蘇延昌

（中國(guó)石油大慶油田第六采油廠，黑龍江大慶 163114）

目前，國(guó)內(nèi)東部地區(qū)大部分水驅(qū)油田已經(jīng)進(jìn)入高含水或特高含水階段，“穩(wěn)油控水”任務(wù)十分艱巨，亟待采取大幅度提高采收率技術(shù)措施。實(shí)踐表明，聚合物驅(qū)油技術(shù)是一項(xiàng)大幅提高水驅(qū)油藏采收率的技術(shù)措施。大慶油田自1996 年開始聚合物驅(qū)工業(yè)化推廣應(yīng)用，至今已連續(xù)16年原油產(chǎn)量大于1×107t，采收率增幅13%～14%，經(jīng)濟(jì)效果十分明顯［1-3］。隨著聚合物驅(qū)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大和油藏類型增加，聚合物類型不斷增多，聚合物溶液油藏適應(yīng)性問題開始受到石油科技工作者的高度重視。視黏度是目前挑選聚合物類型的主要依據(jù)，而黏度是聚合物溶液內(nèi)摩擦力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它與聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、濃度、分子結(jié)構(gòu)形態(tài)和溶劑水礦化度等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量愈大、濃度愈高和礦化度愈低，聚合物溶液黏度愈高。但由于制作工藝、成本和環(huán)保等因素影響，通過增加相對(duì)分子質(zhì)量與濃度和采用清水來(lái)增加黏度的做法受到極大限制，因而改變聚合物分子聚集體形態(tài)就成為提升聚合物增黏性的主要做法［4-7］?？果}聚合物是一類通過改變聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)來(lái)提升聚合物增黏性聚合物的總稱，包括疏水締合聚合物、枝化聚合物和星型聚合物等。但一味追求通過改變聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)形態(tài)來(lái)提升黏度的做法也會(huì)帶來(lái)聚合物分子聚集體與巖石孔喉尺寸匹配關(guān)系和聚合物波及效果變差的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)［8-16］。

大慶太北開發(fā)區(qū)主要以三角洲內(nèi)前緣相沉積為主，具有河道規(guī)模小、單層厚度薄和滲透率低、水驅(qū)控制程度和采出程度低等特點(diǎn)，亟待采取大幅度提高采收率技術(shù)措施。太18-38井區(qū)位于太北開發(fā)區(qū)中部，平均單井射開砂巖厚度15.8 m，有效厚度10.4 m，平均有效滲透率0.239 μm2，具備聚合物驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用潛力。為考察普通聚合物和抗鹽聚合物溶液的油藏適應(yīng)性，本文以區(qū)間壓差和壓差比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展了兩類聚合物溶液傳輸運(yùn)移能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和作用機(jī)理分析［17-18］，以期為目標(biāo)油藏聚合物的選擇提供決策依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺，中國(guó)石油大慶煉化公司生產(chǎn)，包括中分聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1200×104，有效含量90%；中高分聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1600×104，有效含量90%；高分聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1900×104，有效含量90%；超高分聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量2500×104，有效含量88%；抗鹽聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量700×104，有效含量90%。大慶油田第五采油廠采出污水、清水和地層水，污水礦化度5840.99 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+25.05、Mg2+9.11、K++Na+1817、Cl-1293.93、SO42-72.05、HCO3-2623.86；清水礦化度998.62 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+30.06、Mg2+12.15、K++Na+239.78、Cl-88.63、SO42-30.02、HCO3-598；地層水礦化度7156.5 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Ca2+14.9、Mg2+7.5、K++Na+2428、Cl-2266.9、SO42-54.1、HCO3-2160.1、CO32-197.7。實(shí)驗(yàn)中所用聚合物溶液均采用清水配制聚合物母液（cp=5 g/L），然后用污水稀釋為目的液（cp=1 g/L）。石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心［19-20］。其中，聚合物溶液滲流特性實(shí)驗(yàn)所用巖心為小圓柱，2.5 cm（直徑）×10 cm（長(zhǎng)），氣測(cè)滲透率（Kg）為250×10-3～1500×10-3μm2；聚合物溶液傳輸運(yùn)移能力實(shí)驗(yàn)所用巖心為方巖心，4.5 cm（高）×4.5 cm（寬）×30 cm（長(zhǎng)），Kg為250×10-3～1500×10-3μm2。采用環(huán)氧樹脂澆鑄和密封巖心，在巖心入口端、距入口1/3和2/3處設(shè)置壓力測(cè)試點(diǎn)，3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)將巖心在長(zhǎng)度方向上劃分為區(qū)域1、區(qū)域2 和區(qū)域3，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度為10 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度儀，美國(guó)Brookfield 公司；Waring攪拌器，美國(guó)Waring公司；NanoZS90馬爾文粒徑分析儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；Tecnai G2 F20 高分辨場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡，美國(guó)FEI 公司；巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，由平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、管線閘門、手搖泵和中間容器等部件組成，除平流泵和手搖泵外，其他部件置于45 ℃恒溫箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程見參考文獻(xiàn)［4］。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）聚合物黏度的測(cè)定。采用布氏黏度儀測(cè)量聚合物溶液的黏度，轉(zhuǎn)子型號(hào)為0 號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為6 r/min。為了模擬聚合物溶液在多孔介質(zhì)中隨著運(yùn)移距離變化而引起的黏度變化，以及了解各類型聚合物溶液的黏度保留率，采用Warning 攪拌器對(duì)聚合物溶液進(jìn)行預(yù)剪切，剪切速度3000 r/min，剪切時(shí)間分別為1、3、5 s。

