聚合物驱油体系与油藏配伍关系的一种优化设计新方法

李椋楠

(中石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)



聚合物驱油体系与油藏配伍关系的一种优化设计新方法

李椋楠

(中石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

[摘要]传统聚合物尺寸与油藏配伍的表示方法反映的是聚合物单分子级别与孔喉的配伍，而实际聚合物驱油体系与油藏的配伍关系研究应体现聚合物聚集体与孔喉的配伍，并考虑体系在地层深部的可流动性。在对比分析国内外相关方法的基础上，通过理论计算及大量试验研究，建立了一套地层驱替压差条件下聚合物体系与油藏孔喉配伍关系的新方法，进而建立了聚合物驱油体系与油藏配伍关系图版。新方法考虑了聚合物体系尺寸在近井地带高压力梯度与地层深部低压力梯度条件下的差异，较为准确地建立了聚合物驱油体系与油藏的配伍关系，为矿场聚驱油藏选用合适的聚合物驱油体系提供重要依据与技术支持。

[关键词]微孔滤膜；水动力学特征尺寸；配伍关系；地层深部；流动性

作为一项比较成熟的三次采油技术，聚合物驱主要通过改善水油流度比、扩大波及体积提高原油采出程度，目前已在国内众多油田得到广泛应用[1，2]。一般来讲，聚合物分子量越高，浓度越大，其增黏性越好，降低水相渗透率的能力越强[3]。以往研究聚合物体系与油藏配伍的方法，只考虑了聚合物单分子级别与油藏孔喉的配伍，配伍标准的选定大多采用经验值，岩心非均质性越强，对结果影响也就越大，存在一定的局限性[4～6]。聚合物溶液是伸缩性流体，受压力梯度的影响自身尺寸会随之发生变化，实际开发过程中，注采井间不同位置地层压力梯度变化较大，聚合物体系与油藏的配伍不但包括近井地带高压力梯度下的配伍，还应包括地层深部低压力梯度下的配伍。笔者通过微孔滤膜的方法测定聚合物溶液体系的水动力学特征尺寸，采用岩心流动性试验定义了流动距离与油藏配伍的判定标准，建立了聚合物驱油体系与油藏配伍的综合评价方法，旨在能够有效地评价油层真实条件下聚合物驱油体系与油藏的配伍关系。

1试验材料与仪器

1.1试验材料与条件

1)聚合物。部分水解聚丙烯酰胺，分子量分别为1500×104、2500×104，固含量90%。

2)试验用水。采用清水配制污水稀释方式，污水为大庆油田现场深度处理污水，水质矿化度及离子组成如表1所示。

表1　稀释水质矿化度及离子组成

3)试验模型。使用天然岩心，尺寸为∅2.5cm×9cm，渗透率为350mD和680mD。

4)试验温度45℃。

1.2试验仪器

水动力学尺寸测定装置、FY-3型恒温箱(江苏华安科技仪器有限公司)、Waring搅拌器(美国Fann仪器公司)、PRG200精密压力调节器(北京仪器厂)、压力传感器(北京永瑞达仪器有限公司)、BROOKFIELD DV-Ⅱ+Pro型布氏黏度计(美国Brookfield公司)、气瓶、中间容器等。

2试验方法

2.1微孔滤膜过滤方法

驱油用的聚合物(HPAM)在溶液中为一个或多个分子链缠绕而成的无轨线团，线团大小受聚合物相对分子质量、聚合物浓度和配样用水的离子浓度等因素影响[7，8]。传统研究聚合物溶液尺寸的方法通常有数学方法、原子力显微镜法(SEM)和动态光散射法(DLS)。数学方法是应用表征聚合物溶液分子尺寸的FLORY特性黏数理论半经验公式进行计算，表示方法包括回旋半径和均方根末端距，该表示方法均未考虑浓度、水质等其他因素对分子尺寸的影响，适用于非电解质，不适合油田实际情况[9，10]。原子力显微镜法是将聚合物溶液制作成干片再进行观测，其特点是可直观地观测高分子体系凝聚形态，不足之处是制成干片后，高分子聚合物的形态可能已经发生改变，不能测定溶液中水化分子结构大小[11，12]。动态光散射法可以直接测定单纯聚合物溶液中线团的形态和尺寸，但对样品及溶液的洁净度要求很高，只能测定低浓度聚合物溶液的水动力学尺寸，与实际使用的聚合物浓度相差很大[13]。在渗流过程中，聚合物溶液是多个聚合物分子缠绕在一起的聚集体，而以上3种方法均反映的是聚合物单分子级别与孔喉的配伍。为此，笔者研究采用微孔滤膜的方法，测量得到的并不是单个聚合物分子的水动力学半径，而是反映特定条件下聚合物溶液的水动力学特征尺寸以及聚合物溶液在特定条件下通过特定尺寸孔喉的能力，其反映的是聚合物作为聚集体与孔喉的配伍，更接近油层真实条件下聚合物溶液存在的状态和尺寸[14]。

1)测定原理。微孔滤膜法测量聚合物溶液水动力学特征尺寸的试验原理如下：地层压力梯度条件下，将聚合物溶液通过不同孔径的微孔滤膜，测定滤出液的聚合物浓度和黏度，根据聚合物溶液浓度和黏度随微孔滤膜孔径的变化曲线拐点分析确定聚合物体系的水动力学特征尺寸[15]。

2)测定方法。用模拟清水将不同分子量的聚合物配成5000mg/L的母液，静置4h，再根据试验要求稀释成不同浓度的目的液，并将目的液用搅拌器模拟炮眼剪切后备用，油藏温度45℃下测试聚合物溶液的表观黏度。在恒定压差0.05MPa条件下，利用水动力学尺寸测定装置，将聚合物溶液依次通过孔径为2.0、1.2、1.0、0.8、0.65、0.45、0.3和0.22μm的滤膜，记录过滤前后聚合物溶液黏度和浓度变化，将黏度和浓度急剧变化的拐点处对应的滤膜孔径作为该聚合物溶液的水动力学特征尺寸。

