寬分子量聚合物/表面活性劑復(fù)合驅(qū)油體系性能評(píng)價(jià)

苑光宇 羅煥

1.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院

化學(xué)驅(qū)是高含水期油藏提高采收率的重要技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)油田最常用的化學(xué)驅(qū)技術(shù)主要有聚合物驅(qū)、聚/表二元復(fù)合驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)。聚/表二元復(fù)合驅(qū)可以最大限度發(fā)揮聚合物的黏彈性，減少采出液乳化，消除堿引起的井筒結(jié)垢現(xiàn)象，在化學(xué)劑成本相同的條件下，可以達(dá)到與三元體系相同的驅(qū)油效果［1］，是未來化學(xué)驅(qū)的發(fā)展方向。無論對(duì)于哪種化學(xué)驅(qū)方式，要充分發(fā)揮化學(xué)驅(qū)中聚合物的擴(kuò)大波及作用，聚合物與儲(chǔ)層的匹配性是關(guān)鍵。如果非均質(zhì)性屬于層間矛盾，層間具有良好的隔夾層，工藝條件允許，可以采用分層分質(zhì)注入的方式［2-3］，比籠統(tǒng)注入開發(fā)效果更好［4-5］。而對(duì)于注采工藝不完善，或者非均質(zhì)性強(qiáng)、滲透率分布范圍大的層內(nèi)矛盾，無法實(shí)施分注的情況，如果采用單一分子量籠統(tǒng)注入的方式，聚合物不能適應(yīng)滲透率范圍較大的儲(chǔ)層，開發(fā)效果較差。針對(duì)這種情況，可根據(jù)地層滲透率，設(shè)計(jì)不同分子量的聚合物，組成寬分子量聚合物體系。寬分子量聚合物就是將不同分子質(zhì)量的聚合物按照一定比例混合，增加分子量的分布寬度，其驅(qū)替原理為：寬分子量聚合物在流動(dòng)時(shí)具有不同的水動(dòng)力半徑，驅(qū)油時(shí)有利于聚合物進(jìn)入不同大小的孔隙，不同滲透率的儲(chǔ)層都能得到較好動(dòng)用，擴(kuò)大了波及體積，從而提高采收率。

相關(guān)學(xué)者研究了寬分子量聚合物的體系性能，但是僅采用單一聚合物［6-7］。本文將寬分子量聚合物與表面活性劑復(fù)配，組成寬分子量聚合物二元復(fù)合驅(qū)油體系。通過理論計(jì)算及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，全面評(píng)價(jià)了復(fù)合體系的性能，為高含水、高采出程度油田提高采收率提供了新的方法。

1 寬分子量聚合物復(fù)合體系設(shè)計(jì)依據(jù)

分子量寬度的確定、分子量的選擇、比例的劃分是進(jìn)行寬分子量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。聚合物分子量的分布寬度通常用多分散系數(shù)表示。多分散系數(shù)［8-10］最常見的定義為

式中，D為聚合物體系多分散系數(shù)；Mn為數(shù)均分子量；Mw為重均分子量；Mi為組分i的分子量；Ni為分子量為Mi的分子個(gè)數(shù)；Wi為分子量為Mi的分子的重量。

分子量分布測(cè)定的常用方法有黏度法、光散射法、凝膠滲透色譜法、凝膠色譜與光散射聯(lián)用技術(shù)、流變法、場(chǎng)流技術(shù)等［11-12］，對(duì)于聚合物驅(qū)或者化學(xué)驅(qū)，采用已知分子量的多種聚合物復(fù)配，可以通過推導(dǎo)的理論公式，計(jì)算得到某一含有多種分子量混合物的多分散系數(shù)，簡(jiǎn)便快速。

多分散系數(shù)的大小代表聚合物分子量分布的均勻程度，多分散系數(shù)越大，分子量分布范圍越寬，成分就越不均勻；多分散系數(shù)越小，分子量分布越窄，成分就越均勻［13］。

2 目的層滲透率劃分

根據(jù)寬分子量聚合物驅(qū)替原理，需要對(duì)滲透率分布范圍較廣的地層進(jìn)行合理劃分，對(duì)不同滲透率區(qū)間采用不同分子量的聚合物。目前常用的劃分方法，一是根據(jù)滲透率分布，將滲透率區(qū)間等比例劃分，如劃分為3個(gè)區(qū)間，每一區(qū)間的滲透率分布比例均為1/3；二是根據(jù)滲透率范圍，將滲透率區(qū)間等間距劃分，例如每一個(gè)區(qū)間滲透率跨度都為300 mD。

