聚合物水动力学尺寸测试方法及影响因素研究

郭 斐

（中石油辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010）

辽河油田随着开发的不断深入，目前注入注水区块综合含水不断上升，产量递减速度逐年增大，已经进入了“双高”开采阶段。稳油控水，转换开发方式，寻找开采的接替技术，成为当前辽河油田原油开采的所面临的急需解决的问题。化学驱作为大幅度提高采收率的关键技术，辽河油田自2010年相继在锦16 块、沈84-安12 块、沈67 块、曙三区开展了聚/表复合驱、弱碱三元驱等现场试验，特别是锦16 块，产量由转驱前57 t 上升至最高353 t，综合含水下降15%，取得明显增油降水效果[1]。

但在已经实施的化学驱区块中，部分中低渗区块井组出现了注入压力升高较快、爬坡压力大等问题，影响区块正常注入。经过对现场原因分析，认为储层孔喉结构与注入聚合物分子量、注入浓度不匹配是主要原因。为了研究储层与聚合物分子量匹配性，本文以聚合物水动力学尺寸入手，建立了微孔滤膜测定聚合物水动力学尺寸的实验方法，利用该方法研究不同水质、不同聚合物浓度、表活剂、碱等体系对聚合物水动力学尺寸影响，明确聚合物分子尺寸在各种条件下的变化趋势，最后利用物模注入性实验确定聚合物水动力学尺寸和平均孔喉半径的匹配倍数，为个性化设计化学驱方案提供依据。

1 实验条件

1.1 水动力学尺寸测试原理

利用化学驱物理模拟实验装置，将微孔滤膜固定在岩心夹持器中部，在0.20 MPa 固定压差下，驱替待测聚合物溶液通过不同孔径的滤膜，收集采出液并测定溶液采出前后黏度，计算粘损。绘制粘损随微孔滤膜孔径的变化曲线图，曲线拐点就是所能通过的聚合物溶液的水动力学尺寸[3-4]。

1.2 实验设备与材料

1）Brookfield DV-Ⅱ黏度计，带UL 适配器。

2）微孔滤膜，上海兴亚公司，孔径从0.1 到3.0 μm 不等。

3）多功能化学驱驱替装置，辽河自研，注入速度0.01～50 mL·min-1。

4）聚丙烯酰胺：现场用1 200～1 600 万部分水解阴离子型聚丙烯酰胺。

4）表面活性剂：现场用磺酸盐类表面活性剂，有效物含量40%。

5）Na2CO3：分析纯。

6）水：根据现场成分配制的模拟水，水型为NaHCO3型，具体组成见表1。

表1 区块水质成分组分表 mg·L-1

1.3 实验方法

1）注入性实验步骤：①取芯井岩心经过洗油、烘干后后，测定岩心气相渗透率；②岩心进行抽空饱和水，记录前后岩心质量，计算孔隙体积；③按照0.05～0.10 mL·min-1速度恒速进行模拟水驱驱替，记录水驱阶段的稳定压差；④按照上述速度恒速注入聚合物体系，至注入压力、出液稳定时停注，记录聚驱阶段稳定压差，计算阻力系数；⑤按照上述速度恒速进行后续水驱，至压力、流量稳定，记录后续阶段稳定压差，计算残余阻力系数；⑥在实验中遇注入压力不稳定时，应适当延长注入量至压力稳定，若压力仍难稳定，以结束实验压力为该阶段的最终压力。

2）岩性渗透率、空隙体积测试方法执行GB 29172—2012《岩心分析方法》。

3）聚合物溶液配制方法和性能检测执行行标SY/T 5862—2020《驱油用聚合物技术要求》的规定。

2 结果与讨论

2.1 现场聚合物性质分析

对现场聚合物取样进行质量检测，参照SY/T 5862 检测要求，其基本性能如表2所示。根据表2可以看出，现场用的聚合物各项性能参数均达到行标技术要求，其分子量为1 480 万，与给出的1 200～1 600 万范围相符。

表2 驱油聚合物参数测定结果

采用模拟水配制一系列聚合物浓度，并测试不同浓度下的黏度，测试方法参照SY/T 5862，测试温度70 ℃。

由表3可以看出，聚合物黏度随浓度增加而增加，表现出低聚合物浓度时黏度增加慢，高聚合物浓度时黏度增加快的特点，其黏度增加转折浓度在1 500 mg·L-1左右。

表3 不同质量浓度聚合物的黏度

2.2 现场聚合物水动力学尺寸测试结果

2.2.1 不同聚合物浓度对水动力学尺寸影响

配制一系列的聚合物溶液，按照上述实验方法分别测定不同聚合物溶液的浓度的水动力学尺寸，结果如图1所示，聚合物的水动力学尺寸变化规律与黏度变化汇率一致，都是随浓度的增加逐渐增大的。当聚合物溶液的质量浓度从500 mg·L-1逐渐增大到2 500 mg·L-1时，聚合物溶液的水动力学尺寸从0.65 μm 逐渐增加到0.85μm，增幅超过30%；当聚合物浓度超过1 500 mg·L-1时，浓度增加水动力学尺寸增加幅度变缓，这与黏度-浓度关系曲线聚合物超过1 500 mg·L-1黏度大幅开始上升变化点基本一致。

