聚合物在多孔介質(zhì)中的分布和存在狀態(tài)

趙 娟,張 健,向問陶,李宜強(qiáng),劉少鵬,劉立偉

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100027；2.中海油研究總院,北京 100027； 3.中國石油大學(xué)提高采收率中心,北京 102249)

聚合物在多孔介質(zhì)中的分布和存在狀態(tài)

趙 娟1,2,張 健1,2,向問陶1,2,李宜強(qiáng)3,劉少鵬3,劉立偉1,2

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100027；2.中海油研究總院,北京 100027； 3.中國石油大學(xué)提高采收率中心,北京 102249)

從宏觀上考察聚合物在地層的分布,微觀上測定表征存在狀態(tài)的各個參數(shù),采用三管并聯(lián)巖心和平板模型實(shí)驗研究聚合物分布規(guī)律,通過物理模擬實(shí)驗測定表征聚合物存在狀態(tài)的參數(shù),同時測定不同聚合物質(zhì)量濃度下的靜態(tài)吸附量和動態(tài)滯留量,采用雙段塞法測定不可及孔隙體積及動態(tài)滯留量等參數(shù),并改進(jìn)實(shí)驗數(shù)據(jù)的處理過程。結(jié)果表明:聚合物在縱向上主要進(jìn)入高滲透層,平面上主要分布在主流線區(qū)域,兩翼部分質(zhì)量濃度較低；靜態(tài)吸附量遠(yuǎn)大于動態(tài)滯留量,并且其比值隨著聚合物質(zhì)量濃度的變化而變化。

提高采收率；聚合物分布；存在狀態(tài)；雙段塞法；不可入孔隙體積；滯留量

聚合物驅(qū)后地層存留著大量的聚合物[1-2],其動態(tài)預(yù)測缺乏實(shí)驗支持[3]。聚合物在地層中的分布受非均質(zhì)性[4]、聚合物的注入質(zhì)量濃度、注入速度等因素影響。地層不可入孔隙體積[5]中無聚合物,在可進(jìn)入體積中的聚合物有兩種存在狀態(tài),即滯留[6](包括吸附和捕集)和溶解分散。不可入孔隙體積(VIP)設(shè)置不當(dāng),將會導(dǎo)致油藏模擬見聚時間預(yù)測不準(zhǔn)[7]。滯留量是工程設(shè)計的重要依據(jù)和油藏數(shù)值模擬的基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)[8],影響地層滲透率[9],數(shù)模中常根據(jù)靜態(tài)吸附量的折算量代替動態(tài)滯留量,但是兩者差距很大。聚合物驅(qū)數(shù)值模擬中不可入孔隙體積和滯留量等物理化學(xué)參數(shù)往往不易準(zhǔn)確獲得,嚴(yán)重影響了聚合物驅(qū)數(shù)值模擬結(jié)果和礦場動態(tài)預(yù)測效果。筆者從宏觀上研究聚合物的分布規(guī)律,從微觀上定量測定不可入孔隙體積(VIP)、滯留量、溶解量等參數(shù)。

1 實(shí) 驗

1.1 實(shí)驗藥品和儀器

實(shí)驗藥品:疏水締合聚合物AP-P4(相對分子質(zhì)量1250×104,固含量90%)、硫氰酸鉀、醋酸鈉、甲酸鈉、碘化鎘、水合硫酸鋁、水合醋酸鋁、冰乙酸、可溶性淀粉、飽和溴水、硝酸、硫酸鐵銨、甲基硅油等。實(shí)驗用水按照渤海綏中36-1油田現(xiàn)階段聚合物驅(qū)混配水的組成配制的模擬水,其中Na++K+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-的質(zhì)量濃度分別為3 091.96、276.17、158.68、14.21、311.48、85.29、5 436.34 mg/L,總礦化度為9 374.12 mg/L。實(shí)驗用油為SZ36-1A7井脫水原油與煤油按12.5∶1的比例配制成模擬油,65℃下黏度為73 mPa·s。

實(shí)驗儀器:人造巖心(截面積4.9 cm2,長度9.8 cm)、平流泵、玻璃缸恒溫水浴、巖心夾持器、BS423S千分之一天平、JJ-1電動攪拌器、Brookfield DV-II旋轉(zhuǎn)黏度計、壓力傳感器、精密壓力表、量筒、UV-2100型分光光度計等。

