聚合物驱不可及孔隙体积室内实验研究

张文龙， 孙丽艳， 齐　梦， 叶雨晨

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)



聚合物驱不可及孔隙体积室内实验研究

张文龙， 孙丽艳， 齐梦， 叶雨晨

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

首先应用光阻计数器对实验提供的相对分子质量分别为800万、1 200万、1 600万、2 000万的4种聚合物测定了分子线团尺寸，接着利用饱和煤油法测得现场岩芯的孔隙累计分布曲线，最终绘制出各岩芯对应的聚合物分子线团尺寸与不可及孔隙体积关系曲线。在此基础上将含水饱和度赋值给不可及孔隙体积，依据已经绘制的聚合物分子线团尺寸与IPV关系曲线优选出与岩石孔隙配伍性更好的聚合物分子质量。该方法是以地下岩石的微观孔道为研究切入点，取值合理，步骤简便，对现场聚合物选择有一定指导作用。

不可及孔隙；聚合物驱；饱和煤油法；光阻计数器

聚合物驱作为现阶段提高采收率的重要方式在三次采油阶段广泛应用于国内外各大油田。油田中应用的聚合物多为高分子聚合物，其相对分子质量可达上千万[1]。聚合物是具有一定分子尺寸、高弹性和可塑性的原子团[2]。在低渗透聚驱油层中，有部分孔隙因其喉道直径小于聚合物分子线团尺寸致使聚合物无法通过或者由于聚合物在喉道口内壁的吸附作用而滞留喉道口，进一步阻碍了聚合物的后续进入，该部分孔隙因聚合物无法进入被统称为不可及孔隙，孔隙所占的体积即为不可及孔隙体积(Inaccessible Pore Volume, 简称IPV)[3-4]。 聚合物驱油的宗旨是尽可能的扩大波及体积改善油层动用程度，而不可及孔隙的存在与聚驱宗旨相悖，因此有必要对其进行研究[5]。不可及孔隙的形成主要是由于聚合物在喉道内壁的吸附作用而引起聚合物的滞留阻塞，但归根究底是由聚合物分子线团尺寸与喉道直径相对大小关系决定的，属于微观驱油的范畴，因此可以在室内进行实验研究[6-8]。实验通过研究聚合物分子线团尺寸与不可及孔隙的关系，最终提出聚驱过程中聚合物的优选方法。

1　测定聚合物分子线团尺寸

既然不可及孔隙的大小是由聚合物分子线团尺寸与喉道直径相对大小关系决定的，那么实验中首先要完成对聚合物分子线团尺寸的测定。实验准备了4组不同相对分子质量的聚合物，依次为800万、1 200万、1 600万和2 000万。试验中采用光阻计数器测定聚合物分子线团尺寸。

光阻计数器是利用微粒对光的遮挡作用检测微粒尺寸。其原理如图1所示：当液体中的微粒通过窄小的检测区时，会阻挡垂直液流方向射入的光，光强度变化引起传感器输出信号变化，这种信号变化强度与微粒尺寸成正比，因此只要准确测出每次的光强变化就可以统计出聚合物分子线团尺寸。

图1　光阻颗粒计数器原理图

Fig.1Principle diagram of light blockage counter

为使结论更好地指导现场作业，实验中配置溶液的水取自现场地下水，水样中包含钙、镁、碳酸氢根、硫酸根等离子，总矿化度356.3 mg/L，配置的聚合物溶液质量浓度均为300 mg/L。光阻计数器对4种聚合物尺寸测量结果如图2所示，相对分子质量为800万、1 200万、1 600万和2 000万的4种聚合物溶液中95%的分子团尺寸相应分布在0.52～1.68、0.52～1.96、0.52～2.11 μm和0.52～2.27 μm。

图2　聚合物溶液分子线团尺寸分布曲线

Fig.2Distribution curve of molecular size in polymer solutions

2　求解不可及孔隙体积

图3是用饱和煤油法测定的某岩芯孔隙体积累计分布曲线。该岩芯气测渗透率为300×10-3μm2，孔隙度为20.1%。图3中纵轴值表示孔隙直径小于对应横轴值的所有孔隙体积占总孔隙体积的百分比。理论上将聚合物分子视为具有一定水力直径的分子线团，那么当聚合物分子团通过较小孔径喉道时就会受到阻碍。以分子线团尺寸20 μm的聚合物溶液为例，当其通过上述岩芯时，直径小于20 μm的孔隙即为不可及孔隙，在孔隙累计分布曲线中孔隙直径20 μm对应的纵坐标54.6%即为聚合物溶液通过岩芯时不可及孔隙体积占总孔隙的比重。

