凌 卿，鞠 野，李海峰，李建曄，張文喜，王曉龍

（中海油服油生事業(yè)部增產(chǎn)中心，天津 300459）

聚合物驅(qū)作為油田開(kāi)發(fā)增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)，在大慶、勝利、河南、大港、克拉瑪依等陸地水驅(qū)開(kāi)發(fā)油田得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果；尤其是在大慶油田，1987 年開(kāi)始聚合物驅(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，聚驅(qū)后的采收率在水驅(qū)42%采收率的基礎(chǔ)上提升了12%，噸聚合物增油量達(dá)到了120～150 t，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果和明顯的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。近年來(lái)，聚合物驅(qū)也逐漸在渤海油田開(kāi)始應(yīng)用[3，4]?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展聚合物驅(qū)，主要通過(guò)增加水相黏度和降低水相滲透率來(lái)改善流度比、發(fā)揮聚合物溶液的調(diào)剖作用，提高注入流體的宏觀波及體積；同時(shí)利用其黏彈性實(shí)現(xiàn)微觀驅(qū)油，提高聚合物溶液在水波及區(qū)域的驅(qū)油效率，進(jìn)而提高聚驅(qū)原油采收率[5，6]。目前針對(duì)聚合物溶液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)特性和黏度損失等情況的研究很多，主要采用了短巖心和填砂管[7-9]，少數(shù)人通過(guò)數(shù)模研究聚合物調(diào)整非均質(zhì)能力[10，11]；但是幾乎沒(méi)有同時(shí)采用長(zhǎng)巖心研究聚合物溶液的黏度分布規(guī)律和調(diào)整非均質(zhì)的能力及適用性的報(bào)道。本文采用兩種常規(guī)的聚合物溶液進(jìn)行巖心滲流實(shí)驗(yàn)，分析研究聚合物溶液在長(zhǎng)均質(zhì)模型中的黏濃分布規(guī)律以及在調(diào)整非均質(zhì)模型非均質(zhì)性的能力及適用性，該研究對(duì)于綜合分析和論證聚合物溶液的流動(dòng)特性和提高原油采收率原理具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：常規(guī)聚合物HPAM（特性黏數(shù)2 510 mL/g，固含量90.02%，相對(duì)分子質(zhì)量2 200～2 600 萬(wàn)），地層水為渤海某油田的模擬地層水，其離子組成（見(jiàn)表1）。

表1 地層水離子組成

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：天平（0.000 1 g），HAKKE RS6000 旋轉(zhuǎn)流變儀，攪拌器，紫外分光光度計(jì)，人造均質(zhì)巖心，恒溫箱和多功能巖心驅(qū)替設(shè)備等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要涉及兩種類型實(shí)驗(yàn)：（1）聚合物溶液在均質(zhì)巖心中黏度/濃度的分布規(guī)律研究；（2）聚合物溶液調(diào)整非均質(zhì)能力研究。

聚合物溶液在均質(zhì)巖心中黏度/濃度分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)步驟：（1）取不同規(guī)格的均質(zhì)巖心烘干并抽真空，飽和模擬地層水，計(jì)算其孔隙體積；（2）60 ℃下恒溫24 h，用模擬地層水測(cè)巖心的滲透率；（3）配制一定濃度的聚合物溶液，測(cè)定聚合物溶液的初始黏度；（4）按照實(shí)驗(yàn)流程圖連接流程，以恒速恒壓泵驅(qū)替中間容器中的聚合物，通過(guò)管線進(jìn)入均質(zhì)巖心中，在巖心出口端接采出液，測(cè)量不同時(shí)間段采出液濃度和黏度；（5）改變注入速度、均質(zhì)巖心長(zhǎng)度和巖心滲透率等，重復(fù)上述步驟。

聚合物溶液調(diào)整非均質(zhì)性能力研究實(shí)驗(yàn)步驟：（1）、（2）、（3）與均質(zhì)巖心實(shí)驗(yàn)步驟相同；（4）采用并聯(lián)巖心模型模擬儲(chǔ)層非均質(zhì)模型，分別計(jì)量注水時(shí)、注聚時(shí)、注聚后水驅(qū)三個(gè)階段每根巖心的出口端接采出液的體積，測(cè)定每根巖心的分流率。實(shí)驗(yàn)流程（見(jiàn)圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

文中：流速指聚合物溶液通過(guò)巖心的流動(dòng)速度，將泵速mL/min 換算成m/d；黏度指25 ℃下、剪切速率7.34 s-1下聚合物溶液的表觀黏度；濃度采用的是淀粉-碘化鎘法測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚合物溶液濃度/黏度在巖心中的分布規(guī)律

