N 開發(fā)區(qū)注聚合物段塞優(yōu)選研究

王銘浩

（大慶油田有限責任公司 第一采油廠，黑龍江 大慶163510）

大量研究表明，聚合物驅(qū)油既能擴大波及體積,又能提高驅(qū)油效率，是一種有效的三次采油方法[1-4]。近年來，諸多學者對聚合物驅(qū)進行了一系列研究，夏惠芬等[5]研究了水解聚丙烯酰胺溶液的黏彈性，認為聚合物黏彈性越大，攜帶出的殘余量越大，驅(qū)替效率越高；楊付林等[6]通過室內(nèi)模擬，進行了一元驅(qū)注入時機、聚合物段塞和相對分子質(zhì)量對驅(qū)油效果的影響研究，認為聚合物質(zhì)量分數(shù)越高,采收率越大；胡錦強等[7]研究了高濃(2 500 μg/g)溶液與常濃(1 000 μg/g)溶液的2 500 萬相對分子質(zhì)量抗鹽聚合物對三管并聯(lián)巖心驅(qū)替效果，認為高濃聚合物溶液在改善油水流度比、擴大注入流體波及體積、調(diào)整吸水剖面以及提高微觀驅(qū)油效率的能力均高于常濃聚合物溶液；吳文祥等[8]研究了低、高濃聚合物轉(zhuǎn)換注入對提高采收率的影響，強調(diào)了高黏彈性聚合物溶液提高微觀驅(qū)油效率的作用。以上研究明確了高分子高濃聚合物在聚驅(qū)提高采收率方面的優(yōu)勢，提高采收率效果顯著。但目前的研究成果更依賴于高相對分子質(zhì)量、高質(zhì)量分數(shù)單一聚合物段塞（如相對分子質(zhì)量2 500 萬的討論），對組合段塞（包括相同相對分子質(zhì)量組合和不同相對分子質(zhì)量組合）的研究不夠深入，且方案選擇上僅考慮高分子高濃聚合物對提高采收率的優(yōu)越性，而未對整個注聚期聚合物總用量和注聚后注壓快速上升等因素進行綜合考量。本文通過對大慶油田N 開發(fā)區(qū)常用相對分子質(zhì)量為2 500 萬和700 萬聚合物溶液進行了單段塞、相同相對分子質(zhì)量不同質(zhì)量分數(shù)三段塞和不同相對分子質(zhì)量不同質(zhì)量分數(shù)雙段塞注聚進行實驗研究，以明確各組合段塞的驅(qū)替效果，在實現(xiàn)高采收率的同時，努力降低注壓和減少聚合物用量，實現(xiàn)降本增效目的。

1 N 開發(fā)區(qū)概況

N 開發(fā)區(qū)聚驅(qū)目的層葡I3 層屬于分流平原相和內(nèi)前緣相沉積，儲層巖石以細砂巖為主，顆粒范圍0.05～0.42 mm，粒度中值0.120 mm，平均孔隙度29.41%。地面脫氣原油密度0.851 0 g/cm3，原油地面黏度13.9 mPa·s，地下原油黏度6.7 mPa·s[9]，蠟質(zhì)量分數(shù)21.5%，膠質(zhì)量分數(shù)10.7%，體積系數(shù)1.115，飽和壓力7.08 MPa，原始氣油比42.9 m3/t。天然氣相對密度0.618 1，CH4質(zhì)量分數(shù)87.63%，CO2質(zhì)量分數(shù)0.77%[9]。油田水屬NaHCO3型陸相生成水，表現(xiàn)為Cl-、K+、Na+、HCO-3離子含量高，Ca2+、Mg2+離子含量穩(wěn)定，稀有元素和環(huán)烷酸含量少等。

2 聚合物段塞優(yōu)選實驗

2.1 制作人造巖心

原料：石英砂，環(huán)氧樹脂E-44，鄰苯二甲酸二丁酯、乙二胺、丙酮、石油醚(以上均為化學純)。制備后，用取芯鉆頭鉆取直徑為2.5 cm，長10 cm 的柱狀巖心，用環(huán)氧樹脂對模型澆鑄和密封，兩端接裝出入口。

