复合离子聚合物调驱体系研究与应用进展

贾瑞轩，刘卫东，孙灵辉，丛苏男，李杰瑞，周义博

(1.中国科学院大学，北京 100190；2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院，河北 廊坊 065007)

在20世纪90年代，我国油田普遍进入高含水期，老油田普遍存在着油层渗透率级差大，聚合物窜流现象严重、含水率下降少、在高渗透层存聚率低、单位体积聚合物采油量小等问题[1-2]。为进一步开发储层，改善吸水剖面，提高水驱及聚合物驱效率，采用调剖剂封堵高渗透层具有重大意义。由于普通调剖剂成胶时间短、调剖覆盖面积小，调剖后注入液绕流，增产有效期短，仅单井受益，调剖成本过高，已经不能满足油田的生产需求，随着“区块治理”和“深度调剖”概念的提出，新的调驱技术的研究成为热点。复合离子聚合物调驱体系成胶时间长，且成胶时间可控[3]，具有良好的抗盐性、抗剪切性、热稳定性[4]，可用于油田达到深度调剖和驱油的效果。因此，有必要对复合离子聚合物调驱剂的机理进行研究。

虽然复合离子聚合物调驱体系已为油田的增产稳产作出了巨大贡献，但其面临的问题还有很多：如复合离子聚合物的驱油效率、微观驱油机理研究薄弱；用污水配制复合离子聚合物母液、多种调驱技术联用研究较少；生产成本较高，生产工艺需要改进等。本文论述了复合离子聚合物调驱剂的性质特点及其成胶性能的影响因素，介绍了影响复合离子聚合物调驱剂调驱效果的主要因素，总结分析了大庆油田复合离子聚合物调驱现场试验及应用，并提出了现阶段复合离子聚合物调驱体系的不足和下一步研究方向。

1 复合离子聚合物调驱剂合成方法及性质特点

复合离子聚合物的合成方法主要有两种：一种是用阴、阳离子单体及丙烯酰胺单体通过聚合反应合成；另一种是将简单的单体聚合后进行功能化改性。前者可以通过改变不同单体的投量比，精确的控制产物所含正负电荷基团数目，不足之处在于该方法经常需要多次进行，过程繁琐；后者为了让产物不易自发聚合，所选反应物应结构相似。

复合离子聚合物调驱剂由复合离子聚合物、交联剂(六次甲基四胺)、稳定剂(苯酚)、促凝剂(间苯二酚)等组成。其中复合离子聚合物是由阴离子基团、阳离子基团和非极性基团组成的一种线性聚合物，其阴离子基团表现为亲水性，有利于聚合物在水中溶解，阳离子基团在地层岩石上有较强的吸附能力，这两种基团既有静电斥力，也有静电引力，可以使分子链卷曲，从而使复合离子聚合物有良好的抗剪切性。当分子链上正负电荷相等时，从而表现出很好的抗盐性[5]。调驱剂成胶后在70 ℃条件下放置1年，强度损失率不到5%，不脱水，不破胶，有良好的稳定性[6]。

1.1 调驱机理

调驱剂进入地层后，通过吸附、动力捕集、物理堵塞对高渗透孔道进行堵塞[1]。该调驱体系是一种弱凝胶类的粘弹性流体，初始粘度较低，可以沿着水流优势通道流动，随着粘度逐渐增大，压力逐渐升高，使得后续水驱过程中可以改变水的流向，进入低渗透层，达到调整平面矛盾的作用，增加了波及系数，又因为复合离子聚合物溶液具有粘弹性，在孔道中流动时，后面的流体会推动前面的流体，同时由于聚合物分子间的缠绕作用，前面的分子会对后面的分子产生拉力，流经多孔介质时可以将残余油携带出来，提高驱替效率，实现了边调边驱。调驱剂成胶后，后续水驱阶段高、中、低渗透层的层间差异减小，吸水剖面得到调整，由于低渗透层中调驱体系注入量少，在一定压力下优先突破，随着压力下降，含水率上升，采收率提高，实现了调驱体系的持续边调边驱[7-9]。

