聚合物溶液在高鹽中低滲透油藏中的適應(yīng)性
——以吐哈雁木西油田為例*

陳 超，張立東，尹玉川，王崇先，盧祥國，呂金龍，王 威，閆 陽

（1.中國石油吐哈油田分公司采油工程院，新疆鄯善838200；2.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北石油大學(xué)），黑龍江大慶163318；3.大港油田石油工程研究院，天津300450）

吐哈雁木西油田為高鹽中低滲透油藏，注入水礦化度高達(dá)15.0×104mg/L，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度超過7000 mg/L。目前，雁木西油田開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入特高含水開發(fā)階段，“穩(wěn)油控水”形勢十分嚴(yán)峻。近年來，隨著國內(nèi)油田開發(fā)采出程度和含水率不斷升高，聚合物驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)成為高含水油田提高采收率的重要措施之一［1-5］。聚合物驅(qū)油技術(shù)原理是通過向非均質(zhì)油藏中注入聚合物溶液，利用聚合物在高滲透層中滯留來增加滲流阻力，進(jìn)而達(dá)到提高注入壓力以及增加中低滲透層吸液壓差和吸液量的目的。目前，驅(qū)油用聚合物主要是部分水解聚丙烯酰胺（水溶性高分子材料）。高分子材料在水溶液中會形成聚合物線團(tuán)，其尺寸大小與溶劑水礦化度、聚合物相對分子質(zhì)量和聚合物濃度等參數(shù)有關(guān)。為使聚合物驅(qū)油技術(shù)達(dá)到預(yù)期增油降水效果，必須確保聚合物溶液與儲層間具有良好的適應(yīng)性［6-7］，即聚合物溶液中聚合物分子線團(tuán)尺寸與巖石孔隙尺寸間保持良好匹配關(guān)系。否則，聚合物溶液通過巖心時(shí)就會受到孔喉結(jié)構(gòu)的剪切作用，致使聚合物分子鏈發(fā)生斷裂即聚合物分子線團(tuán)尺寸減小，聚合物原有滯留功能遭到削弱甚至完全喪失［8-12］。近年來，聚合物溶液油藏適應(yīng)性研究受到石油科技工作者的高度重視［13-14］，但研究工作主要集中在低礦化度溶劑水油田，特高礦化度溶劑水條件下聚合物溶液油藏適應(yīng)性研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文以雁木西油田儲層地質(zhì)特征和流體性質(zhì)為模擬對象，開展了聚合物溶液油藏適應(yīng)性研究，為后續(xù)提高采收率技術(shù)決策提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質(zhì)量分別為800×104、1400×104、1700×104和2000×104，固含量為88%，大慶煉化公司；雁木西油田模擬注入水，礦化度151453 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：向注入水中添加氫氧化鈉-碳酸鈉消除水中鈣鎂離子即得到軟化水，用軟化水配制聚合物溶液；石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造柱狀巖心［15-16］，直徑2.5 cm、長10 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度儀，布魯克菲爾德公司；NanoZS90 激光粒度儀，英國馬爾文儀器有限公司；阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測試儀器設(shè)備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等，除平流泵和手搖泵外，其他部分置于55℃恒溫箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）黏度與分子線團(tuán)尺寸的測定

在6 r/min轉(zhuǎn)速下，用布氏黏度儀測定驅(qū)油劑黏度。用激光粒度儀測定聚合物分子線團(tuán)尺寸Dh。

（2）滲流特性評價(jià)

通常用阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)評價(jià)聚合物溶液的滲流特性。它們是描述聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量大小的技術(shù)指標(biāo)，通常用符號Fr和Frr來表示，其定義為：

其中，δp1—巖心水驅(qū)壓差，δp2—聚合物驅(qū)壓差，δp3—后續(xù)水驅(qū)壓差。上述注入過程必須保持注液速度相同，且液體注入量應(yīng)當(dāng)達(dá)到4數(shù)5 PV。當(dāng)聚合物溶液通過巖心孔隙時(shí)，注入壓力與注入體積關(guān)系、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)反映了它們在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量水平，代表了聚合物溶液與巖石孔隙間的配伍性或適應(yīng)性。從注入壓力升高趨勢來看，可以分為兩類。一類是隨聚合物溶液注入體積增加，注入壓力升幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定，表明聚合物與巖心間配伍性較好。通常把聚合物溶液通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率稱為該聚合物溶液的滲透率極限。另一類是隨聚合物溶液注入體積增加，注入壓力持續(xù)升高，表明聚合物在巖心孔隙內(nèi)發(fā)生了堵塞，聚合物與巖心間配伍性較差［17］。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：巖心抽真空飽和注入水，注注入水，記錄壓力；聚合物溶液驅(qū)4數(shù)5 PV，記錄壓力；后續(xù)水（軟化水）驅(qū)4數(shù)5 PV，記錄壓力。注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔為30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物溶液與巖心配伍性

在聚合物溶液注入巖心的過程中，隨注入體積增加，若注入壓力升幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定，表明聚合物分子線團(tuán)與巖心孔隙間具有良好的匹配性。聚合物溶液的滲透率極限（聚合物溶液通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率）見圖2（聚合物相對分子質(zhì)量800×104）中菱形曲線對應(yīng)的滲透率值。否則，聚合物分子線團(tuán)與巖心孔隙配伍性較差，即聚合物溶液在巖心內(nèi)發(fā)生了堵塞。

