大慶油田四次采油凝膠顆粒+聚合物驅(qū)技術(shù)研究

陳文林

(中國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)

0 引 言

大慶油田于1996年開始大規(guī)模推廣聚合物驅(qū)技術(shù)，截至2019年12月，主力油層絕大部分進(jìn)入聚合物驅(qū)后續(xù)水驅(qū)階段，平均采出程度為56.9%，仍有近一半剩余油殘留在儲層孔隙中，挖潛該部分儲量是油田四次采油工作面臨的重要任務(wù)。聚合物驅(qū)后，油層存在高含水、剩余油高度分散、優(yōu)勢滲流通道發(fā)育、非均質(zhì)性加劇、聚合物滯留等問題。采用高濃度聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等常規(guī)化學(xué)驅(qū)油方法，可提高采收率8.00～10.00個百分點(diǎn)，但聚合物用量大、經(jīng)濟(jì)效益較差，急需研發(fā)適用的新型高效驅(qū)油體系配方[1-10]。針對聚合物驅(qū)后油層開發(fā)面臨的技術(shù)瓶頸，依據(jù)“堵、調(diào)、驅(qū)”相結(jié)合的技術(shù)路線，自主研發(fā)調(diào)驅(qū)型和封堵型2種PPG顆粒。PPG顆粒與聚合物復(fù)配后會增強(qiáng)體系的驅(qū)替性能，如體系黏度增大、黏彈性增強(qiáng)、阻力系數(shù)增大、轉(zhuǎn)向能力提高、驅(qū)油效果顯著等[11-12]。為滿足試驗(yàn)區(qū)實(shí)際需求，系統(tǒng)評價(jià)了PPG+聚合物驅(qū)油體系的性能，研究了不同注入?yún)?shù)對體系驅(qū)油效果的影響，篩選出最佳驅(qū)油段塞組合方式。

1 PPG+聚合物體系性能評價(jià)

PPG+聚合物體系是由PPG顆粒與聚合物按一定比例進(jìn)行復(fù)配。實(shí)驗(yàn)用聚合物為大慶煉化公司相對分子質(zhì)量為2 500×104的抗鹽聚合物。PPG為自主研發(fā)、設(shè)計(jì)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒，為滿足調(diào)剖、驅(qū)油功能，研制出封堵型、調(diào)驅(qū)型2種PPG顆粒。封堵型PPG顆粒采用創(chuàng)新嵌段聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分子微觀結(jié)構(gòu)的可調(diào)可控，樣品抗壓強(qiáng)度大于2 MPa，彈性因子可達(dá)3以上，具有較高的、長期穩(wěn)定的強(qiáng)度和彈性；調(diào)驅(qū)型PPG顆粒含有柔性鏈段，在受到擠壓、拉伸作用時，具有較強(qiáng)的變形能力，樣品的溶脹倍數(shù)為3～5，抗壓強(qiáng)度為1～2 MPa，彈性因子為2～3，具有較強(qiáng)的多孔介質(zhì)變形通過能力。

1.1 增黏性及黏度穩(wěn)定性

文中實(shí)驗(yàn)均采用試驗(yàn)區(qū)回注污水，礦化度為5 420 mg/L，聚合物為大慶煉化生產(chǎn)相對分子質(zhì)量為2 500×104的聚合物。體系中PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L，聚合物質(zhì)量濃度為1 400 mg/L。配制不同類型PPG+聚合物體系，測定黏濃曲線。將溶液配置在恒溫箱中恒溫45 ℃放置90 d，考察體系黏度穩(wěn)定性，測定結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1可知，隨聚合物質(zhì)量濃度增加，3種溶液黏度也隨之增加。相同聚合物質(zhì)量濃度下，調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系黏度明顯高于單純聚合物溶液，表明調(diào)驅(qū)型PPG具有增黏作用；封堵型PPG+聚合物體系與單純聚合物溶液黏度基本相同，表明封堵型PPG無增黏作用。由圖2可知，調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系黏度隨放置時間增加先增加再降低至穩(wěn)定，90 d黏度保留率高達(dá)78.9%，高于單純聚合物溶液，表明調(diào)驅(qū)型PPG具有穩(wěn)定黏度的作用。

