復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系研究與應用進展

賈瑞軒，劉衛(wèi)東，孫靈輝，叢蘇男，李杰瑞，周義博

(1.中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007)

在20世紀90年代，我國油田普遍進入高含水期，老油田普遍存在著油層滲透率級差大，聚合物竄流現(xiàn)象嚴重、含水率下降少、在高滲透層存聚率低、單位體積聚合物采油量小等問題[1-2]。為進一步開發(fā)儲層，改善吸水剖面，提高水驅(qū)及聚合物驅(qū)效率，采用調(diào)剖劑封堵高滲透層具有重大意義。由于普通調(diào)剖劑成膠時間短、調(diào)剖覆蓋面積小，調(diào)剖后注入液繞流，增產(chǎn)有效期短，僅單井受益，調(diào)剖成本過高，已經(jīng)不能滿足油田的生產(chǎn)需求，隨著“區(qū)塊治理”和“深度調(diào)剖”概念的提出，新的調(diào)驅(qū)技術(shù)的研究成為熱點。復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系成膠時間長，且成膠時間可控[3]，具有良好的抗鹽性、抗剪切性、熱穩(wěn)定性[4]，可用于油田達到深度調(diào)剖和驅(qū)油的效果。因此，有必要對復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑的機理進行研究。

雖然復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系已為油田的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作出了巨大貢獻，但其面臨的問題還有很多：如復合離子聚合物的驅(qū)油效率、微觀驅(qū)油機理研究薄弱；用污水配制復合離子聚合物母液、多種調(diào)驅(qū)技術(shù)聯(lián)用研究較少；生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)工藝需要改進等。本文論述了復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑的性質(zhì)特點及其成膠性能的影響因素，介紹了影響復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑調(diào)驅(qū)效果的主要因素，總結(jié)分析了大慶油田復合離子聚合物調(diào)驅(qū)現(xiàn)場試驗及應用，并提出了現(xiàn)階段復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系的不足和下一步研究方向。

1 復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑合成方法及性質(zhì)特點

復合離子聚合物的合成方法主要有兩種：一種是用陰、陽離子單體及丙烯酰胺單體通過聚合反應合成；另一種是將簡單的單體聚合后進行功能化改性。前者可以通過改變不同單體的投量比，精確的控制產(chǎn)物所含正負電荷基團數(shù)目，不足之處在于該方法經(jīng)常需要多次進行，過程繁瑣；后者為了讓產(chǎn)物不易自發(fā)聚合，所選反應物應結(jié)構(gòu)相似。

復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑由復合離子聚合物、交聯(lián)劑(六次甲基四胺)、穩(wěn)定劑(苯酚)、促凝劑(間苯二酚)等組成。其中復合離子聚合物是由陰離子基團、陽離子基團和非極性基團組成的一種線性聚合物，其陰離子基團表現(xiàn)為親水性，有利于聚合物在水中溶解，陽離子基團在地層巖石上有較強的吸附能力，這兩種基團既有靜電斥力，也有靜電引力，可以使分子鏈卷曲，從而使復合離子聚合物有良好的抗剪切性。當分子鏈上正負電荷相等時，從而表現(xiàn)出很好的抗鹽性[5]。調(diào)驅(qū)劑成膠后在70 ℃條件下放置1年，強度損失率不到5%，不脫水，不破膠，有良好的穩(wěn)定性[6]。

