羅光杰,元福卿,何 宏,金曉波

(1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100; 2.油氣鉆采工程 湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430100; 3.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015)

引 言

為解決海上平臺作業(yè)空間有限和提高聚合物溶液的配注效率,開展了聚合物在線熟化工藝技術(shù)研究及其應(yīng)用。然而,礦場應(yīng)用過程中聚合物存在溶解熟化規(guī)律不清晰、注入到地層可能存在尚未完全溶解熟化現(xiàn)象[1-2],因此,開展不同溶解程度聚合物在多孔介質(zhì)中滲流特征與驅(qū)油規(guī)律研究,為聚合物在線熟化工藝的礦場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

聚合物的溶解熟化性能受到聚合物的干粉粒徑、攪拌轉(zhuǎn)速、溫度和礦化度等因素影響[3-12]。王穎等[5]通過控制變量實驗分析了海上油田的疏水締合聚合物溶解工藝,提出了管線沿程加篩網(wǎng)可以加速聚合物溶解。于新哉[6]通過縮短聚合物熟化時間的實驗,得到母液在管道中的輸注過程可以作為熟化過程的一部分,聚合物溶液在管道中繼續(xù)熟化溶解。喻琴[7]針對海上油田注聚量大、平臺空間有限、平臺承重能力有限,提出了利用助溶劑小分子與聚合物大分子鏈氫鍵作用,促進聚合物大分子鏈伸展;增加聚合物分子線團尺寸,達到加速聚合物干粉溶解和提高聚合物溶液黏彈性目的。周彥霞等[8]提出未完全熟化的聚合物溶液抗剪切性能更強,到達注聚井井底時,存在恰好能形成完全溶解的均勻溶液,能夠滿足注聚黏度要求。郭光范等[9]研究了不同溶解程度的疏水締合聚合物的抗剪切性和注入性能,未完全溶解的聚合物抗剪切性能強,同時當(dāng)溶解程度高于85%時,注入壓力平穩(wěn)?？傊?雖然學(xué)者們對聚合物熟化性能影響因素、縮短聚合物熟化時間開展了大量研究,但對不同溶解程度聚合物在地層多孔介質(zhì)中的滲流及微觀動用剩余油規(guī)律仍然缺乏清晰認識,制約了海上油田礦場在線熟化工藝技術(shù)的高效應(yīng)用推廣。

勝利海上埕島油田為高孔高滲巖性構(gòu)造層狀油藏,平均孔隙度33.3%,空氣滲透率1379×10-3μm2。針對該油藏條件,以速溶聚合物為研究對象,通過機械攪拌方法,研究地層水礦化度、剪切速率對聚合物溶解熟化性能的影響,明確不同因素下聚合物溶解時間和溶解后黏度變化規(guī)律。通過填砂管巖心驅(qū)替實驗,研究滲透率、聚合物溶解程度對聚合物在多孔介質(zhì)中滲流特征的影響,明確不同溶解程度注入性與滲透率的匹配關(guān)系?；谖⒂^可視化驅(qū)油實驗,研究不同溶解程度聚合物的滲流特征與驅(qū)油規(guī)律,明確不同溶解程度對微觀剩余油動用規(guī)律,為速溶聚合物在線熟化工藝技術(shù)在海上油田礦場應(yīng)用提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

耐溫抗鹽速溶聚合物(勝利油田提供):分子量為2.8×107、水解度為20%,寶莫生物(簡稱BM聚合物);實驗用水為模擬地層水,礦化度分別為5 000 mg/L、10 000 mg/L、15 000 mg/L和20 000 mg/L。氯化鈉、氯化鈣均為分析純等。

1.1.2 實驗儀器

DQ-Ⅰ型多功能大尺寸巖心驅(qū)替裝置(江蘇華安科研儀器有限公司);HSB-2型恒速恒壓泵(江蘇華安科研儀器有限公司);Brookfield DV-II型黏度計、JJ-1型攪拌器等;恒溫水浴鍋、燒杯、量筒等;微觀玻璃刻蝕模型根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)特征,采用刻蝕工藝制作而成,其中,模型尺寸為4 cm×4 cm,孔隙喉道尺寸為10～50 μm。

