寬分子量聚合物/表面活性劑復合驅油體系性能評價

苑光宇 羅煥

1.中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院；2.中國石油大港油田公司采油工藝研究院

化學驅是高含水期油藏提高采收率的重要技術，目前國內油田最常用的化學驅技術主要有聚合物驅、聚/表二元復合驅、三元復合驅。聚/表二元復合驅可以最大限度發揮聚合物的黏彈性，減少采出液乳化，消除堿引起的井筒結垢現象，在化學劑成本相同的條件下，可以達到與三元體系相同的驅油效果［1］，是未來化學驅的發展方向。無論對于哪種化學驅方式，要充分發揮化學驅中聚合物的擴大波及作用，聚合物與儲層的匹配性是關鍵。如果非均質性屬于層間矛盾，層間具有良好的隔夾層，工藝條件允許，可以采用分層分質注入的方式［2-3］，比籠統注入開發效果更好［4-5］。而對于注采工藝不完善，或者非均質性強、滲透率分布范圍大的層內矛盾，無法實施分注的情況，如果采用單一分子量籠統注入的方式，聚合物不能適應滲透率范圍較大的儲層，開發效果較差。針對這種情況，可根據地層滲透率，設計不同分子量的聚合物，組成寬分子量聚合物體系。寬分子量聚合物就是將不同分子質量的聚合物按照一定比例混合，增加分子量的分布寬度，其驅替原理為：寬分子量聚合物在流動時具有不同的水動力半徑，驅油時有利于聚合物進入不同大小的孔隙，不同滲透率的儲層都能得到較好動用，擴大了波及體積，從而提高采收率。

相關學者研究了寬分子量聚合物的體系性能，但是僅采用單一聚合物［6-7］。本文將寬分子量聚合物與表面活性劑復配，組成寬分子量聚合物二元復合驅油體系。通過理論計算及室內實驗，全面評價了復合體系的性能，為高含水、高采出程度油田提高采收率提供了新的方法。

1 寬分子量聚合物復合體系設計依據

分子量寬度的確定、分子量的選擇、比例的劃分是進行寬分子量設計的關鍵。聚合物分子量的分布寬度通常用多分散系數表示。多分散系數［8-10］最常見的定義為

式中，D為聚合物體系多分散系數；Mn為數均分子量；Mw為重均分子量；Mi為組分i的分子量；Ni為分子量為Mi的分子個數；Wi為分子量為Mi的分子的重量。

分子量分布測定的常用方法有黏度法、光散射法、凝膠滲透色譜法、凝膠色譜與光散射聯用技術、流變法、場流技術等［11-12］，對于聚合物驅或者化學驅，采用已知分子量的多種聚合物復配，可以通過推導的理論公式，計算得到某一含有多種分子量混合物的多分散系數，簡便快速。

多分散系數的大小代表聚合物分子量分布的均勻程度，多分散系數越大，分子量分布范圍越寬，成分就越不均勻；多分散系數越小，分子量分布越窄，成分就越均勻［13］。

2 目的層滲透率劃分

根據寬分子量聚合物驅替原理，需要對滲透率分布范圍較廣的地層進行合理劃分，對不同滲透率區間采用不同分子量的聚合物。目前常用的劃分方法，一是根據滲透率分布，將滲透率區間等比例劃分，如劃分為3個區間，每一區間的滲透率分布比例均為1/3；二是根據滲透率范圍，將滲透率區間等間距劃分，例如每一個區間滲透率跨度都為300 mD。

當滲透率分布比較均勻時，2種方法劃分結果基本一致；當分布不均勻時，2種方法差別較大。按第1種劃分方法，分布比例大致相同，設計對應分子量時，分子量比例也大致相同；按第2種劃分方法，滲透率區間大致相同，可保證該區間分子量的涵蓋范圍，避免第1種方法可能引起的某一區間滲透率范圍大，分子量無法涵蓋的問題。實際劃分時，要兼顧兩個方面，只要每個區間比例相差不太大，就盡量選用第2種方法。圖1為某油田S區塊取心井巖心滲透率分布數據（只列舉了適合化學驅，即滲透率＞50 mD的分布情況）。

圖1 S區塊滲透率分布Fig.1 Permeability distribution of S Block

根據不同的方法對S區塊滲透率進行劃分結果見表1：第1種按照滲透率分布，盡量密集地劃分滲透率區間；第2種按照每個區間的滲透率跨度基本相同來劃分；第3種和第4種按照每個滲透率區間的滲透率比例基本相同來劃分。

