欒鵬飛，盧祥國，曹偉佳，鄭凱亓

聚合物傳輸運移能力與驅(qū)油效果關(guān)系研究

欒鵬飛，盧祥國，曹偉佳，鄭凱亓

（東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)擴大注入水波及體積是聚驅(qū)提高采收率的主要機理。考察了聚合物的傳輸運移和驅(qū)油效果。結(jié)果表明，聚合物驅(qū)油劑黏度與驅(qū)油效果不存在正相關(guān)性，等質(zhì)量濃度的“抗鹽”聚合物黏度（52.4 mPa?s）高于“高分”聚合物黏度（35.6 mPa?s），但與儲層孔喉結(jié)構(gòu)配伍性、注入性和抗剪切性差；“抗鹽”聚合物驅(qū)替整體采收率增幅（6.94%）低于“高分”聚合物驅(qū)替整體采收率增幅（18.94%），與等黏度或等質(zhì)量濃度的“高分”聚合物相比，“抗鹽”聚合物的擴大波及體積能力差。

“高分”聚合物； “抗鹽”聚合物； 提高采收率機理； 聚合物驅(qū)； 傳輸運移能力； 驅(qū)油效果

隨著油田開發(fā)進程的不斷加深，油田已進入高含水開發(fā)期，聚合物驅(qū)油技術(shù)逐漸成為我國應(yīng)用最廣泛的提高采收率技術(shù)手段，并在各大油田的現(xiàn)場實驗中得到了廣泛應(yīng)用，取得了很好的增油效果[1?4]。國內(nèi)外油田自20世紀60年代開始陸續(xù)開展聚合物驅(qū)實驗[5?8]，該技術(shù)因配注簡單、成本較低及采收率提高效果明顯而發(fā)展迅速，在全世界的油田開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

由于開發(fā)油藏地質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣，聚合物驅(qū)的應(yīng)用需要進一步研究[9?10]。為了提高聚合物驅(qū)方法的采收率，從而提高技術(shù)經(jīng)濟效益，本文通過對大慶第五采油廠太18-38井區(qū)的儲集層油藏進行模擬，研究了聚合物驅(qū)提高采收率的機理和技術(shù)手段；在五個不同滲透率條件下，對比等質(zhì)量濃度的“高分”聚合物和“抗鹽”聚合物[10?12]的性能以及驅(qū)油效果；對兩種聚合物的黏度、滯留能力、封堵性和驅(qū)油效果進行對比評價，探究了聚合物驅(qū)提高采收率機理[13?15]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗選擇的聚合物是大慶煉化公司生產(chǎn)的兩種部分水解聚丙烯酰胺粉末：質(zhì)量分數(shù)為88.8%、相對分子質(zhì)量為1 900×104的普通聚合物（簡稱“高分”聚合物）；質(zhì)量分數(shù)為90.0%、相對分子質(zhì)量為700×104的抗鹽功能性聚合物（簡稱“抗鹽”聚合物）。實驗用注入水為大慶第五采油廠采出污水，污水水質(zhì)離子組成分析結(jié)果如表1所示。

表1　污水水質(zhì)離子組成分析結(jié)果

滲流特性實驗用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心。巖心直徑為2.5 cm，長度為10.0 cm；巖心滲透率（g）分別約為250、500、750、1 000、1 500 mD。

傳輸運移實驗用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心。巖心的長、寬、高分別為4.5、4.5、30.0 cm；g分別約為250、500、750、1 000、1 500 mD。采用環(huán)氧樹脂將巖心外觀密封處理，在巖心入口端、距入口1/3和2/3處設(shè)置壓力測試點，三個測壓點將巖心長度劃分為三個區(qū)域，即區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3，每個區(qū)域長度為10 cm。巖心結(jié)構(gòu)及測壓點分布如圖1所示。

