聚合物弱凝胶在高盐中低渗条件下的渗流特性及影响因素*

张 楠 ，卢祥国，谢 坤，郐婧文，杨海恩，何治武，任建科，吴 浩

（1.提高油气采收率教育部重点实验室（东北石油大学），黑龙江大庆 163318；2.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院，陕西西安 710021；3.大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆 163318）

近年来，由于勘探程度逐渐提高，且国内外发现新油田数量逐渐减小，立足老油田提高采收率正成为石油开发工作者的共识。20 世纪60 年代聚合物驱油技术诞生以来，以其配注工艺较为简单、提高采收率幅度较大和成本较低而受到广泛重视，已经成为油田开发中后期“稳油控水”的重要技术手段［1-4］。

美国于1964年率先开展了聚合物驱矿场试验，5 年间共实施了61 项矿场试验。1970数1985 年期间又开展了183 项聚合物驱试验，都取得了明显的“增油降水”效果和经济效益。前苏联等多个国家也开展了聚合物驱矿场试验，进一步证实聚合物驱可以大幅提高原油采收率。截至目前，国外已有200 多个油田或区块开展了聚合物驱矿场试验［5-7］。国内很多油田也开展了聚合物驱试验或工业化应用，其中大庆油田适合聚合物驱或化学驱的地质储量十分巨大，一类油层储量8.09×108t，二类油层15.04×108t。截至目前，大庆油田投入化学驱的工业化区块超过87个，动用地质储量超过10.77×108t，且每年以5000×104数8000×104t地质储量规模投入化学驱。依据已经完成聚合物驱区块增油效果统计，当区块平均综合含水达到97.0%时的采出程度为55.5%，提高采收率10%以上，为实现大庆油田“稳油控水”目标做出了巨大贡献。

目前，聚合物驱油技术应用需求正从低盐油藏向高盐和特高盐油藏转移［8-11］。由于注入水中二价金属离子对聚合物干粉溶解性、滞留特性和液流转向能力带来极大不利影响［12-14］，高盐油藏提高采收率已经成为石油科技工作者亟待解决的技术难题。为满足目标油藏的生产需求，以长庆油田长2、长6和长4+5块油藏地质特征和流体性质为模拟对象，开展了聚合物弱凝胶渗流特性及影响因素和作用机理研究，为矿场提高采收率技术决策提供实验依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

表1 长庆油田水质组成

DV-Ⅱ型布氏黏度仪，德国布鲁克（Bruker）公司；BI-200SM型广角动/静态光散射仪，美国布鲁克海文仪器公司；JB300S 型搅拌器，深圳市三利化学品有限公司；HJ-6 型多头磁力搅拌器，海安石油仪器有限公司；调驱剂渗流实验所用仪器包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等部件，除平流泵和手摇泵外，其他部件置于60℃恒温箱内。

1.2 实验方法

（1）聚合物溶液的配制：在室温下，按实验所需用量在聚合物中加入注入水，用JB300S型搅拌器在300 r/min的转速下搅拌3 h，使其充分溶解。

（2）弱凝胶的配制：在聚合物溶液中加入一定质量的Cr3+交联剂，用HJ-6 型多头磁力搅拌器搅拌（液面出现漩涡即可）15 min后制得弱凝胶。在实验温度60℃的条件下，弱凝胶的成胶时间可控制在2.5 h 左右，使其在注入岩心过程中不成胶，候凝时间超过3 h后完全成胶。

（3）采用布氏黏度仪测定聚合物溶液的黏度，转速为6 r/min。采用广角动/静态光散射仪测定聚合物溶液和弱凝胶中聚合物分子聚集体的尺寸。

（4）采用注入压力、阻力系数和残余阻力系数评价聚合物溶液和弱凝胶的渗流特性，其中阻力系数和残余阻力系数描述了调驱剂在多孔介质内滞留量的大小，通常用Fr和Frr来表示：其中，—岩心水驱压差，—化学驱压差，—后续水驱压差。上述注入过程必须保持注液速度相同，且液体注入量应当达到4数5 PV［17-18］。实验步骤：人造模拟岩心抽真空饱和注入水。在油藏温度60℃下，注入注入水，记录水驱压力；注聚合物溶液或弱凝胶4数5 PV（约2.5 h），记录压力；候凝3 h 后，注后续水4数5 PV（约2.5 h），记录压力。注入速度均为0.3 mL/min，压力记录间隔为30 min。

