调驱剂传输运移能力技术指标评价研究

张云宝，卢祥国，刘义刚，李彦阅，曹伟佳，鲍文博

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）

目前，国内主要注水开发油田已经处于高含水或特高含水阶段，注入水在高渗透层或大孔道内低效和无效循环现象十分严重[1-3]，亟待采取调剖、堵水和驱油方法来扩大中低渗透层波及体积。目前，油田上常用聚合物类调剖、堵水，驱油剂主要包括聚合物溶液、聚合物凝胶、有机类颗粒如聚合物体膨颗粒和聚合物微球以及无机类颗粒如粉煤灰和沸石颗粒等[4-7]。

依据调剖、堵水和驱油措施提高采收率原理，调剖、堵水和驱油剂不仅要能够在高渗透层内形成较高附加渗流阻力，而且药剂必须均匀分布在整个高渗透层范围内。因此，调剖、堵水和驱油剂在多孔介质内必须拥有较强传输运移能力，即药剂能够在低于中低渗透层吸液启动压力条件下被输送到整个高渗透层区域。否则，药剂就会在高渗透层注入端大量滞留，产生较高注入压力，这不仅阻碍了后续药剂运移到高渗透层深部，而且较高注入压力也使药剂转向进入中低渗透层，进而对其造成伤害。

长期以来，石油科技人员在进行聚合物类调剖、堵水和驱油剂渗流特性和驱油效果评价时，通常将岩心注入压力作为重要监测指标，因为注入压力与阻力系数和残余阻力系数呈正相关关系，而阻力系数和残余阻力系数又与驱油效果即采收率密切相关。当聚合物类调剖、堵水和驱油剂中聚合物分子聚集体尺寸与岩石孔隙尺寸匹配关系较好时，药剂在高渗透层内传输运移能力较强、分布范围较大（即药剂可以运移到高渗透层远离注入端区域）、注入压力升高幅度较大，此时注入压力愈高，采收率增幅愈大。否则，药剂在高渗透层内传输运移能力较弱、分布范围较小（即药剂主要滞留在注入端附近区域），此时，尽管注入压力升高幅度会更大，但因未实现药剂深部滞留，后续进入中低渗透层的水会“绕流”返回高渗透层，扩大波及体积效果较差，注入压力高低与采收率增幅大小没有必然联系。姜维东等针对渤海油田聚合物驱开发的实际需求，利用物理模拟方法，以AP-P4疏水缔合聚合物为例，采用了岩心流动实验，注入多孔介质前后黏度变化和聚合物线团尺寸变化等方法对聚合物线团尺寸与岩石孔喉配伍性进行了研究。结果表明，对于渤海油田，通过计算岩石孔喉半径中值与聚合物线团尺寸比值，可一定程度作为判断聚合物与岩石的孔隙结构匹配效果，以及聚合物在岩石孔隙内流动传输能力的依据[8]。

目前，石油科技工作者在进行聚合物类调剖、堵水和驱油剂筛选和性能评价时，视黏度是一个重要技术指标[9-12]。事实上，黏度是流体内摩擦力大小的一个衡量指标，而摩擦力大小又与流体内分子聚集体结构形态密切相关。早期用于制备调剖、堵水和驱油剂的聚合物为普通聚合物，其分子结构为线性支链结构。普通聚合物在低矿化度溶剂水中分子链呈现舒展状态，此时聚合物溶液内摩擦力较大即视黏度较高。近年来，随着高盐油藏调剖、堵水和驱油技术措施需求量不断增加，客观上要求采用高矿化度溶剂水配制聚合物溶液。在高矿化度溶剂水中，金属离子尤其是二价金属离子引起普通聚合物分子链卷曲和收缩，致使聚合物溶液内摩擦力即视黏度大幅度降低，同时聚合物在多孔介质内滞留量减小，产生附加渗流阻力能力减弱，注入压力增幅减小，扩大波及体积作用即增油降水效果变差。为此，石油科技工作者开发出了抗盐聚合物。与普通聚合物不同，抗盐聚合物溶液中聚合物分子结构为网状结构，该结构能够产生较大内摩擦力。因此，抗盐聚合物增黏能力较强，其视黏度要远高于相同浓度条件下普通聚合物溶液的视黏度，已经成为高盐油藏调剖、堵水和驱油措施的首选聚合物[13-15]。

