N 开发区注聚合物段塞优选研究

王铭浩

（大庆油田有限责任公司 第一采油厂，黑龙江 大庆163510）

大量研究表明，聚合物驱油既能扩大波及体积,又能提高驱油效率，是一种有效的三次采油方法[1-4]。近年来，诸多学者对聚合物驱进行了一系列研究，夏惠芬等[5]研究了水解聚丙烯酰胺溶液的黏弹性，认为聚合物黏弹性越大，携带出的残余量越大，驱替效率越高；杨付林等[6]通过室内模拟，进行了一元驱注入时机、聚合物段塞和相对分子质量对驱油效果的影响研究，认为聚合物质量分数越高,采收率越大；胡锦强等[7]研究了高浓(2 500 μg/g)溶液与常浓(1 000 μg/g)溶液的2 500 万相对分子质量抗盐聚合物对三管并联岩心驱替效果，认为高浓聚合物溶液在改善油水流度比、扩大注入流体波及体积、调整吸水剖面以及提高微观驱油效率的能力均高于常浓聚合物溶液；吴文祥等[8]研究了低、高浓聚合物转换注入对提高采收率的影响，强调了高黏弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的作用。以上研究明确了高分子高浓聚合物在聚驱提高采收率方面的优势，提高采收率效果显著。但目前的研究成果更依赖于高相对分子质量、高质量分数单一聚合物段塞（如相对分子质量2 500 万的讨论），对组合段塞（包括相同相对分子质量组合和不同相对分子质量组合）的研究不够深入，且方案选择上仅考虑高分子高浓聚合物对提高采收率的优越性，而未对整个注聚期聚合物总用量和注聚后注压快速上升等因素进行综合考量。本文通过对大庆油田N 开发区常用相对分子质量为2 500 万和700 万聚合物溶液进行了单段塞、相同相对分子质量不同质量分数三段塞和不同相对分子质量不同质量分数双段塞注聚进行实验研究，以明确各组合段塞的驱替效果，在实现高采收率的同时，努力降低注压和减少聚合物用量，实现降本增效目的。

1 N 开发区概况

N 开发区聚驱目的层葡I3 层属于分流平原相和内前缘相沉积，储层岩石以细砂岩为主，颗粒范围0.05～0.42 mm，粒度中值0.120 mm，平均孔隙度29.41%。地面脱气原油密度0.851 0 g/cm3，原油地面黏度13.9 mPa·s，地下原油黏度6.7 mPa·s[9]，蜡质量分数21.5%，胶质量分数10.7%，体积系数1.115，饱和压力7.08 MPa，原始气油比42.9 m3/t。天然气相对密度0.618 1，CH4质量分数87.63%，CO2质量分数0.77%[9]。油田水属NaHCO3型陆相生成水，表现为Cl-、K+、Na+、HCO-3离子含量高，Ca2+、Mg2+离子含量稳定，稀有元素和环烷酸含量少等。

2 聚合物段塞优选实验

2.1 制作人造岩心

原料：石英砂，环氧树脂E-44，邻苯二甲酸二丁酯、乙二胺、丙酮、石油醚(以上均为化学纯)。制备后，用取芯钻头钻取直径为2.5 cm，长10 cm 的柱状岩心，用环氧树脂对模型浇铸和密封，两端接装出入口。

外加黏土的选择：为了使实验中人造岩心模型的黏土含量更加接近目的储层的人造岩心，选择在人造岩心中加入适量的蒙脱石或者高岭土。利用离心法测定两种黏土与注入水的膨胀率，蒙脱石与注入水发生水敏膨胀，而高岭土不发生水敏情况。因此，为了避免水敏的发生，在制作岩心的时候，掺入适量高岭土来模拟油层情况。

耐压实验：对长方体状岩心模型密封后进行气体试压，以保证实验过程中不渗不漏。试压压力≥1.0 MPa 合格，能保证岩芯侧面和端面具有良好的密封性。

2.2 单一段塞聚合物驱油实验

2.2.1 实验条件

（1）实验目的：通过驱替实验，了解不同相对分子质量、不同质量分数聚合物对N 开发区葡I3 油层的驱油效果，优选单段塞聚合物注入相对分子质量和质量分数。

（2）实验用水：用水为大庆采油五厂葡I3 油层现场实际注入深处理污水，使用前分别经0.2 μm 微孔过滤，除去杂质。其阴离子总质量分数为68.29 μg/g，总矿化度为4 972.80 μg/g。

