河南油田注聚井聚合物堵塞机理及防治技术

付美龙，张志远，侯宝峰，王杰，鲜若琨

长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100

近年来，国内外注聚井堵塞原因研究已经取得一定的认识。SHAW等[1]在评价Taber South油田聚合物驱(以下简称聚驱)效果时发现，聚合物熟化不好造成的“鱼眼”等不溶胶团对近井地带会造成一定堵塞，严重影响聚驱效果；郑俊德等[2]对现场返排物进行分析判断，也得出了类似结论；唐洪明等[3]研究了静态条件下部分水解聚丙烯酰胺溶液在大庆油田聚驱岩石上的吸附规律，结果表明，聚合物在黏土矿物上的吸附量是在岩石骨架上的4～10倍，对流体流动造成阻力从而堵塞地层；朱贵宝[4]对北二西聚驱油层进行数值模拟研究，对于注采井距为250m的开发区块，聚合物溶液的滞留主要集中在前40m，且前20m以内的滞留最突出；曾明友[5]结合SZ36-1-A07扩大井组的注采动态资料,采用注采动态数据拟合法推算出注聚井堵塞主要发生在近井地带，SZ36-1-A07井组350m井距，在距离注入井60m以内的压力梯度变化最大。由此可以得出聚合物的滞留主要集中在距离注聚井60m以内。以上堵塞因素研究多集中在对药剂本身的评价分析，关于堵塞位置的结论都是通过数值模拟和注采动态数据拟合推算而出，而鲜有对注聚井堵塞原因的系统分析研究。为此，笔者以河南油田聚驱储层地质特征和流体性质为基础[6-10]，辅助以扫描电镜(SEM)为研究手段，开展了地层堵塞机理等方面研究；采用平面径向流模型进行注聚合物地层堵塞位置的研究，得出平板模型1/8处堵塞情况最严重；研制了一种聚合物防吸附体系，并对该防吸附剂的现场施工注入参数进行优化。这对油田后续现场施工及动态调整具有重要指导意义，同时也可为河南油田提高聚驱技术应用效果提供理论支持。

1 试验部分

1.1 试验材料

根据储层对应渗透率范围选取表1所示天然岩心进行试验。

表1 试验选用岩心基础数据

试验所用主要器材：平面二维模拟评价实验装置(海安县石油科研仪器有限公司)、2PB00C平流泵(北京卫星制造厂)、SU9000场发射扫描电子显微镜(日立)、高速冷冻离心机(浙江纳德科学仪器有限公司)、DSA25S接触角测量仪(上海尔迪仪器科技有限公司)、平板填砂模型、长石粉、方解石粉、石英砂。

1.2 试验方法

1.2.1 堵塞位置的试验测定——平面径向流试验法

采用平板填砂模型模拟地层，图1是平面径向流试验的流程图，模型长500mm、宽250mm、厚18mm。将模型平分为4块，以出口4区域为试验区域。实测平板模型渗透率213mD，符合实际地层条件。通过分析压力变化规律来确定聚合物溶液发生堵塞的位置。试验步骤如下：①用140目石英砂填制平板模型，保证填制过程中充分压实填满；②用地层水以0.4mL/min速度饱和平板模型并测试模型渗透率等数据；③向平板模型中以0.4mL/min速度注聚合物溶液至0.6PV；④以0.4mL/min速度后续水驱，记录后续水驱过程中压力变化[5]。

图1 平面径向流试验流程图Fig.1 Flow chart of plane radial flow test

1.2.2 高低渗岩心驱替试验及电镜扫描(SEM)

首先水测岩心渗透率、孔隙度和孔隙体积等基本数据；待水驱压力稳定之后，以一定的速度注入一定量的聚合物溶液；注聚之后进行后续水驱，直至采出液端聚合物质量浓度检测为零为止；对注聚岩心沿流体流动方向进行切片，将0～1/8处、1/8～1/4处、1/4～1/2处、1/2～3/4处、3/4处～尾端岩心切片进行冷冻干燥，随后对其表面的微观形貌以SU9000型日立扫描电子显微镜进行SEM扫描分析具体滞留位置。

1.2.3 聚合物静态吸附量的确定

1)80mL蓝盖瓶中加入20g 20～40目的石英砂或天然岩心砂。加入聚合物摇匀后放入恒温振荡仪中振荡24h，试验温度为模拟双河油田北块Ⅳ1-3区块地层温度79.6℃。

