驅油用聚合物在渤海油田中高滲儲層的適應性實驗研究

于萌，鐵磊磊，李翔，張博，劉文輝，常振

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津300459）

聚合物驅作為一種有效經濟的穩油控水措施，在渤海油田應用后，取得較好的效果。目前聚驅應用區塊滲透率較高（大于2 000×10-3μm2）。渤海Q油田平均滲透率為600×10-3μm2,由于中低滲儲層注采強度大，至今還未開展實施化學驅，因此，對此類油田開展聚驅用聚合物的篩選研究具有重要意義。謝坤等[1-10]研究表明，聚合物的黏度受質量濃度、礦化度、剪切速率、自身黏彈性影響較大，需要開展黏濃關系、抗鹽、耐剪切和流變性評價實驗。鑒于海上油田井距較大，且聚驅作業周期較長，對聚合物溶液的長期黏度保留率提出更高要求，因此開展模擬實際油田溫度下的熱穩定性測試，具有重要意義。張云寶等[11-18]研究表明，隨著長期注水沖刷，近井地帶的剩余油飽和度較低，剩余油富集區已向油層深部轉移。楊斌等[19-20]研究顯示，聚合物的黏度是影響流度控制和驅油效果的主要指標，但高分子聚合物從地面泵送到井筒、射孔段以及進入地層后會受到強剪切作用，導致其在地層深部的黏度下降明顯。采用注入高黏聚合物的方法，會導致注入壓力過高、注入性變差的問題，亟須解決如何保證“良好的注入性”和“地層深部高的黏度保留”平衡的問題。由于聚合物溶液工作環境是油藏巖石孔隙，其空間尺寸遠小于室內配制聚合物溶液的容器，因此，有必要開展抗鹽聚合物在油藏條件下的傳導運移性實驗。此外，為了從機理上分析不同類型聚合物在有效波及區內的黏度保留性能，開展了聚合物聚集體尺寸和透射電鏡實驗。

在中孔、中滲儲層聚驅用聚合物篩選時，建立了一種多尺度的聚驅用聚合物與儲層適應性評價的新方法，即提出需以聚合物溶液運移到地層深部的黏度保留率為主要判定因素，而不應過度關注其靜態實驗得到的黏度數值。綜合考慮聚合物溶液的黏度、黏彈性等流變學參數及分子聚集體尺寸，在多孔介質中的運移能力和封堵效果等微觀尺度指標的基礎上，評價聚合物與儲層的適應性。該研究為渤海Q油田聚驅用聚合物的篩選提供了有利的技術支持。

1 實驗條件

1.1 化學試劑

抗鹽聚合物：疏水締合聚合物，有效含量為90%，相對分子質量為1 100×104，成都SY化工有限公司生產；聚表劑，有效含量為88%，相對分子質量700×104，深圳JL石油開發有限公司生產；線性聚合物，有效含量為90%，速溶型聚合物，具有線性結構，相對分子質量1 800×104，東營市SJ化工有限責任公司生產。

實驗用水為渤海Q 油田模擬注入水，模擬水組成見表1。

表1 渤海Q油田模擬注入水組成Table 1 Composition of simulated injection water in Bohai Oilfield-Q

1.2 填砂模型

傳導實驗使用帶多測壓管的填砂管模型[8-9]，通過各測壓點的壓力響應考察3 種聚合物在儲層中的傳導性能。填砂管的尺寸為φ2.5 cm×50 cm，填砂目數為200目。填砂模型孔隙度24.5%，水測平均滲透率652×10-3μm2。從入口端到出口端，均勻分布3個不同的測壓點，分別在3 個測壓點處接入壓力傳感器，記錄測壓點壓力值變化。

1.3 實驗方法

聚合物性能評價：根據目標油藏模擬水配制成不同類型聚合物溶液，在實驗溫度為65 ℃的條件下，圍繞聚合物本身及其在地層中的剪切、老化和流變性開展增黏性能和流變性能評價，分析得到聚合物的靜態性能。

聚合物運移效果評價：先將石英砂裝入50 cm填砂管并壓實，然后將填砂管抽至真空，飽和模擬地層水，計算孔隙度；連接砂管驅替實驗裝置，并檢測流程密封性，測定水測滲透率；將設備加熱至65 ℃，以1 mL/min 流速注入1PV的聚合物溶液，記錄填砂管上不同測壓點的壓力讀數，對比實驗得出的壓力數值，進行體系運移性能評價。