1.2 實(shí)驗方法

(1)三管并聯(lián)巖心實(shí)驗。在SZ36-1油藏條件下,實(shí)驗溫度為油層溫度(65℃),采用三管并聯(lián)巖心實(shí)驗[10]測定非均質(zhì)性對聚合物分布的影響。其中巖心的滲透率分別為0.3、0.9、2.7 μm2,計量每根巖心產(chǎn)出流體體積即為每根巖心注入聚合物的體積。

(2)三維平板物理模擬實(shí)驗。采用大型三維平板物理模型測定黏度和質(zhì)量濃度分布,模型參數(shù)尺寸為59.8 cm×59.2 cm×4.58 cm,氣測滲透率為2.5 μm2,孔隙度為30.4%,初始含油飽和度為73.1%。布井方式見圖1。

圖1 模型布井示意圖Fig.1 Sketch map of model well spacing pattern

實(shí)驗流程:在1 mL/min的流量下,巖心飽和水,飽和油；水驅(qū)至含水率98%,注聚合物0.57VP(VP為孔隙體積)結(jié)束時,取樣測黏度和質(zhì)量濃度。

(3)聚合物質(zhì)量濃度測定方法。采用參考文獻(xiàn)[11]中的淀粉-碘化鎘比色法測定聚合物質(zhì)量濃度。

(4)示蹤劑硫氰酸鉀濃度測定方法。采用參考文獻(xiàn)[12]中的分光光度法測定示蹤劑硫氰酸鉀的質(zhì)量濃度。

(5)雙段塞法。采用雙段塞法測定聚合物的不可入孔隙體積VIP,流速為0.5 mL/min。步驟如下:①配1.75 g/L的AP-P4溶液,選擇硫氰酸鉀(KSCN)做示蹤劑,KSCN的質(zhì)量濃度為0.3 g/L；同理,可以配制低質(zhì)量濃度0.5 g/L的AP-P4體系；②將飽和好水的巖心裝入巖心夾持器中,測定巖心的水測滲透率；③將高質(zhì)量濃度(1.75 g/L)的AP-P4和KSCN的混合體系裝入中間容器,向巖心注入此高質(zhì)量濃度體系；④監(jiān)測壓力的變化情況,同時用具塞刻度試管對流出的混合體系取樣,分別分析AP-P4和SCN-的質(zhì)量濃度；⑤連續(xù)注入高質(zhì)量濃度的AP-P4混合體系直到壓力穩(wěn)定；⑥將注入流體切換到地層水,用具塞刻度試管取流出液,分別分析AP-P4和SCN-的質(zhì)量濃度,直到流出液中無聚合物為止；⑦注入第二個段塞,即質(zhì)量濃度0.5 g/L的AP-P4和0.3 g/L的KSCN混合體系,分別分析APP4和SCN-的質(zhì)量濃度,直到壓力穩(wěn)定；⑧將注入流體切換到地層水,用具塞刻度試管取流出液,分別分析AP-P4和SCN-的質(zhì)量濃度,直到流出液中無HPAM為止。

圖2 雙段塞法測定巖心不可入孔隙體積Fig.2 Measurement of inaccessible pore volume by double-slug method

2 結(jié)果分析

2.1 聚合物的分布

2.1.1 縱向上

采用三管并聯(lián)巖心實(shí)驗,巖心總孔隙體積為44.3 mL。模型共注入0.57 VP質(zhì)量濃度為1.75 g/ L的AP-P4聚合物,高、中、低滲透層注入量分別占總注入量的68.3%、26.0%和5.7%,結(jié)果見表1。可以發(fā)現(xiàn)聚合物大部分進(jìn)入高滲透層。

表1 三管并聯(lián)巖心實(shí)驗結(jié)果Table 1 Results of three parallel cores experiment

2.1.2 平面上

采用三維平板模型實(shí)驗,聚合物驅(qū)后黏度和質(zhì)量濃度分布見圖3。其中,▲為注入井,●為采出井。

圖3 聚驅(qū)后黏度和質(zhì)量濃度分布Fig.3 Viscosity and concentration distribution after polymer flooding

