渤海Q油田三種不同驅油體系傳輸運移能力對比研究

楊 彬，高建崇，吳彬彬，吳雅麗，李 奇，劉文華

（1．中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

海上Q油田屬于河流相沉積，儲層埋藏淺，處于欠壓實階段，成巖作用較弱，砂巖疏松，非均質性強，在長期注水開發(fā)過程中，水流優(yōu)勢通道逐漸形成，非均質性加劇。以聚丙烯酰胺為增稠劑主體的聚合物驅是一項重要的三次采油方法，但在非均質性強的油田應用效果較差[1-4]。目前，針對非均質性比較強的油藏，可以通過同時具有調(diào)和驅雙重功能的驅油體系達到較好的“穩(wěn)油控水”目的，這類體系常用的有WQ、HG等[5-8]。

由于WQ和HG為兩種不同類型的驅油體系，驅油機理也有所差別，為了篩選出更適合Q油田的驅油體系，有必要研究這兩種驅油體系與油藏之間的適應性。本文主要以傳輸運移能力為研究對象，分析驅油體系在巖心中的運移規(guī)律，并從驅油體系的分子結構和溶液性能進行相關解釋。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗材料：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），HG，WQ，Q油田模擬水，標準3#白油，均質人造膠結巖心（30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm，中間兩個測壓點等距分布）。

實驗儀器：Brookfield DV-Ⅱ電子數(shù)顯黏度計，哈克RS600高溫高壓流變儀，吳茵剪切機，恒溫水浴攪拌器，動靜態(tài)光散射儀，Pure掃描電鏡，紫外分光光度計，多功能化學驅替設備。

1.2 實驗方法

1.2.1 結構性能分析

（1）掃描電鏡分析。分別將HPAM 和HG 配制成濃度為200 mg/L的溶液（蒸餾水做溶劑），通過掃描電子顯微鏡觀察兩種聚合物剪切前后的分子聚集形態(tài)。掃描電鏡實驗的樣品制備：使用液氮將樣品低溫快速冷凍，并用低溫冷凍干燥法在-50 ℃下使水分在真空環(huán)境中升華，基本保證樣品始終在固態(tài)情況下干燥，從而把高分子在干燥過程中的遷移運動減少到最低程度。最后，樣品噴金后拍攝電鏡照片，以此觀察到的分子聚集形態(tài)應更接近原始條件下溶液中的聚集體形態(tài)。

（2）分子線團尺寸測定。采用動靜態(tài)光散射儀測定三種驅油體系剪切前后的分子線團尺寸。聚合物測試樣品配制：使用1%的NaCl溶液分別配制濃度均為200 mg/L的HPAM和HG溶液，靜置2 h，待測；WQ測試樣品配制：初始粒徑用3#白油做分散介質，在燒杯中加入0.5 g樣品，然后加入100 mL 3#白油，攪拌后放入超聲波清洗儀中超聲分散5 min，待測。WQ吸水溶脹后粒徑測試用水做分散介質。

（3）靜態(tài)吸附量測定。用模擬水配制一系列濃度為 200，400，600，800，1000，1500，1800，2000 mg/L的三種驅油體系水溶液，放入烘箱48 h后，測定初始濃度；準確稱取5.0 g粒徑為40～60目的石英砂與體系溶液，按1∶4的固液比加入穩(wěn)定瓶，搖勻后放入恒溫箱中，定時振蕩以使石英砂與溶液充分接觸，48 h后，取上部清液稀釋到濃度為100 mg/L后，進行吸附平衡后的濃度測定，計算不同驅油體系靜態(tài)吸附量。

1.2.2 傳輸運移能力實驗

（1）體系濃度和黏度。實驗中使用的體系為經(jīng)過機械剪切作用，模擬現(xiàn)場聚合物從地面到地層的降解，即在相同剪切條件下（均為1檔剪切20 s）。采用吳茵剪切機的機械剪切來模擬炮眼剪切作用，控制濃度使驅油體系溶液的黏度相同。

