呂金龍，王 威，盧祥國(guó)，王曉燕，張立東

（1. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；

2. 中國(guó)石油 吐哈油田分公司采油工程院，新疆 鄯善 838200）

吐哈雁木西油田為高鹽中低滲透油藏，注入水礦化度高達(dá)15.0×104mg/L，Ca2+和Mg2+含量超過(guò)7 000 mg/L，為高礦化度CaCl2型原生地層水。目前，雁木西油田主力層系綜合含水超過(guò)93%，采出程度低于20%，水驅(qū)優(yōu)勢(shì)方向以單向見(jiàn)效為主，平面上水驅(qū)方向強(qiáng)，層內(nèi)存在高滲條帶，波及體積小，“穩(wěn)油控水”形勢(shì)十分嚴(yán)峻，亟待采取可大幅提高采收率的技術(shù)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)油田開(kāi)發(fā)采出程度增大和含水率不斷升高，聚合物驅(qū)油技術(shù)已成為高含水油田提高采收率的重要措施之一［1-5］。由于雁木西油田注入水總礦化度及Ca2+和Mg2+含量較高，采用一般聚合物的熟化和分散效果并不理想，為達(dá)到預(yù)期增油降水效果，就必須確保聚合物溶液具有熟化效果好、與儲(chǔ)層間適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，否則聚合物滯留和液流轉(zhuǎn)向能力較差，聚合物驅(qū)難以取得較好效果［6-10］。國(guó)內(nèi)高鹽油藏聚合物調(diào)驅(qū)的應(yīng)用實(shí)例較少，只在新疆、華北和勝利等油田進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)性研究。雁木西油田苛刻的儲(chǔ)層地質(zhì)特征和流體性質(zhì)對(duì)化學(xué)劑調(diào)驅(qū)提出了更高的要求［11-13］。目前很少有在此類(lèi)高鹽油藏成功實(shí)施調(diào)驅(qū)的先例，為滿足雁木西油田提高采收率需求，需針對(duì)其地質(zhì)特點(diǎn)篩選出適合的聚合物調(diào)驅(qū)劑。

本工作將吐哈雁木西油田模擬注入水軟化后，分別配制了3 種抗鹽聚合物溶液和弱凝膠，利用黏度測(cè)試、流變測(cè)試、SEM 和核磁共振成像等方法分析對(duì)比了它們的性能，并利用驅(qū)替后的油水分布圖，研究了流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的端部效應(yīng)，評(píng)價(jià)了滲流特征及進(jìn)行了機(jī)理分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)選出適合該區(qū)塊的調(diào)驅(qū)劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

1#聚合物：超高分子量抗鹽聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量2 929×104，固含量89.89%（w），大慶華龍祥化工有限公司；2#聚合物：微交聯(lián)抗鹽聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1 200×104，固含量88%（w），山東諾爾生物科技有限公司；3#聚合物：抗鹽聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1 900×104，固含量90%（w），中國(guó)石油大慶煉化公司；弱凝膠交聯(lián)劑（m（3#聚合物）∶m（Cr3+）=180∶1）：實(shí)驗(yàn)室自制有機(jī)鉻，Cr3+含量1.52%（w）。

實(shí)驗(yàn)用水為雁木西油田模擬注入水和軟化水，軟化水是通過(guò)向注入水中添加氫氧化鈉-碳酸鈉消除鈣鎂離子而得到的水。注入水水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)巖心為石英砂環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)人造柱狀巖心［14-15］，幾何尺寸φ2.5 cm×10 cm。

表1 注入水水質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Water quality analysis of injected water

1.2 儀器

LVDV-Ⅱ+PRO 型布氏黏度儀：布魯克菲爾德公司；GJS-B12K 型變頻雙軸高速攪拌機(jī)：青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司；BI-200SM 型廣角動(dòng)/靜態(tài)光散射儀：布魯克海文公司；RS-150 型流變儀：哈克公司；HitachiS-3400N 型掃描電子顯微鏡：日立公司；MacroMr12-150H-I 型核磁共振分析儀：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1，實(shí)驗(yàn)溫度50 ℃。

1.3 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法

巖心抽空飽和地層水，注模擬水，記錄壓力；注聚合物溶液或弱凝膠4 ～5 PV，記錄壓力；注后續(xù)水（軟化水）4 ～5 PV，記錄壓力。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注入速度為0.3 mL/min，壓力記錄間隔為30 min。

