呂杭，劉向斌，王慶國(guó)，周泉，王力

（中國(guó)石油 大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453）

大慶油田聚合物驅(qū)后進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)的區(qū)塊有54個(gè)，預(yù)計(jì)到“十三五”末，將新增后續(xù)水驅(qū)區(qū)塊28個(gè)，聚合物驅(qū)后地質(zhì)儲(chǔ)量接近9×108t，剩余油潛力巨大。由于長(zhǎng)時(shí)間的沖刷，聚合物驅(qū)后油藏已經(jīng)形成層內(nèi)水竄，高滲透層低效、無效循環(huán)嚴(yán)重，剩余油潛力基本聚集在中、低滲透層[1-8]。凝膠調(diào)堵是聚合物驅(qū)后挖潛剩余油的有效措施，但常規(guī)的凝膠體系初始黏度大于35 mPa·s，易污染中、低滲透層，且成膠時(shí)間較短，注入地層后壓力上升較快，僅封堵近井地帶，無法實(shí)現(xiàn)油層深部調(diào)堵需求，難以有效提高油藏的最終采收率[9-12]。因此，亟需研制一種初始黏度較低、成膠時(shí)間長(zhǎng)、成膠黏度較高且可控的凝膠體系，可以順利進(jìn)入油層深部，對(duì)高滲透層進(jìn)行有效封堵，同時(shí)對(duì)中、低滲透層污染小。

針對(duì)聚合物驅(qū)后剩余油高度分散狀況，大慶油田從擴(kuò)大波及體積和提高驅(qū)油效率出發(fā)，形成了調(diào)、堵、驅(qū)結(jié)合的技術(shù)，研制出了一種黏度可控凝膠體系。該體系采用2 500×104分子量聚合物作為主劑，其與金屬離子進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，并加入調(diào)節(jié)劑、緩凝劑、增強(qiáng)劑和黏穩(wěn)劑等功能性助劑，實(shí)現(xiàn)了體系初始黏度低，初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d內(nèi)黏度小于300 mPa·s，成膠黏度2 500 mPa·s以上，可以順利進(jìn)入油層深部，達(dá)到深部調(diào)堵的作用[13-17]。該體系的特性與常規(guī)凝膠體系有較大區(qū)別，且在不同注入?yún)?shù)和注入條件下對(duì)高、中、低滲透層的封堵性能和污染程度不同，因此有必要對(duì)該體系的注入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，篩選出適合大慶油田的注入濃度、注入速度和注入量，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供依據(jù)[18-21]。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量分別為25×106和12×106～16×106，水解度28%，工業(yè)純，北京恒聚化工基團(tuán)有限責(zé)任公司；實(shí)驗(yàn)用水為大慶油田試驗(yàn)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)回注水，礦化度為6 500 mg/L，pH值為7.5，密度為0.93×103kg/m3；交聯(lián)劑為金屬離子交聯(lián)劑，工業(yè)純；調(diào)節(jié)劑為YL-1，有機(jī)化合物，分析純，沈陽市東華試劑廠；緩凝劑為SY-1，有機(jī)酸，分析純，沈陽市東華試劑廠；增強(qiáng)劑為ME-1，表面活性劑，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；穩(wěn)定劑為NS-1，有機(jī)硫化物，分析純。

巖心物理模型分為高滲透、中滲透和低滲透三層，每層巖心幾何尺寸均為30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm，滲透率分別為4 000 mD，2 000 mD和500 mD（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)示

AR2000ex TA型高黏流變儀（沃特世科技（上海）有限公司），扭矩CS范圍0.10～200 000.00 μN(yùn)·m，扭矩CR 范圍 0.03～200 000.00 μN(yùn)·m，法向力為 0.005～50.000 N；電熱鼓風(fēng)干燥箱（德國(guó)Binder公司），環(huán)境溫度5～300℃，容量115 L，溫度波動(dòng)范圍±0.3℃；PL4002-IC型電子天平（梅特勒托利多儀器（上海）有限公司），最大稱重4 100 g，精度0.01 g，稱盤直徑180 mm；BHC-II型巖心抽空飽和裝置（江蘇華安科研儀器有限公司），真空度-0.098 MPa，工作壓力50 MPa；ISCO-260D高精度計(jì)量驅(qū)替泵（美國(guó)TELEDYNE ISCO公司），泵體容積266 mL，流速0.001～107.000 mL/min；多位式磁力攪拌器（德國(guó)Wiggens公司），轉(zhuǎn)速100～1 500 r/min，攪拌量50～2 000 mL.