研究表明，抗盐聚合物增黏机理是依靠聚合物分子间缔合（或交联）作用而形成网状结构[16-18]，具有该结构的聚合物分子聚集体尺寸也明显增大，致使聚合物分子聚集体尺寸远大于岩石孔隙尺寸，即二者匹配关系变差。因此，抗盐聚合物溶液传输运移能力变差，在岩心（储层）注入端大量滞留甚至造成堵塞，致使注入压力快速大幅度升高。在高压作用下，抗盐聚合物分子聚集体进入岩心孔隙，孔隙剪切作用造成聚合物分子结构破坏，分子尺寸大幅度减小，滞留作用明显变差，高渗透层内形成附加渗流阻力能力也明显减弱，最终降低液流转向能力和增油降水效果。由此可见，在进行调剖、堵水和驱油剂筛选和评价时，药剂在储层内传输运移能力与其措施增油降水效果密切相关，必须给予高度重视。目前，绝大多数石油科技研究人员还没有完全意识到药剂传输运移能力的重要性，业内也没有聚合物类调剖剂、堵水剂传输运移能力评价方法和指标要求。针对矿场生产和理论实际需求，以高分子材料学、物理化学和油藏工程等为理论指导，以仪器检测、化学分析和物理模拟等为技术手段，以国内主要油藏储层和流体为研究对象，开展了调剖、堵水和驱油剂多孔介质内传输运移能力评价方法和技术指标研究，这对改善调驱剂油藏适应性和提高增油降水效果具有重要理论和实用价值。

1 实验条件

1.1 实验材料

复合凝胶由2.5%聚合氯化铝+5.0%丙烯酰胺+0.8%尿素+0.15%引发剂+0.15%交联剂+0.05%阻聚剂701等组成。聚合物微球（AMPS-8）由东北石油大学提高采收率教育部重点实验室合成。高效驱油剂（H1，非离子型表面活性剂）由中海石油天津分公司渤海研究院提供，有效含量45 %。普通聚合物（HTPW-112）由中国石油大港油田采油工艺研究院提供，相对分子质量2 500×104，有效含量88%。抗盐聚合物（AP-P4）由四川光亚科技有限公司生产，相对分子质量1 100×104，固含量90%。

实验用水为QHD32-6 油田和大港港西三区注入水，水质分析见表1。

实验用岩心为石英砂环氧树脂胶结人造均质岩心[19]，几何尺寸：宽×高×长=4.5 cm×4.5 cm×30 cm。岩心渗透率（Kg）：①复合凝胶，Kg为18 000×10-3μm2、12 000×10-3μm2、4 000×10-3μm2；②聚合物微球，Kg为4 800×10-3μm2、2 400×10-3μm2、800×10-3μm2；③高效驱油剂，Kg为2 400×10-3μm2、1 200×10-3μm2、440×10-3μm2；④普通聚合物和抗盐聚合物，Kg为1 800×10-3μm2。

在岩心入口端、距入口1/3和2/3处设置3个测压点，岩心外观结构见图1。

图1 岩心结构及测压点分布Fig.1 Core structure and pressure measuring point distribution

1.2 仪器设备、评价方法和技术指标

1）仪器设备

采用DV-Ⅱ型布氏黏度计测试调驱剂黏度。采用岩心驱替实验装置测试调驱剂传输运移能力和封堵效果。实验装置由平流泵、压力表、岩心和中间容器等部件组成，除平流泵外，其他仪器设备置于油藏温度保温箱内。

2）评价方法

①岩心抽空饱和地层水，计量孔隙体积和孔隙度。

②水驱，记录各个测压点间压差δP1-2、δP2-3和δP3-出口；计算总压差δP。

③向岩心注入1.5PV 药剂[ 聚合物微球（Cp=3 000 mg/L）、复合凝胶、高效驱油剂（Cs=1 000 mg/L）和聚合物溶液]，记录各个测压点间压差δP'1-2、δP'2-3和δP'3-出口，计算总压差δP'以及各个测压点间压差比β值（β1=δP'1-2/δP'2-3，β2=δP'2-3/δP'3-出口）和平均阻力系数Fr（δP'/δP）。

