黏土对聚合物溶液黏度和渗流特性影响研究——以渤海SZ36-1油田为例

刘文辉，徐国瑞，张云宝，李 翔，陈 欣，薛宝庆

（1．中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津塘沽 300450；2．东北石油大学 教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆 163318）

黏土对聚合物溶液黏度和渗流特性影响研究
——以渤海SZ36-1油田为例

刘文辉1，徐国瑞1，张云宝1，李 翔1，陈 欣2，薛宝庆2

（1．中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津塘沽 300450；2．东北石油大学 教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆 163318）

聚合物类调驱剂流经多孔介质时，不可避免地与储层填隙物接触，因水动力学捕集、机械捕集、表面吸附和聚合物分子间的相互作用而产生滞留，这种物理化学作用不仅会影响注入流体的渗流特性，而且会对交联聚合物成胶性能产生影响。以岩石矿物学、物理化学和高分子化学为理论指导，以仪器分析、化学分析和物理模拟为技术手段，以砂岩储层中主要黏土矿物与聚合物间相互作用为研究对象，开展了黏土矿物类型和含量对聚合物凝胶黏度、吸附量和渗流特性实验研究。结果表明，蒙脱土、高岭土和伊利土等三种黏土矿物会不同程度的降低聚合物溶液和凝胶的黏度，原因在于它们表现出的较大吸附能力差异，其中蒙脱土吸附量较大，其次为高岭土，再其次为伊利土，晶层结构差异是产生这种差异的直接原因。与聚合物溶液相比较，黏土矿物对交联聚合物溶液吸附量较小。在进行聚合物浓度取样检测时，容器上层液聚合物浓度通常要比下层液低，但整体水平差异不大。进一步分析发现，黏土矿物吸附作用导致聚合物在孔隙中滞留增加，孔隙过流断面减小，阻力系数和残余阻力系数增大。此外，黏土颗粒在多孔介质内运移和捕集也会造成渗流阻力增大。

黏土矿物；调驱剂；静吸附量；渗流特性；机理分析

黏土矿物是砂岩储层中重要的填隙物，它的存在将贯穿油田开发的整个过程。黏土矿物是一种含水铝硅酸盐矿物，是在沉积和成岩过程中形成的，是海洋沉积物的重要组成部分，约占浅海区沉积物总量的三分之一，其特征和分布受入海沉积物物源特征和海区环流作用影响，层状结构发育，多处于颗粒或孔隙表面，具有较大的微孔体积和比表面积，吸附性、离子交换性和膨胀性较强[1-4]。这些性质决定了储层具有潜在的流体敏感性，易出现黏土矿物堵塞喉道、运移吸附在孔隙表面和酸处理后沉淀结垢等现象，造成储层原有结构破坏，为油田开发带来困难。在钻井工程中表现为井壁坍塌与失稳，延长钻井周期和增加钻井成本[5,6]。在地表工程中表现为泥页岩层软化，产生软化夹层，导致工程失稳。在原油开采中表现为降低油层孔隙度和渗透率，加大开采难度。

此外，黏土矿物本身带有负电荷，易与流经多孔介质中聚合物发生物理化学作用，这对聚合物类调驱剂在其上的吸附有很大的影响[7,8]。在油田开发生产过程中，由于驱油剂与黏土矿物配伍性差，经常出现黏土矿物水化膨胀和分散运移等造成储层损害的问题，这不仅影响驱油剂性能，还会降低油气产量。因此，开展黏土矿物对聚合物调驱剂黏度、吸附量和渗流特性影响研究，对于改善聚合物驱开发效果具有重要的现实意义。本文以岩石矿物学、物理化学和高分子化学为理论指导，以仪器分析、化学分析和物理模拟为技术手段，开展了黏土矿物类型和含量对聚合物凝胶黏度、吸附量和渗流特性实验研究。

1 实验条件

1.1实验材料

聚合物为胜利油田生产速溶型部分水解聚丙烯酰胺，相对分子质量1 000×104，水解度25.1%，有效质量分数为88%。交联剂为有机铬，Cr3+有效质量分数2.70%。实验用水为SZ36-1油田模拟注入水，由蒸馏水与不同浓度、类型电解质配制而成，总矿化度为9 047.6 mg/L，离子组成见表1。

