黃斌，黃立凱，傅程，趙晶，丁暢，張庭瑋

抗鹽聚合物驅(qū)污水回注對(duì)油層的傷害研究

黃斌1,2，黃立凱1，傅程1,2，趙晶3，丁暢1，張庭瑋1

（1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田博士后科研工作站, 黑龍江 大慶 163458； 3. 大慶油田有限責(zé)任公司 第一采油廠試驗(yàn)大隊(duì),黑龍江 大慶 163000）

采用14種不同水質(zhì)污水進(jìn)行了室內(nèi)流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，利用巖心的滲透率損失率將各污水回注的傷害程度劃分為低、中等、高。結(jié)果表明，影響巖心滲透率損失程度的因素排序?yàn)椋簯腋∥镔|(zhì)量濃度>油質(zhì)量濃度>抗鹽聚合物質(zhì)量濃度>普通聚合物質(zhì)量濃度。殘余抗鹽聚合物質(zhì)量濃度較高的污水具有更強(qiáng)的堵塞能力。針對(duì)空氣滲透率為200 mD的巖心，低傷害程度回注的要求下，當(dāng)懸浮物和油的質(zhì)量濃度均為10 mg/L時(shí)，抗鹽聚合物驅(qū)污水需控制聚合物質(zhì)量濃度在200 mg/L以下，而普通聚合物驅(qū)污水需控制聚合物質(zhì)量濃度在300 mg/L以下。研究結(jié)果對(duì)抗鹽聚合物驅(qū)污水回注水質(zhì)處理指標(biāo)和油層保護(hù)具有積極作用。

抗鹽聚合物； 污水回注； 滲透率損失； 傷害； 油層保護(hù)

在油田高含水階段，大慶油田注入水主要來源于油田污水[1]。一方面，污水回注既減少了外排對(duì)環(huán)境造成的巨大污染，又能降低油田污水的處理成本。另一方面，油田污水的回注不僅為注水補(bǔ)充了水源，實(shí)現(xiàn)了資源的重復(fù)利用，還能夠補(bǔ)充地層能量，具有較好的驅(qū)油效果[2?4]。

抗鹽聚合物憑借其良好的抗鹽性和抗剪切能力被廣泛應(yīng)用于大慶油田的開發(fā)中[5?7]。抗鹽聚合物驅(qū)污水中的懸浮物、懸浮油滴和抗鹽聚合物會(huì)降低油層的滲透率，對(duì)油層造成不可忽視的傷害[8?11]。因此，研究抗鹽聚合物驅(qū)污水中各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)油層的影響具有重要意義[12?13]。

針對(duì)空氣滲透率為200 mD的巖心，本文設(shè)計(jì)了14種不同水質(zhì)污水的室內(nèi)流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，分析了懸浮物質(zhì)量濃度、油質(zhì)量濃度、聚合物種類及質(zhì)量濃度對(duì)巖心滲透率損失的影響，以滲透率損失率來評(píng)價(jià)各污水對(duì)巖心的堵塞情況，為抗鹽聚合物驅(qū)污水處理達(dá)到回注要求和油層保護(hù)提供理論指導(dǎo)[14?16]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水及巖心

實(shí)驗(yàn)選用大慶油田薩中開發(fā)區(qū)塊中水質(zhì)較差的聚驅(qū)污水，將各污水調(diào)至目標(biāo)含聚質(zhì)量濃度、油質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度。根據(jù)大慶油田地層水資料配制地層水，其礦化度為6 770 mg/L。實(shí)驗(yàn)采用人造圓柱巖心，空氣滲透率為200 mD。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Quanta 450FEG型掃描電子顯微鏡，北京源海威科技有限公司；LS?POP（9）激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；QA?CON?560型恒溫箱，揚(yáng)程儀器工業(yè)有限公司；2PB00C平流泵，北京衛(wèi)星制造廠；ZR?2型高壓活塞式中間容器，海安巖心石油儀器有限公司；Y?50Z壓力表，紅旗儀表有限公司；TY?2巖心夾持器，海安石油科研儀器有限公司；BS210S型電子天平，上海賽多利斯貿(mào)易有限公司。