（3）实验用油：来自现场原油和煤油配制，45 ℃条件下黏度为6.6 mPa·s[10-11]。

（4）实验温度：45 ℃。

采用相对分子质量为700 万抗盐聚合物和2 500 万超高相对分子质量聚合物(污水稀释至质量分数分别为800、1 000、1 200、1 500、2 000 μg/g），聚合物质量分数与黏度关系见图1。由图1 可知，与2 500 万超高分子聚合物相比，相同质量分数下700万相对分子质量抗盐聚合物的黏度更高，这主要是因为抗盐聚合物分子易聚集成片状结构，具有很强的包裹和吸附水分子能力，其溶液具有很好的增黏效果[10-12]。此外，除了普通聚合物的分子间物理缠绕外，抗盐聚合物分子间还受范氏力和分子间缔合作用力作用[12]，使其黏度更高。

图1 聚合物质量分数与溶液黏度关系Fig.1 The relationship of viscosity to mass fraction of polymer solution

2.2.2 实验方案

采 用 水 渗 透 率 为300×10-3、200×10-3、100×10-3μm2，变异系数为0.72 的三层非均质岩心。

（1）模型水驱至含水率98%，分别注入不同质量分数（1 000、1 500、2 000、2 500 μg/g[9]）的2 500 万相对分子质量聚合物溶液，注聚直到含水率98%。测量聚合物注入量与采收率提高幅度关系。

（2）模型水驱至含水率98%，分别注入不同质量分数（800、1 000、1 500、2 000 μg/g[9]）的700 万相对分子质量抗盐聚合物溶液，注聚直到含水率98%。测量聚合物注入量与采收率提高幅度关系。

（3）实验中，按0.2 mL/min 排量进行聚合物驱，用试管收集排出的液体，每30 min 记录一次出口的油、水液量以及压差值，驱至设计用量为止计算含水率、聚合物驱采出程度[12-16]。

2.2.3 结果与分析

（1）采出程度。图2 为相对分子质量2 500 万(700 万)分子聚合物溶液不同质量分数下，单一段塞驱油效果。

图2 相对分子质量2 500 万和700 万聚合物驱替效果Fig.2 Displacement effect of polymer flooding with molecular weight of 25 million and 7 million

从图2 中可以看出，聚合物驱可以有效地挖潜剩余油，提高采出程度；随着注入质量分数的增加，采收率提高幅度不断增大，相对分子质量为2 500万聚合物在注入质量分数为2 500 μg/g 时（相对分子质量为700 万聚合物在注入质量分数为2 000 μg/g 时），聚驱提高幅度最大，在水驱基础上分别提高22.35%和23.20%，这说明聚合物溶液在较大质量分数的时候具有较高的黏度和黏弹特性，能够很好地扩大波及体积和提高驱油效率；相同质量分数下，相对分子质量700 万抗盐聚合物与2 500 万聚合物相比，其聚合物分子结构含有少量高位阻基团，分子链刚性强，流动阻力大，传输运移能力好，使原油驱替效率更高[12-13]，因此能以更低用量获得更高采收率。

（2）含水率。图3 为两种聚合物注聚阶段含水率变化。由图3 可见，两种聚合物驱油实验具有相同的含水规律。随着聚合物溶液质量分数的增加，含水最低点逐渐下降，同时出现最低点的PV 数不断前移。对于相对分子质量为2 500 万聚合物，注入质量分数为2 500 μg/g 时含水率下降幅度最大，最低点出现时机最早；对于相对分子质量为700 万抗盐聚合物，注入质量分数为2 000 μg/g 时含水率下降幅度最大，最低点出现时机最早。

图3 相对分子质量2 500 万和700 万聚合物含水率与注入量对应曲线Fig.3 Curves of water cut and injection volume of poly⁃mers with molecular weight of 25 million and 7 million

（3）注入压力。图4 为两种聚合物注聚阶段注入量与注压变化情况。由图4 可见，随聚合物注入，注入压力逐渐上升；压力上升呈前快后慢趋势；相同注入PV 情况下，注入聚合物质量分数越高，压力上升越快，高注压出现越早。整个过程中，相对分子质量为2 500 万（2 500 μg/g）和700 万（2 000 μg/g）的聚合物压力值明显高于各对应分子的其他质量分数注压。

