不同黏彈性聚合物溶液交替注入提高采收率機(jī)理

張　棟，吳文祥（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

不同黏彈性聚合物溶液交替注入提高采收率機(jī)理

張棟，吳文祥
（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

為了對比連續(xù)注入與交替注入不同黏彈性聚合物溶液對殘余油滴作用力及變形的影響，從水動力學(xué)角度探索了不同性質(zhì)溶液對殘余油的水動力學(xué)驅(qū)替機(jī)理，分析計(jì)算了不同流體作用下殘余油滴的受力及變形，從彈性及壓力梯度兩方面分析了交替注入不同黏彈性聚合物溶液驅(qū)油機(jī)理。在壓力梯度相同的情況下驅(qū)油時(shí)，聚合物溶液作用下殘余油滴所受法向偏應(yīng)力和水平應(yīng)力差隨著聚合物彈性的增加而增加。室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與連續(xù)注入相比，交替注入不同黏彈性聚合物溶液可以改善大孔道吸液過量及小孔道吸液不足的現(xiàn)象，使較多的低分子量、低濃度聚合物溶液進(jìn)入低滲層，表現(xiàn)出高滲層分流率進(jìn)一步降低，低滲層分流率進(jìn)一步增大，使低滲透儲集層中富集的殘余油有更多機(jī)會受到黏彈性聚合物的黏滯力作用而變形，從而擴(kuò)大波及體積，提高驅(qū)油效率。

黏彈性聚合物；驅(qū)油機(jī)理；注入方式；交替注入；壓力梯度；殘余油受力

近年來，國內(nèi)關(guān)于聚合物驅(qū)注入方式的研究很多，文獻(xiàn)［1］通過物理模擬實(shí)驗(yàn)指出，三階梯度等體積段塞優(yōu)于增大主力段塞，增大主力段塞優(yōu)于整體段塞。文獻(xiàn)［2］通過物理模擬實(shí)驗(yàn)指出，相同質(zhì)量濃度下，聚合物相對分子質(zhì)量從高到低依次注入提高的采收率幅度高于聚合物相對分子質(zhì)量從低到高依次注入提高的采收率幅度。文獻(xiàn)［3］總結(jié)了大慶油田聚合物驅(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指出在保證注入聚合物段塞尺寸及用量不變的條件下，先注20%總注入量的相對分子質(zhì)量較高的聚合物前置段塞、再注入80%總注入量的相對分子質(zhì)量中等的聚合物前置段塞，其聚合物驅(qū)采收率比連續(xù)注入相對分子質(zhì)量中等的聚合物整體段塞提高1.5%以上。然而對于組合注入情況，傳統(tǒng)理論認(rèn)為，組合段塞調(diào)整只是通過擴(kuò)大波及體積來提高原油采收率。大慶油田主力油層高濃度聚合物驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及礦場試驗(yàn)表明[4-7]，高濃度聚合物溶液的黏彈性可以明顯提高微觀驅(qū)油效率。本文針對交替注入不同黏彈性聚合物溶液驅(qū)油機(jī)理的研究，進(jìn)一步從機(jī)理方面闡述交替注入方式優(yōu)于連續(xù)注入方式的理論基礎(chǔ)，為完善交替注入理論體系提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1　交替注入驅(qū)油模型的建立

本文所用聚合物（除黃原膠外）均為聚丙烯酰胺。為了分析交替注入不同黏彈性聚合物溶液提高原油采收率的水動力學(xué)機(jī)理，分析不同滲透率巖心的微孔道中的殘余油的受力和變形，建立了二維并聯(lián)孔道模型（圖1）。在研究過程中，選取低滲孔道的寬度w1為固定值10 μm，高滲微孔道的寬度w2取20 μm，即孔道寬度比（w1:w2）為1∶2.

