渤海S油田化学驱驱油体系渗流机理及提高采收率特性

兰夕堂，赵文森，刘长龙，2，张 璐，符扬洋

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300451；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；3.中海石油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

化学驱作为一项成熟的三次采油技术，已在渤海油田得到了广泛应用，截至2018年12月，累计增油超过700×104m3，化学驱油已成为海上油田高效开发的关键技术之一。聚合物溶液可提高注入水的黏度，增大孔隙介质的渗流阻力，改善水油流度比，从而提高油层的波及系数和采收率[1-3]。HPAM是最常用的聚合物驱油剂之一，但其存在耐温、抗盐性差的问题[4-10]，为此，很多学者在其分子中引入具有特殊功能结构的单体或通过轻度交联来提高聚合物水溶液黏度以及耐温抗盐性能，由此开发了疏水缔合聚合物(AP-P4)、聚表剂(JBJ-1)和交联聚合物体系(HPAM+Cr3+)驱油体系[11-18]。为筛选出最适合渤海S油田的驱油体系，针对该油田地层条件，运用扫描电镜(SEM)、动态光散射(DLS)、流变仪和岩心驱替实验等方法，从微观和宏观角度对4种驱油体系在分子结构形态、分子线团尺寸、流变性、注入运移能力和驱油效率等方面进行研究。

1 实验部分

1.1 实验准备

HPAM，四川光亚聚合生产，相对分子质量为1 000×104；AP-P4，大庆炼化生产，相对分子质量为1 300×104；JBJ-1，实验室自制；交联体系与聚铬比为270∶1。原油取自渤海S油田脱水原油。配液用水为S油田水源井井水，水质为NaHCO3型，总矿化度为9 656 mg/L。

采用石英砂环氧树脂胶结人造均质柱状岩心，几何尺寸为Φ2.5 cm×10.0 cm，其气测渗透率为2 000 mD；驱油实验岩心为3层非均质方岩心，高×宽×长为 4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，3层气测渗透率分别为500、1 500、3 000 mD。

实验设备主要包括Quanta 450型环境扫描电子显微镜、BI-200SM静/动态光散射系统、MARS III旋转流变仪、岩心驱替实验装置以及紫外灯降解仪。

1.2 实验步骤

实验步骤：①将聚合物用蒸馏水溶解后，使用高压汞灯照射一定时间得到降解后的聚合物[19]；②将不同驱油剂配制成质量浓度为200 mg/L的溶液(溶剂为蒸馏水)，冷冻干燥后在环境扫描电子显微镜下观察分子结构形态，放大倍数为2 000倍；③将不同驱油剂配制成质量浓度为200 mg/L的溶液(溶剂为模拟地层水)，利用动态光散射测定其水动力学半径；④进行乳化实验，将64 g原油和36 g驱油剂溶液(质量浓度为200 mg/L，模拟地层水配制)分别在65 ℃下恒温30 min，在转速为300 r/min下搅拌，将驱油剂溶液在5 min内缓慢倒入至原油中，搅拌20 min；将80 mL混合液转移至脱水瓶中，在65 ℃下静置观察不同时间下的脱水量；⑤将不同驱油剂配制成质量浓度为1 200 mg/L溶液(溶剂为模拟地层水)，利用流变仪在65 ℃下测定溶液的剪切流变性和黏弹特性；⑥将不同驱油体系配制成1 200 mg/L溶液，利用岩心驱替装置进行阻力系数、残余阻力系数和驱油实验，并利用微观驱油装置，开展微观驱油实验。

2 结果与讨论

2.1 分子结构形态

不同驱油剂在蒸馏水中显微形貌见图1。由图1可知：不同驱油剂在溶液中均呈现分子间缠绕，形成了网络状，缠绕程度由高至低排序依次为HPAM+Cr3+、JBJ-1、AP-P4、HPAM。其中，HPAM的网络结构并不明显，更似层状堆叠，低浓度时分子内缔合作用比较强，分子链伸展程度相对较低，分子间缠绕程度最低；AP-P4的分子质量大，蒸馏水中分子链比较伸展，分子间缠绕程度比HPAM大；JBJ-1兼具高分子与表面活性剂的特点，在较低的浓度下便可实现分子间缔合，分子链缠绕程度比AP-P4高；对于HPAM+Cr3+体系，由于有交联剂的存在，分子链间会形成化学交联，分子链间既有化学交联又有物理缠绕，缠绕程度最高。