1.3 驅(qū)替速度

在短巖心實(shí)驗(yàn)中，為達(dá)到水動(dòng)力相似的目的，主要考慮克服驅(qū)替過程中毛管力的影響。為防止引起速敏效應(yīng)，設(shè)置泵速為0.3 mL/min。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

（1）將巖心放入烘箱中烘24 h，設(shè)置溫度為80 ℃，測量其干重、長度和直徑，巖心抽真空12 h后，采用配制的地層水飽和12 h并稱其濕重，計(jì)算孔隙體積；

（2）測量不同水質(zhì)參數(shù)的污水在45 ℃時(shí)的黏度；

（3）實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，按照?qǐng)D1的順序?qū)⒏鲗?shí)驗(yàn)裝置連接起來，設(shè)定環(huán)壓為5 MPa，泵速為0.3 mL/min，實(shí)驗(yàn)在45 ℃的恒溫箱中進(jìn)行；

（4）采用配制的地層水測量巖心的水測滲透率1；

（5）用篩選出的不同參數(shù)的污水驅(qū)替15 PV。待有液體流出時(shí)，每0.5 h記錄一次時(shí)間、壓力及出液量，注入量超過10 PV后，每1 h記錄一次時(shí)間、壓力及出液量；

（6）再次測量巖心的水測滲透率2，計(jì)算滲透率損失率，評(píng)價(jià)巖心被傷害的程度。

圖1　室內(nèi)流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用巖心水測滲透率損失率來衡量巖心被各水質(zhì)污水傷害的程度。計(jì)算式如式（1）所示：

式中，為巖心水測滲透率損失率，%；1為配制地層水的水測滲透率，mD；2為污水驅(qū)替后的水測滲透率，mD。

巖心水測滲透率損失率數(shù)值越大，表明巖心被抗鹽聚合物驅(qū)污水傷害得越嚴(yán)重。通過石油行業(yè)油層傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義注入水對(duì)油層傷害的程度，見表1。

表1　油層傷害評(píng)價(jià)

1.5 聚合物形態(tài)觀測

采用Quanta 450FEG掃描電鏡對(duì)抗鹽聚合物驅(qū)污水中殘余聚合物的形態(tài)進(jìn)行觀測，應(yīng)用冷凍后升華的方法制備聚合物樣品。在-84 ℃以下，將樣品速凍成固態(tài)。真空且低于-53 ℃條件下，固態(tài)水分子直接升華成氣態(tài)水分子，殘余聚合物分子的形態(tài)和相對(duì)位置不受影響。

1.6 懸浮物粒徑的測量

懸浮物粒徑采用LS?POP（9）激光粒度儀進(jìn)行測量。首先，打開儀器主機(jī)及計(jì)算機(jī)軟件，打開循環(huán)泵，開機(jī)預(yù)熱30 min，使激光輸出功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。再設(shè)定測試條件，向樣品槽中緩慢加入蒸餾水直到遮光度小于4，將待測液緩慢加入至樣品槽，使遮光度在5～20，設(shè)定測試次數(shù)為3，點(diǎn)擊測試并保存測量結(jié)果。

1.7 巖心孔隙結(jié)構(gòu)的測量

在恒定的速度下，實(shí)現(xiàn)向巖心孔喉的準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)汞，巖心孔喉的直徑及分布頻率能夠在進(jìn)汞毛管力曲線上得到準(zhǔn)確的反映。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸浮物對(duì)巖心滲透率的影響

2.1.1懸浮物粒徑分析 通過恒速壓汞和懸浮物粒徑測量，懸浮物質(zhì)量濃度為60 mg/L的抗鹽聚合物驅(qū)污水中懸浮物粒徑與孔喉直徑的關(guān)系如圖2所示。

