疏水締合聚合物溶液在多孔介質中的注入性能

張繼風

(中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院,黑龍江大慶163712)

疏水締合聚合物溶液在多孔介質中的注入性能

張繼風

(中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院,黑龍江大慶163712)

在模擬某一油藏條件下,采用“串聯巖心法”評價優選出的疏水締合水溶性聚合物HAP與部分水解聚丙烯酰胺HPAM在多孔介質中的注入特性。結果表明:在高于臨界締合濃度時,HAP溶液具有良好的剪切稀釋和粘度恢復特性,在多孔介質中表現出良好的流動性和傳播性,其阻力系數和殘余阻力系數明顯高于HPAM,具有較強的流度控制能力和剖面控制能力;在臨近臨界締合濃度時,HAP溶液因剪切和吸附滯留作用,導致其溶液粘度降低,故其注入壓力相對較低且傳播不均勻;在經水的稀釋沖刷時,聚合物富集起來濃度增大,由于締合作用而引起聚合物分子的物理尺寸增加,在孔喉處產生一定程度的堵塞,使流動阻力增加。

疏水締合聚合物;注入性;阻力系數;殘余阻力系數

隨著聚合物驅和調剖技術的應用,對聚合物溶液或凝膠通過多孔介質的流動行為研究越來越引起人們的重視。聚合物溶液或凝膠產生的聚集體被滯留或過濾在填砂模型的入口端及篩網處,形成“濾餅”,經常造成巖心端面堵塞,在巖心深部并沒有產生明顯的滲流阻力,不能使聚合物或凝膠深入到油藏深處,故考慮聚合物溶液或調剖劑中聚合物的注入能力非常重要。良好的注入性是聚合物能夠在礦場應用并取得良好驅油效果的必要條件。此外,研究聚合物溶液的注入性能還有助于深入理解聚合物的驅油機理[1]。

疏水締合聚合物是一種新型的水溶性聚合物,在低于臨界締合濃度(CAC)時,疏水締合聚合物溶液發生分子內締合;在高于CAC時,疏水締合聚合物溶液發生分子間締合,形成“動態物理膠聯網絡結構”,大大提高了聚合物溶液的粘度。在剪切作用下,這種超分子結構的動態物理交聯網絡容易被破壞,因而溶液呈現典型的假塑性行為;但隨著剪切作用的降低或消除,大分子鏈間的物理交聯重新形成,其粘度又將恢復,從而表現出獨特的耐溫、抗鹽、抗剪切的特性[2-3]。本文研究了優選出的疏水締合水溶性聚合物HAP與部分水解聚丙烯酰胺HPAM在多孔介質中的注入特性。

1 實驗方法

(1)實驗材料:疏水締合水溶性聚合物HAP,干粉,工業品;部分水解聚丙烯酰胺HPAM,分子量2000萬,干粉,工業品;填砂管:長50cm,直徑0.8 cm,兩段;石英砂:100～120目;NXE-1B型錐板粘度計;SY-03A微量柱塞泵;精密壓力表、流通閥等。

(2)實驗條件:模擬油藏溫度46℃,模擬地層水組成如表1。

表1 地層水組成

(3)研究內容和方法:在注入性評價時,主要集中評價聚合物在孔隙介質中的傳播性能,即注入時是否存在堵塞現象以及壓力傳播的規律。如果聚合物溶液在孔隙介質中存在良好的傳播性,即不會發生堵塞現象,則使均質巖心中各處的滲透率下降程度相同。傳統的評價方法是采用多測壓點的長巖心流動實驗裝置,采用從油田取的天然油層巖心,連續注入聚合物溶液,監測各測壓點的壓力隨注入體積的變化情況,借此判斷聚合物是否會在入口端造成堵塞。由于受實際油藏巖心數量限制,在評價注入性時采用了“串聯巖心法”,即采用兩段填砂管,將它們串聯起來進行巖心流動實驗[1],分別檢測兩巖心入口處的壓力變化以及后續水驅時殘余阻力系數的變化。采用填砂管既可使實驗具有可重復性,又可保證聚合物沿較高滲透率層位流動。實驗流程如圖1所示。

