低滲透油藏聚合物驅啟動壓力梯度研究

王友啟，于洪敏，劉 平，許關利，張 莉，聶 俊

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

低滲透油藏聚合物驅啟動壓力梯度研究

王友啟，于洪敏，劉 平，許關利，張 莉，聶 俊

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

為了描述低滲透油藏聚合物驅的滲流規(guī)律及啟動壓力梯度特征，借鑒水驅啟動壓力梯度的試驗測定方法，將壓差-流量法和毛細管平衡法相結合，在不同儲層滲透率和體系黏度下開展低滲透儲層聚合物驅滲流試驗；在此基礎上，基于非線性滲流理論量化表征聚合物驅啟動壓力梯度，建立聚合物驅非線性滲流系數(shù)與體系黏度、儲層滲透率和流度的量化關系。結果表明，隨著儲層滲透率的降低或體系黏度的增大，相同滲流速度下聚合物驅的滲流阻力增加、壓力梯度增大；聚合物滲流曲線用非線性方法表征吻合較好，且隨著儲層滲透率降低、體系黏度增大或流度降低，聚合物驅非線性滲流系數(shù)均增大；流態(tài)圖版包含對不流動區(qū)、非線性滲流區(qū)和擬線性滲流區(qū)的定量描述。

低滲透；聚合物驅；啟動壓力梯度；非線性滲流；試驗；表征；圖版

低滲透油藏啟動壓力梯度明顯，實施聚合物驅后啟動壓力梯度影響更為突出［1］。目前，水驅啟動壓力梯度的試驗測定方法已相對成熟，常規(guī)的方法主要有壓差-流量和毛細管平衡法［2-3］。叢蘇男等［1］利用壓差-流量法開展了聚合物驅和聚/表二元復合驅啟動壓力梯度試驗研究，但僅針對飽和水巖心進行試驗，對于殘余油下聚合物驅啟動壓力梯度的測試并未見文獻報道。水驅啟動壓力梯度有多種表征方法［4］，其中擬啟動壓力梯度方法比較成熟，但其缺點是過于夸大了流體滲流阻力。筆者借鑒水驅啟動壓力梯度試驗方法及低滲透油藏非線性滲流理論，在殘余油飽和度下開展低滲透儲層聚合物驅滲流試驗，并用非線性表征方法量化表征聚合物驅滲流曲線，從而描述低滲透油藏聚合物驅啟動壓力梯度特征。

1 聚合物驅滲流試驗

1.1 試驗條件

試驗設備主要包括高精度微流量泵（精度0.001 mL/min）、圍壓自動跟蹤泵、數(shù)據(jù)采集及自動控制系統(tǒng)、毛細管等；試驗凈圍壓2 MPa。試驗用模擬油83℃下黏度為2.14 mPa·s，模擬地層水礦化度為10 g/L。

為了研究聚合物驅滲流曲線的影響因素，試驗設計了5組滲透率，選用（23～70）×10-3μm2的中低滲透貝雷砂巖巖心；設計了3種聚合物體系（分子量900萬），配置聚合物的黏度分別為1.6、2.9和5.0 mPa·s。

1.2 試驗方法與步驟

采用“壓差-流量法”和“毛細管平衡法”相結合的試驗方法，建立了啟動壓力梯度驅替測試流程。以壓差-流量法為主，測量并繪制滲流速度-壓力梯度試驗曲線，即滲流曲線（圖1中實線def段）；以毛細管平衡法為輔，測定流體的最小啟動壓力梯度（Gmin：圖1中非達西滲流段的a點）。由此，可以獲得完整的滲流曲線adf段。

圖1 低滲透油藏非達西滲流曲線Fig.1 Non-darcy seepage characteristics of low permeability reservoirs

首先，測滲透率，抽真空飽和水、飽和油，老化，水驅至殘余油狀態(tài)；其次，注聚合物，測量其最小啟動壓力、不同穩(wěn)定注入流量所對應的驅替壓差，獲得最小啟動壓力梯度，并繪制滲流曲線；最后，更換巖心或聚合物體系，重復以上步驟。

1.3 最小啟動壓力梯度和臨界啟動壓力梯度

試驗測得的最小啟動壓力梯度和確定的臨界啟動壓力梯度（Gmax）結果如表1所示。其中，臨界啟動壓力梯度即流體由非線性段進入線性段所需的驅替壓力梯度，采用斜率法確定，即當非線性滲流段的斜率與線性段的斜率相等時對應的壓力梯度。

表1 聚合物驅啟動壓力梯度試驗數(shù)據(jù)Table 1 Basic parameters of polymer seepage experiments