2)按照淀粉-碘化镉比色法测量聚合物原液和离心后聚合物溶液的浓度并计算静态吸附量[11]。

3)聚合物在岩心中的静态吸附量计算公式如下：

式中：A为吸附量，mg/g；V为吸附的溶液体积，mL；M为吸附岩心砂的质量，g；C0为聚合物初始质量浓度，mg/L；C为离心后溶液中聚合物的质量浓度，mg/L。

1.2.4 聚合物动态吸附滞留量的确定

1)以一定的速度注入地层水，测定岩心的基本数据包括渗透率、孔隙度和孔隙体积等。

2)以0.1mL/min的流速注入0.6PV的聚合物溶液，每隔一段时间收集聚合物采出样，采用淀粉-碘化镉比色法测定收集液中聚合物的质量浓度。

3)随后转注水至采出端聚合物质量浓度为零。

4)聚合物在岩心中的动态吸附滞留量计算公式如下：

式中：Ar为聚合物动态滞留量，mg/g；C0为聚合物的原始质量浓度，mg/L；Vf为聚合物溶液的注入体积，mL；Ci、Vi分别代表第i个聚合物采出样中的质量浓度和体积，mg/L和mL；n为采出样的总数量；W为岩心干重，g。

1.2.5 防吸附剂处理后的石英接触角测定

分别配制质量分数为0.25%、0.5%、1%、2%的防吸附剂(代号5807)溶液，将石英片和防吸附剂(代号5807)溶液一同放入蓝盖瓶中，在50℃条件下浸泡48h。每隔1h同时取出一片石英片用躺滴法测定接触角。首先将石英片固定在观测台，随后使用注射器将4滴1μL左右的模拟地层水滴于石英片上表面作为平行试验，以获得接触角的平均值。由于存在润湿滞后现象，故将水滴于石英片上方后，静置30min再测定其接触角。

2 聚合物堵塞位置确定

2.1 聚合物质量浓度对聚合物注入性能的影响

图2是聚合物浓度对聚合物注入性能的影响曲线，选用气测渗透率相近的6～10号岩心以0.5mL/min速度注入聚合物。结果表明，在相同质量浓度下随聚合物溶液的注入，注入压力先不断上升，后渐渐趋于稳定；当聚合物质量浓度增大时，注入压力又继续增大并重新达到稳定。这是因为注入液浓度的变化改变了原有的平衡稳定状态，浓度增大，分子缠结机率增加，致使聚合物分子的吸附滞留量增大，宏观上表现为注入压力上升，当新的平衡建立时压力也趋于稳定[12，13]。由此可以表明，注入阻力越大，注入压力越高。实际注聚过程中在堵塞最严重处注入阻力最大，所以注入压力也应最高。

图2 聚合物质量浓度对聚合物注入性能的影响 Fig.2 The influence of polymer concentration on polymer injection performance

2.2 平面径向流模型试验结果

考虑到流动相似性，试验选取平板模型以五点法模拟现场渗流方式。图3为平面径向流压力传播曲线图，可以看出，在一次水驱时入口压力仅上升至0.0125MPa即达到平衡，且入口压力为最高压力，可以看出平板模型渗透性能良好；注聚过程中入口压力首先上升，且整个注聚过程压力攀升至0.07MPa，其余测压点均匀上升且幅度不大；后续水驱过程所有测压点上升趋势相同，且上升迅速，可以看出聚合物在模型内部产生堵塞。测压点1压力上升最为明显，且上升至0.15MPa达到平衡；测压点2与测压点3压力上升幅度相同且同时在0.105MPa达到平衡；测压点4与测压点5距离测压点1较远，压力上升幅度最小。后续水驱时测压点1压力上升幅度最大，此时的平衡压力远高于一次水驱时的平衡压力，且远高于后续水驱其他测压点的平衡压力，由注入阻力越大处注入压力越高可以判断出堵塞位置为测压点1附近，相当于注采井间距1/8靠近注入井处，即注入井近井地带。该径向流试验结果与实际矿场结果堵塞半径为3～5m比较符合。