1.4 測(cè)試與表征

抗剪切性：分別采用注入水和軟化水配制5 000 mg/L 聚合物母液，再將聚合物母液分別稀釋為1 200，1 800，2 400 mg/L 的目的液，采用高速攪拌器對(duì)目的液進(jìn)行剪切，剪切強(qiáng)度3 000 r/min，剪切10 s 后測(cè)試黏度。

用軟化水配制1 000 mg/L 的聚合物和弱凝膠溶液，分別稀釋至50，100，150 mg/L 后采用廣角動(dòng)/靜態(tài)光散射儀測(cè)試聚合物分子線團(tuán)尺寸（Dh）。采用掃描電子顯微鏡測(cè)試聚合物分子聚集體形態(tài)。采用流變儀測(cè)試軟化水配制的1 200 mg/L 聚合物及弱凝膠溶液的流變性和黏彈性。

用重水配制800 mg/L 弱凝膠溶液，采用核磁共振分析儀測(cè)試核磁共振T2譜圖和核磁共振成像。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程示意圖Fig.1 Experimental equipments and flow chart.

2 結(jié)果與討論

2.1 增黏性

分別用注入水和軟化水配制聚合物溶液，聚合物溶液黏度與質(zhì)量濃度的關(guān)系見(jiàn)表2。從表2 可看出，在相同質(zhì)量濃度和水質(zhì)條件下，聚合物黏度大小順序基本為：1#>2#>3#。軟化水配制的聚合物溶液的溶解性和增黏性均要優(yōu)于注入水配制的聚合物溶液，這表明水中的Ca2+和Mg2+對(duì)聚合物增黏性影響較大。三種聚合物溶液的增黏率大小順序依次為1#>3#>2#。當(dāng)聚合物的質(zhì)量濃度超過(guò)2 400 mg/L后，聚合物溶液的黏度開(kāi)始明顯增加，這表明2 400 mg/L 為聚合物發(fā)生締合作用的臨界質(zhì)量濃度。

表2 聚合物溶液黏度與質(zhì)量濃度的關(guān)系Table 2 The relationship between viscosity and mass concentration of polymer solution

2.2 抗剪切性

聚合物溶液剪切10 s 后的黏度保留率見(jiàn)表3。從表3 可看出，當(dāng)質(zhì)量濃度為2 400 mL/g 時(shí)，1#聚合物溶液抗剪切能力較弱，黏度保留率較低，2#和3#聚合物溶液抗剪切能力較強(qiáng)，黏度保留率較高。軟化水配制的聚合物溶液的抗剪切性?xún)?yōu)于注入水配制的聚合物溶液。綜合考慮各因素，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用軟化水配制聚合物溶液。

2.3 聚合物分子線團(tuán)尺寸和聚集體形態(tài)

2.3.1 聚合物分子線團(tuán)尺寸

聚合物分子的Dh見(jiàn)表4，光強(qiáng)分布曲線見(jiàn)圖2。從表4 可知，隨質(zhì)量濃度的增大，1#聚合物的Dh增大，而2#、3#聚合物和弱凝膠溶液的Dh減小，但幅度不大。1#聚合物相對(duì)分子質(zhì)量較大，因此Dh較大。其余2 種聚合物及弱凝膠分子Dh較小，最小僅為97.2 nm。弱凝膠分子的Dh最小。從圖2可知，聚合物類(lèi)型對(duì)聚合物分子線團(tuán)光強(qiáng)分布有較大影響。3 種聚合物和弱凝膠的Dh～光強(qiáng)分布呈正態(tài)分布，且聚合物相對(duì)分子質(zhì)量越大，Dh分布曲線越靠右，光強(qiáng)峰值對(duì)應(yīng)的Dh越大。

表3 聚合物溶液剪切10 s 后的黏度保留率Table 3 Viscosity retention rate of polymer solution after shearing 10 s

表4 聚合物分子的DhTable 4 Cluster size(Dh) of polymer molecule

2.3.2 聚合物分子聚集體形態(tài)

