宽分子量聚合物/表面活性剂复合驱油体系性能评价

苑光宇 罗焕

1.中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院；2.中国石油大港油田公司采油工艺研究院

化学驱是高含水期油藏提高采收率的重要技术，目前国内油田最常用的化学驱技术主要有聚合物驱、聚/表二元复合驱、三元复合驱。聚/表二元复合驱可以最大限度发挥聚合物的黏弹性，减少采出液乳化，消除碱引起的井筒结垢现象，在化学剂成本相同的条件下，可以达到与三元体系相同的驱油效果［1］，是未来化学驱的发展方向。无论对于哪种化学驱方式，要充分发挥化学驱中聚合物的扩大波及作用，聚合物与储层的匹配性是关键。如果非均质性属于层间矛盾，层间具有良好的隔夹层，工艺条件允许，可以采用分层分质注入的方式［2-3］，比笼统注入开发效果更好［4-5］。而对于注采工艺不完善，或者非均质性强、渗透率分布范围大的层内矛盾，无法实施分注的情况，如果采用单一分子量笼统注入的方式，聚合物不能适应渗透率范围较大的储层，开发效果较差。针对这种情况，可根据地层渗透率，设计不同分子量的聚合物，组成宽分子量聚合物体系。宽分子量聚合物就是将不同分子质量的聚合物按照一定比例混合，增加分子量的分布宽度，其驱替原理为：宽分子量聚合物在流动时具有不同的水动力半径，驱油时有利于聚合物进入不同大小的孔隙，不同渗透率的储层都能得到较好动用，扩大了波及体积，从而提高采收率。

相关学者研究了宽分子量聚合物的体系性能，但是仅采用单一聚合物［6-7］。本文将宽分子量聚合物与表面活性剂复配，组成宽分子量聚合物二元复合驱油体系。通过理论计算及室内实验，全面评价了复合体系的性能，为高含水、高采出程度油田提高采收率提供了新的方法。

1 宽分子量聚合物复合体系设计依据

分子量宽度的确定、分子量的选择、比例的划分是进行宽分子量设计的关键。聚合物分子量的分布宽度通常用多分散系数表示。多分散系数［8-10］最常见的定义为

式中，D为聚合物体系多分散系数；Mn为数均分子量；Mw为重均分子量；Mi为组分i的分子量；Ni为分子量为Mi的分子个数；Wi为分子量为Mi的分子的重量。

分子量分布测定的常用方法有黏度法、光散射法、凝胶渗透色谱法、凝胶色谱与光散射联用技术、流变法、场流技术等［11-12］，对于聚合物驱或者化学驱，采用已知分子量的多种聚合物复配，可以通过推导的理论公式，计算得到某一含有多种分子量混合物的多分散系数，简便快速。

多分散系数的大小代表聚合物分子量分布的均匀程度，多分散系数越大，分子量分布范围越宽，成分就越不均匀；多分散系数越小，分子量分布越窄，成分就越均匀［13］。

2 目的层渗透率划分

根据宽分子量聚合物驱替原理，需要对渗透率分布范围较广的地层进行合理划分，对不同渗透率区间采用不同分子量的聚合物。目前常用的划分方法，一是根据渗透率分布，将渗透率区间等比例划分，如划分为3个区间，每一区间的渗透率分布比例均为1/3；二是根据渗透率范围，将渗透率区间等间距划分，例如每一个区间渗透率跨度都为300 mD。

当渗透率分布比较均匀时，2种方法划分结果基本一致；当分布不均匀时，2种方法差别较大。按第1种划分方法，分布比例大致相同，设计对应分子量时，分子量比例也大致相同；按第2种划分方法，渗透率区间大致相同，可保证该区间分子量的涵盖范围，避免第1种方法可能引起的某一区间渗透率范围大，分子量无法涵盖的问题。实际划分时，要兼顾两个方面，只要每个区间比例相差不太大，就尽量选用第2种方法。图1为某油田S区块取心井岩心渗透率分布数据（只列举了适合化学驱，即渗透率＞50 mD的分布情况）。

图1 S区块渗透率分布Fig.1 Permeability distribution of S Block

根据不同的方法对S区块渗透率进行划分结果见表1：第1种按照渗透率分布，尽量密集地划分渗透率区间；第2种按照每个区间的渗透率跨度基本相同来划分；第3种和第4种按照每个渗透率区间的渗透率比例基本相同来划分。

表1 S区块渗透率区间划分Table 1 Classification of permeability of S Block

3 聚合物分子量设计

聚合物分子量根据聚合物分子与地层岩石孔喉半径匹配关系确定。通过下式可得到某一渗透率下能够顺利注入的聚合物分子量［14］。

式中，rh为地层孔喉半径，μm；rG为聚合物分子回旋半径，μm；［η］为特性黏数，mL/g；M为相对分子质量；φ为孔隙度，%；K为渗透率，mD；C为科泽尼常数，通常取 0.2。

