（油气田开发工程专业论文）大庆油田杏十三区抗盐聚合物评价及注聚参数优化.pdf

生里互垫墅堡墅垄堑塞堕堡主堂堡丝茎 a b s tr a c t p o l y m e rf l o o d i n g ，a so n eo ft h ee o rt e c h n o l o g i e s ，h a sb e c o m ea c e n t r a li n c r e a s eo i l r e c o v e r ym e t h o df o ri n c r e a s i n ga d o p t a b l er e s e r v e sa n dk e e p i n gs u s t a i n e dd e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wp o l y m e r sa n dc o m p l e t i o no fp o l y m e rf l o o d i n gt e c h n o l o g y ， h o wt of a r t h e re n h a n c et h et e c h n i ce f f e c to fp o l y m e rf l o o d i n ga n dt h ew h o l ee c o n o m i c b e n e f i ti sai m p o r t a n tp r o b l e mn e e dt ob ee x p l o r e d i no r d e rt o i n c r e a s et h es y s t e m v i s c o s i t yo fp o l y m e rs o l u t i o n ，d e c r e a s et h eq u a n t i t yo fp o l y m e r ，a n df a r t h e ri n c r e a s eo i l r e c o v e r y w en e e dt os e e kn e wt y p ep o l y m e r sh a v i n gp r o p e r t i e so fg o o ds t a b i l i z a t i o na n d v i s c o e l a s t i c i t ya n dt or e s e a r c ht h et e c h n i c a l e c o n o m i cb e n e f i t b a s e do nt h er e s e r v o i rg e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n j e c tw a t e rq u a l i t yo ft h et e s t b l o c kf o re n h a n c i n go i lr e c o v e r yo fp o l y m e rf l o o d i n g i nx 1 3b l o c k ，t h e t e c h n i c a l e c o n o m i cb e n e f i to fp o l y m e rf l o o d i n gw o u l db ei n c r e a s e db yr e a s o n a b l el a y e r c o m b i n a t i o na n dw e l ld e s i g na n do p t i m i z a t i o no fi n j e c ts y s t e m a i ma tt h ep r o b l e mo f u n r e a s o n a b l el a y e rc o m b i n a t i o n ，p 1 3l a y e ri sd e s i g n e dt ob eas u i to fl a y e rs y s t e m ：a i ma t t h ep r o b l e mo fl o w e rc o n t r o ld e g r e eo fp o l y m e rf l o o d i n gi nt h ep r i m a r yt e s tb l o c k ，w e l l d i s t a n c eb e t w e e ni n j e c