超高分子缔合聚合物溶液特性及驱油效果研究
徐辉     
中国石化胜利油田分公司地质科学研究院, 山东东营 257015
摘要:为了提高胜利油田高温高含盐Ⅲ类油藏的聚合物驱效果,开展了耐温抗盐超高分子缔合聚合物AP-P5溶液的特性及驱油效果研究.在温度为85 ℃、地层水矿化度为32 868 mg/L的Ⅲ类油藏条件下,对AP-P5的基本物化性能进行了评价,测试了AP-P5溶液的黏度-浓度曲线,用光散射仪测定了AP-P5溶液的流体力学半径分布,并通过混合聚合物和石英砂,研究了溶液的吸附性,最后利用岩心物理模拟试验研究了AP-P5的注入渗流特性和驱油效果;在胜利油田坨28区块进行了现场试验,分析了AP-P5溶液的注入曲线和注入后该区块的生产曲线.试验发现,AP-P5与普通缔合聚合物DH3相比,相对分子质量高一倍,缔合单体含量低58%,无明显的临界缔合浓度,流体力学半径更小,吸附量小30%,注入压力低50%,采收率提高率高3.9百分点;不过,现场试验还在继续,目前尚无明显的降水增油效果.研究表明,AP-P5溶液特性优良,在地层中比普通缔合聚合物更容易形成活塞式推进,驱油效果更好.
关键词超高分子量    缔合聚合物    流体力学半径    黏度    浓度    吸附    驱油效率    
Solution Characteristics and Oil Displacement Efficiency of an Ultrahigh Molecular Weight Association Polymer
Xu Hui     
Geoscience Institute of Sinopec Shengli Oilfield, Dongying, Shandong, 257015, China
Abstract:In order to improve the polymer flooding effect in high-temperature and high-salt Class III reservoirs in the Shengli Oilfield, the solution characteristics and oil displacement effect of a temperature and salt-resisting ultrahigh molecular association polymer AP-P5 are studied. Basic physicochemical properties of AP-P5 are evaluated under Class III reservoirs at 85 degrees and salinity of 32 868 mg/L. The viscosity at varied concentrations is examined, the hydrodynamic radius distribution of the solution is determined and the adsorption is studied through mixed polymer solution and quartz sand. Finally, the injection and seepage characteristics and oil displacement effect are investigated through physical experiments. A field test is carried out in the Tuo 28 Block of Shengli Oilfield to analyze the injection of AP-P5 solution and production after injection. The results show that AP-P5 possesses double molecular weight, smaller hydrodynamic radius and no significant critical associating concentration comparing with ordinary associating polymer DH3. Moreover, it is lower by 58% in the associated monomer weight, 30% in adsorption capacity and 50% in injection pressure and higher by 3.9% in the recovery rate. More field tests are ongoing but it has not shown water reduction and production increasing effect. The research reveals that AP-P5 has good solution properties and it is easier to generate a piston-like movement with it than DH3 in formations;further, it has higher displacement efficiency.
Key words: ultrahigh molecular weight    associated polymer    hydrodynamic radius    viscosity    concentration    adsorption    oil displacement efficiency    

目前,对于Ⅲ类油藏,利用聚合物驱进行开采,从成本、效果、长效性等方面看,都是最好的选择。胜利油田高温高含盐Ⅲ类油藏(矿化度在20 000 mg/L以上,油藏温度在85 ℃以上)的储量在5×108 t以上,但由于常规的Ⅰ、Ⅱ类聚合物(相对分子质量在2 000万及以下的部分水解聚丙烯酰胺)在该类油藏条件下的增黏性、耐温性及抗盐性较差,无法对其进行有效开采,因此,研制开发具有耐温、抗盐性能的Ⅲ类聚合物具有重要意义。

国内外目前对耐温抗盐聚合物的研究主要集中在以下几个方面:1)提高聚合物的相对分子质量,合成相对分子质量在3 000万以上的超高分子量聚丙烯酰胺[1,2,3,4];2)引入疏水单体合成疏水缔合聚合物,提高聚合物的黏度及耐温、抗盐性能[5];3)向丙烯酰胺分子主链中引入刚性环状结构,提高聚合物主链的热稳定性[6];4)在丙烯酰胺单体中同时引入阴、阳离子形成两性离子聚合物,实现对配制水矿化度的缓冲[7]。以上研究都能提高聚合物的耐温、抗盐性能,但都存在不足:超高分子量聚丙烯酰胺在高矿化度条件下仍存在分子链卷曲及高温条件下热稳定性差的问题;常规疏水缔合聚合物在高温高盐条件下的驱油效果如何仍存在争议[8];引入刚性和环状结构可以提高聚合物的热稳定性,但合成的聚合物相对分子质量较低、增黏性差[9];而两性聚合物减弱了聚丙烯酰胺分子链之间的排斥作用,因此增黏性也较差[10]

