聚合物溶液在多孔介質中的流動特性

凌 卿，鞠 野，李海峰，李建曄，張文喜，王曉龍

（中海油服油生事業部增產中心，天津 300459）

聚合物驅作為油田開發增產的一項重要技術，在大慶、勝利、河南、大港、克拉瑪依等陸地水驅開發油田得到了廣泛應用，并取得了較好的現場應用效果；尤其是在大慶油田，1987 年開始聚合物驅的現場試驗，聚驅后的采收率在水驅42%采收率的基礎上提升了12%，噸聚合物增油量達到了120～150 t，取得了較好的開發效果和明顯的經濟效益[1-3]。近年來，聚合物驅也逐漸在渤海油田開始應用[3，4]。現場開展聚合物驅，主要通過增加水相黏度和降低水相滲透率來改善流度比、發揮聚合物溶液的調剖作用，提高注入流體的宏觀波及體積；同時利用其黏彈性實現微觀驅油，提高聚合物溶液在水波及區域的驅油效率，進而提高聚驅原油采收率[5，6]。目前針對聚合物溶液在多孔介質中流動特性和黏度損失等情況的研究很多，主要采用了短巖心和填砂管[7-9]，少數人通過數模研究聚合物調整非均質能力[10，11]；但是幾乎沒有同時采用長巖心研究聚合物溶液的黏度分布規律和調整非均質的能力及適用性的報道。本文采用兩種常規的聚合物溶液進行巖心滲流實驗，分析研究聚合物溶液在長均質模型中的黏濃分布規律以及在調整非均質模型非均質性的能力及適用性，該研究對于綜合分析和論證聚合物溶液的流動特性和提高原油采收率原理具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 材料及設備

實驗材料：常規聚合物HPAM（特性黏數2 510 mL/g，固含量90.02%，相對分子質量2 200～2 600 萬），地層水為渤海某油田的模擬地層水，其離子組成（見表1）。

表1 地層水離子組成

實驗設備：天平（0.000 1 g），HAKKE RS6000 旋轉流變儀，攪拌器，紫外分光光度計，人造均質巖心，恒溫箱和多功能巖心驅替設備等。

1.2 實驗方法

本文主要涉及兩種類型實驗：（1）聚合物溶液在均質巖心中黏度/濃度的分布規律研究；（2）聚合物溶液調整非均質能力研究。

聚合物溶液在均質巖心中黏度/濃度分布規律實驗步驟：（1）取不同規格的均質巖心烘干并抽真空，飽和模擬地層水，計算其孔隙體積；（2）60 ℃下恒溫24 h，用模擬地層水測巖心的滲透率；（3）配制一定濃度的聚合物溶液，測定聚合物溶液的初始黏度；（4）按照實驗流程圖連接流程，以恒速恒壓泵驅替中間容器中的聚合物，通過管線進入均質巖心中，在巖心出口端接采出液，測量不同時間段采出液濃度和黏度；（5）改變注入速度、均質巖心長度和巖心滲透率等，重復上述步驟。

聚合物溶液調整非均質性能力研究實驗步驟：（1）、（2）、（3）與均質巖心實驗步驟相同；（4）采用并聯巖心模型模擬儲層非均質模型，分別計量注水時、注聚時、注聚后水驅三個階段每根巖心的出口端接采出液的體積，測定每根巖心的分流率。實驗流程（見圖1）。

圖1 實驗流程圖

文中：流速指聚合物溶液通過巖心的流動速度，將泵速mL/min 換算成m/d；黏度指25 ℃下、剪切速率7.34 s-1下聚合物溶液的表觀黏度；濃度采用的是淀粉-碘化鎘法測量。

2 結果與分析

2.1 聚合物溶液濃度/黏度在巖心中的分布規律

2.1.1 流速對聚合物溶液濃度/黏度的影響 現場應用聚合物驅時，聚合物溶液經過注入泵、高壓管線、井筒、篩網、近井地帶和深部地層時的流速跨度較大，聚合物發生不同程度的機械降解和在孔隙中的滯留導致溶液性質發生了較大的改變，因此流速是影響聚合物溶液性質的一個重要因素。將1 000 mg/L 的聚合物HPAM 溶液以不同速度注入30 cm 長的均質柱狀巖心（水測滲透率1 500 mD），從巖心出口端接采出液，測量其濃度和黏度；聚合物溶液在巖心中濃度與流速關系的動態曲線（見圖2）。

