渤海Q油田三種不同驅油體系傳輸運移能力對比研究

楊 彬，高建崇，吳彬彬，吳雅麗，李 奇，劉文華

（1．中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2．中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

海上Q油田屬于河流相沉積，儲層埋藏淺，處于欠壓實階段，成巖作用較弱，砂巖疏松，非均質性強，在長期注水開發過程中，水流優勢通道逐漸形成，非均質性加劇。以聚丙烯酰胺為增稠劑主體的聚合物驅是一項重要的三次采油方法，但在非均質性強的油田應用效果較差[1-4]。目前，針對非均質性比較強的油藏，可以通過同時具有調和驅雙重功能的驅油體系達到較好的“穩油控水”目的，這類體系常用的有WQ、HG等[5-8]。

由于WQ和HG為兩種不同類型的驅油體系，驅油機理也有所差別，為了篩選出更適合Q油田的驅油體系，有必要研究這兩種驅油體系與油藏之間的適應性。本文主要以傳輸運移能力為研究對象，分析驅油體系在巖心中的運移規律，并從驅油體系的分子結構和溶液性能進行相關解釋。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗材料：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），HG，WQ，Q油田模擬水，標準3#白油，均質人造膠結巖心（30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm，中間兩個測壓點等距分布）。

實驗儀器：Brookfield DV-Ⅱ電子數顯黏度計，哈克RS600高溫高壓流變儀，吳茵剪切機，恒溫水浴攪拌器，動靜態光散射儀，Pure掃描電鏡，紫外分光光度計，多功能化學驅替設備。

1.2 實驗方法

1.2.1 結構性能分析

（1）掃描電鏡分析。分別將HPAM 和HG 配制成濃度為200 mg/L的溶液（蒸餾水做溶劑），通過掃描電子顯微鏡觀察兩種聚合物剪切前后的分子聚集形態。掃描電鏡實驗的樣品制備：使用液氮將樣品低溫快速冷凍，并用低溫冷凍干燥法在-50 ℃下使水分在真空環境中升華，基本保證樣品始終在固態情況下干燥，從而把高分子在干燥過程中的遷移運動減少到最低程度。最后，樣品噴金后拍攝電鏡照片，以此觀察到的分子聚集形態應更接近原始條件下溶液中的聚集體形態。

（2）分子線團尺寸測定。采用動靜態光散射儀測定三種驅油體系剪切前后的分子線團尺寸。聚合物測試樣品配制：使用1%的NaCl溶液分別配制濃度均為200 mg/L的HPAM和HG溶液，靜置2 h，待測；WQ測試樣品配制：初始粒徑用3#白油做分散介質，在燒杯中加入0.5 g樣品，然后加入100 mL 3#白油，攪拌后放入超聲波清洗儀中超聲分散5 min，待測。WQ吸水溶脹后粒徑測試用水做分散介質。

（3）靜態吸附量測定。用模擬水配制一系列濃度為 200，400，600，800，1000，1500，1800，2000 mg/L的三種驅油體系水溶液，放入烘箱48 h后，測定初始濃度；準確稱取5.0 g粒徑為40～60目的石英砂與體系溶液，按1∶4的固液比加入穩定瓶，搖勻后放入恒溫箱中，定時振蕩以使石英砂與溶液充分接觸，48 h后，取上部清液稀釋到濃度為100 mg/L后，進行吸附平衡后的濃度測定，計算不同驅油體系靜態吸附量。

1.2.2 傳輸運移能力實驗

（1）體系濃度和黏度。實驗中使用的體系為經過機械剪切作用，模擬現場聚合物從地面到地層的降解，即在相同剪切條件下（均為1檔剪切20 s）。采用吳茵剪切機的機械剪切來模擬炮眼剪切作用，控制濃度使驅油體系溶液的黏度相同。

（2）物模實驗。模擬Q油田油藏條件，采用均質人造膠結巖心，進行不同驅油體系溶液注入性物理模擬實驗。實驗過程：水驅至壓力穩定→驅油體系驅至壓力穩定→后續水驅至壓力穩定，記錄壓力，并根據壓力計算阻力系數與殘余阻力系數。

2 實驗結果與討論

2.1 結構性能

2.1.1 分子聚集形態

濃度均為200 mg/L 的HG和HPAM溶液剪切前后的顯微形貌見圖1和圖2。由于HG分子鏈上含有疏水基團，在水中發生締合作用，主要以分子間締合為主，分子鏈之間纏繞緊密，形成三維立體空間網狀結構（圖1a）；剪切后，三維立體空間網狀結構被破壞，剪斷后的小分子鏈卷曲，但仍纏繞聚集在一起（圖1b）。HPAM為聚丙烯酰胺主鏈構成，在水中呈線條狀，分子鏈收縮，分子間纏繞聚集少（圖2a）；剪切后小分子鏈不再舒展（圖2b）。

2.1.2 分子線團尺寸

在1%的NaCl鹽水中，濃度均為200 mg/L的HG溶液和HPAM溶液相比較，HG溶液的分子線團較大，這是由于 HG的締合作用形成三維立體空間網狀結構，故分子線團較大；而HPAM為部分水解聚丙烯酰胺，鹽水中聚合物分子鏈收縮，分子間纏繞聚集少，故分子線團較小；剪切后HG和HPAM的分子線團尺寸分別為376.32 nm和182.46 nm，其分子線團尺寸都減小（表1）。WQ為微凝膠顆粒，吸水后發生膨脹，吸水1 d后分子線團達358.30 nm，其膨脹倍數約3.5倍（表2）。

