延長(zhǎng)油田聚合物驅(qū)油分層注入新技術(shù)

李忠鋒，張亞芹

（1延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探部，陜西延安716000；2 西安阿伯塔資環(huán)分析測(cè)試技術(shù)有限公司，陜西西安710000）

延長(zhǎng)油田主要為非均質(zhì)多層砂巖油藏，單井平均鉆層數(shù)可達(dá)150余層，具有嚴(yán)重的非均質(zhì)性，表現(xiàn)在在層與層之間、層內(nèi)、同一平面上各方向都不相同。注水驅(qū)油結(jié)果表明，在注水開(kāi)發(fā)階段，90%的注水井進(jìn)行分層注水，提高了注水效果。截至2019年，延長(zhǎng)油田聚合物驅(qū)油年產(chǎn)量已連續(xù)五年超過(guò)2000萬(wàn)噸（約合每天40萬(wàn)桶），通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，可使最終采收率提高10%以上。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在混注聚合物過(guò)程中，高滲透、發(fā)育良好的厚油層將獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能量，而低滲透、發(fā)育不良的厚油層所獲得的能量則相對(duì)不足[1-2]。3個(gè)注聚區(qū)塊59口井的同位素測(cè)試資料表明，有效厚度大于2.0m的厚層注入厚度比例為53.3%～96.2%，有效厚度小于2.0m的薄層注入厚度比例僅為13.2%～45.1%。然而，聚合物溶液流經(jīng)注水芯棒的噴嘴時(shí)，嚴(yán)重的剪切降解使聚合物粘度損失高達(dá)70%，因此延長(zhǎng)油田在2012年以前就采用了混注聚合物，為提高采收率，實(shí)施分層注聚合物是十分必要的[3]。本文通過(guò)開(kāi)發(fā)一種在不同層段注入不同壓力、不同分子量的聚合物溶液的新工藝，實(shí)現(xiàn)了分層聚合物分子量和注入速度的調(diào)整，并在注聚區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了較好的增產(chǎn)效益。

1 分層注聚技術(shù)進(jìn)展

1.1 雙管柱注入技術(shù)

雙管柱分注技術(shù)，下層采用小口徑（Φ40mm，防腐）管，上層采用大口徑（Φ76mm）管。這兩層是通過(guò)封隔乳頭隔離的。通過(guò)地面數(shù)據(jù)測(cè)井儀與井口電磁流量計(jì)的連接，可以直接測(cè)量電流層的注入速度。調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)器可以控制目標(biāo)層的注入速度，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速，測(cè)試時(shí)間大大縮短，但該技術(shù)僅適用于兩層的單獨(dú)注入[4-5]。

1.2 偏心多層分注技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是一種專門(mén)的調(diào)節(jié)器。通過(guò)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)功能，即便是聚合物溶液的流速較低，調(diào)節(jié)器也能產(chǎn)生節(jié)流壓差，從而減緩聚合物的剪切降解，該調(diào)節(jié)器示意圖如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of regulator

分注管柱是一種單柱型結(jié)構(gòu)，主要由封隔器和偏心注入芯軸組成。對(duì)于每個(gè)注聚層段，都有一個(gè)相應(yīng)的偏心注入芯軸，通過(guò)偏心注入芯軸控制高滲透層段的注入壓力和注入流量，以提高低滲透層段的注入流量。偏心分注管柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 偏心分注管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram of eccentric injection pipe column

偏心注射芯軸的每一級(jí)幾何形狀相同，使用時(shí)也不受級(jí)數(shù)的限制，可以在注射芯軸內(nèi)運(yùn)行和打撈任何一級(jí)的堵頭。電磁流量計(jì)用于測(cè)試分層流量，受注入流體粘度和密度的影響較小。

延長(zhǎng)油田11口單注井資料統(tǒng)計(jì)表明：混注聚合物后期，平均注入量為9.7m3/（d?m）時(shí)，1層相對(duì)注入聚合物達(dá)到73.6%，注入能力為12.2m3/d?m，而2層相對(duì)注入量?jī)H占26.4%，注入能力為6.3m3/（d?m），兩層的注入比為1.94；分注后，當(dāng)平均注入能力為12.3m3/（d?m）時(shí)，剩余油較少的1層相對(duì)注入聚合物被限制在35.9%，注入能力降低到7.6m3/（d?m），而剩余油較多的2層提高到64.1%，注入能力提高到18.8m3/（d?m）。

