河南油田注聚井聚合物堵塞機理及防治技術

付美龍，張志遠，侯寶峰，王杰，鮮若琨

長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100

近年來，國內外注聚井堵塞原因研究已經取得一定的認識。SHAW等[1]在評價Taber South油田聚合物驅(以下簡稱聚驅)效果時發現，聚合物熟化不好造成的“魚眼”等不溶膠團對近井地帶會造成一定堵塞，嚴重影響聚驅效果；鄭俊德等[2]對現場返排物進行分析判斷，也得出了類似結論；唐洪明等[3]研究了靜態條件下部分水解聚丙烯酰胺溶液在大慶油田聚驅巖石上的吸附規律，結果表明，聚合物在黏土礦物上的吸附量是在巖石骨架上的4～10倍，對流體流動造成阻力從而堵塞地層；朱貴寶[4]對北二西聚驅油層進行數值模擬研究，對于注采井距為250m的開發區塊，聚合物溶液的滯留主要集中在前40m，且前20m以內的滯留最突出；曾明友[5]結合SZ36-1-A07擴大井組的注采動態資料,采用注采動態數據擬合法推算出注聚井堵塞主要發生在近井地帶，SZ36-1-A07井組350m井距，在距離注入井60m以內的壓力梯度變化最大。由此可以得出聚合物的滯留主要集中在距離注聚井60m以內。以上堵塞因素研究多集中在對藥劑本身的評價分析，關于堵塞位置的結論都是通過數值模擬和注采動態數據擬合推算而出，而鮮有對注聚井堵塞原因的系統分析研究。為此，筆者以河南油田聚驅儲層地質特征和流體性質為基礎[6-10]，輔助以掃描電鏡(SEM)為研究手段，開展了地層堵塞機理等方面研究；采用平面徑向流模型進行注聚合物地層堵塞位置的研究，得出平板模型1/8處堵塞情況最嚴重；研制了一種聚合物防吸附體系，并對該防吸附劑的現場施工注入參數進行優化。這對油田后續現場施工及動態調整具有重要指導意義，同時也可為河南油田提高聚驅技術應用效果提供理論支持。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

根據儲層對應滲透率范圍選取表1所示天然巖心進行試驗。

表1 試驗選用巖心基礎數據

試驗所用主要器材：平面二維模擬評價實驗裝置(海安縣石油科研儀器有限公司)、2PB00C平流泵(北京衛星制造廠)、SU9000場發射掃描電子顯微鏡(日立)、高速冷凍離心機(浙江納德科學儀器有限公司)、DSA25S接觸角測量儀(上海爾迪儀器科技有限公司)、平板填砂模型、長石粉、方解石粉、石英砂。

1.2 試驗方法

1.2.1 堵塞位置的試驗測定——平面徑向流試驗法

采用平板填砂模型模擬地層，圖1是平面徑向流試驗的流程圖，模型長500mm、寬250mm、厚18mm。將模型平分為4塊，以出口4區域為試驗區域。實測平板模型滲透率213mD，符合實際地層條件。通過分析壓力變化規律來確定聚合物溶液發生堵塞的位置。試驗步驟如下：①用140目石英砂填制平板模型，保證填制過程中充分壓實填滿；②用地層水以0.4mL/min速度飽和平板模型并測試模型滲透率等數據；③向平板模型中以0.4mL/min速度注聚合物溶液至0.6PV；④以0.4mL/min速度后續水驅，記錄后續水驅過程中壓力變化[5]。

圖1 平面徑向流試驗流程圖Fig.1 Flow chart of plane radial flow test

1.2.2 高低滲巖心驅替試驗及電鏡掃描(SEM)

首先水測巖心滲透率、孔隙度和孔隙體積等基本數據；待水驅壓力穩定之后，以一定的速度注入一定量的聚合物溶液；注聚之后進行后續水驅，直至采出液端聚合物質量濃度檢測為零為止；對注聚巖心沿流體流動方向進行切片，將0～1/8處、1/8～1/4處、1/4～1/2處、1/2～3/4處、3/4處～尾端巖心切片進行冷凍干燥，隨后對其表面的微觀形貌以SU9000型日立掃描電子顯微鏡進行SEM掃描分析具體滯留位置。

1.2.3 聚合物靜態吸附量的確定

1)80mL藍蓋瓶中加入20g 20～40目的石英砂或天然巖心砂。加入聚合物搖勻后放入恒溫振蕩儀中振蕩24h，試驗溫度為模擬雙河油田北塊Ⅳ1-3區塊地層溫度79.6℃。