岩心为石英砂环氧树脂胶结人造柱状岩心[9]，石英砂为细颗粒状，粒度为200 ～ 300目，岩心渗透率分别为350×10-3µm2、500×10-3µm2、900× 10-3µm2和1 500×10-3µm2。含混合黏土岩心中黏土矿物为按一定比例组成混合物，其中蒙脱土、伊利土和高岭土所占比例分别为3.26%、81.52%和15.22%。岩心外观几何尺寸：φ2.5 cm×10 cm。

表1 溶剂水离子组成

1.2实验仪器

DV-Ⅱ型布氏黏度计（美国Brookfield公司），721型分光光度计（四川分析仪器厂生产），驱替实验装置（无锡石油仪器厂生产）。实验设备及流程见图1。

1.3方案设计

（1）黏度测定

采用模拟水配制Cp=2 000 mg/L聚合物溶液和交联聚合物溶液（Cp=2 000 mg/L，聚∶Cr3+=180∶1），与高岭土、蒙脱土和伊利土按液固比分别为“10∶1”、“20∶1”和“40∶1”混合于具塞磨口瓶内，充分搅拌均匀，放置在65℃恒温箱内24 h，取上层清液进行黏度检测，每隔一段时间测试一次。

（2）浓度测定

图1 实验设备及流程示意图

采用模拟水配制Cp=2 000 mg/L聚合物溶液和交联聚合物溶液（Cp=2 000 mg/L，聚∶Cr3+=180∶1），与高岭土、蒙脱土和伊利土按液固比分别为“10∶1”、“20∶1”和“40∶1”混合于具塞磨口瓶内，充分搅拌均匀，放置在65℃恒温箱内24 h，分别取上层清液和下层清液进行浓度检测，并按以下公式计算静吸附量：

静吸附量=（吸附前化学剂量－吸附后化学剂量）/油砂重量

利用初始浓度和平衡浓度之差求出聚合物调驱剂在黏土矿物上的静吸附量。为减少实验误差，每个样品浓度平行测两次，结果取平均值。

（3）流动特性测定

采用驱替实验装置测试调驱剂的流动特性，该装置包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等。除平流泵和手摇泵外，其它部分置于油藏温度65℃恒温箱内。

实验步骤：①岩心抽空饱和地层水，注模拟水，记录压力；②注调驱剂5PV，记录压力；③注后续水5PV，记录压力。

上述实验过程注入速度为0.3 mL/min，压力记录间隔为30 min。

2 结果分析

2.1黏土类型和含量对聚合物溶液性能的影响

2.1.1 聚合物溶液黏度

聚合物溶液黏度测试结果见表2。从表2可以看出，高岭土、蒙脱土和伊利土对聚合物溶液黏度存在影响。与聚合物溶液（原样）相比，三种黏土矿物混合接触后聚合物溶液黏度均减小。在放置时间相同条件下，与高岭土液固比40∶1和 20∶1混合接触聚合物溶液上层清液黏度相差不大，增加高岭土含量（液固比为10∶1），聚合物溶液上层清液黏度下降；随液固比减小，即黏土含量增加，与蒙脱土混合接触聚合物溶液上层清液黏度减小，与伊利土混合接触聚合物溶液上层清液黏度变化不大。随放置时间延长，聚合物溶液上层清液黏度均逐渐降低。

表2 黏度测试结果

2.1.2 聚合物静吸附量

聚合物溶液浓度实验结果见表3。从表3可以看出，高岭土、蒙脱土和伊利土对聚合物溶液吸附量存在影响。对于同一种黏土矿物，随液固比增加，静吸附量增大。在液固比相同条件下，蒙脱土对聚合物吸附量较大，其次为高岭土，再其次为伊利土。出现这种现象的主要原因在于，吸附是聚合物与黏土矿物表面相互作用的结果，黏土矿物性质影响聚合物吸附量，其中比表面积是很重要的影响因素[10]。文献调研表明：黏土矿物质点微小，比表面积大。高岭土比表面积为25.49 m2/g，蒙脱土为33.5 m2/g，伊利土为4.11 m2/g[11-13]。因此黏土矿物对聚合物吸附量大小影响排序为：蒙脱土＞高岭土＞伊利土。进一步分析发现，聚合物浓度检测样品取样位置对浓度检测结果存在影响，上层液聚合物浓度通常要比下层液低，但整体水平差异不大。

