王欣然，劉宗賓，李紅英，瞿朝朝，顏冠山

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300459）

聚合物驅(qū)已成為渤海油田三次采油的主要手段，該技術(shù)能夠改善流度比、擴(kuò)大波及體積和改善層間矛盾，在礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果[1-5]。但在聚合物驅(qū)過(guò)程中，一方面，由于驅(qū)替過(guò)程中液-固界面的吸附損耗，導(dǎo)致聚合物段塞有效性降低；另一方面，由于聚合物分子無(wú)法通過(guò)較小的孔喉，從而減小了聚合物的波及體積，因此聚合物在儲(chǔ)層中的吸附滯留孔隙體積（RPV）和不可及孔隙體積（IPV）是影響驅(qū)油效果的關(guān)鍵因素，在聚合物驅(qū)方案設(shè)計(jì)、效果評(píng)價(jià)以及數(shù)值模擬過(guò)程中具有重要影響[6-11]。目前，對(duì)RPV和IPV的研究多以陸地油田為研究對(duì)象，對(duì)海上油田研究較少。相比陸地油田，海上油田具有注采井距大，采油速度快等特點(diǎn)，不能直接照搬陸地油田經(jīng)驗(yàn)，因此根據(jù)相似準(zhǔn)則，參考渤海J油田的特征參數(shù)，研究不同儲(chǔ)層物性和不同注聚質(zhì)量濃度下的IPV與RPV的變化規(guī)律，從而指導(dǎo)油田聚合物驅(qū)數(shù)值模擬及方案優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)原理

渤海J油田儲(chǔ)層RPV和IPV采用雙段塞濃度剖面法[12]。根據(jù)彌散滲流理論，任意時(shí)刻質(zhì)量濃度剖面上相對(duì)質(zhì)量濃度為0.5的點(diǎn)以恒定的驅(qū)替速度向前移動(dòng)，因此在出口端質(zhì)量濃度剖面曲線上，相對(duì)質(zhì)量濃度為0.5對(duì)應(yīng)的PV數(shù)為聚合物的累積注入PV數(shù)。相對(duì)質(zhì)量濃度為0.5的剖面以注入速度向前移動(dòng)。圖1為相對(duì)產(chǎn)聚質(zhì)量濃度剖面示意圖。

圖1 相對(duì)產(chǎn)聚質(zhì)量濃度剖面示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of relative polymer output mass concentr ation

由圖1可知，第一次注入聚合物時(shí)，由于存在不可入孔隙會(huì)使剖面運(yùn)移較快，相對(duì)于理想情況提前產(chǎn)出，但由于吸附作用的存在，又減緩了剖面運(yùn)移速度，相對(duì)于無(wú)RPV和IPV的理想情況滯后產(chǎn)出。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，注入PV數(shù)（A）與IPV之和等于1個(gè)PV數(shù)與RPV之和，即：

式中，A為第一次聚合物驅(qū)段塞前緣突破時(shí)對(duì)應(yīng)的體積倍數(shù)。

由于第一次聚合物驅(qū)吸附已達(dá)到飽和，第二次聚合物驅(qū)不存在吸附的影響，且由于存在不可入孔隙，因此剖面提前于理想情況下的產(chǎn)出曲線，1個(gè)PV數(shù)與相對(duì)質(zhì)量濃度為0.5對(duì)應(yīng)的PV數(shù)的差值應(yīng)等于IPV。即：

