別夢(mèng)君 盧祥國(guó) 劉英憲 張宏友 岳寶林

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459; 2. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附特性實(shí)驗(yàn)研究

別夢(mèng)君1盧祥國(guó)2劉英憲1張宏友1岳寶林1

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459; 2. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

通過(guò)室內(nèi)儀器檢測(cè)，展開Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量及其影響因素實(shí)驗(yàn)研究。分析表明，聚合物和交聯(lián)劑的濃度越高，巖心滲透率越低，Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量也越大，進(jìn)而導(dǎo)致注入壓力越高，即阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)越大。根據(jù)分析結(jié)果，給出了聚合物和交聯(lián)劑的適宜濃度范圍。

Cr3+聚合物凝膠； 動(dòng)吸附； 阻力系數(shù)； 殘余阻力系數(shù)

Cr3+聚合物凝膠調(diào)驅(qū)在渤海稠油油藏“增油降水”實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用，日益受到重視[1]。 Cr3+聚合物凝膠在油藏巖石傳輸運(yùn)移過(guò)程中，會(huì)受到巖石表面的吸附作用、孔喉的機(jī)械捕集和水動(dòng)力學(xué)捕集作用影響，導(dǎo)致巖心孔隙過(guò)流斷面縮小，流動(dòng)阻力增加，從而擴(kuò)大了波及體積，提高了采收率[2]。Cr3+聚合物凝膠各組分質(zhì)量濃度的合理設(shè)計(jì)非常重要。本次研究根據(jù)渤海稠油油藏開發(fā)實(shí)際，以儀器分析方法為手段，開展了Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量及其影響因素實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析，以期為渤海稠油油藏Cr3+聚合物凝膠調(diào)驅(qū)效果改善提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

采用分光光度法檢測(cè)采出液中的聚合物濃度。動(dòng)吸附實(shí)驗(yàn)與流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 取渤海油田含油砂人造巖心，抽空飽和油田模擬水，計(jì)算孔隙度和水測(cè)滲透率。

(2) 注聚合物凝膠，質(zhì)量濃度為Cp1，直到壓力穩(wěn)定；約5PV，收集采出液，稱重為W1。

(3) 注模擬水直至壓力穩(wěn)定，約5PV，收集采出液，稱重為W2。

(4) 檢測(cè)采出混合液(重W1+W2)中聚合物濃度Cp2。

(5) 按公式計(jì)算動(dòng)吸附量：

(1)

注入巖心聚合物量=Cp1×W1

流出巖心聚合物量=Cp2×(W1+W2)

阻力系數(shù)(FR)和殘余阻力系數(shù)(FRR)是描述化學(xué)劑在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量或流動(dòng)性的技術(shù)指標(biāo)：

(2)

式中：δp1—— 水驅(qū)壓差，MPa；

δp2—— 化學(xué)驅(qū)壓差，MPa；

δp3—— 后續(xù)水驅(qū)壓差，MPa。

2 實(shí)驗(yàn)條件

采用特殊工藝將渤海油田天然油砂與環(huán)氧樹脂石英砂混合壓制成柱狀巖心[3]，該巖心表面性質(zhì)與天然巖心接近。巖心滲透率Kg分別設(shè)計(jì)為1 000×10-3、2 000×10-3、3 000×10-3μm2，幾何尺寸為Ф2.5 cm×10 cm。

聚合物選用大慶煉化公司所制的水解聚丙烯酰胺，其相對(duì)分子質(zhì)量為1 900×104(簡(jiǎn)稱“高分”聚合物)，固含量為88%。交聯(lián)劑為有機(jī)鉻，由中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司提供，Cr3+有效含量為2.7%。依據(jù)旅大5-2油田水源井水質(zhì)分析結(jié)果在室內(nèi)配制實(shí)驗(yàn)用水，其水質(zhì)分析見表1。實(shí)驗(yàn)中所有樣品均采用模擬水配制，實(shí)驗(yàn)溫度為油藏溫度50 ℃。

