聚合物凝膠調剖體系的優化應用研究

周志軍 陸遠航 丁海峰

摘 ? ? ?要：針對聚合物凝膠體系的選擇及優化問題，以大慶薩普油田S、E、N區塊為例，通過實驗的方式，對聚合物的濃度、注入量、注入方式、注入速度以及注入時間分別進行了優化研究，為實現油藏穩產奠定基礎。研究表明：對于S、E、N三大區塊而言，在聚合物凝膠的濃度分別為1 200 mg/L（凝膠A）、2 000 mg/L（凝膠B）和2 000 mg/L（凝膠D）的前提下，當注入量為0.3PV、注入方式采用連續注入、注入速度為0.5 mL/min、注入時機在含水率90%時，其提高采收率的效果最佳。

關 ?鍵 ?詞：聚合物凝膠;調剖體系;聚合物濃度;注入量;注入方式

中圖分類號：TE 327 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）02-0275-05

Abstract： In view of the selection and optimization of polymer gel system， taking the S， E and N blocks of Daqing Sapu oilfield as examples， through experiments， the concentration， injection amount， injection mode， injection speed and injection time were optimized separately to lay the foundation for the stable production of the reservoir.The results showed that for the three major blocks of S， E and N， when the concentration of polymer gel was 1 200 mg/L （gel A）， 2 000 mg/L （gel B） and 2 000 mg/L（gel D）， the injection amount was 0.3 PV， the injection method was continuous injection， the injection speed was 0.5 mL/min， and the injection timing was at 90% moisture content， the effect of improving oil recovery was best.

Key words： Polymer gel; Profile control system; Polymer concentration; Injection amount;Injection method

對于開發后期的油田而言，如何提高采收率是一項重大問題，我國大多數油田都是采用注水的方式進行開采，在開發的后期階段，地層的含水率相對較高，使得原油的開發難度增大，同時，高含水還會引起嚴重的環境污染問題[1，2]。聚合物凝膠作為一種堵漏劑，主要由聚合物、交聯劑和穩定劑組成，聚合物凝膠的使用對提高開發后期油田的采收率做出了重大貢獻，但是在聚合物凝膠使用的過程中，如何對聚合物的濃度、注入量、注入方式、注入速度以及注入時間進行選擇是一項重大問題，當聚合物濃度等因素的選擇不合理時，往往達不到提高采收率的效果[3-5]。針對聚合物凝膠調剖體系的優化選擇問題，本次研究以大慶薩浦油田的S、E、N區塊為例，通過多組實驗的方式，對聚合物的濃度、注入量、注入方式、注入速度以及注入時間進行深入研究，為聚合物凝膠的合理使用奠定基礎。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

為了進行聚合物凝膠調剖體系優化實驗，分別準備了A、B、C、D四種不同的聚合物凝膠，其水解度分別為20.17%、37.12%、34.17%、28.43%，A、D兩種聚合物凝膠中的交聯劑為龍翔化學有限公司生產的醋酸鉻交聯粉末，B、C兩種聚合物凝膠中的交聯劑為大慶新萬通化工有限公司生產的有機鉻化合物交聯粉末，四種類型聚合物凝膠的分子量分別為1 000萬、734萬、660萬、560萬，在進行聚合物凝膠調剖體系優化實驗之前，首先對聚合物凝膠進行了靜態實驗和動態實驗[6]。實驗結果顯示，對于S區塊而言，A類型的聚合物凝膠效果最好，對于E區塊而言，B類型的聚合物凝膠效果最好，對于N區塊而言，D類型的聚合物凝膠效果最好，因此，在接下來的實驗中，S、E、N三大區塊分別使用A、B、D三種類型的聚合物凝膠進行優化研究。本次實驗的用水為注入水（雜質經微孔過濾器過濾），實驗油為各區塊原油，實驗巖心為人工雙巖心，三大區塊的實驗巖心滲透率分別為100/350、50/180、50/150 md。