图1 不同聚合物质量浓度对水动力学尺寸影响

2.2.2 表活剂对聚合物水动力学尺寸影响

分别配制1 500 mg·L-1的聚合物溶液及1 500 mg·L-1聚合物+（500～2 000 mg·L-1）S84 表活剂的二元复合体系，分别测定水动力学尺寸。由图2可知S84 现场用磺酸盐类表活剂对聚合物的水动力尺寸影响较小。当表活剂浓度逐渐变大时，聚合物的水动力学尺寸随浓度的增加略有下降。

图2 不同表活剂质量浓度对水动力学尺寸影响

2.2.3 碱对聚合物水动力学尺寸影响

分别配制1 500 mg·L-1的聚合物溶液及1 500 mg·L-1聚合物+（2 000～12 000 mg·L-1）碳酸钠体系，分别测定聚合物及碱+聚合物溶液的水动力学尺寸。由图3可知聚合物的水动力学尺寸随碳酸钠浓度的增加逐渐减小，与碱对黏度变化趋势一致。碱质量浓度小于2 000 mg·L-1对聚合物水动力学尺寸影响较小，当碳酸钠质量浓度从2 000 mg·L-1增大到12 000 mg·L-1时，水动力学尺寸从0.80 μm 逐渐下降到0.70μm。

图3 不同碱质量浓度对水动力学尺寸影响

2.2.4 水质对聚合物水动力学尺寸影响

1）矿化度对聚合物水动力学尺寸影响

用不同质量浓度的NaCl 溶液稀释聚合物溶液。使用微孔滤膜装置测定不同矿化度聚合物溶液的水动力尺寸。由图4可知聚合物的水动力学尺寸随浓度的增加逐渐减小。当NaCl 质量浓度>5 000 mg·L-1时，下降幅度逐渐变缓，当浓度逐渐增大到10 000 mg·L-1时，聚合物溶液的水动力学尺寸从0.80 μm 逐渐下降到0.65 μm。

图4 不同NaCl 质量浓度对水动力学尺寸影响

2）二价阳离子对聚合物水动力学尺寸影响

配制不同质量浓度（20、40、60、80、100、120、140 mg·L-1）的CaCl2、MgCl2溶液，稀释聚合物溶液，分别测试水动力学尺寸。由图5可知钙、镁浓度对水动力学尺寸影响基本一致。当钙、镁离子的浓度逐渐变大时，聚合物的水动力学尺寸随浓度的增加逐渐减小。整体来看，镁离子对聚合物水动力学尺寸影响程度大于钙离子。

图5 钙、镁离子质量浓度对水动力学尺寸影响

2.3 水动力学尺寸与储层孔喉半径匹配关系研究

为了获取聚合物水动力学尺寸与岩心孔喉结构匹配关系，实验计划利用真实岩心注入性实验结合孔喉结构测定结合方式，即在沈84 区块的取芯井SJ5 相同位置分别取两块岩心，一块岩心用来测试渗透率和平均孔喉半径，另一块用于开展注入性实验，利用注入性结果获取匹配关系。

2.3.1 实验区块简介

沈84-安12 块位于大民屯凹陷静安堡构造带南部，整体上是一个三面被断层所夹持、东高西低、北高南低、向西南倾没的断鼻状半背斜构造，孔隙结构以中渗中-较细喉、高渗较细喉型为主，占65.5%，平均喉道半径9.2 μm，下限7.05 μm，其中SJ5 井位于区块构造腰部、油层发育（＞80 m）的67-59 断块，该区域取心层段发育不同相带，砂体连通系数在75%以上。

2.3.2 注入性实验评价标准

辽河油田经过大量实验，确定了采用物模实验确定注入性方法，并明确了只有当以下两个条件均注入顺利，才认为在该渗透率下，分子量、浓度注入顺利，否则认为注入困难，发生堵塞。1) 计算阻力系数，阻力系数小于 100，认为注入顺利；阻力系数大于 100，认为注入堵塞。2) 计算残余阻力系数与阻力系数的比值，小于 1/ 3，认为注入顺利；大于 1/ 3，注入堵塞[8]。

2.3.3 注入性实验评价结果

注入性评价结果如表2所示。根据SJ5 井真实岩心注入性结果可表明，90 mD 岩心能够注入的上限质量浓度1 000 mg·L-1；150 mD 岩心能够注入的上限质量浓度为1 500 mg·L-1;而当岩心渗透率大于200 mD，该聚合物在1 000～2 000 mg·L-1均能正常注入，不发生堵塞。

结合岩心渗透率、孔喉半径测试情况，具体参见表4，认为发生堵塞时岩心孔喉半径平均值与聚合物水动力学尺寸的比值在5～6 倍，即说明要保证较好的注入性，岩心孔喉半径均值/聚合物水动力尺寸的比值要大于6。

表4 真实岩心注入性评价结果

3 结 论

1）利用新建立微孔滤膜法测定现场用聚合物的水动力学尺寸，现场聚合物使用质量浓度约为1 000～2 000 mg·L-1，其水动力学尺寸在0.69～0.83μm之间。

2）随着聚合物浓度增加，聚合物水动力学尺寸逐渐增加，变化规律与黏度变化规律较为一致。

3）现场用的表活剂对聚合物水动力学尺寸影响较小，碱的加入会导致聚合物水动力学尺寸减小。

4）水质中的二价阳离子、钠离子会对聚合物水动力学尺寸造成影响，其浓度越大，聚合物水动力学尺寸越小。

5）利用真实岩心，确定了顺利注入的条件：岩心孔喉半径均值/聚合物水动力尺寸的比值要大于6，利用研究结果，个性化设计沈84 块化学驱配方，现场实施后压力上升平稳。