Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)作用機理
——以渤海LD10-1油田為例

劉義剛，張云寶，謝坤，盧祥國，王楠，潘赫

（1.中海石油天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)作用機理
——以渤海LD10-1油田為例

劉義剛1，張云寶1，謝坤2，盧祥國2，王楠1，潘赫2

（1.中海石油天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

針對渤海LD10-1油藏減緩吸液剖面反轉(zhuǎn)技術(shù)需求，通過層內(nèi)非均質(zhì)巖心驅(qū)替實驗，發(fā)現(xiàn)Cr3+聚合物凝膠與水交替注入工藝具有較好的增油降水效果，運用并聯(lián)巖心驅(qū)替實驗，從驅(qū)替過程和驅(qū)油效果兩方面探討了交替注入增油機理。結(jié)果表明，相比整體凝膠段塞注入工藝，“Cr3+聚合物凝膠+水”交替注入方式具有更好的封堵和驅(qū)替效應(yīng)。凝膠前置段塞對高滲透層實施封堵后，后續(xù)水段塞一方面可使弱凝膠分子線團膨脹加強封堵效果，改善后續(xù)流體的轉(zhuǎn)向能力，另一方面還可增強驅(qū)替效果，減緩吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在實際設(shè)計交替輪次數(shù)時，應(yīng)考慮水段塞過多易引起高滲透層突進的問題。

Cr3+聚合物凝膠；交替注入；物理模擬；機理分析；LD10-1油藏

0 引言

與陸地油田相比，海上油田具有注采井距大、開發(fā)層系多、層內(nèi)和層間矛盾尖銳、巖石膠結(jié)強度低、原油黏度高和注入水礦化度高等特點，水驅(qū)開發(fā)效果較差。此外，由于單井注水量高達幾百甚至上千立方米，對儲層巖石結(jié)構(gòu)沖刷作用極大，破壞儲層巖石結(jié)構(gòu)，尤其是近井地帶破壞十分嚴重。在注采井間形成大孔道或特高滲透條帶，致使注入水甚至聚合物溶液在其中低效或無效循環(huán)，進而影響水驅(qū)和聚驅(qū)開發(fā)效果［1-3］。

近年來，渤海地區(qū)SZ36-1，LD10-1和LD5-2等普通稠油油田先后進行了聚合物驅(qū)和聚合物凝膠調(diào)驅(qū)礦場試驗，增油降水效果明顯［4-6］。從礦場采收率和含水率統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，實際增油降水效果與預(yù)期效果之間還存在較大差異。分析其原因，除了巖石結(jié)構(gòu)破壞加劇了儲層非均質(zhì)性和削弱了液流轉(zhuǎn)向效果外，聚合物溶液或聚合物凝膠等調(diào)驅(qū)劑進入中低滲透層，引起啟動壓力升高和吸液壓差減小，即剖面反轉(zhuǎn)，也是重要因素。近年來，為減緩吸液剖面反轉(zhuǎn)給聚驅(qū)帶來的不利影響，大慶油田開展了“高濃度+低濃度”和“高分子量+低分子量”聚合物溶液交替注入試驗研究［7-8］，取得了良好降本增效實踐效果。但盡管采用低濃度和低分子量替代高濃度和高分子量聚合物溶液，可以減小聚合物溶液對中低滲透層啟動壓力的影響，但只要聚合物進入中低滲透層，就會引起滲流阻力增加，提高啟動壓力，減小吸液壓差，導(dǎo)致吸液剖面反轉(zhuǎn)。事實上，最理想情形是聚合物或聚合物凝膠進入高滲層產(chǎn)生封堵作用，促使后續(xù)流體進入中低滲透層發(fā)揮驅(qū)油作用。為此，本文以延緩吸液剖面反轉(zhuǎn)為目標，開展了Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)實驗研究和作用機理分析。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

聚合物為大慶煉化公司生產(chǎn)高分子聚合物（相對分子質(zhì)量為1 900×104），有效質(zhì)量分數(shù)為88%；交聯(lián)劑為有機鉻，Cr3+有效質(zhì)量分數(shù)為2.70%；Cr3+聚合物凝膠由1 200 mg/L的聚合物與有機鉻交聯(lián)而成，其中聚合物與有機鉻的質(zhì)量比為180∶1，黏度為3.8 mPa·s；實驗用水為LD10-1油田模擬注入水，總礦化度為10 176.6 mg/L（離子組成見表1）；實驗用油為模擬油，由LD10-1油田原油與煤油按一定體積比混合配制而成，65℃時黏度為17.0 mPa·s。

表1 溶劑水離子組成

實驗巖心為與目標儲層物性相近的石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［9-10］，包括長條狀巖心（非均質(zhì)巖心和均質(zhì)巖心）和柱狀巖心。長條狀巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，其中非均質(zhì)巖心包括高、中、低3個滲透層，各小層厚度1.5 cm，各層滲透率Kg從高到低分別為6.0，2.0，0.3 μm2，3個均質(zhì)巖心滲透率分別為6.0，2.0，0.3 μm2。柱狀巖心尺寸為φ2.5 cm×10.0 cm，巖心滲透率為4.5 μm2。

