雙河油田高溫油藏低度交聯(lián)聚合物體系性能研究

李洪生，唐金星，尤 越，閆永芳，朱益鋒，余慶中

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雙河油田高溫油藏低度交聯(lián)聚合物體系性能研究

李洪生1，唐金星1，尤 越2，閆永芳1，朱益鋒3，余慶中4

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450000；2．中國石化河南油田分公司采油二廠；3．中國石化河南油田分公司采油一廠；4．中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院）

根據(jù)有機(jī)酚醛/聚合物交聯(lián)體系的成膠反應(yīng)機(jī)理，配制出低度交聯(lián)聚合物體系（聚合物1 000~1 500 mg/L＋交聯(lián)劑100~150 mg/L），模擬雙河油田95 ℃高溫油藏條件，實驗研究了低度交聯(lián)聚合物體系的成膠性能和長期熱穩(wěn)定性、注入性、流動成膠性能和驅(qū)油效果，結(jié)果表明，低度交聯(lián)聚合物體系驅(qū)油效果明顯，改善剖面作用和驅(qū)油效果均優(yōu)于聚合物驅(qū)，能在一定程度上改善層狀非均質(zhì)油藏的吸水剖面，從而能夠較大幅度提高層狀非均質(zhì)油藏的采收率。

雙河油田；低度交聯(lián)聚合物；成膠性能

聚合物驅(qū)油是一項有效提高采收率的技術(shù)，是河南油田三次采油的主要方法[1-2]。截至2016年12月，河南油田已投入聚合物驅(qū)19個區(qū)塊，面積44.3 km2，動用地質(zhì)儲量5 023.5×104t。目前適合聚合物驅(qū)的80 ℃以下Ⅰ、Ⅱ類油藏儲量基本上已動用。聚合物驅(qū)技術(shù)適應(yīng)的油藏溫度普遍小于80 ℃，80 ℃以上的Ⅲ類高溫油藏靠現(xiàn)有的聚合物驅(qū)和復(fù)合驅(qū)技術(shù)無法動用。

低度交聯(lián)聚合物驅(qū)油體系是在交聯(lián)聚合物調(diào)剖基礎(chǔ)上，通過控制交聯(lián)反應(yīng)程度，研制出的黏度適中、流動性好的驅(qū)油體系[3-5]，可為Ⅲ類高溫油藏化學(xué)驅(qū)提高采收率提供技術(shù)支持的新型驅(qū)油劑[6-7]。本文模擬雙河油田95 ℃高溫油藏條件，系統(tǒng)評價了低度交聯(lián)聚合物體系的成膠性能和長期熱穩(wěn)定性，優(yōu)化了低度交聯(lián)聚合物體系配方，研究了體系的注入性、地下成膠性能、流動性和驅(qū)油效果。

1 實驗條件

實驗條件包括：①交聯(lián)劑：河南油田研制并生產(chǎn)的有機(jī)醛交聯(lián)劑，有效含量15%；②聚合物：部分水解聚丙烯酰胺聚合物1 630 s，分子量1 965×104，水解度19.5％，固含量89.5％；③實驗用水：清水、陳化污水和新鮮污水，水質(zhì)組成見表1；④溫度：油藏溫度95 ℃。

表1　江河污水和清水組成成分 mg/L

2 低度交聯(lián)聚合物體系優(yōu)化配方

2.1 低度交聯(lián)聚合物體系的交聯(lián)反應(yīng)特征

交聯(lián)聚合物體系中的聚合物濃度和交聯(lián)劑濃度是決定體系成膠性能和成膠后結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵因素[8-9]。交聯(lián)聚合物體系的黏度主要取決于聚合物的濃度，交聯(lián)反應(yīng)速度主要取決于交聯(lián)劑濃度，表征體系交聯(lián)反應(yīng)程度的聚交比（聚合物濃度：交聯(lián)劑濃度）則影響所形成凝膠的結(jié)構(gòu)形態(tài)[10-12]。

從交聯(lián)聚合物體系的黏度變化曲線（圖1）特征看出，低濃度微凝膠體系（聚合物400 mg/L＋交聯(lián)劑250 mg/L，聚交比1.6）的成膠反應(yīng)過程分為三個階段：誘導(dǎo)期、成膠突變期和穩(wěn)定期[13-14]。