④在油藏温度条件下岩心放置（候凝）72 h（高效驱油剂和聚合物溶液除外），之后分别在距岩心注入端和采出端2 cm处重新钻孔，安装闸门和连接管线，后续水驱1PV。记录后续水驱结束时各个区间压差δP"1-2、δP"2-3和δP"3-出口和总压差δP"，计算平均残余阻力系数（δP"/δP）和平均封堵率［（δP"-δP）/δP"］。

上述实验注入速度为1 mL/min。

3）技术指标

依据前期研究成果[20-22]，提出采用各个测压点间压差比β值（β1=δP'1-2/δP'2-3，β2=δP'2-3/δP'3-出口）来评价调剖、堵水和驱油剂储层内传输运移能力。

2 结果分析

2.1 传输运移能力和渗流特性

2.1.1 聚合物微球

1）传输运移能力

在岩心渗透率不同条件下，采用QHD32-6 油田注入水配制浓度为3 000 mg/L聚合物微球溶液（视黏度4.0 mPa·s）注入结束时各区间压差δP'和评价指标β值见表2，实验温度为65 ℃。

表1 水质分析Table 1 Water quality analysis mg/L

从表2 可知，当渗透率较低时，聚合物微球与岩心孔喉配伍性较差，传输运移能力较弱，主要滞留于靠近注入端附近区域，注入压力较高，压力主要消耗在岩心前半部分。随渗透率增加，岩心孔喉尺寸增大，聚合物微球与岩心孔喉之间的配伍性得以改善，注入压力有所降低，传输运移能力增强，聚合物微球能够运移至岩心更深部区域，岩心内部沿程压力扩散程度均匀性更好。综合来看，高渗层中微球的传输运移能力好于中低渗层，但整体传输运移能力较弱，因此，定义评价指标β1或β2=8～12 为较差，β1或β2≥12为差。

2）阻力系数、参残余阻力系数和封堵率

采用QHD32-6油田注入水配制浓度为3 000 mg/L聚合物微球溶液，其阻力系数、参残余阻力系数和封堵率影响实验结果见表3，实验温度为65 ℃。

从表3可知，随渗透率增加，岩心孔喉尺寸增大，聚合物微球注入过程中滞留能力减弱，渗流阻力减小，阻力系数逐渐降低，后续水驱阶段滞留于岩心内部聚合物微球耐冲刷性也有所减弱，残余阻力系数降低。尽管岩心渗透率差异较大，但聚合物微球最终均表现出较高的封堵率，表明参与实验微球具有良好缓膨性，同时具备较强调驱和液流转向能力。

2.1.2 复合凝胶

1）传输运移能力

在岩心渗透率不同条件下，采用QHD32-6 油田注入水配制复合凝胶体系（“2.5%聚合氯化铝+5.0%丙烯酰胺+0.8%尿素+0.15%引发剂+0.15%交联剂+0.05%阻聚剂701”，初始视黏度1.9 mPa·s）注入结束时各区间压差δP和评价指标β2值见表4，实验温度为65 ℃。

从表4 可知，随渗透率增大，复合凝胶注入过程中各测压点压力逐渐减小。由于复合凝胶初始黏度较低（1.9 mPa·s），滞留能力较弱，传输运移能力较强。由此定义评价指标β1或β2=2.5～4为传输运移能力较好。

2）阻力系数、残余阻力系数和封堵率

采用QHD32-6 油田注入水配制复合凝胶体系（配方同上），其阻力系数、残余阻力系数和封堵率测试结果见表5。

从表5 可知，随岩心渗透率增加，岩心孔喉尺寸增大，一方面复合凝胶滞留量和渗流阻力减小，阻力系数降低。另一方面，较大孔喉尺寸使得分子间发生碰撞概率增加，复合凝胶成胶效果提高，因此残余阻力系数逐渐升高。复合凝胶成胶后，3种渗透率岩心封堵率均高达98%左右，说明复合凝胶具有较强封堵能力，能够产生较好液流转向效果。

表2 各区间压差δP和β值Table 2 δP and β value of every interval pressure difference

表3 阻力系数、残余阻力系数和封堵率Table 3 Resistance coefficient,residual resistance coefficient and plugging rate