tw e l la n dp r o d u c ew e l li sr e d u c e df r o m2 1 2m t o1 5 0m t h e l a b o r a t o r ye v a l u a t i o na n df i e l dt e s ta l s oa r ed o n ef o rt 1 1 e n e wt y p ep o l y m e r s t h e n ， a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，w ea c c o m p l i s h e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ha n dt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f n e wt y p ep o l y m e rf l o o d i n gp r o j e c t k e y w o r d s ：p o l y m e rf l o o d i n g n e wt y p ep o l y m e rw i t hs a l i n i t yt o l e r a n c e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no f p o l y m e rf l o o d i n g i i 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 别涝兵 日期：丛! 垒：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、使用学位论文的规定，印： 中国石油勘探开发研究院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：刻达墓 导师签名日期 。r 卜g 鬯一 鲜 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 石油作为一种重要资源在国民经济中有着不可替代的作用。随着我国国民经济的 稳步增长，对石油的需求量将会进一步增加。尽管石油没有如七十年代预言的那样即 将枯竭，但确实有过几次大的石油危机，各国均将石描作为战略性物资进行研究、规 划和开发。我国自1 9 9 3 年已从石油出口国变为石油进口国，相当份额的石油需求依 赖进口，且比例逐年加大。为了解决石油的供需矛盾，除了加强勘探，寻找新的石油 储量外，就是进一步提高原油采收率。 一次采油和以水驱开发为主的二次采油只能采出原始地质储量的3 0 4 0 左右， 还有6 0 7 0 左右的石油留在地下。如何提高石油资源利用率的三次采油方法一直 是世界各国石油专家攻关的课题。 化学驱是三次采油的最重要和使用比较普遍的技术之一，大部分化学驱方法都基 于在注入水中加入水溶性聚合物，应用最为普遍的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺 ( h p a m ) 。化学驱与其它提高采收率技术一样，随着油价的涨落，经历了八十年代 的鼎盛时期和九十年代的停滞阶段。不同的驱替方法对油藏的适应性取决于油藏的性 质，如原油的粘度、组分构成、密度、油藏埋藏深度、渗透率、裂缝发育情况和温度， 油层水矿化度等卜2 1 。提高采收率潜力预测表明，我国大部分油田适合化学驱，特别 是大庆油田化学驱潜力巨大3 1 。国际上聚合物驱一般可阻提高采收率4 - - 6 原始地质 储量( 0 0 i p ) ，碱一表活剂一聚合物驱可以提高采收率1 5 0 0 i p 左右【4 _ 5 。我国七十 年代才逐步开展聚合物驱研究，在八十年代才开展碱一表活剂一聚合物驱研究，至八 十年代末九十年代初，我国在聚合物驱和碱一表活剂一聚合物驱方面的整体技术水平 上还落后于当时的国际水平。但经过“七五”、“八五”和“九五”的连续重点科技攻 关，聚合物驱己经在国内的大庆等油田开始工业应用，三元复合驱己进入工业试验阶 段，并取得了聚合物驱比水驱提高采收率1 0 o o i p 以上、三元复合驱比水驱提高采 收率2 0 o o i p 以上的好效果 5 - 9 1 0 目前我国的化学驱己处于世界领先地位。