圖1　巖心結(jié)構(gòu)及測壓點分布

驅(qū)油實驗用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)分注分采人造巖心（巖心Ⅰ）和層內(nèi)非均質(zhì)光板人造巖心（巖心Ⅱ）。巖心Ⅰ的高滲透率和低滲透率分別為1 500、250 mD。巖心Ⅱ的平均滲透率為200 mD，高滲透率為300 mD，低滲透率為100 mD；長、寬、高分別為30.0、4.5、4.5 cm；小層等厚，其值為2.25 cm。采用環(huán)氧樹脂將巖心Ⅰ、巖心Ⅱ的外觀密封處理，在巖心高滲透率部分設(shè)置入口a，低滲透率部分設(shè)置入口b，對應(yīng)出口端設(shè)置為出口a和出口b。分注分采巖心的結(jié)構(gòu)圖、實物圖如圖2所示。

圖2　分注分采巖心的結(jié)構(gòu)圖、實物圖

1.2 實驗設(shè)備及原理

聚合物傳輸運移能力測試儀器采用外置平流泵、外置手搖泵、壓力傳感器、活塞型中間容器和管線、閘門等，除外置平流泵和外置手搖泵放置在保溫箱外，其他儀器均置于45 ℃保溫箱內(nèi)。圖3為聚合物傳輸運移能力測試實驗流程及設(shè)計示意圖。

采用壓差和壓差比指標評價聚合物傳輸運移能力，壓差的表達式為：

δ1=注入端-測壓點1；δ2=測壓點1-測壓點2；δ3=測壓點2-采出端。

式中，δ1、δ2、δ3分別為注入端與測壓點1、測壓點1與測壓點2、測壓點2與采出端的壓差，Pa。

圖3　聚合物傳輸運移能力測試實驗流程及設(shè)計示意圖

采用采收率和分流率評價聚合物驅(qū)油效果，包括巖心整體和各小層采收率以及各小層分流率，繪制巖心注入壓力、采收率及小層分流率與注入量關(guān)系曲線。

1.3 實驗步驟

1.3.1傳輸運移能力評價

（1）制備巖心飽和地層水（抽真空），注入采出污水，記錄壓力并計算水測滲透率。

（2）注1 PV的聚合物（采用采出污水配制），記錄各個測壓點壓力。

（3）注后續(xù)水驅(qū)直到壓力穩(wěn)定，計算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。

在上述實驗過程中，水驅(qū)注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔時間為30 min。

1.3.2驅(qū)油效果評價

（1）室溫下巖心抽空飽和地層水，計算孔隙體積并飽和模擬油。

（2）在油藏溫度45 ℃下，以0.6 mL/min的速度水驅(qū)至含水率98%，記錄出水量、出液量和壓力。

（3）在油藏溫度45 ℃下，以0.6 mL/min的速度“恒速”注聚合物，待注入壓力升高至水驅(qū)壓力的2倍時改為“恒壓”驅(qū)替。

（4）在油藏溫度45 ℃下，恒壓進行后續(xù)水驅(qū)，直到含水率98%，繪制相關(guān)特征曲線。

定期記錄注入壓力以及各小層注入和采出液量，計算巖心采收率和含水率，計算小層分流率，繪制巖心注入壓力、含水率、采收率及小層分流率與注入量的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物增黏影響因素

采用注入水配制“高分”和“抗鹽”聚合物（質(zhì)量濃度分別為550、1 000、1 500、2 000 mg/L），采用布氏黏度計測定了剪切1、3、5 s時的聚合物黏度，并計算了黏度保留率，結(jié)果如表2所示。

表2　聚合物黏度與其質(zhì)量濃度、剪切時間的關(guān)系及黏度保留率

由表2可以看出，在聚合物類型和質(zhì)量濃度一定的條件下，隨剪切強度（時間）的增加，聚合物黏度降低；在聚合物類型一定的條件下，隨聚合物質(zhì)量濃度的增加，聚合物抗剪切能力增強，黏度保留率增加；在聚合物質(zhì)量濃度一定的條件下，“高分”聚合物的黏度保留率高于“抗鹽”聚合物。