依據(jù)上述配伍性原則，通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)確定了聚合物溶液（聚合物相對分子質(zhì)量和聚合物濃度）的滲透率極限，結(jié)果見表1。表中的“能夠”對應(yīng)圖2每幅圖中的中間曲線，注聚合物后期壓力較低且升幅趨于穩(wěn)定，此時(shí)代表的即滲透率極限；“順利”對應(yīng)最下面的曲線，后期壓力低且升幅穩(wěn)定；“堵塞”對應(yīng)最上面的曲線，后期壓力較高且升幅仍較大。當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度為300、500、700 和900聚合物溶液對應(yīng)的滲透率極限分別為1400×104分別為25×10-3、30×10-3、35×10-3和45×10-3分別為30×10-3、40×10-3、45×10-3和分別為 40×10-3、50×10-3、60×10-3和 70×10-3μm2。聚合物相對分子質(zhì)量和濃度對滲透率極限均有影響。在聚合物相對分子質(zhì)量一定的條件下，隨聚合物濃度增加，滲透率極限增加。在聚合物濃度一定的條件下，隨聚合物相對分子質(zhì)量增加，滲透率極限增大［18-19］。

圖2 注入壓力與注入量的關(guān)系

2.2 聚合物溶液滲流特性

在聚合物相對分子質(zhì)量和濃度不同的條件下，聚合物溶液阻力系數(shù)（Fr）和殘余阻力系數(shù)（Frr）測定結(jié)果見表2。在聚合物相對分子質(zhì)量和濃度不變的情況下，隨巖心滲透率降低，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增加。巖心滲透率一定時(shí)，隨聚合物相對分子質(zhì)量和濃度增加，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增加。

表1 滲透率極限與聚合物相對分子質(zhì)量和濃度的關(guān)系

2.3 聚合物分子線團(tuán)尺寸與孔隙孔喉半徑中值匹配關(guān)系

2.3.1 聚合物分子線團(tuán)尺寸

聚合物溶液中聚合物分子線團(tuán)尺寸（Dh）與聚合物濃度的關(guān)系曲線見圖3。在聚合物相對分子質(zhì)量一定的條件下，隨聚合物濃度增大，Dh呈指數(shù)型增加。在聚合物濃度一定的條件下，Dh隨聚合物相對分子質(zhì)量的增加而增大，Dh變化范圍為148數(shù)528 nm。

2.3.2 滲透率極限與聚合物相對分子質(zhì)量和濃度的關(guān)系

依據(jù)表1和圖2確定滲透率極限與聚合物相對分子質(zhì)量和濃度的關(guān)系，結(jié)果見圖4。在聚合物相對分子質(zhì)量一定的條件下，滲透率極限與聚合物濃度幾乎呈線性關(guān)系。

表2 聚合物相對分子質(zhì)量和濃度對阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)的影響

圖3 Dh與聚合物相對分子質(zhì)量和濃度的關(guān)系

圖4 滲透率極限與聚合物相對分子質(zhì)量和濃度的關(guān)系

圖5 巖心滲透率與孔隙半徑中值的關(guān)系

圖6 滲透率極限巖心孔喉半徑中值與Dh的關(guān)系

2.3.3 巖心孔喉尺寸與聚合物分子線團(tuán)尺寸的關(guān)系

利用巖心壓汞實(shí)驗(yàn)［20］數(shù)據(jù)建立目標(biāo)油藏儲層巖石滲透率與孔隙半徑中值的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，結(jié)果見圖5。隨巖石滲透率增加，孔隙半徑中值呈對數(shù)型增長。將圖3數(shù)圖5整理得到滲透率極限巖心孔隙半徑中值與Dh間的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖6。曲線將坐標(biāo)區(qū)域劃分為配伍區(qū)和堵塞區(qū)上下兩部分。

2.4 聚合物溶液油藏適應(yīng)性

雁木西油田儲層非均質(zhì)性嚴(yán)重，聚合物溶液不必進(jìn)入全部儲層。事實(shí)上，聚合物進(jìn)入低滲透層會大幅提高其吸液啟動(dòng)壓力，不利于后續(xù)驅(qū)油劑進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積。參照大慶油田規(guī)定聚合物溶液進(jìn)入70%儲層厚度的做法［21-22］，確定聚合物溶液進(jìn)入雁630 區(qū)塊60%儲層厚度。雁630 區(qū)塊儲層累積厚度比與滲透率統(tǒng)計(jì)關(guān)系見圖7。儲層累積厚度比達(dá)到60%時(shí)對應(yīng)的儲層滲透率為60.5×10-3μm2。由表1、表2可知，兼顧注入性（Fr）和滯留特性（Frr），選擇相對分子質(zhì)量1700×104和質(zhì)量濃度900 mg/L 的聚合物溶液進(jìn)入滲透率大于60.5×10-3μm2的儲層。若采用相對分子質(zhì)量較低的聚合物，則聚合物濃度可以相應(yīng)提高。

圖7 油層累積厚度比與滲透率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

3 結(jié)論

聚合物相對分子質(zhì)量和濃度對滲透率極限均有影響。在聚合物相對分子質(zhì)量一定的條件下，隨聚合物濃度增加，滲透率極限增加，聚合物分子線團(tuán)尺寸Dh呈指數(shù)型增加；在聚合物濃度一定的條件下，隨聚合物相對分子質(zhì)量增加，滲透率極限和Dh增大。由滲透率極限巖心孔隙半徑中值與Dh間的關(guān)系可以得到對應(yīng)的配伍區(qū)和堵塞區(qū)。對于雁木西油田，油層累積厚度比達(dá)到60%時(shí)對應(yīng)儲層滲透率為60.5×10-3μm2。當(dāng)采用相對分子質(zhì)量1700×104和質(zhì)量濃度900 mg/L的聚合物溶液時(shí)，可以滿足進(jìn)入規(guī)定儲層厚度的要求。若采用相對分子質(zhì)量較低的聚合物，則聚合物濃度需相應(yīng)提高。