由圖3可知,聚驅(qū)過程中,聚合物主要分布在注采井的主流線區(qū)域,其質(zhì)量濃度和黏度由注入井向油井遞減,兩翼質(zhì)量濃度和黏度較低,同時說明剩余油主要分布在遠(yuǎn)離注采井主流線的兩翼部位。

2.2 聚合物存在狀態(tài)

聚合物在地層中存在狀態(tài)見圖4。

圖4 聚合物在地層中的存在狀態(tài)示意圖Fig.4 Sketch map of presence state of polymer in strata

2.2.1 不可入孔隙體積

采用雙段塞法測定65℃下,1.75 g/L的AP-P4的不可入孔隙體積,采用圓柱巖心,巖心參數(shù)見表4,實(shí)驗結(jié)果見圖5。

圖5 雙段塞法聚合物和示蹤劑的質(zhì)量濃度剖面圖Fig.5 The concentration profile of polymer and tracer

表2 巖心的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of core

由圖5可知:①區(qū)間[0 VP,10.27VP],產(chǎn)生聚合物和示蹤劑分離的原因有兩個:一是不可入孔隙體積使聚合物段塞前沿突破時間提前,一是滯留使聚合物段塞前沿突破時間滯后,不可入孔隙體積影響更大一些；②區(qū)間[10.27VP,20.13VP],產(chǎn)生分離的主要原因是不可入孔隙體積,但是此區(qū)間是水驅(qū)替聚合物溶液,驅(qū)替不均勻；③區(qū)間[20.13VP, 29.79VP],由于聚合物在第一段塞已經(jīng)滯留平衡,所以產(chǎn)生分離的主要原因是不可入孔隙體積,并且是低流度的聚合物驅(qū)替高流度的水,所以比較準(zhǔn)確, VIP=25.8%。

目前SZ36-1油田數(shù)值模擬中不可入孔隙體積取15%～20%,與測定值有一定的差距。

2.2.2 動態(tài)滯留特性

(1)聚合物的滯留量。動態(tài)滯留量的測定:采用雙段塞法的第一個段塞的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算(相當(dāng)于大段塞法[13])。為了避免第二個區(qū)間的高流度流體驅(qū)替低流度流體,采用第三個區(qū)間代替第二區(qū)間。通過積分可知,1.75 g/L的AP-P4滯留量為68.2×10-6。

動態(tài)滯留量與靜態(tài)吸附量的對比:在油藏數(shù)模中,為了操作簡單,常采用靜態(tài)吸附量的折算量代替動態(tài)吸附量。測定了65℃下不同質(zhì)量濃度的AP-P4溶液的靜態(tài)吸附量和氣測滲透率均為2.5 μm2下的聚合物的動態(tài)滯留量,結(jié)果見圖6。靜態(tài)吸附量的測定采用參考文獻(xiàn)[14]中的方法,實(shí)驗溫度65℃,固液比為1∶5,石英砂粒徑0.25～1 mm。

圖6 聚合物質(zhì)量濃度對靜態(tài)/動態(tài)吸附量的影響Fig.6 Effect of polymer concentration on static adsorption and dynamic adsorption

由圖6可知,隨著聚合物質(zhì)量濃度的增加,靜態(tài)吸附量和滯留量明顯增大。但是兩者的變化規(guī)律和數(shù)量級不同,靜態(tài)吸附量符合蘭格謬吸附規(guī)律,動態(tài)滯留量隨聚合物質(zhì)量濃度呈現(xiàn)線性增長。聚合物的靜態(tài)吸附量與動態(tài)滯留量的比值隨著聚合物質(zhì)量濃度的變化而變化,但是在測定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)比值大約為25。

(2)聚合物的動態(tài)吸附量。采用同種規(guī)格的巖心用甲基硅油飽和并浸泡48 h,使其潤濕反轉(zhuǎn),由于油膜的存在,限制了聚合物在巖石表面的吸附[15]。采用1.75 g/L的AP-P4溶液進(jìn)行聚合物驅(qū),用測滯留量的方法進(jìn)行實(shí)驗,結(jié)果見圖7。兩條曲線積分的差值即為動態(tài)吸附量,經(jīng)積分得到動態(tài)吸附量為43.4×10-6,動態(tài)吸附量占滯留量的63.6%。

