J油田吸附滞留和不可及孔隙体积实验研究

2019-01-17王欣然刘宗宾李红英瞿朝朝颜冠山

石油化工高等学校学报 2019年1期

王欣然，刘宗宾，李红英，瞿朝朝，颜冠山

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459）

聚合物驱已成为渤海油田三次采油的主要手段，该技术能够改善流度比、扩大波及体积和改善层间矛盾，在矿场实际应用中取得较好的效果[1-5]。但在聚合物驱过程中，一方面，由于驱替过程中液-固界面的吸附损耗，导致聚合物段塞有效性降低；另一方面，由于聚合物分子无法通过较小的孔喉，从而减小了聚合物的波及体积，因此聚合物在储层中的吸附滞留孔隙体积（RPV）和不可及孔隙体积（IPV）是影响驱油效果的关键因素，在聚合物驱方案设计、效果评价以及数值模拟过程中具有重要影响[6-11]。目前，对RPV和IPV的研究多以陆地油田为研究对象，对海上油田研究较少。相比陆地油田，海上油田具有注采井距大，采油速度快等特点，不能直接照搬陆地油田经验，因此根据相似准则，参考渤海J油田的特征参数，研究不同储层物性和不同注聚质量浓度下的IPV与RPV的变化规律，从而指导油田聚合物驱数值模拟及方案优化。

1 实验原理

渤海J油田储层RPV和IPV采用双段塞浓度剖面法[12]。根据弥散渗流理论，任意时刻质量浓度剖面上相对质量浓度为0.5的点以恒定的驱替速度向前移动，因此在出口端质量浓度剖面曲线上，相对质量浓度为0.5对应的PV数为聚合物的累积注入PV数。相对质量浓度为0.5的剖面以注入速度向前移动。图1为相对产聚质量浓度剖面示意图。

图1 相对产聚质量浓度剖面示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of relative polymer output mass concentr ation

由图1可知，第一次注入聚合物时，由于存在不可入孔隙会使剖面运移较快，相对于理想情况提前产出，但由于吸附作用的存在，又减缓了剖面运移速度，相对于无RPV和IPV的理想情况滞后产出。根据物质平衡原理，注入PV数（A）与IPV之和等于1个PV数与RPV之和，即：

式中，A为第一次聚合物驱段塞前缘突破时对应的体积倍数。

由于第一次聚合物驱吸附已达到饱和，第二次聚合物驱不存在吸附的影响，且由于存在不可入孔隙，因此剖面提前于理想情况下的产出曲线，1个PV数与相对质量浓度为0.5对应的PV数的差值应等于IPV。即：

通过式（1）与式（2）联立求解，得到：

式中，B为第二次聚合物驱段塞前缘突破时对应的体积倍数。

聚合物产出质量浓度的测试采用淀粉-碘化镉比色法[13]，此方法适合测定微量物质的质量浓度，让聚合物溶液与溴水反应生成溴代酰胺，溴代酰胺在pH为5.0的酸性条件下与淀粉-碘化镉反应生成蓝色三碘-淀粉络合物，在580 nm处测不同质量浓度的吸光度，并绘制吸光度与聚合物溶液质量浓度关系曲线，从而通过吸光度判断聚合物产出质量浓度。

2 实验方法

2.1 实验材料及仪器

实验材料：三水合醋酸钠、水合硫酸铝、冰醋酸、饱和溴水、甲酸钠、淀粉、碘化镉、渤海J油田聚合物、模拟地层水，组成及矿化度见表1。实验岩心为人造岩心，物性参数参照渤海J油田东营组东二下段三个主力油组设计。实验温度为65℃。

表1 渤海J油田地层水分析数据Table 1 Formation water analysis data of Bohai J oilfield mg/L

实验仪器：722型光栅分光光度计（上海分析仪器总厂）；PHS-3D酸度计（上海三信仪表厂）；HJ-5型多功能搅拌器（常州蒙特仪器制造有限公司）；岩芯夹持器（爱帝工业控制技术有限公司）；Teledyne Isco的高压高精度柱塞泵（美国Isco公司）等。

