聚合物弱凝膠在高鹽中低滲條件下的滲流特性及影響因素*

張 楠 ，盧祥國，謝 坤，鄶婧文，楊海恩，何治武，任建科，吳 浩

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江大慶 163318；2.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021；3.大慶油田有限責任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163318）

近年來，由于勘探程度逐漸提高，且國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)新油田數(shù)量逐漸減小，立足老油田提高采收率正成為石油開發(fā)工作者的共識。20 世紀60 年代聚合物驅(qū)油技術誕生以來，以其配注工藝較為簡單、提高采收率幅度較大和成本較低而受到廣泛重視，已經(jīng)成為油田開發(fā)中后期“穩(wěn)油控水”的重要技術手段［1-4］。

美國于1964年率先開展了聚合物驅(qū)礦場試驗，5 年間共實施了61 項礦場試驗。1970數(shù)1985 年期間又開展了183 項聚合物驅(qū)試驗，都取得了明顯的“增油降水”效果和經(jīng)濟效益。前蘇聯(lián)等多個國家也開展了聚合物驅(qū)礦場試驗，進一步證實聚合物驅(qū)可以大幅提高原油采收率。截至目前，國外已有200 多個油田或區(qū)塊開展了聚合物驅(qū)礦場試驗［5-7］。國內(nèi)很多油田也開展了聚合物驅(qū)試驗或工業(yè)化應用，其中大慶油田適合聚合物驅(qū)或化學驅(qū)的地質(zhì)儲量十分巨大，一類油層儲量8.09×108t，二類油層15.04×108t。截至目前，大慶油田投入化學驅(qū)的工業(yè)化區(qū)塊超過87個，動用地質(zhì)儲量超過10.77×108t，且每年以5000×104數(shù)8000×104t地質(zhì)儲量規(guī)模投入化學驅(qū)。依據(jù)已經(jīng)完成聚合物驅(qū)區(qū)塊增油效果統(tǒng)計，當區(qū)塊平均綜合含水達到97.0%時的采出程度為55.5%，提高采收率10%以上，為實現(xiàn)大慶油田“穩(wěn)油控水”目標做出了巨大貢獻。

目前，聚合物驅(qū)油技術應用需求正從低鹽油藏向高鹽和特高鹽油藏轉(zhuǎn)移［8-11］。由于注入水中二價金屬離子對聚合物干粉溶解性、滯留特性和液流轉(zhuǎn)向能力帶來極大不利影響［12-14］，高鹽油藏提高采收率已經(jīng)成為石油科技工作者亟待解決的技術難題。為滿足目標油藏的生產(chǎn)需求，以長慶油田長2、長6和長4+5塊油藏地質(zhì)特征和流體性質(zhì)為模擬對象，開展了聚合物弱凝膠滲流特性及影響因素和作用機理研究，為礦場提高采收率技術決策提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

表1 長慶油田水質(zhì)組成

DV-Ⅱ型布氏黏度儀，德國布魯克（Bruker）公司；BI-200SM型廣角動/靜態(tài)光散射儀，美國布魯克海文儀器公司；JB300S 型攪拌器，深圳市三利化學品有限公司；HJ-6 型多頭磁力攪拌器，海安石油儀器有限公司；調(diào)驅(qū)劑滲流實驗所用儀器包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等部件，除平流泵和手搖泵外，其他部件置于60℃恒溫箱內(nèi)。

1.2 實驗方法

（1）聚合物溶液的配制：在室溫下，按實驗所需用量在聚合物中加入注入水，用JB300S型攪拌器在300 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌3 h，使其充分溶解。

（2）弱凝膠的配制：在聚合物溶液中加入一定質(zhì)量的Cr3+交聯(lián)劑，用HJ-6 型多頭磁力攪拌器攪拌（液面出現(xiàn)漩渦即可）15 min后制得弱凝膠。在實驗溫度60℃的條件下，弱凝膠的成膠時間可控制在2.5 h 左右，使其在注入巖心過程中不成膠，候凝時間超過3 h后完全成膠。

（3）采用布氏黏度儀測定聚合物溶液的黏度，轉(zhuǎn)速為6 r/min。采用廣角動/靜態(tài)光散射儀測定聚合物溶液和弱凝膠中聚合物分子聚集體的尺寸。

（4）采用注入壓力、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)評價聚合物溶液和弱凝膠的滲流特性，其中阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)描述了調(diào)驅(qū)劑在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量的大小，通常用Fr和Frr來表示：其中，—巖心水驅(qū)壓差，—化學驅(qū)壓差，—后續(xù)水驅(qū)壓差。上述注入過程必須保持注液速度相同，且液體注入量應當達到4數(shù)5 PV［17-18］。實驗步驟：人造模擬巖心抽真空飽和注入水。在油藏溫度60℃下，注入注入水，記錄水驅(qū)壓力；注聚合物溶液或弱凝膠4數(shù)5 PV（約2.5 h），記錄壓力；候凝3 h 后，注后續(xù)水4數(shù)5 PV（約2.5 h），記錄壓力。注入速度均為0.3 mL/min，壓力記錄間隔為30 min。

