多孔介质中两亲聚合物驱稠油渗流规律实验研究*

杨 光 张凤英 康晓东 赵 娟 崔盈贤 赵文森

(1.海洋石油高效开发国家重点实验室 北京 100028； 2.中海油研究总院 北京 100028； 3.中国石化石油工程技术研究院 北京 100101)

多孔介质中两亲聚合物驱稠油渗流规律实验研究*

杨 光1,2张凤英3康晓东1,2赵 娟1,2崔盈贤1,2赵文森1,2

(1.海洋石油高效开发国家重点实验室 北京 100028； 2.中海油研究总院 北京 100028； 3.中国石化石油工程技术研究院 北京 100101)

杨光,张凤英,康晓东，等.多孔介质中两亲聚合物驱稠油渗流规律实验研究[J].中国海上油气，2016,28(5)：61-65.

Yang Guang,Zhang Fengying,Kang Xiaodong,et al.Experimental study of heavy oil percolation in porous medium by amphiphilic polymer flooding[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):61-65.

以渤海油田稠油为样本，对两亲聚合物驱稠油作用机理和渗流规律进行了实验研究。室内微观实验表明，新型两亲聚合物溶液能够降低胶质和沥青质在石英表面的吸附层厚度和吸附质量，通过乳化分散作用减小油滴尺寸，从而改善稠油流动性；随着两亲聚合物溶液与原油混合体系中聚合物溶液比例增加，流动时间逐渐降低，体系的流动性明显改善。物理模型宏观实验表明：一方面两亲聚合物-原油混合体系在渗流过程中持续与油相接触，启动更多稠油，提高驱油效率；另一方面，混合体系因吸附滞留作用在多孔介质中能够建立渗流阻力，扩大波及体积，提高采收率。本文研究成果对于明确两亲聚合物提高采收率原理和指导矿场试验具有重要意义。

两亲聚合物；稠油；聚合物驱；乳化分散；渗流规律；渤海油田

两亲聚合物是指在聚合物分子中同时具备亲水和亲油基团的水溶性聚合物[1]。近年来，两亲聚合物广泛应用于矿物分离、水处理、清洁用品、化妆品及食品行业[2-3],在三次采油领域作为能够增溶和乳化分散原油的新型驱油剂越来越受到广泛重视[4]。针对渤海稠油油田的油藏及流体特点，中海油研究总院提高采收率实验室研发了一种既能增加水相黏度、又能通过乳化分散作用降低原油黏度，提高原油流动性、改善水驱流度比的新型两亲聚合物驱油体系[5]，这种新型两亲聚合物溶液的特殊性能使其在多孔介质中与原油形成混合体系后渗流规律较为复杂。本文通过微观和物理模型宏观实验，研究了这种新型两亲聚合物对渤海油田稠油流动性的改善机理及两亲聚合物-稠油混合体系在多孔介质中渗流规律，研究结果对于明确两亲聚合物提高采收率原理和指导矿场试验具有重要意义。

1 实验仪器和材料

1.1 主要实验仪器

石英晶体微天平(Q-SENCE AB，瑞典)，原子力显微镜(Bruker Multimode IIIV System，美国)，激光共聚焦显微镜(FV1000-IX81)，高温高压化学驱替模拟系统(江苏海安)。

1.2 实验材料

渤海油田原油，黏度分别为350 mPa·s和660 mPa·s;模拟水总矿化度9 374 mg/L，其中Ca2+矿化度276 mg/L，Mg2+矿化度159 mg/L;自制新型两亲聚合物,该两亲聚合物以丙烯酰胺为骨架，引入双子型表面活性单体和高位阻侧基，同时增加调控聚合物分子亲疏水结构平衡的单体(图1)，分子量在500万左右，与渤海原油接触角为30°左右。渤海稠油-两亲聚合物溶液间界面张力在10-1数量级,混合液中稠油粒径小且均匀[5]。