2 結果分析

2.1 黏濃關系

利用模擬水配制聚合物溶液，用RS-6000 旋轉流變儀，在溫度65 ℃、剪切速率7.34 s-1的條件下，測試聚合物黏度隨濃度的變化曲線（圖1）。可看出，當濃度超過800 mg/L，聚合物的黏度隨濃度上升的趨勢更為明顯。在800 mg/L 以下，范德華力和氫鍵不足以使聚合物溶液形成三維網絡結構。在濃度低于800 mg/L 時，疏水締合聚合物和聚表劑的黏度隨濃度的上升趨勢要低于線性聚合物的黏度上升趨勢，因此，800 mg/L 是疏水締合聚合物和聚表劑的臨界締合濃度。高于臨界締合濃度后，疏水締合聚合物和聚表劑分子間通過鏈間的相互作用，形成超分子結構，顯著提高聚合物溶液的黏度。

圖1 三種聚合物溶液黏濃關系曲線Fig.1 Changes of viscosity with concentration of three kinds of polymer solution

2.2 熱穩定性評價

用模擬水配制質量分數為0.2%的3種聚合物溶液，轉移至老化瓶中，采用通氮氣除氧的方式（溶解氧含量約15 μg/L），然后密封放在65 ℃恒溫箱中恒溫老化，老化7 d，間隔一定時間取出老化瓶，在7.34 s-1的剪切速率下測量老化的聚合物溶液黏度隨時間的變化（圖2）。

0.2 %的線性聚合物老化7 d 后，黏度從最初的29 mPa·s 降至15.6 mPa·s，黏度下降率為46.21 %。疏水締合聚合物和聚表劑老化3 d后，黏度上升顯著，分別從初始的39 mPa·s和48 mPa·s上升到188 mPa·s和87 mPa·s，黏度分別上升了382%和81%。65 ℃老化7 d后，疏水締合聚合物和聚表劑的黏度下降不明顯。隨著老化時間的增長，線性聚合物溶液的水解度從初期的28%增加到32.5%，聚表劑溶液的水解度從27.1%上升至31.6%，疏水締合聚合物水解度從25.3 %上升至28.4 %。說明相較于線性聚合物，聚表劑和疏水締合聚合物具有更好的保黏能力。這主要是由于兩種聚合物分子間的疏水締合、氫鍵、范德華力等綜合作用在一定程度上抑制了酰胺基在油藏環境下的水解反應。

圖2 三種聚合物熱穩定性評價結果Fig.2 Thermal stability evaluation results of three kinds of polymer

2.3 穩態流變性測試

對于海上油田使用的聚驅工藝，近井地帶的流速及剪切作用最高，隨著向地層深部推進，流速及剪切作用迅速降低。聚合物溶液從近井地帶向地層深部運移過程中，剪切速率的變化情況可通過公式（1）計算得到：

式中：?代表剪切速率，s-1；對于不規則顆粒α取值2.5；v為注入速度單位，m/s；r為孔喉半徑，通過毛管束模型計算得到。

Q油田目前驅替相的推進速度約為0.2～0.5 m/d，根據式（1）算得剪切速率為5.88～14.42 s-1。近井地帶注入速度約為5.1～7.6 m/d，計算得到的剪切速率約為149.9～223.4 s-1。本次研究中，首次將穩態流變測試與地層徑向流相結合。高剪切速率下的測試模擬了近井地帶或注入端受到的剪切作用，低剪切速率下的測試模擬了地層深部的剪切作用。使用模擬水分別配制濃度為2 000 mg/L 的3 種聚合物溶液，用RS-6000旋轉流變儀，在0.1～1 000 s-1的剪切速率下，測試3種聚合物溶液的黏度隨剪切速率的變化（圖3）。

圖3 3種聚合物溶液的變剪切測試Fig.3 Rheological curves of three polymer solutions

從圖3可以看出，3種聚合物溶液均表現出剪切變稀的性質。使用Carreau模型擬合3種聚合物的流變特性曲線，Carreau模型見式（2），擬合結果見表2。

式中：η為表觀黏度，mPa·s；γ為切應變；η0為零剪切黏度，mPa·s；n為流動指數，0＜n＜1。

表2 3種聚合物的Carreau模型擬合結果Table 2 Fitting result based on Carreau models of three kinds of polymer