聚合物在注入过程中因机械剪切而发生降解。降解后驱油剂的分子质量急剧下降，分子链变短，此时不同驱油剂在蒸馏水中的密集网络状消失，分子链主要呈现团聚状，但形貌有所不同(图2)。由图2a、c可知：降解后AP-P4和HPAM分子链的形貌比较相似，分子链形成的团聚体比较大，不同团聚体之间又“黏结”在一起；降解后的JBJ-1分子形成的团聚体比较小，不同小团聚体黏结在一起，形成比较疏松的网络骨架(图2b)；降解后的HPAM+Cr3+体系，形成了分散的团聚体，堆积在一起(图2d)。

图1 不同驱油剂在蒸馏水中的显微形貌

图2 不同驱油剂降解后在蒸馏水中的显微形貌

2.2 分子线团尺寸

在质量浓度为1%的NaCl溶液中，不同驱油剂体系在降解前后的DLS测定结果见图3。由图3可知，降解前后，AP-P4、JBJ-1的水动力学半径均大于HPAM、HPAM+Cr3+交联体系的水动力学半径，且HPAM、HPAM+Cr3+交联体系的水动力学半径比较接近。这是因为AP-P4和JBJ-1的分子链中均存在活性基团，在盐水中有利于形成分子间的缔合，水动力学半径较大，而HPAM不含活性基团，盐水中驱油剂分子链收缩，分子间缠绕聚集少，水动力学半径较小。对于HPAM+Cr3+体系，由于驱油剂质量浓度较低，且盐水中分子链比较收缩，因此，形成的交联体系可能主要是分子内的交联，水动力学半径和交联前的比较接近。

图3 不同驱油剂体系降解前后DLS测定结果

2.3 乳化性质

不同驱油剂的乳化能力差异较大，采用原油乳液稳定性对比间接评价其乳化能力，结果见表1。由表1可知：不同驱油剂在降解前，对于HPAM和HPAM+Cr3+交联体系，相对空白样对原油乳液稳定性的影响均很小，这是由于其本身不含有活性基团，完全亲水，在油水界面的吸附量少，脱水率较高；JBJ-1分子中含有活性基团，降解前其对乳液稳定性的影响比较小，这是由于降解前其更多的是在水中形成了分子间缔合或缠绕(图1b)，在油水界面吸附较少，脱水率较高；AP-P4分子中含有活性基团，吸附在油水界面，增强油水界面的弹性，同时由于分子质量大，增强了油水界面的黏性，乳液稳定性明显提高，脱水率低，即乳化性能最好。不同驱油剂降解后，JBJ-1的乳化性能增强，和AP-P4具有相同的乳化能力，这可能是由于降解后JBJ-1分子质量下降，分子间缠绕减少，其在油水界面吸附增大，从而使乳液稳定性增强。

教学观是指教师在教学实践活动中，对基本的教学理念、教学思想和教学方式的认知体系或观念体系。科学发展观指导下的教学观比传统的教学观更强调以人为本的价值取向。所谓课程观是关于课程现象和问题的基本观念。课程观的要素包括对于课程的本质以及表现形式；课程的价值、要素与结构；课程中师生的相互地位等。[1]因此，课程观不仅在一定程度上影响着课程设计、课程实施、课程评价，而且影响教学效果和学生对知识的掌握。

表1 不同驱油剂体系对原油乳状液稳定性的影响评价结果

2.4 流变性和黏弹性

不同驱油剂表观黏度随剪切速率的变化关系见图4。由图4可知，4种驱油剂均表现出先剪切增稠、后剪切变稀的流变特性，即在最初很小剪切速率范围内，表观黏度随剪切速率增加而增大，超过该剪切速率范围后，表观黏度随剪切速率增加而减小。四者表观黏度从大到小排序依次为JBJ-1、AP-P4、HPAM+Cr3+、HPAM。

图5为4种驱油剂的动态黏弹性测试结果。由图5可知：频率为0.01～10.00 Hz时，JBJ-1的弹性模量始终大于黏性模量。对于其他3种驱油体系，在低频区，黏性模量大于弹性模量，以黏性为主，说明体系分子链段的内摩擦阻力较大，表现出黏性行为；在高频区，弹性模量趋近于黏性模量。溶液弹性从大到小排序依次为JBJ-1、AP-P4、HPAM，HPAM和HPAM+Cr3+溶液弹性相近。