采用軟化水配制聚合物和弱凝膠溶液，聚合物分子聚集體的SEM 照片見(jiàn)圖3。

如果胎兒體重過(guò)重，那么胎頭難以通過(guò)正常產(chǎn)道，容易發(fā)生難產(chǎn)，生的過(guò)程中可能造成顱內(nèi)出血、鎖骨骨折或嚴(yán)重的新生兒窒息，母親發(fā)生難產(chǎn)、產(chǎn)后出血和感染的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。除了考慮母親種族、遺傳等因素，醫(yī)生首先需要排除妊娠期糖尿病等病理問(wèn)題，進(jìn)而調(diào)整血糖，避免一系列不良預(yù)后。對(duì)于單純由于營(yíng)養(yǎng)過(guò)度造成的胎兒超重，也會(huì)積極幫助孕婦調(diào)整食譜。如果胎兒體重過(guò)輕，可能發(fā)生宮內(nèi)生長(zhǎng)受限，常見(jiàn)的病因有孕婦嚴(yán)重營(yíng)養(yǎng)不良、妊娠期高血壓疾病、胎盤(pán)功能不良、胎兒自身結(jié)構(gòu)缺陷或染色體異常，在我國(guó)發(fā)生率為6%～7%，死亡率為正常胎兒的6～10倍。

圖2 Dh ～光強(qiáng)分布曲線Fig.2 The relationship between Dh and light intensity distribution.▲ 1# Polymer；■ 2# Polymer；● 3# Polymer；▲ Weak gel

圖3 聚合物分子聚集體的SEM 照片F(xiàn)ig.3 SEM images of polymer molecular aggregates.Polymer mass concentration 50 mg/mL.

從圖3 可知，當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度為50 mg/L 時(shí)，1#聚合物分子鏈?zhǔn)嬲钩潭茸罡?，以“分子?nèi)”締合作用為主，“分子間”締合作用為輔。2#聚合物分子鏈間形成稠密網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的分形生長(zhǎng)自相似性。3#聚合物分子鏈線型程度較強(qiáng)，各分子鏈粗細(xì)程度較均勻，分子柔性鏈間纏繞較少。弱凝膠分子中既存在“分子內(nèi)”交聯(lián)又存在少許“分子間”交聯(lián)分子聚集體，分子鏈間纏結(jié)緊密，因此包裹水分子能力增強(qiáng)，剛性增強(qiáng)，滯留和液流轉(zhuǎn)向能力提升。

2.4 流變性和黏彈性

2.4.1 流變性

聚合物及弱凝膠溶液的表觀黏度與剪切速率的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 表觀黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.4 The relationship between apparent viscosity and shear rate.Polymer mass concentration 1 200 mg/mL.▲ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；■ 3# Polymer；● Weak gel

從圖4 可看出，聚合物溶液均具有剪切變稀特性，為假塑性流體。隨剪切速率的增大，聚合物溶液表觀黏度呈逐漸減小趨勢(shì)。其中，初期下降速率較快，當(dāng)剪切速率在1 ～150 s-1之間時(shí)，表觀黏度降幅較大，之后基本保持穩(wěn)定。在濃度一定的條件下，由于弱凝膠自身的“分子內(nèi)”交聯(lián)作用，聚合物溶液的表觀黏度略高于弱凝膠，但差別不大。

2.4.2 黏彈性

聚合物溶液儲(chǔ)能模量（G ′）和損耗模量（G＂）與振蕩頻率的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5 可看出，聚合物和弱凝膠溶液的G＂均大于G ′，表明黏性?xún)?yōu)于彈性。隨振蕩頻率的增加，G＂和G ′整體呈增加趨勢(shì)。在振蕩頻率相同的條件下，弱凝膠的G ′和G＂最高，表明弱凝膠的黏彈性?xún)?yōu)于聚合物溶液。

圖5 G ′和G＂與振蕩頻率的關(guān)系Fig.5 Relations between storage modulus(G ′) and lossmodulus(G＂) and oscillation frequency.G ′：■ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；◆ 3# Polymer；● Weak gel；G＂：○ 1# Polymer；▲ 2# Polymer；□ 3# Polymer；△ Weak gel

2.5 滲流特性

2.5.1 聚合物類(lèi)型及質(zhì)量濃度的影響

軟化水配制的不同聚合物溶液的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)見(jiàn)表5，注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖6。

表5 不同聚合物的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)Table 5 Resistance coefficient(FR) and residual resistance coefficient(FRR) of different polymer