2 結果與討論

2.1 聚合物相對分子質(zhì)量的影響

用長4+5 區(qū)塊注入水配制800 mg/L 的大慶煉化聚合物弱凝膠，聚鉻比（質(zhì)量比）為180∶1。滲流實驗中聚合物相對分子質(zhì)量對聚合物弱凝膠Fr和Frr的影響見表2。弱凝膠的Fr和Frr與聚合物相對分子質(zhì)量呈正向相關，且Frr大于Fr。聚合物相對分子質(zhì)量越大，聚合物分子直徑越大，對巖心的封堵效果越強；候凝后弱凝膠完全成膠，滯留在巖心內(nèi)，對巖心實施了有效封堵，因此Frr大于Fr。

聚合物相對分子質(zhì)量對注入壓力與注入量關系的影響見圖1。隨聚合物相對分子質(zhì)量增大，聚合物弱凝膠注入階段和后續(xù)水驅(qū)階段注入壓力逐漸升高。聚合物分子聚集體尺寸隨聚合物相對分子質(zhì)量的增大而增加，導致在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量增加，滲流阻力增加。在后續(xù)水驅(qū)階段，雖然巖心孔隙內(nèi)部分滯留聚合物凝膠會隨注入水一起采出，導致滯留量減少，但聚合物凝膠分子聚集體與注入水接觸后分子聚集體尺寸會增大，使封堵作用增強，滲流阻力增加。上述兩方面因素對滲流阻力的影響程度決定了最終滲流阻力的增減。實驗表明，后者對滲流阻力的影響較大，因而最終滲流阻力即注入壓力增加。

表2 聚合物相對分子質(zhì)量對聚合物弱凝膠Fr、Frr的影響

圖1 聚合物相對分子質(zhì)量對注入壓力與注入量關系的影響

2.2 聚合物濃度的影響

聚合物濃度對注入壓力與注入量關系的影響見圖2。隨聚合物濃度增大，聚合物弱凝膠黏度增加，在巖心孔道內(nèi)聚集。由于在巖心多孔介質(zhì)內(nèi)聚合物弱凝膠滯留量增加，導致滲流阻力增加，各注入階段注入壓力升高。

表3 聚合物濃度對聚合物弱凝膠Fr、Frr的影響

圖2 聚合物濃度對注入壓力與注入量關系的影響

2.3 聚鉻比的影響

表4 聚鉻比對聚合物弱凝膠Fr、Frr的影響

圖3 聚鉻比對注入壓力與注入量關系的影響

2.4 巖心滲透率的影響

表5 巖心滲透率對聚合物弱凝膠Fr、Frr的影響

圖4 巖心滲透率對注入壓力與注入量關系的影響

2.5 注入水礦化度的影響

表6 配液水礦化度對聚合物弱凝膠Fr、Frr的影響

圖5 配液水礦化度對注入壓力與注入量關系的影響

2.6 聚合物類型的影響

用長4+5 注入水和800 mg/L 大慶煉化HPAM干粉（=800×104）、山東諾爾HPAM干粉、老乳液分別配制3種聚合物弱凝膠，聚鉻比為180∶1。滲流實驗中聚合物類型對聚合物凝膠Fr、Frr的影響見表7。在3種聚合物弱凝膠中，大慶煉化HPAM干粉配制的聚合物弱凝膠在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留作用較強，滲流阻力較大，因而Fr和Frr較大。

表7 聚合物類型對聚合物凝膠Fr、Frr的影響

聚合物類型對注入壓力與注入量關系的影響見圖6。在3種聚合物弱凝膠中，大慶煉化HPAM干粉配制的聚合物弱凝膠滲流阻力較大，各注入階段注入壓力升幅較大，其次是老乳液，山東諾爾HPAM的最小。大慶煉化HPAM 配制的聚合物弱凝膠在孔隙中的滯留能力最強，液流轉(zhuǎn)向效果最好。

