高分子质量聚合物二元体系在低渗透油层适应性研究

2013-12-23吴文祥张世录唐佳斌

石油化工高等学校学报 2013年6期

吴文祥，张世录，唐佳斌

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

我国陆上已投入开发的中低渗透油层的原油储量占总动用储量的比例越来越大［1］，而未开采石油地质储量中，中低渗透储层比例更大。如何更有效地开发此类油层，并在较大程度上提高原油采收率，对我国石油工业的发展具有重要意义。研究表明，对于储层孔隙半径在几微米、渗透率在0.01～0.15 μm2的中低渗透油层［2］，使用中低相对分子质量的聚合物难以有效动用该类油层。因此，一方面如何在不造成油层堵塞的情况下，选择注入性好、流动控制程度强的聚合物，另一方面从界面特性角度考虑，选择能够有效降低油水界面张力的表面活性剂，从波及体积及驱油效率两方面提高驱油效果［3］，进一步有效开发已开采及未开采中低渗透油层。

针对以上问题，本文从流动性入手，针对中低渗透油藏聚合物溶液黏度损失较大的问题，研究计算了不同聚合物溶液流经中低渗透岩心后的黏度损失率，并在界面张力评价的基础上，进行了二元体系在中低渗透油层的驱油效果评价，实验结果表明该二元体系能够有效动用中低渗透油层。

1 实验部分

1.1 实验模型及材料

实验模型：长庆油田中低渗透柱状天然岩心（φ2.5cm×10cm）。

实验用油：长庆油田井口原油与煤油配置而成的模拟油，50 ℃黏度为2.3mPa·s。

实验用水：饱和天然岩心所用水为经过多次过滤后长庆油田地层水，水驱、后续水驱及配置驱油体系用水为矿化度为4 726mg／L的模拟水。

实验用剂：SNF3640D 聚合物（简称C，下同），由大庆炼化公司生产，其相对分子质量为（1.6～1.9）×107，纯度100%；表面活性剂为甜菜碱B1型，有效质量分数为30%。

1.2 实验设备

80－B2型恒温箱（江苏省无锡市石油仪器设备厂），ZX－4 型旋片真空泵（美国 Validyne Engineering 公司），DV－II型旋转式黏度仪（美国Brookfield公司），Texas－500型旋滴界面张力仪（美国科诺工业有限公司），JB－3 型手摇泵，AR1530／C电子秤（美国OHAUS公司，分辨率0.001g），磁力搅拌器（美国RUSK 泵），岩心夹持器（规格为φ2.5 cm×10cm，江苏海安石油仪器公司），电子天平以及其它常用玻璃仪器等。

1.3 实验步骤

1.3.1 流动性评价实验

（1）气测渗透率的测定，将柱状天然岩心放入岩心夹持器，加上4 MPa左右的环压，抽真空4h，饱和地层水，测岩心孔隙体积并计算岩心孔隙度，然后放入恒温箱恒温（50 ℃）12h以上；

（2）以0.1 mL／min 的驱替速度进行空白水驱，水驱至压力保持30～50min稳定不变或波动较小时，记录水驱平稳压力；

（3）聚驱至压力保持1.5h 稳定或波动较小时，记录聚驱平稳压力，然后并以同样地速度改注后续水驱；

（4）后续水驱至压力保持1.5h稳定或波动较小时，记录聚驱平稳压力，停止实验；在实验的每个注入环节，都应选取精密的压力表，精确测量相应驱替压力的数值。

1.3.2 驱油实验

（1）将柱状天然岩心放入岩心夹持器，加上4 MPa左右的环压，抽真空4h，饱和地层水，测岩心孔隙体积并计算岩心孔隙度，然后放入恒温箱恒温（50 ℃）12h以上；

（2）油驱水至岩心夹持器出口端不出水为止，确定原始含油饱和度；

（3）按实验方案设定的驱替速度进行空白水驱，水驱至夹持器出口端含水达到98%以上，计算水驱采收率；

（4）进行化学复合驱，当达到方案设定的孔隙体积倍数时，转注后续保护段塞；

（5）化学复合驱的段塞全部注完后，接着进行后续水驱至出口端含水率达到98%以上，计算化学复合驱采收率。

2 驱油体系性能评价

2.1 聚合物在岩心中的流动性评价实验

本实验针对中低渗透岩心，其气测渗透率在50×10－3μm2左右，较高分子质量聚合物溶液的注入性往往成为主要关注的问题，能够有效注入是聚合物驱的基本前提，也是进行其它相关实验的基本前提。

通过在气测渗透率为42.6×10－3、63.4×10－3、81.5×10－3μm2的天然岩心上阻力系数与残余阻力系数的测定实验，得到了质量浓度为1 400 mg／L C型聚合物在岩心孔隙中的流动特性［4］，实验结果见表1，注入压力和注入PV 数的关系曲线见图1。

表1 质量浓度为1 400mg／L C型聚合物在天然岩心上的阻力系数与残余阻力系数Table 1 Mass concentration of 1 400 mg／L C－type polymer resistance factor and residual resistance factor on the natural core

