抗盐聚合物驱污水回注对油层的伤害研究

黄斌，黄立凯，傅程，赵晶，丁畅，张庭玮

抗盐聚合物驱污水回注对油层的伤害研究

黄斌1,2，黄立凯1，傅程1,2，赵晶3，丁畅1，张庭玮1

（1. 东北石油大学 石油工程学院, 黑龙江 大庆 163318； 2. 大庆油田博士后科研工作站, 黑龙江 大庆 163458； 3. 大庆油田有限责任公司 第一采油厂试验大队,黑龙江 大庆 163000）

采用14种不同水质污水进行了室内流动性实验，利用岩心的渗透率损失率将各污水回注的伤害程度划分为低、中等、高。结果表明，影响岩心渗透率损失程度的因素排序为：悬浮物质量浓度>油质量浓度>抗盐聚合物质量浓度>普通聚合物质量浓度。残余抗盐聚合物质量浓度较高的污水具有更强的堵塞能力。针对空气渗透率为200 mD的岩心，低伤害程度回注的要求下，当悬浮物和油的质量浓度均为10 mg/L时，抗盐聚合物驱污水需控制聚合物质量浓度在200 mg/L以下，而普通聚合物驱污水需控制聚合物质量浓度在300 mg/L以下。研究结果对抗盐聚合物驱污水回注水质处理指标和油层保护具有积极作用。

抗盐聚合物； 污水回注； 渗透率损失； 伤害； 油层保护

在油田高含水阶段，大庆油田注入水主要来源于油田污水[1]。一方面，污水回注既减少了外排对环境造成的巨大污染，又能降低油田污水的处理成本。另一方面，油田污水的回注不仅为注水补充了水源，实现了资源的重复利用，还能够补充地层能量，具有较好的驱油效果[2⁃4]。

抗盐聚合物凭借其良好的抗盐性和抗剪切能力被广泛应用于大庆油田的开发中[5⁃7]。抗盐聚合物驱污水中的悬浮物、悬浮油滴和抗盐聚合物会降低油层的渗透率，对油层造成不可忽视的伤害[8⁃11]。因此，研究抗盐聚合物驱污水中各水质指标对油层的影响具有重要意义[12⁃13]。

针对空气渗透率为200 mD的岩心，本文设计了14种不同水质污水的室内流动性实验，分析了悬浮物质量浓度、油质量浓度、聚合物种类及质量浓度对岩心渗透率损失的影响，以渗透率损失率来评价各污水对岩心的堵塞情况，为抗盐聚合物驱污水处理达到回注要求和油层保护提供理论指导[14⁃16]。

1 实验部分

1.1 实验用水及岩心

实验选用大庆油田萨中开发区块中水质较差的聚驱污水，将各污水调至目标含聚质量浓度、油质量浓度、悬浮物质量浓度。根据大庆油田地层水资料配制地层水，其矿化度为6 770 mg/L。实验采用人造圆柱岩心，空气渗透率为200 mD。

1.2 实验仪器

Quanta 450FEG型扫描电子显微镜，北京源海威科技有限公司；LS⁃POP（9）激光粒度分析仪，珠海欧美克仪器有限公司；QA⁃CON⁃560型恒温箱，扬程仪器工业有限公司；2PB00C平流泵，北京卫星制造厂；ZR⁃2型高压活塞式中间容器，海安岩心石油仪器有限公司；Y⁃50Z压力表，红旗仪表有限公司；TY⁃2岩心夹持器，海安石油科研仪器有限公司；BS210S型电子天平，上海赛多利斯贸易有限公司。

1.3 驱替速度

在短岩心实验中，为达到水动力相似的目的，主要考虑克服驱替过程中毛管力的影响。为防止引起速敏效应，设置泵速为0.3 mL/min。

1.4 实验流程

（1）将岩心放入烘箱中烘24 h，设置温度为80 ℃，测量其干重、长度和直径，岩心抽真空12 h后，采用配制的地层水饱和12 h并称其湿重，计算孔隙体积；

（2）测量不同水质参数的污水在45 ℃时的黏度；

（3）实验装置如图1所示，按照图1的顺序将各实验装置连接起来，设定环压为5 MPa，泵速为0.3 mL/min，实验在45 ℃的恒温箱中进行；

（4）采用配制的地层水测量岩心的水测渗透率1；

（5）用筛选出的不同参数的污水驱替15 PV。待有液体流出时，每0.5 h记录一次时间、压力及出液量，注入量超过10 PV后，每1 h记录一次时间、压力及出液量；

