海上稠油油藏用自增稠聚合物的室內(nèi)性能評價*

王 凱，周文勝，劉 晨，耿艷宏，劉 凡，姚 澤，劉逸飛，逄格鋒

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中海油研究總院，北京 100028；3.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；4.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

聚合物驅(qū)油技術(shù)是三次采油的核心技術(shù)，逐漸成為油田的主導(dǎo)開發(fā)方式，并步入快速發(fā)展的時期［1-4］。聚合物驅(qū)油主要是通過降低水油流度比，提高水驅(qū)的波及體積，從而提高采收率［5-8］。目前，聚合物驅(qū)油用聚合物主要是聚丙烯酰胺，而聚丙烯酰胺的耐溫抗鹽性能較差，不僅不適用于高溫高鹽油藏，就是在低溫高鹽油藏條件下，也因其增稠能力下降，而使三次采油基本無經(jīng)濟(jì)效益。同時，隨著油田的不斷開發(fā)，油藏非均質(zhì)情況越來越嚴(yán)重，注入水大量沖刷，油層黏土和膠結(jié)物膨脹、溶蝕，微粒運(yùn)移，出砂加重，出砂、微粒運(yùn)移形成蚯蚓洞，造成地層非均質(zhì)情況進(jìn)一步惡化。油氣藏的非均質(zhì)性和不利的油氣水流度比造成注入水沿高滲透層突進(jìn)，大大降低了注入水的波及效率，注水井調(diào)剖是有效的解決手段之一，工業(yè)上常采用具有一定強(qiáng)度和流動性的弱凍膠調(diào)驅(qū)劑來同時達(dá)到驅(qū)油和調(diào)剖的目的［9-10］，該類弱凍膠調(diào)驅(qū)劑由于成膠過程受地層影響較大，效果難以控制。本文報道了一種在高分子鏈段上引入微量的疏水基、在高礦化度水中可通過分子間締合形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［11-12］的鹽敏自增稠聚合物YMZC的溶解性、在不同礦化度、濃度、溫度和剪切作用下的增稠性能、封堵性能及驅(qū)油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

疏水締合聚合物YMZC，相對分子質(zhì)量1200萬，固含量88%，水不溶物含量0.16%，水解度19.2%；自制；配液用水，礦化度20000數(shù)100000 mg/L，含500 mg/L 的CaCl2，其余礦化物為NaCl。

DV2T 型旋轉(zhuǎn)黏度計，美國Brookfield 公司；SU8200 型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；高溫高壓巖心驅(qū)替裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黏度測定

用一定礦化度的水配制一定濃度的聚合物YMZC 溶液，采用旋轉(zhuǎn)黏度計測定體系初始黏度，并相隔固定時間間隔測定老化黏度，測定體系黏度最終穩(wěn)定數(shù)值。

1.2.2 封堵性能測定

以封堵率的大小表征調(diào)驅(qū)劑封堵能力的強(qiáng)弱，實(shí)驗(yàn)采用單管模型。采用填砂管模擬巖心，填充不同粒徑的砂礫即可得到不同滲透率的模擬巖心。首先水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，測得填砂管巖心堵前滲透率為Kw0，然后注入一定孔隙體積的調(diào)驅(qū)劑，隨后注入0.1 PV 水進(jìn)行頂替，將填砂管巖心密封后置于電子恒溫箱內(nèi)，待堵劑完全成膠后用水從注水端正驅(qū)至壓力穩(wěn)定，測堵后滲透率Kw1，并按以下公式并計算封堵率和殘余阻力系數(shù)［13-14］。

式中，E—封堵率，%；FRR—?dú)堄嘧枇ο禂?shù)；Kw0—堵前滲透率，μm2；Kw1—堵后滲透率，μm2。

1.2.3 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)步驟為：①巖心稱干質(zhì)量；②抽真空、飽和地層模擬水；③巖心分別稱濕質(zhì)量；④測定巖心的滲透率；⑤巖心分別飽和地層脫水原油；⑥水驅(qū)至含水率達(dá)到98%；⑦注入自増稠體系；⑧老化后再水驅(qū)至含水率達(dá)到98%；⑩計算采收率增值即注入鹽敏自増稠聚合物溶液后的采收率與水驅(qū)采收率的差值［15-17］。

1.2.4 環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察

采用天然巖心研究YMZC 聚合物溶液體系在多孔介質(zhì)中的微觀形貌，取巖心切片置于環(huán)掃電鏡中觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化度對YMZC聚合物溶解性能的影響

用不同礦化度的水配制質(zhì)量濃度為3000 mg/L的聚合物YMZC溶液，在室溫條件下測定溶解過程中溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）隨時間的變化，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)配液用水的礦化度在20000數(shù)80000 mg/L 范圍內(nèi)時，礦化度越高溶解時間越長，但是相差不大，在3數(shù)4 h 后溶黏度達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)配液用水的礦化度為100000 mg/L 時，聚合物溶液在溶解過程中會出現(xiàn)絮凝和“魚眼”的現(xiàn)象，聚合物不能完全溶解。這是由于配液用水的礦化度過高時，分子鏈上的電荷排斥效應(yīng)基本上不存在，這時發(fā)生分子內(nèi)締合的概率遠(yuǎn)大于分子間締合，導(dǎo)致聚合物YMZC 不易溶解。因此，聚合物YMZC適用的礦化度范圍小于80000 mg/L。