表3 静吸附量实验数据

2.2黏土类型和含量对交联聚合物溶液性能的影响

2.2.1 交联聚合物溶液黏度

交联聚合物溶液黏度测试结果见表4。从表4可以看出，高岭土、蒙脱土和伊利土对交联聚合物溶液黏度存在影响。与交联聚合物溶液（原样）相比，三种黏土矿物混合接触后交联聚合物溶液黏度均减小。在放置时间相同条件下，随液固比减小，即黏土含量增加，与蒙脱土和伊利土混合接触交联聚合物溶液上层清液黏度减小，与高岭土混合接触交联聚合物溶液上层清液黏度先增加后减小。随放置时间延长，与伊利土和高岭土混合接触交联聚合物溶液上层清液黏度呈现“先增后降”变化趋势，与蒙脱土混合接触交联聚合物溶液上层清液黏度逐渐降低。

表4 黏度测试结果

出现这种现象的主要原因在于，高岭土晶体结构由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，相邻晶层在范德华力和较强氢键力作用下紧密结合起来，构造单位中电荷平衡，电性很弱，是稳定的非膨胀性黏土矿物[14]。与调驱剂接触后，高岭土裸露的OH中氢的解离产生负电荷，带弱负电性。一方面，表面带有负电荷的黏土颗粒通过吸附阳离子Cr3+中和其电性，减弱了交联反应，使得黏度下降。另一方面，黏土颗粒与聚合物分子间发生交错吸附，聚合物分子链上的黏土颗粒增加了大分子链卷曲空间位阻，促使分子链舒展，形成具有一定强度的空间网状结构，使得黏度上升[15]。这两种因素交替作用，使得交联聚合物溶液上层清液黏度出现波动。蒙脱土和伊利土晶体结构由两个硅氧四面体晶片夹一个铝氧八面体晶片组成，称为2∶1型黏土矿物。多发生晶格取代，即低价阳离子取代高价阳离子，造成晶格负电荷过剩，且晶格空间一定，其他阳离子不能进入晶格中和负离子，只能吸附在黏土颗粒表面使得黏土颗粒保持电中性。当黏土颗粒分散到水中，被黏土吸附的阳离子不稳定，与溶液中其他阳离子进行交换。蒙脱土晶层上下两个表面均为硅氧四面体的氧层，相邻两晶层间没有氢键，只有较弱的范德华力，层间连接极弱，水分子很容易进入晶层间，产生水化膨胀，从而破坏了与之接触混合的调驱剂结构，使得调驱剂黏度明显下降[16]。此外蒙脱土晶格取代多，且取代位置在铝氧八面体上，即在单位晶胞的中央，对所吸附的阳离子的静电引力较弱，因此较易与溶液中的阳离子Cr3+进行交换。从黏土颗粒表面脱附的阳离子进入聚合物分子双电层，分子链上羧基所带负电荷几乎被中和掉，各个支链间的静电斥力大大减弱，聚合物分子链卷曲程度增加，黏度下降[17]。同时水分子为极性分子，与黏土矿物混合接触时，水分子的正极一端吸附在黏土表面负电荷周围，水分子的负极一端吸附在黏土表面阳离子周围，在黏土矿物周围形成一种水分子吸附层，聚合物分子链发生去水化，水化层变薄，相邻水化层间距减小，分子线团蜷缩的位阻基本消失，分子线团蜷缩至接近极限，分子线团尺寸减小，黏度下降。与蒙脱土不同，伊利土中硅氧四面体多发生晶格取代，即有较多的Si4+被Al3+取代，晶体所缺少的正电荷由K+补偿[18]。K+嵌在上下两个四面体晶片氧原子的六角形网眼中，阻止水分子进入晶层内。且K+与晶格取代发生位置很近，相邻晶层与K+产生较强的静电引力，将各晶层紧密连接，在水分子存在的情况下不会发生晶层膨胀。此外，晶格取代产生的负电荷离晶层表面很近，由于层间吸附了K+，使阳离子交换相当困难，其阳离子交换量比蒙脱石小很多。

