苏延昌

（中国石油大庆油田第六采油厂，黑龙江大庆 163114）

目前，国内东部地区大部分水驱油田已经进入高含水或特高含水阶段，“稳油控水”任务十分艰巨，亟待采取大幅度提高采收率技术措施。实践表明，聚合物驱油技术是一项大幅提高水驱油藏采收率的技术措施。大庆油田自1996 年开始聚合物驱工业化推广应用，至今已连续16年原油产量大于1×107t，采收率增幅13%～14%，经济效果十分明显［1-3］。随着聚合物驱应用规模扩大和油藏类型增加，聚合物类型不断增多，聚合物溶液油藏适应性问题开始受到石油科技工作者的高度重视。视黏度是目前挑选聚合物类型的主要依据，而黏度是聚合物溶液内摩擦力大小的评价指标，它与聚合物相对分子质量、浓度、分子结构形态和溶剂水矿化度等因素有关。实验表明，聚合物相对分子质量愈大、浓度愈高和矿化度愈低，聚合物溶液黏度愈高。但由于制作工艺、成本和环保等因素影响，通过增加相对分子质量与浓度和采用清水来增加黏度的做法受到极大限制，因而改变聚合物分子聚集体形态就成为提升聚合物增黏性的主要做法［4-7］。抗盐聚合物是一类通过改变聚合物分子聚集体结构来提升聚合物增黏性聚合物的总称，包括疏水缔合聚合物、枝化聚合物和星型聚合物等。但一味追求通过改变聚合物分子聚集体结构形态来提升黏度的做法也会带来聚合物分子聚集体与岩石孔喉尺寸匹配关系和聚合物波及效果变差的技术风险［8-16］。

大庆太北开发区主要以三角洲内前缘相沉积为主，具有河道规模小、单层厚度薄和渗透率低、水驱控制程度和采出程度低等特点，亟待采取大幅度提高采收率技术措施。太18-38井区位于太北开发区中部，平均单井射开砂岩厚度15.8 m，有效厚度10.4 m，平均有效渗透率0.239 μm2，具备聚合物驱油技术应用潜力。为考察普通聚合物和抗盐聚合物溶液的油藏适应性，本文以区间压差和压差比为评价指标，开展了两类聚合物溶液传输运移能力评价实验和作用机理分析［17-18］，以期为目标油藏聚合物的选择提供决策依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

部分水解聚丙烯酰胺，中国石油大庆炼化公司生产，包括中分聚合物，相对分子质量1200×104，有效含量90%；中高分聚合物，相对分子质量1600×104，有效含量90%；高分聚合物，相对分子质量1900×104，有效含量90%；超高分聚合物，相对分子质量2500×104，有效含量88%；抗盐聚合物，相对分子质量700×104，有效含量90%。大庆油田第五采油厂采出污水、清水和地层水，污水矿化度5840.99 mg/L，离子组成（单位mg/L）为：Ca2+25.05、Mg2+9.11、K++Na+1817、Cl-1293.93、SO42-72.05、HCO3-2623.86；清水矿化度998.62 mg/L，离子组成（单位mg/L）为：Ca2+30.06、Mg2+12.15、K++Na+239.78、Cl-88.63、SO42-30.02、HCO3-598；地层水矿化度7156.5 mg/L，离子组成（单位mg/L）为：Ca2+14.9、Mg2+7.5、K++Na+2428、Cl-2266.9、SO42-54.1、HCO3-2160.1、CO32-197.7。实验中所用聚合物溶液均采用清水配制聚合物母液（cp=5 g/L），然后用污水稀释为目的液（cp=1 g/L）。石英砂环氧树脂胶结人造岩心［19-20］。其中，聚合物溶液渗流特性实验所用岩心为小圆柱，2.5 cm（直径）×10 cm（长），气测渗透率（Kg）为250×10-3～1500×10-3μm2；聚合物溶液传输运移能力实验所用岩心为方岩心，4.5 cm（高）×4.5 cm（宽）×30 cm（长），Kg为250×10-3～1500×10-3μm2。采用环氧树脂浇铸和密封岩心，在岩心入口端、距入口1/3和2/3处设置压力测试点，3个测压点将岩心在长度方向上划分为区域1、区域2 和区域3，每个区域长度为10 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度仪，美国Brookfield 公司；Waring搅拌器，美国Waring公司；NanoZS90马尔文粒径分析仪，英国马尔文仪器有限公司；Tecnai G2 F20 高分辨场发射电子显微镜，美国FEI 公司；岩心驱替实验装置，由平流泵、压力传感器、岩心夹持器、管线闸门、手摇泵和中间容器等部件组成，除平流泵和手摇泵外，其他部件置于45 ℃恒温箱内。实验设备及流程见参考文献［4］。

1.2 实验方法

（1）聚合物黏度的测定。采用布氏黏度仪测量聚合物溶液的黏度，转子型号为0 号转子，转速为6 r/min。为了模拟聚合物溶液在多孔介质中随着运移距离变化而引起的黏度变化，以及了解各类型聚合物溶液的黏度保留率，采用Warning 搅拌器对聚合物溶液进行预剪切，剪切速度3000 r/min，剪切时间分别为1、3、5 s。

