红岗油田复配聚合物溶液性能及作用机理

邹 剑，张玉梅，杨玉梅

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津塘沽 300450；2.中国石油大庆油田公司第六采油厂，黑龙江大庆 163114；3.中国石油吉林油田公司勘探开发研究院，吉林松原 138003）

红岗油田复配聚合物溶液性能及作用机理

邹 剑1，张玉梅2，杨玉梅3

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津塘沽 300450；2.中国石油大庆油田公司第六采油厂，黑龙江大庆 163114；3.中国石油吉林油田公司勘探开发研究院，吉林松原 138003）

红岗113-3区块具有油藏厚度较大、平均渗透率较高和非均质性较严重等特征，比较适宜开展化学驱。针对油藏开发实际需求，利用仪器检测、物理模拟和理论分析方法，开展了对“复配”聚合物和“高分”聚合物增黏性、抗剪切性、耐温抗盐性、稳定性、分子线团尺寸分布、流变性和黏弹性等实验研究。结果表明，与相同条件下的“高分”聚合物溶液相比较，“复配”聚合物溶液增黏性、抗盐性和抗剪切性较强，相对分子质量分布较宽，阻力系数和残余阻力系数较大，扩大波及体积能力较强，与油藏孔隙间适应性更好。因此，推荐吉林红岗油田化学驱采用“复配”聚合物，其质量组成“超高∶高分∶中分”等于17∶60∶23。

红岗油田；聚合物；“复配”聚合物；性能特征；机理分析

红岗油田属于多层状砂岩油田，位于松辽盆地中央凹陷区，是一个完整的长轴背斜构造油藏。油藏具有平均渗透率较高、非均质性较严重和原油黏度偏高等特征，水驱开发效果较差，亟待采取提高水驱开发效果的技术措施。目前，国内大庆、胜利和渤海等油田化学驱油技术应用和试验都取得重大进展[1-3]，已经成为老油田“稳油控水”的重要技术保障。随着化学驱油技术应用范围和规模的不断扩大，其应用对象已经从常规油藏向高温、高矿化度、高原油黏度、低渗透和非均质性严重的特殊油藏转移，现有聚合物难以适应油藏条件变化带来的新需求。因此，缔合型聚合物、聚表剂、插层聚合物和聚合物凝胶等新型聚合物产品和技术开始陆续进入矿场试验[4-6]，为特殊油藏化学驱提供了物质基础。

表1 水质分析

“复配”聚合物是由几种具有不同相对分子质量聚合物混合而成，它具有配制和调整工艺简单以及成本低等特点。与现有聚合物和新型聚合物相比较，“复配”聚合物相对分子质量分布较宽，与非均质性油藏适应性更强，扩大波及体积作用效果更好。在聚合物溶液相同条件下，笔者以普通“高分”和“复配”聚合物溶液为研究对象，对其黏度、聚合物分子线团尺寸及其分布、黏弹性、阻力系数和残余阻力系数等评价指标进行了实验研究和对比分析，并对造成它们性能差异原因进行了探索，这为红岗油田化学驱聚合物优选技术决策提供了重要参考依据。

1 实验条件

1.1 聚合物

聚合物选取大庆炼化公司生产部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），包括三种：P1，即“中分”聚合物，相对分子质量为1 400×104；P2，即“高分”聚合物，相对分子质量1 900×104；P3，即“超高”聚合物，相对分子质量为2 500×104，有效含量均按88%计算。此外，还包括三种由以上三种聚合物按不同配比混合而成的“复配”聚合物（用“中分∶高分∶超高”表示），其与“高分”聚合物溶液（水型1配制，聚合物质量浓度Cp=1 000 mg/L）具有相同视黏度，分别为：F1，其配比为“15∶75∶10”；F2，其配比为“23∶60∶17”；F3，其配比为“30∶50∶20”。

1.2 实验用水

实验用水取自吉林红岗油田试验区，包括：（1）清水、（2）污水、（3）处理污水、（4）松花江水、（5）混合水（50%注入清水+50%注入污水），分别用水型1、水型2、水型3、水型4和水型5表示。几种溶剂水离子组成见表1。

流动实验岩心采用石英砂环氧树脂胶结人造柱状岩心[7]，驱油实验岩心为石英砂环氧树脂胶结二维纵向非均质岩心[7]，包括高、中、低3个渗透层，渗透率分别为900×10-3µm2、300×10-3µm2和100×10-3µm2。几何尺寸为4.5 cm×4.5 cm ×30 cm。