（6）再次测量岩心的水测渗透率2，计算渗透率损失率，评价岩心被伤害的程度。

图1　室内流动性实验装置

实验采用岩心水测渗透率损失率来衡量岩心被各水质污水伤害的程度。计算式如式（1）所示：

式中，为岩心水测渗透率损失率，%；1为配制地层水的水测渗透率，mD；2为污水驱替后的水测渗透率，mD。

岩心水测渗透率损失率数值越大，表明岩心被抗盐聚合物驱污水伤害得越严重。通过石油行业油层伤害评价指标，定义注入水对油层伤害的程度，见表1。

表1　油层伤害评价

1.5 聚合物形态观测

采用Quanta 450FEG扫描电镜对抗盐聚合物驱污水中残余聚合物的形态进行观测，应用冷冻后升华的方法制备聚合物样品。在-84 ℃以下，将样品速冻成固态。真空且低于-53 ℃条件下，固态水分子直接升华成气态水分子，残余聚合物分子的形态和相对位置不受影响。

1.6 悬浮物粒径的测量

悬浮物粒径采用LS⁃POP（9）激光粒度仪进行测量。首先，打开仪器主机及计算机软件，打开循环泵，开机预热30 min，使激光输出功率达到稳定状态。再设定测试条件，向样品槽中缓慢加入蒸馏水直到遮光度小于4，将待测液缓慢加入至样品槽，使遮光度在5～20，设定测试次数为3，点击测试并保存测量结果。

1.7 岩心孔隙结构的测量

在恒定的速度下，实现向岩心孔喉的准静态进汞，岩心孔喉的直径及分布频率能够在进汞毛管力曲线上得到准确的反映。

2 结果与分析

2.1 悬浮物对岩心渗透率的影响

2.1.1悬浮物粒径分析 通过恒速压汞和悬浮物粒径测量，悬浮物质量浓度为60 mg/L的抗盐聚合物驱污水中悬浮物粒径与孔喉直径的关系如图2所示。

图2　悬浮物粒径与孔喉直径的关系

由图2结果可知，抗盐聚合物驱污水中的悬浮物粒径集中在0.200～3.200 μm，粒径中值为1.695 μm，岩心的孔隙直径中值为7.552 μm。国外学者J. H. Barkman等[17]提出的“1/3～1/7”定律目前被研究储层伤害和储层保护的学者普遍认可。该定律表明，当悬浮物粒径大于储层岩心孔喉的1/3时，悬浮物会在井筒壁面形成滤饼且无法进入储层深部，造成储层渗透率降低；当悬浮物粒径与储层岩心孔喉直径的比值为1/3～1/7时，悬浮物会进入储层在岩心孔隙和喉道内形成桥堵，深部污染区域使渗透率大幅降低；当悬浮物粒径小于储层岩心孔喉的1/7时，流体可携带悬浮物顺利流出，对储层伤害较轻。而污水中的悬浮物粒径与岩心孔喉直径的比例在1/4～1/5，根据“1/3～1/7”定律可知，悬浮物能够到达岩心深部，在孔隙内部滞留聚并堵塞有效流动通道，使油层渗透率降低。因此，抗盐聚合物驱污水回注需严格控制悬浮物质量浓度，否则会堵塞油层。

2.1.2悬浮物质量浓度对渗透率的影响 当油质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L时，悬浮物粒径中值为1.695 μm的抗盐聚合物驱污水中不同悬浮物质量浓度与渗透率损失率的关系如图3所示。

图3　悬浮物质量浓度与渗透率损失率的关系

由图3可知，悬浮物质量浓度为10、15、30、60 mg/L且注水量达到15 PV时，岩心的渗透率损失率分别为20.56%、27.15%、42.82%、60.95%，对岩心伤害的程度分别为低、低、中等、高。悬浮物质量浓度为30、60 mg/L时，污水造成岩心渗透率损失的幅度明显大于较低悬浮物质量浓度的污水，这是由于悬浮物质量浓度过高，各类悬浮物在岩心孔隙内滞留并不断聚集，对油层造成污染，堵塞注水通道，使油层渗透率损失严重[18]。因此，需要合理处理污水中的悬浮物质量浓度，使其达到回注的要求。针对空气渗透率为200 mD的油层，油质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L的污水，需控制悬浮物质量浓度在15 mg/L以下，才能保证回注对油层伤害程度为低。