采用注入水配制質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的“高分”和“抗鹽”聚合物，將聚合物置于45 ℃保溫箱中。聚合物黏度與老化時間的關(guān)系及黏度保留率如表3所示，水礦化度不同時聚合物黏度如表4所示。

從表3可以看出，當(dāng)聚合物類型和質(zhì)量濃度一定時，隨老化時間增加，聚合物黏度保留率降低；在聚合物質(zhì)量濃度一定的條件下，當(dāng)老化時間為10、20 s時，“抗鹽”聚合物的黏度保留率大于“高分”聚合物；當(dāng)老化時間為30～80 s時，”高分“聚合物的黏度保留率大于“抗鹽”聚合物。

表3　聚合物黏度與老化時間的關(guān)系及黏度保留率

從表4可以看出，當(dāng)聚合物類型和質(zhì)量濃度一定時，隨模擬水礦化度的增加，聚合物黏度逐漸降低；當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度一定時，礦化度對“高分”聚合物黏度的影響要遠大于對“抗鹽”聚合物的影響。

表4　模擬水及污水礦化度不同時的聚合物的黏度

2.2 聚合物傳輸運移能力

2.2.1巖心各個區(qū)域壓差和壓差比 采用注入水配制質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的“高分”聚合物和“抗鹽”聚合物，在不同滲透率的多測壓孔均質(zhì)方巖心上開展聚合物傳輸運移能力評價實驗，注聚結(jié)束時各個測壓點區(qū)間壓差實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　巖心各個區(qū)間壓差δp和壓差比

從表5可以看出，隨巖心滲透率增加，巖心三個區(qū)間壓差逐漸減小，表明巖心從前部往后滯留量逐漸減小，傳輸運移能力逐漸增強；對于滲透率為248 mD的巖心，聚合物類型為“高分”聚合物時，前部滯留量是中部的2.61倍（δ1/δ2），是后部的14.93倍（δ1/δ3），中部是后部的5.72倍（δ2/δ3）；對于滲透率為254 mD的巖心，聚合物的類型為“抗鹽”聚合物時，前部滯留量是中部的32.20倍（δ1/δ2），是后部的123.94倍（δ1/δ3），中部是后部的3.85倍（δ2/δ3）。從表5還可以看出，隨巖心滲透率增加，聚合物各個測壓點注入壓力減小，其傳輸運移能力增強。巖心滲透率愈低，注入壓力升幅愈大。

2.2.2動態(tài)特征 在滲透率為250 mD的條件下，兩種聚合物各測壓點壓力與注入量的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，與“高分”聚合物相比，“抗鹽”聚合物在巖心注入端附近區(qū)域滯留量較大，且壓差及各個區(qū)間的壓差比也較大；與“高分”聚合物相比較，“抗鹽”聚合物傳輸運移能力較差。

圖4　各測壓點壓力與注入量的關(guān)系

2.3 聚合物驅(qū)油效果及影響因素

2.3.1采收率 采用注入水配制質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的“高分”聚合物和“抗鹽”聚合物，且剪切后對分注分采巖心開展聚合物驅(qū)替實驗，注聚結(jié)束后將其與光板巖心并聯(lián)，后續(xù)水驅(qū)到含水率98%。

表6為聚合物驅(qū)替各階段采收率數(shù)據(jù)。由表6可知，“高分”聚合物聚驅(qū)采收率較高，而“抗鹽”聚合物與分注分采巖心滲透率匹配性較差。當(dāng)注入壓力為2（為水驅(qū)結(jié)束時，當(dāng)出口含水率達到98%時的注入壓力）時，吸液壓差較低，“抗鹽”聚合物無法注入巖心，因而聚驅(qū)采收率增幅為0。在后續(xù)水驅(qū)過程中，采用“高分”聚合物驅(qū)替，光板巖心采收率增幅較低；采用“抗鹽”聚合物驅(qū)替，由于“抗鹽”聚合物對巖心端面的封堵作用，其傳輸運移能力差，導(dǎo)致后續(xù)水驅(qū)階段層內(nèi)光板巖心采收率增幅較大。