圖2　懸浮物粒徑與孔喉直徑的關(guān)系

由圖2結(jié)果可知，抗鹽聚合物驅(qū)污水中的懸浮物粒徑集中在0.200～3.200 μm，粒徑中值為1.695 μm，巖心的孔隙直徑中值為7.552 μm。國外學(xué)者J. H. Barkman等[17]提出的“1/3～1/7”定律目前被研究儲(chǔ)層傷害和儲(chǔ)層保護(hù)的學(xué)者普遍認(rèn)可。該定律表明，當(dāng)懸浮物粒徑大于儲(chǔ)層巖心孔喉的1/3時(shí)，懸浮物會(huì)在井筒壁面形成濾餅且無法進(jìn)入儲(chǔ)層深部，造成儲(chǔ)層滲透率降低；當(dāng)懸浮物粒徑與儲(chǔ)層巖心孔喉直徑的比值為1/3～1/7時(shí)，懸浮物會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)層在巖心孔隙和喉道內(nèi)形成橋堵，深部污染區(qū)域使?jié)B透率大幅降低；當(dāng)懸浮物粒徑小于儲(chǔ)層巖心孔喉的1/7時(shí)，流體可攜帶懸浮物順利流出，對(duì)儲(chǔ)層傷害較輕。而污水中的懸浮物粒徑與巖心孔喉直徑的比例在1/4～1/5，根據(jù)“1/3～1/7”定律可知，懸浮物能夠到達(dá)巖心深部，在孔隙內(nèi)部滯留聚并堵塞有效流動(dòng)通道，使油層滲透率降低。因此，抗鹽聚合物驅(qū)污水回注需嚴(yán)格控制懸浮物質(zhì)量濃度，否則會(huì)堵塞油層。

2.1.2懸浮物質(zhì)量濃度對(duì)滲透率的影響 當(dāng)油質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，懸浮物粒徑中值為1.695 μm的抗鹽聚合物驅(qū)污水中不同懸浮物質(zhì)量濃度與滲透率損失率的關(guān)系如圖3所示。

圖3　懸浮物質(zhì)量濃度與滲透率損失率的關(guān)系

由圖3可知，懸浮物質(zhì)量濃度為10、15、30、60 mg/L且注水量達(dá)到15 PV時(shí)，巖心的滲透率損失率分別為20.56%、27.15%、42.82%、60.95%，對(duì)巖心傷害的程度分別為低、低、中等、高。懸浮物質(zhì)量濃度為30、60 mg/L時(shí)，污水造成巖心滲透率損失的幅度明顯大于較低懸浮物質(zhì)量濃度的污水，這是由于懸浮物質(zhì)量濃度過高，各類懸浮物在巖心孔隙內(nèi)滯留并不斷聚集，對(duì)油層造成污染，堵塞注水通道，使油層滲透率損失嚴(yán)重[18]。因此，需要合理處理污水中的懸浮物質(zhì)量濃度，使其達(dá)到回注的要求。針對(duì)空氣滲透率為200 mD的油層，油質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L的污水，需控制懸浮物質(zhì)量濃度在15 mg/L以下，才能保證回注對(duì)油層傷害程度為低。

2.2 油質(zhì)量濃度對(duì)巖心滲透率的影響

懸浮物質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，不同油質(zhì)量濃度的抗鹽聚合物驅(qū)污水與滲透率的關(guān)系如圖4所示。

圖4　油質(zhì)量濃度與滲透率損失率的關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)油質(zhì)量濃度為10、20、30、60 mg/L且注水量達(dá)到15 PV時(shí)，巖心的滲透率損失率分別為20.56%、28.24%、36.26%、50.14%，對(duì)巖心傷害的程度分別為低、低、中等、高。注入量為3 PV時(shí)，油質(zhì)量濃度高的污水造成了巖心滲透率的大幅降低。隨著注入壓力的增大，懸浮油滴能夠憑借自身的變形進(jìn)入大尺寸喉道，造成流動(dòng)阻力的增大。另外，懸浮油滴受到的重力、范德華力、靜電力等作用力，使其能夠與懸浮物相黏合吸附在孔隙內(nèi)部，造成有效流動(dòng)路徑減少，使油層的吸水量大幅度下降，對(duì)巖心形成不易恢復(fù)的傷害[19]。因此，抗鹽聚合物驅(qū)污水回注需關(guān)注體系內(nèi)多相油對(duì)油層的影響。針對(duì)空氣滲透率為200 mD的油層，懸浮物質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L的污水，要使回注對(duì)油層傷害程度最低，需控制油質(zhì)量濃度在20 mg/L以下。