图3　孔隙体积累积分布曲线

Fig.3Distribution curve of pore cumulative

实验中采用饱和煤油法对现场提供的10块岩芯P1—P10(如表1所示)进行了孔隙体积的测定，并绘制出各岩芯对应的孔隙体积累计分布曲线。

表1　矿场岩芯资料信息表

结合已经测定的4种相对分子质量聚合物溶液的分子线团尺寸分布曲线最终得到各岩芯渗透率条件下不可及孔隙体积与聚合物分子线团尺寸的对应关系，结果见图4。由图4可见，在平均渗透率不同的岩芯内，随着渗透率的增加，不可及孔隙比例逐渐减小，且随渗透率增幅变大，不可及孔隙体积比例的减幅越来越小，主要原因是平均渗透率越大，平均孔隙度、平均孔隙直径也往往越大，且孔隙间连通性越好，聚驱过程中聚合物分子进入孔隙的可能性越大；在同一岩芯内，随着聚合物分子线团尺寸的增加，不可及孔隙呈线性增加，且随着渗透率的不断变大，不可及孔隙增加速度变缓，主要原因是随着聚合物分子线团尺寸的增大，会有部分孔隙因喉道直径小于聚合物分子线团水力学直径致使聚合物无法通过，但随着平均渗透率的增加，一方面平均孔径变大，另一方面连通性也有所改善，因此双重改善下表现出随渗透率变大，不可及孔隙增速减缓的特征。

图4　聚合物分子线团尺寸与IPV关系曲线

Fig.4Relationship curve between polymer molecules size and IPV

3　聚合物相对分子质量优选

通过上述研究，已经知道在聚驱过程中，如果用于配置驱替液的聚合物分子线团尺寸太大，会使不可及孔隙体积增加，从而影响聚合物的波及体积。但是，如果用于聚驱的聚合物分子线团尺寸过小，就无法保证驱替液的黏度，便不能更好改善油水流度比。因此，聚驱过程中所选聚合物尺寸过大或者过小都不能达到理想的驱油效果，只有选择适宜尺寸的聚合物才能保证聚驱达到期望效果。

原始含水饱和度是指在油层中原生水占孔隙体积与岩石孔隙体积之比。考虑到原生水的存在，在聚驱过程中应该尽量避免聚合物进入原生水孔隙。若原生水孔隙直径小于聚合物分子，就能保证聚合物分子只进入存在油的较大孔隙，不但节省聚合物，还能更好的驱油。因此可以把原生水所在的小孔隙尺寸定为聚合物分子线团可以通过的最小数值，即IPV=Swc。在此基础上，利用图4关系曲线就可以找出IPV=Swc时所对应的聚合物分子线团尺寸，最后就能找到相应的聚合物相对分子质量，优选出与岩芯孔隙配伍性更好的聚合物相对分子质量，结果见图5。

图5　聚合物相对分子质量与分子线团尺寸对应曲线

Fig.5Relationship curve between polymer molecular weight and coil size

需要注意的是：该方法中应用的聚合物分子线团尺寸与IPV关系曲线是通过分析开采初期的密闭取芯资料得到的，其更适用于含水较低、动用程度较小的油层。但是，目前国内外大多数油田基本处于水驱开发中后期，含水整体较高甚至很多高渗层被水淹。 对于现阶段含水较高的油层，用该方法优选的聚合物相对分子质量应该作为优选的下限值，尽量选择相对分子质量更大的聚合物。存在无效循环的高水淹层，应该选择特高相对分子质量聚合物甚至采用聚合物凝胶进行调剖或者调驱。

4　结论

(1) 不可及孔隙体积的大小是由岩石喉道直径与聚合物分子线团尺寸的相对大小关系决定的。

(2) 在油层注聚过程中随着的聚合物相对分子质量的增加，不可及孔隙体积呈线性增加，且随着渗透率不断变高不可及孔隙体积增速开始变缓。

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(编辑闫玉玲)

Laboratory Experiment on Inaccessible Pore Volume of Polymer Flooding

Zhang Wenlong, Sun Liyan, Qi Meng, Ye Yuchen

(DepartmentofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Firstly, the molecular coil size of 4 kinds of polymers, whose molecular weight polymers is 8 million, 12 million, 16 million and 20 million respectively, was measured by the light blockage counter. Then pore cumulative distribution curve of field cores was measured by kerosene mass method. Finally the relationship curves between polymer molecular coil size and inaccessible pore volume of field cores were plotted. On the basis of this study, the water saturation value is assigned to the volume of the pore volume, and the polymer molecular weight with better compatibility with rock pores is optimized according to the relationship curve drawn. This method is based on the micro channel of underground rock. It has reasonable value and simple steps. And there are some guidances for the selection of the polymer in the oil field.

Inaccessible pore volume; Polymer flooding; Kerosene mass method; Light blockage counter

1006-396X(2016)04-0035-03投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-04-20

2016-06-26

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(12521059)。

张文龙(1990-)，男，硕士研究生，从事油气田开发理论与技术方面的研究；E-mail:wenlongzhang007@qq.com。

孙丽艳(1986-)，女，博士，讲师，从事油气田开发理论与技术方面的研究；E-mail:442882165@qq.com。

TE357

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.04.007