（2）滲流特性評(píng)價(jià)。采用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。具體步驟為：巖心抽真空飽和地層水，水驅(qū)，記錄穩(wěn)定注入壓力δp1；聚合物溶液驅(qū)5 PV，記錄壓力δp2；后續(xù)水驅(qū)4～5 PV，記錄壓力δp3。計(jì)算阻力系數(shù)（δp2/δp1）和殘余阻力系數(shù)（δp3/δp1）。

（3）傳輸運(yùn)移能力評(píng)價(jià)。采用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)聚合物溶液的傳輸運(yùn)移能力。具體步驟為：巖心抽真空飽和地層水，水驅(qū)，記錄各測(cè)壓點(diǎn)的穩(wěn)定壓力p水驅(qū)1、p水驅(qū)2和p水驅(qū)3；聚合物溶液驅(qū)1 PV，定期記錄各測(cè)壓點(diǎn)壓力p聚驅(qū)1、p聚驅(qū)2和p聚驅(qū)3；后續(xù)水驅(qū)1 PV，記錄各測(cè)壓點(diǎn)壓力p后續(xù)水驅(qū)1、p后續(xù)水驅(qū)2和p后續(xù)水驅(qū)3。實(shí)驗(yàn)過程中的注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔30 min。聚合物溶液在巖心內(nèi)傳輸運(yùn)移能力評(píng)價(jià)指標(biāo)為各個(gè)區(qū)域的壓差δp，定義為：

其中，δp1、δp2、δp3分別為巖心區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的壓差，p1、p2和p3為測(cè)壓點(diǎn)1、測(cè)壓點(diǎn)2 和測(cè)壓點(diǎn)3的壓力。另一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為聚合物驅(qū)結(jié)束時(shí)巖心前部區(qū)域與后部區(qū)域壓差之比（β），定義為：

推薦指標(biāo)β的范圍為：1≤β＜3，優(yōu)良；3≤β＜9，中等；9≤β＜16，較差；β≥16，差［14］。

（4）聚合物分子聚集體尺寸的測(cè)定。將5 種聚合物溶液的質(zhì)量濃度稀釋到1 g/L，在45 ℃條件下采用馬爾文粒徑分析儀測(cè)定聚合物分子聚集體尺寸。

（5）聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)的表征。采用高分辨場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡觀察聚合物分子聚集體的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。將聚合物溶液稀釋至200 mg/L，再進(jìn)行液氮冷凍制樣，隨后對(duì)樣品噴金，最后觀測(cè)樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物增黏性及影響因素

2.1.1 聚合物類型的影響

當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度為1 g/L 時(shí)，中分聚合物、中高分聚合物、高分聚合物、超高分聚合物、抗鹽聚合物溶液的黏度分別為22.6、31.9、35.6、46.4、52.4 mPa·s。在聚合物質(zhì)量濃度相同的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物溶液的黏度較高。在4 種普通聚合物中，隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量增加，聚合物溶液黏度增大。聚合物在水溶液中呈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀分布，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量愈大，分子鏈愈長(zhǎng)，需要協(xié)同運(yùn)動(dòng)的鏈段愈多，分子間作用力即內(nèi)摩擦力愈大，視黏度愈大［21-22］。