圖1　并聯(lián)孔道模型示意

2　不同滲透率巖心中殘余油的受力分析

威森伯格數(shù)（We）是表征聚合物彈性效應(yīng)的重要參數(shù)，為了分析各種不同流體對油滴的作用力，特別是黏彈性流體對殘余油滴作用效果與牛頓流體對殘余油滴作用效果的差別，在流道寬度比為1∶2條件下，分別計(jì)算了水、黃原膠聚合物溶液（只具有黏度特性而無彈性特征）以及不同黏彈性流體（改變聚丙烯酰胺濃度，使溶液We分別為0.05，0.10和0.20）在親油巖心微孔道內(nèi)驅(qū)替殘余油時(shí)，殘余油滴所受的法向偏應(yīng)力和水平應(yīng)力差。計(jì)算過程中的壓力梯度取0.02 MPa/m，壓力為正，拉力為負(fù)，黃原膠溶液的黏度與We為0.05的聚合物溶液黏度相同[8]。

從低滲孔道（圖2a）和高滲孔道（圖2b）中殘余油滴所受法向偏應(yīng)力可以看出，對于牛頓流體，黃原膠溶液作用于殘余油滴的法向偏應(yīng)力大于水對油滴的法向偏應(yīng)力，由于黃原膠溶液的黏度高于水的黏度，因此對于牛頓流體，溶液黏度越高，對殘余油滴的法向偏應(yīng)力越大。

對比高滲孔道和低滲孔道中殘余油滴所受法向偏應(yīng)力可以看出，對于相同體系，同樣大小的油膜，滲透率大的流道較滲透率小的流道所受法向偏應(yīng)力更大。

從低滲孔道（圖3a）和高滲孔道（圖3b）中殘余油滴所受水平應(yīng)力可以看出，對于牛頓流體，黃原膠溶液作用下殘余油滴所受水平應(yīng)力差大于水作用下殘余油滴所受水平應(yīng)力差（圖3），因此隨著溶液黏度的增加，牛頓流體作用于殘余油滴的水平應(yīng)力差逐漸增加[9]。

圖2　不同流體在不同滲透率孔道中殘余油滴所受法向偏應(yīng)力

圖3　不同滲透率孔道中殘余油滴所受水平應(yīng)力差

從圖3可看出，相同黏度條件下，黃原膠溶液作用于殘余油滴的水平應(yīng)力差小于聚合物溶液（We為0.05）作用于殘余油滴的水平應(yīng)力差?？梢?，聚合物溶液具有的黏彈性能夠有效地提高作用于殘余油滴的水平應(yīng)力差，它對殘余油的作用效果是無彈性黃原膠溶液無法達(dá)到的。隨著聚合物溶液彈性（We從0.05增加到0.20）的增加，作用于殘余油滴的水平應(yīng)力差逐漸增加[10-11]。

對比圖3a和圖3b可知，低滲孔道中的殘余油滴所受的水平應(yīng)力差隨油滴與巖石間距離的增大而逐漸減少，而高滲孔道中的殘余油滴所受的水平應(yīng)力差在接近油膜中部達(dá)到最大，這樣更有利于油膜的變形。

3　不同滲透率巖心中殘余油的變形分析

為闡明交替注入不同驅(qū)油劑提高采收率的水動力學(xué)機(jī)理，計(jì)算了圖1親油巖心中殘余油滴的變形。

對比水（圖4a）、黃原膠溶液（圖4b）和聚合物溶液（圖4c）驅(qū)替殘余油時(shí)殘余油受力變形可以看出，水驅(qū)時(shí)殘余油滴受力變形最小，黃原膠溶液驅(qū)替時(shí)殘余油滴受力變形次之，聚合物溶液驅(qū)時(shí)殘余油受力變形最大。這主要是由于聚合物溶液具有黏彈性，對殘余油作用力更大所致[12]。

