利用玻璃型微模型在均質(zhì)和非均質(zhì)多孔介質(zhì)中注聚合物提高采收率的實(shí)驗(yàn)研究

焦衛(wèi)華 李艷 吳利超 羅瑩

摘 要：利用玻璃型微模型進(jìn)行了一系列聚合物驅(qū)運(yùn)行。制作的微模型具有均勻和非均勻的流型，在開始注入之前，他們被水平放置，并用從油田采集的重質(zhì)原油樣品飽和。研究使用了3種聚合物，整個(gè)過程用高分辨率攝像機(jī)連續(xù)拍攝，以監(jiān)測(cè)微模型中聚合物溶液的位移。研究了聚合物溶液濃度、注入流量和非均質(zhì)性等不同參數(shù)對(duì)聚合物驅(qū)動(dòng)態(tài)的影響。在使用的規(guī)則均質(zhì)和非均質(zhì)流型的基礎(chǔ)上，根據(jù)砂巖薄片（露頭）的圖像創(chuàng)建了模擬砂巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)流型，并在注入過程中觀察到聚合物前緣的移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：聚合物注入;非均質(zhì)性;玻璃型微模型;掃掠效率;采收率;聚合物驅(qū)

中圖分類號(hào)：TE357.9;TQ171 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0079-05

聚合物是通過添加小重復(fù)單元（單體）而形成的大分子。一般來說，提高采收率過程中使用的聚合物分為合成聚合物和生物聚合物兩類。這些聚合物每一類的獨(dú)特特性都有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。合成聚合物價(jià)格合理，在淡水中具有適當(dāng)?shù)酿ざ?，在巖石表面具有可接受的吸附性。這種聚合物的缺點(diǎn)可歸因于對(duì)流速和剪切降解的敏感性;在高鹽度水中的效率較低。生物聚合物對(duì)高鹽度水和剪切降解表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但它們對(duì)低溫儲(chǔ)層中的細(xì)菌降解非常敏感。生物聚合物不會(huì)吸附在巖石表面。

當(dāng)聚合物添加到水（鹽水）中時(shí)，其黏度將增加。因此，聚合物注入可導(dǎo)致分流比和流度比的變化，并具有流體分流效應(yīng)。因此，聚合物有助于減少粘性指進(jìn)，改善注水剖面，從而提高掃掠效率。然而，聚合物的穩(wěn)定性是一個(gè)問題。許多研究人員關(guān)注的是影響聚合物在不同條件下穩(wěn)定性的參數(shù)?；瘜W(xué)、機(jī)械和生物降解因素導(dǎo)致聚合物的不穩(wěn)定性。氧化和鐵離子是影響化學(xué)降解的因素。減少與聚合物接觸的水中的氧氣量可防止Fe3+、Fe2+和自由基O2-離子的生成使聚合物溶液更穩(wěn)定，防止化學(xué)降解發(fā)生。當(dāng)聚合物分子由于剪切應(yīng)力而分解時(shí)，就會(huì)發(fā)生機(jī)械降解。使用一些添加劑可以解決這些問題。

儲(chǔ)層水礦化度、儲(chǔ)層溫度、地層類型和儲(chǔ)層滲透率是影響聚合物注入動(dòng)態(tài)的因素。例如，在聚合物與儲(chǔ)層流體鹽度和其中所含離子不相容的情況下，聚合物溶液的黏度沒有充分達(dá)到，其有效性大大降低。儲(chǔ)層的高溫會(huì)破壞聚合物的分子鏈，使其變成單體。如果發(fā)生這些現(xiàn)象，水和聚合物溶液的黏度將降低。在大多數(shù)報(bào)告中，兩種聚合物（合成聚合物和生物聚合物）的溫度耐受性均為93 ℃。值得注意的是，93 ℃的溫度不能保證聚合物在長時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)研究是聚合物注入研究的重要步驟。巖心驅(qū)油常用于實(shí)驗(yàn)研究。巖芯是地表儲(chǔ)層的最佳代表之一，但要獲得天然儲(chǔ)層巖芯并不容易。此外，由于在需要流動(dòng)行為的情況下缺乏巖心驅(qū)油的可視化，這種多孔介質(zhì)不可能是一個(gè)很好的候選者。為了克服這些問題，使用了可視化微模型。玻璃微模型是研究聚合物注入過程中的主動(dòng)采油機(jī)制和采油過程中的有效參數(shù)的非常有用的工具。由于透明性，可以直接觀察和拍攝整個(gè)過程，并使用數(shù)字圖像分析（DIA）對(duì)過程中拍攝的照片進(jìn)行分析，以了解任何孔隙水平機(jī)理，并估算采收率?？梢酝茢啵酆衔矧?qū)的性能取決于儲(chǔ)層類型和特征，可以使用微模型裝置對(duì)其進(jìn)行研究。因此，在本研究中，已經(jīng)制作了許多具有不同孔隙模式非均質(zhì)性的微模型裝置，以研究油田中3種不同聚合物的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

