渤海Q油田三种不同驱油体系传输运移能力对比研究

杨 彬，高建崇，吴彬彬，吴雅丽，李 奇，刘文华

（1．中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；2．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

海上Q油田属于河流相沉积，储层埋藏浅，处于欠压实阶段，成岩作用较弱，砂岩疏松，非均质性强，在长期注水开发过程中，水流优势通道逐渐形成，非均质性加剧。以聚丙烯酰胺为增稠剂主体的聚合物驱是一项重要的三次采油方法，但在非均质性强的油田应用效果较差[1-4]。目前，针对非均质性比较强的油藏，可以通过同时具有调和驱双重功能的驱油体系达到较好的“稳油控水”目的，这类体系常用的有WQ、HG等[5-8]。

由于WQ和HG为两种不同类型的驱油体系，驱油机理也有所差别，为了筛选出更适合Q油田的驱油体系，有必要研究这两种驱油体系与油藏之间的适应性。本文主要以传输运移能力为研究对象，分析驱油体系在岩心中的运移规律，并从驱油体系的分子结构和溶液性能进行相关解释。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

实验材料：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），HG，WQ，Q油田模拟水，标准3#白油，均质人造胶结岩心（30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm，中间两个测压点等距分布）。

实验仪器：Brookfield DV-Ⅱ电子数显黏度计，哈克RS600高温高压流变仪，吴茵剪切机，恒温水浴搅拌器，动静态光散射仪，Pure扫描电镜，紫外分光光度计，多功能化学驱替设备。

1.2 实验方法

1.2.1 结构性能分析

（1）扫描电镜分析。分别将HPAM 和HG 配制成浓度为200 mg/L的溶液（蒸馏水做溶剂），通过扫描电子显微镜观察两种聚合物剪切前后的分子聚集形态。扫描电镜实验的样品制备：使用液氮将样品低温快速冷冻，并用低温冷冻干燥法在-50 ℃下使水分在真空环境中升华，基本保证样品始终在固态情况下干燥，从而把高分子在干燥过程中的迁移运动减少到最低程度。最后，样品喷金后拍摄电镜照片，以此观察到的分子聚集形态应更接近原始条件下溶液中的聚集体形态。

（2）分子线团尺寸测定。采用动静态光散射仪测定三种驱油体系剪切前后的分子线团尺寸。聚合物测试样品配制：使用1%的NaCl溶液分别配制浓度均为200 mg/L的HPAM和HG溶液，静置2 h，待测；WQ测试样品配制：初始粒径用3#白油做分散介质，在烧杯中加入0.5 g样品，然后加入100 mL 3#白油，搅拌后放入超声波清洗仪中超声分散5 min，待测。WQ吸水溶胀后粒径测试用水做分散介质。

（3）静态吸附量测定。用模拟水配制一系列浓度为 200，400，600，800，1000，1500，1800，2000 mg/L的三种驱油体系水溶液，放入烘箱48 h后，测定初始浓度；准确称取5.0 g粒径为40～60目的石英砂与体系溶液，按1∶4的固液比加入稳定瓶，摇匀后放入恒温箱中，定时振荡以使石英砂与溶液充分接触，48 h后，取上部清液稀释到浓度为100 mg/L后，进行吸附平衡后的浓度测定，计算不同驱油体系静态吸附量。

1.2.2 传输运移能力实验

（1）体系浓度和黏度。实验中使用的体系为经过机械剪切作用，模拟现场聚合物从地面到地层的降解，即在相同剪切条件下（均为1档剪切20 s）。采用吴茵剪切机的机械剪切来模拟炮眼剪切作用，控制浓度使驱油体系溶液的黏度相同。

（2）物模实验。模拟Q油田油藏条件，采用均质人造胶结岩心，进行不同驱油体系溶液注入性物理模拟实验。实验过程：水驱至压力稳定→驱油体系驱至压力稳定→后续水驱至压力稳定，记录压力，并根据压力计算阻力系数与残余阻力系数。

2 实验结果与讨论

2.1 结构性能

2.1.1 分子聚集形态

浓度均为200 mg/L 的HG和HPAM溶液剪切前后的显微形貌见图1和图2。由于HG分子链上含有疏水基团，在水中发生缔合作用，主要以分子间缔合为主，分子链之间缠绕紧密，形成三维立体空间网状结构（图1a）；剪切后，三维立体空间网状结构被破坏，剪断后的小分子链卷曲，但仍缠绕聚集在一起（图1b）。HPAM为聚丙烯酰胺主链构成，在水中呈线条状，分子链收缩，分子间缠绕聚集少（图2a）；剪切后小分子链不再舒展（图2b）。

2.1.2 分子线团尺寸

在1%的NaCl盐水中，浓度均为200 mg/L的HG溶液和HPAM溶液相比较，HG溶液的分子线团较大，这是由于 HG的缔合作用形成三维立体空间网状结构，故分子线团较大；而HPAM为部分水解聚丙烯酰胺，盐水中聚合物分子链收缩，分子间缠绕聚集少，故分子线团较小；剪切后HG和HPAM的分子线团尺寸分别为376.32 nm和182.46 nm，其分子线团尺寸都减小（表1）。WQ为微凝胶颗粒，吸水后发生膨胀，吸水1 d后分子线团达358.30 nm，其膨胀倍数约3.5倍（表2）。