圖1 PPG+聚合物體系黏度-質(zhì)量濃度關(guān)系Fig.1 The relationship between viscosity and mass concentration of PPG + polymer system

圖2 PPG+聚合物體系黏度穩(wěn)定性Fig.2 The viscosity stability of PPG + polymer system

1.2 流變性及黏彈性

采用Physica MCR 301型旋轉(zhuǎn)流變儀，分析PPG+聚合物體系黏度與剪切速率關(guān)系，研究PPG顆粒類型、質(zhì)量濃度對體系流變性、黏彈性影響(圖3、4)。其中，聚合物質(zhì)量濃度為1 400 mg/L。

由圖3可知：相同剪切速率條件下，體系質(zhì)量濃度相同時，調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系視黏度最大，封堵型PPG+聚合物體系與單純聚合物黏度相近；調(diào)驅(qū)型PPG的質(zhì)量濃度越大，視黏度越大[13]。

圖3 PPG+聚合物體系類型及濃度對流變性影響Fig.3 The influence of the type and concentration of PPG + polymer system on rheology

由圖4可知：隨著振蕩頻率的增大，體系的儲能模量G′和損耗模量G″增大，即溶液表現(xiàn)出增彈特性；在相同振蕩頻率下，體系濃度相同時，PPG+聚合物體系的G′和G″大于單純聚合物溶液，表現(xiàn)出更高的黏彈效應(yīng)，具有更好的調(diào)驅(qū)效果；封堵型PPG+聚合物體系的G′最大，表明該體系彈性最好，封堵型PPG+聚合物體系的G″與調(diào)驅(qū)型體系基本相同；對于不同質(zhì)量濃度的PPG+聚合物體系，PPG質(zhì)量濃度越大，體系的G′、G″越大[14]。

圖4 PPG+聚合物體系類型及質(zhì)量濃度對黏彈性的影響Fig.4 The influence of the type and concentration of PPG+ polymer system on viscoelasticity

2 PPG+聚合物體系滲流能力評價(jià)

通過開展室內(nèi)流動物理模擬實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)PPG+聚合物體系滲流能力。實(shí)驗(yàn)用巖心為人造均質(zhì)膠結(jié)巖心，氣測滲透率為4 000 mD，巖心的長寬高分別為30.0、4.5、1.8 cm。實(shí)驗(yàn)步驟：先水驅(qū)至巖心壓力平穩(wěn)，再注入質(zhì)量濃度分別為500、1 400 mg/L的調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物混合體系驅(qū)替至壓力平穩(wěn)，后續(xù)轉(zhuǎn)為水驅(qū)至壓力平穩(wěn)。增加一組實(shí)驗(yàn)作為對照，僅將PPG+聚合物驅(qū)油體系改為質(zhì)量濃度為2 500 mg/L的純聚合物，其余條件不變(圖5)。

由圖5可知，PPG+聚合物驅(qū)油體系注入壓力漲幅遠(yuǎn)高于高濃度單純聚合物驅(qū)，表明PPG+聚合物驅(qū)油體系在油層中產(chǎn)生了較大的滲流阻力。PPG+聚合物體系的注入量為0.3～1.0倍孔隙體積時，體系注入壓力陡然上升；注入量為1.0～1.6倍孔隙體積時，注入壓力趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)鋸齒狀波動，表明PPG顆粒沒有堵塞巖心的注入端，聚合物溶液攜帶PPG顆粒在孔道中繼續(xù)向巖心深部運(yùn)移，變形通過孔道后卸壓，繼續(xù)在下一個孔道處堵塞，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)驅(qū)。后續(xù)水驅(qū)階段，注入壓力一直保持較高水平，說明PPG顆粒具有較好的封堵能力[15-17]。

圖5 注入壓力與注入量關(guān)系Fig.5 The relationship between injection pressure and injection volume

3 PPG+聚合物體系配方優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

利用取心井資料，統(tǒng)計(jì)了大慶油田薩中、薩北、薩南、喇嘛甸地區(qū)油層滲透率和厚度比例(不同滲透率有效厚度與總有效厚度比值)，計(jì)算了全區(qū)不同級別滲透率及厚度比例平均值，并模擬實(shí)際油層設(shè)計(jì)了3層并聯(lián)物理模型。模型高、中、低滲透儲層滲透率分別為4 000、2 000、500 mD，長度為30.0 cm，寬度為4.5 cm，高度分別為1.8、4.5、2.0 cm；實(shí)驗(yàn)用水采用大慶油田采油三廠注入污水，實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃；實(shí)驗(yàn)用油為模擬油，由大慶油田采油三廠脫氣原油與煤油混合而成，45 ℃條件下黏度為10.0 mPa·s。

