超高分子締合聚合物溶液特性及驅(qū)油效果研究

徐 輝

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015)

超高分子締合聚合物溶液特性及驅(qū)油效果研究

徐 輝

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015)

為了提高勝利油田高溫高含鹽Ⅲ類油藏的聚合物驅(qū)效果，開展了耐溫抗鹽超高分子締合聚合物AP-P5溶液的特性及驅(qū)油效果研究。在溫度為85 ℃、地層水礦化度為32 868 mg/L的Ⅲ類油藏條件下，對AP-P5的基本物化性能進行了評價，測試了AP-P5溶液的黏度-濃度曲線，用光散射儀測定了AP-P5溶液的流體力學(xué)半徑分布，并通過混合聚合物和石英砂，研究了溶液的吸附性，最后利用巖心物理模擬試驗研究了AP-P5的注入滲流特性和驅(qū)油效果；在勝利油田坨28區(qū)塊進行了現(xiàn)場試驗，分析了AP-P5溶液的注入曲線和注入后該區(qū)塊的生產(chǎn)曲線。試驗發(fā)現(xiàn)，AP-P5與普通締合聚合物DH3相比，相對分子質(zhì)量高一倍，締合單體含量低58%，無明顯的臨界締合濃度，流體力學(xué)半徑更小，吸附量小30%，注入壓力低50%，采收率提高率高3.9百分點；不過，現(xiàn)場試驗還在繼續(xù)，目前尚無明顯的降水增油效果。研究表明，AP-P5溶液特性優(yōu)良，在地層中比普通締合聚合物更容易形成活塞式推進，驅(qū)油效果更好。

超高分子量 締合聚合物 流體力學(xué)半徑 黏度 濃度 吸附 驅(qū)油效率

目前，對于Ⅲ類油藏，利用聚合物驅(qū)進行開采，從成本、效果、長效性等方面看，都是最好的選擇。勝利油田高溫高含鹽Ⅲ類油藏(礦化度在20 000 mg/L以上，油藏溫度在85 ℃以上)的儲量在5×108t以上，但由于常規(guī)的Ⅰ、Ⅱ類聚合物(相對分子質(zhì)量在2 000萬及以下的部分水解聚丙烯酰胺)在該類油藏條件下的增黏性、耐溫性及抗鹽性較差，無法對其進行有效開采，因此，研制開發(fā)具有耐溫、抗鹽性能的Ⅲ類聚合物具有重要意義。

國內(nèi)外目前對耐溫抗鹽聚合物的研究主要集中在以下幾個方面：1)提高聚合物的相對分子質(zhì)量，合成相對分子質(zhì)量在3 000萬以上的超高分子量聚丙烯酰胺[1-4]；2)引入疏水單體合成疏水締合聚合物，提高聚合物的黏度及耐溫、抗鹽性能[5]；3)向丙烯酰胺分子主鏈中引入剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，提高聚合物主鏈的熱穩(wěn)定性[6]；4)在丙烯酰胺單體中同時引入陰、陽離子形成兩性離子聚合物，實現(xiàn)對配制水礦化度的緩沖[7]。以上研究都能提高聚合物的耐溫、抗鹽性能，但都存在不足：超高分子量聚丙烯酰胺在高礦化度條件下仍存在分子鏈卷曲及高溫條件下熱穩(wěn)定性差的問題；常規(guī)疏水締合聚合物在高溫高鹽條件下的驅(qū)油效果如何仍存在爭議[8]；引入剛性和環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以提高聚合物的熱穩(wěn)定性，但合成的聚合物相對分子質(zhì)量較低、增黏性差[9]；而兩性聚合物減弱了聚丙烯酰胺分子鏈之間的排斥作用，因此增黏性也較差[10]。