表4 各区间压差δP和β值Table 4 δP and β value of every interval pressure difference

表5 阻力系数、残余阻力系数和封堵率Table 5 Resistance coefficient,residual resistance coefficient and plugging rate

表6 各区间压差δP和β值Table 6 δP and β value of every interval pressure difference

2.1.3 高效驱油剂

1）传输运移能力

采用QHD32-6油田注入水配制浓度为1 000 mg/L的高效驱油剂体系（视黏度3.5 mPa·s），其注入结束时各区间压差δP和评价指标β2值见表6，实验温度为65 ℃。

从表6 可知，随岩心渗透率增大，岩心孔喉尺寸增大，高效驱油剂在岩心内部运移过程中滞留量和渗流阻力减小，后续水驱过程中各测压点压力均有所降低。高效驱油剂属于小分子聚合物，分子聚集体尺寸较小，初始黏度较低，滞留量较小，传输运移能力好于复合凝胶，故定义评价指标β1或β2=1～2.5为传输运移能力优良。

2）阻力系数和残余阻力系数

采用QHD32-6油田注入水配制浓度为1 000 mg/L的高效驱油剂体系，其阻力系数和残余阻力系数测试结果见表7。

从表7 可知，随岩心渗透率增加，岩心孔喉尺寸增加，高效驱油剂在岩心内部滞留能力以及后续水驱阶段耐冲刷性降低，阻力系数和残余阻力系数减小。由于高效驱油剂自身滞留能力较差，因而阻力系数和残余阻力系数数较小。由此可见，要更好地发挥高效驱油剂提高采收率作用，就需要治理即封堵高渗透层或大孔道，以避免高效驱油剂沿高渗透层或大孔道窜逸，而是转向进入剩余油饱和度较高的中低渗透层发挥驱油作用。

表7 阻力系数和残余阻力系数Table 7 Resistance coefficient and residual resistance coefficient

2.1.4 聚合物溶液

1）传输运移能力

采用大港港西三区注入水配制抗盐聚合物溶液和普通聚合物溶液，在视黏度相同（近）条件下，2 种聚合物溶液注入结束时岩心各个区间压差δP和传输运移能力评价指标β值见表8，实验温度为53 ℃。

从表8 可以看出，在视黏度相同（近）条件下，与普通聚合物（HTPW-112）溶液相比较，抗盐聚合物（AP-P4）溶液在岩心注入端附近的前部区域滞留量较大，由此产生的附加渗流阻力即压差值较大，而中部和后部区域滞留量和压差值较小，相应β1和β3值等于25.9，表明聚合物主要滞留在注入端附近区域，传输运移能力差。

2）阻力系数和残余阻力系数

采用大港港西三区注入水配制抗盐聚合物（AP-P4）和普通聚合物（HTPW-112）母液（CP=5 000 mg/L），再分别稀释成浓度为1 750 mg/L 和3 400 mg/L，在视黏度相等条件下，2种聚合物溶液平均阻力系数和残余阻力系数实验结果见表9。实验温度为53 ℃。

表8 各区间压差δP和β值Table 8 δP and β value of every interval pressure difference

表9 阻力系数和残余阻力系数Table 9 Resistance coefficient and residual resistance coefficient

从表9可以看出，在聚合物溶液视黏度相同条件下，与普通聚合物（HTPW-112）相比较，聚抗盐合物（AP-P4）溶液阻力系数较大，但残余阻力系数较小。在聚合物浓度相同条件下，与普通聚合物溶液相比较，抗盐聚合物溶液阻力系数和残余阻力系数较小。

2.2 调驱剂传输运移能力及其影响因素分析

2.2.1 聚合物溶液

采用大港港西三区注入水配制抗盐聚合物（AP-P4）和普通聚合物（HTPW-112）聚合物母液（CP=5 000 mg/L），剪切20 s，将剪切前后样品稀释至CP=100 mg/L，分别进行扫描电镜SEM 实验（放大1 000倍），测试结果见图2。