低度交聯(lián)體系（聚合物1 000 mg/L＋交聯(lián)劑100 mg/L）的聚交比高達(dá)10，成膠時間長（5~10 d），沒有出現(xiàn)成膠突變，交聯(lián)反應(yīng)終止在誘導(dǎo)期，HPAM（陰離子型聚丙烯酰胺）聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)生成HPAM的二聚體等小尺寸膠團(tuán)，形成低度交聯(lián)體系。低度交聯(lián)體系的交聯(lián)反應(yīng)程度低，交聯(lián)點密度低，單個HPAM分子鏈上的反應(yīng)交聯(lián)點密度低，形成與HPAM聚合物類似的無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)，生成小尺寸膠團(tuán)，成膠黏度適中，與聚合物溶液黏度相比有所上升，流動性得到明顯改善，有流度控制和驅(qū)油作用。

圖1 低度交聯(lián)聚合物體系與中度交聯(lián)體系的交聯(lián)反應(yīng)特征

2.2 低度交聯(lián)聚合物體系配方優(yōu)化

油田新鮮污水配制的低度交聯(lián)聚合物體系的優(yōu)化配方為聚合物1000~1 500 mg/L＋交聯(lián)劑100~150 mg/L。聚交比6.7~15，成膠時間5~15 d成膠黏度最高可達(dá)68 mPa·s，在95 ℃高溫條件下老化180 d，成膠黏度保持在28~55 mPa·s，低度交聯(lián)體系的成膠黏度適中，在95 ℃高溫下長期熱穩(wěn)定性好。體系配方的交聯(lián)劑濃度應(yīng)控制為小于200 mg/L，阻止體系發(fā)生成膠突變。

3 低度交聯(lián)聚合物體系的滲流特性和流動成膠性能

3.1 低度交聯(lián)聚合物體系的注入性

相同配方低度交聯(lián)聚合物體系在不同滲透率巖心里的注入壓力變化曲線如圖2所示，不同配方低度交聯(lián)特性在滲透率相近巖心里的注入壓力變化曲線見圖3。

從圖2所示的注入壓力變化曲線看出，低度交聯(lián)聚合物體系的注入壓力緩慢上升，注入1.5~2 PV趨于平穩(wěn)，表明低度交聯(lián)體系與聚合物溶液在巖石多孔介質(zhì)中的流動阻力和滲流特征相似。巖心滲透率越高，注入壓力變化越平緩；注入壓力越低，注入性越好；隨著巖石滲透率降低，注入壓力升高，注入性變差；當(dāng)巖石滲透率低于0.300 μm2時，低度交聯(lián)聚合物體系的注入壓力明顯升高，如在0.279 μm2的低滲透巖心里，注入壓力急劇升高，雖然注入2 PV后壓力趨于平緩，但比在0.576 μm2巖心的注入壓力高2倍以上。實驗結(jié)果表明，低度交聯(lián)體系在油層平均滲透率（0.600 μm2）以上的中、高滲透層段注入性好，但在低滲透（0.3 μm2）油層的注入性差。

圖2　低度交聯(lián)體系在不同滲透率巖心里的注入壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)變化

圖3　不同配方低度交聯(lián)體系在相同滲透率巖心里的注入壓力變化

圖3的注入壓力變化曲線表明：在滲透率相近的巖心里，體系配方中交聯(lián)劑濃度（120 mg/L）一定時，聚合物濃度越高（聚合物800上升到1 500 mg/L），注入壓力越高，流動阻力越大；聚交比越大，注入壓力變化越易趨于平緩；體系配方中聚合物濃度（1 200 mg/L）一定時，交聯(lián)劑濃度提高（100上升到150 mg/L），注入壓力變化趨勢和上升幅度都比較相近，說明在優(yōu)化的低度交聯(lián)體系配方范圍內(nèi)，交聯(lián)劑濃度對低度交聯(lián)體系的注入性和流動性影響不大。