（2）物模實驗。模擬Q油田油藏條件，采用均質人造膠結巖心，進行不同驅油體系溶液注入性物理模擬實驗。實驗過程：水驅至壓力穩(wěn)定→驅油體系驅至壓力穩(wěn)定→后續(xù)水驅至壓力穩(wěn)定，記錄壓力，并根據(jù)壓力計算阻力系數(shù)與殘余阻力系數(shù)。

2 實驗結果與討論

2.1 結構性能

2.1.1 分子聚集形態(tài)

濃度均為200 mg/L 的HG和HPAM溶液剪切前后的顯微形貌見圖1和圖2。由于HG分子鏈上含有疏水基團，在水中發(fā)生締合作用，主要以分子間締合為主，分子鏈之間纏繞緊密，形成三維立體空間網(wǎng)狀結構（圖1a）；剪切后，三維立體空間網(wǎng)狀結構被破壞，剪斷后的小分子鏈卷曲，但仍纏繞聚集在一起（圖1b）。HPAM為聚丙烯酰胺主鏈構成，在水中呈線條狀，分子鏈收縮，分子間纏繞聚集少（圖2a）；剪切后小分子鏈不再舒展（圖2b）。

2.1.2 分子線團尺寸

在1%的NaCl鹽水中，濃度均為200 mg/L的HG溶液和HPAM溶液相比較，HG溶液的分子線團較大，這是由于 HG的締合作用形成三維立體空間網(wǎng)狀結構，故分子線團較大；而HPAM為部分水解聚丙烯酰胺，鹽水中聚合物分子鏈收縮，分子間纏繞聚集少，故分子線團較小；剪切后HG和HPAM的分子線團尺寸分別為376.32 nm和182.46 nm，其分子線團尺寸都減小（表1）。WQ為微凝膠顆粒，吸水后發(fā)生膨脹，吸水1 d后分子線團達358.30 nm，其膨脹倍數(shù)約3.5倍（表2）。

表1 HG和HPAM剪切前后分子線團對比 nm

表2 WQ吸水前后分子線團變化 nm

2.1.3 吸附能力

吸附是聚合物在巖石表面的富集現(xiàn)象，聚合物分子通過化學鍵、靜電、氫鍵、范德華力可逆或不的聚集濃縮到礦物巖石/水界面，使界面附近聚合物濃度遠高于溶液中聚合物平均濃度的現(xiàn)象。靜態(tài)吸附量是指當聚合物溶液與巖石顆粒長期接觸達到吸附平衡后，單位巖石顆粒表面積或單位巖石顆粒質量所吸附聚合物的質量。

圖1 HG溶液剪切前后顯微形貌

圖2 HPAM溶液剪切前后顯微形貌

從圖3可以看出，HG和HPAM的靜態(tài)吸附量均隨著濃度的增大先增加，后穩(wěn)定不變，濃度大于1000 mg/L時，HPAM吸附趨于飽和，飽和吸附量約為330 μg/g；濃度大于1500 mg/L時，HG吸附趨于飽和，飽和吸附量約為1600 μg/g。HG的飽和吸附量要遠遠大于HPAM的飽和吸附量，說明HG具有強吸附性，這是由于HG分子鏈上的活性基團與巖石顆粒表面發(fā)生化學反應，生成化學鍵引起的吸附，WQ的靜態(tài)吸附量接近0。

圖3 HG和HPAM靜態(tài)吸附量實驗結果

2.2 傳輸運移能力實驗結果

傳輸運移能力是評價驅油體系沿地層（巖心）驅替方向滯留量分布均勻程度的技術指標，滯留量分布越均勻，傳輸運移能力越強。由于驅油體系在巖心區(qū)間的滯留量大小與壓差值呈正相關關系，實驗過程中可通過測定驅替穩(wěn)定時巖心各測壓點區(qū)間的壓差值來反映傳輸運移能力的大小。