表1 S區塊滲透率區間劃分Table 1 Classification of permeability of S Block

3 聚合物分子量設計

聚合物分子量根據聚合物分子與地層巖石孔喉半徑匹配關系確定。通過下式可得到某一滲透率下能夠順利注入的聚合物分子量［14］。

式中，rh為地層孔喉半徑，μm；rG為聚合物分子回旋半徑，μm；［η］為特性黏數，mL/g；M為相對分子質量；φ為孔隙度，%；K為滲透率，mD；C為科澤尼常數，通常取 0.2。

為了保證聚合物的順利注入，對所劃分的每一區間均取該區間滲透率最低值進行計算。聚合物的分子量和比例均影響多分散系數，分別按照滲透率區間的劃分比例和多分散系數最大原則設計了11種配方，見表2。

表2 不同寬分子量聚合物復合體系性能Table 2 Properties of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

4 靜態性能評價

4.1 多分散系數

根據式（1）計算表2中不同配比聚合物體系的多分散系數，可以看出，分子量的分布越靠近兩邊（最大值和最小值），多分散系數越大；分子量分布越集中在中間，多分散系數越小。與滲透率分布對應的4種配方中，密集劃分的配方1與等配比劃分的配方3、4的多分散系數均不大。配方2與配方7的多分散系數相對較大。

4.2 增黏性及與表活劑配伍性

配制不同分子量配比的寬分子量聚合物二元體系，聚合物總質量分數為0.1%，表面活性劑采用復配石油磺酸鹽，質量分數0.2%，實驗溫度60 ℃，測試各個配方的黏度及界面張力，實驗結果見表2。結果表明，聚合物分子量越大，體系黏度越大，體系中含有高分子量聚合物的比例越大，黏度越大。與滲透率分布比例相對應的4種配方中，劃分密集的配方1黏度最大；多分散系數最大化的其他配方中，配方7與配方10的黏度相對較大。從實驗結果看出，體系黏度低的界面張力也低，體系黏度高的界面張力也高，但均能保持10-3mN/m數量級，說明雖然復配的寬分子量聚合物二元體系成分較為復雜，聚合物分子鏈長短不一，但并未明顯改變活性劑分子在油/水相的分配系數，且并未過多地在油水界面吸附［15］，進而影響表面活性劑分子在油水界面的聚集，與表面活性劑具有較好的配伍性。

4.3 溶解性與穩定性

寬分子量聚合物配制成溶液以后，無未溶解的膠團或顆粒，幾種寬分子量聚合物配方的過濾因子基本在1～1.1之間變化，溶解性較好。

5 驅替實驗

5.1 不同配比寬分子量聚合物二元體系驅油實驗

5.1.1 實驗方法 采用多管并聯巖心（小巖柱）模擬多層非均質地層，各層滲透率分別與滲透率劃分相對應，通過控制巖心長度實現滲透率的比例，每一個小巖柱的滲透率取每一個劃分區間的平均滲透率。根據不同的實驗目的，設計了5組驅油實驗：結合分子量設計是否與滲透率分布相對應、多分散系數以及增黏性能，選擇配方1、配方2、配方7、配方10，另外增加一個單一聚合物的配方12（100%（2 000萬）P+0.2%S）。5個配方的聚合物（總）質量分數均為0.1%，表面活性劑質量分數0.2%，注入量均為0.6 PV，實驗溫度60 ℃。

5.1.2 結果分析 從表3可以看出，與滲透率分布相對應的配方1和配方2采收率增幅最大，且二者相差不多，而多分散系數最大的配方7和黏度最大的配方10的采收率增幅略差一些。這也說明了影響化學驅油效果最大的因素是聚合物與儲層的匹配性，而不是一味追求分子量分布的“寬”和高黏度。分子量分布越寬，也就是多分散系數越大的聚合物體系，分子量跨度大（最大值和最小值之間）且兩邊所占配比較大，其分子量配比一般都無法與實際儲層的滲透率分布相對應。聚合物分子如果能順利進入孔喉，則黏度越大，越容易發揮聚合物的黏彈性效應［16］，但是如果聚合物分子不能進入部分孔喉，不可波及孔隙體積過多，即使體系黏度大，驅替效果也不理想［17］，如配方10。如果低分子量聚合物較多，且進入較大孔隙中，黏彈作用不如高分子量聚合物，微觀驅替效果略差，如配方7。實驗中，配方7和配方10的驅替壓力也明顯高于配方1和配方2，除了因為二者黏度更大之外，配方中高分子量聚合物比例更大，聚合物不可波及孔隙體積更多，也是重要原因。配方1和配方2相比較，采收率提高值相差不大，說明過分密集的劃分滲透率區間，使聚合物分子量與之對應，并不能顯著改善驅替效果，只要滲透率在一定范圍內與聚合物分子匹配即可。

表3 不同寬分子量聚合物復合體系驅油效果Table 3 Displacement efficiency of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

寬分子量聚合物二元體系驅替效果明顯好于單一分子量聚合物二元體系驅（配方12），前者同時發揮了寬分子量的波及能力與表面活性劑的微觀洗油能力，在水驅基礎上的采收率提高幅度更大。

