聚合物分子量及濃度優(yōu)化方法研究

苑光宇 羅 煥

1. 中國石油遼河油田分公司, 遼寧 盤錦 124010;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司, 北京 100085

0 前言

化學(xué)驅(qū)是注水油田提高最終采收率的重要技術(shù)措施,也是老油田二次開發(fā)的主要接替技術(shù)之一[1]。近年來,隨著化學(xué)驅(qū)技術(shù)在大慶、遼河、勝利、新疆等油田取得成功應(yīng)用,化學(xué)驅(qū)理論與技術(shù)越來越深入和完善,實(shí)施區(qū)塊從儲層物性較好的普通高滲、低溫、稀油油藏,逐步轉(zhuǎn)向高溫、低滲、強(qiáng)非均質(zhì)性、復(fù)雜油品性質(zhì)的油藏[2-4],化學(xué)驅(qū)體系與不同類型油藏的適應(yīng)性是化學(xué)驅(qū)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵,其中,化學(xué)驅(qū)體系能否順利注入是適應(yīng)性的基礎(chǔ),而聚合物是決定化學(xué)驅(qū)體系注入性的關(guān)鍵。在目的油藏確定的前提下,聚合物的分子量與濃度直接決定體系的黏度,也決定了其與目標(biāo)儲層物性適應(yīng)性。

有相關(guān)研究通過實(shí)驗(yàn)得到一些特定分子量聚合物適合的滲透率下限[5-7],或某一滲透率下適合的聚合物分子量[8-10],但沒有明確給出依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)或方法。還有其他方法通過研究不可及孔隙體積,以聚合物分子水動力學(xué)半徑小于孔隙半徑為界限,進(jìn)而確定聚合物分子量[11],但是這種方法確定的分子量偏大,因?yàn)榭紤]“架橋原則”,在動態(tài)的注入過程中,即使聚合物分子略小于孔喉,也有可能發(fā)生堵塞。以聚合物驅(qū)為例,通過理論計算與注入性評價實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,為化學(xué)驅(qū)中聚合物參數(shù),主要是分子量與濃度的確定,提供新的思路與方法。

1 化學(xué)驅(qū)目的層物性參數(shù)分析

圖1 S區(qū)塊目的層滲透率分布

圖2 S區(qū)塊不同滲透率儲層厚度比例

2 理論計算方法確定聚合物參數(shù)

2.1 聚合物分子量確定

研究聚合物與儲層的匹配性,理論上首先要研究聚合物分子與地層孔喉之間的關(guān)系。傳統(tǒng)“架橋理論”認(rèn)為:當(dāng)聚合物分子水動力學(xué)半徑rG大于0.46倍孔喉半徑rh后可對多孔介質(zhì)形成堵塞[14],即當(dāng)前者小于后者時可以順利注入。但對于油藏實(shí)際地層,孔喉發(fā)育更為復(fù)雜,已有較多研究表明聚合物注入地層不發(fā)生堵塞的條件為:孔喉半徑與聚合物分子回旋半徑之比至少應(yīng)大于5[15],即

(1)

真實(shí)地層條件下,比值可能還要更大[16]。

聚合物分子半徑可以由以下幾種方法得到:數(shù)學(xué)計算、微孔濾膜過濾、原子力顯微鏡法、動態(tài)光散射法[17-18],每一種方法各有優(yōu)劣,但是采用理論方法得到的是聚合物分子在水中不規(guī)則運(yùn)動的統(tǒng)計平均值,更具有代表性。根據(jù)Flory公式,聚合物分子回旋半徑可采用下式計算：

rG=(2.37×10-11[η]M)1/3

(2)

式中:[η]為特性黏數(shù),mL/g;M為相對分子量。

孔喉半徑rh常用科澤尼-卡門公式計算[19]：

rh=[K(1-?)2/C?]1/2

(3)

以上三式聯(lián)立,帶入相應(yīng)參數(shù),即可得到某一滲透率下適用的聚合物分子量上限。例如,將某油田S區(qū)塊的參數(shù)帶入公式,不同滲透率條件下適合的聚合物參數(shù)見表1。50×10-3μm2下能夠注入的某一類型聚合物分子量的最大值為1 600×104,150×10-3μm2下能夠注入的某一類型聚合物分子量的最大值為3 200×104。

表1某油田S區(qū)塊不同滲透率儲層適合的聚合物

物性參數(shù)適合的某類型聚合物參數(shù)滲透率/10-3μm2孔隙度/(%)孔喉半徑/μm分子量/104特性黏數(shù)/(mL·g-1)回旋半徑/μm500.1750.986 11 6002 0070.196 71000.1861.334 62 5002 9080.258 31500.1911.603 13 2003 8460.307 8

