陳 磊，趙 健，申金偉，郭布民，李 夢(mèng)，鮑文輝

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海SZ36-1 油田于2003 年開(kāi)始注聚，隨著注聚時(shí)間的增加，越來(lái)越多的注聚井出現(xiàn)欠注或注入壓力高的問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)堵塞物成分分析，堵塞物主要為聚合膠團(tuán)、原油、無(wú)機(jī)垢、黏土礦物、機(jī)械雜質(zhì)以及各種金屬離子等[1，2]。有研究者對(duì)SZ36-1 油田注聚井堵塞機(jī)理進(jìn)行了研究[3，4]，儲(chǔ)層膠結(jié)疏松導(dǎo)致微粒易運(yùn)移、聚合物的吸附與滯留、注水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、聚合物魚(yú)眼或膠團(tuán)等相互作用形成復(fù)合堵塞[4-10]。目前對(duì)堵塞機(jī)理的研究以靜態(tài)和單因素分析為主，而在注聚井中堵塞物是在動(dòng)態(tài)注入過(guò)程中形成。為了研究注聚井堵塞形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析了注聚井堵塞原因，通過(guò)長(zhǎng)填砂管驅(qū)替模擬了注聚井堵塞動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與材料

材料：去離子水，自制；氯化鈣（CaCl2）、六水合氯化鎂（MgCl2·6H2O），分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；SZ36-1 現(xiàn)場(chǎng)聚合物干粉，SZ36-1 油田現(xiàn)場(chǎng)的注入水，SZ36-1 油田脫水原油，現(xiàn)場(chǎng)提供。

儀器：Nano ZS 馬爾文激光粒度，馬爾文儀器有限公司；DHZ-50-180 型化學(xué)驅(qū)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，南通華興石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚合物溶液水力學(xué)直徑的測(cè)量 使用Nano ZS馬爾文激光粒度儀測(cè)量聚合物溶液中膠束的水力學(xué)直徑。

1.2.2 聚合物吸附滯留傷害 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試其巖心損害率來(lái)探討聚合物在巖心中的吸附滯留帶來(lái)的傷害。采用巖心（50 mm×φ25.4 mm），注入速度1 mL/min，先測(cè)定水相滲透率k0，然后注入聚合物溶液，直到壓力穩(wěn)定，最后注水測(cè)定注聚后的水相滲透率k1，計(jì)算巖心損害率。巖心損害率公式為：

其中：η-巖心損害率，%；k0-巖心的初始水相滲透率，10-3μm2；k1-巖心吸附聚合物后的水相滲透率，10-3μm2。

1.2.3 聚合物堵塞動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn) 采用目數(shù)為40 目的石英砂填充填砂管模擬儲(chǔ)層巖石。使用有多個(gè)測(cè)壓點(diǎn)填砂管，通過(guò)壓力傳遞過(guò)程來(lái)表征聚合物堵塞動(dòng)態(tài)過(guò)程，測(cè)壓點(diǎn)的位置（見(jiàn)圖1）。

圖1 填砂管測(cè)壓點(diǎn)示意圖（從左向右注入）

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）以1 mL/min 向填砂管中注入地層水，記錄注入端壓力；

（2）以1 mL/min 向填砂管中注入渤?，F(xiàn)場(chǎng)油樣，對(duì)填砂管進(jìn)行飽和原油；

（3）以1 mL/min 注入模擬注入水進(jìn)行水驅(qū)，直到含水率達(dá)到98 %以上；

（4）將濃度為5 000 mg/L 聚合物和地層水混合注入，模擬礦場(chǎng)注入過(guò)程；

（5）后續(xù)水驅(qū)，直到壓力穩(wěn)定，根據(jù)各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)變化，研究堵塞過(guò)程。

2 結(jié)果與討論

2.1 注聚井堵塞原因分析

2.1.1 聚合物配制的影響 聚合物溶液配制及稀釋過(guò)程中未溶解好的“魚(yú)眼”及高聚溶液注入井內(nèi)造成近井及炮眼周圍油層孔隙堵塞，引起注入困難。

