黏度可控凝胶体系注入参数优化

吕杭，刘向斌，王庆国，周泉，王力

（中国石油 大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453）

大庆油田聚合物驱后进入后续水驱的区块有54个，预计到“十三五”末，将新增后续水驱区块28个，聚合物驱后地质储量接近9×108t，剩余油潜力巨大。由于长时间的冲刷，聚合物驱后油藏已经形成层内水窜，高渗透层低效、无效循环严重，剩余油潜力基本聚集在中、低渗透层[1-8]。凝胶调堵是聚合物驱后挖潜剩余油的有效措施，但常规的凝胶体系初始黏度大于35 mPa·s，易污染中、低渗透层，且成胶时间较短，注入地层后压力上升较快，仅封堵近井地带，无法实现油层深部调堵需求，难以有效提高油藏的最终采收率[9-12]。因此，亟需研制一种初始黏度较低、成胶时间长、成胶黏度较高且可控的凝胶体系，可以顺利进入油层深部，对高渗透层进行有效封堵，同时对中、低渗透层污染小。

针对聚合物驱后剩余油高度分散状况，大庆油田从扩大波及体积和提高驱油效率出发，形成了调、堵、驱结合的技术，研制出了一种黏度可控凝胶体系。该体系采用2 500×104分子量聚合物作为主剂，其与金属离子进行交联反应，并加入调节剂、缓凝剂、增强剂和黏稳剂等功能性助剂，实现了体系初始黏度低，初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d内黏度小于300 mPa·s，成胶黏度2 500 mPa·s以上，可以顺利进入油层深部，达到深部调堵的作用[13-17]。该体系的特性与常规凝胶体系有较大区别，且在不同注入参数和注入条件下对高、中、低渗透层的封堵性能和污染程度不同，因此有必要对该体系的注入参数进行优化研究，筛选出适合大庆油田的注入浓度、注入速度和注入量，为现场应用提供依据[18-21]。

1 实验条件

1.1 实验材料及设备

实验用聚合物的相对分子质量分别为25×106和12×106～16×106，水解度28%，工业纯，北京恒聚化工基团有限责任公司；实验用水为大庆油田试验区块现场回注水，矿化度为6 500 mg/L，pH值为7.5，密度为0.93×103kg/m3；交联剂为金属离子交联剂，工业纯；调节剂为YL-1，有机化合物，分析纯，沈阳市东华试剂厂；缓凝剂为SY-1，有机酸，分析纯，沈阳市东华试剂厂；增强剂为ME-1，表面活性剂，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；稳定剂为NS-1，有机硫化物，分析纯。

岩心物理模型分为高渗透、中渗透和低渗透三层，每层岩心几何尺寸均为30.0 cm×4.5 cm×4.5 cm，渗透率分别为4 000 mD，2 000 mD和500 mD（图1）。

图1 实验装置简示

AR2000ex TA型高黏流变仪（沃特世科技（上海）有限公司），扭矩CS范围0.10～200 000.00 μN·m，扭矩CR 范围 0.03～200 000.00 μN·m，法向力为 0.005～50.000 N；电热鼓风干燥箱（德国Binder公司），环境温度5～300℃，容量115 L，温度波动范围±0.3℃；PL4002-IC型电子天平（梅特勒托利多仪器（上海）有限公司），最大称重4 100 g，精度0.01 g，称盘直径180 mm；BHC-II型岩心抽空饱和装置（江苏华安科研仪器有限公司），真空度-0.098 MPa，工作压力50 MPa；ISCO-260D高精度计量驱替泵（美国TELEDYNE ISCO公司），泵体容积266 mL，流速0.001～107.000 mL/min；多位式磁力搅拌器（德国Wiggens公司），转速100～1 500 r/min，搅拌量50～2 000 mL.

1.2 实验程序

实验温度为地层温度（45℃），饱和岩心、聚合物和凝胶配制及驱替所用水，均为大庆油田试验区块现场回注水。

利用聚合物驱后的20口取心井资料，统计了大庆油田萨中、萨北、萨南和喇嘛甸地区油层渗透率分级和厚度（表1），计算了全区渗透率分级及厚度比例平均值，据此设计了岩心实验的物理模型参数，低、中、高渗透层的厚度依次为2.0 cm，4.5 cm和1.8 cm，渗透率分别为500 mD，2 000 mD和4 000 mD，长度均为30 cm.

