聚合物驱后提高采收率技术的发展现状
摘要：聚合物驱可有效提高水驱后采收率，但同时也存在着一些问题，如聚合物在地层中存在不可入孔隙体积，聚合物不存在低油水界面张力所产生的洗油能力，聚合物驱后的水驱还存在指进问题等。为提高聚合物驱后采收率，研究了聚合物不可入孔隙体积，发展了聚合物驱后地层残留聚合物絮凝再利用技术及聚合物驱后深部调驱技术等。关键词：聚合物驱；不可入孔隙体积；絮凝；再利用；深部调驱前言聚合物驱作为一种较为成熟的三次采油技术，目前在各油田广泛推广应用，并已初步显示出较好的提高采收率效果。但是，随着油田主力油层和二类油层聚合物驱的不断开展，进入聚合物驱后的区块和油层不断增多，另外针对目前聚合物驱的现状，聚合物驱仍存在一系列的问题，从而使得研究和试验进一步提高采收率的技术和方法非常重要。首先聚合物驱油时，聚合物在地层中存在不可入孔隙体积，减少了聚合物的波及体积。聚合物驱之所以存在这个问题，主要由于聚合物分子无规线团的直径往往大于地层孔隙大小分布中一些小孔隙的直径，同时还可能通过架桥而滞留在孔隙外部，也会产生一定数量的不可入孔隙。因此，聚合物驱时，总存在一定的孔隙为聚合物分子所进不去的，这些孔隙称为聚合物的不可入孔隙。聚合物不可入孔隙与地层孔隙大小分布、聚合物的分子量和水解度、水的矿化度以及地层温度有关。其次聚合物不存在低油水界面张力所产生的洗油能力。水驱采收率为水的波及系数与水的洗油效率的乘积。聚合物只能通过提高水的粘度，减小水的渗透率提高水的波及系数从而起到提高水驱采收率作用。聚合物不能降低油水界面张力，因此聚合物驱是不可能通过聚合物提高水的洗油效率而提高原油采收率。尽管王启民等人认为聚合物粘弹性存在洗油效率的作用，但是这种作用远小于由于油水界面张力降低而产生的洗油效率的提高。大庆赵永胜、魏国章等人通过矿场试验研究也认为聚合物驱只能提高波及系数，不能提高洗油效率。这些都说明，聚合物提高水驱采收率是有限度的。聚合物驱后的水驱还存在指进问题。聚合物驱后地下存在着大量的聚合物溶液，如果立即恢复注水，由于水的流度比聚合物的流度大得多，势必造成高流度流体驱替低流度流体的指进现象发生。当指进的水突入油井时，油井产液中的含水率升高，油产量则急剧下降。因此聚合物驱后的地层转入水驱，将很快引起水淹。最后，聚合物驱并不像人们早先预测的那样具有较长的有效期，如一般数模结果为10~15年，但是由于地层的非均质性、聚合物的吸附、捕集、降解和过早突破等因素，实际聚合物驱的效果要短得多。因此，聚合物驱后提高原油采收率的技术研究具有重大的理论意义和现实意义，是油田聚合物驱后续的提高采收率的技术，是可以在相当范围内、相当长时间内推广应用的技术，将会产生极大的经济效益和社会效益。本文主要通过对三项聚合物驱后提高采收率的技术，即聚合物驱后的地层残留聚合物的再利用技术、深部调剖技术、高效洗油技术的综合利用，从而进一步提高采收率。 1 聚合物不可入孔隙体积的研究聚合物驱存在不可入孔隙体积的论述早在1972年由Rapier Dawson、Ronald B. Lantz等人提出，他们认为在聚合物驱的多孔介质体系中，存在聚合物进不去的孔隙，而这部分孔隙水是可以进入的；同时提出聚合物不可入孔隙中的一部分孔隙体积是被油所占据的，如果注入水通过毛管力的作用进入这部分孔隙体积，就可以把其中的油驱替出来。Shah和Bhupendra N也研究了不可入孔隙体积对聚合物和溶剂的影响，研究发现当聚合物质量浓度低于300mg×L-1时，不可入孔隙体积最大，可以达到0.30~0.32Vp；当浓度大于300mg×L-1时，不可入孔隙体积从0.32Vp减小到0.21Vp。对于不可入孔隙体积，作者认为它的产生主要是因为聚合物分子的尺寸相对于溶剂分子大小和岩石孔隙半径大得多，因此当岩石孔隙半径小于聚合物分子尺寸时，就会产生不可入孔隙体积。在此基础上，Liauh,W.C., Duda,J.L等人对产生不可入孔隙体积的机理做了进一步探讨，认为产生聚合物不可入孔隙体积的现象比较复杂，不仅与聚合物分子链在溶液中的表现有关，而且还与多孔介质的复杂几何形态有关。然而前人在影响聚丙烯酰胺的不可入孔隙体积的因素，以及聚合物驱之后的油层潜力等方面几乎没有提到。