Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱作用机理——以渤海LD10-1油田为例

刘义刚，张云宝，谢坤，卢祥国，王楠，潘赫

（1.中海石油天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱作用机理
——以渤海LD10-1油田为例

刘义刚1，张云宝1，谢坤2，卢祥国2，王楠1，潘赫2

（1.中海石油天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

针对渤海LD10-1油藏减缓吸液剖面反转技术需求，通过层内非均质岩心驱替实验，发现Cr3+聚合物凝胶与水交替注入工艺具有较好的增油降水效果，运用并联岩心驱替实验，从驱替过程和驱油效果两方面探讨了交替注入增油机理。结果表明，相比整体凝胶段塞注入工艺，“Cr3+聚合物凝胶+水”交替注入方式具有更好的封堵和驱替效应。凝胶前置段塞对高渗透层实施封堵后，后续水段塞一方面可使弱凝胶分子线团膨胀加强封堵效果，改善后续流体的转向能力，另一方面还可增强驱替效果，减缓吸液剖面反转现象。在实际设计交替轮次数时，应考虑水段塞过多易引起高渗透层突进的问题。

Cr3+聚合物凝胶；交替注入；物理模拟；机理分析；LD10-1油藏

0 引言

与陆地油田相比，海上油田具有注采井距大、开发层系多、层内和层间矛盾尖锐、岩石胶结强度低、原油黏度高和注入水矿化度高等特点，水驱开发效果较差。此外，由于单井注水量高达几百甚至上千立方米，对储层岩石结构冲刷作用极大，破坏储层岩石结构，尤其是近井地带破坏十分严重。在注采井间形成大孔道或特高渗透条带，致使注入水甚至聚合物溶液在其中低效或无效循环，进而影响水驱和聚驱开发效果［1-3］。

近年来，渤海地区SZ36-1，LD10-1和LD5-2等普通稠油油田先后进行了聚合物驱和聚合物凝胶调驱矿场试验，增油降水效果明显［4-6］。从矿场采收率和含水率统计数据来看，实际增油降水效果与预期效果之间还存在较大差异。分析其原因，除了岩石结构破坏加剧了储层非均质性和削弱了液流转向效果外，聚合物溶液或聚合物凝胶等调驱剂进入中低渗透层，引起启动压力升高和吸液压差减小，即剖面反转，也是重要因素。近年来，为减缓吸液剖面反转给聚驱带来的不利影响，大庆油田开展了“高浓度+低浓度”和“高分子量+低分子量”聚合物溶液交替注入试验研究［7-8］，取得了良好降本增效实践效果。但尽管采用低浓度和低分子量替代高浓度和高分子量聚合物溶液，可以减小聚合物溶液对中低渗透层启动压力的影响，但只要聚合物进入中低渗透层，就会引起渗流阻力增加，提高启动压力，减小吸液压差，导致吸液剖面反转。事实上，最理想情形是聚合物或聚合物凝胶进入高渗层产生封堵作用，促使后续流体进入中低渗透层发挥驱油作用。为此，本文以延缓吸液剖面反转为目标，开展了Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱实验研究和作用机理分析。

1 实验条件

1.1 实验材料

聚合物为大庆炼化公司生产高分子聚合物（相对分子质量为1 900×104），有效质量分数为88%；交联剂为有机铬，Cr3+有效质量分数为2.70%；Cr3+聚合物凝胶由1 200 mg/L的聚合物与有机铬交联而成，其中聚合物与有机铬的质量比为180∶1，黏度为3.8 mPa·s；实验用水为LD10-1油田模拟注入水，总矿化度为10 176.6 mg/L（离子组成见表1）；实验用油为模拟油，由LD10-1油田原油与煤油按一定体积比混合配制而成，65℃时黏度为17.0 mPa·s。

表1 溶剂水离子组成

实验岩心为与目标储层物性相近的石英砂环氧树脂胶结人造岩心［9-10］，包括长条状岩心（非均质岩心和均质岩心）和柱状岩心。长条状岩心尺寸为4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，其中非均质岩心包括高、中、低3个渗透层，各小层厚度1.5 cm，各层渗透率Kg从高到低分别为6.0，2.0，0.3 μm2，3个均质岩心渗透率分别为6.0，2.0，0.3 μm2。柱状岩心尺寸为φ2.5 cm×10.0 cm，岩心渗透率为4.5 μm2。

