聚合物傳輸運移能力和油藏適應(yīng)性評價*

蘇延昌

（中國石油大慶油田第六采油廠，黑龍江大慶 163114）

目前，國內(nèi)東部地區(qū)大部分水驅(qū)油田已經(jīng)進入高含水或特高含水階段，“穩(wěn)油控水”任務(wù)十分艱巨，亟待采取大幅度提高采收率技術(shù)措施。實踐表明，聚合物驅(qū)油技術(shù)是一項大幅提高水驅(qū)油藏采收率的技術(shù)措施。大慶油田自1996 年開始聚合物驅(qū)工業(yè)化推廣應(yīng)用，至今已連續(xù)16年原油產(chǎn)量大于1×107t，采收率增幅13%～14%，經(jīng)濟效果十分明顯［1-3］。隨著聚合物驅(qū)應(yīng)用規(guī)模擴大和油藏類型增加，聚合物類型不斷增多，聚合物溶液油藏適應(yīng)性問題開始受到石油科技工作者的高度重視。視黏度是目前挑選聚合物類型的主要依據(jù)，而黏度是聚合物溶液內(nèi)摩擦力大小的評價指標，它與聚合物相對分子質(zhì)量、濃度、分子結(jié)構(gòu)形態(tài)和溶劑水礦化度等因素有關(guān)。實驗表明，聚合物相對分子質(zhì)量愈大、濃度愈高和礦化度愈低，聚合物溶液黏度愈高。但由于制作工藝、成本和環(huán)保等因素影響，通過增加相對分子質(zhì)量與濃度和采用清水來增加黏度的做法受到極大限制，因而改變聚合物分子聚集體形態(tài)就成為提升聚合物增黏性的主要做法［4-7］?？果}聚合物是一類通過改變聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)來提升聚合物增黏性聚合物的總稱，包括疏水締合聚合物、枝化聚合物和星型聚合物等。但一味追求通過改變聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)形態(tài)來提升黏度的做法也會帶來聚合物分子聚集體與巖石孔喉尺寸匹配關(guān)系和聚合物波及效果變差的技術(shù)風險［8-16］。

大慶太北開發(fā)區(qū)主要以三角洲內(nèi)前緣相沉積為主，具有河道規(guī)模小、單層厚度薄和滲透率低、水驅(qū)控制程度和采出程度低等特點，亟待采取大幅度提高采收率技術(shù)措施。太18-38井區(qū)位于太北開發(fā)區(qū)中部，平均單井射開砂巖厚度15.8 m，有效厚度10.4 m，平均有效滲透率0.239 μm2，具備聚合物驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用潛力。為考察普通聚合物和抗鹽聚合物溶液的油藏適應(yīng)性，本文以區(qū)間壓差和壓差比為評價指標，開展了兩類聚合物溶液傳輸運移能力評價實驗和作用機理分析［17-18］，以期為目標油藏聚合物的選擇提供決策依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺，中國石油大慶煉化公司生產(chǎn)，包括中分聚合物，相對分子質(zhì)量1200×104，有效含量90%；中高分聚合物，相對分子質(zhì)量1600×104，有效含量90%；高分聚合物，相對分子質(zhì)量1900×104，有效含量90%；超高分聚合物，相對分子質(zhì)量2500×104，有效含量88%；抗鹽聚合物，相對分子質(zhì)量700×104，有效含量90%。大慶油田第五采油廠采出污水、清水和地層水，污水礦化度5840.99 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+25.05、Mg2+9.11、K++Na+1817、Cl-1293.93、SO42-72.05、HCO3-2623.86；清水礦化度998.62 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+30.06、Mg2+12.15、K++Na+239.78、Cl-88.63、SO42-30.02、HCO3-598；地層水礦化度7156.5 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+14.9、Mg2+7.5、K++Na+2428、Cl-2266.9、SO42-54.1、HCO3-2160.1、CO32-197.7。實驗中所用聚合物溶液均采用清水配制聚合物母液（cp=5 g/L），然后用污水稀釋為目的液（cp=1 g/L）。石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［19-20］。其中，聚合物溶液滲流特性實驗所用巖心為小圓柱，2.5 cm（直徑）×10 cm（長），氣測滲透率（Kg）為250×10-3～1500×10-3μm2；聚合物溶液傳輸運移能力實驗所用巖心為方巖心，4.5 cm（高）×4.5 cm（寬）×30 cm（長），Kg為250×10-3～1500×10-3μm2。采用環(huán)氧樹脂澆鑄和密封巖心，在巖心入口端、距入口1/3和2/3處設(shè)置壓力測試點，3個測壓點將巖心在長度方向上劃分為區(qū)域1、區(qū)域2 和區(qū)域3，每個區(qū)域長度為10 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度儀，美國Brookfield 公司；Waring攪拌器，美國Waring公司；NanoZS90馬爾文粒徑分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；Tecnai G2 F20 高分辨場發(fā)射電子顯微鏡，美國FEI 公司；巖心驅(qū)替實驗裝置，由平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、管線閘門、手搖泵和中間容器等部件組成，除平流泵和手搖泵外，其他部件置于45 ℃恒溫箱內(nèi)。實驗設(shè)備及流程見參考文獻［4］。