图1 新型两亲聚合物分子结构示意图

2 两亲聚合物改善稠油流动性的微观实验

沥青质和胶质的存在会使原油黏度增大[6-8]。通过室内实验，利用石英晶体微天平[9]和原子力显微镜技术手段明确了新型两亲聚合物能够与稠油中的胶质和沥青质作用，进而改善了稠油流动性。实验结果显示，质量浓度为1 000 mg/L的新型两亲聚合物溶液能够降低胶质和沥青质在石英表面的吸附层厚度和吸附质量(表1)。原子力显微镜扫描图片显示，石英基底吸附沥青质后，表面呈现出类似于连续相的分布；当流动相为两亲聚合物溶液时，表面出现多个“holes”，为两亲聚合物与沥青质发生较强的极性作用后使沥青质从基底脱落后留下的形貌(图2)。

表1 新型两亲聚合物溶液与胶质和沥青质作用结果

图2 新型两亲聚合物作用前后沥青质在石英表面吸附形态

利用激光扫描共聚焦显微镜观察不同质量浓度两亲聚合物溶液与原油混合体系的微观状态，结果显示原油被乳化分散成细小均匀的油滴，且油滴尺寸随着聚合物质量浓度的增加而明显变小(图3)。

图3 两亲聚合物-原油混合体系的微观形态(原油黏度660 mPa·s)

在研究两亲聚合物溶液和原油混合体系微观状态基础上，室内评价了两亲聚合物溶液对渤海稠油流动性的改善能力，采用运动黏度计测定不同比例两亲聚合物溶液与原油混合体系的流动时间，结果显示随着混合体系中两亲聚合物溶液增加，流动时间进一步降低，体系流动性得到了明显改善(图4)。

图4 新型两亲聚合物-原油混合体系流动性(原油黏度660 mPa·s)

3 两亲聚合物驱物理模型宏观实验

3.1 实验模型和计算方法

利用相似准则理论[10]，室内制作了与渤海油田区块实验区渗流特征相似的均质平板物理模型，模型几何尺寸为30 cm×30 cm×2.5 cm，气测渗透率为2 500×10-3μm2，孔隙度为28.22%。模型上布井均为直井，外径均为0.7 cm，注入井和采出井射穿至中低部，设定测压点以建立压力场。模型各层上按照6×6的网格布置电极,用于测定不同时刻和不同位置的油水前缘及饱和度分布情况(图5)。通过该模型研究两亲聚合物溶液驱替过程中油水分布以及油水前缘变化规律，进而量化驱油效率与波及体积对提高采收率的贡献程度。

图5 新型两亲聚合物驱物理模型示意图

驱油效率与波及体积贡献率分别为

(1)

Bv=1-Bd

(2)

式(1)、(2)中：i为模型中小层号；Sori为水驱残余油饱和度；Sorj为化学驱残余油饱和度；E为采收率;Bd为驱油效率贡献率。

3.2 实验步骤

1) 抽真空饱和水；

2) 根据渗流规律，从模型不同角度均匀饱和油(黏度为350 mPa·s)形成束缚水，并放置恒温箱老化；

3) 水驱至含水率95%时，结束水驱；

4) 注入0.3 PV质量浓度为1 000 mg/L的两亲聚合物溶液；

5) 后续水驱至含水率98%，结束实验，并统计不同阶段的含水率、压力和采出程度变化。

在实验过程中，每隔5 s测定一次压力，每隔15 min测定一次含油饱和度分布。

3.3 实验结果及分析

物理模型实验结果显示，水驱采收率为14.82%，最终采收率为29.38%，聚合物驱采收率增幅明显。结合含水率变化曲线可以看出，水驱0.04 PV后采出液见水，见水之后含水率迅速上升，当含水率达到80%左右时上升速度变缓，模型在高含水率阶段的采油期较长。注入新型两亲聚合物溶液后含水率逐渐下降，含水率最低可以降低到75%左右，并在含水率75%～85%维持0.5 PV左右；后续水驱阶段低含水率仍可以维持一段时间，后续水驱0.2 PV后含水率开始明显上升，直至含水率达到98%(图6)。