2)按照淀粉-碘化鎘比色法測量聚合物原液和離心后聚合物溶液的濃度并計算靜態吸附量[11]。

3)聚合物在巖心中的靜態吸附量計算公式如下：

式中：A為吸附量，mg/g；V為吸附的溶液體積，mL；M為吸附巖心砂的質量，g；C0為聚合物初始質量濃度，mg/L；C為離心后溶液中聚合物的質量濃度，mg/L。

1.2.4 聚合物動態吸附滯留量的確定

1)以一定的速度注入地層水，測定巖心的基本數據包括滲透率、孔隙度和孔隙體積等。

2)以0.1mL/min的流速注入0.6PV的聚合物溶液，每隔一段時間收集聚合物采出樣，采用淀粉-碘化鎘比色法測定收集液中聚合物的質量濃度。

3)隨后轉注水至采出端聚合物質量濃度為零。

4)聚合物在巖心中的動態吸附滯留量計算公式如下：

式中：Ar為聚合物動態滯留量，mg/g；C0為聚合物的原始質量濃度，mg/L；Vf為聚合物溶液的注入體積，mL；Ci、Vi分別代表第i個聚合物采出樣中的質量濃度和體積，mg/L和mL；n為采出樣的總數量；W為巖心干重，g。

1.2.5 防吸附劑處理后的石英接觸角測定

分別配制質量分數為0.25%、0.5%、1%、2%的防吸附劑(代號5807)溶液，將石英片和防吸附劑(代號5807)溶液一同放入藍蓋瓶中，在50℃條件下浸泡48h。每隔1h同時取出一片石英片用躺滴法測定接觸角。首先將石英片固定在觀測臺，隨后使用注射器將4滴1μL左右的模擬地層水滴于石英片上表面作為平行試驗，以獲得接觸角的平均值。由于存在潤濕滯后現象，故將水滴于石英片上方后，靜置30min再測定其接觸角。

2 聚合物堵塞位置確定

2.1 聚合物質量濃度對聚合物注入性能的影響

圖2是聚合物濃度對聚合物注入性能的影響曲線，選用氣測滲透率相近的6～10號巖心以0.5mL/min速度注入聚合物。結果表明，在相同質量濃度下隨聚合物溶液的注入，注入壓力先不斷上升，后漸漸趨于穩定；當聚合物質量濃度增大時，注入壓力又繼續增大并重新達到穩定。這是因為注入液濃度的變化改變了原有的平衡穩定狀態，濃度增大，分子纏結機率增加，致使聚合物分子的吸附滯留量增大，宏觀上表現為注入壓力上升，當新的平衡建立時壓力也趨于穩定[12，13]。由此可以表明，注入阻力越大，注入壓力越高。實際注聚過程中在堵塞最嚴重處注入阻力最大，所以注入壓力也應最高。

圖2 聚合物質量濃度對聚合物注入性能的影響 Fig.2 The influence of polymer concentration on polymer injection performance

2.2 平面徑向流模型試驗結果

考慮到流動相似性，試驗選取平板模型以五點法模擬現場滲流方式。圖3為平面徑向流壓力傳播曲線圖，可以看出，在一次水驅時入口壓力僅上升至0.0125MPa即達到平衡，且入口壓力為最高壓力，可以看出平板模型滲透性能良好；注聚過程中入口壓力首先上升，且整個注聚過程壓力攀升至0.07MPa，其余測壓點均勻上升且幅度不大；后續水驅過程所有測壓點上升趨勢相同，且上升迅速，可以看出聚合物在模型內部產生堵塞。測壓點1壓力上升最為明顯，且上升至0.15MPa達到平衡；測壓點2與測壓點3壓力上升幅度相同且同時在0.105MPa達到平衡；測壓點4與測壓點5距離測壓點1較遠，壓力上升幅度最小。后續水驅時測壓點1壓力上升幅度最大，此時的平衡壓力遠高于一次水驅時的平衡壓力，且遠高于后續水驅其他測壓點的平衡壓力，由注入阻力越大處注入壓力越高可以判斷出堵塞位置為測壓點1附近，相當于注采井間距1/8靠近注入井處，即注入井近井地帶。該徑向流試驗結果與實際礦場結果堵塞半徑為3～5m比較符合。

