注聚井堵塞动态过程研究

陈 磊，赵 健，申金伟，郭布民，李 梦，鲍文辉

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

渤海SZ36-1 油田于2003 年开始注聚，随着注聚时间的增加，越来越多的注聚井出现欠注或注入压力高的问题。通过现场堵塞物成分分析，堵塞物主要为聚合胶团、原油、无机垢、黏土矿物、机械杂质以及各种金属离子等[1，2]。有研究者对SZ36-1 油田注聚井堵塞机理进行了研究[3，4]，储层胶结疏松导致微粒易运移、聚合物的吸附与滞留、注水水质不达标、聚合物鱼眼或胶团等相互作用形成复合堵塞[4-10]。目前对堵塞机理的研究以静态和单因素分析为主，而在注聚井中堵塞物是在动态注入过程中形成。为了研究注聚井堵塞形成的动态过程，分析了注聚井堵塞原因，通过长填砂管驱替模拟了注聚井堵塞动态变化过程。

1 实验

1.1 仪器与材料

材料：去离子水，自制；氯化钙（CaCl2）、六水合氯化镁（MgCl2·6H2O），分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；SZ36-1 现场聚合物干粉，SZ36-1 油田现场的注入水，SZ36-1 油田脱水原油，现场提供。

仪器：Nano ZS 马尔文激光粒度，马尔文仪器有限公司；DHZ-50-180 型化学驱模拟实验装置，南通华兴石油仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物溶液水力学直径的测量 使用Nano ZS马尔文激光粒度仪测量聚合物溶液中胶束的水力学直径。

1.2.2 聚合物吸附滞留伤害 本实验通过测试其岩心损害率来探讨聚合物在岩心中的吸附滞留带来的伤害。采用岩心（50 mm×φ25.4 mm），注入速度1 mL/min，先测定水相渗透率k0，然后注入聚合物溶液，直到压力稳定，最后注水测定注聚后的水相渗透率k1，计算岩心损害率。岩心损害率公式为：

其中：η-岩心损害率，%；k0-岩心的初始水相渗透率，10-3μm2；k1-岩心吸附聚合物后的水相渗透率，10-3μm2。

1.2.3 聚合物堵塞动态模拟实验 采用目数为40 目的石英砂填充填砂管模拟储层岩石。使用有多个测压点填砂管，通过压力传递过程来表征聚合物堵塞动态过程，测压点的位置（见图1）。

图1 填砂管测压点示意图（从左向右注入）

实验步骤：

（1）以1 mL/min 向填砂管中注入地层水，记录注入端压力；

（2）以1 mL/min 向填砂管中注入渤海现场油样，对填砂管进行饱和原油；

（3）以1 mL/min 注入模拟注入水进行水驱，直到含水率达到98 %以上；

（4）将浓度为5 000 mg/L 聚合物和地层水混合注入，模拟矿场注入过程；

（5）后续水驱，直到压力稳定，根据各个测压点变化，研究堵塞过程。

2 结果与讨论

2.1 注聚井堵塞原因分析

2.1.1 聚合物配制的影响 聚合物溶液配制及稀释过程中未溶解好的“鱼眼”及高聚溶液注入井内造成近井及炮眼周围油层孔隙堵塞，引起注入困难。

2.1.1.1 聚合物配制过程中熟化不好 渤海油田使用的聚合物干粉粒度及相对分子质量存在差异，溶解过程中，相对分子质量低、分散好的小颗粒溶解的快；而相对分子质量高、颗粒大的溶解较慢，容易形成“鱼眼”和软胶团。在过滤精度有限的情况下，这些物质随着熟化好的聚合物溶液一起进入井内，造成近井及炮眼堵塞。

2.1.1.2 聚合物溶液稀释不均匀 渤海油田现场注聚使用熟化的高浓度聚合物母液（5 000 mg/L）和注入水在管线中直接混合成低浓度聚合物溶液后注入，实际操作中，由于混合不均匀，管线内会出现浓度很高的聚合物溶液（近似胶状物）并被直接注入地层，造成堵塞[2]。

2.1.2 注入水对聚合物溶液的影响 SZ36-1 油田注入水矿化度约为7 700 mg/L，其中钙、镁离子含量分别为80 mg/L、230 mg/L。为了探究注入水高价阳离子对聚合物分子水力学直径的影响，使用马尔文激光粒度分析仪测定了不同Ca2+、Mg2+二价离子浓度下聚合物溶液的水力学直径，结果（见图2）。

从图2 中可以看到，钙、镁离子的增加导致溶液中聚合物水力学的直径增加，钙离子的影响大于镁离子的影响。钙镁离子对溶液中的聚合物影响主要有两个方面：一方面是SZ36-1 油田使用的聚合物为阴离子型，在水溶液聚合物分子链上的阴离子存在静电斥力，使分子链更加舒展。而当钙镁离子存在时，屏蔽了分子链上的阴离子，造成分子链卷曲；另一方面，钙镁离子属于二价阳离子，可以在分子链间通过静电引力作用造成聚合物分子交联，随着钙镁离子浓度增大，交联作用越明显，聚合物水力学直径越大。聚合物水力学直径越大，越容易在岩石孔喉处捕集，造成储层堵塞。