1.2 實驗內(nèi)容及步驟

(1)聚合物溶解熟化性能分析。①稱取200 mL地層水于燒杯中,設(shè)置攪拌器的轉(zhuǎn)速處于300～600 r/min,使地層水形成旋渦;②稱取所需BM聚合物干粉質(zhì)量,在20 s內(nèi)把所稱取的聚合物干粉撒進溶劑中,繼續(xù)攪拌;③配制系列平行聚合物溶液樣品,每間隔5 min用注射器取出適量聚合物溶液,用黏度計測量并記錄黏度值(每組3-5次取平均黏度);④當(dāng)連續(xù)3個點溶液的聚合物溶液黏度值波動小于5%時,可視為完全溶解,結(jié)束實驗;⑤繪制聚合物溶液黏度隨時間的變化曲線;⑥溶解程度的確定公式為

(1)

其中:R為溶解程度,%;t1為完全溶脹時間,min;t2為基本溶解時間點(基本溶解時的聚合物溶液性能與完全溶解時性能接近),min;ti為需要判別溶解程度的時間點,min。

(2)聚合物滲流實驗。①初始水驅(qū)階段,以設(shè)定流速水驅(qū)至填砂管巖心兩端壓差穩(wěn)定,計算出巖心初始滲透率;②注入聚合物和后續(xù)水驅(qū)階段,以設(shè)定流速向巖心模型中注入聚合物溶液,壓力平穩(wěn)后以相同注入速度轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū);③監(jiān)測不同階段各測壓點壓力變化,根據(jù)初始水驅(qū)、注入聚合物和后續(xù)水驅(qū)結(jié)束階段驅(qū)替壓差,計算出不同條件下阻力系數(shù)Fr、殘余阻力系數(shù)Frr。公式為

(2)

(3)

其中:Fr為阻力系數(shù);Frr為殘余阻力系數(shù);Δpp為注聚合物過程中的驅(qū)替壓差,MPa;Δpwa為注聚合物前的水驅(qū)驅(qū)替壓差,MPa;Δpwb為注聚合物后的水驅(qū)驅(qū)替壓差,MPa。

(3)微觀模型驅(qū)油實驗。①模型抽真空飽和水;②在70 ℃下以0.01 mL/min的注入速率飽和油,并在70 ℃下老化24 h;③以0.01 mL/min的注入速度水驅(qū),直至模型出口端不出油為止,觀察水驅(qū)過程中的微觀滲流過程,并采集驅(qū)替過程中的動態(tài)圖像,拍攝微模型內(nèi)剩余油分布;④以0.01 mL/min的注入速度注入1PV不同溶解程度BM聚合物,利用顯微鏡觀察并記錄不同驅(qū)替階段模型中油水分布的變化情況,觀察注入不同溶解程度聚合物驅(qū)油后的剩余油狀況,并錄取驅(qū)替過程中的動態(tài)圖像,整個驅(qū)替過程通過顯微鏡觀察并記錄原油在刻蝕模型中的流動狀態(tài);⑤分析圖像,利用軟件計算此驅(qū)替條件下的驅(qū)油效率;⑥實驗結(jié)束后,分別用煤油、石油醚和乙醇清洗微觀刻蝕模型。

圖1 微觀驅(qū)替實驗流程Fig.1 Process of micro displacement experiment

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物溶解熟化性能及影響因素

聚合物主要通過提高驅(qū)替相黏度、改變油水流度比,進而擴大波及體積系數(shù)提高原油采收率。因此,評價聚合物溶液驅(qū)油能力的重要指標之一是聚合物溶液黏度。聚合物溶解時,由于聚合物分子與溶劑分子尺寸存在較大差距,兩者分子運動速度也有很大差別。溶劑分子先擴散進入聚合物外層,并逐漸由外層進入內(nèi)層。聚合物溶解過程分為兩個階段:溶脹階段,形成溶脹膠團;溶解階段,溶脹膠團完全溶解,形成均勻的溶液。有必要研究不同礦化度和剪切速率下聚合物的溶解熟化性能。

