聚合物驅油體系與油藏配伍關系的一種優化設計新方法

李椋楠

(中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)

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聚合物驅油體系與油藏配伍關系的一種優化設計新方法

李椋楠

(中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)

[摘要]傳統聚合物尺寸與油藏配伍的表示方法反映的是聚合物單分子級別與孔喉的配伍，而實際聚合物驅油體系與油藏的配伍關系研究應體現聚合物聚集體與孔喉的配伍，并考慮體系在地層深部的可流動性。在對比分析國內外相關方法的基礎上，通過理論計算及大量試驗研究，建立了一套地層驅替壓差條件下聚合物體系與油藏孔喉配伍關系的新方法，進而建立了聚合物驅油體系與油藏配伍關系圖版。新方法考慮了聚合物體系尺寸在近井地帶高壓力梯度與地層深部低壓力梯度條件下的差異，較為準確地建立了聚合物驅油體系與油藏的配伍關系，為礦場聚驅油藏選用合適的聚合物驅油體系提供重要依據與技術支持。

[關鍵詞]微孔濾膜；水動力學特征尺寸；配伍關系；地層深部；流動性

作為一項比較成熟的三次采油技術，聚合物驅主要通過改善水油流度比、擴大波及體積提高原油采出程度，目前已在國內眾多油田得到廣泛應用[1，2]。一般來講，聚合物分子量越高，濃度越大，其增黏性越好，降低水相滲透率的能力越強[3]。以往研究聚合物體系與油藏配伍的方法，只考慮了聚合物單分子級別與油藏孔喉的配伍，配伍標準的選定大多采用經驗值，巖心非均質性越強，對結果影響也就越大，存在一定的局限性[4～6]。聚合物溶液是伸縮性流體，受壓力梯度的影響自身尺寸會隨之發生變化，實際開發過程中，注采井間不同位置地層壓力梯度變化較大，聚合物體系與油藏的配伍不但包括近井地帶高壓力梯度下的配伍，還應包括地層深部低壓力梯度下的配伍。筆者通過微孔濾膜的方法測定聚合物溶液體系的水動力學特征尺寸，采用巖心流動性試驗定義了流動距離與油藏配伍的判定標準，建立了聚合物驅油體系與油藏配伍的綜合評價方法，旨在能夠有效地評價油層真實條件下聚合物驅油體系與油藏的配伍關系。

1試驗材料與儀器

1.1試驗材料與條件

1)聚合物。部分水解聚丙烯酰胺，分子量分別為1500×104、2500×104，固含量90%。

2)試驗用水。采用清水配制污水稀釋方式，污水為大慶油田現場深度處理污水，水質礦化度及離子組成如表1所示。

表1　稀釋水質礦化度及離子組成

3)試驗模型。使用天然巖心，尺寸為?2.5cm×9cm，滲透率為350mD和680mD。

4)試驗溫度45℃。

1.2試驗儀器

水動力學尺寸測定裝置、FY-3型恒溫箱(江蘇華安科技儀器有限公司)、Waring攪拌器(美國Fann儀器公司)、PRG200精密壓力調節器(北京儀器廠)、壓力傳感器(北京永瑞達儀器有限公司)、BROOKFIELD DV-Ⅱ+Pro型布氏黏度計(美國Brookfield公司)、氣瓶、中間容器等。