傳輸運移能力實驗中使用的WQ為吸水膨脹1 d后的交聯(lián)聚合物微球，實驗體系濃度和剪切降解前后的黏度見表3。WQ剪切前后黏度變化不大，這是由于微球為預交聯(lián)微凝膠顆粒，在水中以固體顆粒形式分散，不具有增黏性。820 mg/L的HG溶液黏度達137.00 mPa·s，遠高于1150 mg/L的HPAM溶液黏度，這是由于HG在水溶液中產(chǎn)生締合作用形成空間網(wǎng)狀結構，并且 HG分子間除了氫鍵和范德華力之外，還有較強的締合作用力，具有較強的結構黏度，表現(xiàn)在溶液表觀黏度高。HPAM在水溶液中只存在氫鍵和范德華力，表觀黏度以本構黏度為主。剪切作用會破壞 HG的空間網(wǎng)狀結構，導致結構黏度大幅降低，因此，在相同剪切條件下，HG剪切損失率較大，達78.0%。

表3 傳輸運移能力實驗用體系濃度和黏度

傳輸運移能力實驗使用剪切后黏度相近的 HG溶液和HPAM溶液以及2000 mg/L的WQ溶液，實驗用巖心參數(shù)見表4。

從圖4和圖5可以看出，HG和HPAM注入巖心后壓力變化規(guī)律都是隨著注入倍數(shù)增大先上升后趨于平穩(wěn)，不同的是，注入 HG穩(wěn)定后壓力要比注入HPAM穩(wěn)定后壓力大很多，后續(xù)水驅穩(wěn)定時HG壓力也要比HPAM壓力大。HG的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)分別是56.38和14.05，HPAM的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)分別是17.28和5.36。這是由于HG的分子尺寸比HPAM大，靜態(tài)吸附量更大，HG在巖心里的滯留量也更大，流動阻力更大，因此，在多孔介質中產(chǎn)生的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)更大。

表4 實驗巖心參數(shù)

圖4 注HG巖心壓力變化

圖5 注HPAM巖心壓力變化

圖6為注入WQ巖心變化情況，可以看出，P1、P2和P3增大過程中出現(xiàn)波動，隨后緩慢增大趨于穩(wěn)定。后續(xù)水驅時壓力出現(xiàn)波動，穩(wěn)定后壓力降低幅度較小。WQ的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)分別是40.11和35.47。這主要是由于WQ為彈性預交聯(lián)微凝膠顆粒，在巖心運移過程中發(fā)生“封堵—變形—突破—再封堵—再變形突破”，后續(xù)水驅時主流道上的WQ顆粒受壓變形，一部分發(fā)生運移，導致壓力發(fā)生波動，一部分深入孔徑更小的喉道，封堵吼道，增大壓力。當運移的顆粒排出巖心后，水流通道形成，壓力穩(wěn)定。從巖心各區(qū)間壓差比值大小看（表5），三種驅油體系的傳輸運移能力大小排序為：HPAM＞HG＞W(wǎng)Q。

3 結論

（1）聚表劑HG分子鏈上帶有疏水基團，在水溶液中發(fā)生締合作用形成三維立體空間網(wǎng)絡結構，分子線團尺寸大，結構黏度高。剪切作用會破壞HG在水溶液中的聚集形態(tài)，黏度損失率較大，但締合作用使剪切后的小分子鏈部分聚集，仍然具有較大的分子線團尺寸。分子線團尺寸大和吸附性強雙重特性導致HG注入壓力大，具有一定的封堵能力。（2）交聯(lián)聚合物微球WQ為彈性凝膠顆粒，吸水1 d后膨脹約3.5倍，在巖心運移過程中發(fā)生“封堵—變形—突破—再封堵—再變形突破”，壓力呈現(xiàn)上下波動變化。