外加黏土的選擇：為了使實驗中人造巖心模型的黏土含量更加接近目的儲層的人造巖心，選擇在人造巖心中加入適量的蒙脫石或者高嶺土。利用離心法測定兩種黏土與注入水的膨脹率，蒙脫石與注入水發(fā)生水敏膨脹，而高嶺土不發(fā)生水敏情況。因此，為了避免水敏的發(fā)生，在制作巖心的時候，摻入適量高嶺土來模擬油層情況。

耐壓實驗：對長方體狀巖心模型密封后進行氣體試壓，以保證實驗過程中不滲不漏。試壓壓力≥1.0 MPa 合格，能保證巖芯側(cè)面和端面具有良好的密封性。

2.2 單一段塞聚合物驅(qū)油實驗

2.2.1 實驗條件

（1）實驗目的：通過驅(qū)替實驗，了解不同相對分子質(zhì)量、不同質(zhì)量分數(shù)聚合物對N 開發(fā)區(qū)葡I3 油層的驅(qū)油效果，優(yōu)選單段塞聚合物注入相對分子質(zhì)量和質(zhì)量分數(shù)。

（2）實驗用水：用水為大慶采油五廠葡I3 油層現(xiàn)場實際注入深處理污水，使用前分別經(jīng)0.2 μm 微孔過濾，除去雜質(zhì)。其陰離子總質(zhì)量分數(shù)為68.29 μg/g，總礦化度為4 972.80 μg/g。

（3）實驗用油：來自現(xiàn)場原油和煤油配制，45 ℃條件下黏度為6.6 mPa·s[10-11]。

（4）實驗溫度：45 ℃。

采用相對分子質(zhì)量為700 萬抗鹽聚合物和2 500 萬超高相對分子質(zhì)量聚合物(污水稀釋至質(zhì)量分數(shù)分別為800、1 000、1 200、1 500、2 000 μg/g），聚合物質(zhì)量分數(shù)與黏度關(guān)系見圖1。由圖1 可知，與2 500 萬超高分子聚合物相比，相同質(zhì)量分數(shù)下700萬相對分子質(zhì)量抗鹽聚合物的黏度更高，這主要是因為抗鹽聚合物分子易聚集成片狀結(jié)構(gòu)，具有很強的包裹和吸附水分子能力，其溶液具有很好的增黏效果[10-12]。此外，除了普通聚合物的分子間物理纏繞外，抗鹽聚合物分子間還受范氏力和分子間締合作用力作用[12]，使其黏度更高。

圖1 聚合物質(zhì)量分數(shù)與溶液黏度關(guān)系Fig.1 The relationship of viscosity to mass fraction of polymer solution

2.2.2 實驗方案

采 用 水 滲 透 率 為300×10-3、200×10-3、100×10-3μm2，變異系數(shù)為0.72 的三層非均質(zhì)巖心。

（1）模型水驅(qū)至含水率98%，分別注入不同質(zhì)量分數(shù)（1 000、1 500、2 000、2 500 μg/g[9]）的2 500 萬相對分子質(zhì)量聚合物溶液，注聚直到含水率98%。測量聚合物注入量與采收率提高幅度關(guān)系。

（2）模型水驅(qū)至含水率98%，分別注入不同質(zhì)量分數(shù)（800、1 000、1 500、2 000 μg/g[9]）的700 萬相對分子質(zhì)量抗鹽聚合物溶液，注聚直到含水率98%。測量聚合物注入量與采收率提高幅度關(guān)系。

（3）實驗中，按0.2 mL/min 排量進行聚合物驅(qū)，用試管收集排出的液體，每30 min 記錄一次出口的油、水液量以及壓差值，驅(qū)至設(shè)計用量為止計算含水率、聚合物驅(qū)采出程度[12-16]。

2.2.3 結(jié)果與分析

（1）采出程度。圖2 為相對分子質(zhì)量2 500 萬(700 萬)分子聚合物溶液不同質(zhì)量分數(shù)下，單一段塞驅(qū)油效果。

圖2 相對分子質(zhì)量2 500 萬和700 萬聚合物驅(qū)替效果Fig.2 Displacement effect of polymer flooding with molecular weight of 25 million and 7 million