图3 平面径向流压力传播曲线图 Fig.3 Pressure propagation curve of plane radial flow

3 聚合物堵塞因素和防吸附机理

3.1 高低渗岩心SEM扫描结果对比

图4(a)为聚合物在高渗岩心(11号岩心)的微观堵塞形貌。由图4(a)可知，高渗透岩心0～1/4处表面吸附一定量的聚合物，1/8～1/4处吸附量较大，放大到地层中对应为近井地带，与平面径向流试验结果相符。由于岩心孔喉半径大导致聚合物的捕集量较小，相比于0～1/4处的岩心表面，1/4～1/2处、1/2～3/4处及3/4处～尾端的岩心表面吸附的聚合物都比较少，聚合物滞留现象轻微。由此可知，对于高渗岩心来讲，聚合物在驱替时发生的堵塞主要是由吸附导致的。

图4 聚合物在高低渗岩心的微观堵塞形貌 Fig.4 Microscopic plugging morphology of polymer in high and low permeability cores

图4(b)为聚合物在低渗岩心(2号岩心)的微观堵塞形貌。由图4(b)可知，低渗岩心由于孔隙很小，聚合物的不可入孔隙体积(IPV)较大；在0～1/4处聚合物的机械捕集量较大，聚合物的吸附量较低；在1/2处～尾端，聚合物的机械捕集和吸附都较低[14-16]。由此可知低渗岩心在聚驱时的堵塞主要是由机械捕集导致的。由于河南油田平均渗透率为502mD，属于高渗储层，因此可以确定主要堵塞因素为吸附。

3.2 防聚合物吸附机理

针对河南油田主要堵塞因素为吸附，笔者研制了一种硅烷偶联剂防吸附剂(代号5807)，主剂为正辛基三乙氧基硅烷，助剂有酸性催化剂和醇类助溶剂。防吸附剂对砂岩表面的疏水改性机理示意图如图5所示，防吸附剂注入后首先水解生成羟基化合物，该羟基化合物与砂岩表面的硅羟基发生醚化反应，生成- -Si- -O- -Si- -基团，同时使得防吸附剂的疏水链裸露在外面，从而使得砂岩表面被改性成疏水表面，进而降低聚合物的吸附量。这种防吸附剂是化学反应型防吸附剂，大大提高防吸附有效期，同时验证河南油田主要堵塞因素为吸附。

图5 防吸附剂对砂岩表面的疏水改性机理示意图Fig.5 Schematic diagram of hydrophobic modification mechanism of anti-adsorbent on sandstone surface

4 不同因素对聚合物静态吸附的影响

4.1 聚合物质量浓度对聚合物吸附的影响

配制不同质量浓度的聚合物溶液，考察聚合物HPAM(相对分子质量2836万)在50～2200mg/L时对吸附的影响规律。按照淀粉-碘化镉比色法测量聚合物原液和离心后聚合物溶液的质量浓度并计算静态吸附量(试验温度79.6℃)，结果见图6。

图6 聚合物质量浓度对聚合物吸附影响规律图 Fig.6 Graph of the influence of polymer concentration on polymer adsorption

从图6中可以看出，低质量浓度时，吸附量随聚合物质量浓度的增加迅速上升，而后逐渐趋于稳定，该变化具有典型的朗格谬尔型吸附曲线特点。分析这一变化，原因在于聚合物处于低质量浓度时，岩石对聚合物吸附尚未饱和，表面未被聚合物分子占满，吸附量就随聚合物质量浓度上升较快，但随聚合物质量浓度进一步增加，吸附趋于饱和后吸附量增加就较缓慢。从吸附等温线的变化规律还可推测，聚丙烯酰胺在岩心砂上的吸附以化学作用为主，即是单分子层吸附。

4.2 聚合物相对分子质量对聚合物吸附的影响

考察聚合物相对分子质量分别为2836万和1500万时对聚合物吸附的影响规律，试验温度79.6℃，按照淀粉-碘化镉比色法测量聚合物原液和吸附后聚合物溶液的质量浓度并计算静态吸附量，结果如表2所示。

表2 不同相对分子质量聚合物在相同质量浓度下的静态吸附情况

从表2中可以看出，相对分子质量不同的聚合物，其在吸附剂上的单位质量吸附量也不同，相对分子质量2836万聚合物的吸附量比相对分子质量1500万的聚合物要小。同时，相对分子质量1500万的聚合物和相对分子质量2836万聚合物均在质量浓度约 800mg/L时达到最大吸附量，之后，随着质量浓度增加，吸附量有所下降，下降原因可能是相对分子质量不同，聚合物溶液质量浓度增大时，增加了分子间的缠绕机会，使吸附剂上吸附点数减少，导致质量浓度较高时吸附量下降。

