聚合物驅(qū)有效流度控制時(shí)間范圍及其影響因素研究

施雷庭，朱詩杰，鄒 劍，薛新生，趙文森，葉仲斌

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.中海石油天津分公司，天津300459；3.中海石油研究總院海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100027）

聚合物驅(qū)作為改性水驅(qū)技術(shù)，通常應(yīng)用于在水驅(qū)油藏中提高采收率，其作用原理是通過增加驅(qū)替相的溶液黏度，降低驅(qū)替相的相對滲透率，達(dá)到改善不利油水流度比的目的。對于聚合物驅(qū)過程的認(rèn)識，早期認(rèn)識是指注入聚合物的過程[1]，但是聚合物在多孔介質(zhì)中吸附滯留、改善水相滲透率的作用特征，使一定時(shí)間范圍內(nèi)的后續(xù)水驅(qū)注入水依然受到聚合物流度控制作用的影響[2]，所以認(rèn)為聚合物驅(qū)流度控制作用時(shí)間范圍應(yīng)該是包括聚合物的注入過程和受其流度控制作用影響的后續(xù)水驅(qū)過程兩部分。聚合物的注入過程是具有流度控制影響作用的[3]，但是聚合物驅(qū)流度控制作用影響的后續(xù)水驅(qū)時(shí)間范圍卻鮮有研究，而目前的研究熱點(diǎn)是聚合物驅(qū)后何時(shí)開展二元復(fù)合驅(qū)[4-6]、三元復(fù)合驅(qū)等提高采收率技術(shù)[7]。主要技術(shù)手段是通過驅(qū)油實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬來研究聚合物驅(qū)后不同時(shí)機(jī)下的驅(qū)油效果[8-9]，然而不同的實(shí)驗(yàn)條件對結(jié)果有著不同的影響。為克服實(shí)驗(yàn)或模擬條件對結(jié)果的影響，需要一種判斷方法來確定聚合物的有效流度控制時(shí)間范圍，以判斷后續(xù)技術(shù)的開展。其中最重要的一點(diǎn)就是聚合物驅(qū)后受聚合物流度控制能力影響的后續(xù)水驅(qū)時(shí)間范圍。

因此，將聚合物驅(qū)后的后續(xù)水驅(qū)特征曲線變化與聚合物驅(qū)前的水驅(qū)過程特征對比，進(jìn)行聚合物有效流度控制的后續(xù)水驅(qū)時(shí)間判斷；再引入描述多孔介質(zhì)中聚合物滲流特征的2個(gè)無因次參數(shù)阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)作為變量研究其對聚合物有效流度時(shí)間范圍的影響[10-11]，以確定聚合物驅(qū)有效流度控制時(shí)間范圍的主要影響因素，以便于指導(dǎo)聚合物驅(qū)技術(shù)和后續(xù)提高采收率技術(shù)的開展應(yīng)用。

1 基本原理

聚合物驅(qū)作為改性水驅(qū)技術(shù)進(jìn)行流度控制的主要表征手段就是含水率變化曲線，而含水率下降漏斗就是聚合物驅(qū)過程的變化特征。

后續(xù)水驅(qū)過程中，聚合物在多孔介質(zhì)中的吸附滯留作用（即殘余阻力系數(shù)）降低了儲層滲透率，延長了其有效流度控制時(shí)間，但是有限的吸附滯留在后續(xù)水驅(qū)的沖刷過程中會逐漸失效[12]，導(dǎo)致含水率變化回歸到水驅(qū)過程的特征曲線。

我國通過大量的注水油田開發(fā)，累積了不少關(guān)系的水驅(qū)特征曲線[13-14]，現(xiàn)在多采用微分變換，將累積產(chǎn)油量Np、累積產(chǎn)水量Wp、累積產(chǎn)液量Lp，甚至累積注水量之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)化成含水率fw與采出程度R的關(guān)系[15]，如凸型曲線的R=a+bln（1-fw）、S曲線的R=a+bln（fw/（1-fw）），凹型曲線的lnR=a+blnfw。

