張繼風(fēng)

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

疏水締合聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的注入性能

張繼風(fēng)

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

在模擬某一油藏條件下,采用“串聯(lián)巖心法”評(píng)價(jià)優(yōu)選出的疏水締合水溶性聚合物HAP與部分水解聚丙烯酰胺HPAM在多孔介質(zhì)中的注入特性。結(jié)果表明:在高于臨界締合濃度時(shí),HAP溶液具有良好的剪切稀釋和粘度恢復(fù)特性,在多孔介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性和傳播性,其阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)明顯高于HPAM,具有較強(qiáng)的流度控制能力和剖面控制能力;在臨近臨界締合濃度時(shí),HAP溶液因剪切和吸附滯留作用,導(dǎo)致其溶液粘度降低,故其注入壓力相對(duì)較低且傳播不均勻;在經(jīng)水的稀釋沖刷時(shí),聚合物富集起來(lái)濃度增大,由于締合作用而引起聚合物分子的物理尺寸增加,在孔喉處產(chǎn)生一定程度的堵塞,使流動(dòng)阻力增加。

疏水締合聚合物;注入性;阻力系數(shù);殘余阻力系數(shù)

隨著聚合物驅(qū)和調(diào)剖技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)聚合物溶液或凝膠通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)行為研究越來(lái)越引起人們的重視。聚合物溶液或凝膠產(chǎn)生的聚集體被滯留或過(guò)濾在填砂模型的入口端及篩網(wǎng)處,形成“濾餅”,經(jīng)常造成巖心端面堵塞,在巖心深部并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的滲流阻力,不能使聚合物或凝膠深入到油藏深處,故考慮聚合物溶液或調(diào)剖劑中聚合物的注入能力非常重要。良好的注入性是聚合物能夠在礦場(chǎng)應(yīng)用并取得良好驅(qū)油效果的必要條件。此外,研究聚合物溶液的注入性能還有助于深入理解聚合物的驅(qū)油機(jī)理[1]。

疏水締合聚合物是一種新型的水溶性聚合物,在低于臨界締合濃度(CAC)時(shí),疏水締合聚合物溶液發(fā)生分子內(nèi)締合;在高于CAC時(shí),疏水締合聚合物溶液發(fā)生分子間締合,形成“動(dòng)態(tài)物理膠聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”,大大提高了聚合物溶液的粘度。在剪切作用下,這種超分子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容易被破壞,因而溶液呈現(xiàn)典型的假塑性行為;但隨著剪切作用的降低或消除,大分子鏈間的物理交聯(lián)重新形成,其粘度又將恢復(fù),從而表現(xiàn)出獨(dú)特的耐溫、抗鹽、抗剪切的特性[2-3]。本文研究了優(yōu)選出的疏水締合水溶性聚合物HAP與部分水解聚丙烯酰胺HPAM在多孔介質(zhì)中的注入特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料:疏水締合水溶性聚合物HAP,干粉,工業(yè)品;部分水解聚丙烯酰胺HPAM,分子量2000萬(wàn),干粉,工業(yè)品;填砂管:長(zhǎng)50cm,直徑0.8 cm,兩段;石英砂:100～120目;NXE-1B型錐板粘度計(jì);SY-03A微量柱塞泵;精密壓力表、流通閥等。

(2)實(shí)驗(yàn)條件:模擬油藏溫度46℃,模擬地層水組成如表1。

表1 地層水組成

(3)研究?jī)?nèi)容和方法:在注入性評(píng)價(jià)時(shí),主要集中評(píng)價(jià)聚合物在孔隙介質(zhì)中的傳播性能,即注入時(shí)是否存在堵塞現(xiàn)象以及壓力傳播的規(guī)律。如果聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中存在良好的傳播性,即不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象,則使均質(zhì)巖心中各處的滲透率下降程度相同。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法是采用多測(cè)壓點(diǎn)的長(zhǎng)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置,采用從油田取的天然油層巖心,連續(xù)注入聚合物溶液,監(jiān)測(cè)各測(cè)壓點(diǎn)的壓力隨注入體積的變化情況,借此判斷聚合物是否會(huì)在入口端造成堵塞。由于受實(shí)際油藏巖心數(shù)量限制,在評(píng)價(jià)注入性時(shí)采用了“串聯(lián)巖心法”,即采用兩段填砂管,將它們串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)[1],分別檢測(cè)兩巖心入口處的壓力變化以及后續(xù)水驅(qū)時(shí)殘余阻力系數(shù)的變化。采用填砂管既可使實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性,又可保證聚合物沿較高滲透率層位流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 注入性實(shí)驗(yàn)流程