羅平亞等人[11]通過研制新型引發(fā)體系，優(yōu)化合成條件，研制開發(fā)了新型耐溫抗鹽超高分子疏水締合聚合物AP-P5。筆者針對勝利油田高溫高鹽Ⅲ類油藏的實際情況，通過室內(nèi)試驗對AP-P5溶液的特性、驅(qū)油效果進行了研究，并對該聚合物的現(xiàn)場試驗情況進行了分析，以期早日突破勝利油田高溫高含鹽Ⅲ類油藏化學(xué)驅(qū)的技術(shù)瓶頸。

1 試驗器材和方法

1.1 試劑與儀器

試驗用聚合物：普通締合聚合物DH3[11]，超高分子締合聚合物AP-P5(西南石油大學(xué)研制)。

試驗用水：總礦化度為32 868 mg/L、Ca2++Mg2+總質(zhì)量濃度為873 mg/L的勝利油田Ⅲ類油藏模擬水。

試驗用儀器：美國WYATT動態(tài)光散射儀；Brookfield，DV-Ⅲ黏度計；自動分子量測定儀；水解度滴定儀；室內(nèi)物理模擬試驗評價裝置；電子天平。

1.2 聚合物基本物化性能測試

利用水解度滴定儀、自動分子量測試儀和DV-Ⅲ黏度計，分別測試出聚合物的水解度、特性黏數(shù)及Ⅲ類模擬水配制的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的聚合物溶液在85 ℃的表觀黏度。

1.3 聚合物溶液的特性

利用DV-Ⅲ黏度計測試聚合物溶液在85 ℃下的黏度-質(zhì)量濃度曲線，研究聚合物溶液的臨界締合濃度；用激光散射儀測定質(zhì)量分數(shù)為0.15%的聚合物溶液的流體力學(xué)半徑分布；在室溫條件下將聚合物和石英砂按質(zhì)量比為1∶3混合，研究聚合物溶液的吸附性；用滲透率為1 500 mD的1 m長石英砂巖心，研究質(zhì)量分數(shù)為0.15%的聚合物溶液的注入及滲流特性。

1.4 聚合物溶液驅(qū)油效果評價

首先將滲透率為1 500 mD的巖心抽真空，然后飽和水，再飽和油(勝利采油廠坨四站外輸油，85 ℃下黏度為44.6 mPa·s)，接著水驅(qū)至含水率為95%，分別注入0.3倍孔隙體積用Ⅲ類油藏模擬水配制的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的AP-P5和DH3溶液，最后水驅(qū)至含水率為100%結(jié)束試驗。

2 超高分子締合聚合物基本物化性能

分別測試了超高分子締合聚合物AP-P5和普通締合聚合物DH3的表觀黏度、特性黏數(shù)、相對分子質(zhì)量、水解度，并分析了兩種聚合物基本物化性能的差別，結(jié)果見表1。

表1 AP-P5和DH3基本物化性能對比

Table 1 Comparison of basic physicochemical properties between AP-P5 and DH3

由表1可知，在兩種聚合物的水解度基本相當?shù)那闆r下，AP-P5的締合單體含量相對于DH3少58%，相對分子質(zhì)量接近DH3的2倍，表觀黏度低于DH3。但對于締合聚合物的驅(qū)油性能是不是和表觀黏度成正比，還需要對兩種聚合物溶液的特性和驅(qū)油效果做進一步的評價。

3 超高分子締合聚合物溶液的特性

3.1 聚合物臨界締合濃度

通過分析AP-P5和DH3兩種聚合物黏度-質(zhì)量濃度曲線，考察超高分子締合聚合物是否與普通締合聚合物一樣存在臨界締合濃度點(即黏度突然上升的點)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，DH3由于締合單體含量較高，同時相對分子質(zhì)量較低，在質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時黏度突變，臨界締合濃度特征明顯。而AP-P5由于締合單體含量低、相對分子質(zhì)量較高，其黏度-質(zhì)量濃度曲線是一條平滑的曲線，并沒有出現(xiàn)黏度突然大幅上升，即臨界締合濃度的特征不明顯，這有利于聚合物在地層中經(jīng)過地層水稀釋后保持黏度穩(wěn)定。