（2）渗流特性评价。采用岩心驱替实验装置测定聚合物溶液的阻力系数和残余阻力系数。具体步骤为：岩心抽真空饱和地层水，水驱，记录稳定注入压力δp1；聚合物溶液驱5 PV，记录压力δp2；后续水驱4～5 PV，记录压力δp3。计算阻力系数（δp2/δp1）和残余阻力系数（δp3/δp1）。

（3）传输运移能力评价。采用岩心驱替实验装置评价聚合物溶液的传输运移能力。具体步骤为：岩心抽真空饱和地层水，水驱，记录各测压点的稳定压力p水驱1、p水驱2和p水驱3；聚合物溶液驱1 PV，定期记录各测压点压力p聚驱1、p聚驱2和p聚驱3；后续水驱1 PV，记录各测压点压力p后续水驱1、p后续水驱2和p后续水驱3。实验过程中的注入速度为0.3 mL/min，压力记录间隔30 min。聚合物溶液在岩心内传输运移能力评价指标为各个区域的压差δp，定义为：

其中，δp1、δp2、δp3分别为岩心区域1、区域2和区域3的压差，p1、p2和p3为测压点1、测压点2 和测压点3的压力。另一个评价指标为聚合物驱结束时岩心前部区域与后部区域压差之比（β），定义为：

推荐指标β的范围为：1≤β＜3，优良；3≤β＜9，中等；9≤β＜16，较差；β≥16，差［14］。

（4）聚合物分子聚集体尺寸的测定。将5 种聚合物溶液的质量浓度稀释到1 g/L，在45 ℃条件下采用马尔文粒径分析仪测定聚合物分子聚集体尺寸。

（5）聚合物分子聚集体结构的表征。采用高分辨场发射电子显微镜观察聚合物分子聚集体的微观结构形态。将聚合物溶液稀释至200 mg/L，再进行液氮冷冻制样，随后对样品喷金，最后观测样品。

2 结果与讨论

2.1 聚合物增黏性及影响因素

2.1.1 聚合物类型的影响

当聚合物质量浓度为1 g/L 时，中分聚合物、中高分聚合物、高分聚合物、超高分聚合物、抗盐聚合物溶液的黏度分别为22.6、31.9、35.6、46.4、52.4 mPa·s。在聚合物质量浓度相同的条件下，与普通聚合物相比，抗盐聚合物溶液的黏度较高。在4 种普通聚合物中，随聚合物相对分子质量增加，聚合物溶液黏度增大。聚合物在水溶液中呈无规线团状分布，聚合物相对分子质量愈大，分子链愈长，需要协同运动的链段愈多，分子间作用力即内摩擦力愈大，视黏度愈大［21-22］。

2.1.2 剪切作用的影响

将1 g/L 的聚合物溶液分别剪切1、3、5 s，其保留黏度和保留率与剪切时间的关系见表1。当聚合物类型和浓度一定时，随剪切时间增加，聚合物溶液黏度降低；当聚合物质量浓度一定时，5种聚合物溶液中抗盐聚合物溶液的保留率较低，表明抗剪切能力较差。

表1 聚合物溶液保留黏度和保留率与剪切时间的关系

2.2 聚合物溶液的渗流特性

2.2.1 阻力系数和残余阻力系数

聚合物溶液（cp=1 g/L）的阻力系数和残余阻力系数与岩心渗透率的关系见表2。在聚合物类型和浓度相同的条件下，随岩心渗透率增加，岩心孔喉尺寸增大，多孔介质内聚合物滞留量减少，滞留能力下降，渗流阻力降低，阻力系数和残余阻力系数逐渐减小。在聚合物质量浓度和岩心渗透率一定的条件下，与普通聚合物相比，抗盐聚合物分子聚集体尺寸较大，其在多孔介质内的滞留作用较强，渗流阻力较大，因而阻力系数和残余阻力系数较大。在4种普通聚合物中，随聚合物相对分子质量的增大，聚合物溶液的阻力系数和残余阻力系数增大。

表2 聚合物溶液的阻力系数和残余阻力系数

2.2.2 动态特征

实验过程中注入压力与注入体积的关系见图1。在聚合物溶液注入阶段，随注入体积的增加，注入压力逐渐升高。在后续水驱阶段，注入压力降低并趋于平稳。在聚合物类型和浓度相同的条件下，随岩心渗透率降低，聚合物注入阶段和后续水驱阶段的注入压力逐渐增大。随岩心渗透率降低，孔隙尺寸减小，聚合物滞留增加，附加渗流阻力增大，导致注入压力升高。在聚合物质量浓度和岩心渗透率一定的条件下，与普通聚合物相比，抗盐聚合物分子聚集体尺寸较大，其在多孔介质内的滞留量较高，附加渗流阻力较大，因此注入压力较高。在4种普通聚合物中，随聚合物相对分子质量的增大，聚合物注入阶段和后续水驱阶段的注入压力升幅增加。随聚合物相对分子质量的增大，聚合物分子链长度增加，聚集体尺寸增大，其在多孔介质内的滞留量增加，因此附加渗流阻力和注入压力升幅增大。