圖2 濃度與流速關系圖

由圖2 可知，不同流速下，當聚合物溶液注入4 PV時，巖心出口端采出液的濃度基本接近了原始溶液濃度1 000 mg/L，說明聚合物溶液在巖心中的滯留達到了臨界點、處于滯留飽和狀態；且滯留飽和PV 數為4 PV，與流速無關。因此4 PV 后，巖心出口端采出液的黏度損失則是完全由巖心機械降解引起的、排除了滯留作用的影響，聚合物溶液在巖心中黏度及黏度損失率與流速關系的動態曲線（見圖3）。

圖3 黏度/黏度損失率與流速關系圖

由圖3 可知，聚合物溶液黏度損失率隨流速增加而增加，且存在著機械降解的兩個流速特征值：一是聚合物溶液開始快速降解的“臨界流速（vc=2 m/d）”，另一個是聚合物溶液機械降解達到極限并趨于穩定的“極限流速（vL=10 m/d）”。當流速小于vc，聚合物溶液高分子在巖心中受到的機械作用應力小于分子鏈間作用力，聚合物溶液機械降解隨流速增加而緩慢增加，黏度損失率不超過11%；當流速大于vc，聚合物溶液高分子在巖心中受到的機械作用應力開始大于分子鏈間作用力，聚合物溶液高分子鏈發生斷裂，相對分子質量減小，表現為聚合物溶液的黏度損失率隨流速增加而快速增大至40%；當流速大于vL，聚合物溶液在巖心中的機械降解達到了極限，高分子鏈大多數已斷裂，黏度損失率在45%左右緩慢上升。因此，可以用“臨界流速”表征聚合物的抗機械降解能力，“臨界流速”越高，表明聚合物溶液的抗機械降解能力越好。

2.1.2 運移距離對聚合物溶液濃度/黏度的影響 研究聚合物溶液流變性與運移距離的關系，若在長巖心內多次多取樣點取樣，會影響聚合物溶液在多孔介質中的流動狀態、進而影響采出液的測量結果，為了規避這一問題，實驗采用滲流率相同和孔隙結構相似的不同長度巖心或填砂管進行實驗；將1 500 mg/L 的聚合物HPAM 溶液以1 m/d 的流速注入不同長度的巖心（水測滲透率1 500 mD），聚合物溶液在巖心中濃度與運移距離關系的動態曲線（見圖4）。

圖4 濃度與運移距離關系圖

由圖4 可知，當聚合物達到4 PV 時，不同長度巖心（0.1～20 m、20 m 為填砂管）出口端溶液濃度接近原始注入濃度，說明此時聚合物在巖心的孔隙中均已達到了滯留飽和狀態；表明聚合物乳液在多孔介質中滯留飽和PV 數與運移距離無關。4 PV 后，巖心出口端聚合物溶液的黏度損失則完全是由巖心機械降解引起的、排除了滯留作用的影響。將不同長度的巖心折算為地層不同深處，0.1 m、0.3 m、1.0 m、2.4 m 和20 m 分別折算成地層0.5%、1.5%、5%、12%和100%處；對應的黏度損失率與20 m 多孔介質出口端黏度損失率進行對比，折算成相對黏度損失率，聚合物溶液黏度及黏度損失率與運移距離關系的動態曲線（見圖5）、聚合物溶液相對黏度損失率與相對運移距離關系的動態曲線（見圖6）。

由圖5 可知，聚合物溶液在巖心中機械降解的黏度損失率隨運移距離的增加而增加；當在巖心中的運移距離小于2.4 m 時，黏度損失率隨運移距離的增加而迅速上升至40%；當在巖心中的運移距離超過2.4 m后，黏度損失率隨運移距離增加的增速明顯減緩；說明聚合物溶液在巖心中機械降解導致的黏損主要發生在入口端2.4 m 以內。由圖6 可知，聚合物溶液在巖心中相對運移距離達到12%時，其在巖心中機械降解的相對黏度損失率已超過85%。海上油田平均井間距在100～400 m，折算到井底為注水井井筒附近12～48 m，表明聚合物溶液在儲層中由于機械作用導致的黏度損失主要在井筒50 m 內的近井地帶，其絕對黏度損失率超過40%，相對黏度損失率超過85%。

圖5 黏度/黏度損失率與運移距離關系圖

圖6 相對黏度損失率與相對運移距離關系圖

2.1.3 滲透率對聚合物濃度/黏度的影響 實際儲層孔隙結構和分布復雜，滲透率變化差異大，此時聚合物在不同滲透率儲層中運移時受到的機械降解作用程度不一，將1 500 mg/L 的 聚合物HPAM 溶液以1 m/d 注入30 cm 長、不同滲透率的巖心中，聚合物溶液在巖心出口端的濃度與滲透率關系動態圖（見圖7）。