2.1.1 地層水礦化度

使用不同礦化度的模擬地層水配制濃度為2 000 mg/L的BM聚合物溶液,在30 ℃條件下,以500 r/min的剪切速率攪拌聚合物,研究BM聚合物在不同礦化度下分散熟化規(guī)律,結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同礦化度下聚合物溶液黏度與溶解時間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship of polymer solution viscosity and dissolution time under different salinity

圖3 不同礦化度下聚合物完全溶解時間及其黏度Fig.3 Complete dissolution time of polymer and viscosity of polymer solution under different salinity

由圖2可知,地層水礦化度為5 000 mg/L時BM聚合物最終黏度為87.5 mPa·s,而礦化度為20 000 mg/L時BM聚合物最終黏度為51.2 mPa·s。由圖3可知,隨著礦化度增加,BM聚合物完全溶解時間延長。聚合物攪拌分散溶解時,分子鏈上產(chǎn)生羧基負離子,臨近的羧基之間相互靜電排斥,利于分子鏈的展開。當(dāng)溶液的礦化度增加時,外加電解質(zhì)使得羧基的雙電層和水化層變薄,大分子鏈上帶同種電荷的羧基相互排斥作用減弱,分子鏈不易展開,聚合物完全溶解時的黏度降低。

2.1.2 剪切速率

使用模擬地層水(礦化度為10 000 mg/L)配制濃度為2 000 mg/L的BM聚合物溶液,在30 ℃條件下,分別以300 r/min、400 r/min、500 r/min和600 r/min的剪切速率攪拌聚合物,研究BM聚合物在不同剪切速率下溶解熟化規(guī)律,結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同剪切速率下聚合物黏度與溶解時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationshipsbetween polymer viscosity and dissolution time in different shear rates

圖5 不同剪切速率下聚合物完全溶解時間及其黏度Fig.5 Complete dissolution time of polymer and viscosity of polymer solution under different shear rates

由圖4、圖5可知,在不同剪切速率下,BM聚合物完全溶解時間為30～50 min,且最終黏度值接近。隨著剪切速率的增加,聚合物完全溶解時間縮短,聚合物溶解速度加快。由于在聚合物溶解過程中,水分子能夠較快地滲透進入聚合物內(nèi)部,而聚合物分子向溶劑擴散的速度非常慢。聚合物干粉顆粒與水接觸后,吸水緩慢并形成溶脹膠團。隨著剪切速率的增加,加快了水分子向聚合物內(nèi)部擴散的過程,縮短了溶膠膠團分散時間。

因此,為了達到更好的聚合物溶解效果,應(yīng)保證轉(zhuǎn)速處于500～600 r/min進行機械攪拌,攪拌時間為30～50 min。

2.2 不同溶解程度聚合物在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律

2.2.1 巖心滲透率

使用模擬地層水(礦化度為10 000 mg/L)配制濃度為2 000 mg/L的BM聚合物溶液,利用不同滲透率的填砂管,在30 ℃條件下以0.5 mL/min進行驅(qū)替。根據(jù)上述實驗方法,研究不同溶解程度聚合物在不同滲透率巖心中滲流特性影響規(guī)律,得到不同滲透率下不同溶解程度聚合物注入壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化關(guān)系,結(jié)果見圖6。

圖6 不同巖心滲透率下聚合物在巖心中的注入壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)變化關(guān)系Fig.6 Relationships between injection pressure of polymer with different solubility and multiple of injected pore volume under different core permeability