1.2 實驗方法

（1）聚合物黏度的測定。采用布氏黏度儀測量聚合物溶液的黏度，轉(zhuǎn)子型號為0 號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為6 r/min。為了模擬聚合物溶液在多孔介質(zhì)中隨著運移距離變化而引起的黏度變化，以及了解各類型聚合物溶液的黏度保留率，采用Warning 攪拌器對聚合物溶液進行預剪切，剪切速度3000 r/min，剪切時間分別為1、3、5 s。

（2）滲流特性評價。采用巖心驅(qū)替實驗裝置測定聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。具體步驟為：巖心抽真空飽和地層水，水驅(qū)，記錄穩(wěn)定注入壓力δp1；聚合物溶液驅(qū)5 PV，記錄壓力δp2；后續(xù)水驅(qū)4～5 PV，記錄壓力δp3。計算阻力系數(shù)（δp2/δp1）和殘余阻力系數(shù)（δp3/δp1）。

（3）傳輸運移能力評價。采用巖心驅(qū)替實驗裝置評價聚合物溶液的傳輸運移能力。具體步驟為：巖心抽真空飽和地層水，水驅(qū)，記錄各測壓點的穩(wěn)定壓力p水驅(qū)1、p水驅(qū)2和p水驅(qū)3；聚合物溶液驅(qū)1 PV，定期記錄各測壓點壓力p聚驅(qū)1、p聚驅(qū)2和p聚驅(qū)3；后續(xù)水驅(qū)1 PV，記錄各測壓點壓力p后續(xù)水驅(qū)1、p后續(xù)水驅(qū)2和p后續(xù)水驅(qū)3。實驗過程中的注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔30 min。聚合物溶液在巖心內(nèi)傳輸運移能力評價指標為各個區(qū)域的壓差δp，定義為：

其中，δp1、δp2、δp3分別為巖心區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的壓差，p1、p2和p3為測壓點1、測壓點2 和測壓點3的壓力。另一個評價指標為聚合物驅(qū)結(jié)束時巖心前部區(qū)域與后部區(qū)域壓差之比（β），定義為：

推薦指標β的范圍為：1≤β＜3，優(yōu)良；3≤β＜9，中等；9≤β＜16，較差；β≥16，差［14］。

（4）聚合物分子聚集體尺寸的測定。將5 種聚合物溶液的質(zhì)量濃度稀釋到1 g/L，在45 ℃條件下采用馬爾文粒徑分析儀測定聚合物分子聚集體尺寸。

（5）聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)的表征。采用高分辨場發(fā)射電子顯微鏡觀察聚合物分子聚集體的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。將聚合物溶液稀釋至200 mg/L，再進行液氮冷凍制樣，隨后對樣品噴金，最后觀測樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物增黏性及影響因素