1.1 調(diào)驅(qū)機理

調(diào)驅(qū)劑進入地層后，通過吸附、動力捕集、物理堵塞對高滲透孔道進行堵塞[1]。該調(diào)驅(qū)體系是一種弱凝膠類的粘彈性流體，初始粘度較低，可以沿著水流優(yōu)勢通道流動，隨著粘度逐漸增大，壓力逐漸升高，使得后續(xù)水驅(qū)過程中可以改變水的流向，進入低滲透層，達到調(diào)整平面矛盾的作用，增加了波及系數(shù)，又因為復合離子聚合物溶液具有粘彈性，在孔道中流動時，后面的流體會推動前面的流體，同時由于聚合物分子間的纏繞作用，前面的分子會對后面的分子產(chǎn)生拉力，流經(jīng)多孔介質(zhì)時可以將殘余油攜帶出來，提高驅(qū)替效率，實現(xiàn)了邊調(diào)邊驅(qū)。調(diào)驅(qū)劑成膠后，后續(xù)水驅(qū)階段高、中、低滲透層的層間差異減小，吸水剖面得到調(diào)整，由于低滲透層中調(diào)驅(qū)體系注入量少，在一定壓力下優(yōu)先突破，隨著壓力下降，含水率上升，采收率提高，實現(xiàn)了調(diào)驅(qū)體系的持續(xù)邊調(diào)邊驅(qū)[7-9]。

1.1.1 吸附作用 因為陽離子基團對巖石的吸附能力較強，會增加水流動時的阻力，吸附在巖石上的聚合物也有較好的耐沖刷能力，可以延長其堵水的有效期。

1.1.2 動力捕集作用 復合離子聚合物是一種線性聚合物，由于在注入過程中流速快，其分子鏈伸展表現(xiàn)出良好的流動性。進入地層后流速緩慢，靜電力使分子鏈卷曲成螺旋狀，可以堵塞高滲透流通孔道。

1.1.3 物理堵塞作用 復合離子聚合物成膠后形成了體型結(jié)構(gòu)的凝膠，粘度增加，在地層孔隙中形成物理堵塞。

1.1.4 粘彈性驅(qū)油作用 復合離子聚合物凝膠具有較強粘彈性，對水驅(qū)殘余油驅(qū)替能力強于普通聚合物。

1.2 調(diào)驅(qū)劑成膠性能影響因素

復合離子聚合物調(diào)驅(qū)性能的影響因素主要有成膠時間和成膠強度。據(jù)王國珍[4]、郭金龍[10]、尉小明[11]實驗研究表明，復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑成膠時間及成膠強度的影響因素有復合離子聚合物用量、交聯(lián)劑用量、促凝劑用量、pH值、剪切強度，與穩(wěn)定劑用量關(guān)系不大。李霞等[12]研究表明，調(diào)驅(qū)劑成膠后的強度還與復合離子聚合物的相對分子質(zhì)量、礦化度有關(guān)。

1.2.1 復合離子聚合物用量對成膠時間及成膠強度的影響 在復合離子聚合物的濃度較低時，調(diào)驅(qū)劑很難成膠。隨著復合離子聚合物濃度增加，成膠強度先緩慢上升后急劇上升，超過某一值時繼續(xù)增加濃度，成膠強度反而逐漸變?nèi)?。隨著復合離子聚合物濃度增加，成膠時間相差不大，到轉(zhuǎn)折點后繼續(xù)增加復合離子聚合物濃度，成膠時間急劇縮短。

1.2.2 交聯(lián)劑用量對成膠時間及成膠強度的影響 在一定范圍內(nèi)隨著交聯(lián)劑用量增加，調(diào)驅(qū)劑成膠強度增加，成膠時間縮短，當交聯(lián)劑濃度足夠高，繼續(xù)增加交聯(lián)劑用量，對調(diào)驅(qū)劑的成膠強度及成膠時間影響不大。這是因為當交聯(lián)劑濃度過高時，聚合物已經(jīng)完全反應，所以交聯(lián)劑用量需要根據(jù)應用情況進行優(yōu)選。

1.2.3 促凝劑用量對成膠時間及成膠強度的影響 隨著促凝劑用量增加，調(diào)驅(qū)劑成膠時間縮短，成膠強度增加。由于促凝劑活性較強，所以少量加入即可使調(diào)驅(qū)劑達到需求。