为了保证聚合物的顺利注入，对所划分的每一区间均取该区间渗透率最低值进行计算。聚合物的分子量和比例均影响多分散系数，分别按照渗透率区间的划分比例和多分散系数最大原则设计了11种配方，见表2。

表2 不同宽分子量聚合物复合体系性能Table 2 Properties of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

4 静态性能评价

4.1 多分散系数

根据式（1）计算表2中不同配比聚合物体系的多分散系数，可以看出，分子量的分布越靠近两边（最大值和最小值），多分散系数越大；分子量分布越集中在中间，多分散系数越小。与渗透率分布对应的4种配方中，密集划分的配方1与等配比划分的配方3、4的多分散系数均不大。配方2与配方7的多分散系数相对较大。

4.2 增黏性及与表活剂配伍性

配制不同分子量配比的宽分子量聚合物二元体系，聚合物总质量分数为0.1%，表面活性剂采用复配石油磺酸盐，质量分数0.2%，实验温度60 ℃，测试各个配方的黏度及界面张力，实验结果见表2。结果表明，聚合物分子量越大，体系黏度越大，体系中含有高分子量聚合物的比例越大，黏度越大。与渗透率分布比例相对应的4种配方中，划分密集的配方1黏度最大；多分散系数最大化的其他配方中，配方7与配方10的黏度相对较大。从实验结果看出，体系黏度低的界面张力也低，体系黏度高的界面张力也高，但均能保持10-3mN/m数量级，说明虽然复配的宽分子量聚合物二元体系成分较为复杂，聚合物分子链长短不一，但并未明显改变活性剂分子在油/水相的分配系数，且并未过多地在油水界面吸附［15］，进而影响表面活性剂分子在油水界面的聚集，与表面活性剂具有较好的配伍性。

4.3 溶解性与稳定性

宽分子量聚合物配制成溶液以后，无未溶解的胶团或颗粒，几种宽分子量聚合物配方的过滤因子基本在1～1.1之间变化，溶解性较好。

5 驱替实验

5.1 不同配比宽分子量聚合物二元体系驱油实验

5.1.1 实验方法 采用多管并联岩心（小岩柱）模拟多层非均质地层，各层渗透率分别与渗透率划分相对应，通过控制岩心长度实现渗透率的比例，每一个小岩柱的渗透率取每一个划分区间的平均渗透率。根据不同的实验目的，设计了5组驱油实验：结合分子量设计是否与渗透率分布相对应、多分散系数以及增黏性能，选择配方1、配方2、配方7、配方10，另外增加一个单一聚合物的配方12（100%（2 000万）P+0.2%S）。5个配方的聚合物（总）质量分数均为0.1%，表面活性剂质量分数0.2%，注入量均为0.6 PV，实验温度60 ℃。

5.1.2 结果分析 从表3可以看出，与渗透率分布相对应的配方1和配方2采收率增幅最大，且二者相差不多，而多分散系数最大的配方7和黏度最大的配方10的采收率增幅略差一些。这也说明了影响化学驱油效果最大的因素是聚合物与储层的匹配性，而不是一味追求分子量分布的“宽”和高黏度。分子量分布越宽，也就是多分散系数越大的聚合物体系，分子量跨度大（最大值和最小值之间）且两边所占配比较大，其分子量配比一般都无法与实际储层的渗透率分布相对应。聚合物分子如果能顺利进入孔喉，则黏度越大，越容易发挥聚合物的黏弹性效应［16］，但是如果聚合物分子不能进入部分孔喉，不可波及孔隙体积过多，即使体系黏度大，驱替效果也不理想［17］，如配方10。如果低分子量聚合物较多，且进入较大孔隙中，黏弹作用不如高分子量聚合物，微观驱替效果略差，如配方7。实验中，配方7和配方10的驱替压力也明显高于配方1和配方2，除了因为二者黏度更大之外，配方中高分子量聚合物比例更大，聚合物不可波及孔隙体积更多，也是重要原因。配方1和配方2相比较，采收率提高值相差不大，说明过分密集的划分渗透率区间，使聚合物分子量与之对应，并不能显著改善驱替效果，只要渗透率在一定范围内与聚合物分子匹配即可。

表3 不同宽分子量聚合物复合体系驱油效果Table 3 Displacement efficiency of different combination systems of broad-molecular-weight polymer

