聚合物驅(qū)油體系與油藏配伍關(guān)系的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法

李椋楠

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

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聚合物驅(qū)油體系與油藏配伍關(guān)系的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法

李椋楠

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

[摘要]傳統(tǒng)聚合物尺寸與油藏配伍的表示方法反映的是聚合物單分子級(jí)別與孔喉的配伍，而實(shí)際聚合物驅(qū)油體系與油藏的配伍關(guān)系研究應(yīng)體現(xiàn)聚合物聚集體與孔喉的配伍，并考慮體系在地層深部的可流動(dòng)性。在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)方法的基礎(chǔ)上，通過理論計(jì)算及大量試驗(yàn)研究，建立了一套地層驅(qū)替壓差條件下聚合物體系與油藏孔喉配伍關(guān)系的新方法，進(jìn)而建立了聚合物驅(qū)油體系與油藏配伍關(guān)系圖版。新方法考慮了聚合物體系尺寸在近井地帶高壓力梯度與地層深部低壓力梯度條件下的差異，較為準(zhǔn)確地建立了聚合物驅(qū)油體系與油藏的配伍關(guān)系，為礦場(chǎng)聚驅(qū)油藏選用合適的聚合物驅(qū)油體系提供重要依據(jù)與技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞]微孔濾膜；水動(dòng)力學(xué)特征尺寸；配伍關(guān)系；地層深部；流動(dòng)性

作為一項(xiàng)比較成熟的三次采油技術(shù)，聚合物驅(qū)主要通過改善水油流度比、擴(kuò)大波及體積提高原油采出程度，目前已在國(guó)內(nèi)眾多油田得到廣泛應(yīng)用[1，2]。一般來講，聚合物分子量越高，濃度越大，其增黏性越好，降低水相滲透率的能力越強(qiáng)[3]。以往研究聚合物體系與油藏配伍的方法，只考慮了聚合物單分子級(jí)別與油藏孔喉的配伍，配伍標(biāo)準(zhǔn)的選定大多采用經(jīng)驗(yàn)值，巖心非均質(zhì)性越強(qiáng)，對(duì)結(jié)果影響也就越大，存在一定的局限性[4～6]。聚合物溶液是伸縮性流體，受壓力梯度的影響自身尺寸會(huì)隨之發(fā)生變化，實(shí)際開發(fā)過程中，注采井間不同位置地層壓力梯度變化較大，聚合物體系與油藏的配伍不但包括近井地帶高壓力梯度下的配伍，還應(yīng)包括地層深部低壓力梯度下的配伍。筆者通過微孔濾膜的方法測(cè)定聚合物溶液體系的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸，采用巖心流動(dòng)性試驗(yàn)定義了流動(dòng)距離與油藏配伍的判定標(biāo)準(zhǔn)，建立了聚合物驅(qū)油體系與油藏配伍的綜合評(píng)價(jià)方法，旨在能夠有效地評(píng)價(jià)油層真實(shí)條件下聚合物驅(qū)油體系與油藏的配伍關(guān)系。

1試驗(yàn)材料與儀器

1.1試驗(yàn)材料與條件

1)聚合物。部分水解聚丙烯酰胺，分子量分別為1500×104、2500×104，固含量90%。

2)試驗(yàn)用水。采用清水配制污水稀釋方式，污水為大慶油田現(xiàn)場(chǎng)深度處理污水，水質(zhì)礦化度及離子組成如表1所示。

表1　稀釋水質(zhì)礦化度及離子組成

3)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。使用天然巖心，尺寸為?2.5cm×9cm，滲透率為350mD和680mD。

4)試驗(yàn)溫度45℃。

1.2試驗(yàn)儀器

水動(dòng)力學(xué)尺寸測(cè)定裝置、FY-3型恒溫箱(江蘇華安科技儀器有限公司)、Waring攪拌器(美國(guó)Fann儀器公司)、PRG200精密壓力調(diào)節(jié)器(北京儀器廠)、壓力傳感器(北京永瑞達(dá)儀器有限公司)、BROOKFIELD DV-Ⅱ+Pro型布氏黏度計(jì)(美國(guó)Brookfield公司)、氣瓶、中間容器等。