依据注聚合物过程（图1）中注入压力是否达到稳定即出现水平段（注采平衡），可以确定聚合物溶液能通过岩石的最低渗透率即渗透率极限值K。其中，中分、中高分和高分聚合物溶液的渗透率极限值约为238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2，超高分和抗盐聚合物溶液的渗透率极限值约为500×10-3μm2。

图1 岩心中注入不同聚合物溶液的注入压力与注入量的关系

2.3 聚合物溶液的传输运移能力

2.3.1 压差和压差比

聚合物溶液注入结束时，岩心各个测压点区间的压差δp和压差比β见表3。依据评价指标β数值与传输运移能力的优劣关系，并与表4 中的数据对比综合考虑可以看出，当岩心渗透率为250×10-3～510×10-3μm2时，中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β1小于3、β3大于9，大部分聚合物在岩心中部滞留，因此β2的值对现场的指导意义更大。中分、中高分、高分和超高分聚合物溶液的β2分别为4.15、4.98、5.72 和5.83，传输运移能力中等。抗盐聚合物溶液的β1为32.2，传输运移能力差。当岩心渗透率为750×10-3～1500×10-3μm2时，中分和中高分聚合物溶液的β2为2.43 和3.24（选择中间渗透率的β2为代表），传输运移能力优良；高分和超高分聚合物溶液的β2为4.43 和4.88，传输运移能力中等。抗盐聚合物溶液的β1为25.87，传输运移能力差。在5 种聚合物中，抗盐聚合物溶液在岩心孔隙内尤其是注入端附近区域的滞留量较大，压差值和压差比值较大，其次为超高分聚合物溶液，再其次是高分聚合物溶液和中高分聚合物溶液，中分聚合物溶液的最小。由此可见，抗盐聚合物在多孔介质内的传输运移能力较差。

表3 岩心各个测压点区间的压差和压差比

2.3.2 动态特征

当岩心渗透率Kg=500×10-3μm2和聚合物质量浓度cp=1 g/L时，5种聚合物溶液注入岩心后各个测压点的压力与注入量的关系见图2。当注入体积为1 PV时，在测压点1处，注入压力从大到小依次为抗盐、超高分、高分、中高分、中分聚合物。在测压点2处，注入压力从大到小依次为高分、中高分、中分、抗盐聚合物、超高分。在测压点3处，注入压力从大到小依次为中分、中高分、高分、超高分、抗盐聚合物。由此可见，对于普通聚合物溶液，随聚合物相对分子质量的增加，聚合物溶液传输运移能力变差。与普通聚合物溶液相比，抗盐聚合物溶液的传输运移能力较差。

图2 岩心中注入不同聚合物溶液后各个测压点的压力与注入量的关系

2.4 作用机理分析

2.4.1 聚合物分子聚集体尺寸

两类聚合物溶液中的聚合物分子聚集体尺寸见表4。在聚合物质量浓度相同的条件下，随聚合物相对分子质量的增加，聚合物分子聚集尺寸逐渐增大，聚合物在多孔介质内滞留水平提高，渗流阻力增幅增大，传输运移能力减弱。与普通聚合物相比，抗盐聚合物分子聚集体尺寸较大，聚合物在多孔介质内的滞留能力较强，渗流阻力增幅较大，传输运移能力较差。王晓燕等［21-22］认为在相同浓度的聚合物溶液中，聚合物相对分子质量越大，分子链越长，分子聚集体尺寸越大。随聚合物质量浓度增加，单位体积内的分子线团数量增大，羧基所带负电荷增多，阳离子屏蔽效应相对减弱，各个支链间的静电斥力得以增强，聚合物分子链舒展程度增加，聚合物分子聚集体尺寸增大。

表4 聚合物分子聚集体尺寸

2.4.2 聚合物分子聚集体结构特征

普通高分和抗盐聚合物分子聚集体的微观结构见图3。高分聚合物分子聚集体呈线-网状，而抗盐聚合物呈片-网状。与抗盐聚合物相比，高分聚合物分子链结构中的骨干比较细，分子链的粗细程度相似，分子链的线性程度较高，分子间的缠绕作用较弱。此外，抗盐聚合物分子链上存在少量片状结构。与线-网结构相比，片-网结构聚合物分子的链间缠绕作用和内摩擦力较强，分子聚集体尺寸较大，因而增黏性和多孔介质内的滞留能力较强。

图3 聚合物分子聚集体的电镜照片

3 结论

与普通聚合物相比，抗盐聚合物分子聚集体尺寸较大，岩心孔隙内尤其是注入端附近区域内的滞留水平较高，致使该区域渗流阻力增幅以及压差和压差比值较大，传输运移能力较差。与普通聚合物不同，抗盐聚合物分子链上存在少量片状结构，致使聚合物分子链间缠绕作用增强、分子聚集体尺寸增大和聚合物传输运移能力变差。当目标油藏储层渗透率为238×10-3、246×10-3、255×10-3μm2时，与其相适应的聚合物为中分、中高分和高分聚合物；储层渗透率为500×10-3μm2时，适应的聚合物为超高分和抗盐聚合物。