宽分子量聚合物二元体系驱替效果明显好于单一分子量聚合物二元体系驱（配方12），前者同时发挥了宽分子量的波及能力与表面活性剂的微观洗油能力，在水驱基础上的采收率提高幅度更大。

5.2 不同非均质性储层的驱油实验

5.2.1 实验方法 为了对比不同非均质性储层的驱油效果，采用多组填砂管并联模拟层间非均质性，采用多层非均质压制岩心模拟层内非均质性。因为多层压制岩心各层长度相同，无法单独控制每层的长度来模拟渗透率分布比例，因此并联管模型也采用等长的填砂管，且配方采用均匀分布的分子量构成（即配方4）。宽分子量聚合物分子量分别与每一层渗透率相对应，聚合物质量分数均为0.1%，表面活性剂质量分数0.2%，注入量均为0.6 PV，采用笼统注入的方式，对比在相同水驱采收率基础上的采收率提高值。

5.2.2 结果分析 宽分子量聚合物二元体系配方4在层间非均质性岩心的采收率提高值为16.1%，在层内非均质岩心的采收率提高值为15.8%，两者基本相同。隔夹层的存在虽然不利于驱油体系在地层深部从高渗层向低渗层波及，但防止了已经在低渗层的驱油体系向高渗层窜流。对于没有隔夹层的层内非均质地层，如果是正韵律分布，在剖面容易形成反漏斗形的波及区域，在近井地带驱替范围大，对中低渗透层均有波及，随后窜入高渗层驱替，且在地层深部对中渗层仍有波及。综合来看，同一种宽分子量聚合物二元体系对两种非均质性地层的波及效果相差不大。

5.3 宽分子量注入与多轮次注入实验

5.3.1 实验方法 多轮次注入是指将宽分子量体系拆分开，分多轮次依次注入，或者称为交替注入。国内已有很多关于不同体系多轮次注入或交替注入的研究［18-20］，本实验旨在对比宽分子量聚合物二元体系与多轮次注入二元体系驱油效果。采用等长的并联填砂管模型，配方采用配方4以及将其拆分的多轮次体系，宽分子量体系拆分后的性能如表4所示。聚合物质量分数均为0.1%，表面活性剂质量分数0.2%，注入量均为0.6 PV，采用笼统注入的方式，多轮次体系注入时，按照分子量从高到低（从段塞1开始）依次注入。

表4 多轮次注入体系各段塞性能Table 4 Properties of each plug of multi-cycle injection system

5.3.2 结果分析 宽分子量聚合物二元体系在水驱基础上的采收率提高值为16%，多轮次注入的采收率提高值为16.4%，两者基本相同。分析原因主要是：（1）多轮次注入机理是前一轮次进入较高渗透层，后一轮次进入较低渗透层，以此类推，最后平行推进［21］，平行推进要求驱替相与各层的匹配性更高，保证各层启动压力相同才能实现，但在实际情况中较难实现。（2）多轮次注入更注重从宏观上实现聚合物与储层的匹配，而宽分子量更注重在微观上的匹配性。对于在宏观上相对均质、微观非均质性较强的储层，宽分子量体系更具有优势。（3）多轮次注入，如果不同段塞间黏度差异大，后续注入的段塞容易从前一段塞指进，或者从旁边绕流，宽分子量聚合物中高分子量聚合物携带低分子量聚合物，不存在指进现象。（4）多轮次体系中，高分子量段塞的黏度较高，可以扩大宏观及微观波及体积，但由于黏度略高，体系无法达到超低界面张力（如表4段塞1），抑制了驱油效率。

总体来看，宽分子量体系与多轮次注入体系从机理上来说各有优势，体现在最终的采收率上，二者差别不大。如果考虑现场实施中多轮次注入工艺的复杂性［22］，宽分子量体系优势明显。

6 结论

（1）宽分子量聚合物体系黏度随着高分子量聚合物的比例增加而增大，反之则降低；随体系黏度增加，界面张力略有增加，但没有数量级的改变，配伍性较好。

（2）宽分子量聚合物复合体系同时发挥了宽分子量聚合物扩大波及作用以及表面活性剂提高洗油效率作用，可以在水驱基础上提高采收率15%以上。

（3）目标储层的渗透率区间划分与宽分子量聚合物中不同分子量配比息息相关，且划分数量要适中，既能体现分子量分布宽度的优势，又能有较好的驱油效果。

（4）只有宽分子量聚合物体系与储层非均质情况匹配最好，而不是多分散系数最大时，才能取得最好的驱油效果；宽分子量聚合物二元体系在层间与层内非均质地层中驱油效果相差不大；宽分子量聚合物二元体系与多轮次注入相比，驱替效果基本相同，考虑到注入工艺，前者优势明显，为推荐注入方式。