3.2 低度交聯(lián)體系與聚合物溶液、低濃度微凝膠體系注入性的差別

3.2.1 低度交聯(lián)體系與聚合物溶液的注入性相似

從圖2和圖3所示低度交聯(lián)聚合物體系的注入壓力變化曲線看出，低度交聯(lián)聚合物體系和聚合物溶液的注入壓力曲線變化特征相似，注入壓力緩慢上升，注入1.5~2.0 PV，注入壓力趨于平穩(wěn)，然后保持穩(wěn)定。表明低度交聯(lián)體系與聚合物溶液在巖石多孔介質(zhì)中滲流特征相似，但低度交聯(lián)體系在多孔介質(zhì)中的流動阻力更大。

3.2.2 低度交聯(lián)體系的注入性和流動性優(yōu)于低濃度微凝膠體系

低濃度微凝膠體系（聚合物400 mg/L＋交聯(lián)劑250 mg/L）在大于0.6 μm2的中、高滲透油層里注入性和流動性較好，注入2~3 PV后注入壓力趨于平緩（圖4），但在低于0.6 μm2的中低滲透油層里注入性差；微凝膠體系的配方濃度越高，在多孔介質(zhì)里的注入性和流動性越差。

圖4 低濃度微凝膠體系（聚合物400~600 mg/L +交聯(lián)劑250~300 mg/L）的注入壓力變化

對比圖2、圖3與圖4的注入壓力變化曲線特征，可見低度交聯(lián)體系的注入性比低濃度微凝膠體系好，說明低度交聯(lián)聚合物體系的注入性和流動性得到了明顯改善。

3.3 低度交聯(lián)聚合物體系的流動成膠特征

常規(guī)天然巖心、Berea巖心或人工膠結(jié)巖心的標(biāo)準(zhǔn)幾何尺寸小，一般直徑為2.5 cm，長度僅8~10 cm，不能滿足模擬評價交聯(lián)聚合物體系流動成膠性能評價的要求。

在調(diào)研國內(nèi)外可動凝膠和膠態(tài)分散凝膠體系的巖心流動實驗研究方法基礎(chǔ)上，自行設(shè)計研制了全自動長巖心模擬流動實驗?zāi)Ｐ?，建立了交?lián)聚合物體系模擬流動成膠實驗流程裝置。長巖心模型內(nèi)徑3.8 cm，長度150~300 cm，沿流動方向設(shè)置5~6個測壓孔或取樣口，可連續(xù)監(jiān)測交聯(lián)聚合物驅(qū)過程中的壓力變化和地下黏度變化。長巖心流動實驗?zāi)Ｐ湍蜏?20 ℃，耐壓25 MPa。長巖心填砂模型的基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2　聚合物驅(qū)、交聯(lián)聚合物驅(qū)長巖心的幾何尺寸和物性參數(shù)

3.3.1 低度交聯(lián)聚合物體系的流動成膠特征

低度交聯(lián)聚合物溶液（配方HPAM 1 200 mg/L＋交聯(lián)劑100~150 mg/L）在長巖心里各測壓點的壓力變化特征如圖5所示。5個測壓點的壓力都明顯同步升高，表明低度交聯(lián)體系具有良好的流動性。

在后續(xù)水驅(qū)階段初期，低度交聯(lián)體系的注入壓力繼續(xù)升高，特別是長巖心后端第5、6個測壓點的壓力明顯升高，然后保持平穩(wěn)。表明低度交聯(lián)聚合物體系能在長巖心流動過程中產(chǎn)生交聯(lián)作用，形成凝膠結(jié)構(gòu)，而且低度交聯(lián)體系能夠運移到長巖心中后端，在多孔介質(zhì)中的流動性良好，并在長巖心內(nèi)部產(chǎn)生較大的剩余流動阻力。

3.3.2 低度交聯(lián)體系與聚合物溶液流動特征對比

對比圖5與圖6的注入壓力變化曲線特征可以看出：低度交聯(lián)聚合物體系（聚合物 1 200 mg/L＋交聯(lián)劑100~150 mg/L）與相同濃度聚合物溶液（聚合物 1 200 mg/L）在長巖心里的注入壓力變化比較相似，但在后續(xù)水驅(qū)階段產(chǎn)生的殘余流動阻力更大。

