curvesof the pilot test area

5 結(jié)論

針對(duì)勝利油田Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏，設(shè)計(jì)新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油體系，在常規(guī)聚合物評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，圍繞聚合物本身和及其在地層中的剪切和拉伸流變性能完善新型耐溫抗鹽聚合物驅(qū)油性能評(píng)價(jià)體系，并認(rèn)識(shí)了新型耐溫抗鹽聚合物在巖心中具有吸附性較弱和易注入的滲流規(guī)律。

室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)和油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果均表明，新型耐溫抗鹽聚合物能夠明顯改善Ⅲ類高溫高鹽普通稠油油藏水油流度比，有效擴(kuò)大波及體積；數(shù)值模擬預(yù)測(cè)可提高采收率7.0%，礦場(chǎng)試驗(yàn)降水增油效果顯著，對(duì)中外同類油藏聚合物驅(qū)進(jìn)一步提高原油采收率提供借鑒，對(duì)豐富化學(xué)驅(qū)油方法、拓寬化學(xué)驅(qū)資源接替陣地具有指導(dǎo)意義。

符號(hào)解釋：

η——剪切黏度，mPa·s；η∞——極限剪切黏度，mPa·s；η0——零剪切黏度，mPa·s；λ——松弛時(shí)間，s；γ——剪切速率，s-1；n——冪律指數(shù)，代表在油藏剪切速率下分子鏈排布狀態(tài)，其值越小，分子排布越舒展，越有利于驅(qū)油。