多孔介質中兩親聚合物驅稠油滲流規律實驗研究*

楊 光 張鳳英 康曉東 趙 娟 崔盈賢 趙文森

(1.海洋石油高效開發國家重點實驗室 北京 100028； 2.中海油研究總院 北京 100028； 3.中國石化石油工程技術研究院 北京 100101)

多孔介質中兩親聚合物驅稠油滲流規律實驗研究*

楊 光1,2張鳳英3康曉東1,2趙 娟1,2崔盈賢1,2趙文森1,2

(1.海洋石油高效開發國家重點實驗室 北京 100028； 2.中海油研究總院 北京 100028； 3.中國石化石油工程技術研究院 北京 100101)

楊光,張鳳英,康曉東，等.多孔介質中兩親聚合物驅稠油滲流規律實驗研究[J].中國海上油氣，2016,28(5)：61-65.

Yang Guang,Zhang Fengying,Kang Xiaodong,et al.Experimental study of heavy oil percolation in porous medium by amphiphilic polymer flooding[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):61-65.

以渤海油田稠油為樣本，對兩親聚合物驅稠油作用機理和滲流規律進行了實驗研究。室內微觀實驗表明，新型兩親聚合物溶液能夠降低膠質和瀝青質在石英表面的吸附層厚度和吸附質量，通過乳化分散作用減小油滴尺寸，從而改善稠油流動性；隨著兩親聚合物溶液與原油混合體系中聚合物溶液比例增加，流動時間逐漸降低，體系的流動性明顯改善。物理模型宏觀實驗表明：一方面兩親聚合物-原油混合體系在滲流過程中持續與油相接觸，啟動更多稠油，提高驅油效率；另一方面，混合體系因吸附滯留作用在多孔介質中能夠建立滲流阻力，擴大波及體積，提高采收率。本文研究成果對于明確兩親聚合物提高采收率原理和指導礦場試驗具有重要意義。

兩親聚合物；稠油；聚合物驅；乳化分散；滲流規律；渤海油田

兩親聚合物是指在聚合物分子中同時具備親水和親油基團的水溶性聚合物[1]。近年來，兩親聚合物廣泛應用于礦物分離、水處理、清潔用品、化妝品及食品行業[2-3],在三次采油領域作為能夠增溶和乳化分散原油的新型驅油劑越來越受到廣泛重視[4]。針對渤海稠油油田的油藏及流體特點，中海油研究總院提高采收率實驗室研發了一種既能增加水相黏度、又能通過乳化分散作用降低原油黏度，提高原油流動性、改善水驅流度比的新型兩親聚合物驅油體系[5]，這種新型兩親聚合物溶液的特殊性能使其在多孔介質中與原油形成混合體系后滲流規律較為復雜。本文通過微觀和物理模型宏觀實驗，研究了這種新型兩親聚合物對渤海油田稠油流動性的改善機理及兩親聚合物-稠油混合體系在多孔介質中滲流規律，研究結果對于明確兩親聚合物提高采收率原理和指導礦場試驗具有重要意義。

1 實驗儀器和材料

1.1 主要實驗儀器

石英晶體微天平(Q-SENCE AB，瑞典)，原子力顯微鏡(Bruker Multimode IIIV System，美國)，激光共聚焦顯微鏡(FV1000-IX81)，高溫高壓化學驅替模擬系統(江蘇海安)。

1.2 實驗材料

渤海油田原油，黏度分別為350 mPa·s和660 mPa·s;模擬水總礦化度9 374 mg/L，其中Ca2+礦化度276 mg/L，Mg2+礦化度159 mg/L;自制新型兩親聚合物,該兩親聚合物以丙烯酰胺為骨架，引入雙子型表面活性單體和高位阻側基，同時增加調控聚合物分子親疏水結構平衡的單體(圖1)，分子量在500萬左右，與渤海原油接觸角為30°左右。渤海稠油-兩親聚合物溶液間界面張力在10-1數量級,混合液中稠油粒徑小且均勻[5]。