1.2 ?實驗裝置

電子天平、布魯克菲爾德黏度計、電熱恒溫干燥箱、驅油實驗裝置。

1.3 ?實驗方案

依次在油藏溫度條件下，對聚合物的濃度、注入量、注入方式、注入速度以及注入時間進行優化選擇。所有的實驗都是逐步進行，以確保下一個實驗是基于前者的優化[7]。

2 ?聚合物凝膠調剖體系優化

2.1 ?聚合物凝膠濃度優化

本次研究主要是從提高采收率的角度出發，對不同聚合物濃度下凝膠體系進行性能評價。對于滲透率不同的地層，凝膠體系越強，采收率不一定會得到提升[7-9]。因此，在本次研究中需要對三種凝膠體系的六組聚合物濃度進行初步評價。在水驅前，柱狀巖心依次進行了水和油的飽和，當含水率達到90%時，凝膠體系注入量為0.3 PV，在三個區塊形成凝膠以后，再次進行水驅實驗，直到含水率達到100%，然后記錄注水壓力、采出液量、采出油量等數據，其數據如表1所示（表示水驅油量，表示凝膠驅替油量，表示后續水驅替的油量），提高采收率的數值RF可由式（1）計算得到[10]。

通過對提高采收率進行計算可以發現，S區塊使用A類聚合物凝膠的最佳濃度為1 200 mg/L，E區塊使用B類聚合物凝膠的最佳濃度為2 000 mg/L，N區塊使用D類聚合物凝膠的最佳濃度為2 000 mg/L（圖1-3）。

2.2 ?聚合物凝膠注入量優化

在上述主劑濃度優化的基礎上，對聚合物凝膠注入量優化的過程中，依次進行注入量為0.2、0.3、0.35PV的實驗。第一步是在進行凝膠驅油之前準備好實驗巖心，根據三個區塊的實際情況，采用電子天平對兩種不同滲透率的雙層柱狀人工巖心的干重進行了測量，然后將巖心放入巖心夾持于水中使其水飽和，取出巖心稱濕重，然后，將巖心夾持于油中使其被飽和。

下一步分別在47.4、65和69 ℃條件下進行9組凝膠處理實驗，注入量分別為0.2、0.3和0.35 PV，記錄注入壓力、采出液質量、出油量等數據。注入凝膠后，取下巖心，用塑料薄膜密封，然后在相應的實驗溫度下加水，在上述實驗巖心中形成凝膠后，進行注水后續實驗，記錄注入壓力、采出液質量、出油量等信息。最后，利用上面記錄的數據，用方程（1）計算提高采收率的數值（RF）。三個區塊的實驗結果如表1-表3所示。

通過對表1-表3的數據比較可以發現，在S、E和N三個區塊的實驗中，當注入量分別為0.3PV和0.35PV時，RF的最大增量為0.32%，幾乎處于同一水平，然而，在0.3 PV注射量下，注入壓力較低，因此，考慮到注入凝膠的投入成本和經濟效益，三個區塊的最佳注入量應為0.3 PV。

2.3 ?聚合物凝膠注入方式優化

在進行聚合物凝膠注入方式優化實驗的過程中，分別采用連續注入、水膠段塞組合和復合段塞組合三種注入方案，篩選出在各區塊地層溫度條件下進行凝膠驅油的最佳方案[11]。

方案1：連續注入：在進行凝膠驅油時，向上述巖心樣品注入0.3PV凝膠。

方案2：水膠段塞組合：凝膠驅油過程分為三個階段，凝膠總注入量在0.3PV時保持不變，在每個階段注入0.1 PV凝膠，注入水的體積占總凝膠體積的10%。（各階段：0.1PV凝膠+10%×0.3PV油田注水）。

方案3：復合段塞組合：前段塞體積 、中間段塞體積 以及后段塞體積 根據公式（2）進行了四組實驗，聚合物、交聯劑和穩定劑的配比濃度見表4。

當含水率達到90%時，在模擬三個區塊實際地層情況的條件下注入凝膠，隨后注水，直至含水率達到100%，記錄了注入壓力、采出液質量、排油量等數據，根據公式（1）計算極限提高采收率數值（RF），計算結果如圖4-圖6所示。