3.2 聚合物流體力學(xué)半徑

利用動態(tài)光散射技術(shù)測試了AP-P5和DH3在溶液中的流體力學(xué)半徑及其分布情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，AP-P5和DH3的流體力學(xué)半徑主要分布在兩個區(qū)間：第一個區(qū)間為50～100 nm，以分子內(nèi)締合和分子鏈的相互纏繞為主；第二個區(qū)間為200～2 000 nm，以分子間締合為主。但兩個區(qū)間的分布仍有一定的區(qū)別，AP-P5的流體力學(xué)半徑分布相對于DH3明顯左移，表明AP-P5的流體力學(xué)半徑稍小于DH3。分析認為，這是由于AP-P5所含的締合單體較少，導(dǎo)致分子內(nèi)和分子間的締合程度都減弱。

3.3 聚合物溶液的吸附性

通過分析不同質(zhì)量濃度的AP-P5和DH3在石英砂上的吸附量，考察兩種聚合物溶液的吸附性，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在相同質(zhì)量濃度下，AP-P5的吸附量比DH3約小30%。分析認為，這是因為AP-P5和DH3所引入的都是陽離子型締合單體，由于AP-P5的締合單體含量低于DH3，因此它在地層運移過程中的吸附量也小于DH3。不過，這可以降低AP-P5在地層運移過程中的損失，從而使其在地層中始終保持較高的黏度。

3.4 聚合物溶液的注入滲流特性

利用滲透率為1 500 mD的1 m長石英砂巖心，分析了質(zhì)量分數(shù)為0.15%的AP-P5和DH3溶液的注入滲流特性，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在注入聚合物溶液過程中，DH3的注入壓力快速上升，而AP-P5的注入壓力上升相對緩慢且上升幅度較小，AP-P5的最高注入壓力比DH3約低50%。分析認為，這主要有以下原因：首先，DH3在地層的吸附量較大，流體力學(xué)半徑較大，造成運移過程中在地層的滯留量也較大，流動阻力大；其次，引入的締合單體在水溶液中會使長分子主鏈產(chǎn)生相互聚集，對主鏈的流動性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致流動活化能增高，因此締合單體含量越高滲流阻力也越高。在注入一定的聚合物之后開始后續(xù)水驅(qū)時發(fā)現(xiàn)，DH3的注入壓力突然降低，而AP-P5的注入壓力呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。這表明在后續(xù)水驅(qū)時，注入水推動AP-P5整體活塞式向前運移；而DH3由于締合作用產(chǎn)生較大的流體力學(xué)半徑，地層吸附及高締合度對其運移產(chǎn)生較大影響，后續(xù)水驅(qū)時壓力快速降低，導(dǎo)致水驅(qū)突破后呈現(xiàn)非活塞式向前運移的特點。最終，后續(xù)水驅(qū)壓力平衡時，DH3的注入壓力高于AP-P5，進一步證實了DH3在地層中的吸附量大于AP-P5。

4 超高分子締合聚合物驅(qū)油效果評價

在溫度85 ℃、模擬地層水礦化度32 868 mg/L的試驗條件下，通過單管物理模擬試驗，研究了質(zhì)量分數(shù)為0.15%的AP-P5和DH3溶液的驅(qū)油效果，結(jié)果見圖5、圖6和表2。

表2 AP-P5和DH3溶液的驅(qū)油效果對比

Table 2 Displacement efficiency comparison between AP-P5 and DH3

由圖5、圖6可知，在水驅(qū)至采出液的含水率為95%以上時，分別注入AP-P5和DH3再進行后續(xù)水驅(qū)：由于在水溶液中AP-P5分子鏈之間的纏繞和排斥作用較大，同時分子內(nèi)和分子間又有一定的締合作用，因而AP-P5在巖心中能夠呈活塞式推進，在后續(xù)水驅(qū)階段壓力下降較慢，有明顯的含水率降低“漏斗”，含水率最低點為65%，最終采收率較高；而DH3由于主要靠分子間和分子內(nèi)的締合作用增黏，雖然黏度計測得其表觀黏度較高，但在地層運移過程中，由于吸附量較大，同時因締合作用流體力學(xué)半徑也較大，無法產(chǎn)生活塞式驅(qū)替，后續(xù)水驅(qū)壓力降低較快，沒有明顯的含水率降低“漏斗”，含水率最低點僅為80%，最終采收率較低。