由圖7 可知，當注入4 PV 聚合物時，不同滲透率巖心出口端采出液的濃度均接近了原始溶液濃度，說明此時聚合物溶液在不同滲透率巖心中的滯留均達到了臨界點、達到了滯留飽和狀態；且滯留飽和PV 數為4 PV，與滲透率無關。4 PV 后，巖心出口端聚合物溶液的黏度損失則完全是由巖心機械降解引起的、排除了滯留作用的影響，黏度損失率與滲透率動態關系（見圖8）。

圖7 濃度與滲透率關系圖

圖8 黏度/黏度損失率與滲透率關系圖

由圖8 可知，滲透率小于1 000 mD 時，聚合物溶液的黏度損失隨滲透率增加而快速增大；當滲透率大于1 000 mD 時，聚合物溶液的黏度損失增加變緩；表明多孔介質滲透率對聚合物的流變性影響較大。分析可知，（1）滲透率較低時，巖心內的孔隙尺寸較小，巖心內比表面積大，對聚合物溶液的吸附增大；（2）聚合物大分子尺寸與巖心孔隙尺寸比值增大，導致聚合物在多孔介質中的機械捕集增大；（3）滲透率越低，聚合物分子在孔隙內流動時受到的拉伸速率和剪切速率增大，導致聚合物受到的降解作用力越大。綜合作用，導致滲透率越低，聚合物溶液的黏度損失越嚴重。

2.2 聚合物溶液調節非均質性能力研究

現場實際儲層不能完全是一維的均質儲層，實際油藏往往存在著縱向非均質，以并聯巖心模擬非均質儲層、研究聚合物溶液的調節非均質能力，進而應用于指導現場注聚合物。

2.2.1 兩管并聯巖心分流率 將1 500 mg/L 聚合物溶液注入不同滲透率級差（1:2、1:4 和1:10）的兩管并聯巖心中，通過計算水驅、聚驅及后續水驅巖心的分流率變化情況，研究聚合物溶液調整非均質能力；實驗結果（見圖9）。

圖9 兩管并聯巖心分流率

由圖9 可知，滲透率級差1:2、1:4、1:10 的三組并聯巖心：注聚前水驅，對應的高低滲巖心的分流率為71%和29%、86%和14%、98.5%和1.5%。注入聚合物時，對應的高低滲巖心的分流率為63%和37%、78%和22%、97%和3%，每組并聯巖心中的低滲巖心的分流率均有所增加，表明注聚對剖面具有一定程度的改善效果，但改善程度一般。后續水驅階段，對應的高低滲巖心的分流率為80%和20%、91%和9%、99.5%和0.5%，對比注聚前、高低滲巖心的分流率差異反而進一步擴大，說明聚驅后，非均質性矛盾加劇，這也與陸地油田聚驅后有效期短、儲層情況變差的情況基本統一。

2.2.2 三管并聯巖心分流率 將1 500 mg/L 聚合物溶液注入滲透率級差1:2:10 的三管并聯巖心中，通過計算水驅、聚驅及后續水驅三根巖心的分流率變化情況，研究聚合物溶液調整縱向多層非均質能力，實驗結果（見圖10）。

圖10 三管并聯巖心分流率

由圖10 可知，滲透率級差1:2:10 的三管并聯巖心：注聚前水驅，對應的高/中/低滲巖心的分流率為88%、10.8%和1.2%。注入聚合物時，對應的高/中/低滲巖心的分流率為78%、18.5%和3.5%，中/低滲巖心的分流率均有所增加，表明注聚對多層非均質的剖面也具有一定程度的改善效果。后續水驅階段，對應的高/中/低滲巖心的分流率為95%、4.2%和0.8%，對比注聚前、中/低滲巖心的分流率有明顯的降低，高滲巖心與中低滲巖心的分流率差異加劇，說明聚驅后，高滲層的優勢更突出，而中低滲的流通能力更弱，儲層非均質性更強。表明聚合物適于滲透率級差不超過10、非均質性不明顯的儲層。

3 結論

（1）聚合物溶液在多孔介質中的機械降解與流速的關系可以用快速降解的“臨界流速（vc=2 m/d）”和極限降解的“極限流速（vL=10 m/d）”來表征。

（2）聚合物溶液在多孔介質中的機械降解主要發生在井筒50 m 內的近井地帶，其絕對黏度損失率超過40%，相對黏度損失率超過85%。

（3）聚合物溶液在多孔介質中的降解界限為1000 mD，當滲透率小于1 000 mD 時，聚合物溶液的黏度損失隨滲透率增加而快速增大；當滲透率大于1 000 mD 時，聚合物溶液的黏度損失增加變緩。

（4）聚合物溶液對非均質儲層具有一定程度的剖面改善效果，但改善程度一般且作用有效期短，滲透率級差超過10 時、注聚效果不明顯。