因此，聚合物驅(qū)前后的水驅(qū)特征曲線是否具有一致性是可以判斷聚合物有效流度控制范圍的。

2 方法步驟

該方法包括如下步驟：①分析目標(biāo)油藏條件下的水驅(qū)油特征曲線（實(shí)驗(yàn)獲得或者數(shù)值模擬預(yù)測），建立注入PV數(shù)與含水率（fw）/采出程度（R）的動態(tài)變化關(guān)系曲線；②對fw—R曲線中線性關(guān)系較好的直線區(qū)間進(jìn)行公式擬合，獲得水驅(qū)規(guī)律的應(yīng)用公式；③分析聚合物驅(qū)過程的動態(tài)曲線特征關(guān)系（fw—R）曲線，確定出聚合物驅(qū)過程范圍和后續(xù)水驅(qū)開始時(shí)間，在后續(xù)水驅(qū)開始時(shí)間到含水率達(dá)到95%這個(gè)區(qū)間內(nèi)，擬合后續(xù)水驅(qū)范圍的水驅(qū)特征公式，不斷調(diào)整擬合范圍的起點(diǎn)；④對比不同起點(diǎn)條件下的后續(xù)水驅(qū)特征曲線公式，當(dāng)與水驅(qū)特征曲線公式相接近時(shí)，認(rèn)為聚合物驅(qū)不再影響后續(xù)水驅(qū)過程，那么這個(gè)范圍就是聚合物有效控制的后續(xù)水驅(qū)范圍，加上聚合物驅(qū)過程，就是整個(gè)聚合物驅(qū)的有效流度控制范圍。

3 方法判斷應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

驅(qū)油實(shí)驗(yàn)條件是以某稠油油藏聚合物驅(qū)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開展的，相關(guān)條件如下：①驅(qū)油用實(shí)驗(yàn)原油是65℃條件下黏度為70 mPa·s的地面脫氣脫水原油；②實(shí)驗(yàn)巖心是用?25 mm×500 mm尺寸的填砂管裝填酸洗石英砂，填壓成平均滲透率為2 500×10-3μm2，孔隙度為31%的多孔介質(zhì)模型；③實(shí)驗(yàn)用地層水的總礦化度為9 374 mg/L，離子組成分別是3 091.96 mg/L的Na+/K+、276.17 mg/L的Ca+、158.68 mg/L的Mg+、14.21 mg/L的CO32-、311.48 mg/L的HCO3-、85.29 mg/L的SO42-、5 436.34 mg/L的Cl-；④實(shí)驗(yàn)驅(qū)替劑為工業(yè)品疏水締合聚合物AP—P4，地層水配制濃度為1750mg/L的溶液，注入段塞為0.3PV；⑤實(shí)驗(yàn)步驟是按照《驅(qū)油用聚合物溶液性能評價(jià)操作規(guī)范》進(jìn)行。在65℃烘箱里，以1 mL/min的驅(qū)替流速進(jìn)行驅(qū)替至瞬時(shí)含水率95%時(shí)，轉(zhuǎn)注0.3PV的聚合物溶液后進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)，直至瞬時(shí)含水率再次達(dá)到95%停止實(shí)驗(yàn)。

3.2 水驅(qū)油特征曲線

通過水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)可以獲得不同注入量條件下采出程度和含水率的變化關(guān)系，轉(zhuǎn)化成采出程度與含水率的相互關(guān)系（圖1）。

從圖1a水驅(qū)油動態(tài)曲線可以看出，注水0.2PV左右突破巖心，突破后的產(chǎn)出液含水率快速上升，0.6PV左右進(jìn)入高含水期，整體采出程度在30%左右。圖1b所示的采出程度與含水率曲線的變化關(guān)系屬于“凹”型曲線特征。因此，將轉(zhuǎn)化后的fw—R水驅(qū)特征曲線，取其線性關(guān)系較好的直線區(qū)間，應(yīng)用公式lnR=a+bfw擬合出公式為y=75.431ln（x）-162.73，滿足水驅(qū)特征曲線的S—凸型的曲線關(guān)系，且曲線擬合度高達(dá)98%。

3.3 聚合物驅(qū)油特征曲線

聚合物驅(qū)油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和轉(zhuǎn)化后的fw—R水驅(qū)特征曲線如圖2所示。