2.1.1 流速對(duì)聚合物溶液濃度/黏度的影響 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聚合物驅(qū)時(shí)，聚合物溶液經(jīng)過(guò)注入泵、高壓管線、井筒、篩網(wǎng)、近井地帶和深部地層時(shí)的流速跨度較大，聚合物發(fā)生不同程度的機(jī)械降解和在孔隙中的滯留導(dǎo)致溶液性質(zhì)發(fā)生了較大的改變，因此流速是影響聚合物溶液性質(zhì)的一個(gè)重要因素。將1 000 mg/L 的聚合物HPAM 溶液以不同速度注入30 cm 長(zhǎng)的均質(zhì)柱狀巖心（水測(cè)滲透率1 500 mD），從巖心出口端接采出液，測(cè)量其濃度和黏度；聚合物溶液在巖心中濃度與流速關(guān)系的動(dòng)態(tài)曲線（見(jiàn)圖2）。

圖2 濃度與流速關(guān)系圖

由圖2 可知，不同流速下，當(dāng)聚合物溶液注入4 PV時(shí)，巖心出口端采出液的濃度基本接近了原始溶液濃度1 000 mg/L，說(shuō)明聚合物溶液在巖心中的滯留達(dá)到了臨界點(diǎn)、處于滯留飽和狀態(tài)；且滯留飽和PV 數(shù)為4 PV，與流速無(wú)關(guān)。因此4 PV 后，巖心出口端采出液的黏度損失則是完全由巖心機(jī)械降解引起的、排除了滯留作用的影響，聚合物溶液在巖心中黏度及黏度損失率與流速關(guān)系的動(dòng)態(tài)曲線（見(jiàn)圖3）。

圖3 黏度/黏度損失率與流速關(guān)系圖

由圖3 可知，聚合物溶液黏度損失率隨流速增加而增加，且存在著機(jī)械降解的兩個(gè)流速特征值：一是聚合物溶液開(kāi)始快速降解的“臨界流速（vc=2 m/d）”，另一個(gè)是聚合物溶液機(jī)械降解達(dá)到極限并趨于穩(wěn)定的“極限流速（vL=10 m/d）”。當(dāng)流速小于vc，聚合物溶液高分子在巖心中受到的機(jī)械作用應(yīng)力小于分子鏈間作用力，聚合物溶液機(jī)械降解隨流速增加而緩慢增加，黏度損失率不超過(guò)11%；當(dāng)流速大于vc，聚合物溶液高分子在巖心中受到的機(jī)械作用應(yīng)力開(kāi)始大于分子鏈間作用力，聚合物溶液高分子鏈發(fā)生斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量減小，表現(xiàn)為聚合物溶液的黏度損失率隨流速增加而快速增大至40%；當(dāng)流速大于vL，聚合物溶液在巖心中的機(jī)械降解達(dá)到了極限，高分子鏈大多數(shù)已斷裂，黏度損失率在45%左右緩慢上升。因此，可以用“臨界流速”表征聚合物的抗機(jī)械降解能力，“臨界流速”越高，表明聚合物溶液的抗機(jī)械降解能力越好。

2.1.2 運(yùn)移距離對(duì)聚合物溶液濃度/黏度的影響 研究聚合物溶液流變性與運(yùn)移距離的關(guān)系，若在長(zhǎng)巖心內(nèi)多次多取樣點(diǎn)取樣，會(huì)影響聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)、進(jìn)而影響采出液的測(cè)量結(jié)果，為了規(guī)避這一問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)采用滲流率相同和孔隙結(jié)構(gòu)相似的不同長(zhǎng)度巖心或填砂管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；將1 500 mg/L 的聚合物HPAM 溶液以1 m/d 的流速注入不同長(zhǎng)度的巖心（水測(cè)滲透率1 500 mD），聚合物溶液在巖心中濃度與運(yùn)移距離關(guān)系的動(dòng)態(tài)曲線（見(jiàn)圖4）。