圖5　低度交聯(lián)聚合物溶液的注入壓力隨注入孔隙體積的變化

圖6 聚合物溶液注入壓力隨注入孔隙體積的變化曲線

4 低度交聯(lián)聚合物體系的驅(qū)油效果

在滲透率級差為2.4~4.8的并聯(lián)巖心模型上，進(jìn)行了聚合物驅(qū)油實驗和不同配方、不同段塞尺寸（0.2~0.5 PV）低度交聯(lián)聚合物驅(qū)油實驗。

4.1 水驅(qū)采收率

水驅(qū)油實驗結(jié)果表明，并聯(lián)巖心的水驅(qū)采收率為48.8％~59.8％，其中，高滲透巖心的水驅(qū)采收率高達(dá)52.4％~68.5％，明顯高于低滲透巖心的水驅(qū)采收率（36.4％~57.3％）。說明水驅(qū)油階段主要動用的是中、高滲透層段，水驅(qū)后提高采收率的潛力應(yīng)該在中、低滲透層段。

4.2 低度交聯(lián)聚合物的驅(qū)油效果

實驗結(jié)果顯示，在滲透率級差為2.4~4.9的并聯(lián)巖心上，0.2~0.5 PV不同配方低度交聯(lián)聚合物驅(qū)比水驅(qū)采收率提高12.9％~20.6％，其中，高滲透巖心提高采收率10.7％~19.3％，低滲透巖心提高采收率9.7％~26.6％。而在滲透率級差為4.6的并聯(lián)巖心上，0.5 PV聚合物驅(qū)僅比水驅(qū)采收率提高7.3％，其中，高滲透率巖心提高采收率10.1％，而低滲透率巖心僅提高采收率4.4％。

低度交聯(lián)聚合物驅(qū)改善層狀非均質(zhì)油藏的吸水剖面的能力比聚合物驅(qū)強(qiáng)，不僅明顯提高了高滲透層段的采收率，而且顯著提高了低滲透層段的采收率。聚合物驅(qū)只在注聚階段具有一定的調(diào)剖分流效果，后續(xù)注入水快速突破聚合物段塞，導(dǎo)致聚合物驅(qū)很快失效，是層狀非均質(zhì)油藏中聚合物驅(qū)油效果比低度交聯(lián)聚合物驅(qū)差的主要原因。

5 結(jié)論

（1）模擬油藏條件優(yōu)化了低度交聯(lián)聚合物體系配方（聚合物1 000~1 500 mg/L＋交聯(lián)劑100~150 mg/L），在95 ℃高溫下老化180 d后，成膠黏度保持在25~55 mPa·s，長期熱穩(wěn)定性好。

（2）低度交聯(lián)聚合物體系的注入性和流動性與聚合物溶液相似，在中、高滲透巖心（≥0.6 μm2）注入性良好；低度交聯(lián)體系的注入性和流動性優(yōu)于低濃度微凝膠體系。

（3）低度交聯(lián)聚合物體系通過中高滲透率（0.69~0.86 μm2）長巖心流動過程中能夠成膠，成膠后具有良好的流動性；后續(xù)水驅(qū)階段低度交聯(lián)體系在長巖心內(nèi)部的剩余流動阻力高于聚合物。

（4）低度交聯(lián)聚合物體系驅(qū)油效果明顯，改善剖面作用和驅(qū)油效果均優(yōu)于聚合物驅(qū)，能在一定程度上改善層狀非均質(zhì)油藏的吸水剖面，從而能夠較大幅度提高層狀非均質(zhì)油藏的采收率。

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編輯：趙川喜

2017–09–26

李洪生，高級工程師，1976年生，1999年畢業(yè)于成都理工學(xué)院油藏工程專業(yè)，2009年碩士畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣藏開發(fā)工作。

中國石油化工股份有限公司“十條龍”重點科技攻關(guān)項目“耐溫抗鹽低濃度交聯(lián)聚合物驅(qū)油技術(shù)研究”（P04056）。

1673–8217（2018）04–0087–05

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