图2 离子浓度对胶团水力学直径的影响

2.1.3 聚合物吸附滞留伤害 在聚合物大分子通过孔隙介质时，一方面由于聚合物电荷作用吸附岩石表面，另一方面超过孔喉半径的大分子将被留在孔隙介质中，两方面作用使岩心的渗透率和孔隙度降低。故而本实验通过测试不同渗透率岩心损害率来表征聚合物吸附滞留造成的伤害，实验结果（见表1）。

从表1 可以看出，当岩心渗透率越低，经聚合物驱后，岩心损害率越大，越容易造成堵塞。在聚合物溶液注入速度一定时，动态吸附滞留的机理主要是吸附和捕集作用。在渗透率低的岩心中，不可入孔隙体积较大，吸附表面积较小，吸附量较低。但低渗透率岩心孔喉半径小，机械捕集量大，所以在低渗岩心中，伤害主要来自聚合物分子捕集。随着渗透率的增加，不可入孔隙体积减小，吸附表面增加，吸附量增加，机械捕集量减少（由于孔喉半径增加），因而在高渗岩心中，伤害主要来自聚合物吸附。所以，储层岩石孔隙结构对聚合物吸附和机械捕集有很大影响，而聚合物的机械捕集是造成注聚井堵塞的主要原因。

2.2 堵塞动态过程

基于之前的研究，发现地层水、注入水、聚合物等的相互作用十分复杂，因此形成的堵塞物成分复杂。为了研究聚合物垢在地层中的分布规律，以长填砂管为模型，先饱和原油，再将注入水：聚合溶液=2：1 比例使用旋转搅拌器，边搅拌边注入，记录各个测压点的压力变化，探究堵塞动态变化规律。

驱替分为四个阶段，分别为水驱油阶段；聚合物/地层水混合驱；填砂管两端封闭65 ℃老化24 h；后续水驱阶段，各阶段的压力曲线（见图3）。

在水驱油阶段，P1的压力上升至约0.4 MPa，随着原油的采出，含水率增加，填砂管中形成水流通道，注入压力开始降低。而其他压力点的压力变化小，说明水驱油存在黏性指进，驱油的压力主要存在注入端，水驱前缘突破后，压力迅速降低，所以在其他测压点压力变化小。

聚合物/注入水混合驱阶段，P1注入端压力快速上升至约9.5 MPa，由于注入的聚合物溶液从前至后依次流经各个测压点，因此P1压力先上升其他测压点的压力再依次上升，P1、P2、P3的压力远高于P4、P5的压力，说明产生的堵塞物主要集中在中前端。另外可以明显的观察到，五条压力曲线都出现了明显的波动，说明堵塞物是在不断运移过程中形成。

从整体压力的变化来看，在P3和P4两个测压点之间存在明显的压力降落，在该段消耗的压差最大，说明该段渗透率最低，形成了主要的堵塞区域。在注入端由于压力较大，聚合物大分子胶团形成的柔性堵塞物可以变形、挤入孔隙，向后运移。或受挤变形进入窄孔喉和出口狭窄的大孔滞留在岩心中形成堵塞。对于向后运移的柔性堵塞物，不断和原油、无机晶体相互包裹，堵塞物变大，并且随着运移距离的增加，较大的堵塞物无法受挤变形通过孔隙，从而形成堵塞。从驱替的结果来看，形成的堵塞物主要被运移到了P3和P4的测压点之间并滞留，该位置为聚合物垢的主要堵塞区域。

表1 岩心损害率数据

图3 注入压力随注入体积的变化曲线

在后续水驱过程中，五个测压点的压力都逐渐降低，且压力曲线的抖动幅度也逐渐减小，最终压力P1、P2、P3远高于P4、P5。后续水驱聚合物溶液被推向填砂管后端，并被带出，导致压力降低。在填砂管中形成的胶团堵塞物堵塞在孔隙中难以向后进一步运移，形成堵塞，所以在水驱结束时，P1、P2、P3仍保持较高的压力，说明形成胶团堵塞物主要集中在中前端。而P4、P5压力较低，是因为经过后续水驱的大量冲刷，大部分聚合物被冲刷出来，少量聚合物在孔隙中的吸附滞留是造成堵塞的主要原因。驱替结束后，对填砂管拆解的过程中发现形成了具有一定弹性的胶状堵塞物，这证明了聚合物/注入水、砂粒的相互作用形成了堵塞物。

3 结论

（1）聚合物配制过程中产生的鱼眼、混合不均匀，注入水中高价金属离子造成聚合物分子交联，聚合物在孔隙中的吸附滞留均是造成注聚井堵塞的原因。

（2）在注聚及后续水驱过程中，在填砂管中前端，聚合物/注入水、砂粒、原油的相互作用形成的堵塞物，造成严重堵塞，注入压力高；而在中后端，堵塞主要来自聚合物在孔隙中的吸附滞留。