開展的一系列實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究不同參數(shù)（如聚合物溶液濃度、聚合物類型和注入流量）對(duì)原油采收率的影響。因此，使用3種不同類型的商用聚合物制備具有不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液，并以不同流速注入。這些聚合物在鉆井工業(yè)中用作水基泥漿的添加劑，主要用于控制流體損失。

第一步是制作一個(gè)相對(duì)耗時(shí)的玻璃微模型。制造過程中涉及的步驟是首先使用一塊尺寸合適的鏡子，然后去除背面的油漆，直到露出汞涂層。然后，我們?cè)谒y涂層上覆蓋一層塑料拉米奈特，并將黑白圖案打印在紙上，覆蓋在層壓板表面上。使用紫外線（UV）照射使非聚合（耐酸）圖案區(qū)域聚合，然后使用硝酸去除（溶解）非聚合（圖案）區(qū)域，然后使用氫氟酸蝕刻圖案區(qū)域。在氫氟酸中循環(huán)浸泡一定時(shí)間可導(dǎo)致一定深度的蝕刻。應(yīng)該提到的是，所有這些步驟都是在完全謹(jǐn)慎的情況下采取的。建立了一系列具有同基因、非均質(zhì)和非均質(zhì)流型的微模型裝置，并用于聚合物注入的實(shí)驗(yàn)研究。圖1顯示了用于微模型制造的均質(zhì)流型。

下一步是用原油飽和微模型裝置，而不具有任何共生水飽和度。本研究中使用的原油取自油田，其API為19.8（相對(duì)較重）。飽和過程非常小心，以避免原油穿透非多孔介質(zhì);而不是腐蝕多孔介質(zhì); 流型飽和后開始實(shí)驗(yàn)。本研究中使用Quizix泵將聚合物溶液以接近儲(chǔ)層中流體真實(shí)速度的非常精確的速率注入微模型。

1.1 微模型的物理性質(zhì)

作為實(shí)驗(yàn)的重要階段之一，確定了生成的玻璃微模型的屬性。其中一些性質(zhì)，即孔隙體積和孔隙度，是通過使用數(shù)字圖像分析（DIA）過程的計(jì)算機(jī)軟件確定的。在整個(gè)裝置的壓差（ΔP）穩(wěn)定后，通過穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)對(duì)滲透性等其他特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。應(yīng)注意的是，此處使用的微模型是由玻璃制成的水濕模型，未進(jìn)行老化處理以改變其原始潤濕性。

1.1.1 多孔性

使用DIA工藝，確定了面積孔隙率，并根據(jù)蝕刻深度的均勻分布，計(jì)算孔隙率并將其作為總孔隙率報(bào)告。用油將圖案飽和，然后拍攝照片并進(jìn)行分析，以確定孔隙度。通過圖像分析，估計(jì)的總孔隙度為0.36（36%）。

1.1.2 孔隙體積

用測(cè)微計(jì)工具測(cè)量在微模型中形成的蝕刻玻璃（孔）的深度。因此，通過將深度乘以孔隙面積，確定孔隙體積為0.068 mL。蝕刻玻璃的放大圖如圖2所示。

1.1.3 滲透性

玻璃微模型的另一個(gè)重要特性是絕對(duì)滲透率。這可以通過收集流量數(shù)據(jù)和相關(guān)注射壓力來實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)定流量，使系統(tǒng)達(dá)到恒定（穩(wěn)定）壓差。通過了解壓差（出口壓力為大氣壓力），可根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算絕對(duì)滲透率。同質(zhì)模式的滲透率約為20 D。

2 結(jié)果和討論

2.1 均勻流型

2.1.1 聚合物溶液質(zhì)量濃度對(duì)原油采收率的影響

制備了3種不同質(zhì)量濃度（1 000、1 500和2 250 mg/L）的1型聚合物溶液，并以0.000 2 mL/min的速率注入飽和均質(zhì)微觀模型，以研究聚合物質(zhì)量濃度對(duì)原油采收率的影響。圖3顯示了聚合物溶液質(zhì)量濃度對(duì)1型聚合物采油的影響。