1.2 實驗儀器

DV-Ⅱ型布氏黏度儀（美國Brookfield公司），測試轉(zhuǎn)速為6 r/min。驅(qū)替實驗裝置由平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等組成，除平流泵和手搖泵外，其他部分置于65℃恒溫箱內(nèi)。

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 礦場Cr3+聚合物凝膠調(diào)驅(qū)基礎(chǔ)實驗

方案1-1：1）水驅(qū)至含水率40%；2）注入0.40 PV 的Cr3+聚合物凝膠；3）后續(xù)水驅(qū)至含水率98%結(jié)束。第2步中，礦場設(shè)計注入Cr3+聚合物凝膠0.40 PV，目前已注入0.20 PV，因此剩余0.20 PV的Cr3+聚合物凝膠段塞為本次優(yōu)化對比段塞（后面方案針對此進行設(shè)計）。

1.3.2 Cr3+聚合物凝膠與水交替注入輪次優(yōu)化實驗

方案2-1—2-4：1）水驅(qū)至含水率40%；2）注入0.20 PV的Cr3+聚合物凝膠；3）交替注入0.02 PV的水和（0.2/m）PV的Cr3+聚合物凝膠共m次；4）后續(xù)水驅(qū)至含水率98%。方案中m為Cr3+聚合物凝膠段塞交替輪次數(shù)，取值為2～5。

1.3.3 流動性測試實驗

1）柱狀巖心抽空飽和地層水，注模擬水，記錄壓力△p1；2）注聚合物溶液5.00～7.00 PV，記錄壓力△p2；3）后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，記錄壓力△p3。阻力系數(shù)FR和殘余阻力系數(shù)FRR通常表示為

2 結(jié)果分析

2.1 Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)

在長條非均質(zhì)巖心上進行Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)實驗，結(jié)果見表2，驅(qū)替過程中動態(tài)特征曲線見圖1。

表2 采收率實驗數(shù)據(jù)

從表2可看出，與整體Cr3+聚合物凝膠段塞注入工藝相比，Cr3+聚合物凝膠與水交替注入的調(diào)驅(qū)效果較好。從圖1可以看出，在Cr3+聚合物凝膠段塞尺寸一定條件下，隨交替注入輪次數(shù)增加，Cr3+聚合物凝膠調(diào)驅(qū)注入壓力、含水率和采收率增幅呈現(xiàn)先增后減變化趨勢，并在4輪次時含水率和采收率增幅達到最大。

圖1 注入壓力、含水率和采收率與注入量的關(guān)系

2.2 機理分析

對于非均質(zhì)性儲層，在Cr3+聚合物凝膠注入起始階段，凝膠會首先進入滲流阻力較小的高滲透層，并在孔隙中產(chǎn)生滯留，造成巖石孔隙過流斷面減小，滲流阻力增加，最終導(dǎo)致注入壓力升高（見圖2）。其中：K1，K2，K3分別為高、中、低滲透層滲透率；p1，p2，p3分別為高、中、低滲透層啟動壓力；Q1，Q2，Q3分別為高、中、低滲透層吸液量；p為注入壓力。

圖2 非均質(zhì)儲層結(jié)構(gòu)示意

隨著注入壓力升高，中低滲透層吸液壓差增加，吸液量增大，實現(xiàn)了液流轉(zhuǎn)向（即擴大波及體積）目標。隨著中低滲透層吸液量增加，Cr3+聚合物凝膠也會造成巖石孔隙過流斷面減小和滲流阻力增加，并且增幅大于高滲層，這造成中低滲透層，尤其是低滲透層啟動壓力升高，吸液壓差減小，吸液量降低，繼而出現(xiàn)所謂吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

為進一步探究交替注入工藝減緩剖面反轉(zhuǎn)機理，開展了三管長條均質(zhì)巖心并聯(lián)驅(qū)替試驗。不同注入方式下，三管并聯(lián)巖心驅(qū)替試驗結(jié)果見表3，相關(guān)動態(tài)特征見圖3。從表3和圖3可以看出，與整體凝膠段塞注入工藝相比，交替注入過程注入壓力升高，含水率降低，中滲層分流率增加 （實驗所用巖心滲透率級差較大，低滲層未能動用），采收率增加。分析各層動態(tài)變化可知，在水驅(qū)結(jié)束，模擬基礎(chǔ)實驗階段，隨著中滲層吸液量增加，因凝膠滯留引起的滲流阻力也隨之增大，進而造成中滲層吸液壓差減小，分流率降低，出現(xiàn)吸液剖面反轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致后續(xù)注入的凝膠主要在剩余油飽和度較低的高滲層中流動，調(diào)驅(qū)增油效果較差。