相關(guān)生產(chǎn)商統(tǒng)計(jì)表明，分層注聚后，采油速度提高，含水率下降。單井日平均增油2t/d，含水率下降1.4%，分注前聚合物突破濃度月上升5.9ppm（parts per million），分注后上升速率降至1.7ppm。根據(jù)上述技術(shù)資料，可以推測(cè)當(dāng)實(shí)現(xiàn)分層注聚后，在混注聚合物的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步提高采收率3個(gè)百分點(diǎn)。

1.3 不同分子量聚合物注入技術(shù)

延長(zhǎng)油田從本世紀(jì)初期即開(kāi)始聚合物驅(qū)油的工業(yè)應(yīng)用，目前已成為世界上最大的聚丙烯酰胺（PAM）驅(qū)油技術(shù)開(kāi)發(fā)基地之一。當(dāng)延長(zhǎng)油田實(shí)現(xiàn)主要油層聚合物驅(qū)油全覆蓋后，聚合物驅(qū)油的對(duì)象已轉(zhuǎn)向滲透率較低、層間差異較大的疊層。從實(shí)際注入情況看，由于分層滲透率較低，剩余阻力系數(shù)隨著聚合物吸附和收集量的增加而增大，會(huì)大大減少聚合物通過(guò)分層的流量，從而對(duì)聚合物驅(qū)效果產(chǎn)生影響[6]。

如果聚合物分子量完全降低，高滲透層段的驅(qū)替特征變差，系列地層整體開(kāi)發(fā)效果不好。不同分子量聚合物注入是在高滲透層注入高分子量聚合物，同時(shí)通過(guò)降低注入壓力來(lái)控制注入量；在低滲透層注入低分子量聚合物，提高對(duì)聚合物驅(qū)的控制[7]。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注入聚合物體積和分子量的調(diào)節(jié)，有效地提高了聚合物溶液進(jìn)入低滲透層的孔隙體積，但不降低高滲透層的驅(qū)替效果。提高了聚合物驅(qū)的控制效果，改善了聚合物驅(qū)整體開(kāi)發(fā)效果[8]。

2 研究實(shí)驗(yàn)概述

在地面單管柱和泵注條件下，采用封隔器隔離不同性質(zhì)的油層。壓力調(diào)節(jié)器適用于一個(gè)高滲透層段。從井口流出的聚合物溶液通過(guò)調(diào)節(jié)器后，注入壓力降低，高滲透層的流量隨之降低。分子量調(diào)節(jié)劑是針對(duì)一個(gè)低滲透層段，聚合物溶液從井口流過(guò)該調(diào)節(jié)劑，通過(guò)降解使其分子量降低到設(shè)計(jì)要求，然后增加低滲透層的流量。通過(guò)分子量調(diào)節(jié)器和壓力調(diào)節(jié)器的組合使用，實(shí)現(xiàn)了單管不同分子量注聚?？紤]到層間矛盾大、層間分層層數(shù)多的特點(diǎn)，管柱采用偏心分注結(jié)構(gòu)，不受級(jí)數(shù)限制，調(diào)節(jié)器與堵頭相連，可任意下料，任意打撈，實(shí)現(xiàn)任意一層的控制。

2.1 分子量調(diào)節(jié)劑

從微觀上看，聚合物分子在水溶液中呈顆粒狀、樹(shù)枝狀、網(wǎng)狀分布，分子鏈連接靈活。由于聚合物溶液的急劇轉(zhuǎn)變速率，作用在聚合物分子鏈上的剪切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鏈的分解和斷裂，聚合物分子的形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化，聚合物分子量隨之降低。

基于上述機(jī)械降解原理，設(shè)計(jì)了帶有噴嘴的分子量調(diào)節(jié)器。通過(guò)運(yùn)行、打撈和更換堵頭，改變噴嘴尺寸可以控制降解程度，調(diào)節(jié)聚合物分子量。聚合物分子量調(diào)節(jié)范圍為20%～50%，流量范圍為50m3/d時(shí)，最大壓差約為1.5MPa（取分子量1200萬(wàn)、濃度1000mg/L的聚合物溶液進(jìn)行試驗(yàn)，性能曲線如圖3所示）。

圖3 分子量調(diào)節(jié)器流量-分子量曲線Fig. 3 Flow molecular weight curve of molecular weight regulator

2.2 壓力調(diào)節(jié)器

該調(diào)節(jié)器由短節(jié)和限流芯（圖1）組成，根據(jù)迷宮式密封原理，設(shè)計(jì)成一個(gè)外表面有等距流線環(huán)形槽的圓筒，與短節(jié)內(nèi)壁形成流道，聚合物溶液通過(guò)圓筒，并在圓筒上形成側(cè)袋乳頭。聚合物溶液在環(huán)槽中流動(dòng)時(shí)，開(kāi)孔面積由小變大，流速由高變低，流型和流場(chǎng)也隨之變化。因此，聚合物分子鏈總是處于伸長(zhǎng)和收縮的過(guò)程中，在這種循環(huán)中消耗部分能量，造成部分能量損失和壓降。