2.2 油质量浓度对岩心渗透率的影响

悬浮物质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L时，不同油质量浓度的抗盐聚合物驱污水与渗透率的关系如图4所示。

图4　油质量浓度与渗透率损失率的关系

由图4可知，当油质量浓度为10、20、30、60 mg/L且注水量达到15 PV时，岩心的渗透率损失率分别为20.56%、28.24%、36.26%、50.14%，对岩心伤害的程度分别为低、低、中等、高。注入量为3 PV时，油质量浓度高的污水造成了岩心渗透率的大幅降低。随着注入压力的增大，悬浮油滴能够凭借自身的变形进入大尺寸喉道，造成流动阻力的增大。另外，悬浮油滴受到的重力、范德华力、静电力等作用力，使其能够与悬浮物相黏合吸附在孔隙内部，造成有效流动路径减少，使油层的吸水量大幅度下降，对岩心形成不易恢复的伤害[19]。因此，抗盐聚合物驱污水回注需关注体系内多相油对油层的影响。针对空气渗透率为200 mD的油层，悬浮物质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L的污水，要使回注对油层伤害程度最低，需控制油质量浓度在20 mg/L以下。

2.3 聚合物对岩心渗透率的影响

2.3.1聚合物分子形态分析 通过扫描电镜对污水中残余聚合物分子形态进行观察，结果如图5所示。

图5　残余聚合物分子形态

由图5可以发现，残余抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L时，聚合物分子呈不规则分布，未形成规律的网格骨架形态，没有表现出分子间相互交联，相互缠绕的特征。当残余抗盐聚合物质量浓度为200、400 mg/L时，聚合物分子相互聚集，显现出贯穿和缠绕的现象。对比图5中的（b）和（c），聚合物质量浓度400 mg/L的污水中的聚合物分子甚至形成了显著的三维立体网格骨架结构，相较于质量浓度200 mg/L的抗盐聚合物，网格形态展现出更加致密和规律的特性。对比图5中的（c）和（d），由于其超长的分子链相互缠绕、交联，抗盐聚合物在微观上形成了网状聚集体，可以吸附周围的水分子表现出较大的形变阻力，在宏观上达到增黏增稠的效果。其良好的耐盐能力减弱了地层对聚合物的化学降解和机械降解。因此，高抗盐聚合物质量浓度的污水黏度较高，抗盐聚合物容易吸附在孔隙内，其回注往往会对油层造成不可逆转的伤害。

2.3.2聚合物质量浓度对渗透率的影响 当悬浮物和油的质量浓度均为10 mg/L时，不同抗盐聚合物质量浓度的污水与渗透率的关系如图6所示。

图6　抗盐聚合物浓度与渗透率损失率的关系

由图6可知，当抗盐聚合物质量浓度为100、200、300、400 mg/L且注水量达到15 PV时，岩心的渗透率损失率分别为20.56%、26.32%、33.72%、44.24%，对岩心伤害的程度分别为低、低、中等、高。较低质量浓度时，由于残余抗盐聚合物分子未形成规律的网格结构，分子聚集、缠绕不明显，故岩心的渗透率没有显著下降。高质量浓度时，岩心渗透率迅速下降是由于聚合物以短纤维状吸附在岩心孔隙中，降低了有效孔隙半径，堵塞了岩心深部[20]。因此，需要特别关注高抗盐聚合物质量浓度的污水指标。