2.2.2 交联聚合物溶液静吸附量

交联聚合物溶液浓度分析结果见表5。从表5可以看出，高岭土、蒙脱土和伊利土对交联聚合物溶液浓度存在影响。对于同一种黏土矿物，随液固比增加，静吸附量增大。在液固比相同条件下，蒙脱土对聚合物吸附量较大，其次为高岭土，再其次为伊利土。与聚合物溶液相比较，黏土矿物对交联聚合物溶液吸附量较小。

表5 静吸量实验数据

2.3黏土类型和含量对调驱剂渗流特性影响

2.3.1 黏土类型对阻力系数和残余阻力系数的影响

黏土类型对聚合物和交联聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数影响实验结果见表6。从表6可以看出，黏土类型对聚合物溶液和聚合物凝胶阻力系数和残余阻力系数存在影响。当黏土类型和岩心渗透率相同时，交联聚合物溶液的残余阻力系数大于阻力系数，表现出独特的渗流特性。当调驱剂类型相同时，含黏土调驱剂阻力系数和残余阻力系数大于无黏土的值，其中蒙脱土的影响最大，其次为高岭土，再其次为伊利土。由此可见，黏土对聚合物分子吸附量较大，导致聚合物在孔隙中滞留量增大，孔隙过流断面减小，渗流阻力增加。此外，黏土颗粒运移本身在多孔介质内也会造成捕集滞留，增加渗流阻力[19]。

2.3.2 黏土含量对阻力系数和残余阻力系数的影响

黏土含量对聚合物和交联聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数影响实验结果见表7。从表7可以看出，黏土含量对聚合物溶液和交联聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数存在影响。当黏土含量和岩心渗透率相同时，交联聚合物溶液残余阻力系数大于阻力系数，表现出独特渗流特性。当调驱剂相同时，随黏土含量增加，阻力系数和残余阻力系数逐渐增大。与聚合物溶液相比较，交联聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数较大。此外，黏土本身在孔隙内滞留也会减小过流断面，增加渗流阻力。

表6 阻力系数和残余阻力系数

表7 阻力系数和残余阻力系数

3 结论

（1）黏土矿物会不同程度的降低聚合物调驱剂黏度，同时表现出较大的吸附差异性。其中蒙脱土对聚合物调驱剂吸附量较大，其次为高岭土，再其次为伊利土。聚合物浓度检测样品取样位置对浓度检测结果存在影响，上层液聚合物浓度通常要比下层液低，但整体水平差异不大。

（2）黏土可以增加调驱剂阻力系数和残余阻力系数，其中蒙脱石的影响最大，其次为高岭石，再其次为伊利石。此外，黏土颗粒运移本身在多孔介质内也会造成捕集滞留，增加渗流阻力。

[1] 李勇，陈国明．埕岛油田馆陶组黏土矿物分析与储层伤害研究[J]．油田化学，2006，23（4）：369-374．

[2] 王行信，韩守华．中国含油气盆地砂泥岩黏土矿物的组合类型[J]．石油勘探与开发，2002，29（4）：1-3．

[3] 陈鑫，钟建华，袁静，等．渤南洼陷深层碎屑岩储集层中的黏土矿物特征及油气意义[J]．石油学报，2009，30（2）：201-207．

[4] 韩宗珠，张军强，邹昊，等．渤海湾北部底质沉积物中黏土矿物组成与物源研究[J]．中国海洋大学学报，2011，41（11）：95-102．

[5] 冯永存，蔚宝华，邓金根，等．水化作用对南海东部泥页岩地层井壁坍塌的影响分析[J]．海洋石油，2012，32（2）：98-101．

[6] 蔚宝华，谭强，邓金根，等．渤海油田泥页岩地层坍塌失稳机理分析[J]．海洋石油，2013，33（2）：101-105．

[7] 宋涛，张浩，许期聪．稠油油藏黏土矿物特征及敏感性损害研究[J]．钻采工艺，2010，33（4）：64-66．

[8] 沈明道．黏土矿物及微组构与石油勘探[M]．成都：电子科技大学出版社，1993：115-118．

[9] 卢祥国，高振环，闫文华，等．人造岩心渗透率影响因素试验研究[J]．大庆石油地质与开发，1994，13（4）：53-55．

[10] 熊启勇，陈国锦，韩晓强，等．部分水解聚丙烯酰胺在地层多孔介质吸附特性研究[J]．新疆石油科技，2005，15（1）：37-40．

[11] 吉利明，邱军利，夏燕青，等．常见黏土矿物电镜扫描微孔隙特征与甲烷吸附性[J]．石油学报，2012，33（2）：249-256.