通過(guò)式（1）與式（2）聯(lián)立求解，得到：

式中，B為第二次聚合物驅(qū)段塞前緣突破時(shí)對(duì)應(yīng)的體積倍數(shù)。

聚合物產(chǎn)出質(zhì)量濃度的測(cè)試采用淀粉-碘化鎘比色法[13]，此方法適合測(cè)定微量物質(zhì)的質(zhì)量濃度，讓聚合物溶液與溴水反應(yīng)生成溴代酰胺，溴代酰胺在pH為5.0的酸性條件下與淀粉-碘化鎘反應(yīng)生成藍(lán)色三碘-淀粉絡(luò)合物，在580 nm處測(cè)不同質(zhì)量濃度的吸光度，并繪制吸光度與聚合物溶液質(zhì)量濃度關(guān)系曲線，從而通過(guò)吸光度判斷聚合物產(chǎn)出質(zhì)量濃度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：三水合醋酸鈉、水合硫酸鋁、冰醋酸、飽和溴水、甲酸鈉、淀粉、碘化鎘、渤海J油田聚合物、模擬地層水，組成及礦化度見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)巖心為人造巖心，物性參數(shù)參照渤海J油田東營(yíng)組東二下段三個(gè)主力油組設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)溫度為65℃。

表1 渤海J油田地層水分析數(shù)據(jù)Table 1 Formation water analysis data of Bohai J oilfield mg/L

實(shí)驗(yàn)儀器：722型光柵分光光度計(jì)（上海分析儀器總廠）；PHS-3D酸度計(jì)（上海三信儀表廠）；HJ-5型多功能攪拌器（常州蒙特儀器制造有限公司）；巖芯夾持器（愛(ài)帝工業(yè)控制技術(shù)有限公司）；Teledyne Isco的高壓高精度柱塞泵（美國(guó)Isco公司）等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及流程

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)試步驟 ①取三水合醋酸鈉及水合硫酸鋁各0.75 g，在800 mL蒸餾水中溶解，以冰醋酸調(diào)節(jié)pH至4.0并稀釋至1 000 mL。②取11 g碘化鎘溶于400 mL蒸餾水中，加熱煮沸10 min，稀釋至800 mL后，加入2.5 g可溶性淀粉，生成淀粉-碘化鎘并稀釋至1 000 mL。③將1 000 mg/L的聚合物溶液用蒸餾水稀釋成質(zhì)量濃度分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液；④分別取不同質(zhì)量濃度溶液1 mL，用蒸餾水稀釋至25 mL，加入1 mL飽和溴水，反應(yīng)10 min后加入1%的甲酸鈉溶液3 mL，反應(yīng)5 min后加入5 mL淀粉-碘化鎘試劑，反應(yīng)10 min后使用722型光柵分光光度計(jì)在580 nm處測(cè)其吸光度C。⑤以C為縱坐標(biāo)，聚合物質(zhì)量濃度為橫坐繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程 ①巖心抽空飽和水，測(cè)定巖心滲透率，計(jì)算孔隙體積，測(cè)定巖心滲透率；②聚合物溶液恒速0.5 mL/min驅(qū)替巖心中的水，每1 mL接一個(gè)樣，隨時(shí)測(cè)定樣品中的聚合物質(zhì)量濃度，直到出口端聚合物質(zhì)量濃度等于入口端；③水沖洗巖心，直到出口端聚合物質(zhì)量濃度為0；④第二次用聚合物溶液恒速0.5 mL/min驅(qū)替巖心中的水，每1 mL接一個(gè)樣，隨時(shí)測(cè)定樣品中的聚合物質(zhì)量濃度，直到出口端聚合物質(zhì)量濃度等于入口端。⑤更換實(shí)驗(yàn)樣品，重復(fù)①-④步。圖2為聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)流程。

圖2 聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of polymer flooding experiment

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為不同質(zhì)量濃度聚合物與淀粉-碘化鎘顯色反應(yīng)。由圖3可知，不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液經(jīng)淀粉-碘化鎘比色法顯色后，呈現(xiàn)不同深度的藍(lán)色，且隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，藍(lán)色深度逐漸增加，體現(xiàn)二者之間具有較好的正相關(guān)性。

圖3 不同質(zhì)量濃度聚合物與淀粉-碘化鎘顯色反應(yīng)Fig.3 Color reaction of polymer with str ach-cadmium iodide under different mass concentrations