杨朝合等人的研究表明，对于沥青质含量较少的轻质油，其不同馏分分子的平均直径在1~2nm左右。大部分研究结果证实，沥青质分子的平均半径在2~6nm，原油的相对分子质量必然小于胶质沥青质的相对分子质量，因此油分子的尺寸也小于沥青质的。另外聚丙烯酰胺的回转半径大于油分子的半径，在地层情况下，聚合物不能进入的孔隙空间，油分子完全可以进入，因此聚合物驱之后的油层是有潜力的。聚合物驱虽然提高了水驱的波及系数，却因为自身固有的性质而降低了波及系数，从而降低了最终的原油采收率。2 聚合物驱后地层残留聚合物絮凝再利用技术研究聚合物絮凝再利用技术的作用机理是，将地层残留的低浓度的聚合物通过氢键, 在絮凝剂上产生桥接吸附，再通过聚合物分子的蜷曲,引起絮凝产生絮凝体来堵塞地层, 从而实现对地层残留聚合物溶液絮凝再利用。主要用于滞留聚合物浓度较低的高渗透层，这部分聚合物溶液充分絮凝之后，就可以迫使后续注入水进入中、低渗透层。聚合物絮凝再利用技术既充分利用地层残留的聚合物，减少措施投入，同时能达到深部调剖，从而达到提高聚合物驱后水驱采收率的目的。
对于粘土的性质，前人已经做了大量的研究工作，详细阐述了粘土矿物的结构、带电性、吸附性、膨胀性和凝聚性等性质。文中指出，粘土颗粒的凝聚性是一定条件下的粘土颗粒或粘土晶片在水中发生联结的性质。连接发生后，粘土矿物的联结体若能互相连接，遍布水的空间，则产生空间结构；若该联结体不能互相连接，则发生下沉。粘土矿物颗粒有三种联结方式，即边边联结、边面联结和面面联结。J. Swenson等人研究了聚合物对粘土颗粒的桥接吸附机理，认为胶体稳定的两个基本机理是：电荷稳定和空间稳定。研究发现四组分体系（粘土-聚合物-盐-水）体系中，加入聚合物使体系中粘土层间距收缩，通过中子衍射实验结果看出，随着聚合物在体系中体积分数的增加，粘土层间距显著减小。Hadar Heller和R. Keren研究了阴离子型聚丙烯酰胺对钠蒙脱石悬浮体的流变性的影响，研究中采用相同水解度、不同分子量的HPAM以及相同分子量、不同水解度的HPAM与粘土颗粒之间的相互作用。结果表明，一个聚合物分子和粘土表面之间可以形成多处粘接，一个分子中的几个链段通过表面粘接，将两个或多个邻近的粘土晶面连接起来，这种桥接方式可以形成连续的絮凝体结构。3 深部调驱技术研究堵水调剖及相关配套技术在高含水油田控水稳产(增产)措施中占有重要地位，但随着高含水油藏水驱问题的日益复杂，对该领域技术要求越来越高，推动着堵水调剖及相关技术的不断创新和发展，国内外从90年代以来都在深部调剖(调驱)液流转向剂研究与应用方面取得了许多新进展，形成包括弱凝胶、胶态分散凝胶(CDG)、体膨颗粒、柔性颗粒等多套深部调剖(调驱)技术，为我国高含水油田改善水驱开发效果、提高采收率发挥着重要作用。
3.1 弱凝胶
弱凝胶也被称为“流动凝胶”(flowing gel)。这里所谓的“流动”是指弱凝胶在试管内呈现流动状态，弱凝胶主要由聚合物和交联剂两部分组成，以整体形式存在，交联状态为分子间交联。弱凝胶深部调驱是近年来发展起来的一项实用性很强的技术，位于传统的聚合物凝胶堵水调剖和聚合物驱之间。弱凝胶最早是由法国石油公司的Norbert Kohler等人提出的。但他们并没有对弱凝胶进行定义。国内李良雄、白宝君、吴应川等对弱凝胶调驱剂的制备、影响因素及流变性和渗流机理进行了研究。交联聚合物弱凝胶是目前国内外应用最广泛的深部调剖改善水驱技术，但影响其性能的因素多，针对性强，且多不抗盐，一般不适宜矿化度100 000mg/L以上、温度90℃以上的低渗地层的深部调剖作业。应用时应重点考虑交联聚合物体系与地层流体、配液用水、油藏温度和油藏地层特征的配伍性。
3.2 胶态分散凝胶