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 随着室内研究及矿场试验的深入，逐渐发现实际结果与传统理论预测结果之问还 有很大差别，传统理论需要在实践中进一步发展和完善，生产实践中也还有一些问题 亟待解决。例如：聚合物驱是否能够提高驱油效率；怎样选择聚合物分子量；如何进 一步提高h p a m 的分子量；h p a m 溶液的流交特性及渗流特性的表征如何进一步完 善和发展，以更好地指导聚合物驱方案优化和动态预测等等都是理论和实践急待解决 的问题。 我国的提高采收率潜力预测表明，国内大部分油田适合化学驱，特别是大庆油田 化学驱潜力巨大。并且化学驱的效果明显好于国外的化学驱效果【6 。9 1 。化学驱都是基 于在注入液中加入水溶性聚合物，因此聚合物驱是基础。三十多年来，广大科技工作 者对聚合物驱的研究从室内研究、工业应用和h p a m 的制造的研究逐步深入。 1 2 聚合物驱油机理 聚合物驱适用于温度适中，原油粘度中等( 5 1 0 0m p a o s ) 、非均质比较严重( 渗 透率变异系数o 6 o 8 ) 的油藏。其驱油机理主要是提高水相粘度，改善流度比、提 高聚合物溶液在油藏中的微观和宏观波及体积，克服和消除驱替相在油层中的指进现 象，从而提高原油采出程度，缩短开发周期。该项技术经多年研究已基本完善，目前 已在大庆油田工业化推广，聚合物驱已成为大庆油田开发重要技术之一【。”。 1 2 1 聚合物的增粘性 在溶液中，偶极水分子通过吸附和氢键而在高分子周围形成溶剂化层或成为束 缚水，同时因带电基团问的静电斥力而使聚合物分子更加舒展，无规线团体积增大， 这都使分子运动的内摩擦增大，流动阻力增大，从而增加了水的粘度。 聚合物分子在溶液中的形态与高分子一溶剂体系密切相关，在良溶剂中，高分子 处于舒展状态，水动力学体积大：而在不良溶剂中处干紧缩直至不溶状态。水是水溶 性聚合物的良溶剂，所以其水溶液粘度大，而油是不良溶剂，因而聚合物对油相粘度 几乎无影响。 1 2 2 聚合物在多孔介质中的滞留f 1 4 - 1 7 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 聚合物溶液流经多孔介质时，由干吸附和机械捕集，而使聚合物分子滞留在多孔 介质中，这是引起油层渗透率降低的原因。 ( 1 ) 聚合物在多孔介质中的吸附机理 油层矿物的主要成分是氧化物、硅酸盐等，这些矿物表面存在大量的0 基、o h 基及金属基团，与聚合物有较强的吸引力。所以聚合物主要通过色散力、多重氢键和 静电作用吸附在矿物表面 ( 2 ) 捕集 渗透率降低的另一重要原因是捕集，捕集的原因是由于孔隙结构及高分子的性质 造成的。主要是由于聚合物分子沿流动方向取向，而进入j l 隙，当遇到孔隙缩小处或 孔隙尽头的死角处，由于剪切应力或机械作用使高分子卷曲，体积增大，因而被捕集 在孔隙当中。 影响捕集的主要因素是高分子的结构形态和多孑l 介质的孔隙结构。高分子线团 愈大，愈易被捕集；孔隙愈小，捕集能力愈大；流速愈大愈易捕集。所以有的研究者 认为，对于低渗透层，降低渗透率的主要机理是捕集：对于中高渗透率油层，聚合物 降低渗透率的主要机理是吸附。 1 2 3 聚合物驱油机理 三十多年的研究结果普遍表明，聚合物通过增加注入水的粘度和降低油层的水相 渗透率，从而改善水油流度比，扩大波及体积，进而提高原油采收率 1 6 1 7 】。随着室内 及矿场试验的深入，逐渐发现实际结果与传统理论预测结果之间还有很大差别，尽管 有文献报道其实验结果表明可以提高驱替效率，但却没有揭示提高驱替效率的机理 1 9 1 ，因此需要深入研究和探讨。 1 3 应用于聚合物驱的产品 用于聚合物驱的高分子化合物应满足下述条件：1 ) 水溶性好；2 ) 具有较高的相 对分子量，增粘能力强；3 ) 注入性好；4 ) 溶液具有一定的热稳定性及抵抗剪切降解 能力：5 ) 具有较好的抗盐性；6 ) 生物稳定性好；7 ) 对油层和环境无污染：8 ) 来源 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 广，易于运输，价格便宜。 流度控制用的聚合物有两大类：天然聚合物和人工合成聚合物。天然聚合物是从 自然界的植物及其种子主要通过微生物发酵而得到，如纤维素、生物聚合物黄胞胶等。 人工合成聚合物是用化学原料经工厂生产而合成的 2 0 - 2 3 】。使用最为广泛的驱油用聚合 物是部分水解聚丙烯酰胺和生物聚合物黄胞胶，由于生物聚合物黄胞胶的价格比较昂 贵，一般油藏都使用人工合成的部分水解聚丙烯酰胺。