由表2可知，AP-P5提高采收率的幅度比DH3高3.9百分點，驅(qū)油性能更好。

5 現(xiàn)場試驗

勝利油田坨28區(qū)塊為選定的超高分子締合聚合物驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)，該區(qū)塊油藏溫度87 ℃，地層水礦化度19 634 mg/L，能代表勝利油田高溫高鹽Ⅲ類油藏條件。整個試驗區(qū)含油面積0.88 km2，地質(zhì)儲量173×104t，其中注入井6口，受效井12口，注聚合物前含水率97.3%，采出程度31.5%。

從2011年5月開始注AP-P5溶液。圖7和圖8分別為先導(dǎo)試驗區(qū)的注入曲線和生產(chǎn)曲線。由圖7可知，在開始注入AP-P5溶液時，由于壓力上升過快，對注入水進行處理，對注入壓力高的井采取解堵措施，直至2013年1月才開始正常注入，目前注入壓力從注入AP-P5前的7.5 MPa升高至15.5 MPa，注入剖面也有一定改善，試驗區(qū)的開發(fā)形勢較為穩(wěn)定。表3為正常注入后的礦場實施情況，截至2014年4月底連續(xù)正常注入0.089倍孔隙體積的AP-P5溶液，但由于目前AP-P5的前置段塞沒有注完，注入段塞量仍較低，因此從圖8的生產(chǎn)曲線可以看出，礦場還沒有出現(xiàn)明顯的降水增油效果，需要繼續(xù)跟蹤礦場生產(chǎn)動態(tài)，并進一步分析和評價超高分子締合聚合物AP-P5的現(xiàn)場試驗效果。

6 結(jié) 論

1) 超高分子締合聚合物AP-P5相對于普通締合聚合物DH3大幅度提高了聚合物的相對分子質(zhì)量，其分子鏈之間的纏繞和排斥作用較大，同時以一定的分子內(nèi)和分子間的締合作用相輔，因此，比主要依靠分子間締合作用形成的高表觀黏度的DH3的流體力學(xué)半徑更小，在地層的吸附量更小，無臨界締合濃度點，在地下更容易保持黏度的穩(wěn)定，更容易形成活塞式驅(qū)替，驅(qū)油效果更好。

2) 目前新型聚合物普遍引入一些締合單體或具有耐溫抗鹽功能的單體來增加聚合物的黏度和耐溫抗鹽性，導(dǎo)致聚合物表觀黏度的構(gòu)成中結(jié)構(gòu)黏度占了很大比例，但表觀黏度高并不代表驅(qū)油性能好，需要對聚合物的其他性能做全面的評價，才能夠評定聚合物驅(qū)油性能的好壞。

3) 超高分子締合聚合物在勝利油田高溫高鹽Ⅲ類油藏已進行現(xiàn)場試驗，目前由于注入段塞量較小，礦場還沒有明顯的降水增油效果，需要繼續(xù)跟蹤生產(chǎn)動態(tài)，通過分析礦場出現(xiàn)的問題進一步完善超高分子締合聚合物的結(jié)構(gòu)和性能。

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[編輯 令文學(xué)]