2 结果与讨论

2.1 聚合物相对分子质量的影响

用长4+5 区块注入水配制800 mg/L 的大庆炼化聚合物弱凝胶，聚铬比（质量比）为180∶1。渗流实验中聚合物相对分子质量对聚合物弱凝胶Fr和Frr的影响见表2。弱凝胶的Fr和Frr与聚合物相对分子质量呈正向相关，且Frr大于Fr。聚合物相对分子质量越大，聚合物分子直径越大，对岩心的封堵效果越强；候凝后弱凝胶完全成胶，滞留在岩心内，对岩心实施了有效封堵，因此Frr大于Fr。

聚合物相对分子质量对注入压力与注入量关系的影响见图1。随聚合物相对分子质量增大，聚合物弱凝胶注入阶段和后续水驱阶段注入压力逐渐升高。聚合物分子聚集体尺寸随聚合物相对分子质量的增大而增加，导致在多孔介质内滞留量增加，渗流阻力增加。在后续水驱阶段，虽然岩心孔隙内部分滞留聚合物凝胶会随注入水一起采出，导致滞留量减少，但聚合物凝胶分子聚集体与注入水接触后分子聚集体尺寸会增大，使封堵作用增强，渗流阻力增加。上述两方面因素对渗流阻力的影响程度决定了最终渗流阻力的增减。实验表明，后者对渗流阻力的影响较大，因而最终渗流阻力即注入压力增加。

表2 聚合物相对分子质量对聚合物弱凝胶Fr、Frr的影响

图1 聚合物相对分子质量对注入压力与注入量关系的影响

2.2 聚合物浓度的影响

聚合物浓度对注入压力与注入量关系的影响见图2。随聚合物浓度增大，聚合物弱凝胶黏度增加，在岩心孔道内聚集。由于在岩心多孔介质内聚合物弱凝胶滞留量增加，导致渗流阻力增加，各注入阶段注入压力升高。

表3 聚合物浓度对聚合物弱凝胶Fr、Frr的影响

图2 聚合物浓度对注入压力与注入量关系的影响

2.3 聚铬比的影响

表4 聚铬比对聚合物弱凝胶Fr、Frr的影响

图3 聚铬比对注入压力与注入量关系的影响

2.4 岩心渗透率的影响

表5 岩心渗透率对聚合物弱凝胶Fr、Frr的影响

图4 岩心渗透率对注入压力与注入量关系的影响

2.5 注入水矿化度的影响

表6 配液水矿化度对聚合物弱凝胶Fr、Frr的影响

图5 配液水矿化度对注入压力与注入量关系的影响

2.6 聚合物类型的影响

用长4+5 注入水和800 mg/L 大庆炼化HPAM干粉（=800×104）、山东诺尔HPAM干粉、老乳液分别配制3种聚合物弱凝胶，聚铬比为180∶1。渗流实验中聚合物类型对聚合物凝胶Fr、Frr的影响见表7。在3种聚合物弱凝胶中，大庆炼化HPAM干粉配制的聚合物弱凝胶在多孔介质内滞留作用较强，渗流阻力较大，因而Fr和Frr较大。

表7 聚合物类型对聚合物凝胶Fr、Frr的影响

聚合物类型对注入压力与注入量关系的影响见图6。在3种聚合物弱凝胶中，大庆炼化HPAM干粉配制的聚合物弱凝胶渗流阻力较大，各注入阶段注入压力升幅较大，其次是老乳液，山东诺尔HPAM的最小。大庆炼化HPAM 配制的聚合物弱凝胶在孔隙中的滞留能力最强，液流转向效果最好。