1.2 实验仪器

DV-Ⅱ型布氏黏度仪（美国Brookfield公司），测试转速为6 r/min。驱替实验装置由平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等组成，除平流泵和手摇泵外，其他部分置于65℃恒温箱内。

1.3 实验设计

1.3.1 矿场Cr3+聚合物凝胶调驱基础实验

方案1-1：1）水驱至含水率40%；2）注入0.40 PV 的Cr3+聚合物凝胶；3）后续水驱至含水率98%结束。第2步中，矿场设计注入Cr3+聚合物凝胶0.40 PV，目前已注入0.20 PV，因此剩余0.20 PV的Cr3+聚合物凝胶段塞为本次优化对比段塞（后面方案针对此进行设计）。

1.3.2 Cr3+聚合物凝胶与水交替注入轮次优化实验

方案2-1—2-4：1）水驱至含水率40%；2）注入0.20 PV的Cr3+聚合物凝胶；3）交替注入0.02 PV的水和（0.2/m）PV的Cr3+聚合物凝胶共m次；4）后续水驱至含水率98%。方案中m为Cr3+聚合物凝胶段塞交替轮次数，取值为2～5。

1.3.3 流动性测试实验

1）柱状岩心抽空饱和地层水，注模拟水，记录压力△p1；2）注聚合物溶液5.00～7.00 PV，记录压力△p2；3）后续水驱至压力稳定，记录压力△p3。阻力系数FR和残余阻力系数FRR通常表示为

2 结果分析

2.1 Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱

在长条非均质岩心上进行Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱实验，结果见表2，驱替过程中动态特征曲线见图1。

表2 采收率实验数据

从表2可看出，与整体Cr3+聚合物凝胶段塞注入工艺相比，Cr3+聚合物凝胶与水交替注入的调驱效果较好。从图1可以看出，在Cr3+聚合物凝胶段塞尺寸一定条件下，随交替注入轮次数增加，Cr3+聚合物凝胶调驱注入压力、含水率和采收率增幅呈现先增后减变化趋势，并在4轮次时含水率和采收率增幅达到最大。

图1 注入压力、含水率和采收率与注入量的关系

2.2 机理分析

对于非均质性储层，在Cr3+聚合物凝胶注入起始阶段，凝胶会首先进入渗流阻力较小的高渗透层，并在孔隙中产生滞留，造成岩石孔隙过流断面减小，渗流阻力增加，最终导致注入压力升高（见图2）。其中：K1，K2，K3分别为高、中、低渗透层渗透率；p1，p2，p3分别为高、中、低渗透层启动压力；Q1，Q2，Q3分别为高、中、低渗透层吸液量；p为注入压力。

图2 非均质储层结构示意

随着注入压力升高，中低渗透层吸液压差增加，吸液量增大，实现了液流转向（即扩大波及体积）目标。随着中低渗透层吸液量增加，Cr3+聚合物凝胶也会造成岩石孔隙过流断面减小和渗流阻力增加，并且增幅大于高渗层，这造成中低渗透层，尤其是低渗透层启动压力升高，吸液压差减小，吸液量降低，继而出现所谓吸液剖面反转现象。

为进一步探究交替注入工艺减缓剖面反转机理，开展了三管长条均质岩心并联驱替试验。不同注入方式下，三管并联岩心驱替试验结果见表3，相关动态特征见图3。从表3和图3可以看出，与整体凝胶段塞注入工艺相比，交替注入过程注入压力升高，含水率降低，中渗层分流率增加 （实验所用岩心渗透率级差较大，低渗层未能动用），采收率增加。分析各层动态变化可知，在水驱结束，模拟基础实验阶段，随着中渗层吸液量增加，因凝胶滞留引起的渗流阻力也随之增大，进而造成中渗层吸液压差减小，分流率降低，出现吸液剖面反转，最终导致后续注入的凝胶主要在剩余油饱和度较低的高渗层中流动，调驱增油效果较差。

