海上稠油油藏用自增稠聚合物的室内性能评价*

王 凯，周文胜，刘 晨，耿艳宏，刘 凡，姚 泽，刘逸飞，逄格锋

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中海油研究总院，北京 100028；3.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；4.中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

聚合物驱油技术是三次采油的核心技术，逐渐成为油田的主导开发方式，并步入快速发展的时期［1-4］。聚合物驱油主要是通过降低水油流度比，提高水驱的波及体积，从而提高采收率［5-8］。目前，聚合物驱油用聚合物主要是聚丙烯酰胺，而聚丙烯酰胺的耐温抗盐性能较差，不仅不适用于高温高盐油藏，就是在低温高盐油藏条件下，也因其增稠能力下降，而使三次采油基本无经济效益。同时，随着油田的不断开发，油藏非均质情况越来越严重，注入水大量冲刷，油层黏土和胶结物膨胀、溶蚀，微粒运移，出砂加重，出砂、微粒运移形成蚯蚓洞，造成地层非均质情况进一步恶化。油气藏的非均质性和不利的油气水流度比造成注入水沿高渗透层突进，大大降低了注入水的波及效率，注水井调剖是有效的解决手段之一，工业上常采用具有一定强度和流动性的弱冻胶调驱剂来同时达到驱油和调剖的目的［9-10］，该类弱冻胶调驱剂由于成胶过程受地层影响较大，效果难以控制。本文报道了一种在高分子链段上引入微量的疏水基、在高矿化度水中可通过分子间缔合形成空间网络结构［11-12］的盐敏自增稠聚合物YMZC的溶解性、在不同矿化度、浓度、温度和剪切作用下的增稠性能、封堵性能及驱油性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

疏水缔合聚合物YMZC，相对分子质量1200万，固含量88%，水不溶物含量0.16%，水解度19.2%；自制；配液用水，矿化度20000数100000 mg/L，含500 mg/L 的CaCl2，其余矿化物为NaCl。

DV2T 型旋转黏度计，美国Brookfield 公司；SU8200 型环境扫描电子显微镜，美国FEI 公司；高温高压岩心驱替装置，江苏海安石油科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黏度测定

用一定矿化度的水配制一定浓度的聚合物YMZC 溶液，采用旋转黏度计测定体系初始黏度，并相隔固定时间间隔测定老化黏度，测定体系黏度最终稳定数值。

1.2.2 封堵性能测定

以封堵率的大小表征调驱剂封堵能力的强弱，实验采用单管模型。采用填砂管模拟岩心，填充不同粒径的砂砾即可得到不同渗透率的模拟岩心。首先水驱至压力稳定，测得填砂管岩心堵前渗透率为Kw0，然后注入一定孔隙体积的调驱剂，随后注入0.1 PV 水进行顶替，将填砂管岩心密封后置于电子恒温箱内，待堵剂完全成胶后用水从注水端正驱至压力稳定，测堵后渗透率Kw1，并按以下公式并计算封堵率和残余阻力系数［13-14］。

式中，E—封堵率，%；FRR—残余阻力系数；Kw0—堵前渗透率，μm2；Kw1—堵后渗透率，μm2。

1.2.3 驱替实验

驱替实验步骤为：①岩心称干质量；②抽真空、饱和地层模拟水；③岩心分别称湿质量；④测定岩心的渗透率；⑤岩心分别饱和地层脱水原油；⑥水驱至含水率达到98%；⑦注入自増稠体系；⑧老化后再水驱至含水率达到98%；⑩计算采收率增值即注入盐敏自増稠聚合物溶液后的采收率与水驱采收率的差值［15-17］。

1.2.4 环境扫描电镜（ESEM）观察

采用天然岩心研究YMZC 聚合物溶液体系在多孔介质中的微观形貌，取岩心切片置于环扫电镜中观察。

2 结果与讨论

2.1 矿化度对YMZC聚合物溶解性能的影响

用不同矿化度的水配制质量浓度为3000 mg/L的聚合物YMZC溶液，在室温条件下测定溶解过程中溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）随时间的变化，结果如图1所示。由图1可见，当配液用水的矿化度在20000数80000 mg/L 范围内时，矿化度越高溶解时间越长，但是相差不大，在3数4 h 后溶黏度达到稳定。当配液用水的矿化度为100000 mg/L 时，聚合物溶液在溶解过程中会出现絮凝和“鱼眼”的现象，聚合物不能完全溶解。这是由于配液用水的矿化度过高时，分子链上的电荷排斥效应基本上不存在，这时发生分子内缔合的概率远大于分子间缔合，导致聚合物YMZC 不易溶解。因此，聚合物YMZC适用的矿化度范围小于80000 mg/L。

