趙順超，王宇飛，陳華興，吳華曉，方 濤，龐 銘

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

聚合物驅(qū)提高原油采收率技術(shù)在國內(nèi)油田得到了較為廣泛的應(yīng)用。渤海JZ油田從2008年開始注聚，聚合物驅(qū)油技術(shù)取得了顯著的降水增油效果[1-2]。但是，隨著注入時間的延長，聚合物注入量不斷增加，聚合物長期聚集造成井底及近井地帶堵塞，注聚井堵塞問題日益嚴重，受益油井產(chǎn)能釋放困難，一定程度上制約了聚驅(qū)提高采收率效果[3-4]。

針對注聚井和受益油井堵塞問題，先后開展多次酸化解堵作業(yè)，但未取得顯著效果，部分受益油井酸化后產(chǎn)能進一步下降，酸化措施對儲層造成了新的傷害。國內(nèi)外學者對常規(guī)油水井酸化潛在傷害進行了大量的研究[5-6]。但是，注聚油田由于聚合物的注入，殘酸對儲層的傷害機理更為復雜，目前國外在這方面的研究報導較少。鄒劍等[7]、楊芯惠等[8]在研究海上油田注聚井和受益井堵塞物組成及成因時發(fā)現(xiàn)，殘酸中高價金屬陽離子會與聚合物形成有機膠團，但未對形成機理開展深入研究，離子類型、離子質(zhì)量濃度等因素對有機膠團形成的影響以及有機膠團在孔喉中的堵塞規(guī)律需要進一步明確。為此，本文以JZ油田為研究對象，通過室內(nèi)實驗研究殘酸對注聚油田儲層傷害機理，重點分析殘酸與聚合物溶液形成堵塞物機理以及在微觀孔喉中的堵塞形態(tài)，并采用長巖心實驗定量評價傷害程度。研究成果可為針對性研發(fā)注聚油田解堵工作液和解堵工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

材料：正己烷、甲苯、雙氧水、硫酸亞鐵銨、FeCl3、Al2(SO4)3、CaCl2和MgCl2，分析純，金?；び邢薰荆荒M地層水，碳酸氫鈉水型，礦化度為9 178 mg/L，離子組成為：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、、、質(zhì)量濃 度 分 別為11.0、1 087.0、12.0、37.9、836.0、7.0、1 467.0、21.0 mg/L；殘酸溶液，用酸液與油砂樣處理后獲得；人造長巖心，長度為30.0 cm，直徑為3.7 cm，孔隙度為35%；0.45 μm纖維濾膜，北京中西華大科技有限公司。

儀器：恒溫烘箱，上海捷呈實驗儀器有限公司；分析天平，精度為0.1 mg，沈陽龍騰電子有限公司；Waters 1515型凝膠滲透色譜，美國Waters公司；FEI Quanta 650FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡（帶能譜分析），美國FEI公司；離心機，湖南凱達科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法和測試條件

1.2.1 有機膠團模擬生成 通過流動實驗?zāi)M殘酸中高價陽離子與聚合物溶液形成有機膠團。

（1）配制聚合物溶液。JZ油田聚合物溶液采用油田的模擬地層水配制成質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的母液，待用。采用Waring剪切攪拌器1擋剪切20 s后備用，將石英砂、聚合物溶液、油按1∶10∶1的體積比加入老化瓶中，通入氮氣30 min，然后進行密封，置于60℃烘箱中，老化30 d。

（2）配制金屬離子溶液：用蒸餾水配制金屬離子質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的氯化鐵和Al2(SO4)3溶液。

（3）評價方法：聚合物溶液分別與不同的金屬離子溶液混合。用蠕動泵輸送聚合物溶液（100 mL），注射泵輸送金屬離子溶液，兩者在三通閥處流動混合，混合后的溶液從三通閥流出，通過100目的金屬篩網(wǎng)收集水不溶物，烘干后稱量。

1.2.2 微觀可視化實驗 通過微觀可視化裝置研究殘酸與聚合物形成的有機膠團在孔喉中的堵塞規(guī)律。

（1）實驗裝置：實驗?zāi)Ｐ蜑?.5 cm×1.5 cm×0.4 cm的激光刻蝕顯微玻璃模型，由JZ油田天然巖心的鑄體照片復制到玻璃上制成，巖心孔隙雕刻區(qū)域大小為2.5 cm×1.3 cm（見圖1（a））。薄片模型置于夾持器中，注入口和采出口均連接管道（見圖1（b））。注液端連接三通閥，液體通過閥門匯聚到一起后注入模型夾持器的入口端，模型夾持器的出口端連接量筒（見圖1（c））。高分辨觀測及采集系統(tǒng)包括顯微鏡放大系統(tǒng)、動態(tài)捕捉系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、載物臺系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)。模型夾持器放在載物臺系統(tǒng)之上，通過高速高分辨攝像機記錄實驗過程，使用圖像采集處理系統(tǒng)處理實驗結(jié)果。