從圖2 中可以看出，聚合物驅(qū)可以有效地挖潛剩余油，提高采出程度；隨著注入質(zhì)量分數(shù)的增加，采收率提高幅度不斷增大，相對分子質(zhì)量為2 500萬聚合物在注入質(zhì)量分數(shù)為2 500 μg/g 時（相對分子質(zhì)量為700 萬聚合物在注入質(zhì)量分數(shù)為2 000 μg/g 時），聚驅(qū)提高幅度最大，在水驅(qū)基礎(chǔ)上分別提高22.35%和23.20%，這說明聚合物溶液在較大質(zhì)量分數(shù)的時候具有較高的黏度和黏彈特性，能夠很好地擴大波及體積和提高驅(qū)油效率；相同質(zhì)量分數(shù)下，相對分子質(zhì)量700 萬抗鹽聚合物與2 500 萬聚合物相比，其聚合物分子結(jié)構(gòu)含有少量高位阻基團，分子鏈剛性強，流動阻力大，傳輸運移能力好，使原油驅(qū)替效率更高[12-13]，因此能以更低用量獲得更高采收率。

（2）含水率。圖3 為兩種聚合物注聚階段含水率變化。由圖3 可見，兩種聚合物驅(qū)油實驗具有相同的含水規(guī)律。隨著聚合物溶液質(zhì)量分數(shù)的增加，含水最低點逐漸下降，同時出現(xiàn)最低點的PV 數(shù)不斷前移。對于相對分子質(zhì)量為2 500 萬聚合物，注入質(zhì)量分數(shù)為2 500 μg/g 時含水率下降幅度最大，最低點出現(xiàn)時機最早；對于相對分子質(zhì)量為700 萬抗鹽聚合物，注入質(zhì)量分數(shù)為2 000 μg/g 時含水率下降幅度最大，最低點出現(xiàn)時機最早。

圖3 相對分子質(zhì)量2 500 萬和700 萬聚合物含水率與注入量對應曲線Fig.3 Curves of water cut and injection volume of poly?mers with molecular weight of 25 million and 7 million

（3）注入壓力。圖4 為兩種聚合物注聚階段注入量與注壓變化情況。由圖4 可見，隨聚合物注入，注入壓力逐漸上升；壓力上升呈前快后慢趨勢；相同注入PV 情況下，注入聚合物質(zhì)量分數(shù)越高，壓力上升越快，高注壓出現(xiàn)越早。整個過程中，相對分子質(zhì)量為2 500 萬（2 500 μg/g）和700 萬（2 000 μg/g）的聚合物壓力值明顯高于各對應分子的其他質(zhì)量分數(shù)注壓。

結(jié)合以上研究，相對分子質(zhì)量2 500 萬聚合物（2 500、2 000 μg/g）采出程度和相對分子質(zhì)量700萬聚合物（2 000、1 500 μg/g）采出程度均較高，有利于提高采收率；含水率較低且最低值出現(xiàn)的較早，均有利于增油降液，提高開發(fā)效果；但考慮相對分子質(zhì)量2 500 萬聚合物（2 500 μg/g）和700 萬聚合物（2 000 μg/g）注壓顯著高于2500 萬聚合物（2 000 μg/g）和700 萬聚合物（1 500 μg/g），聚合物注入困難，不利于現(xiàn)場實施。因此，現(xiàn)場相對分子質(zhì)量2500 萬和700 萬聚合物溶液主段塞宜分別采用2 000、1500 μg/g 注入；而高質(zhì)量分數(shù)的2 500 萬相對分子質(zhì)量（2 500 μg/g）聚合物注壓提高顯著，這有助于注聚初期保證聚合物平面上均勻推進，防止聚合物突破，對注聚初期調(diào)整吸液剖面有利，可將其選為段塞組合注入時的前置段塞使用。

圖4 相對分子質(zhì)量2 500 萬和700 萬聚合物注壓與注入量對應曲線Fig.4 Curves of injection pressure and injection volume for polymers with molecular weight of 25 million and 7 million