2.2岩心流动性试验

由于现场注水井与油井之间存在压降漏斗，聚合物体系在近井地带与地层深部的流动状况差别较大。在近井地带约30m以内区域，近90%的压力梯度损失在该区域，而在30m以外的油层深部区域，压力梯度较低，在低压力梯度条件下体系与孔喉的配伍才能够代表聚合物溶液可注入油层。另一方面，由于流体在地下处于径向流状态，油层深部区域所占的储量比例较大，30m以外的油层深部区域所占储量比例高达90%以上。要提高聚驱开发效果，首先要保证聚合物溶液在该区域可以顺利流动，因此，研究驱油体系与地层深部低压力梯度下的配伍尤为重要。

使用天然岩心、抽真空饱和地层水，在油藏温度和恒定压力梯度条件下注入待评价聚合物溶液，记录试验过程中一定注入倍数的出液量，待岩心内聚合物吸附平衡后及流速稳定后，计算流体对应地层流动速度，注入量一般为2～3PV。

3试验结果与讨论

3.1聚合物体系水动力学特征尺寸测定

表2　聚合物水动力学特征尺寸

在恒压压差0.05MPa条件下，分别测定了聚合物分子量1500×104和2500×104，浓度分别为1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液水动力学特征尺寸，试验结果如表2所示。由表2可以看出，分子量一致的体系，聚合物浓度越大，水动力学特征尺寸越大；浓度一致，聚合物分子量越高，水动力学特征尺寸越大。

3.2聚合物体系在岩心中的流动性测定

在45℃油藏温度和恒定压力梯度0.05MPa/m条件下，测定了聚合物分子量1500×104和2500×104，浓度分别为1000、1500、2000和2500mg/L的聚合物溶液在渗透率分别为350mD和680mD岩心中的流动性结果，如图1、图2所示。由图1和图2可以看出，岩心渗透率一致条件下，聚合物分子量越大，浓度越高的体系流动性越好。参照大庆油田聚合物驱见效时间，计算出流体在地层中有效流动的线速度约为0.3m/d，因此确定出针对试验用岩心对应注入流量0.3ml/min为有效流动的最低界限，即在地层深部压力梯度条件下，注入流体的流速若大于0.3ml/min为有效流动，若流速小于0.3ml/min为无效流动。

图1　不同聚合物体系在350mD岩心中流动性结果　　　图2　不同聚合物体系在680mD岩心中流动性结果

4配伍关系的建立

4.1尺寸与孔喉配伍标准的确定

表3　目的区块油层孔隙结构参数

由于分子量1500×104，浓度为1500mg/L的聚合物体系在渗透率为350mD岩心中的流动性评价结果(0.28m/d)与地层真实流动速度(0.30m/d)较为接近(见图1)，体系能够有效流动，认为该体系对应的水动力学特征尺寸即为在该渗透率岩心中能够配伍的界限。根据恒速压汞试验结果(见表3)，渗透率为350mD和680mD的2种岩心的平均孔喉半径Rh分别为2.95μm和5.47μm，用分子量1500×104、浓度1500mg/L聚合物溶液对应的水动力学特征尺寸RG=0.45μm与渗透率350mD岩心对应的平均孔喉半径Rh=2.95μm建立的配伍界限作为聚合物体系水动力学特征尺寸与岩心孔喉的配伍标准，此时得到聚合物体系水动力学尺寸与平均孔喉半径的倍数关系为Rh/RG=6.56。

4.2建立聚合物体系与油藏渗透率配伍关系图版

基于以上分析，若岩心平均孔喉半径是聚合物体系水动力学特征尺寸的6.56倍以上，认为该体系不会堵塞地层，可以有效流动；反之，当平均孔喉半径小于6.56倍的聚合物水动力学特征尺寸时，认为该体系堵塞地层，此时为无效流动。以该标准建立聚合物体系水动力学特征尺寸与岩心渗透率配伍关系图版，见表4。

表4　聚合物体系水动力学特征尺寸与岩心渗透率配伍关系图版

注：0代表堵塞，1代表通过。

多位学者在检验国内外发表的试验数据条件下，提出针对环氧树脂人造岩心聚合物通过不发生堵塞的条件是地层孔喉中值半径r50大于5倍聚合物水动力学尺寸RG，即r50/RG>5，对于真实地层岩心，建议r50/RG取值5～10，配伍结果只能给出一定范围，并且多依靠经验值[16]。而通过该优化设计方法建立的配伍关系，可以给出一定测试条件下的具体匹配倍数，结果更具量化性，方法更具科学性和实用性。

5结论

1)新设计方法充分考虑了压力梯度对聚合物溶液尺寸的影响，并将聚合物水动力学尺寸与岩心流动性相结合，建立的配伍关系更科学准确，有利于指导聚合物驱生产开发实践。

2)基于恒压测定方法，微孔滤膜测定及岩心流动性试验对聚合物溶液要求低，操作方便，重复性好。

3)该方法克服了以往方法中单一因素和配伍标准模糊的不足，完善了聚合物驱现有的评价体系与油藏配伍关系研究方法。

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[编辑]辛长静

[收稿日期]2016-02-08

[作者简介]李椋楠(1985-)，女，工程师，现主要从事油藏工程技术方面的研究工作；E-mail：liliangnan@petrochina.com.cn。

[中图分类号]TE357.46

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)16-0025-04

[引著格式]李椋楠.聚合物驱油体系与油藏配伍关系的一种优化设计新方法[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(16)：25～28.