1.1.1 吸附作用 因为阳离子基团对岩石的吸附能力较强，会增加水流动时的阻力，吸附在岩石上的聚合物也有较好的耐冲刷能力，可以延长其堵水的有效期。

1.1.2 动力捕集作用 复合离子聚合物是一种线性聚合物，由于在注入过程中流速快，其分子链伸展表现出良好的流动性。进入地层后流速缓慢，静电力使分子链卷曲成螺旋状，可以堵塞高渗透流通孔道。

1.1.3 物理堵塞作用 复合离子聚合物成胶后形成了体型结构的凝胶，粘度增加，在地层孔隙中形成物理堵塞。

1.1.4 粘弹性驱油作用 复合离子聚合物凝胶具有较强粘弹性，对水驱残余油驱替能力强于普通聚合物。

1.2 调驱剂成胶性能影响因素

复合离子聚合物调驱性能的影响因素主要有成胶时间和成胶强度。据王国珍[4]、郭金龙[10]、尉小明[11]实验研究表明，复合离子聚合物调驱剂成胶时间及成胶强度的影响因素有复合离子聚合物用量、交联剂用量、促凝剂用量、pH值、剪切强度，与稳定剂用量关系不大。李霞等[12]研究表明，调驱剂成胶后的强度还与复合离子聚合物的相对分子质量、矿化度有关。

1.2.1 复合离子聚合物用量对成胶时间及成胶强度的影响 在复合离子聚合物的浓度较低时，调驱剂很难成胶。随着复合离子聚合物浓度增加，成胶强度先缓慢上升后急剧上升，超过某一值时继续增加浓度，成胶强度反而逐渐变弱。随着复合离子聚合物浓度增加，成胶时间相差不大，到转折点后继续增加复合离子聚合物浓度，成胶时间急剧缩短。

1.2.2 交联剂用量对成胶时间及成胶强度的影响 在一定范围内随着交联剂用量增加，调驱剂成胶强度增加，成胶时间缩短，当交联剂浓度足够高，继续增加交联剂用量，对调驱剂的成胶强度及成胶时间影响不大。这是因为当交联剂浓度过高时，聚合物已经完全反应，所以交联剂用量需要根据应用情况进行优选。

1.2.3 促凝剂用量对成胶时间及成胶强度的影响 随着促凝剂用量增加，调驱剂成胶时间缩短，成胶强度增加。由于促凝剂活性较强，所以少量加入即可使调驱剂达到需求。

1.2.4 pH值对成胶时间及成胶强度的影响 随着pH值降低，成胶时间缩短，但凝胶易水解，成胶强度保持时间短。pH值较高时，调驱剂不易成胶。这是因为交联剂需在酸性条件下发生反应放出醛，如果pH值过低，交联剂反应放出的氨气不足以中和酸，凝胶易被酸水解，所以，pH值在5.0～5.5区间时，成胶性能较好。

1.2.5 剪切强度对成胶时间及成胶强度的影响 溶液在20%剪切强度下，成胶时间及成胶强度没有明显变化，随剪切强度增加，成胶时间变慢，成胶强度降低。在50%剪切强度下，成胶时间及成胶强度有明显变化，但总体来说，调驱剂抗剪切性良好。

1.2.6 复合离子聚合物相对分子量对成胶时间及成胶强度的影响 复合离子聚合物相对分子量越大，成胶时间越短，成胶强度越大。这是因为聚合物分子量越高，其分子链越长，活性官能团就越多，发生缩聚反应的速率就越快，即成胶时间越短。分子量高的聚合物分子在缩聚反应后的生成物分子量也高，所以在保证注入性的前提下，聚合物分子量越高，生成的凝胶强度越高。