未完全溶解的聚合物黏度是低于完全溶解聚合物黏度的,理論上未完全溶解的聚合物在注入過程中所需的注入壓力應(yīng)該小于完全溶解的聚合物。但根據(jù)不同溶解程度聚合物驅(qū)替實驗,分析聚合物注入壓力及后續(xù)水驅(qū)壓力等實驗數(shù)據(jù)可知:在不同巖心滲透率下,溶解程度為60%時,聚合物注入過程中壓力高,后續(xù)水驅(qū)壓力下降直至平穩(wěn)。分析認為,聚合物的溶解程度越低,其溶液中所含有的不溶物越多,注入過程中更易在多孔介質(zhì)孔隙通道中形成堵塞物,增加了后續(xù)聚合物向巖心中推進的難度。

由圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)可知,100%溶解程度聚合物在經(jīng)過一開始的突破壓力后壓力逐漸下降直至平穩(wěn);80%溶解程度的聚合物前期注入壓力升高到一定程度后,注入壓力逐漸下降并趨于平穩(wěn);60%溶解程度聚合物在注入期間,由于存在聚合物的溶脹物和未溶解顆粒,產(chǎn)生注入壓力升高現(xiàn)象,并具有一定的“持久性”,致使整個注入過程中的壓力一直處于上升狀態(tài)。但這種現(xiàn)象并不是永久性的,在轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)后注入壓力明顯下降至較低水平。

由圖6(d)可知,100%溶解程度與80%溶解程度的聚合物在注入過程中的注入壓力區(qū)別較小;80%溶解程度聚合物中所攜帶的未溶解顆粒此時已經(jīng)無法對注入壓力產(chǎn)生較大影響;但60%溶解程度聚合物中所攜帶的溶脹物質(zhì)、未溶解顆粒,會造成注入壓力的升高。

此外,相同滲透率條件下,隨著聚合物溶解程度的增加,聚合物驅(qū)平穩(wěn)時的注入壓力逐漸減小,其達到壓力平衡時的注入量也越小,后續(xù)水驅(qū)的壓力也持續(xù)降低。

2.2.2 聚合物溶解程度

使用模擬地層水(礦化度為10 000 mg/L)配制濃度為2 000 mg/L的BM聚合物溶液,利用不同滲透率的填砂管,在30 ℃條件下以0.50 mL/min進行驅(qū)替,研究了不同溶解程度聚合物在不同滲透率巖心中滲流特性,結(jié)果如圖7所示。

相同溶解程度條件下,隨著滲透率的增加,聚合物驅(qū)的注入壓力呈現(xiàn)減小趨勢。當(dāng)聚合物的溶解程度為60%時,不同滲透率條件下,聚合物驅(qū)過程中壓力升高。隨著滲透率的增加,聚合物注入過程的壓力降低,后續(xù)水驅(qū)過程壓力降低至平穩(wěn)。當(dāng)溶解程度為80%和100%時,聚合物注入過程中壓力隨著滲透率的增加而降低,后續(xù)水驅(qū)過程中壓力均能達到平穩(wěn)。表明當(dāng)速溶聚合物溶解程度在80%以上,聚合物溶液在巖心滲透率0.5～2 μm2內(nèi)均能夠順利注入。

2.2.3 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)分析

根據(jù)上述不同溶解程度下聚合物注入過程中壓力變化關(guān)系計算出不同條件下的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù),結(jié)果如圖8所示。

圖8 聚合物在不同滲透率下的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)Fig.8 Resistance coefficient and residual resistance coefficient under different core permeability

由圖8可知,隨著巖心滲透率和溶解程度的增加,阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)降低。由于滲透率增加,巖心孔喉尺寸增加,速溶聚合物的注入性能增加;溶解程度增加,聚合物中的不溶解物質(zhì)量減少,速溶聚合物的注入性能增加,因此表現(xiàn)為阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)降低。

2.3 不同溶解程度聚合物的微觀驅(qū)油效率

為進一步揭示速溶聚合物的微觀剩余油動用規(guī)律,基于可視化的微觀刻蝕模型,開展不同溶解程度的BM聚合物微觀滲流和驅(qū)油特征研究,分析BM聚合物對水驅(qū)后不同類型剩余油動用機制,為新型速溶聚合物在海上油田礦場應(yīng)用提供理論支持。