(4)實(shí)驗(yàn)步驟:①用地層水測(cè)定巖心絕對(duì)滲透率;②連續(xù)注入聚合物溶液,記錄壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)(PV數(shù))變化情況;③連續(xù)注入地層水,記錄壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)(PV數(shù))變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 填砂管基本參數(shù)

填砂管基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 填砂管基本參數(shù)

2.2 聚合物溶液流變性評(píng)價(jià)

在46℃條件下用錐板式粘度計(jì)分別測(cè)出不同濃度的兩種聚合物溶液在不同剪切速率下表觀粘度,如圖2所示。

圖2 聚合物溶液剪切流變曲線

為模擬聚合物溶液在注入過(guò)程中的剪切應(yīng)力變化,測(cè)試過(guò)程中剪切速率的變化規(guī)律為由低到高(250s-1),后再由高到低。結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)的剪切速率條件下(250s-1以?xún)?nèi)),濃度為1500mg/L的HAP溶液具有良好的剪切稀釋和恢復(fù)特性,表明在臨界締合濃度[4]以上,溶液中發(fā)生分子間締合形成的動(dòng)態(tài)物理膠聯(lián)網(wǎng)絡(luò)被破壞和重新恢復(fù)。而1 000mg/L的HAP溶液濃度的經(jīng)過(guò)高速剪切后粘度恢復(fù)率很低,因其低于臨界締合濃度,溶液分子間締合較少,經(jīng)過(guò)高速剪切后,無(wú)法形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),不具有粘度恢復(fù)特性;HPAM溶液經(jīng)過(guò)高速剪切后,未表現(xiàn)出粘度恢復(fù)特性,因?yàn)榻?jīng)高速剪切后分子鏈被剪斷,低剪切速率下粘度亦無(wú)法恢復(fù)[5]。

從圖2中還可以看出,在相同剪切速率下, 1500mg/L和1000mg/L的HAP溶液視粘度相差懸殊,初步推斷其臨界締合濃度介于1000mg/L和1500mg/L之間。這與文獻(xiàn)[4]得到的疏水締合聚合物在臨界締合濃度為1100mg/L左右一致。

2.3 聚合物注入過(guò)程

不同濃度聚合物溶液注入量與注入壓力關(guān)系曲線如圖3(注:P1和P2分別為填砂管入口端和中間串聯(lián)處壓力,以下未特殊說(shuō)明P1和P2分別代表入口端和中間串聯(lián)處壓力)。

圖3 不同濃度HAP溶液與HPAM溶液注入壓力與注入量關(guān)系曲線

從圖3可以看出,濃度為1500mg/L的HAP溶液的入口端壓力與中間串聯(lián)處壓力基本呈線性分布,即溶液傳播較均勻,在注入17PV時(shí)分別穩(wěn)定在6.33MPa和3.42MPa,前、后段阻力系數(shù)分別為154和180;而濃度為1000mg/L的HAP溶液入口端壓力與中間串聯(lián)處壓力則不成線性分布,壓力損失主要發(fā)生在前段(壓差為1.93MPa),后段壓力損失少(壓差為0.97MPa),前、后段的阻力系數(shù)分別為95和50。對(duì)HPAM溶液,其沿程注入壓力P1、P2隨HPAM溶液注入量的增加而平穩(wěn)上升,當(dāng)注入5PV聚合物時(shí),沿程注入壓力P1、P2達(dá)到穩(wěn)定值,分別為1.4MPa和0.45MPa,表明HPAM溶液在注入過(guò)程中,壓力傳播均勻,未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,填砂模型前后兩段阻力系數(shù)分別為54.47和25.44。

分析認(rèn)為,聚合物注入過(guò)程中存在吸附滯留作用和剪切作用。吸附滯留作用一方面引起沿程的聚合物溶液濃度、粘度損失,另一方面吸附滯留的聚合物分子堵塞孔喉,引起注入壓力上升。一般認(rèn)為,聚合物分子量越大,則其在多孔介質(zhì)中在經(jīng)過(guò)孔喉等狹窄處時(shí)容易被剪斷,而導(dǎo)致分子量大大降低,進(jìn)而大幅度降低聚合物的增粘效果。

對(duì)1500mg/L的HAP溶液,因其高于臨界締合濃度,雖發(fā)生剪切作用,但只破壞其“物理膠聯(lián)結(jié)構(gòu)”,而在多孔介質(zhì)中重新形成超分子結(jié)構(gòu),因而其粘度依然較高;沿程雖發(fā)生吸附滯留作用引起聚合物濃度損失,其損失達(dá)不到把其濃度降低到臨界締合濃度以下,在多孔介質(zhì)中其溶液粘度依然較高,這是注入壓力高且傳播均勻的主要原因。