1.2.7 矿化度对成胶时间及成胶强度的影响 随矿化度增加，成胶时间延长，成胶强度降低。污水中存在微生物和不稳定离子，会与交联剂和促凝剂水解出的醛发生反应，由于醛为聚合物交联反应所需，所以影响调驱剂成胶性能。可以通过改善配方来降低矿化度对调驱剂成胶性能的影响。

1.3 调驱剂适用原则

调剖选井应选油层底部水淹严重、纵向非均质性严重、渗透率级差大、周围采出井含水高、吸水剖面差的井。选井的判断指标有：每米视吸水指数、压降曲线、启动压力、渗透率级差、渗透率、吸水剖面、周围油井含水率。调剖选井应综合各指标之间权重，应用各种动静态资料来判断大孔道存在情况，从而优选出调剖井。调剖选择的层位应为水淹程度高、吸水百分数>40%、厚度>2 m、渗透率较高的层段。同时结合动静态资料及电测曲线资料分析确定大孔道的层位[13-14]。

2 复合离子聚合物调驱剂调驱效果影响因素

2.1 调驱剂用量对调驱效果影响

由于油层的非均质性，导致注入水在高渗层形成优势通道，使水驱效率低下。地层进行调驱后可以显著改善吸水剖面，封堵高渗层，使注入水可以进入低渗透层，增加波及系数，提高采收率。复合离子聚合物调驱剂的用量对调驱效果有显著影响。李爱芬等[3]将饱和油的岩心先水驱后注入调驱剂，最后水驱，通过测量注入调驱剂和后续水驱过程中的出油量来计算采收率提高值。实验发现随复合离子聚合物调驱剂的注入量增加，采收率明显增加，当调驱剂注入体积达到临界值时，再注入调驱剂，采收率增加缓慢。

调驱剂用量越多，调驱效果越好，但存在一个临界值，达到该值后继续增加调驱剂用量，调驱效果增加缓慢。在实际矿场应用中，考虑经济效益，复合离子聚合物调驱剂用量应选为临界值用量。

2.2 调驱时机对调驱效果影响

调驱时机可以选为注聚前调驱、注聚中调驱和注聚后调驱，其中注聚中调驱又分为注聚初期(含水下降)调驱和注聚后期(含水回升)调驱。2001年2月至5月喇嘛甸油田北块进行了注聚时机试验，注聚前调驱受效井数95口，含水率由94.4%下降到59.2%，下降了35.2个百分点。注聚初期调驱受效井数4口，含水率由96.7%下降到73.6%，下降了23.1个百分点。注聚后期调驱受效井数8口，仅有3口井含水率下降，含水率由92.2%下降到90.8%，下降了1.4个百分点。注聚后调驱受效井4口，含水率由91.0%下降到88.6%，下降了2.4个百分点。实验结果表明，无论何时进行调驱，吸水剖面、层间矛盾都可以得到明显改善，但复合离子聚合物注聚前调驱含水率下降最多，效果最好[15]。

3 复合离子聚合物调驱剂试验应用现状

目前，复合离子聚合物调驱体系在大庆油田应用较为广泛，大庆油田各区块均高含水，长期水驱导致储层形成大孔道，注入水多进入大孔道造成无效循环，水驱效率低下。1996年开始，大庆油田开始了复合离子聚合物深度调剖的探索。1996年在喇嘛甸油田葡I1-2油层开展了复合离子聚合物深度调剖现场试验，注入井14口，受效井54口，截止2000年10月增油量达69.35×104t，增油效果显著[16]。1998年，大庆采油三厂北2-3-53井进行复合离子聚合物调驱试验，截止1998年12月，2口受效井增油量达2 137 t[5]。同年，大庆北区中块、大庆外围升平油田、萨北北三西西块油田均进行了复合离子聚合物调驱试验，试验降水效果好，增油量可观[2，17-18]。1996年～2007年，萨中地区复合离子聚合物调驱井口共95口，调驱见效后含水率在短期内大幅度下降，比见效前下降了44.8个百分点，调驱后采收率提高3.72个百分点[19]。2001年，喇嘛甸油田北西块共83口井进行复合离子聚合物调驱，调驱剂注入油层孔隙体积0.23 PV时，除个别井口外多数井含水下降超过40%，采收率提高3.43%[20]。2008年，大庆榆树林油田17口井进行复合离子聚合物调驱，综合含水率下降10.74%，日产油增加4.6 t[21]。

