復合離子聚合物調驅體系研究與應用進展

賈瑞軒，劉衛東，孫靈輝，叢蘇男，李杰瑞，周義博

(1.中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發研究院，河北 廊坊 065007)

在20世紀90年代，我國油田普遍進入高含水期，老油田普遍存在著油層滲透率級差大，聚合物竄流現象嚴重、含水率下降少、在高滲透層存聚率低、單位體積聚合物采油量小等問題[1-2]。為進一步開發儲層，改善吸水剖面，提高水驅及聚合物驅效率，采用調剖劑封堵高滲透層具有重大意義。由于普通調剖劑成膠時間短、調剖覆蓋面積小，調剖后注入液繞流，增產有效期短，僅單井受益，調剖成本過高，已經不能滿足油田的生產需求，隨著“區塊治理”和“深度調剖”概念的提出，新的調驅技術的研究成為熱點。復合離子聚合物調驅體系成膠時間長，且成膠時間可控[3]，具有良好的抗鹽性、抗剪切性、熱穩定性[4]，可用于油田達到深度調剖和驅油的效果。因此，有必要對復合離子聚合物調驅劑的機理進行研究。

雖然復合離子聚合物調驅體系已為油田的增產穩產作出了巨大貢獻，但其面臨的問題還有很多：如復合離子聚合物的驅油效率、微觀驅油機理研究薄弱；用污水配制復合離子聚合物母液、多種調驅技術聯用研究較少；生產成本較高，生產工藝需要改進等。本文論述了復合離子聚合物調驅劑的性質特點及其成膠性能的影響因素，介紹了影響復合離子聚合物調驅劑調驅效果的主要因素，總結分析了大慶油田復合離子聚合物調驅現場試驗及應用，并提出了現階段復合離子聚合物調驅體系的不足和下一步研究方向。

1 復合離子聚合物調驅劑合成方法及性質特點

復合離子聚合物的合成方法主要有兩種：一種是用陰、陽離子單體及丙烯酰胺單體通過聚合反應合成；另一種是將簡單的單體聚合后進行功能化改性。前者可以通過改變不同單體的投量比，精確的控制產物所含正負電荷基團數目，不足之處在于該方法經常需要多次進行，過程繁瑣；后者為了讓產物不易自發聚合，所選反應物應結構相似。

復合離子聚合物調驅劑由復合離子聚合物、交聯劑(六次甲基四胺)、穩定劑(苯酚)、促凝劑(間苯二酚)等組成。其中復合離子聚合物是由陰離子基團、陽離子基團和非極性基團組成的一種線性聚合物，其陰離子基團表現為親水性，有利于聚合物在水中溶解，陽離子基團在地層巖石上有較強的吸附能力，這兩種基團既有靜電斥力，也有靜電引力，可以使分子鏈卷曲，從而使復合離子聚合物有良好的抗剪切性。當分子鏈上正負電荷相等時，從而表現出很好的抗鹽性[5]。調驅劑成膠后在70 ℃條件下放置1年，強度損失率不到5%，不脫水，不破膠，有良好的穩定性[6]。

1.1 調驅機理

調驅劑進入地層后，通過吸附、動力捕集、物理堵塞對高滲透孔道進行堵塞[1]。該調驅體系是一種弱凝膠類的粘彈性流體，初始粘度較低，可以沿著水流優勢通道流動，隨著粘度逐漸增大，壓力逐漸升高，使得后續水驅過程中可以改變水的流向，進入低滲透層，達到調整平面矛盾的作用，增加了波及系數，又因為復合離子聚合物溶液具有粘彈性，在孔道中流動時，后面的流體會推動前面的流體，同時由于聚合物分子間的纏繞作用，前面的分子會對后面的分子產生拉力，流經多孔介質時可以將殘余油攜帶出來，提高驅替效率，實現了邊調邊驅。調驅劑成膠后，后續水驅階段高、中、低滲透層的層間差異減小，吸水剖面得到調整，由于低滲透層中調驅體系注入量少，在一定壓力下優先突破，隨著壓力下降，含水率上升，采收率提高，實現了調驅體系的持續邊調邊驅[7-9]。