1.2 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度（45℃），飽和巖心、聚合物和凝膠配制及驅(qū)替所用水，均為大慶油田試驗(yàn)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)回注水。

利用聚合物驅(qū)后的20口取心井資料，統(tǒng)計(jì)了大慶油田薩中、薩北、薩南和喇嘛甸地區(qū)油層滲透率分級(jí)和厚度（表1），計(jì)算了全區(qū)滲透率分級(jí)及厚度比例平均值，據(jù)此設(shè)計(jì)了巖心實(shí)驗(yàn)的物理模型參數(shù)，低、中、高滲透層的厚度依次為2.0 cm，4.5 cm和1.8 cm，滲透率分別為500 mD，2 000 mD和4 000 mD，長(zhǎng)度均為30 cm.

表1 大慶油田部分地區(qū)油層厚度及滲透率分級(jí)統(tǒng)計(jì)

通過三層巖心實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行體系注入量、注入速度和注入濃度的優(yōu)選。體系注入?yún)?shù)優(yōu)選正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2，各參數(shù)水平參考大慶油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注入?yún)?shù)。正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案共計(jì)6組，其中注入量為0.10 PV，0.20 PV和0.30 PV；注入濃度為500 mg/L，1 000 mg/L和1 500 mg/L；注入速度為0.6 mL/min和1.2 mL/min，實(shí)驗(yàn)過程如下。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及極差分析

（1）將巖心抽真空2～3 h，飽和現(xiàn)場(chǎng)回注水1～2 h，計(jì)算孔隙體積和孔隙度。

（2）將飽和好水的巖心放置在溫度為45℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)恒溫12 h以上。

（3）在45℃條件下利用現(xiàn)場(chǎng)回注水進(jìn)行水驅(qū)驅(qū)替1.00 PV.

（4）利用現(xiàn)場(chǎng)回注水配制濃度為1 000 mg/L的聚合物（12×106～16×106分子量），并采用多位式磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，在45℃條件下的進(jìn)行聚合物驅(qū)驅(qū)替0.57 PV.

（5）在45℃條件下利用現(xiàn)場(chǎng)回注水進(jìn)行聚合物驅(qū)后后續(xù)水驅(qū)驅(qū)替1.00 PV.

（6）凝膠體系配制濃度為500 mg/L，1 000 mg/L或1 500 mg/L的聚合物（25×106分子量），準(zhǔn)備燒杯并向其中加入一定量的水（現(xiàn)場(chǎng)回注污水），并向水中加入濃度為2 000 mg/L的交聯(lián)劑（金屬離子交聯(lián)劑）、濃度為200 mg/L的調(diào)節(jié)劑YL-1，濃度為100 mg/L的緩凝劑SY-1，濃度為500 mg/L的增強(qiáng)劑ME-1和濃度為500 mg/L的穩(wěn)定劑NS-1，待完全溶解攪拌均勻后，加入之前配制好的聚合物，再次攪拌均勻。體系配制結(jié)束后，利用AR2000ex TA流變儀測(cè)定初始黏度。

（7）在45℃條件下進(jìn)行凝膠驅(qū)替。驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將高滲透、中滲透和低滲透三層巖心放置在45℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)恒溫45 d，期間每間隔2 d對(duì)凝膠進(jìn)行一次黏度測(cè)定，當(dāng)所測(cè)的凝膠黏度大于300 mPa·s且趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為其達(dá)到最終成膠黏度。

（8）凝膠達(dá)到最終成膠黏度后，在45℃條件下，利用現(xiàn)場(chǎng)回注水進(jìn)行凝膠驅(qū)后后續(xù)水驅(qū)驅(qū)替2.00 PV.