1.2.4 pH值對成膠時間及成膠強度的影響 隨著pH值降低，成膠時間縮短，但凝膠易水解，成膠強度保持時間短。pH值較高時，調(diào)驅(qū)劑不易成膠。這是因為交聯(lián)劑需在酸性條件下發(fā)生反應放出醛，如果pH值過低，交聯(lián)劑反應放出的氨氣不足以中和酸，凝膠易被酸水解，所以，pH值在5.0～5.5區(qū)間時，成膠性能較好。

1.2.5 剪切強度對成膠時間及成膠強度的影響 溶液在20%剪切強度下，成膠時間及成膠強度沒有明顯變化，隨剪切強度增加，成膠時間變慢，成膠強度降低。在50%剪切強度下，成膠時間及成膠強度有明顯變化，但總體來說，調(diào)驅(qū)劑抗剪切性良好。

1.2.6 復合離子聚合物相對分子量對成膠時間及成膠強度的影響 復合離子聚合物相對分子量越大，成膠時間越短，成膠強度越大。這是因為聚合物分子量越高，其分子鏈越長，活性官能團就越多，發(fā)生縮聚反應的速率就越快，即成膠時間越短。分子量高的聚合物分子在縮聚反應后的生成物分子量也高，所以在保證注入性的前提下，聚合物分子量越高，生成的凝膠強度越高。

1.2.7 礦化度對成膠時間及成膠強度的影響 隨礦化度增加，成膠時間延長，成膠強度降低。污水中存在微生物和不穩(wěn)定離子，會與交聯(lián)劑和促凝劑水解出的醛發(fā)生反應，由于醛為聚合物交聯(lián)反應所需，所以影響調(diào)驅(qū)劑成膠性能?？梢酝ㄟ^改善配方來降低礦化度對調(diào)驅(qū)劑成膠性能的影響。

1.3 調(diào)驅(qū)劑適用原則

調(diào)剖選井應選油層底部水淹嚴重、縱向非均質(zhì)性嚴重、滲透率級差大、周圍采出井含水高、吸水剖面差的井。選井的判斷指標有：每米視吸水指數(shù)、壓降曲線、啟動壓力、滲透率級差、滲透率、吸水剖面、周圍油井含水率。調(diào)剖選井應綜合各指標之間權(quán)重，應用各種動靜態(tài)資料來判斷大孔道存在情況，從而優(yōu)選出調(diào)剖井。調(diào)剖選擇的層位應為水淹程度高、吸水百分數(shù)>40%、厚度>2 m、滲透率較高的層段。同時結(jié)合動靜態(tài)資料及電測曲線資料分析確定大孔道的層位[13-14]。

2 復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑調(diào)驅(qū)效果影響因素

2.1 調(diào)驅(qū)劑用量對調(diào)驅(qū)效果影響

由于油層的非均質(zhì)性，導致注入水在高滲層形成優(yōu)勢通道，使水驅(qū)效率低下。地層進行調(diào)驅(qū)后可以顯著改善吸水剖面，封堵高滲層，使注入水可以進入低滲透層，增加波及系數(shù)，提高采收率。復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑的用量對調(diào)驅(qū)效果有顯著影響。李愛芬等[3]將飽和油的巖心先水驅(qū)后注入調(diào)驅(qū)劑，最后水驅(qū)，通過測量注入調(diào)驅(qū)劑和后續(xù)水驅(qū)過程中的出油量來計算采收率提高值。實驗發(fā)現(xiàn)隨復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑的注入量增加，采收率明顯增加，當調(diào)驅(qū)劑注入體積達到臨界值時，再注入調(diào)驅(qū)劑，采收率增加緩慢。

調(diào)驅(qū)劑用量越多，調(diào)驅(qū)效果越好，但存在一個臨界值，達到該值后繼續(xù)增加調(diào)驅(qū)劑用量，調(diào)驅(qū)效果增加緩慢。在實際礦場應用中，考慮經(jīng)濟效益，復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑用量應選為臨界值用量。

