不同黏弹性聚合物溶液交替注入提高采收率机理

张　栋，吴文祥（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

不同黏弹性聚合物溶液交替注入提高采收率机理

张栋，吴文祥
（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

为了对比连续注入与交替注入不同黏弹性聚合物溶液对残余油滴作用力及变形的影响，从水动力学角度探索了不同性质溶液对残余油的水动力学驱替机理，分析计算了不同流体作用下残余油滴的受力及变形，从弹性及压力梯度两方面分析了交替注入不同黏弹性聚合物溶液驱油机理。在压力梯度相同的情况下驱油时，聚合物溶液作用下残余油滴所受法向偏应力和水平应力差随着聚合物弹性的增加而增加。室内物理模拟实验结果表明：与连续注入相比，交替注入不同黏弹性聚合物溶液可以改善大孔道吸液过量及小孔道吸液不足的现象，使较多的低分子量、低浓度聚合物溶液进入低渗层，表现出高渗层分流率进一步降低，低渗层分流率进一步增大，使低渗透储集层中富集的残余油有更多机会受到黏弹性聚合物的黏滞力作用而变形，从而扩大波及体积，提高驱油效率。

黏弹性聚合物；驱油机理；注入方式；交替注入；压力梯度；残余油受力

近年来，国内关于聚合物驱注入方式的研究很多，文献［1］通过物理模拟实验指出，三阶梯度等体积段塞优于增大主力段塞，增大主力段塞优于整体段塞。文献［2］通过物理模拟实验指出，相同质量浓度下，聚合物相对分子质量从高到低依次注入提高的采收率幅度高于聚合物相对分子质量从低到高依次注入提高的采收率幅度。文献［3］总结了大庆油田聚合物驱实践经验，指出在保证注入聚合物段塞尺寸及用量不变的条件下，先注20%总注入量的相对分子质量较高的聚合物前置段塞、再注入80%总注入量的相对分子质量中等的聚合物前置段塞，其聚合物驱采收率比连续注入相对分子质量中等的聚合物整体段塞提高1.5%以上。然而对于组合注入情况，传统理论认为，组合段塞调整只是通过扩大波及体积来提高原油采收率。大庆油田主力油层高浓度聚合物驱室内实验及矿场试验表明[4-7]，高浓度聚合物溶液的黏弹性可以明显提高微观驱油效率。本文针对交替注入不同黏弹性聚合物溶液驱油机理的研究，进一步从机理方面阐述交替注入方式优于连续注入方式的理论基础，为完善交替注入理论体系提供基础依据。

1　交替注入驱油模型的建立

本文所用聚合物（除黄原胶外）均为聚丙烯酰胺。为了分析交替注入不同黏弹性聚合物溶液提高原油采收率的水动力学机理，分析不同渗透率岩心的微孔道中的残余油的受力和变形，建立了二维并联孔道模型（图1）。在研究过程中，选取低渗孔道的宽度w1为固定值10 μm，高渗微孔道的宽度w2取20 μm，即孔道宽度比（w1:w2）为1∶2.

图1　并联孔道模型示意

2　不同渗透率岩心中残余油的受力分析

威森伯格数（We）是表征聚合物弹性效应的重要参数，为了分析各种不同流体对油滴的作用力，特别是黏弹性流体对残余油滴作用效果与牛顿流体对残余油滴作用效果的差别，在流道宽度比为1∶2条件下，分别计算了水、黄原胶聚合物溶液（只具有黏度特性而无弹性特征）以及不同黏弹性流体（改变聚丙烯酰胺浓度，使溶液We分别为0.05，0.10和0.20）在亲油岩心微孔道内驱替残余油时，残余油滴所受的法向偏应力和水平应力差。计算过程中的压力梯度取0.02 MPa/m，压力为正，拉力为负，黄原胶溶液的黏度与We为0.05的聚合物溶液黏度相同[8]。

从低渗孔道（图2a）和高渗孔道（图2b）中残余油滴所受法向偏应力可以看出，对于牛顿流体，黄原胶溶液作用于残余油滴的法向偏应力大于水对油滴的法向偏应力，由于黄原胶溶液的黏度高于水的黏度，因此对于牛顿流体，溶液黏度越高，对残余油滴的法向偏应力越大。