1.1.1 吸附作用 因為陽離子基團對巖石的吸附能力較強，會增加水流動時的阻力，吸附在巖石上的聚合物也有較好的耐沖刷能力，可以延長其堵水的有效期。

1.1.2 動力捕集作用 復合離子聚合物是一種線性聚合物，由于在注入過程中流速快，其分子鏈伸展表現出良好的流動性。進入地層后流速緩慢，靜電力使分子鏈卷曲成螺旋狀，可以堵塞高滲透流通孔道。

1.1.3 物理堵塞作用 復合離子聚合物成膠后形成了體型結構的凝膠，粘度增加，在地層孔隙中形成物理堵塞。

1.1.4 粘彈性驅油作用 復合離子聚合物凝膠具有較強粘彈性，對水驅殘余油驅替能力強于普通聚合物。

1.2 調驅劑成膠性能影響因素

復合離子聚合物調驅性能的影響因素主要有成膠時間和成膠強度。據王國珍[4]、郭金龍[10]、尉小明[11]實驗研究表明，復合離子聚合物調驅劑成膠時間及成膠強度的影響因素有復合離子聚合物用量、交聯劑用量、促凝劑用量、pH值、剪切強度，與穩定劑用量關系不大。李霞等[12]研究表明，調驅劑成膠后的強度還與復合離子聚合物的相對分子質量、礦化度有關。

1.2.1 復合離子聚合物用量對成膠時間及成膠強度的影響 在復合離子聚合物的濃度較低時，調驅劑很難成膠。隨著復合離子聚合物濃度增加，成膠強度先緩慢上升后急劇上升，超過某一值時繼續增加濃度，成膠強度反而逐漸變弱。隨著復合離子聚合物濃度增加，成膠時間相差不大，到轉折點后繼續增加復合離子聚合物濃度，成膠時間急劇縮短。

1.2.2 交聯劑用量對成膠時間及成膠強度的影響 在一定范圍內隨著交聯劑用量增加，調驅劑成膠強度增加，成膠時間縮短，當交聯劑濃度足夠高，繼續增加交聯劑用量，對調驅劑的成膠強度及成膠時間影響不大。這是因為當交聯劑濃度過高時，聚合物已經完全反應，所以交聯劑用量需要根據應用情況進行優選。

1.2.3 促凝劑用量對成膠時間及成膠強度的影響 隨著促凝劑用量增加，調驅劑成膠時間縮短，成膠強度增加。由于促凝劑活性較強，所以少量加入即可使調驅劑達到需求。

1.2.4 pH值對成膠時間及成膠強度的影響 隨著pH值降低，成膠時間縮短，但凝膠易水解，成膠強度保持時間短。pH值較高時，調驅劑不易成膠。這是因為交聯劑需在酸性條件下發生反應放出醛，如果pH值過低，交聯劑反應放出的氨氣不足以中和酸，凝膠易被酸水解，所以，pH值在5.0～5.5區間時，成膠性能較好。

1.2.5 剪切強度對成膠時間及成膠強度的影響 溶液在20%剪切強度下，成膠時間及成膠強度沒有明顯變化，隨剪切強度增加，成膠時間變慢，成膠強度降低。在50%剪切強度下，成膠時間及成膠強度有明顯變化，但總體來說，調驅劑抗剪切性良好。

1.2.6 復合離子聚合物相對分子量對成膠時間及成膠強度的影響 復合離子聚合物相對分子量越大，成膠時間越短，成膠強度越大。這是因為聚合物分子量越高，其分子鏈越長，活性官能團就越多，發生縮聚反應的速率就越快，即成膠時間越短。分子量高的聚合物分子在縮聚反應后的生成物分子量也高，所以在保證注入性的前提下，聚合物分子量越高，生成的凝膠強度越高。