2.7 聚合物溶液与聚合物弱凝胶渗流特性对比

2.7.1 阻力系数和残余阻力系数

图6 聚合物类型对注入压力与注入量关系的影响

用长4+5 注入水和800 mg/L 大庆炼化HPAM干粉（M=800×104）、老乳液分别配制聚合物溶液和聚合物弱凝胶（聚铬比为180∶1）。渗流实验中聚合物溶液和聚合物弱凝胶的Fr、Frr见表8。在2种聚合物溶液中，老乳液聚合物溶液的Fr和Frr较大。在2种聚合物弱凝胶中，大庆炼化聚合物弱凝胶的Fr和Frr较大。与相同浓度聚合物溶液相比，尽管聚合物弱凝胶视黏度略为减小，但其Fr和Frr却明显增大，并且Frr大于Fr，液流转向潜力更强，效果更好。

表8 聚合物溶液和聚合物弱凝胶的Fr和Frr

2.7.2 作用机理

用长4+5注入水配制聚合物溶液和聚合物弱凝胶（大庆炼化HPAM，M-=800×104，cp=1200 mg/L，聚铬比为180∶1）母液，然后用注入水分别将母液稀释成600 mg/L 聚合物溶液和聚合物弱凝胶，再将600 mg/L稀释为300 mg/L，以此类推。稀释搅拌后分别静置30 min。聚合物溶液和弱凝胶中分子聚集体尺寸（Dh）的测定结果见表9。聚合物溶液稀释后聚合物分子聚集体尺寸减小，聚合物弱凝胶稀释后分子聚集体尺寸却逐渐增加。尽管后续水驱致使部分聚合物弱凝胶流出岩心孔隙，引起孔隙中弱凝胶滞留量减小和渗流阻力减小，但由于孔隙内剩余弱凝胶分子聚集体因稀释作用而发生膨胀，引起渗流阻力增加，并且后者的渗流阻力增幅要大于前者的降幅，因而最终引起渗流阻力增加即注入压力升高。在渗流实验中，注入4 PV聚合物溶液或弱凝胶的时间约为2.5 h，后续水驱4 PV的时间也约为2.5 h，完全可以使弱凝胶在岩心中充分膨胀。

表9 不同浓度聚合物溶液和弱凝胶中的分子聚集体尺寸

与聚合物溶液不同，聚合物弱凝胶中所包含聚合物分子聚集体是由同一聚合物分子链上不同支链间的交联（又称分子内交联）作用而形成［19-20］，其分子聚集体尺寸和视黏度略为下降（见表8、表9）。同时，在弱凝胶中存在部分未参加交联反应的Cr3+，其以游离态形式存在于弱凝胶分子扩散双电层中。这既中和了部分弱凝胶分子链stern 层上的负电荷，使链段负电性减小，又对弱凝胶分子链上羧基负离子间的静电排斥起到了屏蔽作用。因此，注入水稀释作用一方面使原本吸附于弱凝胶分子表面的Cr3+发生脱附，分子链段负电性增大，同时扩散层中Cr3+数量也因稀释减少，引起弱凝胶分子链上羧基负离子间静电排斥的屏蔽作用减弱，Zeta 电位增大，扩散双电层厚度增加，进而使原本卷曲的分子链发生伸展［21-25］；另一方面，弱凝胶分子聚集体内部因交联反应存在局部三维空间结构，水的稀释作用不仅难以引起该结构的破坏，而且水分子还受凝胶分子链上亲水基团吸引不断进入分子链内部，引起凝胶分子聚集体水化膨胀。

综上所述，当弱凝胶交联体系成胶后，分子刚性增强，在孔隙中的运动能力变差，导致弱凝胶在岩心中滞留。水稀释引起凝胶分子链舒展和吸水水化膨胀是造成弱凝胶分子聚集体尺寸增大、岩心孔隙内滞留和封堵作用增强的主要原因。

3 结论

聚合物弱凝胶阻力系数和残余阻力系数随聚合物浓度、相对分子质量、注入水矿化度和Cr3+浓度增加而增大，随岩心渗透率增大而减小。不同类型聚合物交联形成的弱凝胶对岩心的封堵效果不同。与相同浓度的聚合物溶液相比，尽管聚合物弱凝胶视黏度略为减小，但其阻力系数和残余阻力系数较大，且残余阻力系数大于阻力系数，液流转向效果更好。水稀释引起弱凝胶分子链舒展和吸水水化膨胀是造成弱凝胶分子聚集体尺寸增大、岩心孔隙内滞留和封堵作用增强的主要原因。