聚合物水動力學尺寸測試方法及影響因素研究

郭 斐

（中石油遼河油田勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010）

遼河油田隨著開發的不斷深入，目前注入注水區塊綜合含水不斷上升，產量遞減速度逐年增大，已經進入了“雙高”開采階段。穩油控水，轉換開發方式，尋找開采的接替技術，成為當前遼河油田原油開采的所面臨的急需解決的問題。化學驅作為大幅度提高采收率的關鍵技術，遼河油田自2010年相繼在錦16 塊、沈84-安12 塊、沈67 塊、曙三區開展了聚/表復合驅、弱堿三元驅等現場試驗，特別是錦16 塊，產量由轉驅前57 t 上升至最高353 t，綜合含水下降15%，取得明顯增油降水效果[1]。

但在已經實施的化學驅區塊中，部分中低滲區塊井組出現了注入壓力升高較快、爬坡壓力大等問題，影響區塊正常注入。經過對現場原因分析，認為儲層孔喉結構與注入聚合物分子量、注入濃度不匹配是主要原因。為了研究儲層與聚合物分子量匹配性，本文以聚合物水動力學尺寸入手，建立了微孔濾膜測定聚合物水動力學尺寸的實驗方法，利用該方法研究不同水質、不同聚合物濃度、表活劑、堿等體系對聚合物水動力學尺寸影響，明確聚合物分子尺寸在各種條件下的變化趨勢，最后利用物模注入性實驗確定聚合物水動力學尺寸和平均孔喉半徑的匹配倍數，為個性化設計化學驅方案提供依據。

1 實驗條件

1.1 水動力學尺寸測試原理

利用化學驅物理模擬實驗裝置，將微孔濾膜固定在巖心夾持器中部，在0.20 MPa 固定壓差下，驅替待測聚合物溶液通過不同孔徑的濾膜，收集采出液并測定溶液采出前后黏度，計算粘損。繪制粘損隨微孔濾膜孔徑的變化曲線圖，曲線拐點就是所能通過的聚合物溶液的水動力學尺寸[3-4]。

1.2 實驗設備與材料

1）Brookfield DV-Ⅱ黏度計，帶UL 適配器。

2）微孔濾膜，上海興亞公司，孔徑從0.1 到3.0 μm 不等。

3）多功能化學驅驅替裝置，遼河自研，注入速度0.01～50 mL·min-1。

4）聚丙烯酰胺：現場用1 200～1 600 萬部分水解陰離子型聚丙烯酰胺。

4）表面活性劑：現場用磺酸鹽類表面活性劑，有效物含量40%。

5）Na2CO3：分析純。

6）水：根據現場成分配制的模擬水，水型為NaHCO3型，具體組成見表1。

表1 區塊水質成分組分表 mg·L-1

1.3 實驗方法

1）注入性實驗步驟：①取芯井巖心經過洗油、烘干后后，測定巖心氣相滲透率；②巖心進行抽空飽和水，記錄前后巖心質量，計算孔隙體積；③按照0.05～0.10 mL·min-1速度恒速進行模擬水驅驅替，記錄水驅階段的穩定壓差；④按照上述速度恒速注入聚合物體系，至注入壓力、出液穩定時停注，記錄聚驅階段穩定壓差，計算阻力系數；⑤按照上述速度恒速進行后續水驅，至壓力、流量穩定，記錄后續階段穩定壓差，計算殘余阻力系數；⑥在實驗中遇注入壓力不穩定時，應適當延長注入量至壓力穩定，若壓力仍難穩定，以結束實驗壓力為該階段的最終壓力。

2）巖性滲透率、空隙體積測試方法執行GB 29172—2012《巖心分析方法》。

3）聚合物溶液配制方法和性能檢測執行行標SY/T 5862—2020《驅油用聚合物技術要求》的規定。

2 結果與討論

2.1 現場聚合物性質分析

對現場聚合物取樣進行質量檢測，參照SY/T 5862 檢測要求，其基本性能如表2所示。根據表2可以看出，現場用的聚合物各項性能參數均達到行標技術要求，其分子量為1 480 萬，與給出的1 200～1 600 萬范圍相符。

表2 驅油聚合物參數測定結果

采用模擬水配制一系列聚合物濃度，并測試不同濃度下的黏度，測試方法參照SY/T 5862，測試溫度70 ℃。

由表3可以看出，聚合物黏度隨濃度增加而增加，表現出低聚合物濃度時黏度增加慢，高聚合物濃度時黏度增加快的特點，其黏度增加轉折濃度在1 500 mg·L-1左右。

表3 不同質量濃度聚合物的黏度

2.2 現場聚合物水動力學尺寸測試結果

2.2.1 不同聚合物濃度對水動力學尺寸影響

配制一系列的聚合物溶液，按照上述實驗方法分別測定不同聚合物溶液的濃度的水動力學尺寸，結果如圖1所示，聚合物的水動力學尺寸變化規律與黏度變化匯率一致，都是隨濃度的增加逐漸增大的。當聚合物溶液的質量濃度從500 mg·L-1逐漸增大到2 500 mg·L-1時，聚合物溶液的水動力學尺寸從0.65 μm 逐漸增加到0.85μm，增幅超過30%；當聚合物濃度超過1 500 mg·L-1時，濃度增加水動力學尺寸增加幅度變緩，這與黏度-濃度關系曲線聚合物超過1 500 mg·L-1黏度大幅開始上升變化點基本一致。