使用722型光柵分光光度計(jì)在580 nm處，分別測(cè)試9種聚合物溶液質(zhì)量濃度下反應(yīng)的溶液吸光度，將數(shù)據(jù)點(diǎn)投放在直角坐標(biāo)系后，聚合物質(zhì)量濃度與吸光度具有較好的線性關(guān)系，線性回歸方程也具有較高的擬合系數(shù)（見(jiàn)圖4），說(shuō)明該方法能夠較為可靠地通過(guò)吸光度推算不同時(shí)刻產(chǎn)出端聚合物溶液質(zhì)量濃度。

圖4 聚合物質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve of polymer mass concentration

3.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)巖心分為兩組，每組均由高、中、低三種滲透率的巖心組成，代表了渤海J油田三個(gè)主力油組的平均物性，巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。第一組巖心驅(qū)替用聚合物溶液質(zhì)量濃度為1 200 mg/L，第二組巖心驅(qū)替用聚合物溶液質(zhì)量濃度為1 500 mg/L。

表2 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Base data of experimental core

兩組巖心在不同質(zhì)量濃度聚合物溶液驅(qū)替下的相對(duì)產(chǎn)出曲線如圖 5所示。其中，圖 5（a）、（c）、（e）為不同滲透率巖心在質(zhì)量濃度為1 200 mg/L聚合物溶液驅(qū)替一次及二次產(chǎn)聚剖面曲線，圖5（b）、（d）、（f）為不同滲透率巖心在濃度為1 500 mg/L聚合物溶液驅(qū)替一次及二次產(chǎn)聚剖面曲線。由于擴(kuò)散彌散現(xiàn)象的存在，巖心出口端產(chǎn)聚剖面曲線均呈現(xiàn)S型。分別讀取各巖心相對(duì)產(chǎn)聚質(zhì)量濃度為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的第一次、第二次聚合物驅(qū)替產(chǎn)出曲線上對(duì)應(yīng)的PV數(shù)，即A、B值，根據(jù)式（2）、（3）可以求得不同實(shí)驗(yàn)條件下巖心的吸附滯留孔隙體積和不可及孔隙體積。

圖5 實(shí)驗(yàn)巖心相對(duì)產(chǎn)聚質(zhì)量濃度曲線Fig.5 Relative polymer output concentr ation of exper imental cor e

圖6 為注入不同聚合物溶液質(zhì)量濃度下，吸附滯留孔隙體積隨巖心滲透率變化曲線。由圖6可以看出，注聚質(zhì)量濃度為1 200 mg/L時(shí)，吸附滯留孔隙體積RPV為0.04～0.16 PV；注聚質(zhì)量濃度為1 500 mg/L時(shí)，吸附滯留孔隙體積RPV為0.12～0.22 PV。在相同注聚條件下，隨著巖心滲透率的降低，吸附滯留孔隙體積RPV逐漸增大。主要原因?yàn)橄嗤w積的巖性滲透率越低，其內(nèi)部的固體表面積越大，從而增加了固體表面吸附點(diǎn)的數(shù)目，使更多的聚合物分子吸附在巖心內(nèi)部，導(dǎo)致吸附滯留孔隙體積越大。

圖6 吸附滯留孔隙體積與巖心滲透率關(guān)系Fig.6 Relationship between adsorption retention pore volume and core permeability