表1 水質(zhì)分析表 mgL

表1 水質(zhì)分析表 mgL

實(shí)驗(yàn)用水陰離子含量陽(yáng)離子含量CO2-3HCO-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K++Na+礦化度水源水0173.904848.80156.10816.6094.202169.806502.40

黏度由DV-Ⅱ型布氏黏度計(jì)測(cè)定。流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外，其他設(shè)備置于50 ℃恒溫箱內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 聚合物濃度的影響

(1) 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。Cr3+聚合物凝膠阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2可以看出，在巖心滲透率和交聯(lián)劑濃度(Cr3+)相近的條件下，隨聚合物濃度增加，Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)也增大。

(2) 動(dòng)態(tài)特征。Cr3+聚合物凝膠的注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖1。在巖心滲透率和交聯(lián)劑濃度(Cr3+)相近的條件下，聚合物質(zhì)量濃度越大，與巖心孔隙內(nèi)壁接觸的聚合物分子越多，發(fā)生吸附的機(jī)率也越大。此外，聚合物溶液在巖心注入過(guò)程中，孔喉的機(jī)械捕集及水動(dòng)力學(xué)捕集作用(但仍以吸附作用為主)也會(huì)增強(qiáng)，故動(dòng)吸附量加大[4-5]。

表2 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

注：m(聚) ∶m(Cr3+)=270 ∶1，Kg=3 000×10-3μm2。

圖1 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

在化學(xué)驅(qū)階段，部分Cr3+聚合物凝膠滯留到巖石孔隙中，導(dǎo)致巖心孔隙過(guò)流斷面減小，流動(dòng)阻力增加，在一定程度上擴(kuò)大了波及體積，注入壓力逐步升高。聚合物濃度越大，在巖石孔隙中的滯留量也越多，對(duì)巖石的封堵能力也越強(qiáng)，從而注入壓力越高。在后續(xù)水驅(qū)階段，由于注入水的稀釋作用，聚合物分子鏈表面原有的電荷動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被破壞。一部分陽(yáng)離子會(huì)從擴(kuò)散層進(jìn)入到Stern層，聚合物分子鏈的負(fù)電荷數(shù)量進(jìn)一步減少，靜電排斥力降低，促使原本卷曲的分子鏈變得更卷曲。其 “分子內(nèi)”交聯(lián)反應(yīng)會(huì)加劇，分子線團(tuán)變得更緊湊，變形能力進(jìn)一步變差，使得原來(lái)已經(jīng)處于捕集狀態(tài)的分子線團(tuán)越不易通過(guò)變形擠出孔隙而被采出，即封堵作用強(qiáng)烈，滲流阻力增大，注入壓力持續(xù)上升，并且最終趨于穩(wěn)定[6]。

根據(jù)動(dòng)吸附量增量、注入壓力及經(jīng)濟(jì)性角度綜合分析，認(rèn)為聚合物適宜濃度范圍為1 000～1 800 mgL。

3.2 交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的影響

(1) 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。Cr3+聚合物凝膠阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3。

可以看出，在巖心滲透率和聚合物質(zhì)量濃度相近的條件下，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度越大，鉻離子與聚合物分子鏈之間的有效碰撞也越多。交聯(lián)點(diǎn)增多，可交聯(lián)基團(tuán)相互交聯(lián)的概率增大，進(jìn)而交聯(lián)反應(yīng)速率增加，反應(yīng)進(jìn)度增大，從而形成了更多的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)基團(tuán)[7]，分子間的范德華力越大；故Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量越大，其封堵能力更強(qiáng)，注入壓力越高，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)也越大。

表3 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

(2) 動(dòng)態(tài)特征。Cr3+聚合物凝膠注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖2。

圖2 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

從圖2可以看出，在巖心滲透率和聚合物質(zhì)量濃度相近條件下，隨“m(聚) ∶m(Cr3+)”減小即交聯(lián)劑質(zhì)量濃度增加，動(dòng)吸附量增加，注入壓力提高。