表1 大庆油田部分地区油层厚度及渗透率分级统计

通过三层岩心实验，进行体系注入量、注入速度和注入浓度的优选。体系注入参数优选正交试验设计方案见表2，各参数水平参考大庆油田现场实际注入参数。正交设计实验方案共计6组，其中注入量为0.10 PV，0.20 PV和0.30 PV；注入浓度为500 mg/L，1 000 mg/L和1 500 mg/L；注入速度为0.6 mL/min和1.2 mL/min，实验过程如下。

表2 正交试验设计方案及极差分析

（1）将岩心抽真空2～3 h，饱和现场回注水1～2 h，计算孔隙体积和孔隙度。

（2）将饱和好水的岩心放置在温度为45℃的电热鼓风干燥箱内恒温12 h以上。

（3）在45℃条件下利用现场回注水进行水驱驱替1.00 PV.

（4）利用现场回注水配制浓度为1 000 mg/L的聚合物（12×106～16×106分子量），并采用多位式磁力搅拌器进行搅拌，在45℃条件下的进行聚合物驱驱替0.57 PV.

（5）在45℃条件下利用现场回注水进行聚合物驱后后续水驱驱替1.00 PV.

（6）凝胶体系配制浓度为500 mg/L，1 000 mg/L或1 500 mg/L的聚合物（25×106分子量），准备烧杯并向其中加入一定量的水（现场回注污水），并向水中加入浓度为2 000 mg/L的交联剂（金属离子交联剂）、浓度为200 mg/L的调节剂YL-1，浓度为100 mg/L的缓凝剂SY-1，浓度为500 mg/L的增强剂ME-1和浓度为500 mg/L的稳定剂NS-1，待完全溶解搅拌均匀后，加入之前配制好的聚合物，再次搅拌均匀。体系配制结束后，利用AR2000ex TA流变仪测定初始黏度。

（7）在45℃条件下进行凝胶驱替。驱替实验结束后，将高渗透、中渗透和低渗透三层岩心放置在45℃的电热鼓风干燥箱内恒温45 d，期间每间隔2 d对凝胶进行一次黏度测定，当所测的凝胶黏度大于300 mPa·s且趋于稳定时，认为其达到最终成胶黏度。

（8）凝胶达到最终成胶黏度后，在45℃条件下，利用现场回注水进行凝胶驱后后续水驱驱替2.00 PV.

上述实验均采用ISCO-260D高精度计量驱替泵，电子天平记录每次驱替时的分流率。

2 实验结果及分析

2.1 常规凝胶体系与黏度可控凝胶体系对比

常规凝胶体系与黏度可控凝胶体系对比（表3），浓度500 mg/L的常规凝胶体系不成胶，浓度1 000 mg/L和1 500 mg/L的常规凝胶体系初始黏度大于35 mPa·s，且黏度小于300 mPa·s的时间仅可维持在5 d以内；黏度可控凝胶体系初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d内黏度小于300 mPa·s，成胶黏度大于2 500 mPa·s.

表3 常规凝胶体系与黏度可控凝胶体系对比

2.2 注入参数优选实验结果

（1）实验1结果 注入量为0.10 PV，注入浓度为500 mg/L，注入速度为0.6 mL/min，注入凝胶后，高、中、低渗透层分流都得到改善，但高渗透层分流依然存在（图2），说明注入0.10 PV浓度为500 mg/L的凝胶并未对高渗透层达到有效封堵。

（2）实验2结果 注入量为0.10 PV，注入浓度为1 000 mg/L，注入速度为1.2 mL/min，注入凝胶后，高、中、低渗透层分流都得到很大改善，高渗透层分流为0（图3），说明注入0.10 PV浓度为1 000 mg/L的凝胶对高渗透层的封堵性能较好，且对中、低渗透层污染较小。

图2 实验1瞬时分流率与注入量关系曲线

图3 实验2瞬时分流率与注入量关系曲线

（3）实验3结果 注入量为0.20 PV，注入浓度为500 mg/L，注入速度为1.2 mL/min，注入凝胶后，高、中、低渗透层分流率都得到了一定程度提高，但高渗透层分流率高达16.0%（图4），说明浓度为500 mg/L的凝胶并未对高渗透层达到有效封堵。由于注入量的提升，使得凝胶进入中、低渗透层的概率升高，中、低渗透层进入少量凝胶，导致最终效果不理想。