图1 聚合物YMZC在不同矿化度的模拟水中的溶解性能（剪切速率7.34 s-1）

2.2 聚合物YMZC增稠效果的影响因素

2.2.1 矿化度

用不同矿化度（20000数80000 mg/L）的模拟水配制质量浓度为3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，室温下聚合物溶液的黏度（剪切速率7.34 s-1）随测试时间的变化情况如图2所示。由图2可知，采用矿化度为20000 mg/L 和40000 mg/L 的模拟水配制的聚合物YMZC 溶液随时间延长有轻微的增稠现象，但增稠后的黏度仍较低，无法达到调驱剂的强度要求；采用矿化度为60000 mg/L和80000 mg/L矿化度的模拟水配制的聚合物YMZC 溶液随时间延长有非常明显的增稠现象，老化2 d 后的黏度可增至2000 mPa·s以上，且稳定性好。这是因为在低矿化度时，聚合物YMZC分子链上的电荷排斥效应以及分子内缔合效应对溶液黏度的影响较大，抵消了分子间缔合作用的影响，最终结果使得聚合物溶液黏度较小，增稠现象微弱［18］；而在高矿化度时，随着溶液矿化度的增大，分子间缔合效应远大于分子内缔合效应的影响，聚合物溶液黏度大幅提高。聚合物YMZC的缔合临界矿化度为40000 mg/L。

图2 聚合物YMZC在不同矿化度的模拟水中的溶解性能（7.34 s-1）

2.2.2 聚合物浓度

用矿化度80000 mg/L 的模拟水分别配制不同浓度（500 数 4000 mg/L）的聚合物YMZC 溶液，在室温（20℃）条件下聚合物溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）随测试时间的变化情况如图3所示。由图3可知，当聚合物浓度为500 mg/L和1000 mg/L时，聚合物几乎无增稠现象，甚至随时间延长溶液黏度逐渐降低。这是因为此时聚合物浓度低于临界缔合浓度，聚合物溶液内以分子内缔合为主，分子链逐渐卷曲收缩，最终导致聚合物溶液黏度降低。当聚合物浓度为2000 mg/L时，分子间缔合开始起作用，聚合物溶液分子间互相缔合形成稳定的网络状结构，使得聚合物溶液的黏度有所增加，但増黏后的强度较低，无法达到调驱的要求。当聚合物质量浓度达到2500 mg/L以上时聚合物溶液增稠现象明显且能够长时间保持稳定。

图3 YMZC浓度对聚合物增稠性能的影响（剪切速率7.34 s-1）

2.2.3 温度

用矿化度80000 mg/L 的模拟水配制质量浓度3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，分别在30℃、60℃、80℃、90℃的恒温条件下考察聚合物溶液黏度（剪切速率7.34 s-1）随时间的变化情况，结果如图4所示。由图4可知，聚合物YMZC 溶液在30数80℃下的增稠效果显著且能够保持较长时间的稳定性；当温度升至90℃时，聚合物溶液增稠效果变差。这是因为温度升高使疏水基团中分子链的热运动加剧，疏水基周围的水和结构发生变化，减弱了分子链间的缔合作用，导致溶液黏度降低［19］。

图4 温度对YMZC聚合物增稠性能的影响（剪切速率7.34 s-1）

2.2.4 剪切作用

用矿化度80000 mg/L 的模拟水配制质量浓度3000 mg/L 的聚合物YMZC 溶液，采用高速剪切机在3000 r/min条件下分别剪切5数30 s，然后在室温下测定聚合物溶液黏度随测试时间的变化规律，结果见图5。由图5可知，剪切时间越长，聚合物溶液的最终黏度越低。剪切后聚合物溶液黏度降低到100 mPa·s 左右，仍保持较好的自增稠性能。经剪切30 s 后再增稠后的黏度仍达到200 mPa·s 以上。高强度的机械剪切使聚合物分子链受到破坏，但是随着时间的延长聚合物分子链之间逐渐缔合，溶液黏度得到一定程度的恢复，说明聚合物YMZC对于剪切具有较强的可逆性，耐剪切性能较好。