圖4　水驅(qū)油時(shí)（a）、黃原膠溶液驅(qū)油時(shí)（b）和聚合物溶液驅(qū)油（We=0.3）時(shí)（c）殘余油滴變形對比

4　交替注入驅(qū)油機(jī)理

連續(xù)注入方式，注入段塞較大，不利于流度控制，聚合物溶液首先進(jìn)入高滲層，一方面由于高滲層很容易突破，聚合物溶液將從高滲孔道竄流，另一方面由于聚合物溶液注入時(shí)間過長，中低滲孔道很容易被堵塞，聚合物溶液更難進(jìn)入中滲層和低滲層。為了解決連續(xù)注入的弊端，采用交替注入方式可以很好地控制流度，使各滲透層各取所需，從而擴(kuò)大波及體積。

4.1交替注入驅(qū)油劑的黏彈性對殘余油的影響

孔道中殘余油的受力和變形與驅(qū)油劑的黏彈性有關(guān)，因此，可以通過改變注入流體的特性和注入方式來改變殘余油的受力情況，交替注入不同驅(qū)油劑驅(qū)油時(shí)會使不同的殘余油受力和變形。與連續(xù)注入相比，交替注入方式可以改善大孔道吸液過量，小孔道吸液不足的現(xiàn)象，使較多的低分子量低濃度聚合物溶液進(jìn)入低滲層，使更多的殘余油受力和變形，從而擴(kuò)大波及體積。針對不同黏彈性驅(qū)油劑對不同滲透層殘余油受力影響來研究交替注入不同黏彈性聚合物溶液的驅(qū)油機(jī)理。

取We為0.20和0.05的聚合物溶液作為交替注入的主、副段塞，建立殘余油法向偏應(yīng)力曲線，當(dāng)注入We為0.20的聚合物溶液時(shí)，中低滲孔道（圖5a，圖5b）殘余油滴所受法向偏應(yīng)力與高滲孔道（圖5c）相差很大，而當(dāng)注入We為0.05的聚合物溶液，中低滲孔道殘余油滴所受法向偏應(yīng)力與高滲孔道相差不大。這是由于高濃度聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，使溶液中聚合物分子交疊，分子線團(tuán)尺寸大，很難進(jìn)入中滲層和低滲層，特別是低滲層，主要富集在高滲層。

圖5　不同滲透率孔道中殘余油滴所受法向偏應(yīng)力

低質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚合物溶液可以比較容易進(jìn)入中滲層和低滲層，雖然聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，但進(jìn)入量較大，相比高質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚合物溶液進(jìn)入總量是增大的，由于進(jìn)入中低滲孔道聚合物量的增加，中低滲孔道殘余油受擠壓變形的程度增加。由此可以看出，高濃度聚合物溶液適用于高滲孔道，低濃度聚合物溶液適應(yīng)于中低滲孔道。

4.2交替注入壓力梯度對殘余油的影響

由于不同滲透率地層中的殘余油的受力和變形主要受壓力梯度（注采壓差）、驅(qū)油劑的黏度及驅(qū)油劑的彈性的影響[13]。交替注入不同黏彈性聚合物溶液的驅(qū)油機(jī)理可由驅(qū)油過程中壓力的分布規(guī)律（或壓力梯度）來分析。圖6a和圖6b依次為水驅(qū)時(shí)的一維均質(zhì)巖心上的壓力分布和壓力梯度，其壓力分布為斜直線，其壓力梯度為常數(shù)。

圖6　水驅(qū)時(shí)巖心上的壓力分布（a）以及壓力梯度分布（b）

圖7a為交替注入不同黏彈性聚合物溶液時(shí)一維均質(zhì)巖心上對應(yīng)于單段塞時(shí)的壓力分布和壓力梯度分布，其壓力分布為三段折線，其壓力梯度不再是常數(shù)，聚合物段塞處由于驅(qū)替液的黏度較高，所以壓力梯度分布會突然增大。圖7b為交替注入不同黏彈性聚合物溶液時(shí)一維均質(zhì)巖心上對應(yīng)于雙段塞時(shí)的壓力分布和壓力梯度分布，其壓力分布為5段折線，其壓力梯度也不再是常數(shù)，聚合物段塞處的壓力梯度也突然增大。