圖1 聚合物YMZC在不同礦化度的模擬水中的溶解性能（剪切速率7.34 s-1）

2.2 聚合物YMZC增稠效果的影響因素

2.2.1 礦化度

用不同礦化度（20000數(shù)80000 mg/L）的模擬水配制質(zhì)量濃度為3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，室溫下聚合物溶液的黏度（剪切速率7.34 s-1）隨測試時間的變化情況如圖2所示。由圖2可知，采用礦化度為20000 mg/L 和40000 mg/L 的模擬水配制的聚合物YMZC 溶液隨時間延長有輕微的增稠現(xiàn)象，但增稠后的黏度仍較低，無法達(dá)到調(diào)驅(qū)劑的強(qiáng)度要求；采用礦化度為60000 mg/L和80000 mg/L礦化度的模擬水配制的聚合物YMZC 溶液隨時間延長有非常明顯的增稠現(xiàn)象，老化2 d 后的黏度可增至2000 mPa·s以上，且穩(wěn)定性好。這是因?yàn)樵诘偷V化度時，聚合物YMZC分子鏈上的電荷排斥效應(yīng)以及分子內(nèi)締合效應(yīng)對溶液黏度的影響較大，抵消了分子間締合作用的影響，最終結(jié)果使得聚合物溶液黏度較小，增稠現(xiàn)象微弱［18］；而在高礦化度時，隨著溶液礦化度的增大，分子間締合效應(yīng)遠(yuǎn)大于分子內(nèi)締合效應(yīng)的影響，聚合物溶液黏度大幅提高。聚合物YMZC的締合臨界礦化度為40000 mg/L。

圖2 聚合物YMZC在不同礦化度的模擬水中的溶解性能（7.34 s-1）

2.2.2 聚合物濃度

用礦化度80000 mg/L 的模擬水分別配制不同濃度（500 數(shù) 4000 mg/L）的聚合物YMZC 溶液，在室溫（20℃）條件下聚合物溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）隨測試時間的變化情況如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)聚合物濃度為500 mg/L和1000 mg/L時，聚合物幾乎無增稠現(xiàn)象，甚至隨時間延長溶液黏度逐漸降低。這是因?yàn)榇藭r聚合物濃度低于臨界締合濃度，聚合物溶液內(nèi)以分子內(nèi)締合為主，分子鏈逐漸卷曲收縮，最終導(dǎo)致聚合物溶液黏度降低。當(dāng)聚合物濃度為2000 mg/L時，分子間締合開始起作用，聚合物溶液分子間互相締合形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，使得聚合物溶液的黏度有所增加，但増黏后的強(qiáng)度較低，無法達(dá)到調(diào)驅(qū)的要求。當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度達(dá)到2500 mg/L以上時聚合物溶液增稠現(xiàn)象明顯且能夠長時間保持穩(wěn)定。

圖3 YMZC濃度對聚合物增稠性能的影響（剪切速率7.34 s-1）

2.2.3 溫度

用礦化度80000 mg/L 的模擬水配制質(zhì)量濃度3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，分別在30℃、60℃、80℃、90℃的恒溫條件下考察聚合物溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）隨時間的變化情況，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，聚合物YMZC 溶液在30數(shù)80℃下的增稠效果顯著且能夠保持較長時間的穩(wěn)定性；當(dāng)溫度升至90℃時，聚合物溶液增稠效果變差。這是因?yàn)闇囟壬呤故杷鶊F(tuán)中分子鏈的熱運(yùn)動加劇，疏水基周圍的水和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減弱了分子鏈間的締合作用，導(dǎo)致溶液黏度降低［19］。

圖4 溫度對YMZC聚合物增稠性能的影響（剪切速率7.34 s-1）

2.2.4 剪切作用

用礦化度80000 mg/L 的模擬水配制質(zhì)量濃度3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，采用高速剪切機(jī)在3000 r/min條件下分別剪切5數(shù)30 s，然后在室溫下測定聚合物溶液黏度隨測試時間的變化規(guī)律，結(jié)果見圖5。由圖5可知，剪切時間越長，聚合物溶液的最終黏度越低。剪切后聚合物溶液黏度降低到100 mPa·s 左右，仍保持較好的自增稠性能。經(jīng)剪切30 s 后再增稠后的黏度仍達(dá)到200 mPa·s 以上。高強(qiáng)度的機(jī)械剪切使聚合物分子鏈?zhǔn)艿狡茐?，但是隨著時間的延長聚合物分子鏈之間逐漸締合，溶液黏度得到一定程度的恢復(fù)，說明聚合物YMZC對于剪切具有較強(qiáng)的可逆性，耐剪切性能較好。