图4 不同驱油剂的剪切流变性对比

2.5 岩心流动实验

4种驱油体系(质量浓度均为1 200 mg/L)的阻力系数和残余阻力系数结果见表2。

由表2可知：JBJ-1与AP-P4均具有较高的阻力系数，说明其分子线团尺寸较大，进入岩心后能有效建立渗流阻力；HPAM+Cr3+的阻力系数和残余阻力系数要明显大于HPAM，表明HPAM+Cr3+具有比较优良的流度控制能力。聚合物溶液内聚合物分子与Cr3+的交联反应可形成2种分子形态：一种是不同聚合物分子间交联反应占主导地位，聚合物凝胶分子具有“区域性”网状形态，宏观上表现为视黏度大幅度增加，阻力系数和残余阻力系数明显高于聚合物溶液，且残余阻力系数近似于阻力系数，主要是与滞留在多孔介质中聚合物凝胶减少和仍滞留聚合物凝胶分子线团膨胀有关；另一种是Cr3+与同一聚合物分子上不同支链间交联反应占主导地位，聚合物凝胶分子具有局部性网状形态，宏观上表现为黏度增加幅度很小或略为降低，但阻力系数和残余阻力系数高于纯聚合物溶液，且仍然表现出阻力系数高于残余阻力系数的独特渗流特性[20-22]，该实验结果属于后者。

2.6 驱油实验

采用石英砂环氧树脂胶结人造3层非均质方岩心开展驱油实验。实验流程为：水测渗透率—饱和原油—水驱至含水98%—不同驱油体系驱0.3倍孔隙体积—后续水驱至含水98%结束。4种驱油体系质量浓度均为1 200 mg/L，实验结果见表3。

由表3可知，JBJ-1的驱油效果最好，这是因为其特有的分子结构而具有较高的表观黏度，能大幅度增大波及体系，同时JBJ-1在分子链上引入了功能活性基团，具有一定的表面活性，溶液在油层运移过程中，将剩余油分散成小油滴，分散后的小油滴不易粘附在岩石颗粒表面，可随溶液一起通过孔隙介质流动；HPAM驱替过程是通过聚合物的推拉作用导致剩余油形成丝状，该类剩余油分布形态与水驱类似。

图5 不同驱油剂的黏弹性对比

表2 阻力系数和残余阻力系数计算结果

表3 不同驱油体系驱油实验结果

HPAM+Cr3+与AP-P4体系能有效建立渗流阻力，从而使驱油体系更有效封堵高渗层，启动低渗层水驱未动用残余油，扩大波及范围，从而能有效提高采收率幅度。单纯的HPAM体系，由于不具备良好的黏弹性和洗油性能，驱油效果最差。

3 应用指导

由室内实验结果可知，驱油体系JBJ-1 在水溶液中具有相对较大的水动力学半径，表现出良好的抗剪切性能；在模拟S油田的油藏条件下，岩心驱替过程中可建立较大的渗流阻力，因此，具有较好的封堵、驱油能力。同时，JBJ-1作为一种新型高分子表面活性剂由于分子链中引入活性基团，因而具有良好的乳化降黏能力。结合渤海S油田高含水开发期，储层具有高孔高渗、较高温度、地下原油黏度较大(20～209 mPa·s)的油藏特征，推荐采用JBJ-1驱油体系作为该油田的稳油控水化学驱体系，在实现良好深部封堵调剖的同时，可实现良好洗油驱油功能。建议尽快开展现场实施，同时该体系对产出液的影响及破乳性开展进一步研究。

4 结论及建议

(1)在水溶液中，4种体系均形成了网状结构，缠绕程度由高至低排序依次为HPAM+Cr3+、JBJ-1、AP-P4、HPAM；降解后，JBJ-1分子线团尺寸最大，表现出良好的抗剪切性能。

(2)JBJ-1表现出良好的黏性和弹性特征，岩心流动实验中能建立较高的渗流阻力，且分子中带有活性基团，能发挥驱油和洗油双重作用，具有较高的驱油性能。

(3)室内研究表明，JBJ-1在水驱基础上可进一步提高采收率19.88个百分点，具有广阔的应用前景，应用效果有待进一步现场验证。

(4)新型聚表剂具有比普通化学驱体系更好的增黏能力和抗剪切性，有助于改善地层中的渗流阻力和驱油能力，可进一步推动化学驱石油储量动用程度，满足目前渤海S油田的生产需求。但在矿场试验中，应考虑其浓度的优化，以保证其注入性的问题。