圖7　單段塞聚合物驅(qū)時(shí)（a）和雙段塞聚合物驅(qū)時(shí)（b）巖心上的壓力分布以及壓力梯度分布示意

綜上所述，段塞驅(qū)油時(shí)由于段塞的存在使其所在位置的壓力梯度增大，壓力梯度的增大會提高驅(qū)油效率，有利于提高均質(zhì)巖心中的原油采收率。

在聚合物用量不變的條件下，方案一采用連續(xù)注入0.6 PV質(zhì)量濃度為1 500 mg/L、相對分子質(zhì)量為25×106的聚合物溶液；方案二交替3次注入0.1 PV質(zhì)量濃度為2 000 mg/L、相對分子質(zhì)量為25×106和0.1 PV質(zhì)量濃度為1 000 mg/L、相對分子質(zhì)量為16×106的聚合物溶液，并對兩個(gè)方案進(jìn)行壓力梯度測定。本文選用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?層不同滲透率非均質(zhì)模型，在3個(gè)滲透層巖心模型中間位置選作研究對象，在各層巖心模型中心兩側(cè)接入壓力表，使各層壓力表的間距相等，便于更準(zhǔn)確地對比不同滲透層在相同位置的壓力梯度變化規(guī)律。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到如下壓力梯度曲線：圖8a和圖8b分別給出了連續(xù)注入和交替注入不同黏彈性聚合物溶液各滲透層壓力梯度變化曲線。從圖8可以看出，連續(xù)注入時(shí)，高滲層首先達(dá)到壓力梯度峰值，中滲層、低滲層順次達(dá)到壓力梯度峰值，各滲透層均只出現(xiàn)一次壓力梯度峰值。采用交替注入方式，由圖8可直觀地看出，高滲層中心兩側(cè)測點(diǎn)間的壓力梯度出現(xiàn)2次峰值，而中滲層和低滲層都出現(xiàn)3次壓力梯度峰值。與連續(xù)注入相比，交替注入方式的壓力梯度出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象，這種現(xiàn)象能夠促使殘余油變形，有利于提高驅(qū)油效率。

圖8　不同注入方式下各層壓力梯度變化

表1給出了兩種注入方式的壓力梯度曲線積分面積。從表1可以看出，對于各滲透層均表現(xiàn)出交替注入比連續(xù)注入積分面積大，且中滲層和低滲層提高值較大。說明進(jìn)入中滲層和低滲層的聚合物量較大，從而能有效地?cái)U(kuò)大中滲層和低滲層波及體積。另外，由于聚合物溶液具有黏彈性，能夠提高驅(qū)油效率，因而能夠進(jìn)一步提高中滲層和低滲層采收率。這進(jìn)一步說明交替注入驅(qū)油效果好于連續(xù)注入驅(qū)油效果。

表1　不同注入方式下壓力梯度曲線積分面積對比

4.3等化學(xué)劑用量條件下交替注入方式對采收率貢獻(xiàn)

采用與上節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相同的巖心模型，通過各滲透層采出液流量比例計(jì)算不同注入方式（連續(xù)注入與交替注入）下的分流率，從而為非均質(zhì)性油藏開發(fā)，交替注入方式為剖面轉(zhuǎn)注機(jī)理提供理論依據(jù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到連續(xù)注入和交替注入不同黏彈性聚合物溶液各滲透層分流率變化曲線（圖9）。

圖9　不同注入方式下各滲透層分流率變化

在注聚合物溶液階段，由于聚合物溶液的封堵能力，高滲層的分流率下降很快，中滲層和低滲層的分流率都升高。由于高濃度聚合物溶液與低滲層適應(yīng)性較差，連續(xù)注入單一高濃度聚合物溶液，體系依舊只能沿著高滲層滲流。連續(xù)注入單一段塞聚合物溶液分流率反映為迅速趨近平緩，聚合物溶液注入結(jié)束后轉(zhuǎn)注入后續(xù)水階段，驅(qū)替劑沿高滲層首先突破，分流率逐漸上升，趨近于水驅(qū)階段。交替注入方式，注入高質(zhì)量分?jǐn)?shù)段塞，含水率也存在趨近平緩的趨勢。但隨著轉(zhuǎn)注低質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚合物溶液，分流率又成波動式下降，表明低黏彈性體系轉(zhuǎn)流入低滲儲集層中。

