雙河油田高溫油藏低度交聯聚合物體系性能研究

李洪生，唐金星，尤 越，閆永芳，朱益鋒，余慶中

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雙河油田高溫油藏低度交聯聚合物體系性能研究

李洪生1，唐金星1，尤 越2，閆永芳1，朱益鋒3，余慶中4

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450000；2．中國石化河南油田分公司采油二廠；3．中國石化河南油田分公司采油一廠；4．中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院）

根據有機酚醛/聚合物交聯體系的成膠反應機理，配制出低度交聯聚合物體系（聚合物1 000~1 500 mg/L＋交聯劑100~150 mg/L），模擬雙河油田95 ℃高溫油藏條件，實驗研究了低度交聯聚合物體系的成膠性能和長期熱穩定性、注入性、流動成膠性能和驅油效果，結果表明，低度交聯聚合物體系驅油效果明顯，改善剖面作用和驅油效果均優于聚合物驅，能在一定程度上改善層狀非均質油藏的吸水剖面，從而能夠較大幅度提高層狀非均質油藏的采收率。

雙河油田；低度交聯聚合物；成膠性能

聚合物驅油是一項有效提高采收率的技術，是河南油田三次采油的主要方法[1-2]。截至2016年12月，河南油田已投入聚合物驅19個區塊，面積44.3 km2，動用地質儲量5 023.5×104t。目前適合聚合物驅的80 ℃以下Ⅰ、Ⅱ類油藏儲量基本上已動用。聚合物驅技術適應的油藏溫度普遍小于80 ℃，80 ℃以上的Ⅲ類高溫油藏靠現有的聚合物驅和復合驅技術無法動用。

低度交聯聚合物驅油體系是在交聯聚合物調剖基礎上，通過控制交聯反應程度，研制出的黏度適中、流動性好的驅油體系[3-5]，可為Ⅲ類高溫油藏化學驅提高采收率提供技術支持的新型驅油劑[6-7]。本文模擬雙河油田95 ℃高溫油藏條件，系統評價了低度交聯聚合物體系的成膠性能和長期熱穩定性，優化了低度交聯聚合物體系配方，研究了體系的注入性、地下成膠性能、流動性和驅油效果。

1 實驗條件

實驗條件包括：①交聯劑：河南油田研制并生產的有機醛交聯劑，有效含量15%；②聚合物：部分水解聚丙烯酰胺聚合物1 630 s，分子量1 965×104，水解度19.5％，固含量89.5％；③實驗用水：清水、陳化污水和新鮮污水，水質組成見表1；④溫度：油藏溫度95 ℃。

表1　江河污水和清水組成成分 mg/L

2 低度交聯聚合物體系優化配方

2.1 低度交聯聚合物體系的交聯反應特征

交聯聚合物體系中的聚合物濃度和交聯劑濃度是決定體系成膠性能和成膠后結構狀態的關鍵因素[8-9]。交聯聚合物體系的黏度主要取決于聚合物的濃度，交聯反應速度主要取決于交聯劑濃度，表征體系交聯反應程度的聚交比（聚合物濃度：交聯劑濃度）則影響所形成凝膠的結構形態[10-12]。

從交聯聚合物體系的黏度變化曲線（圖1）特征看出，低濃度微凝膠體系（聚合物400 mg/L＋交聯劑250 mg/L，聚交比1.6）的成膠反應過程分為三個階段：誘導期、成膠突變期和穩定期[13-14]。

低度交聯體系（聚合物1 000 mg/L＋交聯劑100 mg/L）的聚交比高達10，成膠時間長（5~10 d），沒有出現成膠突變，交聯反應終止在誘導期，HPAM（陰離子型聚丙烯酰胺）聚合物與交聯劑反應生成HPAM的二聚體等小尺寸膠團，形成低度交聯體系。低度交聯體系的交聯反應程度低，交聯點密度低，單個HPAM分子鏈上的反應交聯點密度低，形成與HPAM聚合物類似的無規線團結構，生成小尺寸膠團，成膠黏度適中，與聚合物溶液黏度相比有所上升，流動性得到明顯改善，有流度控制和驅油作用。