同樣地，綜合分析得出交聯(lián)劑適宜的質(zhì)量比例，“m(聚) ∶m(Cr3+)”應(yīng)在270 ∶1與450 ∶1之間。

3.3 滲透率的影響

(1) 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。Cr3+聚合物凝膠阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，在聚合物質(zhì)量濃度和“m(聚)∶m(Cr3+)”相近的條件下，隨巖心滲透率降低，動(dòng)吸附量增大、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增大。

(2) 動(dòng)態(tài)特征。Cr3+聚合物凝膠注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，在聚合物質(zhì)量濃度和“m(聚):m(Cr3+)”相近時(shí)，隨巖心滲透率降低，注入壓力升高。這是因?yàn)閹r心滲透率越小，內(nèi)壁表面積越大，Cr3+聚合物凝膠與顆粒接觸面積也越大，從而發(fā)生動(dòng)吸附的幾率越大，故動(dòng)吸附量越多。此外，孔隙半徑也越小，孔喉的機(jī)械捕集及水動(dòng)力學(xué)捕集作用越強(qiáng)，導(dǎo)致Cr3+聚合物凝膠對(duì)孔隙的封堵性增強(qiáng)。因此，Cr3+聚合物凝膠動(dòng)態(tài)滯留量越大，流動(dòng)阻力越大，注入壓力也隨之升高。

表4 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

圖3 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 聚合物質(zhì)量濃度越大，交聯(lián)劑用量越多，則巖心滲透率越低，巖心對(duì)Cr3+聚合物凝膠動(dòng)吸附量也越多；注入壓力越高，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)也越大。

(2) 聚合物適宜的質(zhì)量濃度范圍應(yīng)為1 000～1800mgL，交聯(lián)劑比例“m(聚)∶m(Cr3+)”應(yīng)在270 ∶1與450 ∶1之間。

[1] 魏淋生，唐金星，盧祥國(guó).聚合物及聚合物交聯(lián)微凝膠調(diào)驅(qū)效果評(píng)價(jià)[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(5)：35-39.

[2] 汪廬山，段慶華，張小衛(wèi).有機(jī)鉻交聯(lián)聚合物驅(qū)油劑的研制及礦場(chǎng)應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2000，17(1)：60-61.

[3] 盧祥國(guó)，高振環(huán)，閆文華.人造巖心滲透率影響因素試驗(yàn)研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，1994，13(4)：53-55.

[4] 李宜強(qiáng)，曲成永.高嶺土對(duì)聚丙烯酰胺靜吸附與動(dòng)滯留的影響[J].海洋石油，2010，30(2)：72-76.

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[7] 李明遠(yuǎn)，鄭曉宇，肖建洪，等.交聯(lián)聚合物溶液及其在采油中的應(yīng)用[M].第1版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：14-19.

Experimental Study on Adsorption Characteristics of Cr3+Polymer Gel

BIEMengjun1LUXiangguo2LIUYingxian1ZHANGHongyou1YUEBaolin1

(1.Tianjin Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Tianjin 300459, China; 2.Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318, China)

A series of experiments were carried out to study the dynamic and static adsorption capacity of Cr3+polymer gel, its influence factors and mechanism by means of instrument detection. The results indicated that the higher concentration of polymer and crosslinker, the lower core permeability is, as well as the greater amount of dynamic adsorption of Cr3+polymers, which causes the injection pressure to rise, meaning that resistance factor and residual resistance factor increase. Thus, the adjustable polymer concentration range and crosslinking agent concentration range are both revealed.

Cr3+polymer gel; dynamic absorption; resistance factor; residual resistance factor

2017-04-10

“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng) “海上稠油油田高效開發(fā)示范工程(二期)”(2011ZX05057)

別夢(mèng)君(1987 — )，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)理論與方法。

TE357

A

1673-1980(2017)04-0028-04