2.3 相同聚合物組合段塞驅(qū)油實驗

2.3.1 實驗條件 通過同一聚合物的高低黏度段塞組合驅(qū)替實驗，優(yōu)選出段塞的最佳注入順序。使用巖心及其他實驗條件同2.2 部分。

2.3.2 實驗方案 驅(qū)至含水率98%，注入不超過2 000 μg·(g·PV)-1的相對分子質(zhì)量2 500 萬聚合物，各方案組合如圖5 所示。

2.3.3 結(jié)果與分析

（1）采出程度。表1 為各實驗段塞注入及對應采收率提高幅度情況。

圖5 相同聚合物段塞方案組合Fig.5 Slug combination diagram of same polymer combinations

表1 段塞驅(qū)替實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of slug displacement

由表1 可知，2 500 萬相對分子質(zhì)量聚合物注入，隨聚合物質(zhì)量分數(shù)2 500、2 000、1 200 μg/g 的變化，采收率隨之變化，且逐漸增大，說明該注入方式有效，即分級注入可以有效地挖潛剩余油，提高采出程度。前置-中間-后續(xù)三段設(shè)計的1-5 方案采收率值在單段塞方案6-7 采收率值之間，優(yōu)于6 劣于7。在總注入量2 000 μg·(g·PV)-1不變的條件下，前置高質(zhì)量分數(shù)聚合物注入段塞的大小對最終采收率大小起主要的影響作用。前置段塞注入量越大，聚驅(qū)采收率提高幅度越大，這種變化趨勢在前置段塞為0.1、0.2 PV 和0.3 PV 時并不明顯，3 個方案的采收率提高幅度在17%，但當前置段塞增加到0.4、0.5 PV 時增油效果顯著，最終采收率明顯提高，采收率提高幅度分別為19.55%和21.74%，同時聚合物用量較少。特別是前置段塞0.5 PV 時，聚合物驅(qū)采收率提高幅度最大，在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高了21.74%，此時采收率與聚合物溶液質(zhì)量分數(shù)為2 500 μg/g 時單段塞提高幅度接近。

（2）含水率。圖6 為單段塞聚合物驅(qū)與相同聚合物組合段塞的注聚階段含水率變化。從圖6 中可見，2 500 μg/g 單段塞聚驅(qū)含水率下降幅度最大，而2 000 μg/g 單段塞聚驅(qū)含水率下降幅度最小，組合注入含水率位于兩者之間。

圖6 各方案含水率隨注入PV 數(shù)變化Fig.6 Water?cut curves of schemes with different amount of PV injected

（3）注入壓力。圖7 為單段塞聚合物驅(qū)與相同聚合物組合段塞的注聚階段注入變化。由圖7 可見，組合注入壓力位于2 500 μg/g 單段塞聚驅(qū)和2 000 μg/g 單段塞聚驅(qū)之間。初期隨著聚合物溶液注入質(zhì)量分數(shù)的增加，注入壓力隨之增大，說明加大注聚質(zhì)量分數(shù)，可以保持相對較高的注入壓力，有助于進一步擴大波及體積；隨著前置高質(zhì)量分數(shù)段塞注入大小的增加，壓力最高點不斷升高，但方案1 到方案4 注入壓力相差不大，方案5 注聚后期壓力上升較大；隨低質(zhì)量分數(shù)段塞的持續(xù)注入，后期注壓出現(xiàn)一定幅度下降。

考慮方案5 注壓上升幅度較大，不利于中后期聚合物注入。因此，若僅考慮提高采收率而不考慮聚合物注入難易，可選擇方案5；若綜合考慮采收率和聚合物順利注入，宜選擇方案4。

圖7 各方案注壓變化Fig.7 Injection pressure change of each scheme

2.4 不同聚合物組合段塞驅(qū)油實驗

2.4.1 實驗條件 借鑒2.2 中研究結(jié)果，注入2 500 萬和700 萬相對分子質(zhì)量聚合物單段塞適宜質(zhì)量分數(shù),即2 000、1 500 μg/g?？疾靸煞N不同聚合物組合段塞的驅(qū)替性能。使用巖心及其他實驗條件同前。

2.4.2 實驗方案 水驅(qū)至含水率98%，注入總量不 超 過2 000 μg·(g·PV)-1，2 500 萬和700 萬 相 對分子質(zhì)量聚合物，注入質(zhì)量分數(shù)分別為2 000、1 500 μg/g，水驅(qū)至含水率98%，各類方案組合見圖8。