图2 聚合物分子聚集体形态Fig.2 Morphology of polymer molecular aggregates

从图2可知，普通聚合物分子在水溶液中呈现线性支链结构，不同分子链间又可相互贯穿，甚至缠绕，致使溶液中存在具有不同尺寸孔洞的多层立体网状结构，且存在粗的主干和细分支，这种网络结构既有支撑作用，又可吸附和包裹大量水分子产生形变阻力，显示出较强滞留和传输运移能力。剪切作用后，分子链发生断裂，网状结构出现缺陷，网孔变稀疏，结构包裹水分子能力大幅下降，滞留能力大幅降低，传输运移能力增强。与普通聚合物相比较，抗盐聚合物分子链上无规则分布疏水基团通过链内或链间缔合作用，形成尺寸较大聚合物分子聚集体，聚集体之间又通过链间缔合作用连接在一起，形成致密多层立体空间网络结构，显示出超强滞留能力和较差传输运移能力。剪切作用后，疏水基团难以再相互缔合形成大范围致密网状结构，只能在局部范围内发生缔合作用，形成较为短小网络状结构，从致密的多层立体空间网络结构转变为碎片状结构[23-25]，分子聚集体尺寸减小（见表10，CP=100 mg/L），致使滞留能力明显减弱，传输运移能力提高。

综上所述，由于抗盐聚合物分子聚集体尺寸与岩心孔隙尺寸配伍性较差，致使聚合物在岩心注入端大量滞留，致使传输运移能力较差。此外，聚合物在注入端大量滞留又导致注入压力大幅度升高、在岩心注入端与内部形成较大压差，这对通过岩心注入端聚合物溶液产生强烈剪切作用，致使其分子聚集体尺寸减小，滞留能力减弱，液流转向效果变差。

表10 分子聚集体尺寸测试结果Table 10 Test results of molecular aggregate size

2.2.2 聚合物微球

采用QHD32-6油田注入水配制浓度为3 000 mg/L聚合物微球溶液，将其置于65 ℃恒温箱中，定期观察其粒径分布状态，微球粒径分布及与时间关系见图3。

从图3可以看出，微球初始粒径2.00～6.00 μm，粒径中值2.04 μm；当水化时间小于72 h 时，粒径变化幅度不大；72 h 后粒径明显增加，粒径最大值20.53 μm；120 h 后水化作用逐渐减弱；240 h 时颗粒最大粒径38.7 μm，粒径中值18.92 μm，膨胀倍数7.53～9.52。

岩心渗透率（Kg）与孔隙喉道半径中值关系见图4。

从图4可以看出，当岩心渗透率Kg=800×10-3μm2时，对应孔隙喉道半径中值约10 μm，孔隙直径约20 μm。按照颗粒通过孔隙架桥理论，孔隙直径约20 μm 岩心能够通过的微球最大粒径约为6.6 μm。由此可见，初始粒径2.0～6.0 μm 微球与该渗透率岩心是相匹配的。

图3 微球粒径分布及与时间关系Fig.3 Particle size distribution of microspheres and its relation with time

图4 渗透率与孔隙喉道半径中值关系Fig.4 Relation between permeability and median radius of pore roar

3 结论

1）调驱剂在多孔介质中传输运移是实现深部液流转向作用的必要条件，可以采用调驱剂注入结束时岩心前部与后部压差之比β值来评价。对于聚合物微球体系，评价指标：β1或β2=8～21，传输运移能力较差；对于复合凝胶体系，评价指标：β1或β2=2.5～4，传输运移能力较好；对于高效驱油剂体系，评价指标：β1或β2=1～2.5，传输运移能力较好；对于聚合物体系，评价指标：β1和β2=25.9，传输运移能力较差。

2）随岩心渗透率增大，岩心孔喉尺寸增大，药剂在岩心内部运移过程中滞留量和渗流阻力减小，后续水驱过程中各测压点压力均有所降低。高效驱油剂属于小分子聚合物，分子聚集体尺寸较小，初始黏度较低，滞留量较小，故定义评价指标β1或β2=1～2.5为传输运移能力优良；聚合物溶液为高分子量，分子聚集体尺寸较大，滞留量大，固定义评价指标β1或β2≥16，为传输运移能力较差。

3）调驱剂滞留和传输运移能力与其自身材料分子结构形态即聚集体尺寸和岩心渗透率密切相关，二者的目的相互矛盾，实际应用时需要合理兼顾。