圖1 新型兩親聚合物分子結構示意圖

2 兩親聚合物改善稠油流動性的微觀實驗

瀝青質和膠質的存在會使原油黏度增大[6-8]。通過室內實驗，利用石英晶體微天平[9]和原子力顯微鏡技術手段明確了新型兩親聚合物能夠與稠油中的膠質和瀝青質作用，進而改善了稠油流動性。實驗結果顯示，質量濃度為1 000 mg/L的新型兩親聚合物溶液能夠降低膠質和瀝青質在石英表面的吸附層厚度和吸附質量(表1)。原子力顯微鏡掃描圖片顯示，石英基底吸附瀝青質后，表面呈現出類似于連續相的分布；當流動相為兩親聚合物溶液時，表面出現多個“holes”，為兩親聚合物與瀝青質發生較強的極性作用后使瀝青質從基底脫落后留下的形貌(圖2)。

表1 新型兩親聚合物溶液與膠質和瀝青質作用結果

圖2 新型兩親聚合物作用前后瀝青質在石英表面吸附形態

利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察不同質量濃度兩親聚合物溶液與原油混合體系的微觀狀態，結果顯示原油被乳化分散成細小均勻的油滴，且油滴尺寸隨著聚合物質量濃度的增加而明顯變小(圖3)。

圖3 兩親聚合物-原油混合體系的微觀形態(原油黏度660 mPa·s)

在研究兩親聚合物溶液和原油混合體系微觀狀態基礎上，室內評價了兩親聚合物溶液對渤海稠油流動性的改善能力，采用運動黏度計測定不同比例兩親聚合物溶液與原油混合體系的流動時間，結果顯示隨著混合體系中兩親聚合物溶液增加，流動時間進一步降低，體系流動性得到了明顯改善(圖4)。

圖4 新型兩親聚合物-原油混合體系流動性(原油黏度660 mPa·s)

3 兩親聚合物驅物理模型宏觀實驗

3.1 實驗模型和計算方法

利用相似準則理論[10]，室內制作了與渤海油田區塊實驗區滲流特征相似的均質平板物理模型，模型幾何尺寸為30 cm×30 cm×2.5 cm，氣測滲透率為2 500×10-3μm2，孔隙度為28.22%。模型上布井均為直井，外徑均為0.7 cm，注入井和采出井射穿至中低部，設定測壓點以建立壓力場。模型各層上按照6×6的網格布置電極,用于測定不同時刻和不同位置的油水前緣及飽和度分布情況(圖5)。通過該模型研究兩親聚合物溶液驅替過程中油水分布以及油水前緣變化規律，進而量化驅油效率與波及體積對提高采收率的貢獻程度。

圖5 新型兩親聚合物驅物理模型示意圖

驅油效率與波及體積貢獻率分別為

(1)

Bv=1-Bd

(2)

式(1)、(2)中：i為模型中小層號；Sori為水驅殘余油飽和度；Sorj為化學驅殘余油飽和度；E為采收率;Bd為驅油效率貢獻率。

3.2 實驗步驟

1) 抽真空飽和水；

2) 根據滲流規律，從模型不同角度均勻飽和油(黏度為350 mPa·s)形成束縛水，并放置恒溫箱老化；

3) 水驅至含水率95%時，結束水驅；

4) 注入0.3 PV質量濃度為1 000 mg/L的兩親聚合物溶液；

5) 后續水驅至含水率98%，結束實驗，并統計不同階段的含水率、壓力和采出程度變化。

在實驗過程中，每隔5 s測定一次壓力，每隔15 min測定一次含油飽和度分布。

3.3 實驗結果及分析

物理模型實驗結果顯示，水驅采收率為14.82%，最終采收率為29.38%，聚合物驅采收率增幅明顯。結合含水率變化曲線可以看出，水驅0.04 PV后采出液見水，見水之后含水率迅速上升，當含水率達到80%左右時上升速度變緩，模型在高含水率階段的采油期較長。注入新型兩親聚合物溶液后含水率逐漸下降，含水率最低可以降低到75%左右，并在含水率75%～85%維持0.5 PV左右；后續水驅階段低含水率仍可以維持一段時間，后續水驅0.2 PV后含水率開始明顯上升，直至含水率達到98%(圖6)。