5.2 不同非均質性儲層的驅油實驗

5.2.1 實驗方法 為了對比不同非均質性儲層的驅油效果，采用多組填砂管并聯模擬層間非均質性，采用多層非均質壓制巖心模擬層內非均質性。因為多層壓制巖心各層長度相同，無法單獨控制每層的長度來模擬滲透率分布比例，因此并聯管模型也采用等長的填砂管，且配方采用均勻分布的分子量構成（即配方4）。寬分子量聚合物分子量分別與每一層滲透率相對應，聚合物質量分數均為0.1%，表面活性劑質量分數0.2%，注入量均為0.6 PV，采用籠統注入的方式，對比在相同水驅采收率基礎上的采收率提高值。

5.2.2 結果分析 寬分子量聚合物二元體系配方4在層間非均質性巖心的采收率提高值為16.1%，在層內非均質巖心的采收率提高值為15.8%，兩者基本相同。隔夾層的存在雖然不利于驅油體系在地層深部從高滲層向低滲層波及，但防止了已經在低滲層的驅油體系向高滲層竄流。對于沒有隔夾層的層內非均質地層，如果是正韻律分布，在剖面容易形成反漏斗形的波及區域，在近井地帶驅替范圍大，對中低滲透層均有波及，隨后竄入高滲層驅替，且在地層深部對中滲層仍有波及。綜合來看，同一種寬分子量聚合物二元體系對兩種非均質性地層的波及效果相差不大。

5.3 寬分子量注入與多輪次注入實驗

5.3.1 實驗方法 多輪次注入是指將寬分子量體系拆分開，分多輪次依次注入，或者稱為交替注入。國內已有很多關于不同體系多輪次注入或交替注入的研究［18-20］，本實驗旨在對比寬分子量聚合物二元體系與多輪次注入二元體系驅油效果。采用等長的并聯填砂管模型，配方采用配方4以及將其拆分的多輪次體系，寬分子量體系拆分后的性能如表4所示。聚合物質量分數均為0.1%，表面活性劑質量分數0.2%，注入量均為0.6 PV，采用籠統注入的方式，多輪次體系注入時，按照分子量從高到低（從段塞1開始）依次注入。

表4 多輪次注入體系各段塞性能Table 4 Properties of each plug of multi-cycle injection system

5.3.2 結果分析 寬分子量聚合物二元體系在水驅基礎上的采收率提高值為16%，多輪次注入的采收率提高值為16.4%，兩者基本相同。分析原因主要是：（1）多輪次注入機理是前一輪次進入較高滲透層，后一輪次進入較低滲透層，以此類推，最后平行推進［21］，平行推進要求驅替相與各層的匹配性更高，保證各層啟動壓力相同才能實現，但在實際情況中較難實現。（2）多輪次注入更注重從宏觀上實現聚合物與儲層的匹配，而寬分子量更注重在微觀上的匹配性。對于在宏觀上相對均質、微觀非均質性較強的儲層，寬分子量體系更具有優勢。（3）多輪次注入，如果不同段塞間黏度差異大，后續注入的段塞容易從前一段塞指進，或者從旁邊繞流，寬分子量聚合物中高分子量聚合物攜帶低分子量聚合物，不存在指進現象。（4）多輪次體系中，高分子量段塞的黏度較高，可以擴大宏觀及微觀波及體積，但由于黏度略高，體系無法達到超低界面張力（如表4段塞1），抑制了驅油效率。

總體來看，寬分子量體系與多輪次注入體系從機理上來說各有優勢，體現在最終的采收率上，二者差別不大。如果考慮現場實施中多輪次注入工藝的復雜性［22］，寬分子量體系優勢明顯。

6 結論

（1）寬分子量聚合物體系黏度隨著高分子量聚合物的比例增加而增大，反之則降低；隨體系黏度增加，界面張力略有增加，但沒有數量級的改變，配伍性較好。

（2）寬分子量聚合物復合體系同時發揮了寬分子量聚合物擴大波及作用以及表面活性劑提高洗油效率作用，可以在水驅基礎上提高采收率15%以上。

（3）目標儲層的滲透率區間劃分與寬分子量聚合物中不同分子量配比息息相關，且劃分數量要適中，既能體現分子量分布寬度的優勢，又能有較好的驅油效果。

（4）只有寬分子量聚合物體系與儲層非均質情況匹配最好，而不是多分散系數最大時，才能取得最好的驅油效果；寬分子量聚合物二元體系在層間與層內非均質地層中驅油效果相差不大；寬分子量聚合物二元體系與多輪次注入相比，驅替效果基本相同，考慮到注入工藝，前者優勢明顯，為推薦注入方式。