圖8 不同聚合物段塞方案組合Fig.8 Slug combination diagram of different polymer combinations

2.4.3 結(jié)果與分析

（1）采出程度。不同聚合物組合段塞驅(qū)油實驗結(jié)果見表2。由表2 可見，在注入總量2 000 μg·(g·PV)-1不變的條件下，與2.3 研究結(jié)果相似，即前置段塞聚合物注入量越大，組合注入提高采收率幅度越大。當前置段塞為0.1 PV 和0.2 PV 時采收率提高幅度接近為18%；當前置注入段塞增加到0.3 PV時，采收率提高幅度較大，達到22%；前置段塞增加到0.5 PV 時，采收率增加到22.35%。綜合以上，方案3、4 較方案1、2 更好。

（2）含水率。圖9 為單段塞聚合物驅(qū)與不同聚合物組合段塞的注聚階段含水率變化。從圖9 可見，2 500 μg/g(2 500 萬相對分子質(zhì)量)單段塞聚驅(qū)含水率下降幅度最大，而2 000 μg/g 單段塞聚驅(qū)含水率下降幅度最小，組合注入含水率情況位于兩者之間。前置高質(zhì)量分數(shù)聚合物段塞注入0.3、0.5 PV 時，含水率下降幅度與2 500 μg/g(2 500萬相對分子質(zhì)量)單一段塞聚合物驅(qū)較接近。方案3、4 含水率最低點出現(xiàn)最早，說明增大前置段塞有助于油墻的提前形成，縮短開發(fā)時間。

表2 組合段塞實驗結(jié)果Table 2 Results of combined slug test

圖9 不同聚合物組合注入時含水率變化Fig.9 Curves of water?cut during injection of different polymer combinations

圖10 不同聚合物組合注壓變化Fig.10 Curves of injecting pressure during injection of different polymer combinations

（3）注壓變化。圖10 為聚合物溶液注入壓力變化。由圖10 可見，各方案的注入壓力呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢。隨著前置高質(zhì)量分數(shù)段塞注入量的增加，壓力最高點不斷升高，但方案1-3 注入壓力相差不大，方案4 注聚后期壓力上升幅度偏大。

綜上，根據(jù)2.2 至2.4 研究結(jié)果，各方案包括單一段塞、相同聚合物組合段塞、不同聚合物組合段塞中最優(yōu)方案采出程度、對應注入量、含水率最低值、最大注壓出現(xiàn)位置及數(shù)值情況見表3。

表3 注入情況匯總Table 3 Summary of injection schemes

續(xù)表3

由表3 可知，方案2#、4#、5#、6#采收率提高幅度較高。綜合考慮，相比方案2#、4#、6#，方案5#有最低的聚合物用量、含水率值較低且最低值出現(xiàn)時間較早、注壓最低。因此，認為方案5#為最佳方案。優(yōu)化的段塞組合為：2 500 萬聚合物相對分子質(zhì)量2 000 μg/g，0.30 PV；700 萬聚合物相對分子質(zhì)量1 500 μg/g，0.42 PV。

3 結(jié) 論

（1）單一聚合物驅(qū)最佳注入方案為：700 萬相對分子質(zhì)量聚合物最佳注入質(zhì)量分數(shù)為1 500 μg/g；2 500 萬相對分子質(zhì)量聚合物最佳注入質(zhì)量分數(shù)為2 000 μg/g。

（2）高質(zhì)量分數(shù)聚合物有助于地層憋壓，提高采收率；可更快獲得含水率低值及更低的含水率值。

（3）相同聚合物段塞優(yōu)化組合可獲得與單段塞較接近的采收率，但隨前置高濃段塞的注入量增大，其注壓上升明顯，不利于聚合物注入；實際中，宜綜合考慮選擇采收率較高，注壓較低，聚合物用量較少的方案。

（4）與單一段塞、相同聚合物組合段塞相比，不同聚合物組合段塞在采收率、聚合物用量、含水率最低值及注壓等綜合性能上更具優(yōu)勢。