图4 实验3瞬时分流率与注入量关系曲线

（4）实验4结果 注入量为0.20 PV，注入浓度为1500mg/L，注入速度为0.6 mL/min，注入凝胶后，低渗透层分流率得到了一定程度提高，但由于注入速度低，且注入量较高（图5），使得凝胶驱驱替时凝胶大部分都进入高、中渗透层，对中渗透层有一定污染，导致中渗透层改善效果较差。

图5 实验4瞬时分流率与注入量关系曲线

（5）实验5结果 注入量为0.30 PV，注入浓度为1000mg/L，注入速度为0.6 mL/min，注入凝胶后，中渗透层分流率得到了一定程度提高，但由于注入量高（图6），对低渗透层污染较为严重，导致低渗透层改善效果较差。

图6 实验5瞬时分流率与注入量关系曲线

（6）实验6结果 注入量为0.30 PV，注入浓度为1500mg/L，注入速度为1.2 mL/min，注入凝胶后，由于注入量高，注入速度大（图7），对中、低渗透层污染较为严重，导致最终高、中、低渗透层分流率重新分配，改善效果较差。

图7 实验6瞬时分流率与注入量关系曲线

2.3 最优注入参数的确定

从上述正交设计的6组实验结果可以看出，凝胶注入速度越大，注入量越多，进入中、低渗透层的概率越高，对其污染也就越严重。因此，要尽量降低凝胶的注入速度和注入量。凝胶浓度越高，对岩心的封堵效果越好，但并不是越高效果就越好，三组影响因素会有一个最优的匹配值，因此，需对实验结果进行正交设计的极差分析，确认因素最优组合。

正交设计的极差分析是通过对每一因素的平均极差来分析问题，直观分析法极差就是平均效果中最大值和最小值的差，找到其影响的主要因素，并可以帮助找到最佳因素水平组合（表2）。

通过正交试验极差分析，得到最终分流率权重比分，最高为60分，最低为10分（表2）。注入量为0.10PV，0.20PV，0.30PV时，其权重指标依次为（50+60）/2=55，（20+40）/2=30，（30+10）/2=20，注入量的指标极差为55-20=35；同样，注入浓度为500 mg/L，1 000 mg/L，1 500 mg/L时，其权重指标依次为35，45和25，其指标极差为20；注入速度为0.6 mL/min和1.2 mL/min时，其权重指标为40和30，其指标极差为10.

通过计算结果可知，注入量是影响三层岩心分流率实验结果的最重要的因素，其次是注入浓度，注入速度再次之，最优注入量为0.10 PV，最优注入浓度为1 000 mg/L，最优注入速度为0.6 mL/min（图8）。

图8 最优组合瞬时分流率与注入量关系曲线

对优选的最优注入参数进行验证，注入量为0.10PV，注入浓度为1 000 mg/L，注入速度为0.6 mL/min，注入凝胶后，高、中、低渗透层分流都得到了很好的改善，高渗层分流率为0.7%，低渗层分流率为14.3%，中渗透层分流率为85.0%，中、低渗透层分流率明显提升，分流改善效果均优于前述6组实验。

3 结论

（1）为满足大庆油田调、堵、驱结合的技术，研制了一种黏度可控凝胶体系，初始黏度小于20 mPa·s，10～40 d内黏度小于300 mPa·s，成胶黏度大于2 500 mPa·s，可进入油层深部并对高渗透层进行有效封堵。

（2）三层岩心实验下该黏度可控凝胶体系的注入速度越大，注入量越多，进入中、低渗透层的概率越高，对其污染越严重；注入浓度越高，对岩心的封堵效果越好，但注入浓度越高进入低渗透层的概率越高，导致分流率改善效果变差，因此三个影响因素有一个最优的匹配值。

（3）利用正交试验设计法确定了大庆油田聚合物驱后油藏的凝胶体系最佳注入参数为注入量0.10 PV，注入浓度1 000 mg/L，注入速度0.6 mL/min.

（4）岩心实验结果表明，高、中、低渗透层的分流都得到了很好的改善，高渗层分流率由聚合物驱后后续水驱的66.9%降为0.7%，中渗透层分流率由33.0%升至85.0%，低渗层分流率由0.1%升至14.3%，中、低渗透层改善效果明显提升，表明体系可以顺利进入油层深部，对高渗透层进行有效封堵，同时对中、低渗透层污染小，满足大庆油田聚合物驱后现场的调堵要求。