從圖2a可知，聚合物的流度控制作用提高了驅(qū)油效率和波及效率，出現(xiàn)了“V”型的含水率下降漏斗，而在后續(xù)水驅(qū)過程中含水率回升迅速，很快進(jìn)入到高含水期。分析認(rèn)為0.3PV注入量的聚合物在多孔介質(zhì)中的吸附滯留有限，在后續(xù)水驅(qū)沖刷下其流度控制能力下降明顯，所以含水率快速上升。因此，對后續(xù)水驅(qū)不同階段的曲線擬合，分析聚合物的有效流度控制范圍。

首先擬合后續(xù)水驅(qū)開始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)到驅(qū)替結(jié)束點(diǎn)之間的曲線，獲得一條fw—R的規(guī)律曲線與水驅(qū)過程的特征曲線對比，存在差異表明水驅(qū)規(guī)律不一致；然后選取后續(xù)水驅(qū)過程第2個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合該點(diǎn)到驅(qū)替結(jié)束點(diǎn)之間的曲線，獲得另外一條fw—R的規(guī)律曲線，如此步驟下去直至擬合公式與水驅(qū)規(guī)律較為一致后停止推導(dǎo)，推算過程見表1。

在后續(xù)水驅(qū)后的第5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（即瞬時(shí)含水率達(dá)到92.73%時(shí)）的水驅(qū)曲線規(guī)律y=72.569ln（x）-189.91與水驅(qū)過程的曲線規(guī)律y=74.971ln（x）-170.89達(dá)到較高的一致性，而隨著注入量的增加，水驅(qū)特征會更加接近水驅(qū)特征曲線。表明從該時(shí)刻起的水驅(qū)過程不再受聚合物驅(qū)過程的影響，也就是說在該驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的條件下，后續(xù)水驅(qū)0.27PV后，水驅(qū)規(guī)律回歸到單純水驅(qū)油的特征狀態(tài)。

通過對圖2中聚合物驅(qū)前后的驅(qū)油效果分析發(fā)現(xiàn)，后續(xù)水驅(qū)的注入量到2.2PV時(shí)，單位注入量下的采出程度與純水驅(qū)至高含水階段后單位注入量下的采出程度達(dá)到一致，表明了該階段的后續(xù)水驅(qū)不再受聚合物的流度控制影響。

4 流度控制范圍的影響因素

圖1 fw—R的水驅(qū)特征曲線Fig.1 Characteristic curves of water flooding offw—R

圖2 聚合物驅(qū)前后的fw—R水驅(qū)特征曲線Fig.2 Characteristic curves of water flooding offw—Rbefore and after polymer flooding

表1 聚合物流度控制時(shí)間范圍的推算Table1 Calculation of control time range of polymer mobility

聚合物驅(qū)過程的流度控制能力不同，對聚合物的含水率變化特征影響是很明顯的。雖然聚合物驅(qū)流度控制作用的因素很多，但是所有因素均可以歸納到聚合物的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)無因次量中[16]。其中，聚合物驅(qū)過程中流度控制可以通過聚合物在多孔介質(zhì)的中有效黏度與殘余阻力系數(shù)的乘積來表征。雖然聚合物在多孔介質(zhì)中的有效黏度是受注入條件、巖心條件等多因素影響的變量，但是在確定的研究條件下其與表觀黏度呈現(xiàn)正相關(guān)。因此，圍繞聚合物驅(qū)有效流度控制時(shí)間的影響，研究采用了溶液表觀黏度和殘余阻力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行表征。

在前述實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上配制不同溶液性能的聚合物溶液。溶液黏度差異是配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液[16]，不同殘余阻力系數(shù)是通過復(fù)配不同吸附能力的締合聚合物溶液。首先通過測定不同類型聚合物的殘余阻力系數(shù)，然后再以此按一定比例復(fù)配，測定其殘余阻力系數(shù)，得到目標(biāo)體系。在65℃條件下采用布氏黏度計(jì)測定了溶液黏度，通過滲流特征實(shí)驗(yàn)確定了體系的殘余阻力系數(shù)（聚驅(qū)前后的滲透率比值），驅(qū)油體系的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 聚合物溶液的性能參數(shù)Table2 Performance parameters of polymer solution