圖3 平面徑向流壓力傳播曲線圖 Fig.3 Pressure propagation curve of plane radial flow

3 聚合物堵塞因素和防吸附機理

3.1 高低滲巖心SEM掃描結果對比

圖4(a)為聚合物在高滲巖心(11號巖心)的微觀堵塞形貌。由圖4(a)可知，高滲透巖心0～1/4處表面吸附一定量的聚合物，1/8～1/4處吸附量較大，放大到地層中對應為近井地帶，與平面徑向流試驗結果相符。由于巖心孔喉半徑大導致聚合物的捕集量較小，相比于0～1/4處的巖心表面，1/4～1/2處、1/2～3/4處及3/4處～尾端的巖心表面吸附的聚合物都比較少，聚合物滯留現象輕微。由此可知，對于高滲巖心來講，聚合物在驅替時發生的堵塞主要是由吸附導致的。

圖4 聚合物在高低滲巖心的微觀堵塞形貌 Fig.4 Microscopic plugging morphology of polymer in high and low permeability cores

圖4(b)為聚合物在低滲巖心(2號巖心)的微觀堵塞形貌。由圖4(b)可知，低滲巖心由于孔隙很小，聚合物的不可入孔隙體積(IPV)較大；在0～1/4處聚合物的機械捕集量較大，聚合物的吸附量較低；在1/2處～尾端，聚合物的機械捕集和吸附都較低[14-16]。由此可知低滲巖心在聚驅時的堵塞主要是由機械捕集導致的。由于河南油田平均滲透率為502mD，屬于高滲儲層，因此可以確定主要堵塞因素為吸附。

3.2 防聚合物吸附機理

針對河南油田主要堵塞因素為吸附，筆者研制了一種硅烷偶聯劑防吸附劑(代號5807)，主劑為正辛基三乙氧基硅烷，助劑有酸性催化劑和醇類助溶劑。防吸附劑對砂巖表面的疏水改性機理示意圖如圖5所示，防吸附劑注入后首先水解生成羥基化合物，該羥基化合物與砂巖表面的硅羥基發生醚化反應，生成- -Si- -O- -Si- -基團，同時使得防吸附劑的疏水鏈裸露在外面，從而使得砂巖表面被改性成疏水表面，進而降低聚合物的吸附量。這種防吸附劑是化學反應型防吸附劑，大大提高防吸附有效期，同時驗證河南油田主要堵塞因素為吸附。

圖5 防吸附劑對砂巖表面的疏水改性機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrophobic modification mechanism of anti-adsorbent on sandstone surface

4 不同因素對聚合物靜態吸附的影響

4.1 聚合物質量濃度對聚合物吸附的影響

配制不同質量濃度的聚合物溶液，考察聚合物HPAM(相對分子質量2836萬)在50～2200mg/L時對吸附的影響規律。按照淀粉-碘化鎘比色法測量聚合物原液和離心后聚合物溶液的質量濃度并計算靜態吸附量(試驗溫度79.6℃)，結果見圖6。

圖6 聚合物質量濃度對聚合物吸附影響規律圖 Fig.6 Graph of the influence of polymer concentration on polymer adsorption

從圖6中可以看出，低質量濃度時，吸附量隨聚合物質量濃度的增加迅速上升，而后逐漸趨于穩定，該變化具有典型的朗格謬爾型吸附曲線特點。分析這一變化，原因在于聚合物處于低質量濃度時，巖石對聚合物吸附尚未飽和，表面未被聚合物分子占滿，吸附量就隨聚合物質量濃度上升較快，但隨聚合物質量濃度進一步增加，吸附趨于飽和后吸附量增加就較緩慢。從吸附等溫線的變化規律還可推測，聚丙烯酰胺在巖心砂上的吸附以化學作用為主，即是單分子層吸附。

4.2 聚合物相對分子質量對聚合物吸附的影響

考察聚合物相對分子質量分別為2836萬和1500萬時對聚合物吸附的影響規律，試驗溫度79.6℃，按照淀粉-碘化鎘比色法測量聚合物原液和吸附后聚合物溶液的質量濃度并計算靜態吸附量，結果如表2所示。