如圖3所示，溶液中聚合物質(zhì)量濃度增加150%（從1 500 mg/L增加到2 250 mg/L），回收率增加了約7%。聚合物質(zhì)量濃度的增加，溶液黏度增大，提高了前緣穩(wěn)定性，并最大限度地減少了指進(jìn)和竄流問題，從而提高了采收率。低質(zhì)量濃度（1 000 mg/L）溶液在注入0.54孔隙體積（PV）時(shí)的穿透速度最快，而其他溶液在分別注入1 500和2 250 mg/L時(shí)的穿透速度分別為0.58和0.62PV。較低的質(zhì)量濃度意味著較低的黏度和較低的采收效率。值得一提的是，在我們所有的實(shí)驗(yàn)中，一旦不再采油，注入很快就會(huì)停止。

2.1.2 注入流量對(duì)原油采收率的影響

在這一系列實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試了3種不同的流速：1型聚合物的流速分別為0.000 2、0.000 5和0.000 8 mL/min，2型和3型聚合物的流速分別為0.000 2和0.000 5 mL/min，其均為1 500 mg/L的固定質(zhì)量濃度?？梢杂^察到，在每個(gè)步驟中，流速增加了2.5倍。圖4顯示了2類聚合物的注入流速的影響。

如圖4所示，在較低的流速下，模型中的聚合物驅(qū)替更像活塞，而在較高的注入速率下，它具有不穩(wěn)定的前緣，具有較少的活塞式驅(qū)替。對(duì)于聚合物類型1和3，也觀察到類似的結(jié)果。這是因?yàn)椋诘蛧娚渎氏?，流體有時(shí)間在區(qū)域上分布，以獲得更像活塞的流動(dòng)。應(yīng)注意的是，聚合物驅(qū)替期間，與注水相比，聚合物溶液的低注入能力也會(huì)影響原油采收率對(duì)聚合物注入速率的敏感性。在聚合物驅(qū)項(xiàng)目中，注入能力損失是一個(gè)嚴(yán)重的問題，尤其是在低滲透地層中，由于聚合物溶液的大分子尺寸和高黏度，這一問題可能會(huì)發(fā)生。在實(shí)際儲(chǔ)層中，高注入速率會(huì)導(dǎo)致井底壓力升高，如果不加以控制，則會(huì)超過裂縫壓力并造成地層損害。

2.1.3 注水與注聚合物的對(duì)比

進(jìn)行注水與聚合物注入，比較其性能。水驅(qū)是最受歡迎的2次采油方法之一，因?yàn)榕c其他提高采收率方法相比，水的可用性（尤其是在海上作業(yè)中）以及相對(duì)較低的成本和復(fù)雜性。然而，需要控制水的流動(dòng)性，尤其是在層狀和非均質(zhì)儲(chǔ)層中，以便進(jìn)行良好的一致性控制。如前所述，向水中添加聚合物將增加黏度，并將提高石油采收效率。圖5（棕色：油;白藍(lán)色：聚合物;藍(lán)色：水）比較了3種不同孔隙體積下微模型中水和聚合物的位移。水驅(qū)和聚合物驅(qū)注入相同孔隙體積時(shí)的水淹模式，如圖5所示。

如圖5所示，清楚地說明了與注水相比，聚合物驅(qū)產(chǎn)生的更好的面積波及效率和更少的殘留油滯留在孔隙和喉道中，從而導(dǎo)致更高的石油采收率。

2.1.4 3種聚合物的性能比較

圖6比較了在相同注入孔隙體積下微模型中1、2和3類聚合物的排量。它們都具有1 500 mg/L的固定質(zhì)量濃度。可以觀察到，與其他兩種聚合物相比，2型聚合物的排量更像活塞（即穩(wěn)定排量）。接下來，聚合物類型3像活塞一樣移動(dòng)。聚合物類型2的溶液黏度最大，之后聚合物類型3的黏度高于聚合物類型1。這些黏度值導(dǎo)致2型聚合物具有更好的流動(dòng)性比，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的驅(qū)替。

2.2 非均勻流型

實(shí)際油藏是由不同非均質(zhì)性組成的復(fù)雜集合。但是，在大多數(shù)常規(guī)油藏工程計(jì)算中，沒有考慮這種非均質(zhì)性。在常規(guī)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，由于巖心堵塞的規(guī)模較小，也不能考慮非均質(zhì)性的影響。因此，在玻璃微模型中包含異質(zhì)性使我們能夠創(chuàng)建不同類型的異質(zhì)性，并可視化從實(shí)驗(yàn)開始到結(jié)束的聚合物前緣運(yùn)動(dòng)和行為。在下一節(jié)中，將討論人工創(chuàng)建的非均質(zhì)模式中聚合物驅(qū)的結(jié)果。應(yīng)該提到的是，非均質(zhì)性類型是從一些真實(shí)的大規(guī)模非均質(zhì)性繼承而來的，這些非均質(zhì)性通常存在于地下儲(chǔ)層中。