表6　聚合物驅(qū)替各階段采收率

2.3.2動態(tài)特征 圖5為注入壓力和采收率與注入量的關(guān)系。由圖5（a）可以看出，隨著注入量的提升，“抗鹽”和“高分”聚合物驅(qū)替呈現(xiàn)先下降后提升至二倍壓力，最后呈穩(wěn)定的趨勢。由圖5（b）可以看出，在聚驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)階段，“抗鹽”聚合物驅(qū)替的總體采收率增幅低于“高分”聚合物驅(qū)替。

圖5　注入壓力和采收率與注入量的關(guān)系

圖6為各小層采收率與注入量的關(guān)系。由圖6可知，在聚驅(qū)階段，“高分”聚合物驅(qū)替的澆筑巖心采收率增幅大于“抗鹽”聚合物驅(qū)替；在后續(xù)水驅(qū)階段，“高分”聚合物驅(qū)替的澆筑巖心采收率仍有提高，而“抗鹽”聚合物驅(qū)替的澆筑巖心采收率沒有提升。

圖6　各小層采收率與注入量的關(guān)系

2.3.3分流率 注采端分流率與注入量的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在“高分”聚合物驅(qū)替的巖心中，驅(qū)替過程中液流主要是從澆筑巖心的高滲部分通過，且主要從高滲部分采出；在“抗鹽”聚合物驅(qū)替的巖心中，水驅(qū)過程中液流主要從高滲部分通過，在聚驅(qū)階段中期開始及后續(xù)水驅(qū)階段，液流主要通過的區(qū)域變成了并聯(lián)的光板巖心，采出液也多由光板巖心采出。機理分析認為，“抗鹽”聚合物具有“片?網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，雖然黏度較“高分”聚合物高，但與巖心配伍性差，在巖心端面出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致采收率下降。

圖7　注采端分流率與注入量的關(guān)系

2.4 聚合物分子聚集體微觀模型

圖8為“高分”和“抗鹽”聚合物分子微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡觀測結(jié)果。從圖8可以看出，“高分”聚合物分子聚集體呈“線?網(wǎng)”狀，而“抗鹽”聚合物分子呈“片?網(wǎng)”狀；“高分”聚合物的分子聚集體較細，相互之間吸附作用以及纏繞作用較弱，而“抗鹽”聚合物之間相互纏繞，分子基團體積更大。

圖8　聚合物分子微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片

機理分析認為，提高采收率驅(qū)的主要機理有兩種：（1）擴大波及體積；（2）提高洗油效率。其中，聚合物驅(qū)油的主要目的是擴大聚合物在油藏中波及的范圍。聚合物等驅(qū)油劑注入具有非均質(zhì)性的復(fù)雜地層后，在高滲層和低滲層同時發(fā)生滯留現(xiàn)象。由于高滲層和低滲層的滲透率存在差距，導(dǎo)致注入壓力和吸液壓力之間有壓差，兩個層之間的吸液量出現(xiàn)差異。首先，聚合物在高滲層出現(xiàn)滯留，并且會更多地滯留在高滲層中。當(dāng)滯留作用發(fā)生后，油藏中的壓力會迅速上升，各小層的吸液量隨之增多，導(dǎo)致吸液壓差進一步擴大，達到擴大波及體積的目的。