3.2 驅(qū)油體系配方優(yōu)化

調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系中聚合物、PPG的質(zhì)量濃度會影響驅(qū)油效果，為達(dá)到最佳驅(qū)油效果和最低的化學(xué)劑用量，多次優(yōu)化體系中聚合物和PPG質(zhì)量濃度，確定最優(yōu)驅(qū)油體系配方(表1)。實(shí)驗(yàn)方案：水驅(qū)至含水為98%+0.57倍孔隙體積聚合物驅(qū)(分子質(zhì)量為1 200×104～1 600×104，質(zhì)量濃度為1 000 mg/L)+后續(xù)水驅(qū)至含水為98%+0.70倍孔隙體積調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物+后續(xù)水驅(qū)至含水98%。

表1 PPG+聚合物驅(qū)油體系配方優(yōu)化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experiment results of oil displacement with optimized PPG + polymer system

由表1可知，在相同聚合物質(zhì)量濃度條件下，PPG質(zhì)量濃度為500、800 mg/L的配方效果好于300 mg/L，且500 mg/L增至800 mg/L的采收率增幅較小，因此，建議PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L。在PPG質(zhì)量濃度相同的條件下，聚合物質(zhì)量濃度為1 000～1 400 mg/L時采收率提高增幅較大，1 400～1 800 mg/L時采收率提高增幅變緩。綜上所述，PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度為1 400 mg/L所配置的體系最佳，PPG+聚合物驅(qū)后采收率可提高11.3個百分點(diǎn)，較高濃度聚合物驅(qū)提高采收率增幅2.1個百分點(diǎn)，節(jié)省24%的聚合物用量。

3.3 調(diào)剖體系配方優(yōu)化

聚合驅(qū)后，油層經(jīng)過長時間的沖刷，非均質(zhì)性更為嚴(yán)重，存在優(yōu)勢滲流通道。為了提高調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系的驅(qū)油效果，節(jié)省用量，建議在注入主段塞前注入調(diào)剖段塞，即封堵型PPG+聚合物調(diào)剖體系。體系中封堵型PPG的質(zhì)量濃度會影響調(diào)剖效果，通過優(yōu)化封堵型PPG+聚合物體系中PPG濃度，從而確定最優(yōu)調(diào)剖配方(表2)。具體實(shí)驗(yàn)方案：水驅(qū)至含水為98%+0.57倍孔隙體積聚合物驅(qū)+后續(xù)水驅(qū)至含水為98%+0.05倍孔隙體積調(diào)剖段塞+0.70倍孔隙體積調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物+后續(xù)水驅(qū)至含水98%。

由表2可知，封堵型PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L時驅(qū)油效果最佳，該實(shí)驗(yàn)方案聚合物驅(qū)后可提高采收率13.5個百分點(diǎn)，較未注入調(diào)剖段塞提高采收率2.2個百分點(diǎn)。綜合考慮化學(xué)劑成本、開發(fā)效果和實(shí)際油藏物性條件等因素，建議在注主段塞前注入0.05倍孔隙體積封堵型PPG+聚合物體系(聚合物質(zhì)量濃度為500 mg/L，PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L)調(diào)剖段塞。

表2 封堵型PPG+聚合物調(diào)剖段塞優(yōu)化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experiment results of oil displacement with PPG + polymer for plugging after plugging optimization of profile control