1.3 仪器设备

聚合物分子线团尺寸Dh采用美国布鲁克海文BI-200SM型广角动/静态光散射仪系统（Brookhaven Instruments Cop，USA）测试。测试前，所有样品经0.85 μm核微孔滤膜过滤，试样瓶用KQ3200DE型数控超声波清洗器清洗。测试后，采用CONTIN数学模型进行数据处理。黏度采用DV-Ⅱ型布氏黏度仪测试，分别使用“0”号转子（0～100 mPa•s），转速为6 r/min，“1”号转子（1 000～200 mPa•s），转速为30 r/min。聚合物溶液流变性和黏弹性采用哈克Rheo-Stress6000型流变仪测试。流动实验及驱油实验装置包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等，除平流泵和手摇泵外，其他部分置于55 ℃恒温箱内。除耐温性测试外，其余实验在油藏温度55 ℃条件下进行。

2 结果分析

2.1 聚合物Dh及其分布

按照设计配比配制聚合物质量浓度Cp=1 000 mg/L“复配”聚合物和“高分”母液（水型1），后稀释为Cp=100 mg/L的目的液进行动态光散射实验（DLS），Dh分布曲线见图1。

图1 Dh分布曲线

从图1可知，在聚合物溶液视黏度相同条件下，“复配”聚合物的分子线团尺寸Dh与普通“高分”聚合物相差不大，但其分子线团尺寸Dh随光强分布明显较宽。这主要是由于在“复配”聚合物溶液中，聚合物分子链和分子链段云分布不均匀，使得其在水溶液中的溶胀程度不均匀，从而形成具有较大折射率反差的微区结构，引起的多余散射光强分布较宽，按照CONTIN统计法计算所得的无规线团尺寸大小随光强分布越宽。

2.2 黏度

2.2.1 聚合物浓度的影响

按照设计配比配制聚合物质量浓度Cp=600、 800、1 000、1 200、1 400、1 600 mg/L的“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液（水型1），聚合物浓度对黏度影响测试结果见表2。

从表2可知，“复配”聚合物溶液黏度随浓度变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，即黏度随聚合物浓度增大而增大。随着聚合物浓度增加，聚合物分子链相互缠绕，形成更多的网状结构，溶液的黏度随之增加。进一步分析发现，3种“复配”聚合物的增黏率略高于“高分”聚合物的值，可能是由于“复配”聚合物溶液中，聚合物分子链和分子链段云的不均匀性，随着溶液内聚合物含量的增加，其缠结度与普通聚合物相比较大，使得其具有较好的增黏性，其中“复配”聚合物（F2）增黏效果最好。

2.2.2 矿化度的影响

按照设计配比，采用5种不同矿化度溶剂水配制“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液（Cp= 1 000 mg/L），其黏度测试结果见表3。

从表3可知，3种“复配”聚合物溶液黏度随矿化度变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，即矿化度愈高，黏度愈低。除水型3外，其余4种溶剂水，矿化度愈高，聚合物溶液黏度愈小。这是因为，矿化度越高，阳离子的浓度也会随之升高，阳离子中和Stern双电子层中的部分阴离子，使得双电层的厚度减小，分子链与水中离子的斥力变大，分子链卷曲收缩，黏度降低[8-10]。

比较水型1（注入清水），水型3（注入处理污水）配制聚合物溶液黏度可知，相对于Na+和K+而言，Ca2+和Mg2+对溶液黏度的影响较大。这是因为，几种离子的半径相差不大，随着电荷量的增加，扩散层的厚度减小，使得黏度降低的幅度较大。

表2 聚合物浓度对黏度影响测试结果

进一步分析可知，“复配”聚合物黏度损失率都略小于“高分”聚合物（P2），其中，“复配”聚合物（F2）抗盐性最好。

表3 不同水型的黏度测试结果

2.2.3 剪切作用的影响

按照设计配比配制“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液（Cp=1 000 mg/L，水型1），对其进行不同强度（时间）的剪切作用，其保留黏度测试结果见表4。

表4 经不同强度（时间）剪切作用的黏度测试结果

从表4可知，“复配”聚合物溶液黏度随剪切作用变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，即剪切强度（剪切时间）愈大，保留黏度愈小。这是因为，剪切作用增强，使大分子链发生断裂，分子结构部分被破坏，溶液黏度降低。且“复配”聚合物由于基团分布的不均匀性及其不同分子间的协同作用，溶液受剪切作用后的黏度损失率都小于“高分”聚合物的值。由此可见，与普通聚合物相比较，“复配”聚合物的具有较好的抗剪切性，其中“复配”聚合物（F2）抗剪切性最好。

2.2.4 温度的影响

按照设计配比配制“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液（Cp=1 000 mg/L，水型1），在45、55、65 ℃条件下进行黏度测试，其测试结果见表5。