當(dāng)滲透率分布比較均勻時(shí)，2種方法劃分結(jié)果基本一致；當(dāng)分布不均勻時(shí)，2種方法差別較大。按第1種劃分方法，分布比例大致相同，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)分子量時(shí)，分子量比例也大致相同；按第2種劃分方法，滲透率區(qū)間大致相同，可保證該區(qū)間分子量的涵蓋范圍，避免第1種方法可能引起的某一區(qū)間滲透率范圍大，分子量無法涵蓋的問題。實(shí)際劃分時(shí)，要兼顧兩個(gè)方面，只要每個(gè)區(qū)間比例相差不太大，就盡量選用第2種方法。圖1為某油田S區(qū)塊取心井巖心滲透率分布數(shù)據(jù)（只列舉了適合化學(xué)驅(qū)，即滲透率＞50 mD的分布情況）。

圖1 S區(qū)塊滲透率分布Fig.1 Permeability distribution of S Block

根據(jù)不同的方法對(duì)S區(qū)塊滲透率進(jìn)行劃分結(jié)果見表1：第1種按照滲透率分布，盡量密集地劃分滲透率區(qū)間；第2種按照每個(gè)區(qū)間的滲透率跨度基本相同來劃分；第3種和第4種按照每個(gè)滲透率區(qū)間的滲透率比例基本相同來劃分。

表1 S區(qū)塊滲透率區(qū)間劃分Table 1 Classification of permeability of S Block

3 聚合物分子量設(shè)計(jì)

聚合物分子量根據(jù)聚合物分子與地層巖石孔喉半徑匹配關(guān)系確定。通過下式可得到某一滲透率下能夠順利注入的聚合物分子量［14］。

式中，rh為地層孔喉半徑，μm；rG為聚合物分子回旋半徑，μm；［η］為特性黏數(shù)，mL/g；M為相對(duì)分子質(zhì)量；φ為孔隙度，%；K為滲透率，mD；C為科澤尼常數(shù)，通常取 0.2。

為了保證聚合物的順利注入，對(duì)所劃分的每一區(qū)間均取該區(qū)間滲透率最低值進(jìn)行計(jì)算。聚合物的分子量和比例均影響多分散系數(shù)，分別按照滲透率區(qū)間的劃分比例和多分散系數(shù)最大原則設(shè)計(jì)了11種配方，見表2。

表2 不同寬分子量聚合物復(fù)合體系性能Table 2 Properties of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

4 靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

4.1 多分散系數(shù)

根據(jù)式（1）計(jì)算表2中不同配比聚合物體系的多分散系數(shù)，可以看出，分子量的分布越靠近兩邊（最大值和最小值），多分散系數(shù)越大；分子量分布越集中在中間，多分散系數(shù)越小。與滲透率分布對(duì)應(yīng)的4種配方中，密集劃分的配方1與等配比劃分的配方3、4的多分散系數(shù)均不大。配方2與配方7的多分散系數(shù)相對(duì)較大。

4.2 增黏性及與表活劑配伍性

配制不同分子量配比的寬分子量聚合物二元體系，聚合物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，表面活性劑采用復(fù)配石油磺酸鹽，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃，測(cè)試各個(gè)配方的黏度及界面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，聚合物分子量越大，體系黏度越大，體系中含有高分子量聚合物的比例越大，黏度越大。與滲透率分布比例相對(duì)應(yīng)的4種配方中，劃分密集的配方1黏度最大；多分散系數(shù)最大化的其他配方中，配方7與配方10的黏度相對(duì)較大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，體系黏度低的界面張力也低，體系黏度高的界面張力也高，但均能保持10-3mN/m數(shù)量級(jí)，說明雖然復(fù)配的寬分子量聚合物二元體系成分較為復(fù)雜，聚合物分子鏈長(zhǎng)短不一，但并未明顯改變活性劑分子在油/水相的分配系數(shù)，且并未過多地在油水界面吸附［15］，進(jìn)而影響表面活性劑分子在油水界面的聚集，與表面活性劑具有較好的配伍性。