2 聚合物驅滲流曲線影響因素

2.1 聚合物黏度

滲透率為（23～70）×10-3μm2儲層的聚合物驅具有類似的滲流規(guī)律（圖2）：在相同滲流速度下，聚合物驅的驅替壓力梯度遠高于水驅，且隨著體系黏度的增大，聚合物驅的壓力梯度增加，這是由聚合物體系的增黏作用造成的。

圖2 不同體系黏度聚合物驅滲流曲線Fig.2 Polymer flooding seepage curves

2.2 儲層滲透率

體系黏度為（1.6～5）mPa·s的3種聚合物驅具有類似的滲流規(guī)律（圖3）：相同滲流速度下，隨著儲層滲透率降低，聚合物驅的壓力梯度變大，而即使?jié)B透率為70×10-3μm2，相對于水驅而言，聚合物仍存在較大的啟動壓力梯度。

圖3 不同儲層聚合物驅滲流曲線Fig.3 Polymer flooding seepage curves

3 聚合物驅啟動壓力梯度量化表征

3.1 非線性表征方法

為了將試驗獲得的聚合物滲流規(guī)律引入到數(shù)值模擬中，借鑒低滲透油藏非線性滲流理論與方法［4］，通過在達西方程中引入包含非線性表征特性的修正系數(shù)N，對聚合物驅滲流曲線進行非線性表征。相對于其他方法［4］，該方法是基于唯象理論提出的，其優(yōu)點是能夠反映整條滲流曲線特征，包含非達西滲流段和最小啟動壓力梯度特性。修正的表達式為

式中，Δp/L為壓力梯度；α、β為非線性滲流系數(shù)，通過擬合滲流曲線獲得，α>0，β<0，（α+β）≥0。

研究表明，利用非線性表征方法擬合滲流曲線的吻合程度較好（相關系數(shù)為0.94～0.98），可以用其表征聚合物驅滲流曲線特征。

3.2 啟動壓力梯度非線性表征

3.2.1 非線性滲流系數(shù)與體系黏度量化關系

考慮體系黏度的影響，依據(jù)式（1）回歸得到非線性滲流系數(shù)α、β，由此建立其與體系黏度的關系見圖4。以k=52×10-3μm2為例，隨著體系黏度的降低，聚合物驅非線性滲流系數(shù)α減小，且非線性滲流系數(shù)也具有類似的規(guī)律。同樣，在其他儲層滲透率下也具有類似的規(guī)律。非線性滲流系數(shù)α增大；非線性滲流系數(shù)也具有類似的規(guī)律。

3.2.2 非線性滲流系數(shù)與儲層滲透率量化關系考慮儲層滲透率的影響，建立了非線性滲流系數(shù)α、β與儲層滲透率的關系（圖5）。研究表明，聚合物體系相同時，隨著儲層滲透率的降低，聚合物驅

圖5 非線性滲流系數(shù)與儲層滲透率關系Fig.5 Relationship between non-linear seepage coefficient and permeability

3.2.3 非線性滲流系數(shù)與流度量化關系

綜合考慮體系黏度和儲層滲透率的影響，建立了非線性滲流系數(shù)與流度的關系（圖6）。研究表明，隨著聚合物流度的降低，聚合物驅的非線性滲流系數(shù)α（或|β|）均增大。

根據(jù)非線性滲流系數(shù)與流度的關系曲線，建立了兩者之間的冪函數(shù)關系，將其作為聚合物驅滲流特性的量化方程。

在非線性滲流系數(shù)與流度關系曲線（圖6）中存在著拐點（17.89×10-3μm2/（mPa·s））。當流度低于此拐點時，隨著流度降低，非線性滲流系數(shù)迅速增加，導致聚合物注入困難。根據(jù)拐點可以得出，儲層滲透率越低，聚合物體系的黏度上限也越低［5］；當儲層滲透率低于10×10-3μm2時，聚合物黏度上限接近水的黏度，不再適合聚合物驅。

圖6 非線性滲流系數(shù)與流度關系Fig.6 Relationship between non-linear seepage coefficient and mobility

3.3 最小啟動壓力梯度和臨界驅替壓力梯度確定

根據(jù)聚合物驅啟動壓力梯度試驗結果（表1），分別對最小啟動壓力梯度和臨界壓力梯度與流度進行回歸分析。研究表明，最小啟動壓力梯度、臨界啟動壓力梯度與流度之間均滿足冪函數(shù)關系。

最小啟動壓力梯度與流度關系表示為

臨界啟動壓力梯度與流度關系表示為

4 低滲透油藏聚合物滲流流態(tài)判斷

利用式（6）、（7）給出的非線性滲流段最小啟動壓力梯度和臨界壓力梯度與流度的關系，同時結合表1的試驗數(shù)據(jù)和低滲透儲層聚合物驅黏度上限，可得到聚合物流度界限為（2.0～44.6）×10-3μm2/（mPa·s），由此可在雙對數(shù)坐標中繪制低滲透油藏聚合物滲流流態(tài)判斷圖版（圖7）。