由表1可知，该聚合物在天然低渗透岩心上的阻力系数随着岩心渗透率的升高而降低，但都大于30，残余阻力系数在3种渗透率的岩心上变化较小，均不低于4.5。说明该种聚合物在储层中有较高的阻力系数和残余阻力系数。阻力系数大，聚合物溶液在油层中的流动阻力大，就有利于提高在油层中的波及体积，残余阻力系数大，油层孔隙的渗透率下降大就越有利于提高原油采收率［5］。

图1 C型聚合物在天然岩心上的注入压力与PV 数的关系Fig.1 The relationship between injection pressure and the number of PV on the natural core of C－type polymer

从图1中可以看出，开始注聚合物溶液时，随着注入PV 数的增加，压力逐渐上升。而后趋于平稳，最后随注入量的增加压力保持不变。这种情况说明该种聚合物在油层中显示出很好的可注入性和流动性，具有良好的匹配性［6］。

2.2 聚合物在孔隙介质中的黏度

聚合物溶液注入地层后，由于受到低速剪切、物理吸附和滞留等作用的影响，黏度损失比较严重，驱油效果将受到较大影响［7－9］。特别在对于中低渗透层，对有些聚合物溶液的剪切作用可能会较大。因此，聚合物溶液在油层中的黏度值，往往成为室内化学驱性能评价主要关注参数。

聚合物溶液注入地层后，在岩心中运移一段距离其黏度值和损失率达到稳定［8］。聚合物溶液在孔隙介质中的阻力系数、残余阻力系数、聚合物溶液黏度和水的黏度之间的关系为［9］：

其中μp 为聚合物黏度，mPa·s；FR为阻力系数；FRR为残余阻力系数；μw 为水的黏度，mPa·s。

表2分别给出了C 型聚合物溶液和低相对分子质量聚合物溶液在多孔介质中的黏度计算值。从表2中可以看出，相对分子质量为0.7×107的聚合物在渗透率为38.3×10－3μm2孔介质中的黏度为2.2mPa·s，其黏度损失率为92.1%，而两种质量浓度的C型聚合物在渗透率为42.6×10－3μm2孔介质中的黏度分别为5.36、5.21mPa·s，其损失率分别为86.6%、89.4%，由此可以看出高相对分子质量的C型聚合物在流经低渗透岩心的过程中黏度损失率较小，有较好的抗剪切、抗降解的能力，保证了远离岩心注入端的黏度值。

表2 聚合物溶液在多孔介质中的黏度及损失率Table 2 Viscosity and it loss rate of polymer solution in porous media

2.3 驱油体系界面张力评价

在以上研究的基础上，进一步评价了新型甜菜碱B1二元体系的界面张力。选用C 型聚合物，相对分子质量为1.6×107，质量浓度为1 400mg／L，实验结果如图2所示。从图2中可以看出，二元体系的动态界面张力随着体系中表面活性剂质量分数的增加而降低，当表面活性剂质量分数为0.15%时，若继续增加表面活性剂的质量分数，体系的界面张力反而出现上升的趋势［10］，这是因为当油水界面张力达到最低时，表面活性剂分子大量集中于油水界面，油、水及岩石界面三相间的分子作用达到了动态平衡［11－12］，若继续增大表面活性剂的质量分数，使得富集在岩石界面上的表面活性剂分子增多，岩石界面上的这种动态平衡被破坏，出现界面张力上升的趋势。

图2 不同表面活剂质量分数二元体系动态界面张力Fig.2 Different surfactant mass fraction binary system dynamic interfacial tension

同时从动态界面张力图2中也可以看到，体系的界面张力随着时间的增加而下降，在75min后达到最低并趋于稳定。表面活性剂的质量分数从0.10%时起，体系的油水界面张力就出现了（10－3mN／m）超低界面张力，并随时间的增加稳定性较好［13］。

3 天然岩心驱油实验验证

3.1 实验方案

表3为天然岩心实验方案。

表3 天然岩心实验方案Table 3 Natural core experimental program

3.2 实验结果及分析

天然岩心驱油实验结果见图3。

图3 不同体系的采出程度对比Fig.3 Different system recovery percent comparison chart

结果表明，在低渗透天然岩心上，在水驱采收率相差不大的情况下，采用C 型聚合物的二元体系的化学驱采收率均达到12.2%以上，其中表面活性剂质量分数为0.15%的二元体系的界面张力最低，其化学驱采收率达到了14.75%的最高值，比采用相同聚合物类型单独聚驱的化学驱采收率高出6.9%，这说明与C型聚合物复配的新型甜菜碱表面活性剂的洗油能力较强［14－15］，该方案在低渗透储层上有很大的应用潜力。同时还可以看出，与相对分子质量为0.7×107聚合物实验方案相比，采用C 型聚合物的二元复合体系和单聚的化学的采收率分别提高5.25%、2.4%。综合以上分析可以看出，无论是C聚合物的单独驱油体系还是用C 型聚合物的二元复合体系，在低渗透岩心上的采收率值都远远高出以往使用的低分子质量的聚合物的采收率［16］，存在工业化推广应用的潜力。