2.1.2 剪切作用的影響

將1 g/L 的聚合物溶液分別剪切1、3、5 s，其保留黏度和保留率與剪切時(shí)間的關(guān)系見表1。當(dāng)聚合物類型和濃度一定時(shí)，隨剪切時(shí)間增加，聚合物溶液黏度降低；當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度一定時(shí)，5種聚合物溶液中抗鹽聚合物溶液的保留率較低，表明抗剪切能力較差。

表1 聚合物溶液保留黏度和保留率與剪切時(shí)間的關(guān)系

2.2 聚合物溶液的滲流特性

2.2.1 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

聚合物溶液（cp=1 g/L）的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)與巖心滲透率的關(guān)系見表2。在聚合物類型和濃度相同的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心孔喉尺寸增大，多孔介質(zhì)內(nèi)聚合物滯留量減少，滯留能力下降，滲流阻力降低，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)逐漸減小。在聚合物質(zhì)量濃度和巖心滲透率一定的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留作用較強(qiáng)，滲流阻力較大，因而阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)較大。在4種普通聚合物中，隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增大，聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增大。

表2 聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

2.2.2 動(dòng)態(tài)特征

實(shí)驗(yàn)過程中注入壓力與注入體積的關(guān)系見圖1。在聚合物溶液注入階段，隨注入體積的增加，注入壓力逐漸升高。在后續(xù)水驅(qū)階段，注入壓力降低并趨于平穩(wěn)。在聚合物類型和濃度相同的條件下，隨巖心滲透率降低，聚合物注入階段和后續(xù)水驅(qū)階段的注入壓力逐漸增大。隨巖心滲透率降低，孔隙尺寸減小，聚合物滯留增加，附加滲流阻力增大，導(dǎo)致注入壓力升高。在聚合物質(zhì)量濃度和巖心滲透率一定的條件下，與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留量較高，附加滲流阻力較大，因此注入壓力較高。在4種普通聚合物中，隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增大，聚合物注入階段和后續(xù)水驅(qū)階段的注入壓力升幅增加。隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增大，聚合物分子鏈長(zhǎng)度增加，聚集體尺寸增大，其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留量增加，因此附加滲流阻力和注入壓力升幅增大。

依據(jù)注聚合物過程（圖1）中注入壓力是否達(dá)到穩(wěn)定即出現(xiàn)水平段（注采平衡），可以確定聚合物溶液能通過巖石的最低滲透率即滲透率極限值K。其中，中分、中高分和高分聚合物溶液的滲透率極限值約為238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2，超高分和抗鹽聚合物溶液的滲透率極限值約為500×10-3μm2。

圖1 巖心中注入不同聚合物溶液的注入壓力與注入量的關(guān)系

2.3 聚合物溶液的傳輸運(yùn)移能力

2.3.1 壓差和壓差比

聚合物溶液注入結(jié)束時(shí)，巖心各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)區(qū)間的壓差δp和壓差比β見表3。依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)β數(shù)值與傳輸運(yùn)移能力的優(yōu)劣關(guān)系，并與表4 中的數(shù)據(jù)對(duì)比綜合考慮可以看出，當(dāng)巖心滲透率為250×10-3～510×10-3μm2時(shí)，中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β1小于3、β3大于9，大部分聚合物在巖心中部滯留，因此β2的值對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)意義更大。中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β2分別為4.15、4.98、5.72 和5.83，傳輸運(yùn)移能力中等?？果}聚合物溶液的β1為32.2，傳輸運(yùn)移能力差。當(dāng)巖心滲透率為750×10-3～1500×10-3μm2時(shí)，中分和中高分聚合物溶液的β2為2.43 和3.24（選擇中間滲透率的β2為代表），傳輸運(yùn)移能力優(yōu)良；高分和超高分聚合物溶液的β2為4.43 和4.88，傳輸運(yùn)移能力中等。抗鹽聚合物溶液的β1為25.87，傳輸運(yùn)移能力差。在5 種聚合物中，抗鹽聚合物溶液在巖心孔隙內(nèi)尤其是注入端附近區(qū)域的滯留量較大，壓差值和壓差比值較大，其次為超高分聚合物溶液，再其次是高分聚合物溶液和中高分聚合物溶液，中分聚合物溶液的最小。由此可見，抗鹽聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的傳輸運(yùn)移能力較差。

