特高鹽油藏聚合物調驅劑篩選及油藏適應性評價

呂金龍，王 威，盧祥國，王曉燕，張立東

（1. 東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；

2. 中國石油 吐哈油田分公司采油工程院，新疆 鄯善 838200）

吐哈雁木西油田為高鹽中低滲透油藏，注入水礦化度高達15.0×104mg/L，Ca2+和Mg2+含量超過7 000 mg/L，為高礦化度CaCl2型原生地層水。目前，雁木西油田主力層系綜合含水超過93%，采出程度低于20%，水驅優勢方向以單向見效為主，平面上水驅方向強，層內存在高滲條帶，波及體積小，“穩油控水”形勢十分嚴峻，亟待采取可大幅提高采收率的技術。近年來，隨著國內油田開發采出程度增大和含水率不斷升高，聚合物驅油技術已成為高含水油田提高采收率的重要措施之一［1-5］。由于雁木西油田注入水總礦化度及Ca2+和Mg2+含量較高，采用一般聚合物的熟化和分散效果并不理想，為達到預期增油降水效果，就必須確保聚合物溶液具有熟化效果好、與儲層間適應性強等特點，否則聚合物滯留和液流轉向能力較差，聚合物驅難以取得較好效果［6-10］。國內高鹽油藏聚合物調驅的應用實例較少，只在新疆、華北和勝利等油田進行過實驗性研究。雁木西油田苛刻的儲層地質特征和流體性質對化學劑調驅提出了更高的要求［11-13］。目前很少有在此類高鹽油藏成功實施調驅的先例，為滿足雁木西油田提高采收率需求，需針對其地質特點篩選出適合的聚合物調驅劑。

本工作將吐哈雁木西油田模擬注入水軟化后，分別配制了3 種抗鹽聚合物溶液和弱凝膠，利用黏度測試、流變測試、SEM 和核磁共振成像等方法分析對比了它們的性能，并利用驅替后的油水分布圖，研究了流動實驗中的端部效應，評價了滲流特征及進行了機理分析，結合現場實際情況，優選出適合該區塊的調驅劑。

1 實驗部分

1.1 原料

1#聚合物：超高分子量抗鹽聚合物，相對分子質量2 929×104，固含量89.89%（w），大慶華龍祥化工有限公司；2#聚合物：微交聯抗鹽聚合物，相對分子質量1 200×104，固含量88%（w），山東諾爾生物科技有限公司；3#聚合物：抗鹽聚合物，相對分子質量1 900×104，固含量90%（w），中國石油大慶煉化公司；弱凝膠交聯劑（m（3#聚合物）∶m（Cr3+）=180∶1）：實驗室自制有機鉻，Cr3+含量1.52%（w）。

實驗用水為雁木西油田模擬注入水和軟化水，軟化水是通過向注入水中添加氫氧化鈉-碳酸鈉消除鈣鎂離子而得到的水。注入水水質分析結果見表1。實驗巖心為石英砂環氧樹脂膠結人造柱狀巖心［14-15］，幾何尺寸φ2.5 cm×10 cm。

表1 注入水水質分析結果Table 1 Water quality analysis of injected water

1.2 儀器

LVDV-Ⅱ+PRO 型布氏黏度儀：布魯克菲爾德公司；GJS-B12K 型變頻雙軸高速攪拌機：青島森欣機電設備有限公司；BI-200SM 型廣角動/靜態光散射儀：布魯克海文公司；RS-150 型流變儀：哈克公司；HitachiS-3400N 型掃描電子顯微鏡：日立公司；MacroMr12-150H-I 型核磁共振分析儀：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。實驗流程見圖1，實驗溫度50 ℃。

1.3 驅替實驗方法

巖心抽空飽和地層水，注模擬水，記錄壓力；注聚合物溶液或弱凝膠4 ～5 PV，記錄壓力；注后續水（軟化水）4 ～5 PV，記錄壓力。上述實驗過程中注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔為30 min。

1.4 測試與表征

抗剪切性：分別采用注入水和軟化水配制5 000 mg/L 聚合物母液，再將聚合物母液分別稀釋為1 200，1 800，2 400 mg/L 的目的液，采用高速攪拌器對目的液進行剪切，剪切強度3 000 r/min，剪切10 s 后測試黏度。

用軟化水配制1 000 mg/L 的聚合物和弱凝膠溶液，分別稀釋至50，100，150 mg/L 后采用廣角動/靜態光散射儀測試聚合物分子線團尺寸（Dh）。采用掃描電子顯微鏡測試聚合物分子聚集體形態。采用流變儀測試軟化水配制的1 200 mg/L 聚合物及弱凝膠溶液的流變性和黏彈性。

用重水配制800 mg/L 弱凝膠溶液，采用核磁共振分析儀測試核磁共振T2譜圖和核磁共振成像。

圖1 實驗設備及流程示意圖Fig.1 Experimental equipments and flow chart.