用于注水井低成本壓裂的裂縫封堵材料

美國研究人員研制開發(fā)了可熱降解封堵材料，并將其用于注水井壓裂。該材料由一系列可生物降解的塑料材料和天然礦物材料構(gòu)成，是具有一定粒徑的固體顆粒。采用該封堵材料壓裂時，不使用壓裂液、酸化液等，而是采用類似調(diào)剖的工藝。使用時需將可降解的封堵材料混合在注入水中注入到地下，封堵初始裂縫，并維持較高的注水壓力，產(chǎn)生新的裂縫。該材料在地層溫度下，數(shù)天之后水解成為較小分子物質(zhì)，解除封堵，使原有裂縫和新裂縫共同產(chǎn)生作用。該封堵材料及其降解產(chǎn)物均為無毒的可生物降解物質(zhì)。

該材料主要包括2類顆粒材料：一類是天然礦物材料，如方解石等，被研磨成特定尺寸的顆粒，主要用來封堵原始水流通道，用于生成初始裂縫的第一級壓裂；另一類是多種可生物降解的塑料聚合物顆粒，既有以植物產(chǎn)物為原料的合成材料，例如聚合乳酸，也有石油煉制的材料，詳細組分未公開。使用時，需根據(jù)材料的融化溫度和分裂溫度，依據(jù)井內(nèi)溫度選擇適合的顆粒材料。

該技術(shù)已經(jīng)成功地用于地熱井的注水井儲層改造，在Newberry火山地熱示范項目中得到應(yīng)用。其壓裂施工的井口壓力最高僅為16.7 MPa，但是需維持數(shù)天時間。由于該項目中的地層溫度較高，注入冷水后，除水力壓裂造縫外，巖石降溫造成的應(yīng)力也可促進裂縫生成。該技術(shù)有望作為一種低成本的環(huán)境友好的壓裂技術(shù)用于老區(qū)塊注水井的壓裂。

[供稿 何 江]

Solution Characteristics and Oil Displacement Efficiency
of an Ultrahigh Molecular Weight Association Polymer

Xu Hui

(GeoscienceInstituteofSinopecShengliOilfield,Dongying,Shandong,257015,China)

In order to improve the polymer flooding effect in high-temperature and high-salt Class III reservoirs in the Shengli Oilfield,the solution characteristics and oil displacement effect of a temperature and salt-resisting ultrahigh molecular association polymer AP-P5 are studied.Basic physicochemical properties of AP-P5 are evaluated under Class III reservoirs at 85 degrees and salinity of 32 868 mg/L.The viscosity at varied concentrations is examined,the hydrodynamic radius distribution of the solution is determined and the adsorption is studied through mixed polymer solution and quartz sand.Finally,the injection and seepage characteristics and oil displacement effect are investigated through physical experiments.A field test is carried out in the Tuo 28 Block of Shengli Oilfield to analyze the injection of AP-P5 solution and production after injection.The results show that AP-P5 possesses double molecular weight,smaller hydrodynamic radius and no significant critical associating concentration comparing with ordinary associating polymer DH3.Moreover,it is lower by 58% in the associated monomer weight,30% in adsorption capacity and 50% in injection pressure and higher by 3.9% in the recovery rate.More field tests are ongoing but it has not shown water reduction and production increasing effect.The research reveals that AP-P5 has good solution properties and it is easier to generate a piston-like movement with it than DH3 in formations;further,it has higher displacement efficiency.

ultrahigh molecular weight;associated polymer;hydrodynamic radius;viscosity;concentration;adsorption;oil displacement efficiency

2014-10-14；改回日期：2015-02-02。

徐輝(1979—)，男，江蘇徐州人，2003年畢業(yè)于江蘇石油化工學(xué)院給排水工程專業(yè)，2006年獲西南石油大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)碩士學(xué)位，2009年獲西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)博士學(xué)位，工程師，主要從事三次采油方面的研究工作。

國家科技重大專項“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”(編號：2011ZX05011)部分研究內(nèi)容。

?油氣開采?

10.11911/syztjs.201502014

TE357.46+1

A

1001-0890(2015)02-0078-06

聯(lián)系方式：(0546)8798280，44053012@qq.com。