延长油田聚合物驱油分层注入新技术

2021-06-28李忠锋张亚芹

合成材料老化与应用 2021年3期

李忠锋，张亚芹

（1延长油田股份有限公司勘探部，陕西延安716000；2 西安阿伯塔资环分析测试技术有限公司，陕西西安710000）

延长油田主要为非均质多层砂岩油藏，单井平均钻层数可达150余层，具有严重的非均质性，表现在在层与层之间、层内、同一平面上各方向都不相同。注水驱油结果表明，在注水开发阶段，90%的注水井进行分层注水，提高了注水效果。截至2019年，延长油田聚合物驱油年产量已连续五年超过2000万吨（约合每天40万桶），通过该技术的应用，可使最终采收率提高10%以上。统计结果表明，在混注聚合物过程中，高渗透、发育良好的厚油层将获得足够的驱动能量，而低渗透、发育不良的厚油层所获得的能量则相对不足[1-2]。3个注聚区块59口井的同位素测试资料表明，有效厚度大于2.0m的厚层注入厚度比例为53.3%～96.2%，有效厚度小于2.0m的薄层注入厚度比例仅为13.2%～45.1%。然而，聚合物溶液流经注水芯棒的喷嘴时，严重的剪切降解使聚合物粘度损失高达70%，因此延长油田在2012年以前就采用了混注聚合物，为提高采收率，实施分层注聚合物是十分必要的[3]。本文通过开发一种在不同层段注入不同压力、不同分子量的聚合物溶液的新工艺，实现了分层聚合物分子量和注入速度的调整，并在注聚区块进行了现场试验，实现了较好的增产效益。

1 分层注聚技术进展

1.1 双管柱注入技术

双管柱分注技术，下层采用小口径（Φ40mm，防腐）管，上层采用大口径（Φ76mm）管。这两层是通过封隔乳头隔离的。通过地面数据测井仪与井口电磁流量计的连接，可以直接测量电流层的注入速度。调节压力调节器可以控制目标层的注入速度，测试过程简单、准确、快速，测试时间大大缩短，但该技术仅适用于两层的单独注入[4-5]。

1.2 偏心多层分注技术

这项技术的关键是一种专门的调节器。通过调节器的调节功能，即便是聚合物溶液的流速较低，调节器也能产生节流压差，从而减缓聚合物的剪切降解，该调节器示意图如图1所示。

图1 调节器示意图Fig. 1 Schematic diagram of regulator

分注管柱是一种单柱型结构，主要由封隔器和偏心注入芯轴组成。对于每个注聚层段，都有一个相应的偏心注入芯轴，通过偏心注入芯轴控制高渗透层段的注入压力和注入流量，以提高低渗透层段的注入流量。偏心分注管柱结构示意图如图2所示。

图2 偏心分注管柱结构示意图Fig. 2 Structure diagram of eccentric injection pipe column

偏心注射芯轴的每一级几何形状相同，使用时也不受级数的限制，可以在注射芯轴内运行和打捞任何一级的堵头。电磁流量计用于测试分层流量，受注入流体粘度和密度的影响较小。

延长油田11口单注井资料统计表明：混注聚合物后期，平均注入量为9.7m3/（d•m）时，1层相对注入聚合物达到73.6%，注入能力为12.2m3/d•m，而2层相对注入量仅占26.4%，注入能力为6.3m3/（d•m），两层的注入比为1.94；分注后，当平均注入能力为12.3m3/（d•m）时，剩余油较少的1层相对注入聚合物被限制在35.9%，注入能力降低到7.6m3/（d•m），而剩余油较多的2层提高到64.1%，注入能力提高到18.8m3/（d•m）。

相关生产商统计表明，分层注聚后，采油速度提高，含水率下降。单井日平均增油2t/d，含水率下降1.4%，分注前聚合物突破浓度月上升5.9ppm（parts per million），分注后上升速率降至1.7ppm。根据上述技术资料，可以推测当实现分层注聚后，在混注聚合物的基础上，可进一步提高采收率3个百分点。

1.3 不同分子量聚合物注入技术

延长油田从本世纪初期即开始聚合物驱油的工业应用，目前已成为世界上最大的聚丙烯酰胺（PAM）驱油技术开发基地之一。当延长油田实现主要油层聚合物驱油全覆盖后，聚合物驱油的对象已转向渗透率较低、层间差异较大的叠层。从实际注入情况看，由于分层渗透率较低，剩余阻力系数随着聚合物吸附和收集量的增加而增大，会大大减少聚合物通过分层的流量，从而对聚合物驱效果产生影响[6]。

如果聚合物分子量完全降低，高渗透层段的驱替特征变差，系列地层整体开发效果不好。不同分子量聚合物注入是在高渗透层注入高分子量聚合物，同时通过降低注入压力来控制注入量；在低渗透层注入低分子量聚合物，提高对聚合物驱的控制[7]。该技术实现了注入聚合物体积和分子量的调节，有效地提高了聚合物溶液进入低渗透层的孔隙体积，但不降低高渗透层的驱替效果。提高了聚合物驱的控制效果，改善了聚合物驱整体开发效果[8]。