总体而言，无论试验阶段还是应用阶段，大庆油田应用了复合离子聚合物调驱后都取得了不错的成绩，其中注聚前调驱和注聚初期调驱提高采收率幅度较高。

4 复合离子聚合物调驱体系存在问题

4.1 驱油理论及评价方法不健全

完善的评价方法、评价指标和成熟的调剖驱油机理研究是复合离子聚合物调驱体系发展的关键。复合离子聚合物调驱剂的调剖机理、成胶影响因素已有诸多学者研究，调剖性能影响因素和性能评价已经比较成熟，但针对复合离子聚合物驱油效果、微观驱油机理研究甚少，阴阳离子基团对洗油效率的影响及地层岩石对调驱剂的吸附作用认识不足。部分驱油机理和性能参数可以参考聚合物驱，但复合离子聚合物的理论体系仍需完善。

4.2 成本较高

复合离子聚合物主要用阴、阳离子单体及丙烯酰胺单体通过聚合反应合成，该方法合成的复合离子聚合物可以准确地控制阴、阳离子电荷数，并且可以使合成的产品阳离子基团较多，该制备方法所得产品符合油田调驱需求，但生产工艺比较复杂且成本较高[22]。因此，需加强复合离子聚合物合成方法的研究，提高其生产工艺，健全其产品质量控制指标及产品质量检测体系。

为节约生产成本，现已有油田改用污水配制聚合物母液，相比于用清水配制母液节省了污水处理成本，更加环境友好。但污水中氧化还原物质较多，矿化度高，影响调驱剂成胶后粘度，目前复合离子聚合物调驱体系的污水配制研究较少。

4.3 多种调驱技术联用研究较少

复合离子聚合物调驱剂在大庆油田已经有多年的应用历史，提升采收率效果显著，为大庆油田提升了经济效益，并且现在国内的一些其他油田也开始应用复合离子聚合物调驱体系。油藏实际应用中可以采用两种或多种调剖剂同时使用，根据油藏实际情况可以达到更好的经济效益，如大庆油田中使用较多的复合离子聚合物加预交联体膨颗粒调驱体系。目前，对于多种调剖技术联合使用的研究较少，评价方法和评价体系不完善。

5 结束语

复合离子聚合物以目前的试验及应用来看，在提高采收率方面发挥了重要作用，其调剖理论研究方面已比较成熟，但其驱油方面评价方法、理论研究不健全。为完善复合离子聚合物调驱机理研究，为今后研制更优调驱剂提供理论支持，提高油田生产开发效果，应加强复合离子聚合物凝胶的评价方法、指标研究，加强复合离子聚合物驱油效率、微观驱油机理的研究。其中应包括：复合离子聚合物在岩石矿物界面吸附性能的评价、复合离子聚合物对微观剩余油启动运移规律影响、复合离子聚合物调驱剂提高采收率作用机理、复合离子聚合物在岩心中运移规律等。

复合离子聚合物调驱体系需加强研究达到降低成本、开发出效果更好的调驱联用体系。复合离子聚合物调驱剂对中高渗油藏降低含水率，改善吸水剖面的作用十分重要。现阶段的研究已经取得了一定的成果，但为使调驱技术能在以后的油藏开发中发挥更好的作用，仍需对调驱技术开展综合性的研究工作。复合离子聚合物污水配制母液的技术不成熟，应多展开污水配制调驱剂的技术研究，保证性能的前提下优化改进调驱剂污水配方。复合离子聚合物调驱技术与其他调驱技术联用的研究应该加强，在今后的研究中，需要更多地研制出对地层条件配伍性强、调驱效果更好、成本更低的调驱体系。