圖6 新型兩親聚合物驅物理模型含水率及采出程度變化

物理模型壓力監測數據顯示，主流線壓力首先上升并逐漸向分流線擴展，且分流線壓力上升明顯，后續水驅階段主流線和分流線上壓力較水驅階段亦有較大提高(圖7)。

另外，飽和度實時監測結果表明，水驅后剩余油較多，且波及系數小；兩親聚合物驅和后續水驅后，剩余油飽和度大幅降低，波及體積明顯變大(圖8)。通過理論計算，兩親聚合物驅提高采收率中驅油效率貢獻率為28%，擴大波及體積貢獻率為72%。

圖7 新型兩親聚合物驅物理模型壓力變化

圖8 新型兩親聚合物驅物理模型含油飽和度實時監測結果

理論上，兩親聚合物溶液在驅油過程中可以通過自身黏度擴大波及體積和提高采收率，但本次實驗用新型兩親聚合物溶液黏度為3.5 mPa·s，而原油黏度高達350 mPa·s，因此可以認為靠溶液黏度本身改善水驅流度比作用不大。從壓力和飽和度場監測結果分析,兩親聚合物驅提高采收率主要機理在于：①兩親聚合物在驅替過程中通過乳化分散原油，提高了稠油流動性，增加了油相流度，改善水驅流度比；②兩親聚合物溶液對稠油具有強乳化分散性，因此兩親聚合物溶液-稠油混合體系在多孔介質中滲流時不斷與新的原油接觸并乳化分散，提高驅油效率；③兩親聚合物溶液-稠油混合體系在多孔介質中吸附滯留，滲流過程中能夠起到調整剖面的作用，進而擴大波及體積，且這種作用在采收率貢獻程度上占主導地位；④后續水驅階段前期含水增幅緩慢，一是因為水驅波及體積增加，二是由于兩親聚合物溶液-稠油混合體系在多孔介質中吸附滯留不穩定，這部分油易被驅替。

4 結論

1) 新型兩親聚合物溶液通過與稠油中膠質和瀝青質作用能夠顯著改善稠油流動性。

2) 新型兩親聚合物溶液在多孔介質中滲流時能夠乳化分散稠油，且兩親聚合物溶液-原油混合體系在滲流過程中持續與油相接觸，可動用更多稠油，提高微觀驅油效率。

3) 新型兩親聚合物溶液與稠油混合體系黏度遠低于原油黏度，滲流阻力小，可改善水驅流度比；該混合體系因吸附滯留作用在多孔介質中能夠建立流動阻力，擴大波及體積，提高采收率。

[1] ZHANG Pei,ZHANG Lei,ZHANG Lu,et al.Dilational properties of novel amphiphilic dendrimers at water-air and water-heptane interfaces [J].The Journal of Physical Chemistry B,2012,116(42):12760-12768

[2] WU Xu,WANG Jinben,YANG Hui,et.al.Self-assembly of brush-like amphiphilic statistical polymers:the effect of salt stimulus on the molecular associative mode[J].Supramolecular Chemistry,2013,25(3):151-157

[3] YANG Hui,YU Danfeng,WANG Hui,et al.Aggregation behavior of amphiphilic pamam-based hyperbranched polymer in the presence of conventional small molecular surfactants [J].Advances in Chemical Engineering and Science,2013,3(3),11-18

[4] 孟令偉，康萬利，張磊，等.兩親聚合物溶液的流變規律及影響因素[J].高分子材料科學與工程，2012，28(10):55-58. Meng Lingwei,Kang Wanli,Zhang Lei，et al.Rheological rules and influencing factors of amphiphilic polymer solution[J].Polymer Materials Science and Engineering,2012,28(10):55-58