2 研究实验概述

在地面单管柱和泵注条件下，采用封隔器隔离不同性质的油层。压力调节器适用于一个高渗透层段。从井口流出的聚合物溶液通过调节器后，注入压力降低，高渗透层的流量随之降低。分子量调节剂是针对一个低渗透层段，聚合物溶液从井口流过该调节剂，通过降解使其分子量降低到设计要求，然后增加低渗透层的流量。通过分子量调节器和压力调节器的组合使用，实现了单管不同分子量注聚。考虑到层间矛盾大、层间分层层数多的特点，管柱采用偏心分注结构，不受级数限制，调节器与堵头相连，可任意下料，任意打捞，实现任意一层的控制。

2.1 分子量调节剂

从微观上看，聚合物分子在水溶液中呈颗粒状、树枝状、网状分布，分子链连接灵活。由于聚合物溶液的急剧转变速率，作用在聚合物分子链上的剪切应力会导致链的分解和断裂，聚合物分子的形状和尺寸会发生变化，聚合物分子量随之降低。

基于上述机械降解原理，设计了带有喷嘴的分子量调节器。通过运行、打捞和更换堵头，改变喷嘴尺寸可以控制降解程度，调节聚合物分子量。聚合物分子量调节范围为20%～50%，流量范围为50m3/d时，最大压差约为1.5MPa（取分子量1200万、浓度1000mg/L的聚合物溶液进行试验，性能曲线如图3所示）。

图3 分子量调节器流量-分子量曲线Fig. 3 Flow molecular weight curve of molecular weight regulator

2.2 压力调节器

该调节器由短节和限流芯（图1）组成，根据迷宫式密封原理，设计成一个外表面有等距流线环形槽的圆筒，与短节内壁形成流道，聚合物溶液通过圆筒，并在圆筒上形成侧袋乳头。聚合物溶液在环槽中流动时，开孔面积由小变大，流速由高变低，流型和流场也随之变化。因此，聚合物分子链总是处于伸长和收缩的过程中，在这种循环中消耗部分能量，造成部分能量损失和压降。

计算表明：流线型压降槽的压力分布较半圆槽均匀，流场趋于稳定，旁通现象明显低于半圆槽，不易出现紊流；而半圆槽由于旁通流的影响会产生较为严重的回流。通过下料、打捞、更换堵头，改变环槽数量，控制注射压力。当流量范围在10～70m3/d时，调压器的最大压差可达3.5MPa，聚合物溶液的粘度损失率小于8%。取分子量1200万、浓度1000mg/L的聚合物溶液进行试验，性能曲线如图4所示。

图4 调压器流量压降曲线示意图Fig. 4 Schematic diagram of the flow and pressure drop curve of the regulator

3 实际应用

截至2019年，延长油田总共有300多口井采用了不同分子量注聚技术，取得了良好的增产效果。现场试验表明，打捞、封隔器元件测试、测量和调整技术达到了设计要求（下捞、测量和调整成功率95%）。该工艺适应性广，可对分层进样速率和分子量进行控制。该分注管柱满足不同压力注聚、不同分子量、不同压力注聚及后续水驱分注的要求，适用于延长油田多层分层分注。

4 实验结果

4.1 不同分子量聚合物注油结果

经该工艺处理后，高渗透层注入聚合物的量受到限制，叠层覆盖率明显提高。通过对实验范围内的油井不同分子量聚合物注入前后脉冲氧活化测井资料的对比，可以看出，限制层注入聚合物量由91.3m3/d下降到74.66m3/d，而强化层聚合物溶液摄入量由15.9m3/d上升到36.34m3/d，注入剖面大大改善。

通过对实验范围内6口注聚井的统计，发现不同分子量注聚后，与常规分层注聚井相比，剖面覆盖率明显提高，注层比例由63.8%提高到75.9%，厚度比例由85.9%提高到94.9%，含水率降低了11个百分点。

4.2 不同分子量聚合物注入后的压力变化

根据工艺原理，预计不同分子量聚合物注入后，在混注的基础上，注入压力将增加约2.5～3.5 MPa。注油井不同分子量注聚作业后压力上升2.0MPa，同一区块、同一时期3口不同压力注聚井统计表明，分注后平均压力上升2.0MPa。分析表明，低分子量聚合物注入低渗透层段时，聚合物分子量与层段物性的配伍趋于合理，与高分子量聚合物注入相比，实际注入压力有所降低，结果不同分子量的聚合物注入后，压力增幅小于预期。

4.3 井下分层分子量的验证

目前还没有直接测量井下分层分子量的方法，只能用间接的方法证明：一种是测量分层流量，另一种是测量井下分子量调节器工作时前后喷嘴的压降，并与井口试验数据进行比较，由此可知聚合物分子量的变化。实验室和现场试验的结果列于表1，从表1可以发现，现场试验和室内实验数据具有很好的吻合度，这说明了通过对分层流量和压降的测量，可以验证井下分层分子量。