表2 不同相對分子質量聚合物在相同質量濃度下的靜態吸附情況

從表2中可以看出，相對分子質量不同的聚合物，其在吸附劑上的單位質量吸附量也不同，相對分子質量2836萬聚合物的吸附量比相對分子質量1500萬的聚合物要小。同時，相對分子質量1500萬的聚合物和相對分子質量2836萬聚合物均在質量濃度約 800mg/L時達到最大吸附量，之后，隨著質量濃度增加，吸附量有所下降，下降原因可能是相對分子質量不同，聚合物溶液質量濃度增大時，增加了分子間的纏繞機會，使吸附劑上吸附點數減少，導致質量濃度較高時吸附量下降。

4.3 礦化度對聚合物吸附的影響

考察了礦化度分別為8500mg/L和3765mg/L的模擬地層水配制聚合物溶液時對聚合物吸附的影響規律，試驗溫度79.6℃，方法同上，結果如表3所示。

表3 不同礦化度地層水配制聚合物溶液對聚合物靜態吸附的影響

從表3中可看出，當礦化度增加，聚合物的吸附量也升高，這主要是因為加入無機鹽后，平衡了聚合物分子的負電荷，減少了它與巖石表面的斥力，并使聚合物分子的有效體積縮小，從而使巖石單位面積上可吸附聚合物分子數目增多。所以礦化度越高的聚合物溶液吸附性越強。

4.4 溫度對聚合物吸附的影響

考察了在水浴溫度分別為 30、40、79.6 ℃時天然巖心砂對聚合物吸附的影響規律，方法同上，結果如表4所示。

表4 不同溫度下天然巖心砂對聚合物吸附的影響

從表4中可以看出，在溫度分別為 30、40和79.6 ℃下聚合物的單位質量吸附量隨溫度的升高而降低，分析認為：當水浴溫度升高，聚合物溶解度增大，致使聚合物吸附量減少；溫度的升高，加快了離子基團的熱運動，多分子吸附層在巖層的解吸附作用加劇，最終導致聚合物在巖心砂上的吸附量減少；吸附過程為放熱過程，溫度的升高使得吸附變得困難，吸附量減少；在近井地帶，溫度變化明顯且溫度較低，聚合物易被地層吸附。

5 聚合物防吸附劑注入參數優化

考察了質量濃度、礦化度、注入體積、處理時間及注入方式對防聚合物吸附劑注入性能的影響規律，旨在為聚合物防吸附劑現場施工提供理論依據。試驗中采出液均從后續水驅開始以5mL/次收集至總量達到10PV，而后進行采出液聚合物質量濃度測定。

5.1 防吸附劑質量分數

表5為不同質量分數5807對水濕性砂巖表面潤濕性的影響。由表5可以看出，防吸附劑5807最終將強水濕性砂巖表面改變成弱疏水狀態，并且在0.5%時轉變速度最快，而且接觸角最高達到106°，砂巖表面的潤濕性得到了反轉，進而降低聚合物吸附量。因此，最優防吸附劑質量分數為0.5%。

表5 不同質量分數防吸附劑5807對水濕性砂巖表面潤濕性的影響

5.2 礦化度

在pH=3、溫度79.6℃、巖心滲透率450.3mD(12號巖心)、防吸附劑質量分數0.5%、防吸附劑注入0.6PV、處理時間12h、聚合物注入速度0.5mL/min的條件下，考察礦化度對防吸附劑性能的影響，結果如圖7和表6所示。

圖7 不同流體礦化度對采出液聚合物質量濃度的影響及對防吸附劑性能的影響Fig.7 The effect of different fluid salinity on the mass concentration of polymer produced liquid and the properties of anti-adsorbent

表6 礦化度對防吸附劑防吸附率的影響

可以看出，流體礦化度越高，聚合物的動態吸附量越大。無機電解質當中的反離子進入砂巖及聚合物表面擴散雙電層中的吸附層，使得聚合物及砂巖表面的帶電量降低，從而使得水溶液中的聚合物大分子鏈卷曲，砂巖表面與聚合物分子之間的靜電排斥力降低，最終導致聚合物吸附量增加[17，18]。另外，由于該防吸附劑體系的耐鹽性較好，不同礦化度對防吸附劑體系的防吸附率影響不大，且均保持在70%以上。

5.3 注入體積

在pH=3、溫度80℃、巖心滲透率408.6mD(15號巖心)礦化度2500mg/L、防吸附劑質量分數0.5%、處理時間12h、聚合物注入速度0.5mL/min的條件下，考察注入防吸附劑的段塞大小對防吸附劑性能的影響，結果如圖8和表7所示。可以看出，注入段塞體積越大，聚合物在巖石表面的動態吸附量越低，聚合物防吸附率越高。注入段塞體積越大，防吸附劑與巖石表面的接觸距離和面積就會加大，防吸附劑與巖石表面基團的反應更加充分，從而有效降低了聚合物的吸附量。為確保處理劑能夠有效地降低聚合物在巖石表面的吸附量及經濟成本考慮，防吸附劑注入段塞體積為0.6PV。