2.3 聚合物對(duì)巖心滲透率的影響

2.3.1聚合物分子形態(tài)分析 通過掃描電鏡對(duì)污水中殘余聚合物分子形態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5　殘余聚合物分子形態(tài)

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，殘余抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，聚合物分子呈不規(guī)則分布，未形成規(guī)律的網(wǎng)格骨架形態(tài)，沒有表現(xiàn)出分子間相互交聯(lián)，相互纏繞的特征。當(dāng)殘余抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為200、400 mg/L時(shí)，聚合物分子相互聚集，顯現(xiàn)出貫穿和纏繞的現(xiàn)象。對(duì)比圖5中的（b）和（c），聚合物質(zhì)量濃度400 mg/L的污水中的聚合物分子甚至形成了顯著的三維立體網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)，相較于質(zhì)量濃度200 mg/L的抗鹽聚合物，網(wǎng)格形態(tài)展現(xiàn)出更加致密和規(guī)律的特性。對(duì)比圖5中的（c）和（d），由于其超長的分子鏈相互纏繞、交聯(lián)，抗鹽聚合物在微觀上形成了網(wǎng)狀聚集體，可以吸附周圍的水分子表現(xiàn)出較大的形變阻力，在宏觀上達(dá)到增黏增稠的效果。其良好的耐鹽能力減弱了地層對(duì)聚合物的化學(xué)降解和機(jī)械降解。因此，高抗鹽聚合物質(zhì)量濃度的污水黏度較高，抗鹽聚合物容易吸附在孔隙內(nèi)，其回注往往會(huì)對(duì)油層造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

2.3.2聚合物質(zhì)量濃度對(duì)滲透率的影響 當(dāng)懸浮物和油的質(zhì)量濃度均為10 mg/L時(shí)，不同抗鹽聚合物質(zhì)量濃度的污水與滲透率的關(guān)系如圖6所示。

圖6　抗鹽聚合物濃度與滲透率損失率的關(guān)系

由圖6可知，當(dāng)抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100、200、300、400 mg/L且注水量達(dá)到15 PV時(shí)，巖心的滲透率損失率分別為20.56%、26.32%、33.72%、44.24%，對(duì)巖心傷害的程度分別為低、低、中等、高。較低質(zhì)量濃度時(shí)，由于殘余抗鹽聚合物分子未形成規(guī)律的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，分子聚集、纏繞不明顯，故巖心的滲透率沒有顯著下降。高質(zhì)量濃度時(shí)，巖心滲透率迅速下降是由于聚合物以短纖維狀吸附在巖心孔隙中，降低了有效孔隙半徑，堵塞了巖心深部[20]。因此，需要特別關(guān)注高抗鹽聚合物質(zhì)量濃度的污水指標(biāo)。

2.3.3聚合物種類對(duì)滲透率的影響 當(dāng)懸浮物和油的質(zhì)量濃度均為10 mg/L時(shí)，普通聚合物驅(qū)污水和抗鹽聚合物驅(qū)污水對(duì)巖心滲透率的影響如圖7所示。

由圖7可知，聚合物質(zhì)量濃度為100、200、300、400 mg/L且注水量達(dá)到15 PV時(shí)，注入普聚污水對(duì)巖心的滲透率損失率分別為19.02%、23.65%、28.09%、35.58%，對(duì)巖心傷害的程度分別為低、低、低、中等。相較于普聚污水，注入抗鹽聚合物驅(qū)污水對(duì)巖心的滲透率損失率分別增加了1.54%、2.67%、2.63%、8.66%，這是由于抗鹽聚合物驅(qū)污水中殘余的高質(zhì)量濃度抗鹽聚合物分子相互纏繞、交聯(lián)，形成了更為致密、顯著的三維立體網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)。另外，抗鹽聚合物在驅(qū)替時(shí)受高礦化度地層的降解程度較低，使抗鹽聚驅(qū)污水保持較高的殘余黏度。高聚合物質(zhì)量濃度下，抗鹽聚合物較普通聚合物對(duì)水分子具有更強(qiáng)的束縛能力，使儲(chǔ)層吸水量大幅減少，增加后續(xù)解堵施工的難度。因此，在污水回注過程中，不同聚合物種類的污水對(duì)油層的傷害程度各不相同，抗鹽聚合物較普通聚合物對(duì)油層的傷害更大?？諝鉂B透率為200 mD的油層，當(dāng)懸浮物和油的質(zhì)量濃度均為10 mg/L時(shí)，抗鹽聚合物驅(qū)污水需控制聚合物質(zhì)量濃度在200 mg/L以下，而普通聚合物驅(qū)污水僅需控制聚合物質(zhì)量濃度在300 mg/L以下，就能保證回注對(duì)油層傷害程度為低。