2.1.1 聚合物類型的影響

當聚合物質(zhì)量濃度為1 g/L 時，中分聚合物、中高分聚合物、高分聚合物、超高分聚合物、抗鹽聚合物溶液的黏度分別為22.6、31.9、35.6、46.4、52.4 mPa·s。在聚合物質(zhì)量濃度相同的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物溶液的黏度較高。在4 種普通聚合物中，隨聚合物相對分子質(zhì)量增加，聚合物溶液黏度增大。聚合物在水溶液中呈無規(guī)線團狀分布，聚合物相對分子質(zhì)量愈大，分子鏈愈長，需要協(xié)同運動的鏈段愈多，分子間作用力即內(nèi)摩擦力愈大，視黏度愈大［21-22］。

2.1.2 剪切作用的影響

將1 g/L 的聚合物溶液分別剪切1、3、5 s，其保留黏度和保留率與剪切時間的關(guān)系見表1。當聚合物類型和濃度一定時，隨剪切時間增加，聚合物溶液黏度降低；當聚合物質(zhì)量濃度一定時，5種聚合物溶液中抗鹽聚合物溶液的保留率較低，表明抗剪切能力較差。

表1 聚合物溶液保留黏度和保留率與剪切時間的關(guān)系

2.2 聚合物溶液的滲流特性

2.2.1 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

聚合物溶液（cp=1 g/L）的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)與巖心滲透率的關(guān)系見表2。在聚合物類型和濃度相同的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心孔喉尺寸增大，多孔介質(zhì)內(nèi)聚合物滯留量減少，滯留能力下降，滲流阻力降低，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)逐漸減小。在聚合物質(zhì)量濃度和巖心滲透率一定的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留作用較強，滲流阻力較大，因而阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)較大。在4種普通聚合物中，隨聚合物相對分子質(zhì)量的增大，聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增大。

表2 聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

2.2.2 動態(tài)特征

實驗過程中注入壓力與注入體積的關(guān)系見圖1。在聚合物溶液注入階段，隨注入體積的增加，注入壓力逐漸升高。在后續(xù)水驅(qū)階段，注入壓力降低并趨于平穩(wěn)。在聚合物類型和濃度相同的條件下，隨巖心滲透率降低，聚合物注入階段和后續(xù)水驅(qū)階段的注入壓力逐漸增大。隨巖心滲透率降低，孔隙尺寸減小，聚合物滯留增加，附加滲流阻力增大，導致注入壓力升高。在聚合物質(zhì)量濃度和巖心滲透率一定的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留量較高，附加滲流阻力較大，因此注入壓力較高。在4種普通聚合物中，隨聚合物相對分子質(zhì)量的增大，聚合物注入階段和后續(xù)水驅(qū)階段的注入壓力升幅增加。隨聚合物相對分子質(zhì)量的增大，聚合物分子鏈長度增加，聚集體尺寸增大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留量增加，因此附加滲流阻力和注入壓力升幅增大。

依據(jù)注聚合物過程（圖1）中注入壓力是否達到穩(wěn)定即出現(xiàn)水平段（注采平衡），可以確定聚合物溶液能通過巖石的最低滲透率即滲透率極限值K。其中，中分、中高分和高分聚合物溶液的滲透率極限值約為238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2，超高分和抗鹽聚合物溶液的滲透率極限值約為500×10-3μm2。

圖1 巖心中注入不同聚合物溶液的注入壓力與注入量的關(guān)系

2.3 聚合物溶液的傳輸運移能力

2.3.1 壓差和壓差比

聚合物溶液注入結(jié)束時，巖心各個測壓點區(qū)間的壓差δp和壓差比β見表3。依據(jù)評價指標β數(shù)值與傳輸運移能力的優(yōu)劣關(guān)系，并與表4 中的數(shù)據(jù)對比綜合考慮可以看出，當巖心滲透率為250×10-3～510×10-3μm2時，中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β1小于3、β3大于9，大部分聚合物在巖心中部滯留，因此β2的值對現(xiàn)場的指導意義更大。中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β2分別為4.15、4.98、5.72 和5.83，傳輸運移能力中等。抗鹽聚合物溶液的β1為32.2，傳輸運移能力差。當巖心滲透率為750×10-3～1500×10-3μm2時，中分和中高分聚合物溶液的β2為2.43 和3.24（選擇中間滲透率的β2為代表），傳輸運移能力優(yōu)良；高分和超高分聚合物溶液的β2為4.43 和4.88，傳輸運移能力中等?？果}聚合物溶液的β1為25.87，傳輸運移能力差。在5 種聚合物中，抗鹽聚合物溶液在巖心孔隙內(nèi)尤其是注入端附近區(qū)域的滯留量較大，壓差值和壓差比值較大，其次為超高分聚合物溶液，再其次是高分聚合物溶液和中高分聚合物溶液，中分聚合物溶液的最小。由此可見，抗鹽聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的傳輸運移能力較差。