2試驗(yàn)方法

2.1微孔濾膜過濾方法

驅(qū)油用的聚合物(HPAM)在溶液中為一個(gè)或多個(gè)分子鏈纏繞而成的無軌線團(tuán)，線團(tuán)大小受聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、聚合物濃度和配樣用水的離子濃度等因素影響[7，8]。傳統(tǒng)研究聚合物溶液尺寸的方法通常有數(shù)學(xué)方法、原子力顯微鏡法(SEM)和動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)。數(shù)學(xué)方法是應(yīng)用表征聚合物溶液分子尺寸的FLORY特性黏數(shù)理論半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，表示方法包括回旋半徑和均方根末端距，該表示方法均未考慮濃度、水質(zhì)等其他因素對(duì)分子尺寸的影響，適用于非電解質(zhì)，不適合油田實(shí)際情況[9，10]。原子力顯微鏡法是將聚合物溶液制作成干片再進(jìn)行觀測(cè)，其特點(diǎn)是可直觀地觀測(cè)高分子體系凝聚形態(tài)，不足之處是制成干片后，高分子聚合物的形態(tài)可能已經(jīng)發(fā)生改變，不能測(cè)定溶液中水化分子結(jié)構(gòu)大小[11，12]。動(dòng)態(tài)光散射法可以直接測(cè)定單純聚合物溶液中線團(tuán)的形態(tài)和尺寸，但對(duì)樣品及溶液的潔凈度要求很高，只能測(cè)定低濃度聚合物溶液的水動(dòng)力學(xué)尺寸，與實(shí)際使用的聚合物濃度相差很大[13]。在滲流過程中，聚合物溶液是多個(gè)聚合物分子纏繞在一起的聚集體，而以上3種方法均反映的是聚合物單分子級(jí)別與孔喉的配伍。為此，筆者研究采用微孔濾膜的方法，測(cè)量得到的并不是單個(gè)聚合物分子的水動(dòng)力學(xué)半徑，而是反映特定條件下聚合物溶液的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸以及聚合物溶液在特定條件下通過特定尺寸孔喉的能力，其反映的是聚合物作為聚集體與孔喉的配伍，更接近油層真實(shí)條件下聚合物溶液存在的狀態(tài)和尺寸[14]。

1)測(cè)定原理。微孔濾膜法測(cè)量聚合物溶液水動(dòng)力學(xué)特征尺寸的試驗(yàn)原理如下：地層壓力梯度條件下，將聚合物溶液通過不同孔徑的微孔濾膜，測(cè)定濾出液的聚合物濃度和黏度，根據(jù)聚合物溶液濃度和黏度隨微孔濾膜孔徑的變化曲線拐點(diǎn)分析確定聚合物體系的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸[15]。

2)測(cè)定方法。用模擬清水將不同分子量的聚合物配成5000mg/L的母液，靜置4h，再根據(jù)試驗(yàn)要求稀釋成不同濃度的目的液，并將目的液用攪拌器模擬炮眼剪切后備用，油藏溫度45℃下測(cè)試聚合物溶液的表觀黏度。在恒定壓差0.05MPa條件下，利用水動(dòng)力學(xué)尺寸測(cè)定裝置，將聚合物溶液依次通過孔徑為2.0、1.2、1.0、0.8、0.65、0.45、0.3和0.22μm的濾膜，記錄過濾前后聚合物溶液黏度和濃度變化，將黏度和濃度急劇變化的拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的濾膜孔徑作為該聚合物溶液的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸。

2.2巖心流動(dòng)性試驗(yàn)

由于現(xiàn)場(chǎng)注水井與油井之間存在壓降漏斗，聚合物體系在近井地帶與地層深部的流動(dòng)狀況差別較大。在近井地帶約30m以內(nèi)區(qū)域，近90%的壓力梯度損失在該區(qū)域，而在30m以外的油層深部區(qū)域，壓力梯度較低，在低壓力梯度條件下體系與孔喉的配伍才能夠代表聚合物溶液可注入油層。另一方面，由于流體在地下處于徑向流狀態(tài)，油層深部區(qū)域所占的儲(chǔ)量比例較大，30m以外的油層深部區(qū)域所占儲(chǔ)量比例高達(dá)90%以上。要提高聚驅(qū)開發(fā)效果，首先要保證聚合物溶液在該區(qū)域可以順利流動(dòng)，因此，研究驅(qū)油體系與地層深部低壓力梯度下的配伍尤為重要。

使用天然巖心、抽真空飽和地層水，在油藏溫度和恒定壓力梯度條件下注入待評(píng)價(jià)聚合物溶液，記錄試驗(yàn)過程中一定注入倍數(shù)的出液量，待巖心內(nèi)聚合物吸附平衡后及流速穩(wěn)定后，計(jì)算流體對(duì)應(yīng)地層流動(dòng)速度，注入量一般為2～3PV。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1聚合物體系水動(dòng)力學(xué)特征尺寸測(cè)定

表2　聚合物水動(dòng)力學(xué)特征尺寸

在恒壓壓差0.05MPa條件下，分別測(cè)定了聚合物分子量1500×104和2500×104，濃度分別為1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液水動(dòng)力學(xué)特征尺寸，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，分子量一致的體系，聚合物濃度越大，水動(dòng)力學(xué)特征尺寸越大；濃度一致，聚合物分子量越高，水動(dòng)力學(xué)特征尺寸越大。