上述實(shí)驗(yàn)均采用ISCO-260D高精度計(jì)量驅(qū)替泵，電子天平記錄每次驅(qū)替時(shí)的分流率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)凝膠體系與黏度可控凝膠體系對(duì)比

常規(guī)凝膠體系與黏度可控凝膠體系對(duì)比（表3），濃度500 mg/L的常規(guī)凝膠體系不成膠，濃度1 000 mg/L和1 500 mg/L的常規(guī)凝膠體系初始黏度大于35 mPa·s，且黏度小于300 mPa·s的時(shí)間僅可維持在5 d以內(nèi)；黏度可控凝膠體系初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d內(nèi)黏度小于300 mPa·s，成膠黏度大于2 500 mPa·s.

表3 常規(guī)凝膠體系與黏度可控凝膠體系對(duì)比

2.2 注入?yún)?shù)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）實(shí)驗(yàn)1結(jié)果 注入量為0.10 PV，注入濃度為500 mg/L，注入速度為0.6 mL/min，注入凝膠后，高、中、低滲透層分流都得到改善，但高滲透層分流依然存在（圖2），說明注入0.10 PV濃度為500 mg/L的凝膠并未對(duì)高滲透層達(dá)到有效封堵。

（2）實(shí)驗(yàn)2結(jié)果 注入量為0.10 PV，注入濃度為1 000 mg/L，注入速度為1.2 mL/min，注入凝膠后，高、中、低滲透層分流都得到很大改善，高滲透層分流為0（圖3），說明注入0.10 PV濃度為1 000 mg/L的凝膠對(duì)高滲透層的封堵性能較好，且對(duì)中、低滲透層污染較小。

圖2 實(shí)驗(yàn)1瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

圖3 實(shí)驗(yàn)2瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

（3）實(shí)驗(yàn)3結(jié)果 注入量為0.20 PV，注入濃度為500 mg/L，注入速度為1.2 mL/min，注入凝膠后，高、中、低滲透層分流率都得到了一定程度提高，但高滲透層分流率高達(dá)16.0%（圖4），說明濃度為500 mg/L的凝膠并未對(duì)高滲透層達(dá)到有效封堵。由于注入量的提升，使得凝膠進(jìn)入中、低滲透層的概率升高，中、低滲透層進(jìn)入少量凝膠，導(dǎo)致最終效果不理想。

圖4 實(shí)驗(yàn)3瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

（4）實(shí)驗(yàn)4結(jié)果 注入量為0.20 PV，注入濃度為1500mg/L，注入速度為0.6 mL/min，注入凝膠后，低滲透層分流率得到了一定程度提高，但由于注入速度低，且注入量較高（圖5），使得凝膠驅(qū)驅(qū)替時(shí)凝膠大部分都進(jìn)入高、中滲透層，對(duì)中滲透層有一定污染，導(dǎo)致中滲透層改善效果較差。

圖5 實(shí)驗(yàn)4瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

（5）實(shí)驗(yàn)5結(jié)果 注入量為0.30 PV，注入濃度為1000mg/L，注入速度為0.6 mL/min，注入凝膠后，中滲透層分流率得到了一定程度提高，但由于注入量高（圖6），對(duì)低滲透層污染較為嚴(yán)重，導(dǎo)致低滲透層改善效果較差。

圖6 實(shí)驗(yàn)5瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

（6）實(shí)驗(yàn)6結(jié)果 注入量為0.30 PV，注入濃度為1500mg/L，注入速度為1.2 mL/min，注入凝膠后，由于注入量高，注入速度大（圖7），對(duì)中、低滲透層污染較為嚴(yán)重，導(dǎo)致最終高、中、低滲透層分流率重新分配，改善效果較差。