对比高渗孔道和低渗孔道中残余油滴所受法向偏应力可以看出，对于相同体系，同样大小的油膜，渗透率大的流道较渗透率小的流道所受法向偏应力更大。

从低渗孔道（图3a）和高渗孔道（图3b）中残余油滴所受水平应力可以看出，对于牛顿流体，黄原胶溶液作用下残余油滴所受水平应力差大于水作用下残余油滴所受水平应力差（图3），因此随着溶液黏度的增加，牛顿流体作用于残余油滴的水平应力差逐渐增加[9]。

图2　不同流体在不同渗透率孔道中残余油滴所受法向偏应力

图3　不同渗透率孔道中残余油滴所受水平应力差

从图3可看出，相同黏度条件下，黄原胶溶液作用于残余油滴的水平应力差小于聚合物溶液（We为0.05）作用于残余油滴的水平应力差。可见，聚合物溶液具有的黏弹性能够有效地提高作用于残余油滴的水平应力差，它对残余油的作用效果是无弹性黄原胶溶液无法达到的。随着聚合物溶液弹性（We从0.05增加到0.20）的增加，作用于残余油滴的水平应力差逐渐增加[10-11]。

对比图3a和图3b可知，低渗孔道中的残余油滴所受的水平应力差随油滴与岩石间距离的增大而逐渐减少，而高渗孔道中的残余油滴所受的水平应力差在接近油膜中部达到最大，这样更有利于油膜的变形。

3　不同渗透率岩心中残余油的变形分析

为阐明交替注入不同驱油剂提高采收率的水动力学机理，计算了图1亲油岩心中残余油滴的变形。

对比水（图4a）、黄原胶溶液（图4b）和聚合物溶液（图4c）驱替残余油时残余油受力变形可以看出，水驱时残余油滴受力变形最小，黄原胶溶液驱替时残余油滴受力变形次之，聚合物溶液驱时残余油受力变形最大。这主要是由于聚合物溶液具有黏弹性，对残余油作用力更大所致[12]。

图4　水驱油时（a）、黄原胶溶液驱油时（b）和聚合物溶液驱油（We=0.3）时（c）残余油滴变形对比

4　交替注入驱油机理

连续注入方式，注入段塞较大，不利于流度控制，聚合物溶液首先进入高渗层，一方面由于高渗层很容易突破，聚合物溶液将从高渗孔道窜流，另一方面由于聚合物溶液注入时间过长，中低渗孔道很容易被堵塞，聚合物溶液更难进入中渗层和低渗层。为了解决连续注入的弊端，采用交替注入方式可以很好地控制流度，使各渗透层各取所需，从而扩大波及体积。

4.1交替注入驱油剂的黏弹性对残余油的影响

孔道中残余油的受力和变形与驱油剂的黏弹性有关，因此，可以通过改变注入流体的特性和注入方式来改变残余油的受力情况，交替注入不同驱油剂驱油时会使不同的残余油受力和变形。与连续注入相比，交替注入方式可以改善大孔道吸液过量，小孔道吸液不足的现象，使较多的低分子量低浓度聚合物溶液进入低渗层，使更多的残余油受力和变形，从而扩大波及体积。针对不同黏弹性驱油剂对不同渗透层残余油受力影响来研究交替注入不同黏弹性聚合物溶液的驱油机理。

取We为0.20和0.05的聚合物溶液作为交替注入的主、副段塞，建立残余油法向偏应力曲线，当注入We为0.20的聚合物溶液时，中低渗孔道（图5a，图5b）残余油滴所受法向偏应力与高渗孔道（图5c）相差很大，而当注入We为0.05的聚合物溶液，中低渗孔道残余油滴所受法向偏应力与高渗孔道相差不大。这是由于高浓度聚合物溶液质量分数过高，使溶液中聚合物分子交叠，分子线团尺寸大，很难进入中渗层和低渗层，特别是低渗层，主要富集在高渗层。

