渤海油田聚合物驅(qū)油劑性能特征評價實驗研究＊

姜維東 張 健 周 薇

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室； 2.中海油研究總院）

海上油田開發(fā)生產(chǎn)設(shè)施使用壽命短、平臺狹小、井距大［1－2］，且具有高溫、高礦化度和多為稠油的特點，使得開發(fā)難度和提高采收率比陸上油田顯得更為困難［3－6］，尤其是渤海油田，其地質(zhì)條件復(fù)雜、原油粘度高、水驅(qū)采收率較低，需要找到一種快速有效的開發(fā)方式。自渤海稠油油田開展聚合物驅(qū)以來，已取得較好的增油降水效果；但隨著聚合物驅(qū)在渤海油田應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，對聚合物溶液的性能要求更為苛刻（如須具有良好的耐鹽性和速溶特性等），而現(xiàn)有聚合物溶液性能已不能完全滿足油田礦場試驗的實際需求［7］。本文對“國家科技重大專項”研究獲得的兩種新型改性抗鹽型聚合物溶液性能特征和驅(qū)油效果進行評價，選取陸地油田常用抗鹽型聚合物KYPAM（北京恒聚）進行對比，評價新型聚合物產(chǎn)品性能特征，以期為渤海油田聚合物驅(qū)油技術(shù)方案的制定及推薦用聚合物提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

（1）聚合物

實驗用聚合物分別為西南疏水締合型AP－P4聚合物（分子量為800×104～1000×104）、中科院結(jié)構(gòu)復(fù)合型聚合物（以下簡稱“結(jié)構(gòu)型”，分子量為1200×104～1500×104）和北京恒聚抗鹽型聚合物KYPAM（分子量為2500×104）。其中，“結(jié)構(gòu)型”新型功能性聚合物分子骨架上包含高位阻側(cè)基，使聚合物大分子在溶液中體現(xiàn)出相對剛性，流體力學(xué)半徑增加，聚合物分子在相對苛刻條件下的增粘性能提高；同時，通過深度調(diào)控聚合物分子的親疏水性平衡，使聚合物分子化學(xué)組成一定的條件下具有較好的抗鹽耐溫性、熱穩(wěn)定性和親油能力。

（2）配聚水

配聚水為渤海某油田現(xiàn)場混配注入水和模擬注入水，總礦化度為9374.12 mg/L（表1）。

表1 渤海某油田現(xiàn)場混配注入水和模擬注入水離子組成和含量

（3）物理模型

①石英砂填砂模型

用100～120目的石英砂填制內(nèi)徑為8 mm、長度為500 mm帶有1個測壓點（中間250 mm處）的填砂管，氣測滲透率為1500 m D。

②環(huán)氧樹脂膠結(jié)二維縱向非均質(zhì)巖心

包括高、中、低等3個滲透層，氣測滲透率分別為3000、2000和1000 mD，厚度均為1.5 cm。外觀幾何尺寸為30cm（長）×4.5cm（寬）×4.5cm（高）。

1.2 實驗儀器

理化性能實驗儀器包括BROOKFIELD DVⅢ＋數(shù)字粘度計、752 W型分光光度計、RS600高溫高壓流變儀和Warring攪拌器；聚合物驅(qū)油劑流動特性及驅(qū)油效果實驗測試儀器裝置主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外，其它部分置于65℃恒溫箱內(nèi)。