从表5可知，“复配”聚合物溶液黏度随温度变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，即随温度升高，黏度降低，其降低幅度基本相同。产生这种现象的原因是，随温度的升高，聚合物溶液内部分子热运动加剧，部分分子链热降解而发生断裂，分子链卷曲收缩，所以聚合物黏度逐渐减小。进一步分析可知，“复配”聚合物的黏度损失率都大于“高分”聚合物的值，其原因可能是“复配”聚合物体系中聚合物分子结构更易被破坏。由此可见，“复配”聚合物的耐温性较差，其中“复配”聚合物（F2）耐温性较好。

表5 不同温度的黏度测试结果

2.2.5 时间的影响

按照设计配比配制“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液（Cp=1 000 mg/L，水型1），其黏度与时间关系测试结果见图2。

图2 黏度与放置时间关系

从图2可知，“复配”聚合物与“高分”聚合物黏度随放置时间变化规律有所不同。随着放置时间的增加，一方面聚合物分子线团相互缠绕，形成更多的空间网络结构，使溶液黏度增加；另一方面，分子链的降解作用也随之加剧，聚合物分子链分裂成较小的部分，溶液黏度降低。聚合物溶液黏度的变化皆是这两个方面共同作用的结果。

随放置时间的延长，比例为“15∶75∶10”（F1）和“23∶60∶17”（F2）的“复配”聚合物黏度先减小后增大，且均在第2天时达到最小值；比例为“30∶50∶20”（F3）的“复配”聚合物随时间逐渐减小。此外，与初期黏度值相比，当放置60 d时，除“复配”聚合物（F2）黏度增大外，其余2种“复配”聚合物黏度均减小，其中“复配”聚合物（F3）黏度降低幅度较大。

2.3 流变性和黏弹性

2.3.1 聚合物类型对流变性的影响

采用水型1（注入清水）配制Cp=1 000 mg/L的“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液，其视黏度与剪切速率关系见图3。

图3 视黏度与剪切速率关系

从图3可知，“复配”聚合物视黏度随剪切速率的变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，即初期表现出剪切增稠现象，然后表现出明显的剪切变稀现象。其主要原因是，在低剪切速率条件下，聚合物溶液承受到的剪切应力较小，分子线团相互靠近、缠结，分子间引力较大，溶液表现出较高的黏度。但随剪切速率增大，溶液承受到的剪切应力增加，聚合物分子在剪切作用下发生构象变化，分子线团趋于拉伸，分子间网状结构被破坏（或部分破坏），大分子链和链段沿着流动方向的取向越来越明显，使得流动阻力减小，溶液表观黏度下降。继续增大剪切速率，大分子拟网状结构完全被破坏，杂乱卷曲的大分子已经最大限度伸展和定向排列，溶液黏度达到平衡，表现出非牛顿流体的流变特性，此时再增大剪切速率也不能改变溶液表观黏度[11,12]。

进一步分析发现，“高分”聚合物（P2）剪切增稠和剪切变稀现象最严重，其次为配比“23∶60∶17”的“复配”聚合物（F2），配比为“15∶75∶10”（F1）的最不明显。此外，当剪切速率小于7.3 s-1时，在剪切速率相同条件下，3种聚合物溶液视黏度相差较大。当剪切速率大于7.3 s-1时，溶液的视黏度几乎相同。这主要是由于聚合物的流动是分子重心沿流动方向的位移，聚合物溶液中分子链段长度越不均匀，分子链在实现黏流运动时更容易发生协同效应，运动过程中所需克服的摩擦阻力越大。在低剪切速率条件下，分子链间更易形成物理缠结，但这种缠结很不稳定，当剪切速率增大时很容易遭到破坏。因此，随着剪切速率的增大，“复配”聚合物溶液的剪切增稠和剪切变稀幅度越大。

2.3.2 聚合物类型对黏弹性的影响

采用水型1（注入清水）配制Cp=1 000 mg/L的“复配”聚合物和“高分”聚合物溶液进行黏弹性测试，其储能模量（G’）与振荡频率关系见图4，损耗模量（G”）与振荡频率关系见图5。

图4 储能模量与振荡频率关系

图5 损耗模量与振荡频率关系

从图4和图5可知，“复配”聚合物组成对聚合物溶液储能模量和损耗模量的影响很小。“复配”聚合物视黏度随振荡频率的变化规律与“高分”聚合物（P2）的相似，随振荡频率增大，储能模量先微量减小后增大，损耗模量逐渐增大，即聚合物溶液表现出“增弹特性”和“增黏特性”。这说明，相对分子质量分布对聚合物黏弹性几乎没有影响。进一步分析可知，当振荡频率小于0.1 Hz时，“高分”聚合物（P2）溶液的储能模量和损耗模量较大。当振荡频率大于0.1 Hz时，2种“复配”聚合物与“高分”聚合物（P2）溶液黏弹性曲线基本重合。