结合以上研究，相对分子质量2 500 万聚合物（2 500、2 000 μg/g）采出程度和相对分子质量700万聚合物（2 000、1 500 μg/g）采出程度均较高，有利于提高采收率；含水率较低且最低值出现的较早，均有利于增油降液，提高开发效果；但考虑相对分子质量2 500 万聚合物（2 500 μg/g）和700 万聚合物（2 000 μg/g）注压显著高于2500 万聚合物（2 000 μg/g）和700 万聚合物（1 500 μg/g），聚合物注入困难，不利于现场实施。因此，现场相对分子质量2500 万和700 万聚合物溶液主段塞宜分别采用2 000、1500 μg/g 注入；而高质量分数的2 500 万相对分子质量（2 500 μg/g）聚合物注压提高显著，这有助于注聚初期保证聚合物平面上均匀推进，防止聚合物突破，对注聚初期调整吸液剖面有利，可将其选为段塞组合注入时的前置段塞使用。

图4 相对分子质量2 500 万和700 万聚合物注压与注入量对应曲线Fig.4 Curves of injection pressure and injection volume for polymers with molecular weight of 25 million and 7 million

2.3 相同聚合物组合段塞驱油实验

2.3.1 实验条件 通过同一聚合物的高低黏度段塞组合驱替实验，优选出段塞的最佳注入顺序。使用岩心及其他实验条件同2.2 部分。

2.3.2 实验方案 驱至含水率98%，注入不超过2 000 μg·(g·PV)-1的相对分子质量2 500 万聚合物，各方案组合如图5 所示。

2.3.3 结果与分析

（1）采出程度。表1 为各实验段塞注入及对应采收率提高幅度情况。

图5 相同聚合物段塞方案组合Fig.5 Slug combination diagram of same polymer combinations

表1 段塞驱替实验结果Table 1 Experimental results of slug displacement

由表1 可知，2 500 万相对分子质量聚合物注入，随聚合物质量分数2 500、2 000、1 200 μg/g 的变化，采收率随之变化，且逐渐增大，说明该注入方式有效，即分级注入可以有效地挖潜剩余油，提高采出程度。前置-中间-后续三段设计的1-5 方案采收率值在单段塞方案6-7 采收率值之间，优于6 劣于7。在总注入量2 000 μg·(g·PV)-1不变的条件下，前置高质量分数聚合物注入段塞的大小对最终采收率大小起主要的影响作用。前置段塞注入量越大，聚驱采收率提高幅度越大，这种变化趋势在前置段塞为0.1、0.2 PV 和0.3 PV 时并不明显，3 个方案的采收率提高幅度在17%，但当前置段塞增加到0.4、0.5 PV 时增油效果显著，最终采收率明显提高，采收率提高幅度分别为19.55%和21.74%，同时聚合物用量较少。特别是前置段塞0.5 PV 时，聚合物驱采收率提高幅度最大，在水驱基础上提高了21.74%，此时采收率与聚合物溶液质量分数为2 500 μg/g 时单段塞提高幅度接近。

（2）含水率。图6 为单段塞聚合物驱与相同聚合物组合段塞的注聚阶段含水率变化。从图6 中可见，2 500 μg/g 单段塞聚驱含水率下降幅度最大，而2 000 μg/g 单段塞聚驱含水率下降幅度最小，组合注入含水率位于两者之间。

图6 各方案含水率随注入PV 数变化Fig.6 Water⁃cut curves of schemes with different amount of PV injected

（3）注入压力。图7 为单段塞聚合物驱与相同聚合物组合段塞的注聚阶段注入变化。由图7 可见，组合注入压力位于2 500 μg/g 单段塞聚驱和2 000 μg/g 单段塞聚驱之间。初期随着聚合物溶液注入质量分数的增加，注入压力随之增大，说明加大注聚质量分数，可以保持相对较高的注入压力，有助于进一步扩大波及体积；随着前置高质量分数段塞注入大小的增加，压力最高点不断升高，但方案1 到方案4 注入压力相差不大，方案5 注聚后期压力上升较大；随低质量分数段塞的持续注入，后期注压出现一定幅度下降。