圖1 有機膠團在孔隙中堵塞規(guī)律微觀模擬裝置

（2）制備殘酸：儲層酸化解堵所用的酸液與等質(zhì)量油砂樣混合于燒杯內(nèi)，放置于恒溫箱，在溫度為60℃的密閉環(huán)境中反應(yīng)4 h，調(diào)節(jié)反應(yīng)后酸液的pH至1并進行離心處理。

（3）制備聚合物溶液：將JZ油田受益井產(chǎn)出液中聚合物質(zhì)量濃度調(diào)至200 mg/L。剪切和老化過程同1.2.1中步驟（1）；采用液柱重力驅(qū)替，利用三通閥使殘酸與含聚污水均勻混合，殘酸與含聚污水注入，實驗過程攝像機監(jiān)控，觀察記錄堵塞物的分布情況。驅(qū)替用殘酸溶液離子質(zhì)量濃度分析結(jié)果見表1。

表1 驅(qū)替用殘酸溶液離子質(zhì)量濃度分析結(jié)果

1.2.3長巖心動態(tài)驅(qū)替實驗 采用長巖心驅(qū)替實驗定量評價殘酸與聚合物溶液反應(yīng)后對儲層的傷害程度。驅(qū)替實驗后，采用掃描電鏡觀察注入端縱向剖面，并對堵塞物進行能譜分析。

（1）實驗裝置：長巖心驅(qū)替實驗裝置包括長巖心夾持器、注入泵系統(tǒng)、壓力傳感器、恒溫箱等。

（2）殘酸和聚合物溶液的制備方法同1.2.1。

（3）實驗溫度為60℃，驅(qū)替流速為1 mL/min。

（4）巖心傷害率按式（1）進行計算。

式中，D為損害程度，%；KI、Kn分別為實驗前、實驗后的巖樣滲透率，μm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘酸與聚合物形成有機膠團機理

在pH=1的酸性環(huán)境下，聚合物不會與Ca2+、Mg2+作用生成不溶物，但會與Al3+、Fe3+作用生成不溶物。測定離子類型及其質(zhì)量濃度不同的條件下聚合物溶液與殘酸中金屬離子形成不溶物的質(zhì)量，結(jié)果見表2。

表2 離子質(zhì)量濃度對有機膠團形成的影響

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，聚合物溶液與Al3+反應(yīng)生成白色膠團不溶物，與Fe3+反應(yīng)生成黃褐色膠團不溶物（見圖2）。由表2及圖2可以看出，隨著離子質(zhì)量濃度的增加，不溶物生成量增加，這是由于離子質(zhì)量濃度增大，聚合物間交聯(lián)點增多，故不溶物生成量增多。由表2還可以看出，與剪切后的聚合物相比，原液中聚合物分子量大，分子鏈長，與金屬離子接觸的概率增大，故不溶物產(chǎn)生量更多；在相同離子質(zhì)量濃度下，Al3+與聚合物生成的膠團量更多。

圖2 剪切后聚合物與金屬離子形成不溶物的實物圖

剪切后聚合物與金屬離子形成不溶物的SEM圖如圖3所示。由圖3可以看出，不溶物均具有明顯的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中剪切后聚合物與A13+形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加立體和厚實，為片狀交聯(lián)。

圖3 剪切后聚合物與金屬離子形成不溶物的SEM圖

在注聚井和受益油井酸化過程中，酸液與儲層反應(yīng)會產(chǎn)生Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+等高價金屬離子[9-11]，聚合物分子鏈以Al3+、Fe3+等高價陽離子為交聯(lián)點，通過聚合物側(cè)基中的羧酸根和高價陽離子之間的配位作用形成交聯(lián)網(wǎng)狀彈性體，形成機理如圖4所示。圖4中，M代表金屬離子。

圖4 有機膠團形成機理

當接觸的金屬離子質(zhì)量濃度低時，聚丙烯酰胺只有部分羧基參與交聯(lián)，隨著金屬離子質(zhì)量濃度增大交聯(lián)程度也增強，交聯(lián)體脫水并收縮形成有機膠團。這種有機膠團的形成增大了聚合物分子的回旋半徑，使流動阻力增大[12-13]。

2.2 有機膠團在孔喉中堵塞規(guī)律

2.2.1 微觀可視化實驗結(jié)果分析 采用微觀可視化裝置模擬聚合物溶液與殘酸的作用，觀察有機膠團在孔喉中的堵塞規(guī)律。有機膠團在孔喉中的堵塞形態(tài)如圖5所示。圖5中，白色部分為顆粒，陰影部分為孔隙、喉道。