2 結果與討論

2.1 增黏性

分別用注入水和軟化水配制聚合物溶液，聚合物溶液黏度與質量濃度的關系見表2。從表2 可看出，在相同質量濃度和水質條件下，聚合物黏度大小順序基本為：1#>2#>3#。軟化水配制的聚合物溶液的溶解性和增黏性均要優于注入水配制的聚合物溶液，這表明水中的Ca2+和Mg2+對聚合物增黏性影響較大。三種聚合物溶液的增黏率大小順序依次為1#>3#>2#。當聚合物的質量濃度超過2 400 mg/L后，聚合物溶液的黏度開始明顯增加，這表明2 400 mg/L 為聚合物發生締合作用的臨界質量濃度。

表2 聚合物溶液黏度與質量濃度的關系Table 2 The relationship between viscosity and mass concentration of polymer solution

2.2 抗剪切性

聚合物溶液剪切10 s 后的黏度保留率見表3。從表3 可看出，當質量濃度為2 400 mL/g 時，1#聚合物溶液抗剪切能力較弱，黏度保留率較低，2#和3#聚合物溶液抗剪切能力較強，黏度保留率較高。軟化水配制的聚合物溶液的抗剪切性優于注入水配制的聚合物溶液。綜合考慮各因素，后續實驗采用軟化水配制聚合物溶液。

2.3 聚合物分子線團尺寸和聚集體形態

2.3.1 聚合物分子線團尺寸

聚合物分子的Dh見表4，光強分布曲線見圖2。從表4 可知，隨質量濃度的增大，1#聚合物的Dh增大，而2#、3#聚合物和弱凝膠溶液的Dh減小，但幅度不大。1#聚合物相對分子質量較大，因此Dh較大。其余2 種聚合物及弱凝膠分子Dh較小，最小僅為97.2 nm。弱凝膠分子的Dh最小。從圖2可知，聚合物類型對聚合物分子線團光強分布有較大影響。3 種聚合物和弱凝膠的Dh～光強分布呈正態分布，且聚合物相對分子質量越大，Dh分布曲線越靠右，光強峰值對應的Dh越大。

表3 聚合物溶液剪切10 s 后的黏度保留率Table 3 Viscosity retention rate of polymer solution after shearing 10 s

表4 聚合物分子的DhTable 4 Cluster size(Dh) of polymer molecule

2.3.2 聚合物分子聚集體形態

采用軟化水配制聚合物和弱凝膠溶液，聚合物分子聚集體的SEM 照片見圖3。

如果胎兒體重過重，那么胎頭難以通過正常產道，容易發生難產，生的過程中可能造成顱內出血、鎖骨骨折或嚴重的新生兒窒息，母親發生難產、產后出血和感染的風險也會增加。除了考慮母親種族、遺傳等因素，醫生首先需要排除妊娠期糖尿病等病理問題，進而調整血糖，避免一系列不良預后。對于單純由于營養過度造成的胎兒超重，也會積極幫助孕婦調整食譜。如果胎兒體重過輕，可能發生宮內生長受限，常見的病因有孕婦嚴重營養不良、妊娠期高血壓疾病、胎盤功能不良、胎兒自身結構缺陷或染色體異常，在我國發生率為6%～7%，死亡率為正常胎兒的6～10倍。

圖2 Dh ～光強分布曲線Fig.2 The relationship between Dh and light intensity distribution.▲ 1# Polymer；■ 2# Polymer；● 3# Polymer；▲ Weak gel

圖3 聚合物分子聚集體的SEM 照片Fig.3 SEM images of polymer molecular aggregates.Polymer mass concentration 50 mg/mL.