4.1 溶液表觀黏度的影響

圖3 不同黏度體系的驅(qū)油特征曲線Fig.3 Displacement characteristic curves of different viscosity systems

通過驅(qū)油實(shí)驗(yàn)獲得不同黏度體系的驅(qū)油效果。從圖3a可以看出，聚合物溶液的黏度越高，出現(xiàn)的含水下降漏斗越大，原油采收率的增幅越高。通過圖3b計(jì)算獲得水驅(qū)曲線特征公式及有效流度控制范圍（表3）。

從表3可知，不同黏度體系的聚合物的有效流度控制范圍相差并不明顯，分別是注入量0.323PV、0.318PV、0.329PV。聚合物驅(qū)注入段塞0.3PV，那么后續(xù)水驅(qū)的影響范圍是注入量0.02～0.03PV，可見提高溶液黏度對后續(xù)水驅(qū)流度控制時(shí)間范圍是不明顯的。分析認(rèn)為聚合物溶液黏度增加后的流度控制作用主要應(yīng)用在注聚階段，通過提高驅(qū)替相黏度以改善油/水流度比、提高波及效率。而其吸附滯留對降低水相滲透率的能力有限，難以阻止后續(xù)水驅(qū)的前進(jìn)方向，注入水流很快會繼續(xù)沿著高滲透區(qū)域前進(jìn)，并沖刷吸附滯留之上的聚合物，導(dǎo)致后續(xù)水驅(qū)的流度控制時(shí)間范圍較短。

表3 不同黏度條件下的有效流度控制時(shí)間范圍Table3 Effective mobility control time range of different viscosity

4.2 溶液殘余阻力系數(shù)的影響

不同殘余阻力系數(shù)體系驅(qū)油結(jié)果見圖4a，fw—R特征曲線見圖4b。通過圖4b計(jì)算可得表4。從表4和圖4可知，具有較強(qiáng)殘余阻力系數(shù)的體系M2和HM3，其后續(xù)水驅(qū)的有效流度控制時(shí)間范圍為0.122PV和0.184PV，遠(yuǎn)大于殘余阻力系數(shù)5.8的驅(qū)油體系H1的控制時(shí)間范圍0.023PV。分析認(rèn)為，一方面是殘余阻力系數(shù)較高的體系中有更多的聚合物吸附滯留在多孔介質(zhì)上，大幅度降低水相滲透率，增強(qiáng)了后續(xù)水驅(qū)沖刷掉的難度；另一方面注入水的流動狀態(tài)受到多孔介質(zhì)滲透性的影響而發(fā)生變化，波及區(qū)域更廣泛，而恒定的水流量在更大的波及區(qū)域內(nèi)，會降低對殘余聚合物的沖刷作用，在一定程度上延長了后續(xù)水驅(qū)中聚合物的流度控制作用時(shí)間。

表4 不同殘余阻力系數(shù)條件下的有效流度控制時(shí)間范圍Table4 Effective mobility control time range of different RRF systems

圖4 不同殘余阻力系數(shù)體系的驅(qū)油特征曲線Fig.4 Displacement characteristic curves of different RRF systems

5 結(jié)論

1）聚合物驅(qū)的流度控制作用可以改變原有的水驅(qū)特征曲線，通過對比分析聚合物驅(qū)前后的水驅(qū)曲線特征變化，來判斷聚合物驅(qū)的有效流度控制時(shí)間范圍是可行的。以某稠油油藏為例計(jì)算的聚合物驅(qū)有效流度控制時(shí)間范圍是注入聚合物過程的0.3PV與后續(xù)水驅(qū)過程的0.27PV。

2）影響聚合物驅(qū)有效流度控制的兩種因素中，驅(qū)替劑的表觀黏度影響較小，溶液的表觀黏度提高3倍，延長控制時(shí)間僅0.006PV；而殘余阻力系數(shù)對其影響較大，從5.8提高到21.3，有效流度控制時(shí)間范圍要延長0.1PV。增強(qiáng)聚合物的殘余阻力系數(shù)，能延長聚合物驅(qū)過程的有效流度控制時(shí)間。