圖8 不同防吸附劑注入段塞大小下采出液聚合物質量濃度與流體注入體積的關系 Fig. 8 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-sorbent injection slug sizes

表7 防吸附劑注入段塞體積對防吸附率影響

5.4 防吸附劑處理時間

在pH=3、溫度80℃、巖心滲透率376.7mD(16號巖心)、礦化度2500mg/L、防吸附劑注入段塞體積0.6PV、防吸附劑質量分數0.5%、聚合物注入速度0.5mL/min的條件下，考察不同防吸附劑處理時間對防吸附劑性能的影響，結果如圖9和表8所示。

圖9 不同防吸附劑處理時間下采出液聚合物質量濃度與流體注入體積的關系 Fig.9 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-adsorbent treatment time

表8 防吸附劑處理時間對防吸附率的影響

可以看出，防吸附劑處理時間越長，聚合物在巖石表面的動態吸附量越低，聚合物防吸附率越高。防吸附劑與地層巖石的作用時間越長，防吸附劑與巖石表面能夠更加充分的反應生成疏水表面，進而降低聚合物在巖石表面的動態吸附量[19-22]。為確保處理劑能夠有效地降低聚合物在巖石表面的吸附量，防吸附劑的處理時間應不低于12h。

5.5 防吸附劑注入方式

在pH=3、溫度80℃、巖心滲透率286.12mD(5號巖心)、礦化度2500mg/L、防吸附劑注入段塞體積0.6PV、防吸附劑質量分數0.5%、聚合物注入速度0.5mL/min，處理時間12h的條件下，考察不同防吸附劑注入方式對防吸附劑性能的影響，結果如圖10所示。由圖10可知，當采用“0.4PV防吸附劑段塞+1PV清洗劑”組合的注入方式時，聚合物在巖石表面的動態吸附量較高；當采用“0.6PV防吸附劑段塞+2PV清洗劑”組合的注入方式時，聚合物在巖石表面的動態吸附量較低。其他2種注入方式所對應的聚合物動態吸附量介于上述2種注入方式之間，上述4種注入方式所對應的防吸附率均在70%以上。基于防吸附劑發揮性能和經濟成本考量，最佳注入方式如下：頂替液+0.6PV防吸附劑段塞+1PV清洗劑。

圖10 不同防吸附劑注入方式下采出液聚合物質量濃度與流體注入體積的關系Fig.10 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-sorbent injection methods

6 結論

1)聚合物驅注入阻力越大，即對應位置注入壓力就越高。而且隨著注入速度的增大，壓力的增幅越大。在相同濃度下，隨聚合物溶液的注入，注入壓力先不斷上升，后漸漸趨于穩定；當聚合物濃度增大時，注入壓力又繼續增大并重新達到穩定。

2)平面徑向流物模試驗更接近于實際油藏，其試驗結果具有可參考價值。后續水驅測壓點1壓力上升幅度最大，平衡壓力遠高于一次水驅平衡壓力，且遠高于后續水驅其他測壓點的平衡壓力，可以判斷堵塞位置為測壓點1附近，即注入井近井地帶。該結果與實際礦場結果比較相符。

3)對于高滲巖心，聚合物在驅替時發生的堵塞主要是由吸附引起的；低滲巖心聚合物在驅替時發生的堵塞主要是由機械捕集引起的。由于河南油田平均滲透率為502mD，屬于高滲地層，因此主要堵塞因素為吸附堵塞。

4)靜態吸附試驗顯示防吸附劑質量分數、聚合物相對分子質量、礦化度、溫度均對聚合物吸附有不同程度影響。最優防吸附劑注入質量分數為0.5%；流體礦化度越高，聚合物的動態吸附量越大，但不同礦化度對防吸附劑體系的防吸附率影響不大；防吸附劑注入體積越大和處理時間越長，聚合物在巖石表面的動態吸附量越低，聚合物防吸附率越高，考慮實際處理效果和經濟效益，最佳注入體積為0.6PV,處理時間為12h，防吸附率大于70%；最佳注入方式為頂替液+0.6PV防吸附劑段塞+1PV清洗劑。