從圖3 可知，當聚合物質量濃度為50 mg/L 時，1#聚合物分子鏈舒展程度最高，以“分子內”締合作用為主，“分子間”締合作用為輔。2#聚合物分子鏈間形成稠密網孔結構，表現出較強的分形生長自相似性。3#聚合物分子鏈線型程度較強，各分子鏈粗細程度較均勻，分子柔性鏈間纏繞較少。弱凝膠分子中既存在“分子內”交聯又存在少許“分子間”交聯分子聚集體，分子鏈間纏結緊密，因此包裹水分子能力增強，剛性增強，滯留和液流轉向能力提升。

2.4 流變性和黏彈性

2.4.1 流變性

聚合物及弱凝膠溶液的表觀黏度與剪切速率的關系見圖4。

圖4 表觀黏度與剪切速率的關系Fig.4 The relationship between apparent viscosity and shear rate.Polymer mass concentration 1 200 mg/mL.▲ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；■ 3# Polymer；● Weak gel

從圖4 可看出，聚合物溶液均具有剪切變稀特性，為假塑性流體。隨剪切速率的增大，聚合物溶液表觀黏度呈逐漸減小趨勢。其中，初期下降速率較快，當剪切速率在1 ～150 s-1之間時，表觀黏度降幅較大，之后基本保持穩定。在濃度一定的條件下，由于弱凝膠自身的“分子內”交聯作用，聚合物溶液的表觀黏度略高于弱凝膠，但差別不大。

2.4.2 黏彈性

聚合物溶液儲能模量（G ′）和損耗模量（G＂）與振蕩頻率的關系見圖5。從圖5 可看出，聚合物和弱凝膠溶液的G＂均大于G ′，表明黏性優于彈性。隨振蕩頻率的增加，G＂和G ′整體呈增加趨勢。在振蕩頻率相同的條件下，弱凝膠的G ′和G＂最高，表明弱凝膠的黏彈性優于聚合物溶液。

圖5 G ′和G＂與振蕩頻率的關系Fig.5 Relations between storage modulus(G ′) and lossmodulus(G＂) and oscillation frequency.G ′：■ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；◆ 3# Polymer；● Weak gel；G＂：○ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；□ 3# Polymer；△ Weak gel

2.5 滲流特性

2.5.1 聚合物類型及質量濃度的影響

軟化水配制的不同聚合物溶液的阻力系數和殘余阻力系數見表5，注入壓力與注入孔隙體積倍數的關系見圖6。

表5 不同聚合物的阻力系數和殘余阻力系數Table 5 Resistance coefficient(FR) and residual resistance coefficient(FRR) of different polymer

圖6 不同聚合物注入壓力與PV 的關系Fig.6 The relationship between injection pressure and PV ofdifferent polymer.■ 1# Polymer（800 mg/L）；● 1# Polymer（1 200 mg/L）；△ 2# Polymer（800 mg/L）；□ 2# Polymer（1 200 mg/L）；○ 3# Polymer（800 mg/L）；▲ 3# Polymer（1 200 mg/L）；◆ Weak gel（800 mg/L）；▲ Weak gel（1 200 mg/L）

從表5 和圖6 可看出，聚合物類型和質量濃度對聚合物溶液流動性質有影響。對于同一種聚合物，隨質量濃度增加，注入壓力升高。在3 種聚合物中，1#聚合物溶液滯留量較大，注入性較差。2#與3#聚合物溶液滯留量適中，注入性較好。盡管弱凝膠工作黏度較低，分子線團尺寸較小，但阻力系數和殘余阻力系數卻較大，這是由于體系發生了“分子內”交聯反應，分子線團剛性增強，通過巖心過程中的滯留能力增強，因此滯留量增加，滲流阻力和注入壓力增大，故具有較強的液流轉向能力。與聚合物溶液相比，在后續水驅階段初期，弱凝膠水驅壓力呈上升趨勢，表現出獨特的滲流特性，所以殘余阻力系數較高，滯留效果較好。綜上所述，弱凝膠綜合性能較優，因此選用弱凝膠溶液應用于雁木西油田礦場。

質量濃度對弱凝膠溶液流動性質的影響見表6，對PV 數的影響見圖7。

從表6 和圖7 可看出，隨質量濃度的增大，阻力系數和殘余阻力系數增大。當弱凝膠溶液質量濃度為600 ～1 000 mg/L 時，阻力系數和殘余阻力系數適中，注入性和滯留特性良好，最高注入壓力在0.4 ～0.8 MPa 范圍內，與現場油田的實際調驅壓力比較吻合，適用于雁木西油田現場實際應用。

圖7 質量濃度對PV 數的影響Fig.7 The effect of mass concentration on PV.Concentration/(mg·L-1)：○ 200；◆ 400；▲ 600；▲ 800；■ 1 000；● 1 200

表6 質量濃度對弱凝膠溶液流動性質的影響Table 6 The effect of mass concentration on the flow properties of weak gel solution