2.4 渗流特性

“高分”和“复配”聚合物溶液阻力系数（FR）和残余阻力系数（FRR）实验结果见表6。从表6可以看出，聚合物类型和岩石渗透率对聚合物溶液流动性质即阻力系数和残余阻力系数存在影响。在岩心渗透率相同条件下，“复配”聚合物溶液黏度略低于“高分”聚合物，但其体系阻力系数和残余阻力系数比“高分”聚合物溶液的大。由此可见，“复配”聚合物在多孔介质中滞留量要大于“高分”聚合物溶液，也进一步证实了“复配”聚合物由于相对分子量分布较宽，不同分子质量基团之间的协同效应得其与低渗透油藏的适应性更好。

2.5 驱油效果

在注入孔隙体积倍数为0.38条件下，考察聚合物溶液（高分和复配聚合物，Cp=1 200 mg/L）的驱油效果，实验结果见表7。

从表7可以看出，驱油剂类型对化学驱增油效果存在影响。复配聚合物驱增油效果略优于高分聚合物驱的值。相对于普通“高分”聚合物而言，“复配”聚合物相对分子质量分布较宽，其溶液中分子链段长度不均匀，使得分子链在运动时更容易发生协同效应，分子链间更易形成物理缠结。当驱油剂流经孔隙介质时，由于其含有不同分子量的聚合物，聚合物分子链长短不均，分子线团尺寸Dh分布较宽，可以进入不同大小的孔隙吼道发生堵塞，导致聚合物滞留量较大，使得注入压力较高；同时增大波及面积，与油层岩石孔隙间具有较强的适应性，采收率较高。“复配”聚合物溶液配制方法简单，且均为普通聚合物混合，原材料简单，可在不同矿场实验中，多使用较合适比例“复配”聚合物代替普通“高分”聚合物作为驱油剂。