對比聚合物驅(qū)后高濃度聚合物驅(qū)油體系和最優(yōu)PPG+聚合物驅(qū)油體系在不同滲透層的分流率(圖6)可知：聚合物驅(qū)后，注入高濃度聚合物溶液可提高中滲層吸液量，低滲層動用程度低；而PPG+聚合物可大幅度提高中、低滲層吸液量，調(diào)整剖面效果明顯。這是由于聚合物驅(qū)后注入封堵型PPG顆粒能夠有效封堵優(yōu)勢滲流通道，后續(xù)調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物能夠更好地調(diào)驅(qū)油層，有效解決聚合物驅(qū)后驅(qū)替液指進(jìn)問題，改善層間非均質(zhì)性，增強(qiáng)中、低滲透層的吸液能力，實(shí)現(xiàn)“堵、調(diào)、驅(qū)”相結(jié)合。在后續(xù)注水開發(fā)階段該效果持續(xù)有效，注入水推動孔道中的PPG顆粒繼續(xù)向巖心深部運(yùn)移，由于PPG顆粒具有彈性，變形通過孔道后卸壓，在下一個孔道處堵塞，引起壓力波動，解決了后續(xù)水驅(qū)階段化學(xué)劑液流轉(zhuǎn)向作用失效的問題[18-21]。

圖6 不同驅(qū)替方式在各滲透層的分流率Fig.6 The shunt rate of different displacement patterns in each permeable layer

4 實(shí)例應(yīng)用

研究區(qū)位于大慶長垣薩爾圖油田背斜構(gòu)造北部的西側(cè)，含油面積為4.2 km2，開采層位為葡I1-4，砂巖厚度為16.6 m，有效厚度為12.4 m，滲透率為561 mD。聚合物驅(qū)采用井距為250 m的五點(diǎn)法井網(wǎng)，37口生產(chǎn)井，23口注入井。目前平均單井日產(chǎn)液量為66 t/d，平均單井日產(chǎn)油量為1.5 t/d，綜合含水為97.7%，采出程度為56.2%。吸水有效厚度比例達(dá)到96.2%，其中，有效厚度大于2.0 m的小層吸水厚度比例達(dá)到99.0%，繼續(xù)開展水驅(qū)難以有效挖潛。按照“轉(zhuǎn)流線、優(yōu)驅(qū)替”的思路，在葡Ⅰ組聚合物驅(qū)井網(wǎng)的分流線加密新井，原聚合物驅(qū)井網(wǎng)部分生產(chǎn)井轉(zhuǎn)為注入井，形成一套井距為175 m的五點(diǎn)法井網(wǎng)，分流線轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁骶€。采用大慶煉化分子質(zhì)量為2 500×104的聚合物、自主研發(fā)封堵型PPG和調(diào)驅(qū)型PPG，年注入速度設(shè)計(jì)為0.13～0.15倍孔隙體積，注入時間為5 a。預(yù)測投產(chǎn)初期平均單井日注入量為90 m3/d，平均單井日產(chǎn)液量為76 t/d，區(qū)塊累計(jì)增產(chǎn)油量為57.7×104t，含水最大降幅為7.40個百分點(diǎn)，提高采收率8.57個百分點(diǎn)[22-23]。

試驗(yàn)區(qū)利用并改進(jìn)原聚驅(qū)配置站工藝，以達(dá)到PPG+聚合物溶液配置要求。通過井網(wǎng)加密調(diào)整提高油層控制程度，改變液流方向。利用封堵型PPG+聚合物調(diào)剖體系治理優(yōu)勢滲流通道，后注入調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物溶液有效改善油層非均質(zhì)性，在保證驅(qū)油效果的基礎(chǔ)上節(jié)約聚合物用量，為大慶油田四次采油階段持續(xù)高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

5 結(jié) 論

(1) 自主研制了PPG+聚合物驅(qū)體系。其中，調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系較單純聚合物溶液黏度、黏彈性顯著增加，且90 d黏度保留率高達(dá)78.9%；封堵型PPG顆粒無增黏性，封堵型PPG+聚合物體系黏彈性最好。

(2) PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度為1 400 mg/L的調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物體系配方可取得最佳驅(qū)油效果，該體系可在聚合物驅(qū)后繼續(xù)提高采收率11.30個百分點(diǎn)，與高濃度聚合物溶液相比具有更好的動態(tài)調(diào)驅(qū)性能及更強(qiáng)的封堵能力。在注入主段塞前注入PPG質(zhì)量濃度為500 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度為500 mg/L的封堵型PPG+聚合物體系效果更佳。

(3) 調(diào)剖后注入調(diào)驅(qū)型PPG+聚合物溶液可明顯提高中、低滲透層吸液量。將該體系應(yīng)用于研究區(qū)，預(yù)測可在聚合物驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率8.57個百分點(diǎn)。