[5] 楊光，張健，王金本,等.兩親聚合物驅油劑APVR溶液性能研究[J].西安石油大學學報(自然科學版),2013，28(6):86-89. Yang Guang，Zhang Jian，Wang Jinben,et al.Study on properties of amphiphlic polymer oil displacement agent APVR solution[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2013,28(6):86-89

[6] 周曉紅，張帆，陳宏舉.稠油粘滯粘度與粘滯點確定方法研究[J].中國海上油氣， 2013,25(6):101-104. Zhou Xiaohong，Zhang Fan，Chen Hongju.Research on the method for determining the nonflowing viscosity and temperature of heavy oil[J].China Offshore Oil and Gas,2013,25(6):101-104

[7] ALMAO P P.In situ upgrading of bitumen and heavy oils via nanocatalysis[J].Canadian Journal of Chemical Engineering.2012,90(2):320-329。 [8] 陳榮旗,周曉紅,陳宏舉．原油降粘減阻新方法在渤海A 油田稠油管道輸送工藝設計中的應用研究[J]．中國海上油氣,2012,24(3):58-60. Chen Rongqi,Zhou Xiaohong,Chen Hongju.Application and study of a new viscosity and drag reduction method in the process design of heavy oil pipeline for A oilfield in Bohai Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2012,24(3):58-60

[9] 陳柱，聶立波，常浩．石英晶體微天平的研究進展及應用[J]．分析儀器，2011(4)：18-22． Chen Zhu,Nie Libo,Chang Hao.Reseach progress and applications of quartz crystal microbalance[J].Analytical Instruments,2011(4)：18-22．

[10] 孔祥言，陳峰磊，裴柏林．水驅油物理模擬理論和相似準則[J]．石油勘探與開發，1997，24(6)：56-60． Kong Xiangyan,Chen Fenglei,Pei Bolin.Similar theory,similar rule and data conversion software for water drive modeling[J].Petroleum Exploration and Development，1997,24(6)：56-60．

(編輯：張喜林)

Experimental study of heavy oil percolation in porous medium by amphiphilic polymer flooding

Yang Guang1,2Zhang Fengying3Kang Xiaodong1,2Zhao Juan1,2Cui Yingxian1,2Zhao Wensen1,2

(1.StateKeyLaboratoryofOffshoreOilExploitation,Beijing100028,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 3.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopec,Beijing100101,China)

Taking heavy oil in Bohai oilfield as sample, the effect mechanism and percolation law of amphiphilic polymer flooding are studied. Microscopic experiments show that the novel amphiphilic polymer can reduce the adsorption layer thickness and adsorption amount of colloid and asphaltene on quartz surface. The amphiphilic polymer can improve the mobility of heavy oil by emulsifying and dispersing effect. With the increase of proportion of polymer solution in the mixed system of amphiphilic polymer solution and crude oil, the flow time decreases, and the flow property of the system improves obviously. Macroscopic experiments show that amphiphilic polymer has two functions: first, the amphiphilic polymer-crude oil mixed system can start more heavy oil by continuous contacting with oil; second, the mixed system can establish the flow resistance in porous media due to the adsorption and retention, thus improving the oil recovery. The research results are of great significance for EOR principle of amphiphilic polymer and field tests.

amphiphilic polymer; heavy oil; polymer flooding; emulsion dispersion; percolation law; Bohai oilfield

*“十二五”國家科技重大專項課題“海上稠油化學驅油技術(編號：2011ZX05024-004)”部分研究成果。

楊光，男，高級工程師，2006年畢業于西南石油大學應用化學專業并獲碩士學位，主要從事化學驅提高采收率研究工作。地址：北京市朝陽區太陽宮南街6號院海油大廈(郵編：100028)。E-mail：yangguang4@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0061-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.010

TE345

A

2015-11-25 改回日期：2016-03-11