部份水解聚丙烯酰胺对地层水 中的含盐量特别是二价的c a ”、m 9 2 + 离子含量、油层温度十分敏感，随着体系中矿 化度和油层温度的增加，体系粘度急剧下降。此外，部份水解聚丙烯酰胺还存在化学 降解以及剪切降解的问题，这些都是对聚合物驱不利的因素。黄胞胶是通过微生物发 酵生产得到的，优点是对盐不敏感，适合于矿化度较高的油层，缺点是容易发生微生 物降解、热稳定性差以及价格过高，防碍了大规模推广应用。 2 4 】 1 3 1 部分水解聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺是一种石油化工产品，有阴离子型、阳离子型和非离子型三种产品。 其中广泛应用于聚合物驱的产品为水溶性阴离子聚丙烯酰胺，通常也称为部分水解聚 丙烯酰胺( h p a m ) 。部分水解聚丙烯酰胺溶于水后解离成带负电荷的大分子，分子 间的静电排斥作用以及同一分子上不同链节之间的阴离子排斥力导致分子在溶液中 伸展并能使分子之间相互缠绕，这就是部分水解聚丙烯酰胺能使其溶液粘度明显增加 的原因。用于聚合物驱的部分水解聚丙烯酰胺的水解度一般控制在2 0 左右，如果水 解度太低，溶解性能就差且初始粘度低；如果水解度太高，溶解性能高，初始粘度也 高，但是热稳定性变差，容易与水中的c a 2 + 、m 9 2 + 作用产生沉淀。 1 3 2 生物聚合物黄胞胶 生物聚合物黄胞胶是由淀粉经黄单孢杆菌发酵代谢而成的多糖，其主链为纤维素 骨架、其支链比部分水解聚丙烯酰胺更多。黄胞胶每个链节上有长的侧链，由于侧链 对分子卷曲的阻碍，所以它的主链采取较伸展的构象，从而使黄胞胶有许多特性。黄 胞胶与合成聚合物聚丙烯酰胺相比，其抗盐性能好，可以在1 7 0 0 0 0 m g l 矿化度的盐 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 水条件下使用；抗剪切性能好，从溶液配置到注入地层的高剪切流速区，溶液粘度不 会因剪切而降低；吸附损耗量较小，可以减小溶液的损失；但耐温性能和注入性较差， 溶液受细菌的影响，价格较贵。 1 3 3 改进的流度控制用聚合物 对于提高采收率应用的聚合物，其性能要求是具有良好的热稳定性、剪切稳定性、 抗盐性、溶解性和注入性，较低的吸附滞留量。目前广泛使用的部分水解聚丙烯酰胺 和黄胞胶在高温和高矿化度时会降解或沉淀，而且部分水解聚丙烯酰胺对盐相当敏 感，在温度大于8 5 。c 下会严重降解 2 5 - 2 8 】。 为了拓展聚合物驱的应用范围，提高恶劣条件油藏( 高温、高矿化度) 的采收率， 人们对新型耐温、耐盐聚合物一直进行着努力研究，研制出了许多耐温、耐盐的驱油 用聚合物，主要有以下几种【2 9 】。 1 ) 丙烯酰胺共聚物 丙烯酰胺共聚物研制是国内外研究最集中、最活跃的一个方面，而且已取得了 定的进展【3 0 - 3 5 。主要有： ( 1 ) 丙烯酰胺一3 一丙烯酰胺基一3 一甲基丁酸钠( a m - - n a a m b ) 共聚物，它 在高温( 1 0 0 。c ) 、饱和的c a c l 2 盐水中不发生相分离，保留粘度比p a m 高的多。 ( 2 ) 丙烯酰胺一2 一丙烯酰胺基2 一甲基丙烯磺酸盐( a m a m p s ) 。 ( 3 ) 丙烯酰胺一2 一磺化乙基甲基丙烯酸盐( m s e m a ) 。 ( 4 ) 丙烯酰胺一乙烯基吡咯烷酮( a m v p ) 。杂环的引进增加了它的剪切稳定 性。 ( 5 ) 丙烯酰胺一二甲基二烯丙基氯化铵共聚物( 阳离子聚合物) 。 ( 6 ) 丙烯酰胺一丙烯酸钠一甲基丙烯酸钠三元共聚物。 2 ) 疏水缔合聚合物 在聚合物中引入疏水基团可生成疏水缔合聚合物。在水介质中，共聚物的疏水部 分以类似于表面活性剂的方式聚集或缔合，大分子线团的有效流体动力学尺寸增大， 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 溶液的粘度提高。较大尺寸的疏水基团对邻近的丙烯酰胺基团的水解反应有一定的抑 制作用，从而增加其耐盐耐温性。用于合成疏水缔合共聚物的疏水缔合单体主要有： 不饱和高级烷基脂、烷基乙烯醚、烷基酸乙烯脂等3 6 】。 3 ) 天然高分子接枝共聚物 以天然高分子如纤维素、淀粉、木质素等为骨架，与乙烯基单体接枝共聚，制备 兼具合成天然高分子特点的新型聚合物方面，人们也进行了有益的探索1 3 7 】。 