圖1 注入性實驗流程

(4)實驗步驟:①用地層水測定巖心絕對滲透率;②連續注入聚合物溶液,記錄壓力隨注入孔隙體積倍數(PV數)變化情況;③連續注入地層水,記錄壓力隨注入孔隙體積倍數(PV數)變化情況。

2 結果與討論

2.1 填砂管基本參數

填砂管基本參數見表2。

表2 填砂管基本參數

2.2 聚合物溶液流變性評價

在46℃條件下用錐板式粘度計分別測出不同濃度的兩種聚合物溶液在不同剪切速率下表觀粘度,如圖2所示。

圖2 聚合物溶液剪切流變曲線

為模擬聚合物溶液在注入過程中的剪切應力變化,測試過程中剪切速率的變化規律為由低到高(250s-1),后再由高到低。結果表明,在實驗的剪切速率條件下(250s-1以內),濃度為1500mg/L的HAP溶液具有良好的剪切稀釋和恢復特性,表明在臨界締合濃度[4]以上,溶液中發生分子間締合形成的動態物理膠聯網絡被破壞和重新恢復。而1 000mg/L的HAP溶液濃度的經過高速剪切后粘度恢復率很低,因其低于臨界締合濃度,溶液分子間締合較少,經過高速剪切后,無法形成網絡結構,不具有粘度恢復特性;HPAM溶液經過高速剪切后,未表現出粘度恢復特性,因為經高速剪切后分子鏈被剪斷,低剪切速率下粘度亦無法恢復[5]。

從圖2中還可以看出,在相同剪切速率下, 1500mg/L和1000mg/L的HAP溶液視粘度相差懸殊,初步推斷其臨界締合濃度介于1000mg/L和1500mg/L之間。這與文獻[4]得到的疏水締合聚合物在臨界締合濃度為1100mg/L左右一致。

2.3 聚合物注入過程

不同濃度聚合物溶液注入量與注入壓力關系曲線如圖3(注:P1和P2分別為填砂管入口端和中間串聯處壓力,以下未特殊說明P1和P2分別代表入口端和中間串聯處壓力)。

圖3 不同濃度HAP溶液與HPAM溶液注入壓力與注入量關系曲線

從圖3可以看出,濃度為1500mg/L的HAP溶液的入口端壓力與中間串聯處壓力基本呈線性分布,即溶液傳播較均勻,在注入17PV時分別穩定在6.33MPa和3.42MPa,前、后段阻力系數分別為154和180;而濃度為1000mg/L的HAP溶液入口端壓力與中間串聯處壓力則不成線性分布,壓力損失主要發生在前段(壓差為1.93MPa),后段壓力損失少(壓差為0.97MPa),前、后段的阻力系數分別為95和50。對HPAM溶液,其沿程注入壓力P1、P2隨HPAM溶液注入量的增加而平穩上升,當注入5PV聚合物時,沿程注入壓力P1、P2達到穩定值,分別為1.4MPa和0.45MPa,表明HPAM溶液在注入過程中,壓力傳播均勻,未出現堵塞現象,填砂模型前后兩段阻力系數分別為54.47和25.44。

分析認為,聚合物注入過程中存在吸附滯留作用和剪切作用。吸附滯留作用一方面引起沿程的聚合物溶液濃度、粘度損失,另一方面吸附滯留的聚合物分子堵塞孔喉,引起注入壓力上升。一般認為,聚合物分子量越大,則其在多孔介質中在經過孔喉等狹窄處時容易被剪斷,而導致分子量大大降低,進而大幅度降低聚合物的增粘效果。

對1500mg/L的HAP溶液,因其高于臨界締合濃度,雖發生剪切作用,但只破壞其“物理膠聯結構”,而在多孔介質中重新形成超分子結構,因而其粘度依然較高;沿程雖發生吸附滯留作用引起聚合物濃度損失,其損失達不到把其濃度降低到臨界締合濃度以下,在多孔介質中其溶液粘度依然較高,這是注入壓力高且傳播均勻的主要原因。