圖6 不同聚合物注入壓力與PV 的關(guān)系Fig.6 The relationship between injection pressure and PV ofdifferent polymer.■ 1# Polymer（800 mg/L）；● 1# Polymer（1 200 mg/L）；△ 2# Polymer（800 mg/L）；□ 2# Polymer（1 200 mg/L）；○ 3# Polymer（800 mg/L）；▲ 3# Polymer（1 200 mg/L）；◆ Weak gel（800 mg/L）；▲ Weak gel（1 200 mg/L）

從表5 和圖6 可看出，聚合物類(lèi)型和質(zhì)量濃度對(duì)聚合物溶液流動(dòng)性質(zhì)有影響。對(duì)于同一種聚合物，隨質(zhì)量濃度增加，注入壓力升高。在3 種聚合物中，1#聚合物溶液滯留量較大，注入性較差。2#與3#聚合物溶液滯留量適中，注入性較好。盡管弱凝膠工作黏度較低，分子線團(tuán)尺寸較小，但阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)卻較大，這是由于體系發(fā)生了“分子內(nèi)”交聯(lián)反應(yīng)，分子線團(tuán)剛性增強(qiáng)，通過(guò)巖心過(guò)程中的滯留能力增強(qiáng)，因此滯留量增加，滲流阻力和注入壓力增大，故具有較強(qiáng)的液流轉(zhuǎn)向能力。與聚合物溶液相比，在后續(xù)水驅(qū)階段初期，弱凝膠水驅(qū)壓力呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)出獨(dú)特的滲流特性，所以殘余阻力系數(shù)較高，滯留效果較好。綜上所述，弱凝膠綜合性能較優(yōu)，因此選用弱凝膠溶液應(yīng)用于雁木西油田礦場(chǎng)。

質(zhì)量濃度對(duì)弱凝膠溶液流動(dòng)性質(zhì)的影響見(jiàn)表6，對(duì)PV 數(shù)的影響見(jiàn)圖7。

從表6 和圖7 可看出，隨質(zhì)量濃度的增大，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增大。當(dāng)弱凝膠溶液質(zhì)量濃度為600 ～1 000 mg/L 時(shí)，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)適中，注入性和滯留特性良好，最高注入壓力在0.4 ～0.8 MPa 范圍內(nèi)，與現(xiàn)場(chǎng)油田的實(shí)際調(diào)驅(qū)壓力比較吻合，適用于雁木西油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

圖7 質(zhì)量濃度對(duì)PV 數(shù)的影響Fig.7 The effect of mass concentration on PV.Concentration/(mg·L-1)：○ 200；◆ 400；▲ 600；▲ 800；■ 1 000；● 1 200

表6 質(zhì)量濃度對(duì)弱凝膠溶液流動(dòng)性質(zhì)的影響Table 6 The effect of mass concentration on the flow properties of weak gel solution

2.6 巖心內(nèi)含油分布可視化

2.6.1 采收率

巖心滲透率200 mD，含油飽和度73.82%，先水驅(qū)至含水98%，水驅(qū)采收率為45.37%，然后注入0.5 PV 弱凝膠溶液，最后后續(xù)水驅(qū)至含水98%，最終采收率為58.76%，采收率增幅為13.39 百分點(diǎn)。

2.6.2 驅(qū)替過(guò)程中油水分布變化

核磁共振T2譜不同階段的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8，核磁共振圖像見(jiàn)圖9，圖像顏色反映巖石中油水分布情況。T2分布表明了巖心孔喉尺寸分布情況，T2越大，孔隙孔徑越大，反之越小。信號(hào)幅度反映巖心內(nèi)流體含量。從圖8 可看出，T2譜呈三峰，表明巖石內(nèi)部的孔隙分布不均，具有非均質(zhì)性特點(diǎn)，在100 ～1 000 ms 范圍內(nèi)的大孔隙占主要部分，中小孔喉次之。隨驅(qū)替過(guò)程的進(jìn)行，各峰峰面積均有下降，且右峰下降速度最快，幅度最大，左側(cè)兩峰降幅較小。分析認(rèn)為，由于大孔隙滲流阻力較小，里面的油較易被驅(qū)替液采出，但流體通過(guò)中小孔隙需要克服較大的滲流阻力，所以中小孔隙中的油很難被采出，最終成為殘余油。相比水驅(qū)，化學(xué)驅(qū)與后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后曲線值均有所降低，表明弱凝膠具有較好的擴(kuò)大波及體積能力，從而提高最終采收率，相比于水驅(qū)結(jié)束采收率提高13.39 百分點(diǎn)。從曲線峰面積降幅可看出，T2弛豫時(shí)間大于100 ms 的大孔隙內(nèi)的驅(qū)油效率最高，峰面積降幅最大，采收率貢獻(xiàn)最大，中小孔隙相對(duì)較小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在水驅(qū)階段，各個(gè)孔徑孔隙對(duì)采收率均有貢獻(xiàn)，但從化學(xué)驅(qū)開(kāi)始，弱凝膠主要?jiǎng)佑肨2弛豫時(shí)間大于10 ms 以上的高滲透區(qū)域原油，在形成水驅(qū)優(yōu)勢(shì)通道的情況下，無(wú)法波及T2弛豫時(shí)間小于10 ms 的相對(duì)低滲透區(qū)域殘余油。由此可見(jiàn)，水驅(qū)能動(dòng)用T2弛豫時(shí)間大于0.1 ms 的所有區(qū)域，且驅(qū)替效果明顯。凝膠驅(qū)主要?jiǎng)佑肨2弛豫時(shí)間大于10 ms 的相對(duì)高滲區(qū)域，一方面由于水驅(qū)后形成了優(yōu)勢(shì)通道，另一方面因?yàn)槿跄z本身的分子尺寸效應(yīng)也直接影響低滲透區(qū)域的波及能力。