表1 HG和HPAM剪切前后分子线团对比 nm

表2 WQ吸水前后分子线团变化 nm

2.1.3 吸附能力

吸附是聚合物在岩石表面的富集现象，聚合物分子通过化学键、静电、氢键、范德华力可逆或不的聚集浓缩到矿物岩石/水界面，使界面附近聚合物浓度远高于溶液中聚合物平均浓度的现象。静态吸附量是指当聚合物溶液与岩石颗粒长期接触达到吸附平衡后，单位岩石颗粒表面积或单位岩石颗粒质量所吸附聚合物的质量。

图1 HG溶液剪切前后显微形貌

图2 HPAM溶液剪切前后显微形貌

从图3可以看出，HG和HPAM的静态吸附量均随着浓度的增大先增加，后稳定不变，浓度大于1000 mg/L时，HPAM吸附趋于饱和，饱和吸附量约为330 µg/g；浓度大于1500 mg/L时，HG吸附趋于饱和，饱和吸附量约为1600 µg/g。HG的饱和吸附量要远远大于HPAM的饱和吸附量，说明HG具有强吸附性，这是由于HG分子链上的活性基团与岩石颗粒表面发生化学反应，生成化学键引起的吸附，WQ的静态吸附量接近0。

图3 HG和HPAM静态吸附量实验结果

2.2 传输运移能力实验结果

传输运移能力是评价驱油体系沿地层（岩心）驱替方向滞留量分布均匀程度的技术指标，滞留量分布越均匀，传输运移能力越强。由于驱油体系在岩心区间的滞留量大小与压差值呈正相关关系，实验过程中可通过测定驱替稳定时岩心各测压点区间的压差值来反映传输运移能力的大小。

传输运移能力实验中使用的WQ为吸水膨胀1 d后的交联聚合物微球，实验体系浓度和剪切降解前后的黏度见表3。WQ剪切前后黏度变化不大，这是由于微球为预交联微凝胶颗粒，在水中以固体颗粒形式分散，不具有增黏性。820 mg/L的HG溶液黏度达137.00 mPa·s，远高于1150 mg/L的HPAM溶液黏度，这是由于HG在水溶液中产生缔合作用形成空间网状结构，并且 HG分子间除了氢键和范德华力之外，还有较强的缔合作用力，具有较强的结构黏度，表现在溶液表观黏度高。HPAM在水溶液中只存在氢键和范德华力，表观黏度以本构黏度为主。剪切作用会破坏 HG的空间网状结构，导致结构黏度大幅降低，因此，在相同剪切条件下，HG剪切损失率较大，达78.0%。

表3 传输运移能力实验用体系浓度和黏度

传输运移能力实验使用剪切后黏度相近的 HG溶液和HPAM溶液以及2000 mg/L的WQ溶液，实验用岩心参数见表4。

从图4和图5可以看出，HG和HPAM注入岩心后压力变化规律都是随着注入倍数增大先上升后趋于平稳，不同的是，注入 HG稳定后压力要比注入HPAM稳定后压力大很多，后续水驱稳定时HG压力也要比HPAM压力大。HG的阻力系数和残余阻力系数分别是56.38和14.05，HPAM的阻力系数和残余阻力系数分别是17.28和5.36。这是由于HG的分子尺寸比HPAM大，静态吸附量更大，HG在岩心里的滞留量也更大，流动阻力更大，因此，在多孔介质中产生的阻力系数和残余阻力系数更大。

表4 实验岩心参数

图4 注HG岩心压力变化

图5 注HPAM岩心压力变化

图6为注入WQ岩心变化情况，可以看出，P1、P2和P3增大过程中出现波动，随后缓慢增大趋于稳定。后续水驱时压力出现波动，稳定后压力降低幅度较小。WQ的阻力系数和残余阻力系数分别是40.11和35.47。这主要是由于WQ为弹性预交联微凝胶颗粒，在岩心运移过程中发生“封堵—变形—突破—再封堵—再变形突破”，后续水驱时主流道上的WQ颗粒受压变形，一部分发生运移，导致压力发生波动，一部分深入孔径更小的喉道，封堵吼道，增大压力。当运移的颗粒排出岩心后，水流通道形成，压力稳定。从岩心各区间压差比值大小看（表5），三种驱油体系的传输运移能力大小排序为：HPAM＞HG＞WQ。

3 结论

（1）聚表剂HG分子链上带有疏水基团，在水溶液中发生缔合作用形成三维立体空间网络结构，分子线团尺寸大，结构黏度高。剪切作用会破坏HG在水溶液中的聚集形态，黏度损失率较大，但缔合作用使剪切后的小分子链部分聚集，仍然具有较大的分子线团尺寸。分子线团尺寸大和吸附性强双重特性导致HG注入压力大，具有一定的封堵能力。（2）交联聚合物微球WQ为弹性凝胶颗粒，吸水1 d后膨胀约3.5倍，在岩心运移过程中发生“封堵—变形—突破—再封堵—再变形突破”，压力呈现上下波动变化。