2.2 实验步骤及流程

2.2.1 标准曲线测试步骤 ①取三水合醋酸钠及水合硫酸铝各0.75 g，在800 mL蒸馏水中溶解，以冰醋酸调节pH至4.0并稀释至1 000 mL。②取11 g碘化镉溶于400 mL蒸馏水中，加热煮沸10 min，稀释至800 mL后，加入2.5 g可溶性淀粉，生成淀粉-碘化镉并稀释至1 000 mL。③将1 000 mg/L的聚合物溶液用蒸馏水稀释成质量浓度分别为5、10、15、20、25、30、40、50、60 mg/L的标准溶液；④分别取不同质量浓度溶液1 mL，用蒸馏水稀释至25 mL，加入1 mL饱和溴水，反应10 min后加入1%的甲酸钠溶液3 mL，反应5 min后加入5 mL淀粉-碘化镉试剂，反应10 min后使用722型光栅分光光度计在580 nm处测其吸光度C。⑤以C为纵坐标，聚合物质量浓度为横坐绘制标准曲线。

2.2.2 岩心驱替实验流程 ①岩心抽空饱和水，测定岩心渗透率，计算孔隙体积，测定岩心渗透率；②聚合物溶液恒速0.5 mL/min驱替岩心中的水，每1 mL接一个样，随时测定样品中的聚合物质量浓度，直到出口端聚合物质量浓度等于入口端；③水冲洗岩心，直到出口端聚合物质量浓度为0；④第二次用聚合物溶液恒速0.5 mL/min驱替岩心中的水，每1 mL接一个样，随时测定样品中的聚合物质量浓度，直到出口端聚合物质量浓度等于入口端。⑤更换实验样品，重复①-④步。图2为聚合物驱实验流程。

图2 聚合物驱实验流程Fig.2 Flow chart of polymer flooding experiment

3 结果与分析

3.1 标准曲线测试实验结果

图3为不同质量浓度聚合物与淀粉-碘化镉显色反应。由图3可知，不同质量浓度的聚合物溶液经淀粉-碘化镉比色法显色后，呈现不同深度的蓝色，且随着聚合物溶液质量浓度增加，蓝色深度逐渐增加，体现二者之间具有较好的正相关性。

图3 不同质量浓度聚合物与淀粉-碘化镉显色反应Fig.3 Color reaction of polymer with str ach-cadmium iodide under different mass concentrations

使用722型光栅分光光度计在580 nm处，分别测试9种聚合物溶液质量浓度下反应的溶液吸光度，将数据点投放在直角坐标系后，聚合物质量浓度与吸光度具有较好的线性关系，线性回归方程也具有较高的拟合系数（见图4），说明该方法能够较为可靠地通过吸光度推算不同时刻产出端聚合物溶液质量浓度。

图4 聚合物质量浓度标准曲线Fig.4 Standard curve of polymer mass concentration

3.2 岩心驱替实验结果

将实验岩心分为两组，每组均由高、中、低三种渗透率的岩心组成，代表了渤海J油田三个主力油组的平均物性，岩心基础数据见表2。第一组岩心驱替用聚合物溶液质量浓度为1 200 mg/L，第二组岩心驱替用聚合物溶液质量浓度为1 500 mg/L。

表2 实验岩心基础数据Table 2 Base data of experimental core

两组岩心在不同质量浓度聚合物溶液驱替下的相对产出曲线如图 5所示。其中，图 5（a）、（c）、（e）为不同渗透率岩心在质量浓度为1 200 mg/L聚合物溶液驱替一次及二次产聚剖面曲线，图5（b）、（d）、（f）为不同渗透率岩心在浓度为1 500 mg/L聚合物溶液驱替一次及二次产聚剖面曲线。由于扩散弥散现象的存在，岩心出口端产聚剖面曲线均呈现S型。分别读取各岩心相对产聚质量浓度为0.5时对应的第一次、第二次聚合物驱替产出曲线上对应的PV数，即A、B值，根据式（2）、（3）可以求得不同实验条件下岩心的吸附滞留孔隙体积和不可及孔隙体积。