從表2可以看出，3種聚合物使用Carreau模型的擬合結果均較好，其中，聚表劑和疏水締合聚合物的n值偏小，說明其剪切變稀性更強。從圖3 可以看出，當向油層中注入聚合物時，在近井地帶受到高剪切作用，3 種聚合物溶液均表現出剪切變稀的特性。考慮到渤海油田的注入流體在油藏深部的推進速度約為0.2～0.5 m/d，剪切速率范圍約為5.88～14.42 s-1。疏水締合聚合物在該剪切范圍內黏度最高，其次為聚表劑，線性聚合物在該范圍內黏度最低。因此，流變測試的結果表明，疏水締合聚合物在地層深部對應的剪切速率下，黏度最大，其次為聚表劑，線性聚合物的黏度最低。

2.4 振蕩掃描測試

2.4.1 振蕩應力掃描

為保證待測樣品在線性黏彈區域，對3種聚合物溶液進行振蕩應力掃描，掃描范圍為0.01～10 Pa，振蕩頻率設為1 Hz，結果見圖4。

圖4 3種聚合物溶液的振蕩應力掃描Fig.4 Oscillation stress test of three kinds of polymer solution

可以看出，線性黏彈區的范圍在0.01～0.1 Pa。對于聚表劑和疏水締合聚合物，應力低于臨界剪切應力時，G'高于G''，說明彈性屬性高于黏性屬性；對于線性聚合物溶液，G''遠高于G'，表現出更強的黏性屬性；當剪切應力高于臨界剪切應力時，G'和G''的數值均降低。由于疏水締合聚合物和聚表劑分子間存在較強的締合作用，當剪切應力高于臨界剪切應力時，這兩種聚合物分子的延展性更弱，對剪切應力的變化更敏感，因此線性黏彈區范圍比線性聚合物寬。

2.4.2 振蕩頻率掃描

圖5為3種聚合物溶液的振蕩頻率掃描結果，濃度為2 000 mg/L。對于疏水締合聚合物和聚表劑溶液，從高頻到低頻范圍內掃描，兩者的彈性模量G'均高于黏性模量G''，表現為顯著的彈性響應。彈性模量G'隨頻率的增加而增大，G''受頻率影響較小。

對于疏水締合聚合物溶液和聚表劑溶液，在整個振蕩頻率掃描的過程中，彈性模量G'和黏性模量G''不存在交點，而線性聚合物在該頻率范圍內存在交點。這表明相較于線性聚合物，疏水締合聚合物和聚表劑在質量分數為0.2%，聚合物溶液分子鏈條變形性較弱，表現出較強的彈性屬性。振蕩測試的結果表明，疏水締合聚合物和聚表劑具有更強的彈性，更有利于發揮彈性驅油的作用，其次為線性聚合物。

圖5 3種聚合物溶液的振蕩頻率掃描Fig.5 Oscillating frequency sweep of three kinds of polymer solution

從圖5可以看出，聚表劑和疏水締合聚合物的黏彈模量隨頻率的波動幅度比線性聚合物明顯。主要是因為聚表劑和疏水締合聚合物溶液，除了聚合物鏈段間的穿透和纏結對網絡結構的形成起作用，聚合物鏈上的疏水部分還可以通過疏水力發生締合而使聚合物聚集在一起。

為了更好地分析3種聚合物溶液的內部結構，對質量分數為0.2%的海水速溶聚合物溶液、疏水締合聚合物溶液和聚表劑溶液拍攝了TEM照片。將制備好的3 種聚合物試樣置于透射電子顯微鏡的樣品托架上，用TEM 觀察樣品的結構。從圖6 中可以清晰地看出，這3 種聚合物溶液呈現出不同的分子結構。線性聚合物呈長鏈結構，由于靜電排斥使鏈更為伸展。對于疏水締合聚合物，聚合物分子鏈相互纏繞，形成無規網絡結構。對于聚表劑溶液，整個分子呈現片—網狀結構，網絡結構存在粗主干和細分支，這是由于聚表劑分子主鏈帶有含極性端基的短側鏈，且側鏈上嫁接了活性基團，使主鏈舒展程度更好，可以發生大規模交聯反應。

圖6 3種聚合物溶液的TEMFig.6 TEM of three kinds of polymer solution

2.5 傳導性實驗

在模擬渤海Q油藏環境下，3種聚合物溶液的填砂管實驗結果見圖7。3種聚合物溶液注入過程中的壓力響應表明，疏水締合聚合物溶液的升壓過程較快。從3 種聚合物溶液傳導過程中的壓力響應可以看出，線性聚合物溶液在傳導過程中，3 個測壓點均有壓力響應，表明其可以傳導至填砂管深部。