相比于注聚質(zhì)量濃度為1 200 mg/L條件下，注聚質(zhì)量濃度為1 500 mg/L時(shí)，相同滲透率級(jí)別巖心的產(chǎn)聚質(zhì)量濃度上升速度更快（見(jiàn)圖5），且吸附滯留孔隙體積RPV增加，這是因?yàn)楦哔|(zhì)量濃度的聚合物溶液，具有更強(qiáng)的擴(kuò)散彌散作用，相同時(shí)間內(nèi)有更多的聚合物分子擴(kuò)散到驅(qū)替前緣聚的過(guò)渡帶中，同時(shí)由于驅(qū)替相為更高質(zhì)量濃度的聚合物溶液，即單位溶液體積含有更多的聚合物分子，從而導(dǎo)致相同滲透率級(jí)別下，巖心內(nèi)部固體面積上能夠接觸到更多的聚合物分子，從而造成了吸附滯留孔隙體積RPV的增加，其中，隨注聚質(zhì)量濃度上升，低滲透率巖心RPV增幅較大，而高、中滲透率巖心RPV增幅相對(duì)較小。因此，若在低滲層獨(dú)立作為一套開(kāi)發(fā)層系的情況下，使用高質(zhì)量濃度聚合物驅(qū)時(shí)，應(yīng)考慮吸附滯留現(xiàn)象對(duì)低滲層帶來(lái)的不利影響。而渤海J油田采用三個(gè)主力層系合采的開(kāi)發(fā)方式，其中高、中滲透層動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量占總動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量的82.3%，低滲透率層對(duì)油田整體儲(chǔ)層的RPV影響較小，因此可適當(dāng)增加注聚質(zhì)量濃度，從而加強(qiáng)聚合物溶液改善流度比的能力。

圖7為注入不同聚合物溶液質(zhì)量濃度下，不可及孔隙體積隨巖心滲透率變化曲線。在實(shí)驗(yàn)巖心條件下，注聚質(zhì)量濃度為1 200 mg/L時(shí)，不可及孔隙體積IPV為0.12～0.20 PV；注聚質(zhì)量濃度為1 500 mg/L時(shí)，不可及孔隙體積IPV為0.15～0.22 PV。在相同注聚質(zhì)量濃度條件下，巖心滲透率越低，不可及孔隙體積越大，主要原因?yàn)闈B透率越低的巖心，平均孔喉半徑越小，孔喉的毛管力越大，使聚合物溶液中的大分子難以通過(guò)，從而導(dǎo)致不可及孔隙體積增加。

圖7 不可及孔隙體積與巖心滲透率關(guān)系Fig.7 Relationship between inaccessible pore volume and core permeability

相比于注聚質(zhì)量濃度為1 200 mg/L條件下，注聚質(zhì)量濃度為1 500 mg/L時(shí)，相同滲透率級(jí)別巖心的不可及孔隙體積增加，這是因?yàn)殡S著聚合物質(zhì)量濃度升高，聚合物溶液的黏度也隨之增加，從而加大了驅(qū)替相的黏滯力，使聚合物溶液的滲流阻力進(jìn)一步增加，聚合物分子更加難以進(jìn)入到較小的孔喉中，導(dǎo)致不可及孔隙體積增加，但增加幅度較小。由于不可及孔隙體積IPV會(huì)降低聚合物溶液的滲流阻力，從而影響擴(kuò)大波及體積效果，因此適當(dāng)增加注聚質(zhì)量濃度，能夠削弱IPV帶來(lái)的不利影響。

4 結(jié) 論

（1）以渤海J油田油藏屬性為參考，根據(jù)相似原則設(shè)計(jì)巖心驅(qū)替及產(chǎn)聚質(zhì)量濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，定量描述了聚驅(qū)條件下RPV和IPV隨儲(chǔ)層物性和注聚質(zhì)量濃度的變化情況，實(shí)驗(yàn)條件下，渤海J油田RPV為0.04～0.22 PV，IPV為0.12～0.22 PV。

（2）在聚合物相同質(zhì)量濃度條件下，隨巖心滲透率的降低，產(chǎn)聚質(zhì)量濃度上升速度變快，RPV和IPV均隨之增加。

（3）在巖心滲透率級(jí)別相同條件下，隨注入聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，RPV和IPV增加。但對(duì)于高、中滲透率儲(chǔ)層RPV增加幅度較小，而IPV整體增加幅度均較小。

（4）對(duì)于渤海J油田，建議適當(dāng)增加注聚質(zhì)量濃度，以降低RPV和IPV帶來(lái)的不利影響。