[12] Ross J K, Bustin R. The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J]. Marine and Petroleum Geology, 2009, 26:916-927.

[13] 周康，刘佳庆，段国英，等．吴起地区长61油层黏土矿物对油层低电阻率化的影响[J]．岩性油气藏，2012，24（2）：26-30．

[14] 祝艳荣，刘惠君，刘维屏．低浓度范围内聚丙烯酰胺在黏土矿物上的吸附特性[J]．中国环境科学，2001，21（5）：476-480．

[15] 卢祥国，姜维东，王晓燕．Cr3+、碱和表面活性剂对聚合物分子构型及渗流特性影响[J]．石油学报，2009，30（5）：749-754．

[16] 赵杏媛，张有瑜．黏土矿物与黏土矿物分析[M]．北京：海洋出版社，1990：75-94．

[17] 卢祥国，王晓燕，李强，等．高温高矿化度条件下驱油剂中聚合物分子结构形态及其在中低渗油层中的渗流特性[J]．化学学报，2010，68（12）：1229-1234．

[18] 岳湘安，王尤富，王克亮．提高石油采收率基础[M]．北京：石油工业出版社，2007：20-27．

[19] 李龙，鞠斌山，江怀友，等．油层微粒运移及其对储层物性的影响[J]．中外能源，2011，16（12）：50-54．

Study on the Influence of Clay Minerals on Viscosity of Polymer Solution and Flowing Characteristics: A Case Study from Bohai SZ36-1 Oilfield

LIU Wenhui1, XU Guorui1, ZANG Yunbao1, LI Xiang1, CHEN Xin2, XUE Baoqing2
（1. Oilfield Production Department,China Oilfield Services Limited, Tanggu Tianjin300450,China; 2. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry Education,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang163318,China）

When polymer flooding agent flows through porous media, it will inevitably contact with reservoir fillings, and retention will occur because of hydrodynamic trapping, mechaincal trapping, surface adsorption and interaction of polymer molecules. The physical and chemical reactions will not only affect flowing characteristics of injected fluid, but also impact adhesive properties of crosslinking polymer. Based on the theories of rock mineralogy, physical chemistry and polymer materials, by means of instrumental detection, chemical analysis and physical simulation, study has been conducted on the main clay minerals in sandstone reservoir and polymer interaction and experiment study on the influence of clay type and its content on viscosity, adsorption capacity and flow characteristics of polymer gel has been carried out. The results showed that three kinds of clay minerals including montmorillonite, kaolinite and illite could reduce the viscosity of polymer solution and gel in different levels because of great differences in absorption capacity, of which montmorillonite is the largest, followed by kaolinite and illite. The difference of crystal layer structure is the direct reason for this kind of difference. Compared with the polymer solution, the clay minerals is smaller in adsorption capacity of crosslinking polymer solution. During sampling inspection on polymer concentration, polymer concentration in the upper liquid of container is usually lower than that of lower liquid, but the overall level is insignificant. Further analysis has showed that the adsorp-tion of clay minerals has leaded to the increase of polymer retention in pores, reducing the flow section, and increasing in the resistance coefficient and residual resistance coefficient. In addition, migration and trapping of clay particles in porous media might also increase seepage resistance.

clay minerals; oil displacement agent; static adsorption; percolation characteristics; mechanism analysis

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.04.059

1008-2336（2014）04-0059-06

国家油气科技重大专项子课题“海上稠油保压热采技术示范”（项目编号2011ZX05057-005-003）。

2014-05-16；改回日期：2014-07-18

刘文辉，男，1963年生，1995年毕业于石油大学石油加工专业，主要从事海上油田油田化学与提高采收率方面的研究工作。E-mail：liuwh11@cosl.com.cn。