考虑方案5 注压上升幅度较大，不利于中后期聚合物注入。因此，若仅考虑提高采收率而不考虑聚合物注入难易，可选择方案5；若综合考虑采收率和聚合物顺利注入，宜选择方案4。

图7 各方案注压变化Fig.7 Injection pressure change of each scheme

2.4 不同聚合物组合段塞驱油实验

2.4.1 实验条件 借鉴2.2 中研究结果，注入2 500 万和700 万相对分子质量聚合物单段塞适宜质量分数,即2 000、1 500 μg/g。考察两种不同聚合物组合段塞的驱替性能。使用岩心及其他实验条件同前。

2.4.2 实验方案 水驱至含水率98%，注入总量不 超 过2 000 μg·(g·PV)-1，2 500 万和700 万 相 对分子质量聚合物，注入质量分数分别为2 000、1 500 μg/g，水驱至含水率98%，各类方案组合见图8。

图8 不同聚合物段塞方案组合Fig.8 Slug combination diagram of different polymer combinations

2.4.3 结果与分析

（1）采出程度。不同聚合物组合段塞驱油实验结果见表2。由表2 可见，在注入总量2 000 μg·(g·PV)-1不变的条件下，与2.3 研究结果相似，即前置段塞聚合物注入量越大，组合注入提高采收率幅度越大。当前置段塞为0.1 PV 和0.2 PV 时采收率提高幅度接近为18%；当前置注入段塞增加到0.3 PV时，采收率提高幅度较大，达到22%；前置段塞增加到0.5 PV 时，采收率增加到22.35%。综合以上，方案3、4 较方案1、2 更好。

（2）含水率。图9 为单段塞聚合物驱与不同聚合物组合段塞的注聚阶段含水率变化。从图9 可见，2 500 μg/g(2 500 万相对分子质量)单段塞聚驱含水率下降幅度最大，而2 000 μg/g 单段塞聚驱含水率下降幅度最小，组合注入含水率情况位于两者之间。前置高质量分数聚合物段塞注入0.3、0.5 PV 时，含水率下降幅度与2 500 μg/g(2 500万相对分子质量)单一段塞聚合物驱较接近。方案3、4 含水率最低点出现最早，说明增大前置段塞有助于油墙的提前形成，缩短开发时间。

表2 组合段塞实验结果Table 2 Results of combined slug test

图9 不同聚合物组合注入时含水率变化Fig.9 Curves of water⁃cut during injection of different polymer combinations

图10 不同聚合物组合注压变化Fig.10 Curves of injecting pressure during injection of different polymer combinations

（3）注压变化。图10 为聚合物溶液注入压力变化。由图10 可见，各方案的注入压力呈现先上升后缓慢下降的趋势。随着前置高质量分数段塞注入量的增加，压力最高点不断升高，但方案1-3 注入压力相差不大，方案4 注聚后期压力上升幅度偏大。

综上，根据2.2 至2.4 研究结果，各方案包括单一段塞、相同聚合物组合段塞、不同聚合物组合段塞中最优方案采出程度、对应注入量、含水率最低值、最大注压出现位置及数值情况见表3。

表3 注入情况汇总Table 3 Summary of injection schemes

续表3

由表3 可知，方案2#、4#、5#、6#采收率提高幅度较高。综合考虑，相比方案2#、4#、6#，方案5#有最低的聚合物用量、含水率值较低且最低值出现时间较早、注压最低。因此，认为方案5#为最佳方案。优化的段塞组合为：2 500 万聚合物相对分子质量2 000 μg/g，0.30 PV；700 万聚合物相对分子质量1 500 μg/g，0.42 PV。

3 结 论

（1）单一聚合物驱最佳注入方案为：700 万相对分子质量聚合物最佳注入质量分数为1 500 μg/g；2 500 万相对分子质量聚合物最佳注入质量分数为2 000 μg/g。

（2）高质量分数聚合物有助于地层憋压，提高采收率；可更快获得含水率低值及更低的含水率值。

（3）相同聚合物段塞优化组合可获得与单段塞较接近的采收率，但随前置高浓段塞的注入量增大，其注压上升明显，不利于聚合物注入；实际中，宜综合考虑选择采收率较高，注压较低，聚合物用量较少的方案。

（4）与单一段塞、相同聚合物组合段塞相比，不同聚合物组合段塞在采收率、聚合物用量、含水率最低值及注压等综合性能上更具优势。