圖版分為不流動區(qū)、非線性滲流區(qū)和擬線性滲流區(qū)3部分。圖7中兩條直線不平行，儲層滲透率越大、聚合物體系黏度越小，非線性滲流段越窄。由于受到低滲透儲層聚合物驅的適宜滲透率界限及聚合物體系黏度的限制，該圖版的流度跨度比單相水驅圖版的?。?-6］。

在實際油田生產(chǎn)中，當油井以一定產(chǎn)量生產(chǎn)時，從供給邊界到井底附近，由于壓力梯度逐漸增加，低滲儲層的流體也會出現(xiàn)不流動區(qū)、非線性滲流區(qū)（不易流動區(qū)）和擬線性滲流區(qū)（易流動區(qū)）3種滲流區(qū)域。應用該圖版，若已知儲層滲透率、驅替介質黏度和驅動壓力梯度，可以判斷流體在低滲儲層中的滲流流態(tài)。這3個區(qū)域的定量描述，為揭示低滲油藏聚合物驅的滲流規(guī)律提供了依據(jù)。

圖7 低滲透油藏聚合物驅滲流流態(tài)判斷圖版Fig.7 Seepage flow chart of polymer flooding in low permeability reservoirs

5 結 論

（1）低滲透油藏實施聚合物驅后啟動壓力梯度影響更突出。在相同滲流速度下，隨著儲層滲透率的降低或體系黏度增大，聚合物驅的壓力梯度均增大，這是由于聚合物的增黏作用造成的。

（2）隨著儲層滲透率降低、體系黏度增大或流度降低，聚合物驅的最小啟動壓力梯度、非線性滲流系數(shù)均增大，且均大于相同條件下的水驅啟動壓力梯度。

（3）建立的非線性滲流系數(shù)、最小啟動壓力梯度、臨界啟動壓力梯度與流度的量化關系及繪制的低滲透油藏聚合物滲流流態(tài)判斷圖版為考慮啟動壓力梯度聚合物驅的數(shù)模實現(xiàn)及其流態(tài)判定提供了依據(jù)。

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［4］ 姜瑞忠，楊仁鋒.低滲透油藏非線性滲流理論與數(shù)值模擬技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010：26-42.

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［6］ 孫煥泉，楊勇.低滲透砂巖油藏開發(fā)技術：以勝利油田為例［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008：20-26.

［7］ 彭春洋，歐陽云麗，柯文麗，等.低滲透油藏滲流啟動壓力梯度研究［J］.油氣地球物理，2012，10（1）：64-66. PENG Chunyang，OUYANG Yunli，KE Wenli，et al. The study of actuating pressure gradient of the fluid flow in low permeable reservoir［J］.Petroleum Geophysics，2012，10（1）：64-66.

（編輯 沈玉英）

Start-up pressure gradient of polymer flooding in low permeability reservoirs

WANG Youqi，YU Hongmin，LIU Ping，XU Guanli，ZHANG Li，NIE Jun
（Petroleum Exploration&Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083，China）

Polymer flooding experiments are conducted using cores with different permeability and polymer solutions with different viscosity，in order to study the flow behavior in porous media and the characteristics of the start-up pressure gradient for polymer injection in oil reservoirs with low permeability.A combined method of differential pressure via flow rate and capillary equilibrium was used in the core flooding experiments.Based on the theory of nonlinear flow in porous media，the start-up pressure gradient for polymer flooding was characterized quantitatively，and was correlated with the non-linear flow coefficient，the viscosity of polymer solution，the permeability of the core and fluid's mobility.A flow chart of polymer flow in low permeability reservoirs has been figured out.The results show that the flow resistance and the start-up pressure gradient increase with the decrease of core permeability and the increase of polymer viscosity.The flow behavior of polymer solutions in porous media can be well described using the nonlinear characterization method，and the nonlinear flow coefficient increases with the decrease of core's permeability and the fluid mobility，and it increases with the increase of polymer viscosity.The flow chart can give a quantitative description of different flow regions，such as no-flow zones，non-linear and quasi-linear flow zones.

low permeability；polymer flooding；start-up pressure gradient；non-linear flow；experiment；flow characterization；chart

TE 312

A

1673-5005（2015）04-0126-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.04.017

2014-12-02

中國石油化工股份有限公司科技攻關項目（P13124）

王友啟（1968-），男，高級工程師，博士，研究方向為油藏工程和提高采收率。E-mail：wyq200840@163.com。

引用格式：王友啟，于洪敏，劉平，等.低滲透油藏聚合物驅啟動壓力梯度研究［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2015，39（4）：126-130.

WANG Youqi，YU Hongmin，LIU Ping，et al.Start-up pressure gradient of polymer flooding in low permeability reservoirs［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（4）：126-130.