表6 阻力系数和残余阻力系数

表7 驱油剂类型实验结果

3 结 论

（1）在聚合物溶液视黏度相同条件下，“复配”聚合物的分子线团尺寸Dh与普通“高分”聚合物相差不大，但其分子线团尺寸分布明显变宽。

（2）与相同黏度“高分”聚合物溶液相比较，“复配”聚合物溶液在抗盐性、耐温性和稳定性等方面具有优势，但抗剪切性较差。

（3）与“高分”聚合物相比较，“复配”聚合物在多孔介质中滞留量较大，阻力系数和残余阻力系数较大，表现出较强的扩大波及体积能力。

（4）与高分聚合物相比较，复配聚合物中聚合物分子线团尺寸分布较宽，与油藏岩石孔隙分布适应性较强，扩大波及体积效果较好。

（5）推荐吉林油田化学驱采用“复配”聚合物，其质量组成为“超高∶高分∶中分”=17∶60∶23。

[1] 王德民，程杰成，吴军政，等．聚合物驱油技术在大庆油田的应用[J]．石油学报，2005，26（1）：74-78．

[2] 宋考平，杨二龙，王锦梅，等．聚合物驱提高驱油效率机理及驱油效果分析[J]．石油学报，2004，25（3）：71-74．

[3] 郭万奎，程杰成，廖广志．大庆油田三次采油技术研究现状及发展方向[J]．大庆石油地质与开发，2006，25（3）：1-6．

[4] 孙焕泉，张坤玲，陈静，等．疏水缔合效应对聚丙烯酰胺类水溶液结构和流变性质的影响[J]．高分子学报，2006（6）：811-816．

[5] 吴优，叶仲斌，张智，等．疏水缔合聚合物(AP-P4)交联体系研究[J]．河南石油，2005，19（5）：36-40．

[6] 朱怀江，杨静波，曲波，等．3种新型聚合物驱油效率对比研究[J]．油田化学，2003，20（1）：35-39．

[7] 卢祥国，高振环，闫文华，等．人造岩心渗透率影响因素试验研究[J]．大庆石油地质与开发，1994，13（4）：53-55．

[8] 卢祥国，王伟，孙刚．电解质对聚合物溶液渗流特性影响及作用机理研究[J]．大庆石油地质与开发，2007，26（1）：104-108．

[9] 康万利，孟令伟，牛井岗，等．矿化度影响HPAM溶液黏度机理[J]．高分子材料科学与工程，2006，22（5）：175-177．

[10] 王晓燕，卢祥国，姜维东．正负离子和表面活性剂对水解聚丙烯酰胺分子线团尺寸的影响及其作用机理[J]．高分子学报，2009（12）：1259-1264．

[11] 李道山，康万利，朱洪军．聚丙烯酰胺水溶液粘弹性研究[J].油田化学，2003，20（4）：347-349．

[12] 赵丰，杜玉扣，李兴长，等．水解聚丙烯酰胺溶液粘弹特性的研究[J]．物理化学学报，2004，20（11）：1385-1388．

中海油水合物领域首个973计划课题通过验收

10月11日，中海油研究总院承担的国家973计划课题“天然气水合物开采中的多相流动机理和相关基础理论研究”通过验收，评选结果为优秀。

此课题是国家973计划“南海天然气水合物富集规律与开采基础研究”项目八个课题之一，主要研究目标是针对南海北部典型天然气水合物藏，获得水合物分解过程中基础物性和相态变化、传热和传质变化规律，为未来南海北部天然气水合物经济、安全和有效的开采方法选取奠定理论基础。该课题是2009年中国海油首批承担的国家973计划课题之一，也是中海油承担的第一个水合物方面的国家973计划课题。

专家组一致认为该课题在理论模型、实验模拟手段和数值模拟方法上具有较大的创新，研究成果处于国内领先水平，部分研究成果与国际同步。该课题为南海北部天然气水合物经济、安全和有效的开采方法选取奠定了理论基础。

摘编自《中国海洋石油报》2013年10月16日

我国首套自主研发的高精度地震勘探系统海试

11月3日，我国首套自主研发的海上高精度地震勘探采集系统“海亮”在南黄海工区进行海试，这是“海亮”系统经过作业检验后的又一次海试，将对“海亮”的采集系统、采集电缆、不受限深度控制、导航系统等进行更全面测试。

测试中，“海亮”系统研发团队现场对设备进行了拆检前导段、更新罗经鸟参数、修改源代码等更新升级，系统自主研发优势凸显。

“海亮”系统是中海油继“ELLS”测井系统之后，海油标志性的自主科研产品，系统指标达到世界先进水平，系统可大大降低前端模拟信号的干扰，提高地震数据的信噪比，满足高分辨率地震勘探的要求，打破了国外公司在海上地震勘探装备领域的垄断。2008年，“海亮”系统开始应用于海上井场工程勘探作业，2009年底用于海上二维地震勘探作业。

按照作业计划，船队将在南黄海工区完成10 m深度常规作业、40 m深度作业、5～40 m斜缆作业后，转战渤海开始“海亮”系统的三维海试作业。

摘编自《中国海洋石油报》2013年11月11日

Study on Performance and Mechanism of Compound Polymer Flooding in Honggang Oilfeld

ZOU Jian1, ZHANG Yumei2, YANG Yumei3

（1. Tianjin Branch, CNOOC Ltd., Tanggu 300450, China; 2. The Sixth Oil Factory of PetroChina Daqing Oilfeld Company, Daqing Heilongjiang 163114, China; 3. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Jilin Oilfeld Company, Songyuan Jilin 138003, China）

Chemical fooding is suitable in Block 113-3 of Honggang Oilfeld because the reservoirs in this feld are characterized by thick layers, high average permeability and the serious interlayer heterogeneity. To meet the actual requirments for development of Block 113-3 of Honggang Oilfeld, a series of experiments have been conducted to evaluate the viscosifying, salt tolerance, temperature and shear resistance, stability, rheological property and viscoelasticity characteristics of the compound polymers and common polymers. The study results indicated that comparing with the common polymer, the compound polymers are better in propreties of the viscosifying, salt tolerance, temperature and shear resistance，and the the distribution of the relative molecular mass is also wider. The compound polymers are better in compatibility with the reservoirs because the resistance factor and residual resistance factor are larger, and swept volume is also larger. Therefore, it is recommendated that compound polymer fooding should be used in Block 113-3 of Honggang Oilfeld, and the optimizeding mass ratio of the compound polymer is 17∶60∶23 for ultrahigh molecule, macromolecule and medium molecule polymers.

Honggang oilfeld; polymer; compound polymer; performance; expeirment

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2013.04.039

1008-2336（2013）04-0039-07

中国石油吉林油田公司重点科技攻关课题“红岗113-3区块二元复合驱配方体系优化”（JS10-W-13-JZ-03-07）经费资助。

2012-03-30；改回日期：2013-02-25

邹剑，男，1969年生，1992年毕业于西南石油大学石油地质专业，主要从事海上油田开发、采油工艺研究和技术管理工作。E-mail：chobits520520@163.com。