圖1 低度交聯聚合物體系與中度交聯體系的交聯反應特征

2.2 低度交聯聚合物體系配方優化

油田新鮮污水配制的低度交聯聚合物體系的優化配方為聚合物1000~1 500 mg/L＋交聯劑100~150 mg/L。聚交比6.7~15，成膠時間5~15 d成膠黏度最高可達68 mPa·s，在95 ℃高溫條件下老化180 d，成膠黏度保持在28~55 mPa·s，低度交聯體系的成膠黏度適中，在95 ℃高溫下長期熱穩定性好。體系配方的交聯劑濃度應控制為小于200 mg/L，阻止體系發生成膠突變。

3 低度交聯聚合物體系的滲流特性和流動成膠性能

3.1 低度交聯聚合物體系的注入性

相同配方低度交聯聚合物體系在不同滲透率巖心里的注入壓力變化曲線如圖2所示，不同配方低度交聯特性在滲透率相近巖心里的注入壓力變化曲線見圖3。

從圖2所示的注入壓力變化曲線看出，低度交聯聚合物體系的注入壓力緩慢上升，注入1.5~2 PV趨于平穩，表明低度交聯體系與聚合物溶液在巖石多孔介質中的流動阻力和滲流特征相似。巖心滲透率越高，注入壓力變化越平緩；注入壓力越低，注入性越好；隨著巖石滲透率降低，注入壓力升高，注入性變差；當巖石滲透率低于0.300 μm2時，低度交聯聚合物體系的注入壓力明顯升高，如在0.279 μm2的低滲透巖心里，注入壓力急劇升高，雖然注入2 PV后壓力趨于平緩，但比在0.576 μm2巖心的注入壓力高2倍以上。實驗結果表明，低度交聯體系在油層平均滲透率（0.600 μm2）以上的中、高滲透層段注入性好，但在低滲透（0.3 μm2）油層的注入性差。

圖2　低度交聯體系在不同滲透率巖心里的注入壓力隨注入孔隙體積倍數變化

圖3　不同配方低度交聯體系在相同滲透率巖心里的注入壓力變化

圖3的注入壓力變化曲線表明：在滲透率相近的巖心里，體系配方中交聯劑濃度（120 mg/L）一定時，聚合物濃度越高（聚合物800上升到1 500 mg/L），注入壓力越高，流動阻力越大；聚交比越大，注入壓力變化越易趨于平緩；體系配方中聚合物濃度（1 200 mg/L）一定時，交聯劑濃度提高（100上升到150 mg/L），注入壓力變化趨勢和上升幅度都比較相近，說明在優化的低度交聯體系配方范圍內，交聯劑濃度對低度交聯體系的注入性和流動性影響不大。

3.2 低度交聯體系與聚合物溶液、低濃度微凝膠體系注入性的差別

3.2.1 低度交聯體系與聚合物溶液的注入性相似

從圖2和圖3所示低度交聯聚合物體系的注入壓力變化曲線看出，低度交聯聚合物體系和聚合物溶液的注入壓力曲線變化特征相似，注入壓力緩慢上升，注入1.5~2.0 PV，注入壓力趨于平穩，然后保持穩定。表明低度交聯體系與聚合物溶液在巖石多孔介質中滲流特征相似，但低度交聯體系在多孔介質中的流動阻力更大。

3.2.2 低度交聯體系的注入性和流動性優于低濃度微凝膠體系

低濃度微凝膠體系（聚合物400 mg/L＋交聯劑250 mg/L）在大于0.6 μm2的中、高滲透油層里注入性和流動性較好，注入2~3 PV后注入壓力趨于平緩（圖4），但在低于0.6 μm2的中低滲透油層里注入性差；微凝膠體系的配方濃度越高，在多孔介質里的注入性和流動性越差。