目前，對聚合物驅(qū)的認識還局限于增加聚合物黏度、改善流度比以提高采收率。但是，實驗證明聚合物驅(qū)傳輸運移能力和驅(qū)油效果與聚合物的黏度并不存在正比例關(guān)系。從微觀結(jié)構(gòu)來看，聚合物驅(qū)油效果與聚合物分子的構(gòu)型和在巖心中傳輸運移能力有一定關(guān)聯(lián)。“抗鹽”聚合物分子結(jié)構(gòu)為“片?網(wǎng)”狀，黏度很高，但與油藏巖石孔喉配伍性差，分子結(jié)構(gòu)松散，抗剪切能力差，注入性不好；“高分”聚合物在多孔介質(zhì)中的吸附作用更強，容易在油藏巖石孔喉內(nèi)滯留，能有效封堵地層，增大滲流阻力。與具有等黏度或等質(zhì)量濃度的“抗鹽“聚合物相比，”高分“聚合物的擴大波及體積效果更好。

3 結(jié) 論

（1）在聚合物類型和質(zhì)量濃度相同的條件下，隨巖心滲透率的增加，滲流阻力逐漸降低，注入壓力上升，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。對于相同滲透率的巖心，與“抗鹽”聚合物相比，“高分”聚合物在油藏巖石孔喉內(nèi)滯留作用較弱，滲流阻力較小，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)較小。

（2）隨著巖心滲透率的增加，聚合物各個測壓點注入壓力減小，其傳輸運移能力增強。巖心滲透率愈低，注入壓力升幅愈大?！翱果}”聚合物相比于“高分”聚合物，在巖心注入端附近區(qū)域滯留量較大，壓差較大，各個區(qū)間壓差比也較大，“抗鹽”聚合物與“高分”聚合物相比其傳輸運移能力更差。

（3）“抗鹽”聚合物分子結(jié)構(gòu)為“片?網(wǎng)”狀，黏度高，但與油藏巖石孔喉配伍性差，分子結(jié)構(gòu)松散，抗剪切能力差，注入性不好。“高分”聚合物在多孔介質(zhì)中吸附作用更強，主要形式為分子內(nèi)交聯(lián)，分子聚集體尺寸較小，黏度較低，易在巖石孔喉滯留，能有效地封堵地層，擴大波及體積效果及提高采收率效果更好。

（4）聚合物驅(qū)傳輸運移能力和驅(qū)油作用的效果與聚合物的黏度并不存在正相關(guān)關(guān)系，而是與微觀聚合物基團結(jié)構(gòu)構(gòu)型存在較大關(guān)聯(lián)。

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Study on the Relationship between Polymer Transport Capacity and Oil Displacement Effect

Luan Pengfei， Lu Xiangguo， Cao Weijia， Zheng Kaiqi

（Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery（Ministry of Education），Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China）

The expansion of the swept volume of injected water by polymers in the porous medium is the main mechanism for polymer flooding to increase oil recovery.The transport of polymer and the oil displacement effect were investigated.Experiments have shown that there is no positive correlation between the viscosity of the polymer flooding agent and the oil displacement effect.The viscosity of the salt?resistant polymer (52.4 mPa?s) is higher than that of the "high?resolution" polymer (35.6 mPa?s ),but it has poor compatibility with the pore?throat structure of the reservoir and poor injection and shear resistance.The oil displacement experiments demonstrate that the overall recovery increase by salt?resistant polymer flooding (6.94%) is lower than that of "high score" polymer flooding (18.94%). Therefore, compared with the "high?score" polymer of "equal viscosity" or "equal concentration", the salt?resistant polymer has a worse ability to expand the swept volume.

"High score" polymer； "Salt?tolerant" polymer； Enhanced oil recovery mechanism； Polymer flooding； Transport and migration capability； Oil flooding effect

1006?396X（2022）04?0066?08

2021?11?16

2022?01?07

國家自然科學(xué)基金面上項目(51574086)；“十三五”國家重大專項子課題(2016ZX05058?003?010)。

欒鵬飛(1996?)，男，碩士研究生，從事提高采收率方法和理論方面研究；E?mail:614075571@qq.com。

盧祥國(1960?)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事提高油氣采收率技術(shù)方面研究；E?mail:2317437682@qq.com。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.04.010

(編輯 王戩麗）