1.2.7 礦化度對成膠時間及成膠強度的影響 隨礦化度增加，成膠時間延長，成膠強度降低。污水中存在微生物和不穩定離子，會與交聯劑和促凝劑水解出的醛發生反應，由于醛為聚合物交聯反應所需，所以影響調驅劑成膠性能。可以通過改善配方來降低礦化度對調驅劑成膠性能的影響。

1.3 調驅劑適用原則

調剖選井應選油層底部水淹嚴重、縱向非均質性嚴重、滲透率級差大、周圍采出井含水高、吸水剖面差的井。選井的判斷指標有：每米視吸水指數、壓降曲線、啟動壓力、滲透率級差、滲透率、吸水剖面、周圍油井含水率。調剖選井應綜合各指標之間權重，應用各種動靜態資料來判斷大孔道存在情況，從而優選出調剖井。調剖選擇的層位應為水淹程度高、吸水百分數>40%、厚度>2 m、滲透率較高的層段。同時結合動靜態資料及電測曲線資料分析確定大孔道的層位[13-14]。

2 復合離子聚合物調驅劑調驅效果影響因素

2.1 調驅劑用量對調驅效果影響

由于油層的非均質性，導致注入水在高滲層形成優勢通道，使水驅效率低下。地層進行調驅后可以顯著改善吸水剖面，封堵高滲層，使注入水可以進入低滲透層，增加波及系數，提高采收率。復合離子聚合物調驅劑的用量對調驅效果有顯著影響。李愛芬等[3]將飽和油的巖心先水驅后注入調驅劑，最后水驅，通過測量注入調驅劑和后續水驅過程中的出油量來計算采收率提高值。實驗發現隨復合離子聚合物調驅劑的注入量增加，采收率明顯增加，當調驅劑注入體積達到臨界值時，再注入調驅劑，采收率增加緩慢。

調驅劑用量越多，調驅效果越好，但存在一個臨界值，達到該值后繼續增加調驅劑用量，調驅效果增加緩慢。在實際礦場應用中，考慮經濟效益，復合離子聚合物調驅劑用量應選為臨界值用量。

2.2 調驅時機對調驅效果影響

調驅時機可以選為注聚前調驅、注聚中調驅和注聚后調驅，其中注聚中調驅又分為注聚初期(含水下降)調驅和注聚后期(含水回升)調驅。2001年2月至5月喇嘛甸油田北塊進行了注聚時機試驗，注聚前調驅受效井數95口，含水率由94.4%下降到59.2%，下降了35.2個百分點。注聚初期調驅受效井數4口，含水率由96.7%下降到73.6%，下降了23.1個百分點。注聚后期調驅受效井數8口，僅有3口井含水率下降，含水率由92.2%下降到90.8%，下降了1.4個百分點。注聚后調驅受效井4口，含水率由91.0%下降到88.6%，下降了2.4個百分點。實驗結果表明，無論何時進行調驅，吸水剖面、層間矛盾都可以得到明顯改善，但復合離子聚合物注聚前調驅含水率下降最多，效果最好[15]。

3 復合離子聚合物調驅劑試驗應用現狀

目前，復合離子聚合物調驅體系在大慶油田應用較為廣泛，大慶油田各區塊均高含水，長期水驅導致儲層形成大孔道，注入水多進入大孔道造成無效循環，水驅效率低下。1996年開始，大慶油田開始了復合離子聚合物深度調剖的探索。1996年在喇嘛甸油田葡I1-2油層開展了復合離子聚合物深度調剖現場試驗，注入井14口，受效井54口，截止2000年10月增油量達69.35×104t，增油效果顯著[16]。1998年，大慶采油三廠北2-3-53井進行復合離子聚合物調驅試驗，截止1998年12月，2口受效井增油量達2 137 t[5]。同年，大慶北區中塊、大慶外圍升平油田、薩北北三西西塊油田均進行了復合離子聚合物調驅試驗，試驗降水效果好，增油量可觀[2，17-18]。1996年～2007年，薩中地區復合離子聚合物調驅井口共95口，調驅見效后含水率在短期內大幅度下降，比見效前下降了44.8個百分點，調驅后采收率提高3.72個百分點[19]。2001年，喇嘛甸油田北西塊共83口井進行復合離子聚合物調驅，調驅劑注入油層孔隙體積0.23 PV時，除個別井口外多數井含水下降超過40%，采收率提高3.43%[20]。2008年，大慶榆樹林油田17口井進行復合離子聚合物調驅，綜合含水率下降10.74%，日產油增加4.6 t[21]。