圖4 低濃度微凝膠體系（聚合物400~600 mg/L +交聯劑250~300 mg/L）的注入壓力變化

對比圖2、圖3與圖4的注入壓力變化曲線特征，可見低度交聯體系的注入性比低濃度微凝膠體系好，說明低度交聯聚合物體系的注入性和流動性得到了明顯改善。

3.3 低度交聯聚合物體系的流動成膠特征

常規天然巖心、Berea巖心或人工膠結巖心的標準幾何尺寸小，一般直徑為2.5 cm，長度僅8~10 cm，不能滿足模擬評價交聯聚合物體系流動成膠性能評價的要求。

在調研國內外可動凝膠和膠態分散凝膠體系的巖心流動實驗研究方法基礎上，自行設計研制了全自動長巖心模擬流動實驗模型，建立了交聯聚合物體系模擬流動成膠實驗流程裝置。長巖心模型內徑3.8 cm，長度150~300 cm，沿流動方向設置5~6個測壓孔或取樣口，可連續監測交聯聚合物驅過程中的壓力變化和地下黏度變化。長巖心流動實驗模型耐溫120 ℃，耐壓25 MPa。長巖心填砂模型的基礎參數見表2。

表2　聚合物驅、交聯聚合物驅長巖心的幾何尺寸和物性參數

3.3.1 低度交聯聚合物體系的流動成膠特征

低度交聯聚合物溶液（配方HPAM 1 200 mg/L＋交聯劑100~150 mg/L）在長巖心里各測壓點的壓力變化特征如圖5所示。5個測壓點的壓力都明顯同步升高，表明低度交聯體系具有良好的流動性。

在后續水驅階段初期，低度交聯體系的注入壓力繼續升高，特別是長巖心后端第5、6個測壓點的壓力明顯升高，然后保持平穩。表明低度交聯聚合物體系能在長巖心流動過程中產生交聯作用，形成凝膠結構，而且低度交聯體系能夠運移到長巖心中后端，在多孔介質中的流動性良好，并在長巖心內部產生較大的剩余流動阻力。

3.3.2 低度交聯體系與聚合物溶液流動特征對比

對比圖5與圖6的注入壓力變化曲線特征可以看出：低度交聯聚合物體系（聚合物 1 200 mg/L＋交聯劑100~150 mg/L）與相同濃度聚合物溶液（聚合物 1 200 mg/L）在長巖心里的注入壓力變化比較相似，但在后續水驅階段產生的殘余流動阻力更大。

圖5　低度交聯聚合物溶液的注入壓力隨注入孔隙體積的變化

圖6 聚合物溶液注入壓力隨注入孔隙體積的變化曲線

4 低度交聯聚合物體系的驅油效果

在滲透率級差為2.4~4.8的并聯巖心模型上，進行了聚合物驅油實驗和不同配方、不同段塞尺寸（0.2~0.5 PV）低度交聯聚合物驅油實驗。

4.1 水驅采收率

水驅油實驗結果表明，并聯巖心的水驅采收率為48.8％~59.8％，其中，高滲透巖心的水驅采收率高達52.4％~68.5％，明顯高于低滲透巖心的水驅采收率（36.4％~57.3％）。說明水驅油階段主要動用的是中、高滲透層段，水驅后提高采收率的潛力應該在中、低滲透層段。

4.2 低度交聯聚合物的驅油效果

實驗結果顯示，在滲透率級差為2.4~4.9的并聯巖心上，0.2~0.5 PV不同配方低度交聯聚合物驅比水驅采收率提高12.9％~20.6％，其中，高滲透巖心提高采收率10.7％~19.3％，低滲透巖心提高采收率9.7％~26.6％。而在滲透率級差為4.6的并聯巖心上，0.5 PV聚合物驅僅比水驅采收率提高7.3％，其中，高滲透率巖心提高采收率10.1％，而低滲透率巖心僅提高采收率4.4％。

低度交聯聚合物驅改善層狀非均質油藏的吸水剖面的能力比聚合物驅強，不僅明顯提高了高滲透層段的采收率，而且顯著提高了低滲透層段的采收率。聚合物驅只在注聚階段具有一定的調剖分流效果，后續注入水快速突破聚合物段塞，導致聚合物驅很快失效，是層狀非均質油藏中聚合物驅油效果比低度交聯聚合物驅差的主要原因。