图5 剪切作用对YMZC聚合物增稠效果的影响（剪切速率7.34 s-1）

2.3 YMZC聚合物溶液的封堵性能

采用渗透率相近的三根填砂管岩心，先以矿化度为80000 mg/L的模拟水进行饱和，然后分别注入不同量的用矿化度80000 mg/L 的模拟水配制的浓度为3000 mg/L的聚合物溶液，60℃下老化2 d后测堵后填砂管的渗透率，并计算封堵率和残余阻力系数，结果如表1所示。由表1可知，盐敏自增稠聚合物YMZC具有较好的封堵性能，随注入量增加封堵率和残余阻力系数增大。仅注入0.3 PV 的浓度3000 mg/L的聚合物YMZC溶液（矿化度80000 mg/L）时，聚合物增稠后对渗透率1 μm2的填砂管岩心的封堵率就高达95.6%，封堵效果显著，可满足调驱的要求。

表1 YMZC聚合物的封堵性能

2.4 YMZC聚合物溶液的调驱性能

采用双管物理模型（高、低渗管的渗透率分别为 5.22 和 0.55 μm2，含油饱和度分别为 82.9%和81.25%），在室温条件下考察盐敏自增稠聚合物YMZC（浓度为3000 mg/L，矿化度80000 mg/L）的提高采收率的性能。驱替过程中含水率和采收率随注入体积变化情况如图6所示。由图6可知，双管模型的水驱采收率可以达到35%左右，当水驱含水率达到98%以上注入聚合物YMZC 溶液，老化2 d以后进行后续水驱，聚合物主要进入高渗管，増黏后的聚合物具有一定强度，对高渗管产生一定的封堵作用，使后续注入水进入低渗管，起到调剖作用；同时，聚合物仍保持一定的流动性，在后续注入水的推动下聚合物在高渗管中还能缓慢向深部移动。最终采收率为48%，提高采收率大约为13.3%，提高采收率效果显著，证明盐敏自增稠聚合物YMZC能起到较好的调驱作用［20-22］。

图6 YMZC聚合物溶液提高采收率性能

2.5 YMZC聚合物溶液微观形貌

采用ESEM观测分别用矿化度40000、60000和80000 mg/L的模拟水配制的浓度3000 mg/L的聚合物YMZC 溶液的微观形貌，结果如图7所示。由图7可知，随着矿化度增加，微观上YMZC聚合物分子排列越加紧密，宏观上表现为溶液黏度大幅度上升。矿化度对自增稠聚合物YMZC 増黏性能的影响主要有两个方面：一是分子链上的电荷排斥效应，当溶液矿化度很低时，分子链上的电荷排斥效应占优势，溶液矿化度越高，分子链上的电荷排斥效应越小，聚合物在溶液中分子越卷曲，溶液黏度低；二是分子内与分子间的缔合效应，分子间的缔合使聚合物产生超分子结构，宏观上表现出“相对分子质量增大”的现象，使得聚合物溶液的黏度增大，而分子内的缔合使聚合物分子大大卷曲，聚合物溶液的黏度大大下降。当溶液矿化度增至临界缔合矿化度后，分子间的缔合效应占优势；矿化度小于临界缔合矿化度时，分子内缔合占优势。两种作用的竞争使得聚合物溶液的黏度表现出随矿化度的变化而变化。

图7 不同矿化度下YMZC聚合物（3000 mg/L）的微观形貌

3 结论

自增稠聚合物YMZC 在矿化度低于80000 mg/L 的条件下具有较好的溶解性能，常温（20℃）下溶解时间为3数4 h。

当矿化度为40000数80000 mg/L，聚合物浓度为2500 数4000 mg/L，温度为20数80℃时，聚合物YMZC的增稠效果显著，黏度可从初始的55 mPa·s左右增至300数2500 mPa·s以上，且稳定性较好，强度达到调驱剂的要求。

聚合物不仅改善了聚合物耐盐性差的缺点，且増黏后的聚合物具有较好的黏弹性和一定的流动性，同时具有调剖和驱油的双重作用。注入0.3 PV的3000 mg/L 自增稠聚合物YMZC 溶液对渗透率1 μm2的填砂管岩心的封堵率可以达到95%以上，提高采收率13.3%，能对非均质地层起到较好的调驱作用。盐敏自增稠聚合物有望实现对海上高温、高盐稠油油藏的调驱。