1.3 實驗方案

（1）在對3種聚合物的常規(guī)理化性能指標(biāo)進行分析的基礎(chǔ)上，實驗研究了其增粘性、耐鹽性和剪切流變性，具體方案如下：①分別用模擬注入水和油田注入水與AP－P4、“結(jié)構(gòu)型”聚合物和KYPAM配制6種母液各400 m L，質(zhì)量濃度為5000 mg/L；每種母液配制好后老化12 h，分別稀釋成100、500、750、1000、1250、1500、1750、2000、2500 mg/L 聚合物溶液后進行粘度測量；②分別用氯化鈉質(zhì)量濃度為5000、10000、15000、20000、25000 mg/L的鹽水（每種鹽水內(nèi)含有氯化鈣，其濃度為氯化鈉的10%）與3種聚合物配制成質(zhì)量濃度均為1500 mg/L的聚合物溶液后進行耐鹽性能測試；③用油田模擬水分別與3種聚合物配制質(zhì)量濃度為5000 mg/L的母液，將母液靜止12 h后，用模擬水稀釋母液至1000 mg/L，用流變儀測定不同剪切速率下3種聚合物溶液的表觀粘度，剪切速率從0.1 s－1到1000 s－1。

（2）利用石英砂填砂模型對3種聚合物的流動特性進行實驗研究，利用環(huán)氧樹脂膠結(jié)二維縱向非均質(zhì)巖心，對聚合物驅(qū)油效果進行對比。實驗中聚合物溶液注入速度為1 m L/min，液體注入量達到3～5 PV以上，數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 min。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物性能特征

表2為3種聚合物常規(guī)理化性能指標(biāo)，可以看出固含量、粒度、水解度和過濾因子參數(shù)達到評價指標(biāo)要求；3種聚合物的殘留丙烯酰胺含量、特性粘數(shù)、溶解時間和水不溶物含量參數(shù)未達到評價指標(biāo)要求；而在表觀粘度保留率方面，AP－P4和“結(jié)構(gòu)型”聚合物達到評價指標(biāo)要求，KYPAM未達到評價指標(biāo)要求。進一步分析可以看出，AP－P4性能指標(biāo)最優(yōu)，其次是“結(jié)構(gòu)型”聚合物，但在溶解性能上還需要進一步改進，以滿足油田生產(chǎn)的實際需求。

表23 種聚合物理化性能指標(biāo)

（1）增粘性

圖1為3種聚合物質(zhì)量濃度與粘度關(guān)系圖，可以看出：利用油田水配制的聚合物溶液粘度值高于模擬水配制的聚合物溶液粘度值，說明聚合物分子線團在油田水中溶解、舒展性能較好，具有很好的配伍性，能夠更好地適應(yīng)油層條件；同時，相同濃度條件下AP－P4聚合物溶液粘度值高于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液，說明AP－P4聚合物溶液增粘性能好于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液，能夠更好地降低水相密度，提高原油采收率。

圖13 種聚合物的粘濃關(guān)系

（2）耐鹽性

表3為3種聚合物溶液耐鹽性能對比情況，可以看出，AP－P4聚合物溶液粘度值及粘度保留率高于相同條件下“結(jié)構(gòu)型”及KYPAM聚合物溶液，說明AP－P4聚合物分子抗卷曲和收縮能力較強，能夠很好地適應(yīng)高礦化度油藏條件。

（3）剪切流變性

圖2為3種聚合物溶液剪切流變性曲線，可以看出，隨著剪切速率的增大，3種聚合物溶液粘度值基本呈逐漸降低趨勢，即發(fā)生剪切變稀現(xiàn)象，其中APP4聚合物溶液粘度值整體高于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液。這說明，AP－P4聚合物分子鏈之間相互纏繞能力強，分子流體力學(xué)直徑增大，分子間內(nèi)摩擦力大，具有明顯的整體粘度特性，其剛性變強，柔性變差，注入地層后能起到有效擴大波及體積的作用。

表33 種聚合物溶液耐鹽性能

圖23 種聚合物溶液流變性曲線

2.2 聚合物的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

表4為3種聚合物溶液的阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)，可以看出：剪切前AP－P4聚合物的粘度最高，KYPAM聚合物的粘度最低，兩者相差較大，“結(jié)構(gòu)型”聚合物的粘度居中；剪切后AP－P4聚合物的粘度仍最高，而“結(jié)構(gòu)型”聚合物粘度較低，KYPAM聚合物粘度最低。AP－P4聚合物的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)最大，“結(jié)構(gòu)型”聚合物的次之，KYPAM聚合物的最小。