圖4 濃度與運(yùn)移距離關(guān)系圖

由圖4 可知，當(dāng)聚合物達(dá)到4 PV 時(shí)，不同長(zhǎng)度巖心（0.1～20 m、20 m 為填砂管）出口端溶液濃度接近原始注入濃度，說(shuō)明此時(shí)聚合物在巖心的孔隙中均已達(dá)到了滯留飽和狀態(tài)；表明聚合物乳液在多孔介質(zhì)中滯留飽和PV 數(shù)與運(yùn)移距離無(wú)關(guān)。4 PV 后，巖心出口端聚合物溶液的黏度損失則完全是由巖心機(jī)械降解引起的、排除了滯留作用的影響。將不同長(zhǎng)度的巖心折算為地層不同深處，0.1 m、0.3 m、1.0 m、2.4 m 和20 m 分別折算成地層0.5%、1.5%、5%、12%和100%處；對(duì)應(yīng)的黏度損失率與20 m 多孔介質(zhì)出口端黏度損失率進(jìn)行對(duì)比，折算成相對(duì)黏度損失率，聚合物溶液黏度及黏度損失率與運(yùn)移距離關(guān)系的動(dòng)態(tài)曲線（見(jiàn)圖5）、聚合物溶液相對(duì)黏度損失率與相對(duì)運(yùn)移距離關(guān)系的動(dòng)態(tài)曲線（見(jiàn)圖6）。

由圖5 可知，聚合物溶液在巖心中機(jī)械降解的黏度損失率隨運(yùn)移距離的增加而增加；當(dāng)在巖心中的運(yùn)移距離小于2.4 m 時(shí)，黏度損失率隨運(yùn)移距離的增加而迅速上升至40%；當(dāng)在巖心中的運(yùn)移距離超過(guò)2.4 m后，黏度損失率隨運(yùn)移距離增加的增速明顯減緩；說(shuō)明聚合物溶液在巖心中機(jī)械降解導(dǎo)致的黏損主要發(fā)生在入口端2.4 m 以內(nèi)。由圖6 可知，聚合物溶液在巖心中相對(duì)運(yùn)移距離達(dá)到12%時(shí)，其在巖心中機(jī)械降解的相對(duì)黏度損失率已超過(guò)85%。海上油田平均井間距在100～400 m，折算到井底為注水井井筒附近12～48 m，表明聚合物溶液在儲(chǔ)層中由于機(jī)械作用導(dǎo)致的黏度損失主要在井筒50 m 內(nèi)的近井地帶，其絕對(duì)黏度損失率超過(guò)40%，相對(duì)黏度損失率超過(guò)85%。

圖5 黏度/黏度損失率與運(yùn)移距離關(guān)系圖

圖6 相對(duì)黏度損失率與相對(duì)運(yùn)移距離關(guān)系圖

2.1.3 滲透率對(duì)聚合物濃度/黏度的影響 實(shí)際儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和分布復(fù)雜，滲透率變化差異大，此時(shí)聚合物在不同滲透率儲(chǔ)層中運(yùn)移時(shí)受到的機(jī)械降解作用程度不一，將1 500 mg/L 的 聚合物HPAM 溶液以1 m/d 注入30 cm 長(zhǎng)、不同滲透率的巖心中，聚合物溶液在巖心出口端的濃度與滲透率關(guān)系動(dòng)態(tài)圖（見(jiàn)圖7）。

由圖7 可知，當(dāng)注入4 PV 聚合物時(shí)，不同滲透率巖心出口端采出液的濃度均接近了原始溶液濃度，說(shuō)明此時(shí)聚合物溶液在不同滲透率巖心中的滯留均達(dá)到了臨界點(diǎn)、達(dá)到了滯留飽和狀態(tài)；且滯留飽和PV 數(shù)為4 PV，與滲透率無(wú)關(guān)。4 PV 后，巖心出口端聚合物溶液的黏度損失則完全是由巖心機(jī)械降解引起的、排除了滯留作用的影響，黏度損失率與滲透率動(dòng)態(tài)關(guān)系（見(jiàn)圖8）。

圖7 濃度與滲透率關(guān)系圖

圖8 黏度/黏度損失率與滲透率關(guān)系圖

由圖8 可知，滲透率小于1 000 mD 時(shí)，聚合物溶液的黏度損失隨滲透率增加而快速增大；當(dāng)滲透率大于1 000 mD 時(shí)，聚合物溶液的黏度損失增加變緩；表明多孔介質(zhì)滲透率對(duì)聚合物的流變性影響較大。分析可知，（1）滲透率較低時(shí)，巖心內(nèi)的孔隙尺寸較小，巖心內(nèi)比表面積大，對(duì)聚合物溶液的吸附增大；（2）聚合物大分子尺寸與巖心孔隙尺寸比值增大，導(dǎo)致聚合物在多孔介質(zhì)中的機(jī)械捕集增大；（3）滲透率越低，聚合物分子在孔隙內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到的拉伸速率和剪切速率增大，導(dǎo)致聚合物受到的降解作用力越大。綜合作用，導(dǎo)致滲透率越低，聚合物溶液的黏度損失越嚴(yán)重。