圖5 剪切作用對YMZC聚合物增稠效果的影響（剪切速率7.34 s-1）

2.3 YMZC聚合物溶液的封堵性能

采用滲透率相近的三根填砂管巖心，先以礦化度為80000 mg/L的模擬水進(jìn)行飽和，然后分別注入不同量的用礦化度80000 mg/L 的模擬水配制的濃度為3000 mg/L的聚合物溶液，60℃下老化2 d后測堵后填砂管的滲透率，并計算封堵率和殘余阻力系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，鹽敏自增稠聚合物YMZC具有較好的封堵性能，隨注入量增加封堵率和殘余阻力系數(shù)增大。僅注入0.3 PV 的濃度3000 mg/L的聚合物YMZC溶液（礦化度80000 mg/L）時，聚合物增稠后對滲透率1 μm2的填砂管巖心的封堵率就高達(dá)95.6%，封堵效果顯著，可滿足調(diào)驅(qū)的要求。

表1 YMZC聚合物的封堵性能

2.4 YMZC聚合物溶液的調(diào)驅(qū)性能

采用雙管物理模型（高、低滲管的滲透率分別為 5.22 和 0.55 μm2，含油飽和度分別為 82.9%和81.25%），在室溫條件下考察鹽敏自增稠聚合物YMZC（濃度為3000 mg/L，礦化度80000 mg/L）的提高采收率的性能。驅(qū)替過程中含水率和采收率隨注入體積變化情況如圖6所示。由圖6可知，雙管模型的水驅(qū)采收率可以達(dá)到35%左右，當(dāng)水驅(qū)含水率達(dá)到98%以上注入聚合物YMZC 溶液，老化2 d以后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，聚合物主要進(jìn)入高滲管，増黏后的聚合物具有一定強(qiáng)度，對高滲管產(chǎn)生一定的封堵作用，使后續(xù)注入水進(jìn)入低滲管，起到調(diào)剖作用；同時，聚合物仍保持一定的流動性，在后續(xù)注入水的推動下聚合物在高滲管中還能緩慢向深部移動。最終采收率為48%，提高采收率大約為13.3%，提高采收率效果顯著，證明鹽敏自增稠聚合物YMZC能起到較好的調(diào)驅(qū)作用［20-22］。

圖6 YMZC聚合物溶液提高采收率性能

2.5 YMZC聚合物溶液微觀形貌

采用ESEM觀測分別用礦化度40000、60000和80000 mg/L的模擬水配制的濃度3000 mg/L的聚合物YMZC 溶液的微觀形貌，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著礦化度增加，微觀上YMZC聚合物分子排列越加緊密，宏觀上表現(xiàn)為溶液黏度大幅度上升。礦化度對自增稠聚合物YMZC 増黏性能的影響主要有兩個方面：一是分子鏈上的電荷排斥效應(yīng)，當(dāng)溶液礦化度很低時，分子鏈上的電荷排斥效應(yīng)占優(yōu)勢，溶液礦化度越高，分子鏈上的電荷排斥效應(yīng)越小，聚合物在溶液中分子越卷曲，溶液黏度低；二是分子內(nèi)與分子間的締合效應(yīng)，分子間的締合使聚合物產(chǎn)生超分子結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)出“相對分子質(zhì)量增大”的現(xiàn)象，使得聚合物溶液的黏度增大，而分子內(nèi)的締合使聚合物分子大大卷曲，聚合物溶液的黏度大大下降。當(dāng)溶液礦化度增至臨界締合礦化度后，分子間的締合效應(yīng)占優(yōu)勢；礦化度小于臨界締合礦化度時，分子內(nèi)締合占優(yōu)勢。兩種作用的競爭使得聚合物溶液的黏度表現(xiàn)出隨礦化度的變化而變化。

圖7 不同礦化度下YMZC聚合物（3000 mg/L）的微觀形貌

3 結(jié)論

自增稠聚合物YMZC 在礦化度低于80000 mg/L 的條件下具有較好的溶解性能，常溫（20℃）下溶解時間為3數(shù)4 h。

當(dāng)?shù)V化度為40000數(shù)80000 mg/L，聚合物濃度為2500 數(shù)4000 mg/L，溫度為20數(shù)80℃時，聚合物YMZC的增稠效果顯著，黏度可從初始的55 mPa·s左右增至300數(shù)2500 mPa·s以上，且穩(wěn)定性較好，強(qiáng)度達(dá)到調(diào)驅(qū)劑的要求。

聚合物不僅改善了聚合物耐鹽性差的缺點(diǎn)，且増黏后的聚合物具有較好的黏彈性和一定的流動性，同時具有調(diào)剖和驅(qū)油的雙重作用。注入0.3 PV的3000 mg/L 自增稠聚合物YMZC 溶液對滲透率1 μm2的填砂管巖心的封堵率可以達(dá)到95%以上，提高采收率13.3%，能對非均質(zhì)地層起到較好的調(diào)驅(qū)作用。鹽敏自增稠聚合物有望實(shí)現(xiàn)對海上高溫、高鹽稠油油藏的調(diào)驅(qū)。