此外，傳導性實驗表明聚表劑溶液的傳導性最好。根據前期研究結果，聚表劑分子聚集體的評價尺寸在500～600 nm，在目的油層中，可以較好地傳導至油層深部。對于疏水締合溶液，具有較強彈性的聚合物溶液較難運移至地層深部，大量溶液聚集在注入端附近及管線中，進而引起注入壓力的持續升高。因此，疏水締合聚合物溶液注入后，填砂管的前、中、后3 個測壓點壓力響應不明顯。其傳導性差的原因可能是由于分子間疏水基團的締合作用，形成了具有區域性網絡結構的聚合物分子聚集體，表現出宏觀尺度上較高的黏性和彈性特征。在傳統觀點中，高彈性有利于驅油過程。但是，聚合物溶液真實的工作環境是多孔介質，其孔喉尺寸遠小于室內評價的容器尺寸。因此，具有較大分子聚集體尺寸的疏水締合聚合物對中滲儲層可能存在適應性問題。

在多孔介質條件下，聚合物分子鏈相互纏繞，在溶液中形成較強的三維網絡結構。由于疏水締合聚合物溶液的分子質量高于聚表劑，分子量越大，聚合物分子鏈越長，導致分子回旋半徑增大，因此，填砂管或油藏條件下的傳導性較差。

為了進一步證實以上觀點，使用動態光散射激光粒度儀測試了3種溶液的分子回旋半徑（rp）。測試結果見表3，渤海Q油田的孔喉尺寸（rh）用式（1）計算。線性聚合物和聚表劑的rh/rp高于疏水締合聚合物。

圖7 3種聚合物溶液的動態傳導實驗Fig.7 Propagation performance of three kinds of polymer solution

表3 聚合物分子尺寸和在填砂管中的傳導性能Table 3 Polymer molecular sizes and conductivity in sand-packs

在油層微觀尺度條件下，聚合物的流動性受到很多因素的影響。除去分子構型、分子黏彈性，聚合物分子與孔喉的配伍性及其運移到深部后體系的保黏能力，均對聚合物體系在多孔介質中的傳導性能起到至關重要的作用。

綜合流變性、在地層深部的傳導性及分子構型多種因素，對于該目標儲層，聚表劑與目標儲層具有更好的適應性，其次為線性聚合物，疏水締合聚合物與該儲層的適應性最差。結合流變測試和傳導性的結果可以看出，聚合物具有高的黏彈性并不能保證其在多孔介質中表現出優良的傳導性。而模擬儲層孔喉條件下的傳導性實驗結果，更能真實地表現出聚合物在地層中的注入、運移及驅替效果。因此，對于滲透率不是特別高的儲層（中高滲儲層），聚合物在地層中的運移及傳導效果，受聚合物聚集體尺寸與多孔介質的匹配性影響顯著。對于此類儲層，在做聚驅用聚合物的篩選時，除了綜合考察聚合物篩選的各個因素外，應主要評價聚合物與儲層孔喉的配伍性及其在模擬地層條件下的運移能力。

3 結論和認識

1）基于流變測試結果，聚表劑和疏水締合聚合物，彈性屬性高于黏性屬性。線性聚合物溶液表現出更強的黏性屬性。

2）聚合物的流變性及聚合物聚集體尺寸和孔喉尺寸的配伍性對其在多孔介質中的傳導性影響較大：聚表劑表現出更強的剪切變稀能力，有利于其在高剪切速率下，具有更優的注入性和傳導性；疏水締合聚合物的分子回旋半徑較大，在油藏條件下的傳導性較差。對于該目標儲層，聚表劑與目標儲層具有更好的適應性，其次是線性聚合物，疏水締合聚合物的適應性最差。

3）在聚驅用聚合物的篩選時，不能一味選擇高黏彈性的聚合物，應綜合考慮聚集體尺寸與孔喉的配伍性，以聚合物與儲層孔喉的配伍性及其在模擬地層條件下的運移能力為主要評價參數。按照該篩選方法，對于目標儲層，聚表劑具有更好的適應性，其次為線性聚合物，疏水締合聚合物適應性最差。只有在“注得進，走得遠”的前提下，聚合物的彈性才能對其傳導及提高采收率起到積極作用。