由圖4-6可知，連續注入實現了最大的提高采收率，三個區塊的原油采收率均提高了約20%～30%，12%配比的復合段塞組合提高采收率效果次之。因此，在聚合物濃度和注入量均能滿足較高采收率的前提下，連續注入是最佳的注入方式。

2.4 ?聚合物凝膠注入速度優化

由于剪切速率和注入壓力的變化，不同的注入速度必然影響凝膠強度和凝膠發揮作用的時間，凝膠強度和凝膠發揮作用的時間是影響調剖技術性能的重要因素，因此，在現場應用前測試出合理的注入速度是非常重要的，在47.4、65、69 ℃的條件下，對每個試塊進行3組實驗，探討改變注入速度對提高采收率的效果，選擇0.5、1.5和2.5 mL/min三種注入速度，在不同的注射壓力下進行注入實驗。

制備一種滲透率為450md的柱狀巖心和兩種不同滲透率的人工雙柱狀巖心，分別進行剪切實驗和測試注入速度對RF的影響實驗。把從芯部剪下來的凝膠帶進罐子里，罐子的蓋子是透明的。所有裝有剪切凝膠的罐子均置于恒溫槽中，并定期測量黏度，測量結果如圖7-圖9所示和表5-表7所示，通過對測量結果進行分析可以發現，除凝膠強度和凝膠發揮作用的時間外，注入壓力與注入速度成正比，隨著注入速度的增加，采收率略有增加。

因此，在前面優化的基礎上，盡可能優化注入速率。綜合考慮經濟適用性和現場應用情況，選擇0.5 mL/min為最佳注入速度。

2.5 ?聚合物凝膠注入時間優化

在優化了上述調剖參數后，了解何時進行凝膠處理以獲得最佳的提高采收率是非常重要的。實驗發現在不同含水率階段注入凝膠會導致射頻變化，在各區塊條件下，利用模擬水進行了5組水驅試驗，含水率分別達到60%、70%、80%、90%、98%時注入調剖系統，在雙巖心孔隙中形成凝膠后設計后續注水，以獲得提高采收率效果（RF），實驗結果如表8-表10所示。

通過對表8-表10分析可知，太早或太遲進行凝膠注入都不是一個很好的選擇，過早注膠會導致驅水，不能充分驅油，這將影響后續注水的性能。但是，在高滲透層中形成水驅后，再進行注膠已經為時已晚。為了獲得更好地提高采收率效果，90%的含水率是最佳的聚合物凝膠注入時間。

3 ?結論

本次研究通過實驗的方式，對聚合物的濃度、注入量、注入方式、注入速度以及注入時間分別進行了優化研究，為聚合物凝膠的使用奠定了基礎，通過本次研究可以得出以下五大結論：

（1）S區塊使用A類聚合物凝膠的最佳濃度為1 200 mg/L，E區塊使用B類聚合物凝膠的最佳濃度為2 000 mg/L，N區塊使用D類聚合物凝膠的最佳濃度為2 000 mg/L，不同區塊需要通過實驗的方法確定最佳的聚合物凝膠類型及濃度;

（2）對于S、E、N區塊，當注入量達到0.3 PV時，在較低的注入壓力下，RF分別提高了30.21%、28.13%和20.95%。結果表明，該注入量可以使操作人員以較低的投入成本獲得較高的經濟效益;

（3）連續注入實現了最大的提高采收率，三個區塊的原油采收率均提高了約20%～30%，12%配比的復合段塞組合提高采收率效果次之。因此，在聚合物濃度和注入量均能滿足較高采收率的前提下，由此可見，連續注入是最佳的注入方式;

（4）隨著注入速度的加快，提高采收率的幅度減小，但注入壓力卻大大提高，注射速度0.5 mL/min最適合現場應用;

（5）當含水率為90%時，注入聚合物凝膠的效果更好，S區的極限RF為78.35%，E區的極限RF為72.22%，N區的極限RF為67.96%。

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