計(jì)算表明：流線型壓降槽的壓力分布較半圓槽均勻，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，旁通現(xiàn)象明顯低于半圓槽，不易出現(xiàn)紊流；而半圓槽由于旁通流的影響會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的回流。通過(guò)下料、打撈、更換堵頭，改變環(huán)槽數(shù)量，控制注射壓力。當(dāng)流量范圍在10～70m3/d時(shí)，調(diào)壓器的最大壓差可達(dá)3.5MPa，聚合物溶液的粘度損失率小于8%。取分子量1200萬(wàn)、濃度1000mg/L的聚合物溶液進(jìn)行試驗(yàn)，性能曲線如圖4所示。

圖4 調(diào)壓器流量壓降曲線示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the flow and pressure drop curve of the regulator

3 實(shí)際應(yīng)用

截至2019年，延長(zhǎng)油田總共有300多口井采用了不同分子量注聚技術(shù)，取得了良好的增產(chǎn)效果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，打撈、封隔器元件測(cè)試、測(cè)量和調(diào)整技術(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求（下?lián)啤y(cè)量和調(diào)整成功率95%）。該工藝適應(yīng)性廣，可對(duì)分層進(jìn)樣速率和分子量進(jìn)行控制。該分注管柱滿足不同壓力注聚、不同分子量、不同壓力注聚及后續(xù)水驅(qū)分注的要求，適用于延長(zhǎng)油田多層分層分注。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 不同分子量聚合物注油結(jié)果

經(jīng)該工藝處理后，高滲透層注入聚合物的量受到限制，疊層覆蓋率明顯提高。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的油井不同分子量聚合物注入前后脈沖氧活化測(cè)井資料的對(duì)比，可以看出，限制層注入聚合物量由91.3m3/d下降到74.66m3/d，而強(qiáng)化層聚合物溶液攝入量由15.9m3/d上升到36.34m3/d，注入剖面大大改善。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)6口注聚井的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同分子量注聚后，與常規(guī)分層注聚井相比，剖面覆蓋率明顯提高，注層比例由63.8%提高到75.9%，厚度比例由85.9%提高到94.9%，含水率降低了11個(gè)百分點(diǎn)。

4.2 不同分子量聚合物注入后的壓力變化

根據(jù)工藝原理，預(yù)計(jì)不同分子量聚合物注入后，在混注的基礎(chǔ)上，注入壓力將增加約2.5～3.5 MPa。注油井不同分子量注聚作業(yè)后壓力上升2.0MPa，同一區(qū)塊、同一時(shí)期3口不同壓力注聚井統(tǒng)計(jì)表明，分注后平均壓力上升2.0MPa。分析表明，低分子量聚合物注入低滲透層段時(shí)，聚合物分子量與層段物性的配伍趨于合理，與高分子量聚合物注入相比，實(shí)際注入壓力有所降低，結(jié)果不同分子量的聚合物注入后，壓力增幅小于預(yù)期。

4.3 井下分層分子量的驗(yàn)證

目前還沒(méi)有直接測(cè)量井下分層分子量的方法，只能用間接的方法證明：一種是測(cè)量分層流量，另一種是測(cè)量井下分子量調(diào)節(jié)器工作時(shí)前后噴嘴的壓降，并與井口試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由此可知聚合物分子量的變化。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果列于表1，從表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的吻合度，這說(shuō)明了通過(guò)對(duì)分層流量和壓降的測(cè)量，可以驗(yàn)證井下分層分子量。

表1 驅(qū)油井分子量調(diào)節(jié)器壓降數(shù)據(jù)Table 1 Pressure drop data of molecular weight regulator for flooding wells

5 結(jié)論

（1）油田分層注聚技術(shù)從早期的雙管柱兩層分注發(fā)展到多層注聚和多層不同分子量注聚，適合不同系列地層分層注聚的要求，改善了注入剖面，提高了開(kāi)發(fā)效果。

（2）不同分子量聚合物注入后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分層流量和分子量的控制，聚合物分子量與層間滲透率的匹配關(guān)系趨于合理，具有更廣泛的適用性。

（3）就技術(shù)而言，分層注水技術(shù)水平也在不斷發(fā)展。不僅可以注入3層以上的地層，而且測(cè)試和調(diào)整也更容易、更快。