2.3.1 不同溶解程度聚合物驅(qū)替后剩余油賦存狀態(tài)

為了對比不同溶解程度聚合物提高采收率效果,進行了微觀刻蝕模型驅(qū)油實驗,在孔隙尺度上研究剩余油動用過程。根據(jù)剩余油分布特征,利用圖像分析軟件對不同階段的剩余油分布情況進行分析。

圖9為水驅(qū)和不同溶解程度聚合物驅(qū)結(jié)束后的剩余油分布情況。可以看出, 水驅(qū)結(jié)束時剩余油分布相似,而在注入溶解程度60%、80%和100%聚合物結(jié)束時剩余油分布明顯不同。在水驅(qū)階段,由于水油流動性較差,可以觀察到黏滯現(xiàn)象,注入水沿著注入端和采出端之間的主流線方向流動。在聚合物驅(qū)過程中,大部分注入的聚合物溶液仍然沿著前期水驅(qū)所形成的優(yōu)勢通道,并驅(qū)替水驅(qū)后的剩余油。此外,由于當(dāng)聚合物溶解程度越低,聚合物溶液中的溶脹顆粒組分就越多,同時此時的聚合物溶液黏度也越低。溶解程度80%以上的聚合物溶液具有更高的黏度,可以更好地提高采收率。

圖9 不同溶解程度聚合物驅(qū)全過程微觀油水分布Fig.9 Distributions of remaining oil and water at different stages of polymer flooding

2.3.2 不同溶解程度聚合物采出程度分析

根據(jù)水驅(qū)后和聚合物驅(qū)替后微觀剩余油賦存狀態(tài),應(yīng)用微觀剩余油定量表征方法,采用Image J圖像分析處理軟件,分析出各階段的含油飽和度,計算出不同驅(qū)油階段的采出程度,進而從微觀層面明確不同溶解程度聚合物對水驅(qū)后微觀剩余油動用程度。

由表1中可知,水驅(qū)采收率為52.38%～52.59%。聚合物驅(qū)采收率為53.42%～62.39%。最終采收率為57.01%～65.60%,采收率增值在4.63%～13.01%。溶解程度為100%的聚合物驅(qū)的采收率增值最高,其次是溶解程度為80%的聚合物驅(qū),溶解程度為60%的聚合物驅(qū)的采收率增值最低。

3 結(jié) 論

(1)隨著礦化度的增加,聚合物完全溶解時間延長,同時聚合物最終黏度降低。隨著剪切速率的增加,聚合物的完全溶解時間縮短。為了達到更好的聚合物溶解效果,應(yīng)保證轉(zhuǎn)速處于500～600 r/min,攪拌時間處于30～50 min。

(2)基于單因素巖心滲流實驗,隨著聚合物溶解程度和巖心滲透率的增加,聚合物注入過程中壓力降低,壓力穩(wěn)定時間縮短,后續(xù)水驅(qū)過程中穩(wěn)定水驅(qū)壓力降低,表現(xiàn)為阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)降低。

(3)在微觀驅(qū)油實驗中,不同溶解程度的聚合物驅(qū)主要通過增黏作用和黏彈性作用來擴大波及體積,降低滲流阻力,“拉”、“拽”殘余油,從而將殘余油有效驅(qū)出,從而減少殘余油飽和度,提高采收率。

(4)溶解程度80%以上的聚合物溶液具有更高的黏度,可以明顯改善油水流度比,擴大波及面積。聚合物采出程度增值隨其溶解程度增加而增加,當(dāng)溶解程度高于80%以上,采出程度增值變化不大。同時,溶解程度100%的聚合物驅(qū)采收率增值最高為13.01%,其次是溶解程度為80%的聚合物驅(qū)為12.35%,溶解程度60%的聚合物驅(qū)采收率增值最低為4.63%。