從圖9 可看出，水驅(qū)過(guò)程中，由于巖心的非均質(zhì)性，驅(qū)替水于巖心的上下兩側(cè)實(shí)現(xiàn)突破，形成水流優(yōu)勢(shì)通道，在優(yōu)勢(shì)通道之外形成了較多不連續(xù)的塊狀殘余油。在凝膠驅(qū)后，巖心前后兩端仍有較多的殘余油，而中間部分的殘余油量減少明顯，說(shuō)明水流優(yōu)勢(shì)通道被弱凝膠有效封堵，擴(kuò)大波及體積效果明顯，洗油效率增強(qiáng)，含油飽和度降低。當(dāng)后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時(shí)，可明顯發(fā)現(xiàn)殘余油已變得非常少，只有入口端留有部分殘余油，表明弱凝膠在巖心內(nèi)封堵優(yōu)勢(shì)通道效果較好，滯留能力較強(qiáng)，注入壓力提高顯著，最終提高采收率。

圖8 驅(qū)替過(guò)程中T2 譜分布曲線Fig.8 T2 spectrum distribution curve in displacement process.■ Saturated oil；● Water drive end；▲ End of chemical flooding；○ Follow-up water flooding ended

圖9 驅(qū)替過(guò)程中核磁共振成像Fig. 9 Nuclear magnetic resonance imaging during displacement.

2.6.3 端部效應(yīng)

端部效應(yīng)是巖心驅(qū)替過(guò)程中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。從圖9 可看出，直至后續(xù)水驅(qū)結(jié)束，巖心入口處依然有部分殘余油滯留，自始至終未被完全采出。流道突變和化學(xué)劑堵塞滯留可能是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因。分析認(rèn)為，驅(qū)替液從進(jìn)入巖心前的管流變?yōu)閹r心中的滲流，會(huì)導(dǎo)致壓力及流速的改變。另外，驅(qū)替液通過(guò)巖心時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)的篩選，當(dāng)驅(qū)替液中較小的固體雜質(zhì)吸附在微孔道表面，會(huì)形成吸附層，減小過(guò)流半徑，最終導(dǎo)致雜質(zhì)聚集在巖心的入口端并形成阻塞。

3 結(jié)論

1）軟化水配制聚合物熟化效果較好，黏度保留率較高，因此采用軟化水配制聚合物溶液。

2）弱凝膠分子線團(tuán)尺寸最小，分子中既存在“分子內(nèi)”交聯(lián)又存在少許“分子間”交聯(lián)分子聚集體，分子鏈間纏結(jié)緊密，因此包裹水分子能力增強(qiáng)，剛性增強(qiáng)，滯留和液流轉(zhuǎn)向能力提升，黏彈性也優(yōu)于聚合物溶液。

3）弱凝膠溶液質(zhì)量濃度為600 ～1 000 mg/L時(shí)，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)適中，注入性和滯留特性良好，因此適用于雁木西油田礦場(chǎng)，采收率增幅為13.39 百分點(diǎn)。

4）巖心驅(qū)替過(guò)程中在入口處自始至終有部分殘余油滯留，表明巖心存在端部效應(yīng)。

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