3 結(jié) 論

（1）污水中的殘余抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，聚合物分子聚集形態(tài)較為破損，未表現(xiàn)出纏繞、交聯(lián)的特征。殘余聚合物質(zhì)量濃度為400 mg/L時(shí)，抗鹽聚合物分子相較于普通聚合物形成了更為致密、顯著的三維網(wǎng)格骨架。

（2）巖心流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)中，通過巖心的滲透率損失率評(píng)價(jià)了各污水對(duì)巖心的傷害程度，除懸浮物粒徑外，影響巖心滲透率損失程度的因素排序?yàn)椋簯腋∥镔|(zhì)量濃度>油質(zhì)量濃度>抗鹽聚合物質(zhì)量濃度>普通聚合物質(zhì)量濃度。由于高濃度抗鹽聚合物分子具有致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其污水具有更強(qiáng)的堵塞能力。

（3）針對(duì)空氣滲透率為200 mD的油層，為控制回注污水對(duì)巖心的傷害程度較低，油質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L的污水，需控制懸浮物質(zhì)量濃度在15 mg/L以下；懸浮物質(zhì)量濃度為10 mg/L且抗鹽聚合物質(zhì)量濃度為100 mg/L的污水，需控制油質(zhì)量濃度在20 mg/L以下；懸浮物質(zhì)量濃度為10 mg/L且油質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，抗鹽聚合物驅(qū)污水需控制聚合物質(zhì)量濃度在200 mg/L以下，而普通聚合物驅(qū)污水需控制聚合物質(zhì)量濃度在300 mg/L以下。

圖7　聚合物種類與滲透率損失率的關(guān)系

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Study on the Damage of Salt?Resistant Polymer Flooding Sewage Reinjection to Reservoir

Huang Bin1,2， Huang Likai1， Fu Cheng1,2， Zhao Jing3， Ding Chang1， Zhang Tingwei1

（1. College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing Heilongjiang 163318，China； 2. Post?Doctoral Scientific Research Station， Daqing Oilfield Company， Daqing Heilongjiang 163458，China； 3. Experimental Team of No.1 Oil Production Plant in Daqing Oilfield， Daqing Heilongjiang 163000，China）

14 kinds of sewage with different water quality were used for the indoor fluidity experiments. The adverse impact degree of different sewage to the cores was classified into high, middle and low, according to the the permeability loss rate. The results show that the factors affecting the permeability loss degree of cores are as followes: suspended sediment concentration > oil content > salt?resistant polymer concentration > common polymer concentration. Sewage with higher residual salt?resistant polymer concentration has strong plugging capacity. For the cores with air permeability of 200 mD, when suspended sediment concentration is 10 mg/L and oil content is 10 mg/L, the polymer concentration of salt?resistant polymer flooding sewage should be controlled below 200 mg/L, while the polymer concentration of common polymer flooding sewage should be controlled below 300 mg/L, in order to ensure the low degree of the damage to reservoir caused by sewage reinjection, The results of this work has a positive effect on the reservoir protection and water quality index of salt?resistant polymer flooding sewage reinjection.

Salt?resistant polymer； Sewage reinjection； Permeability loss； Damage； Reservoir protection

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.006

1006?396X（2021）04?0033?06

http://journal.lnpu.edu.cn

2021?03?19

2021?04?14

國家自然科學(xué)基金資助（51974088）。

黃斌（1982?），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油田采出水處理方面研究；E?mail：huang_bin_111@163.com。

傅程（1981?），女，博士，教授，從事油田提高采收率方面研究；E?mail：cheng_fu111@163.com。

（編輯 王亞新）