2.2 調(diào)驅(qū)時機對調(diào)驅(qū)效果影響

調(diào)驅(qū)時機可以選為注聚前調(diào)驅(qū)、注聚中調(diào)驅(qū)和注聚后調(diào)驅(qū)，其中注聚中調(diào)驅(qū)又分為注聚初期(含水下降)調(diào)驅(qū)和注聚后期(含水回升)調(diào)驅(qū)。2001年2月至5月喇嘛甸油田北塊進行了注聚時機試驗，注聚前調(diào)驅(qū)受效井數(shù)95口，含水率由94.4%下降到59.2%，下降了35.2個百分點。注聚初期調(diào)驅(qū)受效井數(shù)4口，含水率由96.7%下降到73.6%，下降了23.1個百分點。注聚后期調(diào)驅(qū)受效井數(shù)8口，僅有3口井含水率下降，含水率由92.2%下降到90.8%，下降了1.4個百分點。注聚后調(diào)驅(qū)受效井4口，含水率由91.0%下降到88.6%，下降了2.4個百分點。實驗結(jié)果表明，無論何時進行調(diào)驅(qū)，吸水剖面、層間矛盾都可以得到明顯改善，但復合離子聚合物注聚前調(diào)驅(qū)含水率下降最多，效果最好[15]。

3 復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑試驗應用現(xiàn)狀

目前，復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系在大慶油田應用較為廣泛，大慶油田各區(qū)塊均高含水，長期水驅(qū)導致儲層形成大孔道，注入水多進入大孔道造成無效循環(huán)，水驅(qū)效率低下。1996年開始，大慶油田開始了復合離子聚合物深度調(diào)剖的探索。1996年在喇嘛甸油田葡I1-2油層開展了復合離子聚合物深度調(diào)剖現(xiàn)場試驗，注入井14口，受效井54口，截止2000年10月增油量達69.35×104t，增油效果顯著[16]。1998年，大慶采油三廠北2-3-53井進行復合離子聚合物調(diào)驅(qū)試驗，截止1998年12月，2口受效井增油量達2 137 t[5]。同年，大慶北區(qū)中塊、大慶外圍升平油田、薩北北三西西塊油田均進行了復合離子聚合物調(diào)驅(qū)試驗，試驗降水效果好，增油量可觀[2，17-18]。1996年～2007年，薩中地區(qū)復合離子聚合物調(diào)驅(qū)井口共95口，調(diào)驅(qū)見效后含水率在短期內(nèi)大幅度下降，比見效前下降了44.8個百分點，調(diào)驅(qū)后采收率提高3.72個百分點[19]。2001年，喇嘛甸油田北西塊共83口井進行復合離子聚合物調(diào)驅(qū)，調(diào)驅(qū)劑注入油層孔隙體積0.23 PV時，除個別井口外多數(shù)井含水下降超過40%，采收率提高3.43%[20]。2008年，大慶榆樹林油田17口井進行復合離子聚合物調(diào)驅(qū)，綜合含水率下降10.74%，日產(chǎn)油增加4.6 t[21]。

總體而言，無論試驗階段還是應用階段，大慶油田應用了復合離子聚合物調(diào)驅(qū)后都取得了不錯的成績，其中注聚前調(diào)驅(qū)和注聚初期調(diào)驅(qū)提高采收率幅度較高。

4 復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系存在問題

4.1 驅(qū)油理論及評價方法不健全

完善的評價方法、評價指標和成熟的調(diào)剖驅(qū)油機理研究是復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系發(fā)展的關(guān)鍵。復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑的調(diào)剖機理、成膠影響因素已有諸多學者研究，調(diào)剖性能影響因素和性能評價已經(jīng)比較成熟，但針對復合離子聚合物驅(qū)油效果、微觀驅(qū)油機理研究甚少，陰陽離子基團對洗油效率的影響及地層巖石對調(diào)驅(qū)劑的吸附作用認識不足。部分驅(qū)油機理和性能參數(shù)可以參考聚合物驅(qū)，但復合離子聚合物的理論體系仍需完善。