2.1.1.1 聚合物配制過(guò)程中熟化不好 渤海油田使用的聚合物干粉粒度及相對(duì)分子質(zhì)量存在差異，溶解過(guò)程中，相對(duì)分子質(zhì)量低、分散好的小顆粒溶解的快；而相對(duì)分子質(zhì)量高、顆粒大的溶解較慢，容易形成“魚(yú)眼”和軟膠團(tuán)。在過(guò)濾精度有限的情況下，這些物質(zhì)隨著熟化好的聚合物溶液一起進(jìn)入井內(nèi)，造成近井及炮眼堵塞。

2.1.1.2 聚合物溶液稀釋不均勻 渤海油田現(xiàn)場(chǎng)注聚使用熟化的高濃度聚合物母液（5 000 mg/L）和注入水在管線中直接混合成低濃度聚合物溶液后注入，實(shí)際操作中，由于混合不均勻，管線內(nèi)會(huì)出現(xiàn)濃度很高的聚合物溶液（近似膠狀物）并被直接注入地層，造成堵塞[2]。

2.1.2 注入水對(duì)聚合物溶液的影響 SZ36-1 油田注入水礦化度約為7 700 mg/L，其中鈣、鎂離子含量分別為80 mg/L、230 mg/L。為了探究注入水高價(jià)陽(yáng)離子對(duì)聚合物分子水力學(xué)直徑的影響，使用馬爾文激光粒度分析儀測(cè)定了不同Ca2+、Mg2+二價(jià)離子濃度下聚合物溶液的水力學(xué)直徑，結(jié)果（見(jiàn)圖2）。

從圖2 中可以看到，鈣、鎂離子的增加導(dǎo)致溶液中聚合物水力學(xué)的直徑增加，鈣離子的影響大于鎂離子的影響。鈣鎂離子對(duì)溶液中的聚合物影響主要有兩個(gè)方面：一方面是SZ36-1 油田使用的聚合物為陰離子型，在水溶液聚合物分子鏈上的陰離子存在靜電斥力，使分子鏈更加舒展。而當(dāng)鈣鎂離子存在時(shí)，屏蔽了分子鏈上的陰離子，造成分子鏈卷曲；另一方面，鈣鎂離子屬于二價(jià)陽(yáng)離子，可以在分子鏈間通過(guò)靜電引力作用造成聚合物分子交聯(lián)，隨著鈣鎂離子濃度增大，交聯(lián)作用越明顯，聚合物水力學(xué)直徑越大。聚合物水力學(xué)直徑越大，越容易在巖石孔喉處捕集，造成儲(chǔ)層堵塞。

圖2 離子濃度對(duì)膠團(tuán)水力學(xué)直徑的影響

2.1.3 聚合物吸附滯留傷害 在聚合物大分子通過(guò)孔隙介質(zhì)時(shí)，一方面由于聚合物電荷作用吸附巖石表面，另一方面超過(guò)孔喉半徑的大分子將被留在孔隙介質(zhì)中，兩方面作用使巖心的滲透率和孔隙度降低。故而本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試不同滲透率巖心損害率來(lái)表征聚合物吸附滯留造成的傷害，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1）。

從表1 可以看出，當(dāng)巖心滲透率越低，經(jīng)聚合物驅(qū)后，巖心損害率越大，越容易造成堵塞。在聚合物溶液注入速度一定時(shí)，動(dòng)態(tài)吸附滯留的機(jī)理主要是吸附和捕集作用。在滲透率低的巖心中，不可入孔隙體積較大，吸附表面積較小，吸附量較低。但低滲透率巖心孔喉半徑小，機(jī)械捕集量大，所以在低滲巖心中，傷害主要來(lái)自聚合物分子捕集。隨著滲透率的增加，不可入孔隙體積減小，吸附表面增加，吸附量增加，機(jī)械捕集量減少（由于孔喉半徑增加），因而在高滲巖心中，傷害主要來(lái)自聚合物吸附。所以，儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物吸附和機(jī)械捕集有很大影響，而聚合物的機(jī)械捕集是造成注聚井堵塞的主要原因。

2.2 堵塞動(dòng)態(tài)過(guò)程

基于之前的研究，發(fā)現(xiàn)地層水、注入水、聚合物等的相互作用十分復(fù)雜，因此形成的堵塞物成分復(fù)雜。為了研究聚合物垢在地層中的分布規(guī)律，以長(zhǎng)填砂管為模型，先飽和原油，再將注入水：聚合溶液=2：1 比例使用旋轉(zhuǎn)攪拌器，邊攪拌邊注入，記錄各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力變化，探究堵塞動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