4.3 溶解性與穩(wěn)定性

寬分子量聚合物配制成溶液以后，無未溶解的膠團(tuán)或顆粒，幾種寬分子量聚合物配方的過濾因子基本在1～1.1之間變化，溶解性較好。

5 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

5.1 不同配比寬分子量聚合物二元體系驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

5.1.1 實(shí)驗(yàn)方法 采用多管并聯(lián)巖心（小巖柱）模擬多層非均質(zhì)地層，各層滲透率分別與滲透率劃分相對(duì)應(yīng)，通過控制巖心長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)滲透率的比例，每一個(gè)小巖柱的滲透率取每一個(gè)劃分區(qū)間的平均滲透率。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)了5組驅(qū)油實(shí)驗(yàn)：結(jié)合分子量設(shè)計(jì)是否與滲透率分布相對(duì)應(yīng)、多分散系數(shù)以及增黏性能，選擇配方1、配方2、配方7、配方10，另外增加一個(gè)單一聚合物的配方12（100%（2 000萬）P+0.2%S）。5個(gè)配方的聚合物（總）質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，注入量均為0.6 PV，實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃。

5.1.2 結(jié)果分析 從表3可以看出，與滲透率分布相對(duì)應(yīng)的配方1和配方2采收率增幅最大，且二者相差不多，而多分散系數(shù)最大的配方7和黏度最大的配方10的采收率增幅略差一些。這也說明了影響化學(xué)驅(qū)油效果最大的因素是聚合物與儲(chǔ)層的匹配性，而不是一味追求分子量分布的“寬”和高黏度。分子量分布越寬，也就是多分散系數(shù)越大的聚合物體系，分子量跨度大（最大值和最小值之間）且兩邊所占配比較大，其分子量配比一般都無法與實(shí)際儲(chǔ)層的滲透率分布相對(duì)應(yīng)。聚合物分子如果能順利進(jìn)入孔喉，則黏度越大，越容易發(fā)揮聚合物的黏彈性效應(yīng)［16］，但是如果聚合物分子不能進(jìn)入部分孔喉，不可波及孔隙體積過多，即使體系黏度大，驅(qū)替效果也不理想［17］，如配方10。如果低分子量聚合物較多，且進(jìn)入較大孔隙中，黏彈作用不如高分子量聚合物，微觀驅(qū)替效果略差，如配方7。實(shí)驗(yàn)中，配方7和配方10的驅(qū)替壓力也明顯高于配方1和配方2，除了因?yàn)槎唣ざ雀笾?，配方中高分子量聚合物比例更大，聚合物不可波及孔隙體積更多，也是重要原因。配方1和配方2相比較，采收率提高值相差不大，說明過分密集的劃分滲透率區(qū)間，使聚合物分子量與之對(duì)應(yīng)，并不能顯著改善驅(qū)替效果，只要滲透率在一定范圍內(nèi)與聚合物分子匹配即可。

表3 不同寬分子量聚合物復(fù)合體系驅(qū)油效果Table 3 Displacement efficiency of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

寬分子量聚合物二元體系驅(qū)替效果明顯好于單一分子量聚合物二元體系驅(qū)（配方12），前者同時(shí)發(fā)揮了寬分子量的波及能力與表面活性劑的微觀洗油能力，在水驅(qū)基礎(chǔ)上的采收率提高幅度更大。

5.2 不同非均質(zhì)性儲(chǔ)層的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法 為了對(duì)比不同非均質(zhì)性儲(chǔ)層的驅(qū)油效果，采用多組填砂管并聯(lián)模擬層間非均質(zhì)性，采用多層非均質(zhì)壓制巖心模擬層內(nèi)非均質(zhì)性。因?yàn)槎鄬訅褐茙r心各層長(zhǎng)度相同，無法單獨(dú)控制每層的長(zhǎng)度來模擬滲透率分布比例，因此并聯(lián)管模型也采用等長(zhǎng)的填砂管，且配方采用均勻分布的分子量構(gòu)成（即配方4）。寬分子量聚合物分子量分別與每一層滲透率相對(duì)應(yīng)，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，注入量均為0.6 PV，采用籠統(tǒng)注入的方式，對(duì)比在相同水驅(qū)采收率基礎(chǔ)上的采收率提高值。