罗平亚等人[11]通过研制新型引发体系,优化合成条件,研制开发了新型耐温抗盐超高分子疏水缔合聚合物AP-P5。笔者针对胜利油田高温高盐Ⅲ类油藏的实际情况,通过室内试验对AP-P5溶液的特性、驱油效果进行了研究,并对该聚合物的现场试验情况进行了分析,以期早日突破胜利油田高温高含盐Ⅲ类油藏化学驱的技术瓶颈。

1 试验器材和方法 1.1 试剂与仪器

试验用聚合物:普通缔合聚合物DH3[11],超高分子缔合聚合物AP-P5(西南石油大学研制)。

试验用水:总矿化度为32 868 mg/L、Ca2++Mg2+总质量浓度为873 mg/L的胜利油田Ⅲ类油藏模拟水。

试验用仪器:美国WYATT动态光散射仪;Brookfield,DV-Ⅲ黏度计;自动分子量测定仪;水解度滴定仪;室内物理模拟试验评价装置;电子天平。

1.2 聚合物基本物化性能测试

利用水解度滴定仪、自动分子量测试仪和DV-Ⅲ黏度计,分别测试出聚合物的水解度、特性黏数及Ⅲ类模拟水配制的质量分数为0.15%的聚合物溶液在85 ℃的表观黏度。

1.3 聚合物溶液的特性

利用DV-Ⅲ黏度计测试聚合物溶液在85 ℃下的黏度-质量浓度曲线,研究聚合物溶液的临界缔合浓度;用激光散射仪测定质量分数为0.15%的聚合物溶液的流体力学半径分布;在室温条件下将聚合物和石英砂按质量比为1∶3混合,研究聚合物溶液的吸附性;用渗透率为1 500 mD的1 m长石英砂岩心,研究质量分数为0.15%的聚合物溶液的注入及渗流特性。

1.4 聚合物溶液驱油效果评价

首先将渗透率为1 500 mD的岩心抽真空,然后饱和水,再饱和油(胜利采油厂坨四站外输油,85 ℃下黏度为44.6 mPa·s),接着水驱至含水率为95%,分别注入0.3倍孔隙体积用Ⅲ类油藏模拟水配制的质量分数为0.15%的AP-P5和DH3溶液,最后水驱至含水率为100%结束试验。

2 超高分子缔合聚合物基本物化性能

分别测试了超高分子缔合聚合物AP-P5和普通缔合聚合物DH3的表观黏度、特性黏数、相对分子质量、水解度,并分析了两种聚合物基本物化性能的差别,结果见表 1

表 1 AP-P5和DH3基本物化性能对比 Table 1 Comparison of basic physicochemical properties between AP-P5 and DH3
聚合物 缔合单 体含量,% 表观黏度/ (mPa·s) 特性黏数/ (mL·g-1) 相对分 子质量 水解度,%
DH3 1.2 56.1 1 432 881×104 23.0
AP-P5 0.5 25.1 2 243 1 740×104 23.6

表 1可知,在两种聚合物的水解度基本相当的情况下,AP-P5的缔合单体含量相对于DH3少58%,相对分子质量接近DH3的2倍,表观黏度低于DH3。但对于缔合聚合物的驱油性能是不是和表观黏度成正比,还需要对两种聚合物溶液的特性和驱油效果做进一步的评价。

3 超高分子缔合聚合物溶液的特性 3.1 聚合物临界缔合浓度

通过分析AP-P5和DH3两种聚合物黏度-质量浓度曲线,考察超高分子缔合聚合物是否与普通缔合聚合物一样存在临界缔合浓度点(即黏度突然上升的点),结果如图 1所示。

图 1 AP-P5和DH3的增黏曲线对比 Fig.1 Comparison of viscosity increasing curve between AP-P5 and DH3