圖7 AP-P4聚合物動態(tài)吸附量Fig.7 Dynamic adsorption of AP-P4

(3)聚合物的動態(tài)捕集量。動態(tài)捕集量=動態(tài)滯留量-動態(tài)吸附量=24.8×10-6,捕集量占滯留量的36.4%。

(4)聚合物的溶解量。為計算聚驅(qū)結(jié)束時聚合物在巖心孔隙中以溶解形式存在的數(shù)量,可設(shè)巖心為1 m3,聚驅(qū)結(jié)束時的巖心孔隙度為29.23%,聚合物不可入孔隙體積為25.8%,已知注入聚合物的質(zhì)量濃度為1.75 g/L,可以算出聚合物注入量為379 g。

砂巖密度為:ρ砂巖=巖心質(zhì)量/骨架體積=m巖心/ [SL(1-φ)]=2.36 g/cm3；

與聚合物接觸的巖心質(zhì)量為:1×(1-29.23%)× (1-25.8%)×2.36×106=1.24×106g；

滯留量為68.2×10-6,所以滯留總量為:68.2× 10-6×1.24×106=84.6 g；

滯留總量占地層中聚合物總量的分?jǐn)?shù):w滯留= 84.6/379=22.3%；

動態(tài)吸附量占地層中聚合物總量的分?jǐn)?shù):w吸附=22.3%×63.6%=14.2%；

捕集量占地層中聚合物總量的分?jǐn)?shù):w捕集= 22.3%-14.2%=8.1%；

溶解態(tài)聚合物占地層中聚合物總量的分?jǐn)?shù):w溶=1-22.3%=77.7%。

3 結(jié) 論

(1)縱向上聚合物主要進(jìn)入高滲透層,平面上聚合物主要分布在主流線區(qū)域,兩翼部分質(zhì)量濃度較低。

(2)雙段塞法測定的不可入孔隙體積為25.8%,動態(tài)滯留量為68.2×10-6,占地層中聚合物總量的22.3%,溶解態(tài)聚合物占地層中聚合物總量的77.7%。其中滯留量中動態(tài)吸附量為43.4× 10-6,占地層中聚合物總量的14.2%；動態(tài)捕集量為24.8×10-6,占地層中聚合物總量的8.1%。

(3)聚合物在地層中的動態(tài)滯留量和靜態(tài)吸附量均隨著聚合物質(zhì)量濃度的增加而增大,動態(tài)滯留量遠(yuǎn)小于其靜態(tài)吸附量,并且比值隨著聚合物質(zhì)量濃度的變化而變化,采用靜態(tài)吸附量的折算量代替滯留量誤差較大。

[1] 趙福麟,王業(yè)飛,戴彩麗,等.聚合物驅(qū)后提高采收率技術(shù)研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006, 30(1):86-89.

ZHAO Fu-lin,WANG Ye-fei,DAI Cai-li,et al.Techniques of enhanced oil recovery after polymer flooding [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2006,30(1):86-89.

[2] 付小坡,曾佳軍,高文明,等.聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率技術(shù)綜述[J].石油地質(zhì)與工程,2010,24(5): 88-90.

FU Xiao-po,ZENG Jia-jun,GAO Wen-ming,et al.O-verview of further improvement of oil recovery technology after polymer flooding[J].Petroleum Geology and Engineering,2010,24(5):88-90.

[3] 馮其紅,史樹彬,付曉,等.殘留聚合物再利用數(shù)值模擬研究[J].石油學(xué)報,2010,31(5):801-805.

FENG Qi-hong,SHI Shu-bin,FU Xiao,et al.Numerical simulation of the residual polymer reutilization[J].Acta Petrolei Sinica,2010,31(5):801-805.

[4] 祝仰文,曹緒龍,宋新旺,等.用三維非均質(zhì)模型研究聚合物分布規(guī)律[J].石油鉆采工藝,2006,28(6):39-41.

ZHU Yang-wen,CAO Xu-long,SONG Xin-wang,et al. Research on polymer distributing law by the three-dimensional anisotropic model[J].Oil Drilling&Production Technology,2006,28(6):39-41.

[5] 苗建生,趙福麟,李爽,等.地層中殘留聚合物的存在形式和分布狀態(tài)探討[J].特種油氣藏,2005,12(3): 88-90.

MIAO Jian-sheng,ZHAO Fu-lin,LI Shuang,et al. Presence and distribution of residual polymer in formation [J].Special Oil and Gas Reservoirs,2005,12(3):88-90.

