Cr3+聚合物凝胶动吸附特性实验研究

别梦君 卢祥国 刘英宪 张宏友 岳宝林

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459; 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+聚合物凝胶动吸附特性实验研究

别梦君1卢祥国2刘英宪1张宏友1岳宝林1

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459; 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)

通过室内仪器检测，展开Cr3+聚合物凝胶动吸附量及其影响因素实验研究。分析表明，聚合物和交联剂的浓度越高，岩心渗透率越低，Cr3+聚合物凝胶动吸附量也越大，进而导致注入压力越高，即阻力系数和残余阻力系数越大。根据分析结果，给出了聚合物和交联剂的适宜浓度范围。

Cr3+聚合物凝胶； 动吸附； 阻力系数； 残余阻力系数

Cr3+聚合物凝胶调驱在渤海稠油油藏“增油降水”实践中发挥着重要作用，日益受到重视[1]。 Cr3+聚合物凝胶在油藏岩石传输运移过程中，会受到岩石表面的吸附作用、孔喉的机械捕集和水动力学捕集作用影响，导致岩心孔隙过流断面缩小，流动阻力增加，从而扩大了波及体积，提高了采收率[2]。Cr3+聚合物凝胶各组分质量浓度的合理设计非常重要。本次研究根据渤海稠油油藏开发实际，以仪器分析方法为手段，开展了Cr3+聚合物凝胶动吸附量及其影响因素实验研究和机理分析，以期为渤海稠油油藏Cr3+聚合物凝胶调驱效果改善提供参考。

1 实验原理

采用分光光度法检测采出液中的聚合物浓度。动吸附实验与流动性实验同时进行，主要实验步骤如下：

(1) 取渤海油田含油砂人造岩心，抽空饱和油田模拟水，计算孔隙度和水测渗透率。

(2) 注聚合物凝胶，质量浓度为Cp1，直到压力稳定；约5PV，收集采出液，称重为W1。

(3) 注模拟水直至压力稳定，约5PV，收集采出液，称重为W2。

(4) 检测采出混合液(重W1+W2)中聚合物浓度Cp2。

(5) 按公式计算动吸附量：

(1)

注入岩心聚合物量=Cp1×W1

流出岩心聚合物量=Cp2×(W1+W2)

阻力系数(FR)和残余阻力系数(FRR)是描述化学剂在多孔介质内滞留量或流动性的技术指标：

(2)

式中：δp1—— 水驱压差，MPa；

δp2—— 化学驱压差，MPa；

δp3—— 后续水驱压差，MPa。

2 实验条件

采用特殊工艺将渤海油田天然油砂与环氧树脂石英砂混合压制成柱状岩心[3]，该岩心表面性质与天然岩心接近。岩心渗透率Kg分别设计为1 000×10-3、2 000×10-3、3 000×10-3μm2，几何尺寸为Ф2.5 cm×10 cm。

聚合物选用大庆炼化公司所制的水解聚丙烯酰胺，其相对分子质量为1 900×104(简称“高分”聚合物)，固含量为88%。交联剂为有机铬，由中海石油(中国)有限公司天津分公司提供，Cr3+有效含量为2.7%。依据旅大5-2油田水源井水质分析结果在室内配制实验用水，其水质分析见表1。实验中所有样品均采用模拟水配制，实验温度为油藏温度50 ℃。

表1 水质分析表 mgL

表1 水质分析表 mgL

实验用水阴离子含量阳离子含量CO2-3HCO-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K++Na+矿化度水源水0173.904848.80156.10816.6094.202169.806502.40

黏度由DV-Ⅱ型布氏黏度计测定。流动特性实验仪器设备主要包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等。除平流泵和手摇泵外，其他设备置于50 ℃恒温箱内。

3 实验结果分析

3.1 聚合物浓度的影响

(1) 阻力系数和残余阻力系数。Cr3+聚合物凝胶阻力系数和残余阻力系数测试结果见表2。

由表2可以看出，在岩心渗透率和交联剂浓度(Cr3+)相近的条件下，随聚合物浓度增加，Cr3+聚合物凝胶动吸附量、阻力系数和残余阻力系数也增大。

(2) 动态特征。Cr3+聚合物凝胶的注入压力与PV数关系见图1。在岩心渗透率和交联剂浓度(Cr3+)相近的条件下，聚合物质量浓度越大，与岩心孔隙内壁接触的聚合物分子越多，发生吸附的机率也越大。此外，聚合物溶液在岩心注入过程中，孔喉的机械捕集及水动力学捕集作用(但仍以吸附作用为主)也会增强，故动吸附量加大[4-5]。

表2 阻力系数和残余阻力系数

注：m(聚) ∶m(Cr3+)=270 ∶1，Kg=3 000×10-3μm2。

图1 注入压力与PV数关系

在化学驱阶段，部分Cr3+聚合物凝胶滞留到岩石孔隙中，导致岩心孔隙过流断面减小，流动阻力增加，在一定程度上扩大了波及体积，注入压力逐步升高。聚合物浓度越大，在岩石孔隙中的滞留量也越多，对岩石的封堵能力也越强，从而注入压力越高。在后续水驱阶段，由于注入水的稀释作用，聚合物分子链表面原有的电荷动态平衡会被破坏。一部分阳离子会从扩散层进入到Stern层，聚合物分子链的负电荷数量进一步减少，静电排斥力降低，促使原本卷曲的分子链变得更卷曲。其 “分子内”交联反应会加剧，分子线团变得更紧凑，变形能力进一步变差，使得原来已经处于捕集状态的分子线团越不易通过变形挤出孔隙而被采出，即封堵作用强烈，渗流阻力增大，注入压力持续上升，并且最终趋于稳定[6]。