總體而言，無論試驗階段還是應用階段，大慶油田應用了復合離子聚合物調驅后都取得了不錯的成績，其中注聚前調驅和注聚初期調驅提高采收率幅度較高。

4 復合離子聚合物調驅體系存在問題

4.1 驅油理論及評價方法不健全

完善的評價方法、評價指標和成熟的調剖驅油機理研究是復合離子聚合物調驅體系發展的關鍵。復合離子聚合物調驅劑的調剖機理、成膠影響因素已有諸多學者研究，調剖性能影響因素和性能評價已經比較成熟，但針對復合離子聚合物驅油效果、微觀驅油機理研究甚少，陰陽離子基團對洗油效率的影響及地層巖石對調驅劑的吸附作用認識不足。部分驅油機理和性能參數可以參考聚合物驅，但復合離子聚合物的理論體系仍需完善。

4.2 成本較高

復合離子聚合物主要用陰、陽離子單體及丙烯酰胺單體通過聚合反應合成，該方法合成的復合離子聚合物可以準確地控制陰、陽離子電荷數，并且可以使合成的產品陽離子基團較多，該制備方法所得產品符合油田調驅需求，但生產工藝比較復雜且成本較高[22]。因此，需加強復合離子聚合物合成方法的研究，提高其生產工藝，健全其產品質量控制指標及產品質量檢測體系。

為節約生產成本，現已有油田改用污水配制聚合物母液，相比于用清水配制母液節省了污水處理成本，更加環境友好。但污水中氧化還原物質較多，礦化度高，影響調驅劑成膠后粘度，目前復合離子聚合物調驅體系的污水配制研究較少。

4.3 多種調驅技術聯用研究較少

復合離子聚合物調驅劑在大慶油田已經有多年的應用歷史，提升采收率效果顯著，為大慶油田提升了經濟效益，并且現在國內的一些其他油田也開始應用復合離子聚合物調驅體系。油藏實際應用中可以采用兩種或多種調剖劑同時使用，根據油藏實際情況可以達到更好的經濟效益，如大慶油田中使用較多的復合離子聚合物加預交聯體膨顆粒調驅體系。目前，對于多種調剖技術聯合使用的研究較少，評價方法和評價體系不完善。

5 結束語

復合離子聚合物以目前的試驗及應用來看，在提高采收率方面發揮了重要作用，其調剖理論研究方面已比較成熟，但其驅油方面評價方法、理論研究不健全。為完善復合離子聚合物調驅機理研究，為今后研制更優調驅劑提供理論支持，提高油田生產開發效果，應加強復合離子聚合物凝膠的評價方法、指標研究，加強復合離子聚合物驅油效率、微觀驅油機理的研究。其中應包括：復合離子聚合物在巖石礦物界面吸附性能的評價、復合離子聚合物對微觀剩余油啟動運移規律影響、復合離子聚合物調驅劑提高采收率作用機理、復合離子聚合物在巖心中運移規律等。

復合離子聚合物調驅體系需加強研究達到降低成本、開發出效果更好的調驅聯用體系。復合離子聚合物調驅劑對中高滲油藏降低含水率，改善吸水剖面的作用十分重要。現階段的研究已經取得了一定的成果，但為使調驅技術能在以后的油藏開發中發揮更好的作用，仍需對調驅技術開展綜合性的研究工作。復合離子聚合物污水配制母液的技術不成熟，應多展開污水配制調驅劑的技術研究，保證性能的前提下優化改進調驅劑污水配方。復合離子聚合物調驅技術與其他調驅技術聯用的研究應該加強，在今后的研究中，需要更多地研制出對地層條件配伍性強、調驅效果更好、成本更低的調驅體系。