5.2.2 結(jié)果分析 寬分子量聚合物二元體系配方4在層間非均質(zhì)性巖心的采收率提高值為16.1%，在層內(nèi)非均質(zhì)巖心的采收率提高值為15.8%，兩者基本相同。隔夾層的存在雖然不利于驅(qū)油體系在地層深部從高滲層向低滲層波及，但防止了已經(jīng)在低滲層的驅(qū)油體系向高滲層竄流。對(duì)于沒有隔夾層的層內(nèi)非均質(zhì)地層，如果是正韻律分布，在剖面容易形成反漏斗形的波及區(qū)域，在近井地帶驅(qū)替范圍大，對(duì)中低滲透層均有波及，隨后竄入高滲層驅(qū)替，且在地層深部對(duì)中滲層仍有波及。綜合來看，同一種寬分子量聚合物二元體系對(duì)兩種非均質(zhì)性地層的波及效果相差不大。

5.3 寬分子量注入與多輪次注入實(shí)驗(yàn)

5.3.1 實(shí)驗(yàn)方法 多輪次注入是指將寬分子量體系拆分開，分多輪次依次注入，或者稱為交替注入。國(guó)內(nèi)已有很多關(guān)于不同體系多輪次注入或交替注入的研究［18-20］，本實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)比寬分子量聚合物二元體系與多輪次注入二元體系驅(qū)油效果。采用等長(zhǎng)的并聯(lián)填砂管模型，配方采用配方4以及將其拆分的多輪次體系，寬分子量體系拆分后的性能如表4所示。聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，注入量均為0.6 PV，采用籠統(tǒng)注入的方式，多輪次體系注入時(shí)，按照分子量從高到低（從段塞1開始）依次注入。

表4 多輪次注入體系各段塞性能Table 4 Properties of each plug of multi-cycle injection system

5.3.2 結(jié)果分析 寬分子量聚合物二元體系在水驅(qū)基礎(chǔ)上的采收率提高值為16%，多輪次注入的采收率提高值為16.4%，兩者基本相同。分析原因主要是：（1）多輪次注入機(jī)理是前一輪次進(jìn)入較高滲透層，后一輪次進(jìn)入較低滲透層，以此類推，最后平行推進(jìn)［21］，平行推進(jìn)要求驅(qū)替相與各層的匹配性更高，保證各層啟動(dòng)壓力相同才能實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際情況中較難實(shí)現(xiàn)。（2）多輪次注入更注重從宏觀上實(shí)現(xiàn)聚合物與儲(chǔ)層的匹配，而寬分子量更注重在微觀上的匹配性。對(duì)于在宏觀上相對(duì)均質(zhì)、微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層，寬分子量體系更具有優(yōu)勢(shì)。（3）多輪次注入，如果不同段塞間黏度差異大，后續(xù)注入的段塞容易從前一段塞指進(jìn)，或者從旁邊繞流，寬分子量聚合物中高分子量聚合物攜帶低分子量聚合物，不存在指進(jìn)現(xiàn)象。（4）多輪次體系中，高分子量段塞的黏度較高，可以擴(kuò)大宏觀及微觀波及體積，但由于黏度略高，體系無法達(dá)到超低界面張力（如表4段塞1），抑制了驅(qū)油效率。

總體來看，寬分子量體系與多輪次注入體系從機(jī)理上來說各有優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在最終的采收率上，二者差別不大。如果考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中多輪次注入工藝的復(fù)雜性［22］，寬分子量體系優(yōu)勢(shì)明顯。

6 結(jié)論

（1）寬分子量聚合物體系黏度隨著高分子量聚合物的比例增加而增大，反之則降低；隨體系黏度增加，界面張力略有增加，但沒有數(shù)量級(jí)的改變，配伍性較好。

（2）寬分子量聚合物復(fù)合體系同時(shí)發(fā)揮了寬分子量聚合物擴(kuò)大波及作用以及表面活性劑提高洗油效率作用，可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率15%以上。

（3）目標(biāo)儲(chǔ)層的滲透率區(qū)間劃分與寬分子量聚合物中不同分子量配比息息相關(guān)，且劃分?jǐn)?shù)量要適中，既能體現(xiàn)分子量分布寬度的優(yōu)勢(shì)，又能有較好的驅(qū)油效果。

（4）只有寬分子量聚合物體系與儲(chǔ)層非均質(zhì)情況匹配最好，而不是多分散系數(shù)最大時(shí)，才能取得最好的驅(qū)油效果；寬分子量聚合物二元體系在層間與層內(nèi)非均質(zhì)地層中驅(qū)油效果相差不大；寬分子量聚合物二元體系與多輪次注入相比，驅(qū)替效果基本相同，考慮到注入工藝，前者優(yōu)勢(shì)明顯，為推薦注入方式。