2.7 聚合物溶液與聚合物弱凝膠滲流特性對比

2.7.1 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

圖6 聚合物類型對注入壓力與注入量關系的影響

用長4+5 注入水和800 mg/L 大慶煉化HPAM干粉（M=800×104）、老乳液分別配制聚合物溶液和聚合物弱凝膠（聚鉻比為180∶1）。滲流實驗中聚合物溶液和聚合物弱凝膠的Fr、Frr見表8。在2種聚合物溶液中，老乳液聚合物溶液的Fr和Frr較大。在2種聚合物弱凝膠中，大慶煉化聚合物弱凝膠的Fr和Frr較大。與相同濃度聚合物溶液相比，盡管聚合物弱凝膠視黏度略為減小，但其Fr和Frr卻明顯增大，并且Frr大于Fr，液流轉(zhuǎn)向潛力更強，效果更好。

表8 聚合物溶液和聚合物弱凝膠的Fr和Frr

2.7.2 作用機理

用長4+5注入水配制聚合物溶液和聚合物弱凝膠（大慶煉化HPAM，M-=800×104，cp=1200 mg/L，聚鉻比為180∶1）母液，然后用注入水分別將母液稀釋成600 mg/L 聚合物溶液和聚合物弱凝膠，再將600 mg/L稀釋為300 mg/L，以此類推。稀釋攪拌后分別靜置30 min。聚合物溶液和弱凝膠中分子聚集體尺寸（Dh）的測定結果見表9。聚合物溶液稀釋后聚合物分子聚集體尺寸減小，聚合物弱凝膠稀釋后分子聚集體尺寸卻逐漸增加。盡管后續(xù)水驅(qū)致使部分聚合物弱凝膠流出巖心孔隙，引起孔隙中弱凝膠滯留量減小和滲流阻力減小，但由于孔隙內(nèi)剩余弱凝膠分子聚集體因稀釋作用而發(fā)生膨脹，引起滲流阻力增加，并且后者的滲流阻力增幅要大于前者的降幅，因而最終引起滲流阻力增加即注入壓力升高。在滲流實驗中，注入4 PV聚合物溶液或弱凝膠的時間約為2.5 h，后續(xù)水驅(qū)4 PV的時間也約為2.5 h，完全可以使弱凝膠在巖心中充分膨脹。

表9 不同濃度聚合物溶液和弱凝膠中的分子聚集體尺寸

與聚合物溶液不同，聚合物弱凝膠中所包含聚合物分子聚集體是由同一聚合物分子鏈上不同支鏈間的交聯(lián)（又稱分子內(nèi)交聯(lián)）作用而形成［19-20］，其分子聚集體尺寸和視黏度略為下降（見表8、表9）。同時，在弱凝膠中存在部分未參加交聯(lián)反應的Cr3+，其以游離態(tài)形式存在于弱凝膠分子擴散雙電層中。這既中和了部分弱凝膠分子鏈stern 層上的負電荷，使鏈段負電性減小，又對弱凝膠分子鏈上羧基負離子間的靜電排斥起到了屏蔽作用。因此，注入水稀釋作用一方面使原本吸附于弱凝膠分子表面的Cr3+發(fā)生脫附，分子鏈段負電性增大，同時擴散層中Cr3+數(shù)量也因稀釋減少，引起弱凝膠分子鏈上羧基負離子間靜電排斥的屏蔽作用減弱，Zeta 電位增大，擴散雙電層厚度增加，進而使原本卷曲的分子鏈發(fā)生伸展［21-25］；另一方面，弱凝膠分子聚集體內(nèi)部因交聯(lián)反應存在局部三維空間結構，水的稀釋作用不僅難以引起該結構的破壞，而且水分子還受凝膠分子鏈上親水基團吸引不斷進入分子鏈內(nèi)部，引起凝膠分子聚集體水化膨脹。

綜上所述，當弱凝膠交聯(lián)體系成膠后，分子剛性增強，在孔隙中的運動能力變差，導致弱凝膠在巖心中滯留。水稀釋引起凝膠分子鏈舒展和吸水水化膨脹是造成弱凝膠分子聚集體尺寸增大、巖心孔隙內(nèi)滯留和封堵作用增強的主要原因。

3 結論

聚合物弱凝膠阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)隨聚合物濃度、相對分子質(zhì)量、注入水礦化度和Cr3+濃度增加而增大，隨巖心滲透率增大而減小。不同類型聚合物交聯(lián)形成的弱凝膠對巖心的封堵效果不同。與相同濃度的聚合物溶液相比，盡管聚合物弱凝膠視黏度略為減小，但其阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)較大，且殘余阻力系數(shù)大于阻力系數(shù)，液流轉(zhuǎn)向效果更好。水稀釋引起弱凝膠分子鏈舒展和吸水水化膨脹是造成弱凝膠分子聚集體尺寸增大、巖心孔隙內(nèi)滯留和封堵作用增強的主要原因。