胶态分散凝胶是80年代中期，国外研究人员在实验室试图寻找一种使用筛网定量评价层状凝胶的方法时偶然发现的，并用于深部调驱。Smith于90年代正式提出了胶态分散凝胶的概念，TIORCO公司在矿场实验的成功极大的推进了胶态分散凝胶深部调驱技术的发展。国内于90代开始了胶态分散凝胶的研究工作，陈铁龙、彭勃、罗文利、林梅钦等对胶态分散凝胶的配方、制备和评价方法及影响因素等方面进行了研究。目前在华北、河南等油田进行了先导性实验，取得了较好的效果。胶态分散凝胶是由低浓度的聚合物和交联剂及一定量的盐存在，经一定的加料顺序和特定的条件，适当的摇动或搅拌制得的。国内外的研究表明：能形成CDG的聚合物有部分水解聚丙烯酰胺和AMPS（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸盐）聚合物。3.3 体膨颗粒
体膨颗粒调剖是近几年发展起来的一种新型深部调剖技术，主要是针对非均质性强、高含水、大孔道发育的油田深部调剖、改善水驱开发效果而研发的创新技术。体膨颗粒遇油体积不变而吸水体膨变软(但不溶解)，在外力作用下可发生变形运移到地层深部，在高渗层或大孔道中产生流动阻力，使后续注入水分流转向，有效改变地层深部长期水驱形成定势的压力场和流线场，达到实现深部调剖、提高波及体积、改善水驱开发效果的目的。由于它的独特性质，使其在高含水、大孔道油田深部调剖中的作用被广泛认可，成为我国高含水、高采出程度油田进行深部挖潜、实现稳产的重要技术手段。据对大庆、大港、中原等油田的不完全统计，取得了良好的经济和社会效益。
4 聚合物驱后的研究方向和进展前人所做的大量关于聚合物驱的研究工作几乎都是围绕着聚合物驱替过程本身展开研究和探讨的，而对于聚合物驱之后的强化三次采油，几乎还未有人深入研究。郭尚平等人在1997年提出了聚合物驱后进一步提高采收率的四次采油问题。通过对天然岩心和人造岩心进行实验，初步探索研究了三次采油后进行四次采油提高采收率的可能性。研究表明，在聚合物驱三次采油后采用适当方法，还可以进一步提高采收率，即三次采油后再进行四次采油是有效果的，前景不错。天然岩心和粘土含量为20%的人造岩心实验表明，聚合物驱之后再进行表面活性剂驱还能进一步提高采收率，且表面活性剂（四次采油）的采收率大于或接近聚合物驱（三次采油）的采收率增值。然而在实际情况下，由于聚合物驱之后进行水驱会发生指进现象，因此在聚合物驱之后应该采取及时封堵水驱产生的大孔道的措施，然后再用活性水驱替，一方面水能够波及聚合物所无法进入的孔隙空间，另一方面，活性水可以洗出这部分孔隙空间中的油，从而提高了水驱的洗油效率，充分挖掘聚合物驱之后油层的潜力，以达到进一步提高原油采收率的目的。王启民等人提出了聚合物驱油中有待进一步攻关的三方面内容及其涉及基础学科研究的问题。首先，聚合物驱效果有待通过调剖等方法得到进一步改善；其次，聚合物综合性能需要进一步改进；最后，聚合物驱油技术数值模拟也需要深化研究。本文通过利用聚合物再利用技术，向地层中注入固定剂和絮凝剂，对地层中的低浓度聚合物进行絮凝，对高浓度的聚合物进行交联，达到既能高效利用地层中的聚合物溶液，又能够与不同质量浓度聚合物产生强度不同的冻胶和絮凝体，进而封堵不同深部的大孔道。该方法具有成本低廉、采出程度高、对中、低渗透层的伤害程度小以及对地下存在聚合物利用程度高等优点。在此基础上再用不同成冻时间的冻胶型调剖剂进行适度的深部调剖，对地层残留聚合物再利用不足的地层进一步封堵，使得能够更加有效地提高聚合物驱后水驱的波及系数；同时还针对聚合物驱不能提高洗油效率的问题，采用活性水[32]（阴离子表面活性剂和/或非离子表面活性剂配成）驱的高效洗油技术洗出聚合物驱过程中不可入孔隙里边存在的剩余油，充分挖掘聚合物驱后油藏潜力，达到最大限度提高聚合物驱后的原油采收率的目的。结论1. 聚合物驱后的提高采收率技术是一项具有四次采油性质的技术，在提高采收率技术的发展中具有重要意义。2. 聚合物不可入孔隙体积不仅存在，而且不容忽视，在不断发生变化的地层条件下，HPAM的VIP可能很大，严重影响了聚合物驱的波及系数，从而减小了聚合物驱的原油采收率。3. 聚合物絮凝再利用技术通过利用絮凝剂和固定剂，既充分利用地层残留的聚合物,减少措施投入, 同时又能达到深部调剖, 从而达到提高聚合物驱后水驱采收率的目的。4. 深部调剖技术是在近井调剖技术的基础上发展的一项技术，对储层深部的地层不均质得以改善，使水驱采收率进一步增加。5. 将聚合物驱后的地层残留聚合物的再利用技术、深部调剖技术、高效洗油技术综合运用，可以有效地提高原油采收率。