綜合比較兩種注入方式的分流率曲線，交替注入方式高滲層分流率下降程度更大，低滲層分流率上升幅度更明顯。對于中滲層兩種開發(fā)方式結(jié)果相近。

模擬正韻律非均質(zhì)儲集層條件制作巖心模型，在此模型上進(jìn)行兩種注入方式驅(qū)油效果評價(jià)（表2）。

在水驅(qū)采收率平行一致的前提下，對于聚合物驅(qū)隨著巖心滲透率的增加而降低，特別是低滲層，聚合物驅(qū)收率提高的幅度較明顯，高滲層水驅(qū)采收率較高，使得聚合物驅(qū)采收率提高幅度受到限制。但是交替注入方式由于低濃度體系與低滲層匹配關(guān)系更理想，對低滲層的動用程度更大，表現(xiàn)為高滲層采收率基本未受影響，低滲層采收率提高了4%。進(jìn)一步驗(yàn)證了交替注入不同黏彈性聚合物溶液的可行性。

表2　不同注入方式三管并聯(lián)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)論

（1）黃原膠溶液只具有黏度，其黏度大于水，聚合物溶液既具有黏度又具有彈性，驅(qū)替液黏度越大，作用于殘余油滴的法相偏應(yīng)力和水平應(yīng)力越大。

（2）水驅(qū)時(shí)殘余油滴受力變形最小，黃原膠溶液驅(qū)替時(shí)殘余油滴受力變形次之，聚合物溶液驅(qū)時(shí)殘余油受力變形最大。

（3）與連續(xù)注入相比，交替注入不同黏彈性聚合物溶液可以改善大孔道吸液過量、小孔道吸液不足的現(xiàn)象，使較多的低分子量低濃度聚合物溶液進(jìn)入低滲層，使更多的殘余油受力和變形，從而更有效地提高驅(qū)油效率。

（4）交替注入不同黏彈性聚合物溶液能夠在注入不同段塞時(shí)重復(fù)出現(xiàn)壓力梯度峰值，使壓力梯度出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象，這種現(xiàn)象能夠更有效地促使殘余油變形，有利于提高原油采收率。

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Polymer Displacement Mechanism with Different Viscoelasticities by Alternating Injection Process

ZHANG Dong,WU Wenxiang
(MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China)

This paper compares the effect of continuous injection and alternating injection of polymers with different viscoelasticities on stress and deformation of residual oil droplets,explores the hydrodynamic displacement mechanism of them on residual oil,including the stress and deformation calculation of residual oil droplets under the actions of the different fluids,and analyzes the alternating injection mechanism from two aspects of the elasticity and pressure gradient.The results show that the difference between normal deviator and hori?zontal stress of residual oil droplets by the effect of polymer solution is increasing with the elasticity rise of the polymers in the case of the same pressure gradient.Comparing with continuous injection process,the alternating injection process of polymer solutions can improve the phenomenon of fluid overload in the large pores and the fluid deficiency in the small pores,making the polymer of low concentration and low molecular weight enter into the low permeability layers with more residual oil displacement and stress,hence the swept volume can be expanded and the oil displacement efficiency can be improved.

viscoelastic polymer;oil displacement mechanism;injection mode;alternating injection;pressure gradient;residual oil bearing

TE357.431

A

1001-3873（2015）04-0459-06

10.7657/XJPG20150414

2015-01-23

2015-05-12

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05009-004）

張棟（1988-），男，蒙古族，黑龍江大慶人，博士研究生，化學(xué)驅(qū)提高采收率，（Tel）15004593766（E-mail）zhangdong084@163.com.