表3 巖心各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)區(qū)間的壓差和壓差比

2.3.2 動(dòng)態(tài)特征

當(dāng)巖心滲透率Kg=500×10-3μm2和聚合物質(zhì)量濃度cp=1 g/L時(shí)，5種聚合物溶液注入巖心后各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力與注入量的關(guān)系見圖2。當(dāng)注入體積為1 PV時(shí)，在測(cè)壓點(diǎn)1處，注入壓力從大到小依次為抗鹽、超高分、高分、中高分、中分聚合物。在測(cè)壓點(diǎn)2處，注入壓力從大到小依次為高分、中高分、中分、抗鹽聚合物、超高分。在測(cè)壓點(diǎn)3處，注入壓力從大到小依次為中分、中高分、高分、超高分、抗鹽聚合物。由此可見，對(duì)于普通聚合物溶液，隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增加，聚合物溶液傳輸運(yùn)移能力變差。與普通聚合物溶液相比，抗鹽聚合物溶液的傳輸運(yùn)移能力較差。

圖2 巖心中注入不同聚合物溶液后各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力與注入量的關(guān)系

2.4 作用機(jī)理分析

2.4.1 聚合物分子聚集體尺寸

兩類聚合物溶液中的聚合物分子聚集體尺寸見表4。在聚合物質(zhì)量濃度相同的條件下，隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增加，聚合物分子聚集尺寸逐漸增大，聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留水平提高，滲流阻力增幅增大，傳輸運(yùn)移能力減弱。與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留能力較強(qiáng)，滲流阻力增幅較大，傳輸運(yùn)移能力較差。王曉燕等［21-22］認(rèn)為在相同濃度的聚合物溶液中，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子鏈越長(zhǎng)，分子聚集體尺寸越大。隨聚合物質(zhì)量濃度增加，單位體積內(nèi)的分子線團(tuán)數(shù)量增大，羧基所帶負(fù)電荷增多，陽(yáng)離子屏蔽效應(yīng)相對(duì)減弱，各個(gè)支鏈間的靜電斥力得以增強(qiáng)，聚合物分子鏈?zhǔn)嬲钩潭仍黾?，聚合物分子聚集體尺寸增大。

表4 聚合物分子聚集體尺寸

2.4.2 聚合物分子聚集體結(jié)構(gòu)特征

普通高分和抗鹽聚合物分子聚集體的微觀結(jié)構(gòu)見圖3。高分聚合物分子聚集體呈線-網(wǎng)狀，而抗鹽聚合物呈片-網(wǎng)狀。與抗鹽聚合物相比，高分聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)中的骨干比較細(xì)，分子鏈的粗細(xì)程度相似，分子鏈的線性程度較高，分子間的纏繞作用較弱。此外，抗鹽聚合物分子鏈上存在少量片狀結(jié)構(gòu)。與線-網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，片-網(wǎng)結(jié)構(gòu)聚合物分子的鏈間纏繞作用和內(nèi)摩擦力較強(qiáng)，分子聚集體尺寸較大，因而增黏性和多孔介質(zhì)內(nèi)的滯留能力較強(qiáng)。

圖3 聚合物分子聚集體的電鏡照片

3 結(jié)論

與普通聚合物相比，抗鹽聚合物分子聚集體尺寸較大，巖心孔隙內(nèi)尤其是注入端附近區(qū)域內(nèi)的滯留水平較高，致使該區(qū)域滲流阻力增幅以及壓差和壓差比值較大，傳輸運(yùn)移能力較差。與普通聚合物不同，抗鹽聚合物分子鏈上存在少量片狀結(jié)構(gòu)，致使聚合物分子鏈間纏繞作用增強(qiáng)、分子聚集體尺寸增大和聚合物傳輸運(yùn)移能力變差。當(dāng)目標(biāo)油藏儲(chǔ)層滲透率為238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2時(shí)，與其相適應(yīng)的聚合物為中分、中高分和高分聚合物；儲(chǔ)層滲透率為500×10-3μm2時(shí)，適應(yīng)的聚合物為超高分和抗鹽聚合物。