4.3 矿化度对聚合物吸附的影响

考察了矿化度分别为8500mg/L和3765mg/L的模拟地层水配制聚合物溶液时对聚合物吸附的影响规律，试验温度79.6℃，方法同上，结果如表3所示。

表3 不同矿化度地层水配制聚合物溶液对聚合物静态吸附的影响

从表3中可看出，当矿化度增加，聚合物的吸附量也升高，这主要是因为加入无机盐后，平衡了聚合物分子的负电荷，减少了它与岩石表面的斥力，并使聚合物分子的有效体积缩小，从而使岩石单位面积上可吸附聚合物分子数目增多。所以矿化度越高的聚合物溶液吸附性越强。

4.4 温度对聚合物吸附的影响

考察了在水浴温度分别为 30、40、79.6 ℃时天然岩心砂对聚合物吸附的影响规律，方法同上，结果如表4所示。

表4 不同温度下天然岩心砂对聚合物吸附的影响

从表4中可以看出，在温度分别为 30、40和79.6 ℃下聚合物的单位质量吸附量随温度的升高而降低，分析认为：当水浴温度升高，聚合物溶解度增大，致使聚合物吸附量减少；温度的升高，加快了离子基团的热运动，多分子吸附层在岩层的解吸附作用加剧，最终导致聚合物在岩心砂上的吸附量减少；吸附过程为放热过程，温度的升高使得吸附变得困难，吸附量减少；在近井地带，温度变化明显且温度较低，聚合物易被地层吸附。

5 聚合物防吸附剂注入参数优化

考察了质量浓度、矿化度、注入体积、处理时间及注入方式对防聚合物吸附剂注入性能的影响规律，旨在为聚合物防吸附剂现场施工提供理论依据。试验中采出液均从后续水驱开始以5mL/次收集至总量达到10PV，而后进行采出液聚合物质量浓度测定。

5.1 防吸附剂质量分数

表5为不同质量分数5807对水湿性砂岩表面润湿性的影响。由表5可以看出，防吸附剂5807最终将强水湿性砂岩表面改变成弱疏水状态，并且在0.5%时转变速度最快，而且接触角最高达到106°，砂岩表面的润湿性得到了反转，进而降低聚合物吸附量。因此，最优防吸附剂质量分数为0.5%。

表5 不同质量分数防吸附剂5807对水湿性砂岩表面润湿性的影响

5.2 矿化度

在pH=3、温度79.6℃、岩心渗透率450.3mD(12号岩心)、防吸附剂质量分数0.5%、防吸附剂注入0.6PV、处理时间12h、聚合物注入速度0.5mL/min的条件下，考察矿化度对防吸附剂性能的影响，结果如图7和表6所示。

图7 不同流体矿化度对采出液聚合物质量浓度的影响及对防吸附剂性能的影响Fig.7 The effect of different fluid salinity on the mass concentration of polymer produced liquid and the properties of anti-adsorbent

表6 矿化度对防吸附剂防吸附率的影响

可以看出，流体矿化度越高，聚合物的动态吸附量越大。无机电解质当中的反离子进入砂岩及聚合物表面扩散双电层中的吸附层，使得聚合物及砂岩表面的带电量降低，从而使得水溶液中的聚合物大分子链卷曲，砂岩表面与聚合物分子之间的静电排斥力降低，最终导致聚合物吸附量增加[17，18]。另外，由于该防吸附剂体系的耐盐性较好，不同矿化度对防吸附剂体系的防吸附率影响不大，且均保持在70%以上。

5.3 注入体积

在pH=3、温度80℃、岩心渗透率408.6mD(15号岩心)矿化度2500mg/L、防吸附剂质量分数0.5%、处理时间12h、聚合物注入速度0.5mL/min的条件下，考察注入防吸附剂的段塞大小对防吸附剂性能的影响，结果如图8和表7所示。可以看出，注入段塞体积越大，聚合物在岩石表面的动态吸附量越低，聚合物防吸附率越高。注入段塞体积越大，防吸附剂与岩石表面的接触距离和面积就会加大，防吸附剂与岩石表面基团的反应更加充分，从而有效降低了聚合物的吸附量。为确保处理剂能够有效地降低聚合物在岩石表面的吸附量及经济成本考虑，防吸附剂注入段塞体积为0.6PV。

