注聚井堵塞動態過程研究

陳 磊，趙 健，申金偉，郭布民，李 夢，鮑文輝

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459）

渤海SZ36-1 油田于2003 年開始注聚，隨著注聚時間的增加，越來越多的注聚井出現欠注或注入壓力高的問題。通過現場堵塞物成分分析，堵塞物主要為聚合膠團、原油、無機垢、黏土礦物、機械雜質以及各種金屬離子等[1，2]。有研究者對SZ36-1 油田注聚井堵塞機理進行了研究[3，4]，儲層膠結疏松導致微粒易運移、聚合物的吸附與滯留、注水水質不達標、聚合物魚眼或膠團等相互作用形成復合堵塞[4-10]。目前對堵塞機理的研究以靜態和單因素分析為主，而在注聚井中堵塞物是在動態注入過程中形成。為了研究注聚井堵塞形成的動態過程，分析了注聚井堵塞原因，通過長填砂管驅替模擬了注聚井堵塞動態變化過程。

1 實驗

1.1 儀器與材料

材料：去離子水，自制；氯化鈣（CaCl2）、六水合氯化鎂（MgCl2·6H2O），分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；SZ36-1 現場聚合物干粉，SZ36-1 油田現場的注入水，SZ36-1 油田脫水原油，現場提供。

儀器：Nano ZS 馬爾文激光粒度，馬爾文儀器有限公司；DHZ-50-180 型化學驅模擬實驗裝置，南通華興石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物溶液水力學直徑的測量 使用Nano ZS馬爾文激光粒度儀測量聚合物溶液中膠束的水力學直徑。

1.2.2 聚合物吸附滯留傷害 本實驗通過測試其巖心損害率來探討聚合物在巖心中的吸附滯留帶來的傷害。采用巖心（50 mm×φ25.4 mm），注入速度1 mL/min，先測定水相滲透率k0，然后注入聚合物溶液，直到壓力穩定，最后注水測定注聚后的水相滲透率k1，計算巖心損害率。巖心損害率公式為：

其中：η-巖心損害率，%；k0-巖心的初始水相滲透率，10-3μm2；k1-巖心吸附聚合物后的水相滲透率，10-3μm2。

1.2.3 聚合物堵塞動態模擬實驗 采用目數為40 目的石英砂填充填砂管模擬儲層巖石。使用有多個測壓點填砂管，通過壓力傳遞過程來表征聚合物堵塞動態過程，測壓點的位置（見圖1）。

圖1 填砂管測壓點示意圖（從左向右注入）

實驗步驟：

（1）以1 mL/min 向填砂管中注入地層水，記錄注入端壓力；

（2）以1 mL/min 向填砂管中注入渤海現場油樣，對填砂管進行飽和原油；

（3）以1 mL/min 注入模擬注入水進行水驅，直到含水率達到98 %以上；

（4）將濃度為5 000 mg/L 聚合物和地層水混合注入，模擬礦場注入過程；

（5）后續水驅，直到壓力穩定，根據各個測壓點變化，研究堵塞過程。

2 結果與討論

2.1 注聚井堵塞原因分析

2.1.1 聚合物配制的影響 聚合物溶液配制及稀釋過程中未溶解好的“魚眼”及高聚溶液注入井內造成近井及炮眼周圍油層孔隙堵塞，引起注入困難。

2.1.1.1 聚合物配制過程中熟化不好 渤海油田使用的聚合物干粉粒度及相對分子質量存在差異，溶解過程中，相對分子質量低、分散好的小顆粒溶解的快；而相對分子質量高、顆粒大的溶解較慢，容易形成“魚眼”和軟膠團。在過濾精度有限的情況下，這些物質隨著熟化好的聚合物溶液一起進入井內，造成近井及炮眼堵塞。

2.1.1.2 聚合物溶液稀釋不均勻 渤海油田現場注聚使用熟化的高濃度聚合物母液（5 000 mg/L）和注入水在管線中直接混合成低濃度聚合物溶液后注入，實際操作中，由于混合不均勻，管線內會出現濃度很高的聚合物溶液（近似膠狀物）并被直接注入地層，造成堵塞[2]。

2.1.2 注入水對聚合物溶液的影響 SZ36-1 油田注入水礦化度約為7 700 mg/L，其中鈣、鎂離子含量分別為80 mg/L、230 mg/L。為了探究注入水高價陽離子對聚合物分子水力學直徑的影響，使用馬爾文激光粒度分析儀測定了不同Ca2+、Mg2+二價離子濃度下聚合物溶液的水力學直徑，結果（見圖2）。

從圖2 中可以看到，鈣、鎂離子的增加導致溶液中聚合物水力學的直徑增加，鈣離子的影響大于鎂離子的影響。鈣鎂離子對溶液中的聚合物影響主要有兩個方面：一方面是SZ36-1 油田使用的聚合物為陰離子型，在水溶液聚合物分子鏈上的陰離子存在靜電斥力，使分子鏈更加舒展。而當鈣鎂離子存在時，屏蔽了分子鏈上的陰離子，造成分子鏈卷曲；另一方面，鈣鎂離子屬于二價陽離子，可以在分子鏈間通過靜電引力作用造成聚合物分子交聯，隨著鈣鎂離子濃度增大，交聯作用越明顯，聚合物水力學直徑越大。聚合物水力學直徑越大，越容易在巖石孔喉處捕集，造成儲層堵塞。