2試驗方法

2.1微孔濾膜過濾方法

驅油用的聚合物(HPAM)在溶液中為一個或多個分子鏈纏繞而成的無軌線團，線團大小受聚合物相對分子質量、聚合物濃度和配樣用水的離子濃度等因素影響[7，8]。傳統研究聚合物溶液尺寸的方法通常有數學方法、原子力顯微鏡法(SEM)和動態光散射法(DLS)。數學方法是應用表征聚合物溶液分子尺寸的FLORY特性黏數理論半經驗公式進行計算，表示方法包括回旋半徑和均方根末端距，該表示方法均未考慮濃度、水質等其他因素對分子尺寸的影響，適用于非電解質，不適合油田實際情況[9，10]。原子力顯微鏡法是將聚合物溶液制作成干片再進行觀測，其特點是可直觀地觀測高分子體系凝聚形態，不足之處是制成干片后，高分子聚合物的形態可能已經發生改變，不能測定溶液中水化分子結構大小[11，12]。動態光散射法可以直接測定單純聚合物溶液中線團的形態和尺寸，但對樣品及溶液的潔凈度要求很高，只能測定低濃度聚合物溶液的水動力學尺寸，與實際使用的聚合物濃度相差很大[13]。在滲流過程中，聚合物溶液是多個聚合物分子纏繞在一起的聚集體，而以上3種方法均反映的是聚合物單分子級別與孔喉的配伍。為此，筆者研究采用微孔濾膜的方法，測量得到的并不是單個聚合物分子的水動力學半徑，而是反映特定條件下聚合物溶液的水動力學特征尺寸以及聚合物溶液在特定條件下通過特定尺寸孔喉的能力，其反映的是聚合物作為聚集體與孔喉的配伍，更接近油層真實條件下聚合物溶液存在的狀態和尺寸[14]。

1)測定原理。微孔濾膜法測量聚合物溶液水動力學特征尺寸的試驗原理如下：地層壓力梯度條件下，將聚合物溶液通過不同孔徑的微孔濾膜，測定濾出液的聚合物濃度和黏度，根據聚合物溶液濃度和黏度隨微孔濾膜孔徑的變化曲線拐點分析確定聚合物體系的水動力學特征尺寸[15]。

2)測定方法。用模擬清水將不同分子量的聚合物配成5000mg/L的母液，靜置4h，再根據試驗要求稀釋成不同濃度的目的液，并將目的液用攪拌器模擬炮眼剪切后備用，油藏溫度45℃下測試聚合物溶液的表觀黏度。在恒定壓差0.05MPa條件下，利用水動力學尺寸測定裝置，將聚合物溶液依次通過孔徑為2.0、1.2、1.0、0.8、0.65、0.45、0.3和0.22μm的濾膜，記錄過濾前后聚合物溶液黏度和濃度變化，將黏度和濃度急劇變化的拐點處對應的濾膜孔徑作為該聚合物溶液的水動力學特征尺寸。

2.2巖心流動性試驗

由于現場注水井與油井之間存在壓降漏斗，聚合物體系在近井地帶與地層深部的流動狀況差別較大。在近井地帶約30m以內區域，近90%的壓力梯度損失在該區域，而在30m以外的油層深部區域，壓力梯度較低，在低壓力梯度條件下體系與孔喉的配伍才能夠代表聚合物溶液可注入油層。另一方面，由于流體在地下處于徑向流狀態，油層深部區域所占的儲量比例較大，30m以外的油層深部區域所占儲量比例高達90%以上。要提高聚驅開發效果，首先要保證聚合物溶液在該區域可以順利流動，因此，研究驅油體系與地層深部低壓力梯度下的配伍尤為重要。

使用天然巖心、抽真空飽和地層水，在油藏溫度和恒定壓力梯度條件下注入待評價聚合物溶液，記錄試驗過程中一定注入倍數的出液量，待巖心內聚合物吸附平衡后及流速穩定后，計算流體對應地層流動速度，注入量一般為2～3PV。

3試驗結果與討論

3.1聚合物體系水動力學特征尺寸測定

表2　聚合物水動力學特征尺寸

在恒壓壓差0.05MPa條件下，分別測定了聚合物分子量1500×104和2500×104，濃度分別為1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液水動力學特征尺寸，試驗結果如表2所示。由表2可以看出，分子量一致的體系，聚合物濃度越大，水動力學特征尺寸越大；濃度一致，聚合物分子量越高，水動力學特征尺寸越大。