2.2 聚合物溶液調(diào)節(jié)非均質(zhì)性能力研究

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際儲(chǔ)層不能完全是一維的均質(zhì)儲(chǔ)層，實(shí)際油藏往往存在著縱向非均質(zhì)，以并聯(lián)巖心模擬非均質(zhì)儲(chǔ)層、研究聚合物溶液的調(diào)節(jié)非均質(zhì)能力，進(jìn)而應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)注聚合物。

2.2.1 兩管并聯(lián)巖心分流率 將1 500 mg/L 聚合物溶液注入不同滲透率級(jí)差（1:2、1:4 和1:10）的兩管并聯(lián)巖心中，通過(guò)計(jì)算水驅(qū)、聚驅(qū)及后續(xù)水驅(qū)巖心的分流率變化情況，研究聚合物溶液調(diào)整非均質(zhì)能力；實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖9）。

圖9 兩管并聯(lián)巖心分流率

由圖9 可知，滲透率級(jí)差1:2、1:4、1:10 的三組并聯(lián)巖心：注聚前水驅(qū)，對(duì)應(yīng)的高低滲巖心的分流率為71%和29%、86%和14%、98.5%和1.5%。注入聚合物時(shí)，對(duì)應(yīng)的高低滲巖心的分流率為63%和37%、78%和22%、97%和3%，每組并聯(lián)巖心中的低滲巖心的分流率均有所增加，表明注聚對(duì)剖面具有一定程度的改善效果，但改善程度一般。后續(xù)水驅(qū)階段，對(duì)應(yīng)的高低滲巖心的分流率為80%和20%、91%和9%、99.5%和0.5%，對(duì)比注聚前、高低滲巖心的分流率差異反而進(jìn)一步擴(kuò)大，說(shuō)明聚驅(qū)后，非均質(zhì)性矛盾加劇，這也與陸地油田聚驅(qū)后有效期短、儲(chǔ)層情況變差的情況基本統(tǒng)一。

2.2.2 三管并聯(lián)巖心分流率 將1 500 mg/L 聚合物溶液注入滲透率級(jí)差1:2:10 的三管并聯(lián)巖心中，通過(guò)計(jì)算水驅(qū)、聚驅(qū)及后續(xù)水驅(qū)三根巖心的分流率變化情況，研究聚合物溶液調(diào)整縱向多層非均質(zhì)能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖10）。

圖10 三管并聯(lián)巖心分流率

由圖10 可知，滲透率級(jí)差1:2:10 的三管并聯(lián)巖心：注聚前水驅(qū)，對(duì)應(yīng)的高/中/低滲巖心的分流率為88%、10.8%和1.2%。注入聚合物時(shí)，對(duì)應(yīng)的高/中/低滲巖心的分流率為78%、18.5%和3.5%，中/低滲巖心的分流率均有所增加，表明注聚對(duì)多層非均質(zhì)的剖面也具有一定程度的改善效果。后續(xù)水驅(qū)階段，對(duì)應(yīng)的高/中/低滲巖心的分流率為95%、4.2%和0.8%，對(duì)比注聚前、中/低滲巖心的分流率有明顯的降低，高滲巖心與中低滲巖心的分流率差異加劇，說(shuō)明聚驅(qū)后，高滲層的優(yōu)勢(shì)更突出，而中低滲的流通能力更弱，儲(chǔ)層非均質(zhì)性更強(qiáng)。表明聚合物適于滲透率級(jí)差不超過(guò)10、非均質(zhì)性不明顯的儲(chǔ)層。

3 結(jié)論

（1）聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的機(jī)械降解與流速的關(guān)系可以用快速降解的“臨界流速（vc=2 m/d）”和極限降解的“極限流速（vL=10 m/d）”來(lái)表征。

（2）聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的機(jī)械降解主要發(fā)生在井筒50 m 內(nèi)的近井地帶，其絕對(duì)黏度損失率超過(guò)40%，相對(duì)黏度損失率超過(guò)85%。

（3）聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的降解界限為1000 mD，當(dāng)滲透率小于1 000 mD 時(shí)，聚合物溶液的黏度損失隨滲透率增加而快速增大；當(dāng)滲透率大于1 000 mD 時(shí)，聚合物溶液的黏度損失增加變緩。

（4）聚合物溶液對(duì)非均質(zhì)儲(chǔ)層具有一定程度的剖面改善效果，但改善程度一般且作用有效期短，滲透率級(jí)差超過(guò)10 時(shí)、注聚效果不明顯。