根据动吸附量增量、注入压力及经济性角度综合分析，认为聚合物适宜浓度范围为1 000～1 800 mgL。

3.2 交联剂质量浓度的影响

(1) 阻力系数和残余阻力系数。Cr3+聚合物凝胶阻力系数和残余阻力系数测试结果见表3。

可以看出，在岩心渗透率和聚合物质量浓度相近的条件下，交联剂质量浓度越大，铬离子与聚合物分子链之间的有效碰撞也越多。交联点增多，可交联基团相互交联的概率增大，进而交联反应速率增加，反应进度增大，从而形成了更多的网络状结构基团[7]，分子间的范德华力越大；故Cr3+聚合物凝胶动吸附量越大，其封堵能力更强，注入压力越高，阻力系数和残余阻力系数也越大。

表3 阻力系数和残余阻力系数

(2) 动态特征。Cr3+聚合物凝胶注入压力与PV数关系见图2。

图2 注入压力与PV数关系

从图2可以看出，在岩心渗透率和聚合物质量浓度相近条件下，随“m(聚) ∶m(Cr3+)”减小即交联剂质量浓度增加，动吸附量增加，注入压力提高。

同样地，综合分析得出交联剂适宜的质量比例，“m(聚) ∶m(Cr3+)”应在270 ∶1与450 ∶1之间。

3.3 渗透率的影响

(1) 阻力系数和残余阻力系数。Cr3+聚合物凝胶阻力系数和残余阻力系数测试结果见表4。

从表4中可以看出，在聚合物质量浓度和“m(聚)∶m(Cr3+)”相近的条件下，随岩心渗透率降低，动吸附量增大、阻力系数和残余阻力系数增大。

(2) 动态特征。Cr3+聚合物凝胶注入压力与PV数关系见图3。从图3可以看出，在聚合物质量浓度和“m(聚):m(Cr3+)”相近时，随岩心渗透率降低，注入压力升高。这是因为岩心渗透率越小，内壁表面积越大，Cr3+聚合物凝胶与颗粒接触面积也越大，从而发生动吸附的几率越大，故动吸附量越多。此外，孔隙半径也越小，孔喉的机械捕集及水动力学捕集作用越强，导致Cr3+聚合物凝胶对孔隙的封堵性增强。因此，Cr3+聚合物凝胶动态滞留量越大，流动阻力越大，注入压力也随之升高。

表4 阻力系数和残余阻力系数

图3 注入压力与PV数关系

4 结 语

(1) 聚合物质量浓度越大，交联剂用量越多，则岩心渗透率越低，岩心对Cr3+聚合物凝胶动吸附量也越多；注入压力越高，阻力系数和残余阻力系数也越大。

(2) 聚合物适宜的质量浓度范围应为1 000～1800mgL，交联剂比例“m(聚)∶m(Cr3+)”应在270 ∶1与450 ∶1之间。

[1] 魏淋生，唐金星，卢祥国.聚合物及聚合物交联微凝胶调驱效果评价[J].大庆石油地质与开发，2001，20(5)：35-39.

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[3] 卢祥国，高振环，闫文华.人造岩心渗透率影响因素试验研究[J].大庆石油地质与开发，1994，13(4)：53-55.

[4] 李宜强，曲成永.高岭土对聚丙烯酰胺静吸附与动滞留的影响[J].海洋石油，2010，30(2)：72-76.

[5] 赵天逸，宁正福，何斌，等. 页岩等温吸附理论模型对比分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2014，16(6)：55-58.

[6] 卢祥国，王伟，孙刚. 电解质对聚合物溶液渗流特性影响及作用机理研究[J].大庆石油地质与开发，2007，26(1)：104-108.

[7] 李明远，郑晓宇，肖建洪，等.交联聚合物溶液及其在采油中的应用[M].第1版. 北京：化学工业出版社，2006：14-19.

Experimental Study on Adsorption Characteristics of Cr3+Polymer Gel

BIEMengjun1LUXiangguo2LIUYingxian1ZHANGHongyou1YUEBaolin1

(1.Tianjin Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Tianjin 300459, China; 2.Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318, China)

A series of experiments were carried out to study the dynamic and static adsorption capacity of Cr3+polymer gel, its influence factors and mechanism by means of instrument detection. The results indicated that the higher concentration of polymer and crosslinker, the lower core permeability is, as well as the greater amount of dynamic adsorption of Cr3+polymers, which causes the injection pressure to rise, meaning that resistance factor and residual resistance factor increase. Thus, the adjustable polymer concentration range and crosslinking agent concentration range are both revealed.

Cr3+polymer gel; dynamic absorption; resistance factor; residual resistance factor

2017-04-10

“十二五”国家科技重大专项 “海上稠油油田高效开发示范工程(二期)”(2011ZX05057)

别梦君(1987 — )，男，硕士，工程师，研究方向为油气田开发理论与方法。

TE357

A

1673-1980(2017)04-0028-04