2.6 巖心內含油分布可視化

2.6.1 采收率

巖心滲透率200 mD，含油飽和度73.82%，先水驅至含水98%，水驅采收率為45.37%，然后注入0.5 PV 弱凝膠溶液，最后后續水驅至含水98%，最終采收率為58.76%，采收率增幅為13.39 百分點。

2.6.2 驅替過程中油水分布變化

核磁共振T2譜不同階段的測試結果見圖8，核磁共振圖像見圖9，圖像顏色反映巖石中油水分布情況。T2分布表明了巖心孔喉尺寸分布情況，T2越大，孔隙孔徑越大，反之越小。信號幅度反映巖心內流體含量。從圖8 可看出，T2譜呈三峰，表明巖石內部的孔隙分布不均，具有非均質性特點，在100 ～1 000 ms 范圍內的大孔隙占主要部分，中小孔喉次之。隨驅替過程的進行，各峰峰面積均有下降，且右峰下降速度最快，幅度最大，左側兩峰降幅較小。分析認為，由于大孔隙滲流阻力較小，里面的油較易被驅替液采出，但流體通過中小孔隙需要克服較大的滲流阻力，所以中小孔隙中的油很難被采出，最終成為殘余油。相比水驅，化學驅與后續水驅結束后曲線值均有所降低，表明弱凝膠具有較好的擴大波及體積能力，從而提高最終采收率，相比于水驅結束采收率提高13.39 百分點。從曲線峰面積降幅可看出，T2弛豫時間大于100 ms 的大孔隙內的驅油效率最高，峰面積降幅最大，采收率貢獻最大，中小孔隙相對較小。進一步分析發現，在水驅階段，各個孔徑孔隙對采收率均有貢獻，但從化學驅開始，弱凝膠主要動用T2弛豫時間大于10 ms 以上的高滲透區域原油，在形成水驅優勢通道的情況下，無法波及T2弛豫時間小于10 ms 的相對低滲透區域殘余油。由此可見，水驅能動用T2弛豫時間大于0.1 ms 的所有區域，且驅替效果明顯。凝膠驅主要動用T2弛豫時間大于10 ms 的相對高滲區域，一方面由于水驅后形成了優勢通道，另一方面因為弱凝膠本身的分子尺寸效應也直接影響低滲透區域的波及能力。

從圖9 可看出，水驅過程中，由于巖心的非均質性，驅替水于巖心的上下兩側實現突破，形成水流優勢通道，在優勢通道之外形成了較多不連續的塊狀殘余油。在凝膠驅后，巖心前后兩端仍有較多的殘余油，而中間部分的殘余油量減少明顯，說明水流優勢通道被弱凝膠有效封堵，擴大波及體積效果明顯，洗油效率增強，含油飽和度降低。當后續水驅結束時，可明顯發現殘余油已變得非常少，只有入口端留有部分殘余油，表明弱凝膠在巖心內封堵優勢通道效果較好，滯留能力較強，注入壓力提高顯著，最終提高采收率。

圖8 驅替過程中T2 譜分布曲線Fig.8 T2 spectrum distribution curve in displacement process.■ Saturated oil；● Water drive end；▲ End of chemical flooding；○ Follow-up water flooding ended

圖9 驅替過程中核磁共振成像Fig. 9 Nuclear magnetic resonance imaging during displacement.

2.6.3 端部效應

端部效應是巖心驅替過程中常見的實驗現象。從圖9 可看出，直至后續水驅結束，巖心入口處依然有部分殘余油滯留，自始至終未被完全采出。流道突變和化學劑堵塞滯留可能是導致該現象的主要原因。分析認為，驅替液從進入巖心前的管流變為巖心中的滲流，會導致壓力及流速的改變。另外，驅替液通過巖心時會經過多孔介質的篩選，當驅替液中較小的固體雜質吸附在微孔道表面，會形成吸附層，減小過流半徑，最終導致雜質聚集在巖心的入口端并形成阻塞。

3 結論

1）軟化水配制聚合物熟化效果較好，黏度保留率較高，因此采用軟化水配制聚合物溶液。

2）弱凝膠分子線團尺寸最小，分子中既存在“分子內”交聯又存在少許“分子間”交聯分子聚集體，分子鏈間纏結緊密，因此包裹水分子能力增強，剛性增強，滯留和液流轉向能力提升，黏彈性也優于聚合物溶液。

3）弱凝膠溶液質量濃度為600 ～1 000 mg/L時，阻力系數和殘余阻力系數適中，注入性和滯留特性良好，因此適用于雁木西油田礦場，采收率增幅為13.39 百分點。

4）巖心驅替過程中在入口處自始至終有部分殘余油滯留，表明巖心存在端部效應。

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