驅(qū)替分為四個(gè)階段，分別為水驅(qū)油階段；聚合物/地層水混合驅(qū)；填砂管兩端封閉65 ℃老化24 h；后續(xù)水驅(qū)階段，各階段的壓力曲線（見(jiàn)圖3）。

在水驅(qū)油階段，P1的壓力上升至約0.4 MPa，隨著原油的采出，含水率增加，填砂管中形成水流通道，注入壓力開(kāi)始降低。而其他壓力點(diǎn)的壓力變化小，說(shuō)明水驅(qū)油存在黏性指進(jìn)，驅(qū)油的壓力主要存在注入端，水驅(qū)前緣突破后，壓力迅速降低，所以在其他測(cè)壓點(diǎn)壓力變化小。

聚合物/注入水混合驅(qū)階段，P1注入端壓力快速上升至約9.5 MPa，由于注入的聚合物溶液從前至后依次流經(jīng)各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，因此P1壓力先上升其他測(cè)壓點(diǎn)的壓力再依次上升，P1、P2、P3的壓力遠(yuǎn)高于P4、P5的壓力，說(shuō)明產(chǎn)生的堵塞物主要集中在中前端。另外可以明顯的觀察到，五條壓力曲線都出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，說(shuō)明堵塞物是在不斷運(yùn)移過(guò)程中形成。

從整體壓力的變化來(lái)看，在P3和P4兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間存在明顯的壓力降落，在該段消耗的壓差最大，說(shuō)明該段滲透率最低，形成了主要的堵塞區(qū)域。在注入端由于壓力較大，聚合物大分子膠團(tuán)形成的柔性堵塞物可以變形、擠入孔隙，向后運(yùn)移。或受擠變形進(jìn)入窄孔喉和出口狹窄的大孔滯留在巖心中形成堵塞。對(duì)于向后運(yùn)移的柔性堵塞物，不斷和原油、無(wú)機(jī)晶體相互包裹，堵塞物變大，并且隨著運(yùn)移距離的增加，較大的堵塞物無(wú)法受擠變形通過(guò)孔隙，從而形成堵塞。從驅(qū)替的結(jié)果來(lái)看，形成的堵塞物主要被運(yùn)移到了P3和P4的測(cè)壓點(diǎn)之間并滯留，該位置為聚合物垢的主要堵塞區(qū)域。

表1 巖心損害率數(shù)據(jù)

圖3 注入壓力隨注入體積的變化曲線

在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，五個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力都逐漸降低，且壓力曲線的抖動(dòng)幅度也逐漸減小，最終壓力P1、P2、P3遠(yuǎn)高于P4、P5。后續(xù)水驅(qū)聚合物溶液被推向填砂管后端，并被帶出，導(dǎo)致壓力降低。在填砂管中形成的膠團(tuán)堵塞物堵塞在孔隙中難以向后進(jìn)一步運(yùn)移，形成堵塞，所以在水驅(qū)結(jié)束時(shí)，P1、P2、P3仍保持較高的壓力，說(shuō)明形成膠團(tuán)堵塞物主要集中在中前端。而P4、P5壓力較低，是因?yàn)榻?jīng)過(guò)后續(xù)水驅(qū)的大量沖刷，大部分聚合物被沖刷出來(lái)，少量聚合物在孔隙中的吸附滯留是造成堵塞的主要原因。驅(qū)替結(jié)束后，對(duì)填砂管拆解的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)形成了具有一定彈性的膠狀堵塞物，這證明了聚合物/注入水、砂粒的相互作用形成了堵塞物。

3 結(jié)論

（1）聚合物配制過(guò)程中產(chǎn)生的魚(yú)眼、混合不均勻，注入水中高價(jià)金屬離子造成聚合物分子交聯(lián)，聚合物在孔隙中的吸附滯留均是造成注聚井堵塞的原因。

（2）在注聚及后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，在填砂管中前端，聚合物/注入水、砂粒、原油的相互作用形成的堵塞物，造成嚴(yán)重堵塞，注入壓力高；而在中后端，堵塞主要來(lái)自聚合物在孔隙中的吸附滯留。