表1 HG和HPAM剪切前后分子線團對比 nm

表2 WQ吸水前后分子線團變化 nm

2.1.3 吸附能力

吸附是聚合物在巖石表面的富集現象，聚合物分子通過化學鍵、靜電、氫鍵、范德華力可逆或不的聚集濃縮到礦物巖石/水界面，使界面附近聚合物濃度遠高于溶液中聚合物平均濃度的現象。靜態吸附量是指當聚合物溶液與巖石顆粒長期接觸達到吸附平衡后，單位巖石顆粒表面積或單位巖石顆粒質量所吸附聚合物的質量。

圖1 HG溶液剪切前后顯微形貌

圖2 HPAM溶液剪切前后顯微形貌

從圖3可以看出，HG和HPAM的靜態吸附量均隨著濃度的增大先增加，后穩定不變，濃度大于1000 mg/L時，HPAM吸附趨于飽和，飽和吸附量約為330 μg/g；濃度大于1500 mg/L時，HG吸附趨于飽和，飽和吸附量約為1600 μg/g。HG的飽和吸附量要遠遠大于HPAM的飽和吸附量，說明HG具有強吸附性，這是由于HG分子鏈上的活性基團與巖石顆粒表面發生化學反應，生成化學鍵引起的吸附，WQ的靜態吸附量接近0。

圖3 HG和HPAM靜態吸附量實驗結果

2.2 傳輸運移能力實驗結果

傳輸運移能力是評價驅油體系沿地層（巖心）驅替方向滯留量分布均勻程度的技術指標，滯留量分布越均勻，傳輸運移能力越強。由于驅油體系在巖心區間的滯留量大小與壓差值呈正相關關系，實驗過程中可通過測定驅替穩定時巖心各測壓點區間的壓差值來反映傳輸運移能力的大小。

傳輸運移能力實驗中使用的WQ為吸水膨脹1 d后的交聯聚合物微球，實驗體系濃度和剪切降解前后的黏度見表3。WQ剪切前后黏度變化不大，這是由于微球為預交聯微凝膠顆粒，在水中以固體顆粒形式分散，不具有增黏性。820 mg/L的HG溶液黏度達137.00 mPa·s，遠高于1150 mg/L的HPAM溶液黏度，這是由于HG在水溶液中產生締合作用形成空間網狀結構，并且 HG分子間除了氫鍵和范德華力之外，還有較強的締合作用力，具有較強的結構黏度，表現在溶液表觀黏度高。HPAM在水溶液中只存在氫鍵和范德華力，表觀黏度以本構黏度為主。剪切作用會破壞 HG的空間網狀結構，導致結構黏度大幅降低，因此，在相同剪切條件下，HG剪切損失率較大，達78.0%。

表3 傳輸運移能力實驗用體系濃度和黏度

傳輸運移能力實驗使用剪切后黏度相近的 HG溶液和HPAM溶液以及2000 mg/L的WQ溶液，實驗用巖心參數見表4。

從圖4和圖5可以看出，HG和HPAM注入巖心后壓力變化規律都是隨著注入倍數增大先上升后趨于平穩，不同的是，注入 HG穩定后壓力要比注入HPAM穩定后壓力大很多，后續水驅穩定時HG壓力也要比HPAM壓力大。HG的阻力系數和殘余阻力系數分別是56.38和14.05，HPAM的阻力系數和殘余阻力系數分別是17.28和5.36。這是由于HG的分子尺寸比HPAM大，靜態吸附量更大，HG在巖心里的滯留量也更大，流動阻力更大，因此，在多孔介質中產生的阻力系數和殘余阻力系數更大。

表4 實驗巖心參數

圖4 注HG巖心壓力變化

圖5 注HPAM巖心壓力變化

圖6為注入WQ巖心變化情況，可以看出，P1、P2和P3增大過程中出現波動，隨后緩慢增大趨于穩定。后續水驅時壓力出現波動，穩定后壓力降低幅度較小。WQ的阻力系數和殘余阻力系數分別是40.11和35.47。這主要是由于WQ為彈性預交聯微凝膠顆粒，在巖心運移過程中發生“封堵—變形—突破—再封堵—再變形突破”，后續水驅時主流道上的WQ顆粒受壓變形，一部分發生運移，導致壓力發生波動，一部分深入孔徑更小的喉道，封堵吼道，增大壓力。當運移的顆粒排出巖心后，水流通道形成，壓力穩定。從巖心各區間壓差比值大小看（表5），三種驅油體系的傳輸運移能力大小排序為：HPAM＞HG＞WQ。

3 結論

（1）聚表劑HG分子鏈上帶有疏水基團，在水溶液中發生締合作用形成三維立體空間網絡結構，分子線團尺寸大，結構黏度高。剪切作用會破壞HG在水溶液中的聚集形態，黏度損失率較大，但締合作用使剪切后的小分子鏈部分聚集，仍然具有較大的分子線團尺寸。分子線團尺寸大和吸附性強雙重特性導致HG注入壓力大，具有一定的封堵能力。（2）交聯聚合物微球WQ為彈性凝膠顆粒，吸水1 d后膨脹約3.5倍，在巖心運移過程中發生“封堵—變形—突破—再封堵—再變形突破”，壓力呈現上下波動變化。