表3 小層各階段分流率、采收率實驗數(shù)據(jù)

圖3 注入壓力、含水率、分流率和采收率與注入量的關(guān)系

然而，當(dāng)采用Cr3+聚合物凝膠與水交替注入工藝時，穿插于Cr3+聚合物凝膠段塞之間的水段塞會對巖心孔隙中的陽離子產(chǎn)生稀釋作用，引起聚合物分子鏈雙電層厚度增加，Cr3+聚合物凝膠分子線團發(fā)生膨脹，從而增強封堵效果，提升注入壓力。從表3和圖4所示的凝膠流動特性測試實驗結(jié)果（阻力系數(shù)112.1，殘余阻力系數(shù)242.4）也可以看出，Cr3+聚合物凝膠遇水會發(fā)生膨脹，造成注入壓力升高［11］，改善后續(xù)注入流體的擴大波及體積能力。所以在實施交替注入后，不僅中滲透層吸液量增加，吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象得以改善，采收率增大，而且高滲透層的采收率也有所增大。此外，與Cr3+聚合物凝膠分子線團相比，水分子可注入性更強，能夠進入到凝膠體系無法進入的微小孔隙發(fā)揮驅(qū)替作用。因此，與Cr3+聚合物凝膠整體段塞相比，“Cr3+聚合物凝膠+水”交替注入方式具有更好的封堵和驅(qū)替效應(yīng)，可有效減緩因Cr3+聚合物凝膠進入中低滲透層而引起的吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖4 柱狀巖心注入壓力與注入量關(guān)系

綜上所述，與單一整體段塞相比較，Cr3+聚合物凝膠與水交替注入有利于緩解吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提高調(diào)驅(qū)效果，但考慮到水段塞過多易引起高滲透層突進的問題，所以交替輪次數(shù)也不宜過多。本文實驗條件下，4輪次為最佳交替輪次數(shù)。

3 結(jié)論

1）在單純Cr3+弱凝膠調(diào)驅(qū)過程中適量加入水段塞有利于改善調(diào)驅(qū)效果。實驗條件下，隨交替注入輪次增加，采收率呈現(xiàn)先增后減變化趨勢，4輪次交替注入時采收率增幅最大。

2）Cr3+聚合物凝膠與水交替調(diào)驅(qū)過程中，一方面凝膠前置段塞可對高滲透層實施封堵，另一方面后續(xù)水段塞不僅可使弱凝膠分子線團膨脹加強封堵效果，還可增強驅(qū)替效果，進而減緩吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

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（編輯 孫薇）

Profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism:taking Bohai LD10-1 Oilfield as an example

LIU Yigang1,ZHANG Yunbao1,XIE Kun2,LU Xiangguo2,WANG Nan1,PAN He2
(1.Bohai Oilfield Research Institute,China National Offshore Oilfield Corporation Limited,Tianjin 300452,China;2.MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Aimed at the technical demand for relieving the inversion of imbibition profile in Bohai LD10-1 reservoir,this paper studies the profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism.During core displacement experiment in in-layer heterogeneous cores,alternative injection of Cr3+polymer gel and water has a better effect of increasing oil and decreasing water,then the mechanism of alternative injection was studied in details from the dynamic behavior and oil displacement efficiency through parallel cores displacement experiment.The results show that,compared with the whole injection of Cr3+polymer gel,alternative injection of Cr3+polymer gel and water has a better effect of"blocking and flooding".After pre-slug of polymer gel flows into and blocks off the high permeability layer,subsequent water slug on one hand can expand the molecular coils of weak gel and then strengthen blocking effect,thus improving the diverting ability of subsequent fluid.On the other hand it can enhance the displacement efficiency and relieve the phenomenon of imbibition profile inversion caused by polymer gel flowing into medium and low permeability layers.In the actual design of alternative frequency,the incursion in high permeability layers caused by too many water slugs should be considered.

Cr3+polymer gel;alternative injection;physical simulation;mechanism analysis;LD10-1 reservoir

國家科技重大專項專題“海上稠油保壓熱采技術(shù)示范”（2011ZX05057-005-003）

TE<357.46 class="emphasis_bold">357.46文獻標志碼：A357.46

A

10.6056/dkyqt201702025

2016-08-22；改回日期：2017-01-10。

劉義剛，男，1970年生，高級工程師，博士，2013年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，主要從事采油工藝技術(shù)研究與管理工作。E-mail：liuyg@163.com。

劉義剛，張云寶，謝坤，等.Cr3+聚合物凝膠與水交替注入調(diào)驅(qū)作用機理：以渤海LD10-1油田為例［J］.斷塊油氣田，2017，24（2）：251-254.

LIU Yigang，ZHANG Yunbao，XIE Kun，et al.Profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism:taking Bohai LD10-1 Oilfield as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（2）：251-254.