表3 小层各阶段分流率、采收率实验数据

图3 注入压力、含水率、分流率和采收率与注入量的关系

然而，当采用Cr3+聚合物凝胶与水交替注入工艺时，穿插于Cr3+聚合物凝胶段塞之间的水段塞会对岩心孔隙中的阳离子产生稀释作用，引起聚合物分子链双电层厚度增加，Cr3+聚合物凝胶分子线团发生膨胀，从而增强封堵效果，提升注入压力。从表3和图4所示的凝胶流动特性测试实验结果（阻力系数112.1，残余阻力系数242.4）也可以看出，Cr3+聚合物凝胶遇水会发生膨胀，造成注入压力升高［11］，改善后续注入流体的扩大波及体积能力。所以在实施交替注入后，不仅中渗透层吸液量增加，吸液剖面反转现象得以改善，采收率增大，而且高渗透层的采收率也有所增大。此外，与Cr3+聚合物凝胶分子线团相比，水分子可注入性更强，能够进入到凝胶体系无法进入的微小孔隙发挥驱替作用。因此，与Cr3+聚合物凝胶整体段塞相比，“Cr3+聚合物凝胶+水”交替注入方式具有更好的封堵和驱替效应，可有效减缓因Cr3+聚合物凝胶进入中低渗透层而引起的吸液剖面反转现象。

图4 柱状岩心注入压力与注入量关系

综上所述，与单一整体段塞相比较，Cr3+聚合物凝胶与水交替注入有利于缓解吸液剖面反转现象，提高调驱效果，但考虑到水段塞过多易引起高渗透层突进的问题，所以交替轮次数也不宜过多。本文实验条件下，4轮次为最佳交替轮次数。

3 结论

1）在单纯Cr3+弱凝胶调驱过程中适量加入水段塞有利于改善调驱效果。实验条件下，随交替注入轮次增加，采收率呈现先增后减变化趋势，4轮次交替注入时采收率增幅最大。

2）Cr3+聚合物凝胶与水交替调驱过程中，一方面凝胶前置段塞可对高渗透层实施封堵，另一方面后续水段塞不仅可使弱凝胶分子线团膨胀加强封堵效果，还可增强驱替效果，进而减缓吸液剖面反转现象。

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（编辑 孙薇）

Profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism:taking Bohai LD10-1 Oilfield as an example

LIU Yigang1,ZHANG Yunbao1,XIE Kun2,LU Xiangguo2,WANG Nan1,PAN He2
(1.Bohai Oilfield Research Institute,China National Offshore Oilfield Corporation Limited,Tianjin 300452,China;2.MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Aimed at the technical demand for relieving the inversion of imbibition profile in Bohai LD10-1 reservoir,this paper studies the profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism.During core displacement experiment in in-layer heterogeneous cores,alternative injection of Cr3+polymer gel and water has a better effect of increasing oil and decreasing water,then the mechanism of alternative injection was studied in details from the dynamic behavior and oil displacement efficiency through parallel cores displacement experiment.The results show that,compared with the whole injection of Cr3+polymer gel,alternative injection of Cr3+polymer gel and water has a better effect of"blocking and flooding".After pre-slug of polymer gel flows into and blocks off the high permeability layer,subsequent water slug on one hand can expand the molecular coils of weak gel and then strengthen blocking effect,thus improving the diverting ability of subsequent fluid.On the other hand it can enhance the displacement efficiency and relieve the phenomenon of imbibition profile inversion caused by polymer gel flowing into medium and low permeability layers.In the actual design of alternative frequency,the incursion in high permeability layers caused by too many water slugs should be considered.

Cr3+polymer gel;alternative injection;physical simulation;mechanism analysis;LD10-1 reservoir

国家科技重大专项专题“海上稠油保压热采技术示范”（2011ZX05057-005-003）

TE<357.46 class="emphasis_bold">357.46文献标志码：A357.46

A

10.6056/dkyqt201702025

2016-08-22；改回日期：2017-01-10。

刘义刚，男，1970年生，高级工程师，博士，2013年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，主要从事采油工艺技术研究与管理工作。E-mail：liuyg@163.com。

刘义刚，张云宝，谢坤，等.Cr3+聚合物凝胶与水交替注入调驱作用机理：以渤海LD10-1油田为例［J］.断块油气田，2017，24（2）：251-254.

LIU Yigang，ZHANG Yunbao，XIE Kun，et al.Profile control and flooding effect of alternative injection of Cr3+polymer gel and water and its mechanism:taking Bohai LD10-1 Oilfield as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（2）：251-254.