圖7 實(shí)驗(yàn)6瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

2.3 最優(yōu)注入?yún)?shù)的確定

從上述正交設(shè)計(jì)的6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，凝膠注入速度越大，注入量越多，進(jìn)入中、低滲透層的概率越高，對(duì)其污染也就越嚴(yán)重。因此，要盡量降低凝膠的注入速度和注入量。凝膠濃度越高，對(duì)巖心的封堵效果越好，但并不是越高效果就越好，三組影響因素會(huì)有一個(gè)最優(yōu)的匹配值，因此，需對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交設(shè)計(jì)的極差分析，確認(rèn)因素最優(yōu)組合。

正交設(shè)計(jì)的極差分析是通過對(duì)每一因素的平均極差來分析問題，直觀分析法極差就是平均效果中最大值和最小值的差，找到其影響的主要因素，并可以幫助找到最佳因素水平組合（表2）。

通過正交試驗(yàn)極差分析，得到最終分流率權(quán)重比分，最高為60分，最低為10分（表2）。注入量為0.10PV，0.20PV，0.30PV時(shí)，其權(quán)重指標(biāo)依次為（50+60）/2=55，（20+40）/2=30，（30+10）/2=20，注入量的指標(biāo)極差為55-20=35；同樣，注入濃度為500 mg/L，1 000 mg/L，1 500 mg/L時(shí)，其權(quán)重指標(biāo)依次為35，45和25，其指標(biāo)極差為20；注入速度為0.6 mL/min和1.2 mL/min時(shí)，其權(quán)重指標(biāo)為40和30，其指標(biāo)極差為10.

通過計(jì)算結(jié)果可知，注入量是影響三層巖心分流率實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最重要的因素，其次是注入濃度，注入速度再次之，最優(yōu)注入量為0.10 PV，最優(yōu)注入濃度為1 000 mg/L，最優(yōu)注入速度為0.6 mL/min（圖8）。

圖8 最優(yōu)組合瞬時(shí)分流率與注入量關(guān)系曲線

對(duì)優(yōu)選的最優(yōu)注入?yún)?shù)進(jìn)行驗(yàn)證，注入量為0.10PV，注入濃度為1 000 mg/L，注入速度為0.6 mL/min，注入凝膠后，高、中、低滲透層分流都得到了很好的改善，高滲層分流率為0.7%，低滲層分流率為14.3%，中滲透層分流率為85.0%，中、低滲透層分流率明顯提升，分流改善效果均優(yōu)于前述6組實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

（1）為滿足大慶油田調(diào)、堵、驅(qū)結(jié)合的技術(shù)，研制了一種黏度可控凝膠體系，初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d內(nèi)黏度小于300 mPa·s，成膠黏度大于2 500 mPa·s，可進(jìn)入油層深部并對(duì)高滲透層進(jìn)行有效封堵。

（2）三層巖心實(shí)驗(yàn)下該黏度可控凝膠體系的注入速度越大，注入量越多，進(jìn)入中、低滲透層的概率越高，對(duì)其污染越嚴(yán)重；注入濃度越高，對(duì)巖心的封堵效果越好，但注入濃度越高進(jìn)入低滲透層的概率越高，導(dǎo)致分流率改善效果變差，因此三個(gè)影響因素有一個(gè)最優(yōu)的匹配值。

（3）利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定了大慶油田聚合物驅(qū)后油藏的凝膠體系最佳注入?yún)?shù)為注入量0.10 PV，注入濃度1 000 mg/L，注入速度0.6 mL/min.

（4）巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高、中、低滲透層的分流都得到了很好的改善，高滲層分流率由聚合物驅(qū)后后續(xù)水驅(qū)的66.9%降為0.7%，中滲透層分流率由33.0%升至85.0%，低滲層分流率由0.1%升至14.3%，中、低滲透層改善效果明顯提升，表明體系可以順利進(jìn)入油層深部，對(duì)高滲透層進(jìn)行有效封堵，同時(shí)對(duì)中、低滲透層污染小，滿足大慶油田聚合物驅(qū)后現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)堵要求。