4 ) 聚合物加添加剂体系 随着聚合物驱的不断发展及研究工作的不断深入，对聚合物弹性所起作用的认识 越来越深，所以发展了聚合物与添加荆形成具有较高粘弹性的聚合物凝胶系列。例如 聚合物与金属离子( 铬、铝、锆、钛) 系列，聚合物与醛类物质系列。这种聚合物体 系可以根据油藏需要调整交联时间和强度，达到堵水和驱油相结合的目的。 另一种聚凝物质体系是在聚合物的生产过程中加入一种胶体粒子，使其发生絮凝 作用而形成絮凝体。它对盐不敏感，溶于水后形成非连续相，具有分散结构，形成无 数具有粘弹性的凝胶颗粒，因而遇有裂缝和大孔隙时，它具有很高的运动能力和渗透 能力，不进入亲油层段或低渗透层段1 3 8 】。 1 4 聚合物室内评价 聚合物驱室内实验的主要目的一是筛选适合于油藏的聚合物，二是进行聚合物驱 的敏感性分析，三是为聚合物数值模拟提供必要的输入参数。聚合物驱的室内实验主 要内容包括聚合物配伍性实验( 筛选实验) 、岩心实验和驱油实验三项内容 2 4 - 2 6 】。 1 4 1 聚合物配伍性( 筛选) 实验 配伍性实验通过对不同聚合物的性能参数测定，选择满足油田聚合物驱指标的聚 合物。实验包括测定厂商提供的聚合物性能指标的实际值，聚合物的溶解性、增粘性、 过滤性、稳定性。除商品性能指标测定外，配伍性实验条件应与油藏实际条件一致， 如果上述实验中测定出聚合物不配伍，则没有必要进行岩心流动实验和驱油实验 3 9 - 4 3 1 。 6 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 4 1 1 聚合物的商用指标 表1 1 粉状驱油用聚丙烯酰胺的技术要求 产品系列( 粘均分子量，m ) 序号项目 95 m 1 21 2 m 1 6 1 6 m 1 5 1 41 5 水不溶物( w t )0 0 4 7 o 0 5 8o 1 6 60 0 4 3o 0 1 90 2 溶解速度( h ) 2 2 2 h j 抗盐聚合物，而在低剪切速率区( 2 0 0 5 1 以下) 第 一法向应力差和粘弹性由高到低的顺序则明显不同，依次为s h t s h j 抗盐聚合物， 这说明不同聚合物在不同剪切速率范围的粘弹性呈现交替占优的趋势。我们应该结合 地层中的实际剪切速率范围选取相应的粘弹性较好的抗盐聚合物。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 8 0 7 0 o 6 0 邑 瓣5 0 i 崔4 0 歪 寰3 0 塔2 0 1 0 0 - o s h f 。口一t s f * 一h j 多 印。彩妒 i 咿删7 ( |z厂6尹 一。奠= 11 01 0 0 剪切速率( 1 s ) 图2 2 不同聚合物粘弹性 1 0 0 0 2 1 5 抗盐聚合物阻力系数和残余阻力系数评价 ( 1 ) 小岩心流动实验 流动实验所用的岩心为人造胶结岩心，空气渗透率在2 0 0 0 m d 左右，聚合物溶液 均采用五厂污水配制，浓度为1 0 0 0 m g l ，注入水采用采油五厂污水。 在温度4 5 c 下，将预先经过过滤配制好的聚合物溶液高速地注入一个小岩心， 进行剪切，以模拟聚合物溶液通过油层射孔炮眼的情况。注入聚合物溶液进行聚合物 驱，录取注入压力变化数据，压力平稳后，进行后续水驱，直到注入压力平稳，结束 实验。 表2 8 抗盐聚合物岩心流动实验 样品粘度 岩心特性 阻力 残余 聚合物 系数阻力系数 初始剪后 k g ( 1 0 m 2 )k w ( 1 0 m 2 ) 孔隙度( ) t s 6 0 53 5 99 6 4 5 8 92 5 67 22 5 h j 3 0 02 5 3 1 0 3 35 0 92 6 14 01 5 s h4 5 02 2 08 3 0 6 5 62 6 11 8 1 01 1 & 7 炼化中分2 1 5 1 5 21 0 6 24 6 72 4 91 05 2 l 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 从岩心流动实验的结果分析可以看出，抗盐聚合物的阻力系数和残余阻力系数高 于普通中分子聚合物，其中s h 抗盐聚合物的阻力系数和残余阻力系数比其它两中聚 合物高出很多。( 表2 8 ) 。 ( 2 ) 长岩心流动实验 物理模型所用岩心是人造胶结岩心。模型长6 0 c m ，截面积2 0 2 5 c m ，渗透率 8 0 0 1 0 m 2 。模型中间均匀设置两个测压孔，与两个端面一起构成三个测压区间， 每个区间的长度约为2 0 c m 。图2 3 为