图 1可知,DH3由于缔合单体含量较高,同时相对分子质量较低,在质量浓度为1 000 mg/L时黏度突变,临界缔合浓度特征明显。而AP-P5由于缔合单体含量低、相对分子质量较高,其黏度-质量浓度曲线是一条平滑的曲线,并没有出现黏度突然大幅上升,即临界缔合浓度的特征不明显,这有利于聚合物在地层中经过地层水稀释后保持黏度稳定。

3.2 聚合物流体力学半径

利用动态光散射技术测试了AP-P5和DH3在溶液中的流体力学半径及其分布情况,结果如图 2所示。

图 2 AP-P5和DH3在溶液中的流体力学半径分布 Fig.2 Hydrodynamic radius distribution of AP-P5 and DH3 in solution

图 2可知,AP-P5和DH3的流体力学半径主要分布在两个区间:第一个区间为50~100 nm,以分子内缔合和分子链的相互缠绕为主;第二个区间为200~2 000 nm,以分子间缔合为主。但两个区间的分布仍有一定的区别,AP-P5的流体力学半径分布相对于DH3明显左移,表明AP-P5的流体力学半径稍小于DH3。分析认为,这是由于AP-P5所含的缔合单体较少,导致分子内和分子间的缔合程度都减弱。

3.3 聚合物溶液的吸附性

通过分析不同质量浓度的AP-P5和DH3在石英砂上的吸附量,考察两种聚合物溶液的吸附性,结果如图 3所示。

图 3 AP-P5和DH3的溶液吸附性对比 Fig.3 Comparison of solution adsorption between AP-P5 and DH3

图 3可知,在相同质量浓度下,AP-P5的吸附量比DH3约小30%。分析认为,这是因为AP-P5和DH3所引入的都是阳离子型缔合单体,由于AP-P5的缔合单体含量低于DH3,因此它在地层运移过程中的吸附量也小于DH3。不过,这可以降低AP-P5在地层运移过程中的损失,从而使其在地层中始终保持较高的黏度。

3.4 聚合物溶液的注入渗流特性

利用渗透率为1 500 mD的1 m长石英砂岩心,分析了质量分数为0.15%的AP-P5和DH3溶液的注入渗流特性,结果如图 4所示。

图 4 AP-P5和DH3溶液渗流特征对比 Fig.4 Comparison of solution seepage characteristics between AP-P5 and DH3

图 4可知,在注入聚合物溶液过程中,DH3的注入压力快速上升,而AP-P5的注入压力上升相对缓慢且上升幅度较小,AP-P5的最高注入压力比DH3约低50%。分析认为,这主要有以下原因:首先,DH3在地层的吸附量较大,流体力学半径较大,造成运移过程中在地层的滞留量也较大,流动阻力大;其次,引入的缔合单体在水溶液中会使长分子主链产生相互聚集,对主链的流动性产生影响,导致流动活化能增高,因此缔合单体含量越高渗流阻力也越高。在注入一定的聚合物之后开始后续水驱时发现,DH3的注入压力突然降低,而AP-P5的注入压力呈现缓慢下降的趋势。这表明在后续水驱时,注入水推动AP-P5整体活塞式向前运移;而DH3由于缔合作用产生较大的流体力学半径,地层吸附及高缔合度对其运移产生较大影响,后续水驱时压力快速降低,导致水驱突破后呈现非活塞式向前运移的特点。最终,后续水驱压力平衡时,DH3的注入压力高于AP-P5,进一步证实了DH3在地层中的吸附量大于AP-P5。

4 超高分子缔合聚合物驱油效果评价

在温度85 ℃、模拟地层水矿化度32 868 mg/L的试验条件下,通过单管物理模拟试验,研究了质量分数为0.15%的AP-P5和DH3溶液的驱油效果,结果见图 5图 6表 2

图 5 AP-P5溶液的驱油特征曲线 Fig.5 Oil displacement characteristic curve of AP-P5
图 6 DH3溶液的驱油特征曲线 Fig.6 Oil displacement characteristic curve of DH3
表 2 AP-P5和DH3溶液的驱油效果对比 Table 2 Displacement efficiency comparison between AP-P5 and DH3
聚合物 束缚水 饱和度, % 驱替速度 (mL·min-1) 溶液的 黏度/ (mPa·s) 水驱采 收率, % 最终采 收率, % 聚合物驱 提高采收率,%
DH3 15.1 0.23 56.7 60.3 67.4 7.1
AP-P5 13.3 0.23 25.1 58.5 69.5 11.0