图5　不同渗透率孔道中残余油滴所受法向偏应力

低质量分数聚合物溶液可以比较容易进入中渗层和低渗层，虽然聚合物溶液质量分数小，但进入量较大，相比高质量分数聚合物溶液进入总量是增大的，由于进入中低渗孔道聚合物量的增加，中低渗孔道残余油受挤压变形的程度增加。由此可以看出，高浓度聚合物溶液适用于高渗孔道，低浓度聚合物溶液适应于中低渗孔道。

4.2交替注入压力梯度对残余油的影响

由于不同渗透率地层中的残余油的受力和变形主要受压力梯度（注采压差）、驱油剂的黏度及驱油剂的弹性的影响[13]。交替注入不同黏弹性聚合物溶液的驱油机理可由驱油过程中压力的分布规律（或压力梯度）来分析。图6a和图6b依次为水驱时的一维均质岩心上的压力分布和压力梯度，其压力分布为斜直线，其压力梯度为常数。

图6　水驱时岩心上的压力分布（a）以及压力梯度分布（b）

图7a为交替注入不同黏弹性聚合物溶液时一维均质岩心上对应于单段塞时的压力分布和压力梯度分布，其压力分布为三段折线，其压力梯度不再是常数，聚合物段塞处由于驱替液的黏度较高，所以压力梯度分布会突然增大。图7b为交替注入不同黏弹性聚合物溶液时一维均质岩心上对应于双段塞时的压力分布和压力梯度分布，其压力分布为5段折线，其压力梯度也不再是常数，聚合物段塞处的压力梯度也突然增大。

图7　单段塞聚合物驱时（a）和双段塞聚合物驱时（b）岩心上的压力分布以及压力梯度分布示意

综上所述，段塞驱油时由于段塞的存在使其所在位置的压力梯度增大，压力梯度的增大会提高驱油效率，有利于提高均质岩心中的原油采收率。

在聚合物用量不变的条件下，方案一采用连续注入0.6 PV质量浓度为1 500 mg/L、相对分子质量为25×106的聚合物溶液；方案二交替3次注入0.1 PV质量浓度为2 000 mg/L、相对分子质量为25×106和0.1 PV质量浓度为1 000 mg/L、相对分子质量为16×106的聚合物溶液，并对两个方案进行压力梯度测定。本文选用实验模型为3层不同渗透率非均质模型，在3个渗透层岩心模型中间位置选作研究对象，在各层岩心模型中心两侧接入压力表，使各层压力表的间距相等，便于更准确地对比不同渗透层在相同位置的压力梯度变化规律。

根据实验数据可得到如下压力梯度曲线：图8a和图8b分别给出了连续注入和交替注入不同黏弹性聚合物溶液各渗透层压力梯度变化曲线。从图8可以看出，连续注入时，高渗层首先达到压力梯度峰值，中渗层、低渗层顺次达到压力梯度峰值，各渗透层均只出现一次压力梯度峰值。采用交替注入方式，由图8可直观地看出，高渗层中心两侧测点间的压力梯度出现2次峰值，而中渗层和低渗层都出现3次压力梯度峰值。与连续注入相比，交替注入方式的压力梯度出现脉冲现象，这种现象能够促使残余油变形，有利于提高驱油效率。

图8　不同注入方式下各层压力梯度变化

表1给出了两种注入方式的压力梯度曲线积分面积。从表1可以看出，对于各渗透层均表现出交替注入比连续注入积分面积大，且中渗层和低渗层提高值较大。说明进入中渗层和低渗层的聚合物量较大，从而能有效地扩大中渗层和低渗层波及体积。另外，由于聚合物溶液具有黏弹性，能够提高驱油效率，因而能够进一步提高中渗层和低渗层采收率。这进一步说明交替注入驱油效果好于连续注入驱油效果。

表1　不同注入方式下压力梯度曲线积分面积对比

4.3等化学剂用量条件下交替注入方式对采收率贡献

采用与上节实验内容相同的岩心模型，通过各渗透层采出液流量比例计算不同注入方式（连续注入与交替注入）下的分流率，从而为非均质性油藏开发，交替注入方式为剖面转注机理提供理论依据。