2.3.3聚合物种类对渗透率的影响 当悬浮物和油的质量浓度均为10 mg/L时，普通聚合物驱污水和抗盐聚合物驱污水对岩心渗透率的影响如图7所示。

由图7可知，聚合物质量浓度为100、200、300、400 mg/L且注水量达到15 PV时，注入普聚污水对岩心的渗透率损失率分别为19.02%、23.65%、28.09%、35.58%，对岩心伤害的程度分别为低、低、低、中等。相较于普聚污水，注入抗盐聚合物驱污水对岩心的渗透率损失率分别增加了1.54%、2.67%、2.63%、8.66%，这是由于抗盐聚合物驱污水中残余的高质量浓度抗盐聚合物分子相互缠绕、交联，形成了更为致密、显著的三维立体网格骨架结构。另外，抗盐聚合物在驱替时受高矿化度地层的降解程度较低，使抗盐聚驱污水保持较高的残余黏度。高聚合物质量浓度下，抗盐聚合物较普通聚合物对水分子具有更强的束缚能力，使储层吸水量大幅减少，增加后续解堵施工的难度。因此，在污水回注过程中，不同聚合物种类的污水对油层的伤害程度各不相同，抗盐聚合物较普通聚合物对油层的伤害更大。空气渗透率为200 mD的油层，当悬浮物和油的质量浓度均为10 mg/L时，抗盐聚合物驱污水需控制聚合物质量浓度在200 mg/L以下，而普通聚合物驱污水仅需控制聚合物质量浓度在300 mg/L以下，就能保证回注对油层伤害程度为低。

3 结 论

（1）污水中的残余抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L时，聚合物分子聚集形态较为破损，未表现出缠绕、交联的特征。残余聚合物质量浓度为400 mg/L时，抗盐聚合物分子相较于普通聚合物形成了更为致密、显著的三维网格骨架。

（2）岩心流动性实验中，通过岩心的渗透率损失率评价了各污水对岩心的伤害程度，除悬浮物粒径外，影响岩心渗透率损失程度的因素排序为：悬浮物质量浓度>油质量浓度>抗盐聚合物质量浓度>普通聚合物质量浓度。由于高浓度抗盐聚合物分子具有致密的网格结构，其污水具有更强的堵塞能力。

（3）针对空气渗透率为200 mD的油层，为控制回注污水对岩心的伤害程度较低，油质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L的污水，需控制悬浮物质量浓度在15 mg/L以下；悬浮物质量浓度为10 mg/L且抗盐聚合物质量浓度为100 mg/L的污水，需控制油质量浓度在20 mg/L以下；悬浮物质量浓度为10 mg/L且油质量浓度为10 mg/L时，抗盐聚合物驱污水需控制聚合物质量浓度在200 mg/L以下，而普通聚合物驱污水需控制聚合物质量浓度在300 mg/L以下。

图7　聚合物种类与渗透率损失率的关系

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Study on the Damage of Salt⁃Resistant Polymer Flooding Sewage Reinjection to Reservoir

Huang Bin1,2， Huang Likai1， Fu Cheng1,2， Zhao Jing3， Ding Chang1， Zhang Tingwei1

（1. College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing Heilongjiang 163318，China； 2. Post⁃Doctoral Scientific Research Station， Daqing Oilfield Company， Daqing Heilongjiang 163458，China； 3. Experimental Team of No.1 Oil Production Plant in Daqing Oilfield， Daqing Heilongjiang 163000，China）

14 kinds of sewage with different water quality were used for the indoor fluidity experiments. The adverse impact degree of different sewage to the cores was classified into high, middle and low, according to the the permeability loss rate. The results show that the factors affecting the permeability loss degree of cores are as followes: suspended sediment concentration > oil content > salt⁃resistant polymer concentration > common polymer concentration. Sewage with higher residual salt⁃resistant polymer concentration has strong plugging capacity. For the cores with air permeability of 200 mD, when suspended sediment concentration is 10 mg/L and oil content is 10 mg/L, the polymer concentration of salt⁃resistant polymer flooding sewage should be controlled below 200 mg/L, while the polymer concentration of common polymer flooding sewage should be controlled below 300 mg/L, in order to ensure the low degree of the damage to reservoir caused by sewage reinjection, The results of this work has a positive effect on the reservoir protection and water quality index of salt⁃resistant polymer flooding sewage reinjection.

Salt⁃resistant polymer； Sewage reinjection； Permeability loss； Damage； Reservoir protection

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2021.04.006

1006⁃396X（2021）04⁃0033⁃06

http://journal.lnpu.edu.cn

2021⁃03⁃19

2021⁃04⁃14

国家自然科学基金资助（51974088）。

黄斌（1982⁃），男，博士，教授，博士生导师，从事油田采出水处理方面研究；E⁃mail：huang_bin_111@163.com。

傅程（1981⁃），女，博士，教授，从事油田提高采收率方面研究；E⁃mail：cheng_fu111@163.com。

（编辑 王亚新）