5 結論

（1）模擬油藏條件優化了低度交聯聚合物體系配方（聚合物1 000~1 500 mg/L＋交聯劑100~150 mg/L），在95 ℃高溫下老化180 d后，成膠黏度保持在25~55 mPa·s，長期熱穩定性好。

（2）低度交聯聚合物體系的注入性和流動性與聚合物溶液相似，在中、高滲透巖心（≥0.6 μm2）注入性良好；低度交聯體系的注入性和流動性優于低濃度微凝膠體系。

（3）低度交聯聚合物體系通過中高滲透率（0.69~0.86 μm2）長巖心流動過程中能夠成膠，成膠后具有良好的流動性；后續水驅階段低度交聯體系在長巖心內部的剩余流動阻力高于聚合物。

（4）低度交聯聚合物體系驅油效果明顯，改善剖面作用和驅油效果均優于聚合物驅，能在一定程度上改善層狀非均質油藏的吸水剖面，從而能夠較大幅度提高層狀非均質油藏的采收率。

[1] 田榮煥，范明，段秋紅，等．雙河油田提高采收率的實踐與認識[J]．石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2009，31（2）：334–335．

[2] 李洪生，鐘玉龍，董文龍，等．下二門油田H2Ⅱ油組二次聚合物驅提高采收率技術現場應用[J]．大慶石油地質與開發，2009，28（6）：286–289．

[3] J C Mack，J E Smith．In-depth colloidal dispersion Gel improve oil recovery efficiency [J]．SPE/DOE #27780， Presented at the SPE international symposium on improved oil recovery，Tulsa，OK，17–20，April，1994．

[4] J E Smith，J C Mack．The adon road—an in-depth Gel case history[J]．SPE/DOE #35352，Presented at the SPE/DOE Tenth symposium on oil recovery held in Tulsa，OK，U.S.A，21–24，April，1996．

[5] 趙福麟．油田化學[M]．山東東營：石油大學出版社，2000：110–112．

[6] 劉艷華，孔柏嶺，肖磊，等．特高含水油藏復合驅技術提高采收率研究[J]．油田化學，2013，30（4）：25–27．

[7] 盧祥國，張世杰，陳衛東，等． 影響礦場交聯聚合物成膠效果的因素分析[J]．大慶石油地質與開發，2002，21（4）：61–64．

[8] 樊中海，肖磊．交聯聚合物驅現場應用中井口取樣成膠性能研究[J]．江漢石油學院學報，2003，25（4）：107–108．

[9] 高進鋒，張興建，楊洪武，等．耐溫抗鹽交聯聚合物體系的研制與評價[J]．石油與天然氣化工，2008，37（2）：152–155．

[10] 林梅欽，王兆軍，李明遠，等．交聯聚合物溶液的熱穩定性[J]．石油學報（石油加工），2008，24（1）：112–116．

[11] 劉進祥，盧祥國，劉敬發，等．交聯聚合物溶液在巖心內成膠效果及機理[J]．石油勘探與開發，2013，40（4）：474–480．

[12] 董朝霞，吳肇亮，林梅欽，等．交聯聚合物溶液與聚合物溶液的特性差異[J]．石油學報（石油加工），2004，20（6）：8–13．

[13] 孔柏嶺，宋振宇． 耐溫抗鹽的低濃度交聯聚合物體系研究[J]．石油學報，2000，21（4）：70–74．

[14] 韓飛雪，李明遠，林梅欽，等．交聯聚合物溶液封堵性能影響因素分析[J]．石油大學學報（自然科學版），2002，26（6）：59–62．

編輯：趙川喜

2017–09–26

李洪生，高級工程師，1976年生，1999年畢業于成都理工學院油藏工程專業，2009年碩士畢業于中國地質大學（武漢）石油與天然氣工程專業，現從事油氣藏開發工作。

中國石油化工股份有限公司“十條龍”重點科技攻關項目“耐溫抗鹽低濃度交聯聚合物驅油技術研究”（P04056）。

1673–8217（2018）04–0087–05

P631.4

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