表3 巖心各個測壓點區(qū)間的壓差和壓差比

2.3.2 動態(tài)特征

當巖心滲透率Kg=500×10-3μm2和聚合物質(zhì)量濃度cp=1 g/L時，5種聚合物溶液注入巖心后各個測壓點的壓力與注入量的關(guān)系見圖2。當注入體積為1 PV時，在測壓點1處，注入壓力從大到小依次為抗鹽、超高分、高分、中高分、中分聚合物。在測壓點2處，注入壓力從大到小依次為高分、中高分、中分、抗鹽聚合物、超高分。在測壓點3處，注入壓力從大到小依次為中分、中高分、高分、超高分、抗鹽聚合物。由此可見，對于普通聚合物溶液，隨聚合物相對分子質(zhì)量的增加，聚合物溶液傳輸運移能力變差。與普通聚合物溶液相比，抗鹽聚合物溶液的傳輸運移能力較差。

圖2 巖心中注入不同聚合物溶液后各個測壓點的壓力與注入量的關(guān)系

2.4 作用機理分析

2.4.1 聚合物分子聚集體尺寸

兩類聚合物溶液中的聚合物分子聚集體尺寸見表4。在聚合物質(zhì)量濃度相同的條件下，隨聚合物相對分子質(zhì)量的增加，聚合物分子聚集尺寸逐漸增大，聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留水平提高，滲流阻力增幅增大，傳輸運移能力減弱。與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留能力較強，滲流阻力增幅較大，傳輸運移能力較差。王曉燕等［21-22］認為在相同濃度的聚合物溶液中，聚合物相對分子質(zhì)量越大，分子鏈越長，分子聚集體尺寸越大。隨聚合物質(zhì)量濃度增加，單位體積內(nèi)的分子線團數(shù)量增大，羧基所帶負電荷增多，陽離子屏蔽效應(yīng)相對減弱，各個支鏈間的靜電斥力得以增強，聚合物分子鏈舒展程度增加，聚合物分子聚集體尺寸增大。

表4 聚合物分子聚集體尺寸

2.4.2 聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)特征

普通高分和抗鹽聚合物分子聚集體的微觀結(jié)構(gòu)見圖3。高分聚合物分子聚集體呈線-網(wǎng)狀，而抗鹽聚合物呈片-網(wǎng)狀。與抗鹽聚合物相比，高分聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)中的骨干比較細，分子鏈的粗細程度相似，分子鏈的線性程度較高，分子間的纏繞作用較弱。此外，抗鹽聚合物分子鏈上存在少量片狀結(jié)構(gòu)。與線-網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，片-網(wǎng)結(jié)構(gòu)聚合物分子的鏈間纏繞作用和內(nèi)摩擦力較強，分子聚集體尺寸較大，因而增黏性和多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留能力較強。

圖3 聚合物分子聚集體的電鏡照片

3 結(jié)論

與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，巖心孔隙內(nèi)尤其是注入端附近區(qū)域內(nèi)的滯留水平較高，致使該區(qū)域滲流阻力增幅以及壓差和壓差比值較大，傳輸運移能力較差。與普通聚合物不同，抗鹽聚合物分子鏈上存在少量片狀結(jié)構(gòu)，致使聚合物分子鏈間纏繞作用增強、分子聚集體尺寸增大和聚合物傳輸運移能力變差。當目標油藏儲層滲透率為238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2時，與其相適應(yīng)的聚合物為中分、中高分和高分聚合物；儲層滲透率為500×10-3μm2時，適應(yīng)的聚合物為超高分和抗鹽聚合物。