根据实验数据，得到连续注入和交替注入不同黏弹性聚合物溶液各渗透层分流率变化曲线（图9）。

图9　不同注入方式下各渗透层分流率变化

在注聚合物溶液阶段，由于聚合物溶液的封堵能力，高渗层的分流率下降很快，中渗层和低渗层的分流率都升高。由于高浓度聚合物溶液与低渗层适应性较差，连续注入单一高浓度聚合物溶液，体系依旧只能沿着高渗层渗流。连续注入单一段塞聚合物溶液分流率反映为迅速趋近平缓，聚合物溶液注入结束后转注入后续水阶段，驱替剂沿高渗层首先突破，分流率逐渐上升，趋近于水驱阶段。交替注入方式，注入高质量分数段塞，含水率也存在趋近平缓的趋势。但随着转注低质量分数聚合物溶液，分流率又成波动式下降，表明低黏弹性体系转流入低渗储集层中。

综合比较两种注入方式的分流率曲线，交替注入方式高渗层分流率下降程度更大，低渗层分流率上升幅度更明显。对于中渗层两种开发方式结果相近。

模拟正韵律非均质储集层条件制作岩心模型，在此模型上进行两种注入方式驱油效果评价（表2）。

在水驱采收率平行一致的前提下，对于聚合物驱随着岩心渗透率的增加而降低，特别是低渗层，聚合物驱收率提高的幅度较明显，高渗层水驱采收率较高，使得聚合物驱采收率提高幅度受到限制。但是交替注入方式由于低浓度体系与低渗层匹配关系更理想，对低渗层的动用程度更大，表现为高渗层采收率基本未受影响，低渗层采收率提高了4%。进一步验证了交替注入不同黏弹性聚合物溶液的可行性。

表2　不同注入方式三管并联驱油实验结果

5　结论

（1）黄原胶溶液只具有黏度，其黏度大于水，聚合物溶液既具有黏度又具有弹性，驱替液黏度越大，作用于残余油滴的法相偏应力和水平应力越大。

（2）水驱时残余油滴受力变形最小，黄原胶溶液驱替时残余油滴受力变形次之，聚合物溶液驱时残余油受力变形最大。

（3）与连续注入相比，交替注入不同黏弹性聚合物溶液可以改善大孔道吸液过量、小孔道吸液不足的现象，使较多的低分子量低浓度聚合物溶液进入低渗层，使更多的残余油受力和变形，从而更有效地提高驱油效率。

（4）交替注入不同黏弹性聚合物溶液能够在注入不同段塞时重复出现压力梯度峰值，使压力梯度出现脉冲现象，这种现象能够更有效地促使残余油变形，有利于提高原油采收率。

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Polymer Displacement Mechanism with Different Viscoelasticities by Alternating Injection Process

ZHANG Dong,WU Wenxiang
(MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China)

This paper compares the effect of continuous injection and alternating injection of polymers with different viscoelasticities on stress and deformation of residual oil droplets,explores the hydrodynamic displacement mechanism of them on residual oil,including the stress and deformation calculation of residual oil droplets under the actions of the different fluids,and analyzes the alternating injection mechanism from two aspects of the elasticity and pressure gradient.The results show that the difference between normal deviator and hori⁃zontal stress of residual oil droplets by the effect of polymer solution is increasing with the elasticity rise of the polymers in the case of the same pressure gradient.Comparing with continuous injection process,the alternating injection process of polymer solutions can improve the phenomenon of fluid overload in the large pores and the fluid deficiency in the small pores,making the polymer of low concentration and low molecular weight enter into the low permeability layers with more residual oil displacement and stress,hence the swept volume can be expanded and the oil displacement efficiency can be improved.

viscoelastic polymer;oil displacement mechanism;injection mode;alternating injection;pressure gradient;residual oil bearing

TE357.431

A

1001-3873（2015）04-0459-06

10.7657/XJPG20150414

2015-01-23

2015-05-12

国家科技重大专项（2011ZX05009-004）

张栋（1988-），男，蒙古族，黑龙江大庆人，博士研究生，化学驱提高采收率，（Tel）15004593766（E-mail）zhangdong084@163.com.