[6] 趙福麟.油田化學(xué)[M].東營:石油大學(xué)出版社,2000: 105-149.

[7] 唐恩高,張賢松,楊俊茹,等.不可及孔隙體積對聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動的影響[J].油氣地質(zhì)與采收率,2009,16(4):80-82.

TANG En-gao,ZHANG Xian-song,YANG Jun-ru,et al. The effect of inaccessible pore volume on the flow of polymer solution in porous media[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2009,16(4):80-82.

[8] 陳鐵龍,蒲萬芬.聚合物應(yīng)用評價方法[M].北京,石油工業(yè)出版社,1997:107.

[9] 狄勤豐,沈琛,王掌洪,等.納米吸附法降低巖石微孔道水流阻力的實(shí)驗研究[J].石油學(xué)報,2009,30(1): 125-128.

DI Qin-feng,SHEN Chen,WANG Zhang-hong,et al. Experimental research on drag reduction of flow in micro channels of rocks using nano-particle adsorption method [J].Acta Petrolei Sinica,2009,30(1):125-128.

[10] 賈振岐,蓋德林,楊興華.正韻律油藏聚驅(qū)后滯留聚合物分布[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2007,31(4):110-112.

JIA Zhen-qi,GAI De-lin,YANG Xing-hua.Distribution of polymer residual for positive rhythm reservoir flooded with polymer[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,2007,31(4):110-112.

[11] 舒煉,柳建新,呂鑫,等.淀粉-碘化鎘法檢測聚丙烯酰胺類聚合物質(zhì)量濃度測量條件的優(yōu)化[J].應(yīng)用化工,2010,39(11):1766-1782.

SHU Lian,LIU Jian-xin,Lü Xin,et al.Measurement optimization of polymer concentration of polyacrymide by the starch-cadmium iodine method[J].Applied Chemical Industry,2010,39(11):1766-1782.

[12] 荊國林,李宜強(qiáng),楊晶.分光光度法測定示蹤劑硫氰酸銨的濃度[J].油田化學(xué),2000,17(1):191-192.

JING Guo-lin,LI Yi-qiang,YANG Jing.Spectrophotometric determination of concentration of ammonium thiocyanate as tracer in oilfield produced water[J].Oilfield Chemistry,2000,17(1):191-192.

[13] 陳鐵龍,蒲萬芬.聚合物應(yīng)用評價方法[M].北京,石油工業(yè)出版社,1997:108-112.

[14] 李華斌.疏水締合聚合物AP的靜態(tài)吸附特征[J].油田化學(xué),2006,23(4):349-351.

LI Hua-bin.Characteristic static adsorption of hydrophobically associating polymer AP from aqueous solution [J].Oilfield Chemistry,2006,23(4):349-351.

[15] BROSETA D,MEDJAHED F,LECOURTIER J,et al. Polymer adsorption/retention in porous media:effects of core wettability on residual oil[R].SPE 24149,1995.

(編輯 劉為清)

Distribution and presence state of polymer in porous media

ZHAO Juan1,2,ZHANG Jian1,2,XIANG Wen-tao1,2,LI Yi-qiang3,LIU Shao-peng3,LIU Li-wei1,2

(1.State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Beijing 100027,China；
2.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China；
3.Enhanced Oil Recovering Research Center in China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

Marco-investigation for the distribution of polymer in porous media and micro-determination for parameters of polymer presence state were done.The distribution laws of polymer were studied by using three parallel cores and the three-dimensional plate model experiments.The parameters of polymer presence state were determined by using physical simulation test,and the static adsorption and dynamic hold up at different polymer concentrations were measured.And the parameters of inaccessible pore volume and hold up were determined by double-slug experiments,and the treatment process of experimental data was improved.The results show that the polymer mainly flows into high permeability zone in vertical direction,and distributes in the main stream line area and a little in the wing area in plane.The static adsorption is larger than dynamic hold up and the ratio changes with polymer concentration.

enhanced oil recovery；polymer distribution；presence state；double-slug method；inaccessible pore volume； hold up

TE 357.46

A

1673-5005(2013)01-0109-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.01.018

2012-07-11

“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05024-004)

趙娟(1985-),女,工程師,碩士,從事采油與油田化學(xué)方面的研究。E-mail:zhaojuanupc@163.com。