2.2.1 雙層流型

該流型包括兩個(gè)滲透率不同的層（層之間用紅色虛線分隔）。與滲透率較高的上側(cè)層相比，下側(cè)層的滲透率較低。通過控制各層孔隙和喉道的大小，可獲得不同的滲透率。這是分層和隔離儲(chǔ)層中可以發(fā)現(xiàn)的非均質(zhì)性之一。

如圖7所示，聚合物從左側(cè)注入，主要在底部推進(jìn)，滲透率較高。盡管與下層相比，上層的滲透率較低，但其面積較大，導(dǎo)致聚合物也通過它。應(yīng)注意的是，微模型的滲透率通常較大，使得上層也具有較大的滲透率（按幾達(dá)西的順序），但小于下側(cè)層的滲透率。這意味著，各層之間的滲透率差異可能不會(huì)導(dǎo)致通過不同層的流動(dòng)行為有太大差異。值得一提的是，由于微模型模式的水平定位，沒有任何重力影響。

2.2.2 傾斜區(qū)非均勻流型

在這種非均質(zhì)流動(dòng)模式中，傾斜帶以低滲透性和高滲透性彼此相鄰，高滲透層和低滲透層相互交替（從右側(cè)注入;虛線為區(qū)域邊界），如圖8所示。由于傾斜帶之間的滲透性對(duì)比，該流動(dòng)模式中的聚合物前緣運(yùn)動(dòng)為之字形。在這種流動(dòng)模式中，當(dāng)聚合物前緣到達(dá)低滲透區(qū)時(shí)，它試圖縱向向前移動(dòng)（1-D），而在高滲透區(qū)，其移動(dòng)是縱向和橫向的（2-D）。

2.2.3 使用砂巖薄片制作的流型

利用露出地表的砂石薄片照片，制作了這種流型，主要目的是模擬更真實(shí)的多孔介質(zhì)來研究流體流動(dòng)。應(yīng)注意的是，該薄片是巖石的一小部分，其非均質(zhì)性在這種規(guī)模下無法捕獲。然而，在一定程度上仍然可以觀察到彎曲、死端孔效應(yīng)和不規(guī)則孔喉形狀。圖9顯示了具有飽和油的砂巖流型的微模型。

如圖9所示，與注水相比，聚合物溶液的黏度較高。因此，孔隙角落，特別是喉道中的殘余油較少，從而在注水過程中以最少的油旁通提高了驅(qū)油效率。圖9顯示了具有更真實(shí)的流型的系統(tǒng)中聚合物驅(qū)的效率。

3 結(jié)語

在具有1 - D或2 - D流動(dòng)方向的水平定位的手動(dòng)制造的玻璃均質(zhì)和異質(zhì)微模型中進(jìn)行了一組聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)，微模型裝置被相對(duì)較重的原油飽和。在相同初始條件下，將采油結(jié)果與水驅(qū)采油結(jié)果進(jìn)行了比較。本實(shí)驗(yàn)研究中使用了3種不同的聚合物類型，改變聚合物溶液質(zhì)量濃度和注入速率，以考慮其對(duì)采油的影響。結(jié)果表明：2型聚合物具有更好的性能。還觀察到，在較高的聚合物質(zhì)量濃度和較低的注入速率下，聚合物可以實(shí)現(xiàn)更好的采收效率。微模型中聚合物前緣的可視化顯示，與純水注入中的前緣相比，溶液的運(yùn)動(dòng)更像活塞。非均質(zhì)性作為本研究中的另一個(gè)研究參數(shù)，在石油開采中起著重要作用。為了模擬儲(chǔ)層中的真實(shí)非均質(zhì)性，在玻璃微模型中引入了幾種人工制造的非均質(zhì)性。因此，掃掠面積受到非均勻性的顯著影響，因?yàn)樗绊懥虽h面運(yùn)動(dòng)。因此，在任何聚合物注入項(xiàng)目之前，必須考慮宏觀非均質(zhì)性，如層狀或斷層儲(chǔ)層，以及任何高滲透或低滲透層的存在，以實(shí)現(xiàn)最佳的EOR性能。

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