圖5 有機膠團在孔喉中的堵塞形態(tài)

由圖5可以看出，在初始階段，孔隙、喉道內(nèi)部清潔；殘酸與聚合物混合后，發(fā)現(xiàn)有有機膠團生成，有機膠團在孔喉中隨流體流動，在大孔隙內(nèi)部從孔壁邊緣開始聚集長大、停留于孔隙凹坑處或懸浮沉淀于孔喉中。當孔隙連通喉道處有機膠團被已附著聚集的不溶物捕獲吸附時，孔喉不斷被充填，可通過流體的孔喉直徑逐漸變小，流動阻力增大，隨之造成堵塞。當流體流動受阻時，后續(xù)的有機膠團隨流體選擇另外的路徑流動導致整體堵塞嚴重。

2.2.2 長巖心驅(qū)替實驗結(jié)果分析 注入聚合物前后巖心滲透率及滲透率傷害率見表3。由表3可知，采用聚合物溶液驅(qū)替后，1號、2號巖心滲透率傷害率分別為44.11%、41.61%，平均滲透率傷害率為42.86%，這是由于隨著注入量的增加，聚合物不斷聚集吸附導致巖心滲透率下降。

表3 注入聚合物前后巖心滲透率及滲透率傷害率

聚合物溶液驅(qū)替后，正向轉(zhuǎn)注殘酸，巖心滲透率仍降低，驅(qū)替殘酸1 PV后停泵反應(yīng)1～2 h，然后正向驅(qū)替地層水，測得巖心滲透率低于注聚合物溶液后期的滲透率。注入殘酸前后巖心滲透率及滲透率傷害率見表4。

表4 注入殘酸前后巖心滲透率及滲透率傷害率

由表4可以看出，1號、2號巖心滲透率傷害率分別為61.48%、63.21%，平均滲透率傷害率為62.35%，說明注入殘酸后高價金屬離子與聚合物形成新的堵塞物，使?jié)B透率進一步下降。

通過掃描電鏡觀察驅(qū)替后巖心注入端，電鏡下可見實驗后巖心內(nèi)部存在大量的無晶型特征的物質(zhì)附著于骨架礦物表面，充填粒間孔，膜狀物質(zhì)包裹附著于骨架顆粒及黏土礦物表面，可見這種膜狀物質(zhì)表面還富集較大量的粒徑不一的雜質(zhì)或點狀、球狀垢粒，如圖6所示。同時還發(fā)現(xiàn)，這種膜狀物質(zhì)較均勻致密，無明顯的孔、縫，一旦堵塞于孔隙喉道內(nèi)部，對后續(xù)流體起到較強的封堵作用，表現(xiàn)為滲透率傷害幅度大。

圖6 驅(qū)替后垢樣掃描電鏡下微觀形貌照片

驅(qū)替后垢物能譜分析結(jié)果見表5。由表5可以看出，垢樣構(gòu)成元素主要為C、O、Al、Fe，可斷定其為聚合物與金屬離子形成的交聯(lián)物以及鐵鹽、二氧化硅等無機垢。

表5 驅(qū)替后垢物能譜分析結(jié)果

在油水井實際酸化過程中，殘酸若不及時返排，聚合物分子與殘酸中的高價金屬離子形成有機膠團，有機膠團堵塞孔喉，使可通過流體的孔喉直徑逐漸變小，流動阻力增大。有機膠團在流動過程中裹纏繞地層微粒、碳酸鹽沉淀等形成難以祛除的“有機+無機”復合堵塞物膠團，造成地層滲透率大幅下降，影響油井產(chǎn)能釋放和注聚井注入能力提升。

3 結(jié)論

（1）注聚油田殘酸對儲層傷害機理主要表現(xiàn)為殘酸中的Fe3+、Al3+與聚丙烯酰胺水解產(chǎn)物生成交聯(lián)網(wǎng)狀彈性體，離子質(zhì)量濃度越高，膠團生成量越大。有機膠團在孔喉中隨流體流動，在大孔隙內(nèi)部從孔壁邊緣開始聚集長大或停留于孔隙凹坑處，使可通過流體的孔喉直徑逐漸變小。流動過程中有機膠團包裹地層微粒、碳酸鹽沉淀物，形成復合堵塞物膠團，流動阻力進一步增大，巖心滲透率傷害率高達60%以上。

（2）注聚油田開展酸化解堵作業(yè)時，建議在酸液體系中加入高價金屬離子穩(wěn)定劑，酸化后盡快返排，避免殘酸中高價金屬離子與聚合物溶液長期接觸形成有機膠團堵塞物。