3.2聚合物體系在巖心中的流動(dòng)性測(cè)定

在45℃油藏溫度和恒定壓力梯度0.05MPa/m條件下，測(cè)定了聚合物分子量1500×104和2500×104，濃度分別為1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液在滲透率分別為350mD和680mD巖心中的流動(dòng)性結(jié)果，如圖1、圖2所示。由圖1和圖2可以看出，巖心滲透率一致條件下，聚合物分子量越大，濃度越高的體系流動(dòng)性越好。參照大慶油田聚合物驅(qū)見效時(shí)間，計(jì)算出流體在地層中有效流動(dòng)的線速度約為0.3m/d，因此確定出針對(duì)試驗(yàn)用巖心對(duì)應(yīng)注入流量0.3ml/min為有效流動(dòng)的最低界限，即在地層深部壓力梯度條件下，注入流體的流速若大于0.3ml/min為有效流動(dòng)，若流速小于0.3ml/min為無效流動(dòng)。

圖1　不同聚合物體系在350mD巖心中流動(dòng)性結(jié)果　　　圖2　不同聚合物體系在680mD巖心中流動(dòng)性結(jié)果

4配伍關(guān)系的建立

4.1尺寸與孔喉配伍標(biāo)準(zhǔn)的確定

表3　目的區(qū)塊油層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于分子量1500×104，濃度為1500mg/L的聚合物體系在滲透率為350mD巖心中的流動(dòng)性評(píng)價(jià)結(jié)果(0.28m/d)與地層真實(shí)流動(dòng)速度(0.30m/d)較為接近(見圖1)，體系能夠有效流動(dòng)，認(rèn)為該體系對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸即為在該滲透率巖心中能夠配伍的界限。根據(jù)恒速壓汞試驗(yàn)結(jié)果(見表3)，滲透率為350mD和680mD的2種巖心的平均孔喉半徑Rh分別為2.95μm和5.47μm，用分子量1500×104、濃度1500mg/L聚合物溶液對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)特征尺寸RG=0.45μm與滲透率350mD巖心對(duì)應(yīng)的平均孔喉半徑Rh=2.95μm建立的配伍界限作為聚合物體系水動(dòng)力學(xué)特征尺寸與巖心孔喉的配伍標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)得到聚合物體系水動(dòng)力學(xué)尺寸與平均孔喉半徑的倍數(shù)關(guān)系為Rh/RG=6.56。

4.2建立聚合物體系與油藏滲透率配伍關(guān)系圖版

基于以上分析，若巖心平均孔喉半徑是聚合物體系水動(dòng)力學(xué)特征尺寸的6.56倍以上，認(rèn)為該體系不會(huì)堵塞地層，可以有效流動(dòng)；反之，當(dāng)平均孔喉半徑小于6.56倍的聚合物水動(dòng)力學(xué)特征尺寸時(shí)，認(rèn)為該體系堵塞地層，此時(shí)為無效流動(dòng)。以該標(biāo)準(zhǔn)建立聚合物體系水動(dòng)力學(xué)特征尺寸與巖心滲透率配伍關(guān)系圖版，見表4。

表4　聚合物體系水動(dòng)力學(xué)特征尺寸與巖心滲透率配伍關(guān)系圖版

注：0代表堵塞，1代表通過。

多位學(xué)者在檢驗(yàn)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下，提出針對(duì)環(huán)氧樹脂人造巖心聚合物通過不發(fā)生堵塞的條件是地層孔喉中值半徑r50大于5倍聚合物水動(dòng)力學(xué)尺寸RG，即r50/RG>5，對(duì)于真實(shí)地層巖心，建議r50/RG取值5～10，配伍結(jié)果只能給出一定范圍，并且多依靠經(jīng)驗(yàn)值[16]。而通過該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法建立的配伍關(guān)系，可以給出一定測(cè)試條件下的具體匹配倍數(shù)，結(jié)果更具量化性，方法更具科學(xué)性和實(shí)用性。

5結(jié)論

1)新設(shè)計(jì)方法充分考慮了壓力梯度對(duì)聚合物溶液尺寸的影響，并將聚合物水動(dòng)力學(xué)尺寸與巖心流動(dòng)性相結(jié)合，建立的配伍關(guān)系更科學(xué)準(zhǔn)確，有利于指導(dǎo)聚合物驅(qū)生產(chǎn)開發(fā)實(shí)踐。

2)基于恒壓測(cè)定方法，微孔濾膜測(cè)定及巖心流動(dòng)性試驗(yàn)對(duì)聚合物溶液要求低，操作方便，重復(fù)性好。

3)該方法克服了以往方法中單一因素和配伍標(biāo)準(zhǔn)模糊的不足，完善了聚合物驅(qū)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)體系與油藏配伍關(guān)系研究方法。

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[編輯]辛長(zhǎng)靜

[收稿日期]2016-02-08

[作者簡(jiǎn)介]李椋楠(1985-)，女，工程師，現(xiàn)主要從事油藏工程技術(shù)方面的研究工作；E-mail：liliangnan@petrochina.com.cn。

[中圖分類號(hào)]TE357.46

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)16-0025-04

[引著格式]李椋楠.聚合物驅(qū)油體系與油藏配伍關(guān)系的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(16)：25～28.