對(duì)1000mg/L的HAP溶液,因其低于臨界締合濃度,剪切和吸附滯留作用均會(huì)導(dǎo)致其溶液粘度降低,故其注入壓力相對(duì)較低且傳播不均勻;對(duì)HPAM溶液,由于剪切作用和吸附滯留作用的影響,其在多孔介質(zhì)中溶液視粘度降低,故其溶液的阻力系數(shù)顯著低于HAP溶液的阻力系數(shù)。

2.4 后續(xù)水驅(qū)過(guò)程

水驅(qū)聚合物時(shí)注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)關(guān)系如圖4。由圖4可以看出,水驅(qū)HPAM溶液飽和過(guò)的填砂管時(shí),隨著水的大量注入,注入壓力隨之下降,穩(wěn)定后的沿程注入壓力P1、P2值分別為0.45 MPa和0.255MPa,填砂管前后兩段殘余阻力系數(shù)分別為11.35和14.38;水驅(qū)濃度為1500mg/L的HAP溶液飽和過(guò)的填砂管時(shí),隨著注入量的增加,壓力呈輕微上升后開(kāi)始下降,穩(wěn)定后前、后兩段填砂管的殘余阻力系數(shù)分別為30.88和154.39;水驅(qū)1 000mg/L的HAP溶液,注入壓力呈逐步上升趨勢(shì),穩(wěn)定后前、后兩段填砂管的殘余阻力系數(shù)分別為77.26和55.18。

圖4 后續(xù)水驅(qū)注入量與注入壓力變化關(guān)系曲線

在后續(xù)水驅(qū)時(shí),HAP溶液飽和過(guò)的填砂模型的殘余阻力系數(shù)遠(yuǎn)高于HPAM的殘余阻力系數(shù)。臨界締合濃度附近的HAP溶液(1000mg/L)飽和過(guò)的填砂模型表現(xiàn)出不同的滲流規(guī)律:隨著注入量的增加,填砂模型的注入壓力隨之上升,而HPAM溶液的和超過(guò)臨界締合濃度的HAP溶液(1500mg/ L)飽和過(guò)的填砂模型注入壓力隨著注入量的增加而下降。分析認(rèn)為:1500mg/L的HAP溶液飽和過(guò)的填砂模型在經(jīng)水的稀釋沖刷時(shí),聚合物溶液粘度下降,故壓力下降,但其在多孔介質(zhì)中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗沖刷能力,因而能夠保持較高的注入壓力,后段水線形成后,水稀釋不到更多的聚合物分子,故后段滲流阻力仍較大;而1000mg/L的HAP溶液飽和過(guò)的填砂模型其濃度接近臨界締合濃度,在經(jīng)水的稀釋沖刷時(shí),聚合物富集起來(lái)濃度增大,由于締合作用而引起聚合物分子的物理尺寸增加,在孔喉處產(chǎn)生一定程度的堵塞,使流動(dòng)阻力增加。HPAM飽和過(guò)的填砂管經(jīng)過(guò)水的稀釋沖刷,其滯留分子隨之流出,且由于分子結(jié)構(gòu)不同于HAP,故不會(huì)發(fā)生締合行為,表現(xiàn)為隨注入量的增加注入壓力下降。

3 結(jié)論

(1)大于臨界締合濃度的疏水締合水溶性聚合物溶液具有良好的剪切稀釋與剪切恢復(fù)特性。

(2)大于臨界締合濃度的疏水締合水溶性聚合物溶液表現(xiàn)出良好的注入性能,注入端不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象且在多孔介質(zhì)中的傳播均勻。

(3)疏水締合聚合物溶液表現(xiàn)出很強(qiáng)的流度控制能力。

(4)后續(xù)水驅(qū)時(shí),疏水締合聚合物溶液表現(xiàn)出比HPAM溶液更高的殘余阻力系數(shù),具有很強(qiáng)的剖面控制能力。

[1] 葉仲斌,劉向君,肖勇,等.HPAM溶液在油藏巖石中的物化參數(shù)測(cè)定方法研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2001,23(6):63-70

[2] 葉仲斌,王健,蒲萬(wàn)芬,等.提高采收率原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:64-74

[3] 馮玉軍.疏水締合水溶性聚合物[D].西南石油學(xué)院博士論文,2000:35-40

[4] 施雷庭.疏水締合聚合物在多孔介質(zhì)中的締合研究[D].西南石油學(xué)院碩士論文,2003:61-68

[5] 鄭焰.油氣開(kāi)采用締合聚合物合成及溶液性能研究[D].西南石油學(xué)院博士論文,1999:27-32

編輯:李金華

TE357

A

1673-8217(2010)05-0118-03

2010-05-21

張繼風(fēng),工程師,1977年生,2004年獲西南石油學(xué)院油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位,現(xiàn)從事開(kāi)發(fā)規(guī)劃及油藏工程工作。