图8 不同防吸附剂注入段塞大小下采出液聚合物质量浓度与流体注入体积的关系 Fig. 8 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-sorbent injection slug sizes

表7 防吸附剂注入段塞体积对防吸附率影响

5.4 防吸附剂处理时间

在pH=3、温度80℃、岩心渗透率376.7mD(16号岩心)、矿化度2500mg/L、防吸附剂注入段塞体积0.6PV、防吸附剂质量分数0.5%、聚合物注入速度0.5mL/min的条件下，考察不同防吸附剂处理时间对防吸附剂性能的影响，结果如图9和表8所示。

图9 不同防吸附剂处理时间下采出液聚合物质量浓度与流体注入体积的关系 Fig.9 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-adsorbent treatment time

表8 防吸附剂处理时间对防吸附率的影响

可以看出，防吸附剂处理时间越长，聚合物在岩石表面的动态吸附量越低，聚合物防吸附率越高。防吸附剂与地层岩石的作用时间越长，防吸附剂与岩石表面能够更加充分的反应生成疏水表面，进而降低聚合物在岩石表面的动态吸附量[19-22]。为确保处理剂能够有效地降低聚合物在岩石表面的吸附量，防吸附剂的处理时间应不低于12h。

5.5 防吸附剂注入方式

在pH=3、温度80℃、岩心渗透率286.12mD(5号岩心)、矿化度2500mg/L、防吸附剂注入段塞体积0.6PV、防吸附剂质量分数0.5%、聚合物注入速度0.5mL/min，处理时间12h的条件下，考察不同防吸附剂注入方式对防吸附剂性能的影响，结果如图10所示。由图10可知，当采用“0.4PV防吸附剂段塞+1PV清洗剂”组合的注入方式时，聚合物在岩石表面的动态吸附量较高；当采用“0.6PV防吸附剂段塞+2PV清洗剂”组合的注入方式时，聚合物在岩石表面的动态吸附量较低。其他2种注入方式所对应的聚合物动态吸附量介于上述2种注入方式之间，上述4种注入方式所对应的防吸附率均在70%以上。基于防吸附剂发挥性能和经济成本考量，最佳注入方式如下：顶替液+0.6PV防吸附剂段塞+1PV清洗剂。

图10 不同防吸附剂注入方式下采出液聚合物质量浓度与流体注入体积的关系Fig.10 The relationship between the polymer concentration of produced fluid and the PV number of fluid injected under different anti-sorbent injection methods

6 结论

1)聚合物驱注入阻力越大，即对应位置注入压力就越高。而且随着注入速度的增大，压力的增幅越大。在相同浓度下，随聚合物溶液的注入，注入压力先不断上升，后渐渐趋于稳定；当聚合物浓度增大时，注入压力又继续增大并重新达到稳定。

2)平面径向流物模试验更接近于实际油藏，其试验结果具有可参考价值。后续水驱测压点1压力上升幅度最大，平衡压力远高于一次水驱平衡压力，且远高于后续水驱其他测压点的平衡压力，可以判断堵塞位置为测压点1附近，即注入井近井地带。该结果与实际矿场结果比较相符。

3)对于高渗岩心，聚合物在驱替时发生的堵塞主要是由吸附引起的；低渗岩心聚合物在驱替时发生的堵塞主要是由机械捕集引起的。由于河南油田平均渗透率为502mD，属于高渗地层，因此主要堵塞因素为吸附堵塞。

4)静态吸附试验显示防吸附剂质量分数、聚合物相对分子质量、矿化度、温度均对聚合物吸附有不同程度影响。最优防吸附剂注入质量分数为0.5%；流体矿化度越高，聚合物的动态吸附量越大，但不同矿化度对防吸附剂体系的防吸附率影响不大；防吸附剂注入体积越大和处理时间越长，聚合物在岩石表面的动态吸附量越低，聚合物防吸附率越高，考虑实际处理效果和经济效益，最佳注入体积为0.6PV,处理时间为12h，防吸附率大于70%；最佳注入方式为顶替液+0.6PV防吸附剂段塞+1PV清洗剂。