圖1 不同聚合物質量濃度對水動力學尺寸影響

2.2.2 表活劑對聚合物水動力學尺寸影響

分別配制1 500 mg·L-1的聚合物溶液及1 500 mg·L-1聚合物+（500～2 000 mg·L-1）S84 表活劑的二元復合體系，分別測定水動力學尺寸。由圖2可知S84 現場用磺酸鹽類表活劑對聚合物的水動力尺寸影響較小。當表活劑濃度逐漸變大時，聚合物的水動力學尺寸隨濃度的增加略有下降。

圖2 不同表活劑質量濃度對水動力學尺寸影響

2.2.3 堿對聚合物水動力學尺寸影響

分別配制1 500 mg·L-1的聚合物溶液及1 500 mg·L-1聚合物+（2 000～12 000 mg·L-1）碳酸鈉體系，分別測定聚合物及堿+聚合物溶液的水動力學尺寸。由圖3可知聚合物的水動力學尺寸隨碳酸鈉濃度的增加逐漸減小，與堿對黏度變化趨勢一致。堿質量濃度小于2 000 mg·L-1對聚合物水動力學尺寸影響較小，當碳酸鈉質量濃度從2 000 mg·L-1增大到12 000 mg·L-1時，水動力學尺寸從0.80 μm 逐漸下降到0.70μm。

圖3 不同堿質量濃度對水動力學尺寸影響

2.2.4 水質對聚合物水動力學尺寸影響

1）礦化度對聚合物水動力學尺寸影響

用不同質量濃度的NaCl 溶液稀釋聚合物溶液。使用微孔濾膜裝置測定不同礦化度聚合物溶液的水動力尺寸。由圖4可知聚合物的水動力學尺寸隨濃度的增加逐漸減小。當NaCl 質量濃度>5 000 mg·L-1時，下降幅度逐漸變緩，當濃度逐漸增大到10 000 mg·L-1時，聚合物溶液的水動力學尺寸從0.80 μm 逐漸下降到0.65 μm。

圖4 不同NaCl 質量濃度對水動力學尺寸影響

2）二價陽離子對聚合物水動力學尺寸影響

配制不同質量濃度（20、40、60、80、100、120、140 mg·L-1）的CaCl2、MgCl2溶液，稀釋聚合物溶液，分別測試水動力學尺寸。由圖5可知鈣、鎂濃度對水動力學尺寸影響基本一致。當鈣、鎂離子的濃度逐漸變大時，聚合物的水動力學尺寸隨濃度的增加逐漸減小。整體來看，鎂離子對聚合物水動力學尺寸影響程度大于鈣離子。

圖5 鈣、鎂離子質量濃度對水動力學尺寸影響

2.3 水動力學尺寸與儲層孔喉半徑匹配關系研究

為了獲取聚合物水動力學尺寸與巖心孔喉結構匹配關系，實驗計劃利用真實巖心注入性實驗結合孔喉結構測定結合方式，即在沈84 區塊的取芯井SJ5 相同位置分別取兩塊巖心，一塊巖心用來測試滲透率和平均孔喉半徑，另一塊用于開展注入性實驗，利用注入性結果獲取匹配關系。

2.3.1 實驗區塊簡介

沈84-安12 塊位于大民屯凹陷靜安堡構造帶南部，整體上是一個三面被斷層所夾持、東高西低、北高南低、向西南傾沒的斷鼻狀半背斜構造，孔隙結構以中滲中-較細喉、高滲較細喉型為主，占65.5%，平均喉道半徑9.2 μm，下限7.05 μm，其中SJ5 井位于區塊構造腰部、油層發育（＞80 m）的67-59 斷塊，該區域取心層段發育不同相帶，砂體連通系數在75%以上。

2.3.2 注入性實驗評價標準

遼河油田經過大量實驗，確定了采用物模實驗確定注入性方法，并明確了只有當以下兩個條件均注入順利，才認為在該滲透率下，分子量、濃度注入順利，否則認為注入困難，發生堵塞。1) 計算阻力系數，阻力系數小于 100，認為注入順利；阻力系數大于 100，認為注入堵塞。2) 計算殘余阻力系數與阻力系數的比值，小于 1/ 3，認為注入順利；大于 1/ 3，注入堵塞[8]。

2.3.3 注入性實驗評價結果

注入性評價結果如表2所示。根據SJ5 井真實巖心注入性結果可表明，90 mD 巖心能夠注入的上限質量濃度1 000 mg·L-1；150 mD 巖心能夠注入的上限質量濃度為1 500 mg·L-1;而當巖心滲透率大于200 mD，該聚合物在1 000～2 000 mg·L-1均能正常注入，不發生堵塞。

結合巖心滲透率、孔喉半徑測試情況，具體參見表4，認為發生堵塞時巖心孔喉半徑平均值與聚合物水動力學尺寸的比值在5～6 倍，即說明要保證較好的注入性，巖心孔喉半徑均值/聚合物水動力尺寸的比值要大于6。

表4 真實巖心注入性評價結果

3 結 論

1）利用新建立微孔濾膜法測定現場用聚合物的水動力學尺寸，現場聚合物使用質量濃度約為1 000～2 000 mg·L-1，其水動力學尺寸在0.69～0.83μm之間。

2）隨著聚合物濃度增加，聚合物水動力學尺寸逐漸增加，變化規律與黏度變化規律較為一致。

3）現場用的表活劑對聚合物水動力學尺寸影響較小，堿的加入會導致聚合物水動力學尺寸減小。

4）水質中的二價陽離子、鈉離子會對聚合物水動力學尺寸造成影響，其濃度越大，聚合物水動力學尺寸越小。

5）利用真實巖心，確定了順利注入的條件：巖心孔喉半徑均值/聚合物水動力尺寸的比值要大于6，利用研究結果，個性化設計沈84 塊化學驅配方，現場實施后壓力上升平穩。