图5 实验岩心相对产聚质量浓度曲线Fig.5 Relative polymer output concentr ation of exper imental cor e

图6 为注入不同聚合物溶液质量浓度下，吸附滞留孔隙体积随岩心渗透率变化曲线。由图6可以看出，注聚质量浓度为1 200 mg/L时，吸附滞留孔隙体积RPV为0.04～0.16 PV；注聚质量浓度为1 500 mg/L时，吸附滞留孔隙体积RPV为0.12～0.22 PV。在相同注聚条件下，随着岩心渗透率的降低，吸附滞留孔隙体积RPV逐渐增大。主要原因为相同体积的岩性渗透率越低，其内部的固体表面积越大，从而增加了固体表面吸附点的数目，使更多的聚合物分子吸附在岩心内部，导致吸附滞留孔隙体积越大。

图6 吸附滞留孔隙体积与岩心渗透率关系Fig.6 Relationship between adsorption retention pore volume and core permeability

相比于注聚质量浓度为1 200 mg/L条件下，注聚质量浓度为1 500 mg/L时，相同渗透率级别岩心的产聚质量浓度上升速度更快（见图5），且吸附滞留孔隙体积RPV增加，这是因为更高质量浓度的聚合物溶液，具有更强的扩散弥散作用，相同时间内有更多的聚合物分子扩散到驱替前缘聚的过渡带中，同时由于驱替相为更高质量浓度的聚合物溶液，即单位溶液体积含有更多的聚合物分子，从而导致相同渗透率级别下，岩心内部固体面积上能够接触到更多的聚合物分子，从而造成了吸附滞留孔隙体积RPV的增加，其中，随注聚质量浓度上升，低渗透率岩心RPV增幅较大，而高、中渗透率岩心RPV增幅相对较小。因此，若在低渗层独立作为一套开发层系的情况下，使用高质量浓度聚合物驱时，应考虑吸附滞留现象对低渗层带来的不利影响。而渤海J油田采用三个主力层系合采的开发方式，其中高、中渗透层动用地质储量占总动用地质储量的82.3%，低渗透率层对油田整体储层的RPV影响较小，因此可适当增加注聚质量浓度，从而加强聚合物溶液改善流度比的能力。

图7为注入不同聚合物溶液质量浓度下，不可及孔隙体积随岩心渗透率变化曲线。在实验岩心条件下，注聚质量浓度为1 200 mg/L时，不可及孔隙体积IPV为0.12～0.20 PV；注聚质量浓度为1 500 mg/L时，不可及孔隙体积IPV为0.15～0.22 PV。在相同注聚质量浓度条件下，岩心渗透率越低，不可及孔隙体积越大，主要原因为渗透率越低的岩心，平均孔喉半径越小，孔喉的毛管力越大，使聚合物溶液中的大分子难以通过，从而导致不可及孔隙体积增加。

图7 不可及孔隙体积与岩心渗透率关系Fig.7 Relationship between inaccessible pore volume and core permeability

相比于注聚质量浓度为1 200 mg/L条件下，注聚质量浓度为1 500 mg/L时，相同渗透率级别岩心的不可及孔隙体积增加，这是因为随着聚合物质量浓度升高，聚合物溶液的黏度也随之增加，从而加大了驱替相的黏滞力，使聚合物溶液的渗流阻力进一步增加，聚合物分子更加难以进入到较小的孔喉中，导致不可及孔隙体积增加，但增加幅度较小。由于不可及孔隙体积IPV会降低聚合物溶液的渗流阻力，从而影响扩大波及体积效果，因此适当增加注聚质量浓度，能够削弱IPV带来的不利影响。