圖2 離子濃度對膠團水力學直徑的影響

2.1.3 聚合物吸附滯留傷害 在聚合物大分子通過孔隙介質時，一方面由于聚合物電荷作用吸附巖石表面，另一方面超過孔喉半徑的大分子將被留在孔隙介質中，兩方面作用使巖心的滲透率和孔隙度降低。故而本實驗通過測試不同滲透率巖心損害率來表征聚合物吸附滯留造成的傷害，實驗結果（見表1）。

從表1 可以看出，當巖心滲透率越低，經聚合物驅后，巖心損害率越大，越容易造成堵塞。在聚合物溶液注入速度一定時，動態吸附滯留的機理主要是吸附和捕集作用。在滲透率低的巖心中，不可入孔隙體積較大，吸附表面積較小，吸附量較低。但低滲透率巖心孔喉半徑小，機械捕集量大，所以在低滲巖心中，傷害主要來自聚合物分子捕集。隨著滲透率的增加，不可入孔隙體積減小，吸附表面增加，吸附量增加，機械捕集量減少（由于孔喉半徑增加），因而在高滲巖心中，傷害主要來自聚合物吸附。所以，儲層巖石孔隙結構對聚合物吸附和機械捕集有很大影響，而聚合物的機械捕集是造成注聚井堵塞的主要原因。

2.2 堵塞動態過程

基于之前的研究，發現地層水、注入水、聚合物等的相互作用十分復雜，因此形成的堵塞物成分復雜。為了研究聚合物垢在地層中的分布規律，以長填砂管為模型，先飽和原油，再將注入水：聚合溶液=2：1 比例使用旋轉攪拌器，邊攪拌邊注入，記錄各個測壓點的壓力變化，探究堵塞動態變化規律。

驅替分為四個階段，分別為水驅油階段；聚合物/地層水混合驅；填砂管兩端封閉65 ℃老化24 h；后續水驅階段，各階段的壓力曲線（見圖3）。

在水驅油階段，P1的壓力上升至約0.4 MPa，隨著原油的采出，含水率增加，填砂管中形成水流通道，注入壓力開始降低。而其他壓力點的壓力變化小，說明水驅油存在黏性指進，驅油的壓力主要存在注入端，水驅前緣突破后，壓力迅速降低，所以在其他測壓點壓力變化小。

聚合物/注入水混合驅階段，P1注入端壓力快速上升至約9.5 MPa，由于注入的聚合物溶液從前至后依次流經各個測壓點，因此P1壓力先上升其他測壓點的壓力再依次上升，P1、P2、P3的壓力遠高于P4、P5的壓力，說明產生的堵塞物主要集中在中前端。另外可以明顯的觀察到，五條壓力曲線都出現了明顯的波動，說明堵塞物是在不斷運移過程中形成。

從整體壓力的變化來看，在P3和P4兩個測壓點之間存在明顯的壓力降落，在該段消耗的壓差最大，說明該段滲透率最低，形成了主要的堵塞區域。在注入端由于壓力較大，聚合物大分子膠團形成的柔性堵塞物可以變形、擠入孔隙，向后運移。或受擠變形進入窄孔喉和出口狹窄的大孔滯留在巖心中形成堵塞。對于向后運移的柔性堵塞物，不斷和原油、無機晶體相互包裹，堵塞物變大，并且隨著運移距離的增加，較大的堵塞物無法受擠變形通過孔隙，從而形成堵塞。從驅替的結果來看，形成的堵塞物主要被運移到了P3和P4的測壓點之間并滯留，該位置為聚合物垢的主要堵塞區域。

表1 巖心損害率數據

圖3 注入壓力隨注入體積的變化曲線

在后續水驅過程中，五個測壓點的壓力都逐漸降低，且壓力曲線的抖動幅度也逐漸減小，最終壓力P1、P2、P3遠高于P4、P5。后續水驅聚合物溶液被推向填砂管后端，并被帶出，導致壓力降低。在填砂管中形成的膠團堵塞物堵塞在孔隙中難以向后進一步運移，形成堵塞，所以在水驅結束時，P1、P2、P3仍保持較高的壓力，說明形成膠團堵塞物主要集中在中前端。而P4、P5壓力較低，是因為經過后續水驅的大量沖刷，大部分聚合物被沖刷出來，少量聚合物在孔隙中的吸附滯留是造成堵塞的主要原因。驅替結束后，對填砂管拆解的過程中發現形成了具有一定彈性的膠狀堵塞物，這證明了聚合物/注入水、砂粒的相互作用形成了堵塞物。

3 結論

（1）聚合物配制過程中產生的魚眼、混合不均勻，注入水中高價金屬離子造成聚合物分子交聯，聚合物在孔隙中的吸附滯留均是造成注聚井堵塞的原因。

（2）在注聚及后續水驅過程中，在填砂管中前端，聚合物/注入水、砂粒、原油的相互作用形成的堵塞物，造成嚴重堵塞，注入壓力高；而在中后端，堵塞主要來自聚合物在孔隙中的吸附滯留。