表43 種聚合物溶液的阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)

圖3為3種聚合物溶液在巖心中的流動曲線，可以看出AP－P4聚合物平穩(wěn)后的注入壓力在1.90 MPa左右，后續(xù)水驅(qū)壓力在0.50 MPa左右；“結(jié)構(gòu)型”聚合物平穩(wěn)后的注入壓力在1.2 MPa左右，后續(xù)水驅(qū)壓力在0.3 MPa左右；KYPAM聚合物平穩(wěn)后的注入壓力在0.5 MPa左右，后續(xù)水驅(qū)壓力在0.15 MPa左右。這說明，AP－P4聚合物溶液在巖心中具有較好的滯留能力，其流度控制能力好于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液。

圖3 不同聚合物溶液在巖心中的流動曲線

2.3 聚合物驅(qū)油效果

（1）粘度變化及采收率對比

表5為3種聚合物溶液剪切前后粘度變化及采收率對比，可以看出：AP－P4溶液在未剪切時具有較高的表觀粘度（為222.0 mPa·s），而在經(jīng)過“Warring攪拌器”剪切后，其溶液粘度值急劇下降，但其仍然有較高的粘度保留值（為122.6 mPa·s）；“結(jié)構(gòu)型”聚合物溶液剪切前粘度為83.2 mPa·s，剪切后粘度保留值為41.2 mPa·s；KYPAM 溶液剪切前粘度為13.8 mPa·s，剪切后其溶液粘度值下降，粘度保留值僅為5.4 mPa·s。正是由于剪切后的AP－P4和“結(jié)構(gòu)型”聚合物溶液的粘度保留值和保留率較高，能有效改善油水流度比，延緩含水率上升的速度（圖4、5），使得聚合物驅(qū)階段采收率分別增加了16.36%和13.74%。而KYPAM聚合物溶液的粘度值降低，擴大波及體積能力變差，因此對于降低產(chǎn)出液含水率的能力有限（圖6），聚合物驅(qū)階段采收率僅增加了5.23%。

表53 種聚合物溶液剪切前后粘度變化及采收率對比

（2）驅(qū)替特征

3種聚合物溶液在注入巖心過程中，注入壓力隨著注入PV數(shù)的增加發(fā)生了變化（圖7）。在水驅(qū)階段，注入壓力達到突破壓力后出現(xiàn)小幅度下降，含水率和采收率上升幅度較大（圖4～6）。注入聚合物后，注入壓力大幅度上升，含水率出現(xiàn)下降趨勢，采收率呈現(xiàn)較大幅度上升。后續(xù)注水階段，含水率回升，壓力逐漸降低。聚合物驅(qū)過程中，AP－P4聚合物溶液的整體壓力值高于相同階段KYPAM和“結(jié)構(gòu)型”聚合物，說明AP－P4聚合物能較好地改善油水流度比和擴大波及體積。

圖7 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系曲線

綜上所述，3種聚合物中AP－P4聚合物溶液的常規(guī)理化性能指標(biāo)及增粘性、耐鹽性、剪切流變性等性能都好于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液性能；AP－P4溶液在巖心中具有較好的滯留能力，其流度控制能力好于“結(jié)構(gòu)型”和KYPAM聚合物溶液；AP－P4驅(qū)油效果最好。因此，可以推薦AP－P4作為渤海油田聚合物驅(qū)油劑。

3 結(jié)論

（1）在 AP－P4、“結(jié)構(gòu)型”聚合物、KYPAM 等3種聚合物中，AP－P4聚合物溶液的常規(guī)理化性能指標(biāo)及增粘性、抗剪切性和粘度保留率性能均好于另外2種。

（2）AP－P4聚合物的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)最大，驅(qū)油效果最好，綜合分析后可推薦作為渤海油田聚合物驅(qū)油劑。

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