4.2 成本較高

復合離子聚合物主要用陰、陽離子單體及丙烯酰胺單體通過聚合反應合成，該方法合成的復合離子聚合物可以準確地控制陰、陽離子電荷數(shù)，并且可以使合成的產(chǎn)品陽離子基團較多，該制備方法所得產(chǎn)品符合油田調(diào)驅(qū)需求，但生產(chǎn)工藝比較復雜且成本較高[22]。因此，需加強復合離子聚合物合成方法的研究，提高其生產(chǎn)工藝，健全其產(chǎn)品質(zhì)量控制指標及產(chǎn)品質(zhì)量檢測體系。

為節(jié)約生產(chǎn)成本，現(xiàn)已有油田改用污水配制聚合物母液，相比于用清水配制母液節(jié)省了污水處理成本，更加環(huán)境友好。但污水中氧化還原物質(zhì)較多，礦化度高，影響調(diào)驅(qū)劑成膠后粘度，目前復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系的污水配制研究較少。

4.3 多種調(diào)驅(qū)技術(shù)聯(lián)用研究較少

復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑在大慶油田已經(jīng)有多年的應用歷史，提升采收率效果顯著，為大慶油田提升了經(jīng)濟效益，并且現(xiàn)在國內(nèi)的一些其他油田也開始應用復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系。油藏實際應用中可以采用兩種或多種調(diào)剖劑同時使用，根據(jù)油藏實際情況可以達到更好的經(jīng)濟效益，如大慶油田中使用較多的復合離子聚合物加預交聯(lián)體膨顆粒調(diào)驅(qū)體系。目前，對于多種調(diào)剖技術(shù)聯(lián)合使用的研究較少，評價方法和評價體系不完善。

5 結(jié)束語

復合離子聚合物以目前的試驗及應用來看，在提高采收率方面發(fā)揮了重要作用，其調(diào)剖理論研究方面已比較成熟，但其驅(qū)油方面評價方法、理論研究不健全。為完善復合離子聚合物調(diào)驅(qū)機理研究，為今后研制更優(yōu)調(diào)驅(qū)劑提供理論支持，提高油田生產(chǎn)開發(fā)效果，應加強復合離子聚合物凝膠的評價方法、指標研究，加強復合離子聚合物驅(qū)油效率、微觀驅(qū)油機理的研究。其中應包括：復合離子聚合物在巖石礦物界面吸附性能的評價、復合離子聚合物對微觀剩余油啟動運移規(guī)律影響、復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑提高采收率作用機理、復合離子聚合物在巖心中運移規(guī)律等。

復合離子聚合物調(diào)驅(qū)體系需加強研究達到降低成本、開發(fā)出效果更好的調(diào)驅(qū)聯(lián)用體系。復合離子聚合物調(diào)驅(qū)劑對中高滲油藏降低含水率，改善吸水剖面的作用十分重要?，F(xiàn)階段的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但為使調(diào)驅(qū)技術(shù)能在以后的油藏開發(fā)中發(fā)揮更好的作用，仍需對調(diào)驅(qū)技術(shù)開展綜合性的研究工作。復合離子聚合物污水配制母液的技術(shù)不成熟，應多展開污水配制調(diào)驅(qū)劑的技術(shù)研究，保證性能的前提下優(yōu)化改進調(diào)驅(qū)劑污水配方。復合離子聚合物調(diào)驅(qū)技術(shù)與其他調(diào)驅(qū)技術(shù)聯(lián)用的研究應該加強，在今后的研究中，需要更多地研制出對地層條件配伍性強、調(diào)驅(qū)效果更好、成本更低的調(diào)驅(qū)體系。