2.2 聚合物濃度確定

一般來說,驅(qū)替相黏度為被驅(qū)替相的2～5倍時,具有最佳的流度控制作用,波及效果最好[20],因此根據(jù)孔喉與聚合物關(guān)系,基本確定聚合物分子量后,根據(jù)地層原油黏度比取一值,得到聚合物黏度后,根據(jù)濃黏關(guān)系確定相應(yīng)的聚合物濃度。

(4)

圖3 1 600×104分子量聚合物濃黏曲線

3 注入性實(shí)驗(yàn)方法確定聚合物參數(shù)

理論計算的方法是基于理想化模型,而真實(shí)的地層孔隙結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,因此采用天然巖心驅(qū)替更能代表注入壓力變化的真實(shí)情況。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

巖心抽空飽和水后,空白水驅(qū)至壓力平穩(wěn),注入聚合物溶液,固定注入量3 PV,以平衡壓力或注入結(jié)束時壓力為準(zhǔn)。

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

注入性評價實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是如何確定注入順利與堵塞的標(biāo)準(zhǔn),通過總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了如下評價指標(biāo):

1)計算阻力系數(shù),阻力系數(shù)小于100,認(rèn)為注入順利；阻力系數(shù)大于100,認(rèn)為注入堵塞。

2)計算殘余阻力系數(shù)與阻力系數(shù)的比值,小于1/3,認(rèn)為注入順利;大于1/3,注入堵塞。

綜合兩個參數(shù)進(jìn)行判定,只有當(dāng)兩個參數(shù)均注入順利,才認(rèn)為在該滲透率下,該分子量、濃度注入順利,否則認(rèn)為注入困難,發(fā)生堵塞。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表2聚合物分子量、濃度與地層滲透率匹配關(guān)系

地層滲透率/10-3 μm2聚合物分子量/104不同聚合物濃度下的匹配關(guān)系0.1 %0.15 %0.2 %0.25 %502 000順利堵塞堵塞堵塞1 600順利順利順利堵塞1002 500順利順利堵塞堵塞2 000順利順利順利順利3002 500順利順利順利順利2 000順利順利順利順利5002 500順利順利順利順利2 000順利順利順利順利

對比理論計算與注入性評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對于某一滲透率下適用的聚合物分子量,理論計算的結(jié)果與注入性評價實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致,但不同濃度下略有差異。在臨界分子量下,低濃度時注入順利,但高濃度時容易發(fā)生堵塞。理論計算假設(shè)巖心是理想模型,孔隙結(jié)構(gòu)簡單,比較的是靜態(tài)條件下孔隙與聚合物的關(guān)系,但是聚合物體系的流動是一個動態(tài)過程[21],聚合物的濃度、注入速度、分子的滯留都會對聚合物體系的注入性能產(chǎn)生影響。因此,采用天然巖心開展的注入性評價實(shí)驗(yàn)更能代表真實(shí)注入情況。

聚合物的類型、油藏的溫度、地層水的離子組成均會對聚合物分子回旋半徑和黏度有較大影響,此外油藏孔隙結(jié)構(gòu)千差萬別,這些因素都會導(dǎo)致聚合物參數(shù)與儲層的匹配關(guān)系均不同,因此注入性評價實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不具有普遍適用性,特定的油藏均需要開展相應(yīng)的注入性評價實(shí)驗(yàn)確定聚合物參數(shù)。

圖4 某油田S區(qū)塊不同滲透率儲層覆蓋有效厚度

4 結(jié)論

1)理論方法可以快速計算與滲透率對應(yīng)的聚合物分子量技術(shù)界限以及適用的濃度范圍,采用天然巖心的注入性評價實(shí)驗(yàn),可以同時確定聚合物分子量和濃度與儲層匹配的臨界值,結(jié)果更接近真實(shí)情況。

2)聚合物分子量可采用理論計算結(jié)合注入性評價實(shí)驗(yàn)確定,在保證注入性前提下應(yīng)盡量取大值;聚合物濃度可采用黏度比法結(jié)合注入性評價實(shí)驗(yàn)確定,為保證體系最佳工作黏度,應(yīng)考慮注入過程中各節(jié)點(diǎn)黏損。

3)本文注入性評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有普遍適用性,不同物性條件油藏均需開展本油藏天然巖心注入性實(shí)驗(yàn)以獲取相關(guān)參數(shù)值。