图6 新型两亲聚合物驱物理模型含水率及采出程度变化

物理模型压力监测数据显示，主流线压力首先上升并逐渐向分流线扩展，且分流线压力上升明显，后续水驱阶段主流线和分流线上压力较水驱阶段亦有较大提高(图7)。

另外，饱和度实时监测结果表明，水驱后剩余油较多，且波及系数小；两亲聚合物驱和后续水驱后，剩余油饱和度大幅降低，波及体积明显变大(图8)。通过理论计算，两亲聚合物驱提高采收率中驱油效率贡献率为28%，扩大波及体积贡献率为72%。

图7 新型两亲聚合物驱物理模型压力变化

图8 新型两亲聚合物驱物理模型含油饱和度实时监测结果

理论上，两亲聚合物溶液在驱油过程中可以通过自身黏度扩大波及体积和提高采收率，但本次实验用新型两亲聚合物溶液黏度为3.5 mPa·s，而原油黏度高达350 mPa·s，因此可以认为靠溶液黏度本身改善水驱流度比作用不大。从压力和饱和度场监测结果分析,两亲聚合物驱提高采收率主要机理在于：①两亲聚合物在驱替过程中通过乳化分散原油，提高了稠油流动性，增加了油相流度，改善水驱流度比；②两亲聚合物溶液对稠油具有强乳化分散性，因此两亲聚合物溶液-稠油混合体系在多孔介质中渗流时不断与新的原油接触并乳化分散，提高驱油效率；③两亲聚合物溶液-稠油混合体系在多孔介质中吸附滞留，渗流过程中能够起到调整剖面的作用，进而扩大波及体积，且这种作用在采收率贡献程度上占主导地位；④后续水驱阶段前期含水增幅缓慢，一是因为水驱波及体积增加，二是由于两亲聚合物溶液-稠油混合体系在多孔介质中吸附滞留不稳定，这部分油易被驱替。

4 结论

1) 新型两亲聚合物溶液通过与稠油中胶质和沥青质作用能够显著改善稠油流动性。

2) 新型两亲聚合物溶液在多孔介质中渗流时能够乳化分散稠油，且两亲聚合物溶液-原油混合体系在渗流过程中持续与油相接触，可动用更多稠油，提高微观驱油效率。

3) 新型两亲聚合物溶液与稠油混合体系黏度远低于原油黏度，渗流阻力小，可改善水驱流度比；该混合体系因吸附滞留作用在多孔介质中能够建立流动阻力，扩大波及体积，提高采收率。

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(编辑：张喜林)

Experimental study of heavy oil percolation in porous medium by amphiphilic polymer flooding

Yang Guang1,2Zhang Fengying3Kang Xiaodong1,2Zhao Juan1,2Cui Yingxian1,2Zhao Wensen1,2

(1.StateKeyLaboratoryofOffshoreOilExploitation,Beijing100028,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 3.PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopec,Beijing100101,China)

Taking heavy oil in Bohai oilfield as sample, the effect mechanism and percolation law of amphiphilic polymer flooding are studied. Microscopic experiments show that the novel amphiphilic polymer can reduce the adsorption layer thickness and adsorption amount of colloid and asphaltene on quartz surface. The amphiphilic polymer can improve the mobility of heavy oil by emulsifying and dispersing effect. With the increase of proportion of polymer solution in the mixed system of amphiphilic polymer solution and crude oil, the flow time decreases, and the flow property of the system improves obviously. Macroscopic experiments show that amphiphilic polymer has two functions: first, the amphiphilic polymer-crude oil mixed system can start more heavy oil by continuous contacting with oil; second, the mixed system can establish the flow resistance in porous media due to the adsorption and retention, thus improving the oil recovery. The research results are of great significance for EOR principle of amphiphilic polymer and field tests.

amphiphilic polymer; heavy oil; polymer flooding; emulsion dispersion; percolation law; Bohai oilfield

*“十二五”国家科技重大专项课题“海上稠油化学驱油技术(编号：2011ZX05024-004)”部分研究成果。

杨光，男，高级工程师，2006年毕业于西南石油大学应用化学专业并获硕士学位，主要从事化学驱提高采收率研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院海油大厦(邮编：100028)。E-mail：yangguang4@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0061-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.010

TE345

A

2015-11-25 改回日期：2016-03-11