图 5图 6可知,在水驱至采出液的含水率为95%以上时,分别注入AP-P5和DH3再进行后续水驱:由于在水溶液中AP-P5分子链之间的缠绕和排斥作用较大,同时分子内和分子间又有一定的缔合作用,因而AP-P5在岩心中能够呈活塞式推进,在后续水驱阶段压力下降较慢,有明显的含水率降低“漏斗”,含水率最低点为65%,最终采收率较高;而DH3由于主要靠分子间和分子内的缔合作用增黏,虽然黏度计测得其表观黏度较高,但在地层运移过程中,由于吸附量较大,同时因缔合作用流体力学半径也较大,无法产生活塞式驱替,后续水驱压力降低较快,没有明显的含水率降低“漏斗”,含水率最低点仅为80%,最终采收率较低。

表 2可知,AP-P5提高采收率的幅度比DH3高3.9百分点,驱油性能更好。

5 现场试验

胜利油田坨28区块为选定的超高分子缔合聚合物驱先导试验区,该区块油藏温度87 ℃,地层水矿化度19 634 mg/L,能代表胜利油田高温高盐Ⅲ类油藏条件。整个试验区含油面积0.88 km2,地质储量173×104 t,其中注入井6口,受效井12口,注聚合物前含水率97.3%,采出程度31.5%。

从2011年5月开始注AP-P5溶液。图 7图 8分别为先导试验区的注入曲线和生产曲线。由图 7可知,在开始注入AP-P5溶液时,由于压力上升过快,对注入水进行处理,对注入压力高的井采取解堵措施,直至2013年1月才开始正常注入,目前注入压力从注入AP-P5前的7.5 MPa升高至15.5 MPa,注入剖面也有一定改善,试验区的开发形势较为稳定。表 3为正常注入后的矿场实施情况,截至2014年4月底连续正常注入0.089倍孔隙体积的AP-P5溶液,但由于目前AP-P5的前置段塞没有注完,注入段塞量仍较低,因此从图 8的生产曲线可以看出,矿场还没有出现明显的降水增油效果,需要继续跟踪矿场生产动态,并进一步分析和评价超高分子缔合聚合物AP-P5的现场试验效果。

图 7 坨28区块AP-P5溶液注入曲线 Fig.7 AP-P5 solution injection curve of Tuo 28 Block
图 8 坨28区块AP-P5驱生产曲线 Fig.8 AP-P5 oil displacement production curve of Tuo 28 Block
表 3 AP-P5驱的矿场实施情况 Table 3 Field implementation of AP-P5
段塞 段塞量/孔隙体积 AP-P5溶液质量浓度/(mg·L-1) 注入液量/104m3 聚合物干粉质量/t 注入时间/d
段塞1 设计 0.100 1 800 23.0 460 442
已注入 0.089 1 439 20.4 303 485
段塞2 设计 0.300 1 500 69.0 1 150 1 327
设计总量 0.400 92.0 1 610 1 769
6 结 论

1) 超高分子缔合聚合物AP-P5相对于普通缔合聚合物DH3大幅度提高了聚合物的相对分子质量,其分子链之间的缠绕和排斥作用较大,同时以一定的分子内和分子间的缔合作用相辅,因此,比主要依靠分子间缔合作用形成的高表观黏度的DH3的流体力学半径更小,在地层的吸附量更小,无临界缔合浓度点,在地下更容易保持黏度的稳定,更容易形成活塞式驱替,驱油效果更好。

2 ) 目前新型聚合物普遍引入一些缔合单体或具有耐温抗盐功能的单体来增加聚合物的黏度和耐温抗盐性,导致聚合物表观黏度的构成中结构黏度占了很大比例,但表观黏度高并不代表驱油性能好,需要对聚合物的其他性能做全面的评价,才能够评定聚合物驱油性能的好坏。

3) 超高分子缔合聚合物在胜利油田高温高盐Ⅲ类油藏已进行现场试验,目前由于注入段塞量较小,矿场还没有明显的降水增油效果,需要继续跟踪生产动态,通过分析矿场出现的问题进一步完善超高分子缔合聚合物的结构和性能。

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文章信息

徐辉
Xu Hui
超高分子缔合聚合物溶液特性及驱油效果研究
Solution Characteristics and Oil Displacement Efficiency of an Ultrahigh Molecular Weight Association Polymer
石油钻探技术, 2015, 43(02): 78-83
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(02): 78-83.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201502014

文章历史

收稿日期:2014-10-14
改回日期:2015-02-02

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