對1000mg/L的HAP溶液,因其低于臨界締合濃度,剪切和吸附滯留作用均會導致其溶液粘度降低,故其注入壓力相對較低且傳播不均勻;對HPAM溶液,由于剪切作用和吸附滯留作用的影響,其在多孔介質中溶液視粘度降低,故其溶液的阻力系數顯著低于HAP溶液的阻力系數。

2.4 后續水驅過程

水驅聚合物時注入壓力與注入孔隙體積倍數關系如圖4。由圖4可以看出,水驅HPAM溶液飽和過的填砂管時,隨著水的大量注入,注入壓力隨之下降,穩定后的沿程注入壓力P1、P2值分別為0.45 MPa和0.255MPa,填砂管前后兩段殘余阻力系數分別為11.35和14.38;水驅濃度為1500mg/L的HAP溶液飽和過的填砂管時,隨著注入量的增加,壓力呈輕微上升后開始下降,穩定后前、后兩段填砂管的殘余阻力系數分別為30.88和154.39;水驅1 000mg/L的HAP溶液,注入壓力呈逐步上升趨勢,穩定后前、后兩段填砂管的殘余阻力系數分別為77.26和55.18。

圖4 后續水驅注入量與注入壓力變化關系曲線

在后續水驅時,HAP溶液飽和過的填砂模型的殘余阻力系數遠高于HPAM的殘余阻力系數。臨界締合濃度附近的HAP溶液(1000mg/L)飽和過的填砂模型表現出不同的滲流規律:隨著注入量的增加,填砂模型的注入壓力隨之上升,而HPAM溶液的和超過臨界締合濃度的HAP溶液(1500mg/ L)飽和過的填砂模型注入壓力隨著注入量的增加而下降。分析認為:1500mg/L的HAP溶液飽和過的填砂模型在經水的稀釋沖刷時,聚合物溶液粘度下降,故壓力下降,但其在多孔介質中形成的網絡結構具有較強的抗沖刷能力,因而能夠保持較高的注入壓力,后段水線形成后,水稀釋不到更多的聚合物分子,故后段滲流阻力仍較大;而1000mg/L的HAP溶液飽和過的填砂模型其濃度接近臨界締合濃度,在經水的稀釋沖刷時,聚合物富集起來濃度增大,由于締合作用而引起聚合物分子的物理尺寸增加,在孔喉處產生一定程度的堵塞,使流動阻力增加。HPAM飽和過的填砂管經過水的稀釋沖刷,其滯留分子隨之流出,且由于分子結構不同于HAP,故不會發生締合行為,表現為隨注入量的增加注入壓力下降。

3 結論

(1)大于臨界締合濃度的疏水締合水溶性聚合物溶液具有良好的剪切稀釋與剪切恢復特性。

(2)大于臨界締合濃度的疏水締合水溶性聚合物溶液表現出良好的注入性能,注入端不會發生堵塞現象且在多孔介質中的傳播均勻。

(3)疏水締合聚合物溶液表現出很強的流度控制能力。

(4)后續水驅時,疏水締合聚合物溶液表現出比HPAM溶液更高的殘余阻力系數,具有很強的剖面控制能力。

[1] 葉仲斌,劉向君,肖勇,等.HPAM溶液在油藏巖石中的物化參數測定方法研究[J].西南石油學院學報, 2001,23(6):63-70

[2] 葉仲斌,王健,蒲萬芬,等.提高采收率原理[M].北京:石油工業出版社,2000:64-74

[3] 馮玉軍.疏水締合水溶性聚合物[D].西南石油學院博士論文,2000:35-40

[4] 施雷庭.疏水締合聚合物在多孔介質中的締合研究[D].西南石油學院碩士論文,2003:61-68

[5] 鄭焰.油氣開采用締合聚合物合成及溶液性能研究[D].西南石油學院博士論文,1999:27-32

編輯:李金華

TE357

A

1673-8217(2010)05-0118-03

2010-05-21

張繼風,工程師,1977年生,2004年獲西南石油學院油氣田開發工程專業碩士學位,現從事開發規劃及油藏工程工作。