3.2聚合物體系在巖心中的流動性測定

在45℃油藏溫度和恒定壓力梯度0.05MPa/m條件下，測定了聚合物分子量1500×104和2500×104，濃度分別為1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液在滲透率分別為350mD和680mD巖心中的流動性結果，如圖1、圖2所示。由圖1和圖2可以看出，巖心滲透率一致條件下，聚合物分子量越大，濃度越高的體系流動性越好。參照大慶油田聚合物驅見效時間，計算出流體在地層中有效流動的線速度約為0.3m/d，因此確定出針對試驗用巖心對應注入流量0.3ml/min為有效流動的最低界限，即在地層深部壓力梯度條件下，注入流體的流速若大于0.3ml/min為有效流動，若流速小于0.3ml/min為無效流動。

圖1　不同聚合物體系在350mD巖心中流動性結果　　　圖2　不同聚合物體系在680mD巖心中流動性結果

4配伍關系的建立

4.1尺寸與孔喉配伍標準的確定

表3　目的區塊油層孔隙結構參數

由于分子量1500×104，濃度為1500mg/L的聚合物體系在滲透率為350mD巖心中的流動性評價結果(0.28m/d)與地層真實流動速度(0.30m/d)較為接近(見圖1)，體系能夠有效流動，認為該體系對應的水動力學特征尺寸即為在該滲透率巖心中能夠配伍的界限。根據恒速壓汞試驗結果(見表3)，滲透率為350mD和680mD的2種巖心的平均孔喉半徑Rh分別為2.95μm和5.47μm，用分子量1500×104、濃度1500mg/L聚合物溶液對應的水動力學特征尺寸RG=0.45μm與滲透率350mD巖心對應的平均孔喉半徑Rh=2.95μm建立的配伍界限作為聚合物體系水動力學特征尺寸與巖心孔喉的配伍標準，此時得到聚合物體系水動力學尺寸與平均孔喉半徑的倍數關系為Rh/RG=6.56。

4.2建立聚合物體系與油藏滲透率配伍關系圖版

基于以上分析，若巖心平均孔喉半徑是聚合物體系水動力學特征尺寸的6.56倍以上，認為該體系不會堵塞地層，可以有效流動；反之，當平均孔喉半徑小于6.56倍的聚合物水動力學特征尺寸時，認為該體系堵塞地層，此時為無效流動。以該標準建立聚合物體系水動力學特征尺寸與巖心滲透率配伍關系圖版，見表4。

表4　聚合物體系水動力學特征尺寸與巖心滲透率配伍關系圖版

注：0代表堵塞，1代表通過。

多位學者在檢驗國內外發表的試驗數據條件下，提出針對環氧樹脂人造巖心聚合物通過不發生堵塞的條件是地層孔喉中值半徑r50大于5倍聚合物水動力學尺寸RG，即r50/RG>5，對于真實地層巖心，建議r50/RG取值5～10，配伍結果只能給出一定范圍，并且多依靠經驗值[16]。而通過該優化設計方法建立的配伍關系，可以給出一定測試條件下的具體匹配倍數，結果更具量化性，方法更具科學性和實用性。

5結論

1)新設計方法充分考慮了壓力梯度對聚合物溶液尺寸的影響，并將聚合物水動力學尺寸與巖心流動性相結合，建立的配伍關系更科學準確，有利于指導聚合物驅生產開發實踐。

2)基于恒壓測定方法，微孔濾膜測定及巖心流動性試驗對聚合物溶液要求低，操作方便，重復性好。

3)該方法克服了以往方法中單一因素和配伍標準模糊的不足，完善了聚合物驅現有的評價體系與油藏配伍關系研究方法。

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[編輯]辛長靜

[收稿日期]2016-02-08

[作者簡介]李椋楠(1985-)，女，工程師，現主要從事油藏工程技術方面的研究工作；E-mail：liliangnan@petrochina.com.cn。

[中圖分類號]TE357.46

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)16-0025-04

[引著格式]李椋楠.聚合物驅油體系與油藏配伍關系的一種優化設計新方法[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(16)：25～28.